KR20010045348A

KR20010045348A - 뇌파 검출에 따른 바이오피드백 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR20010045348A
Application number: KR1019990048609A
Authority: KR
Inventors: 조진호
Original assignee: 조진호
Priority date: 1999-11-04
Filing date: 1999-11-04
Publication date: 2001-06-05

Abstract

본 발명은 뇌파검출에 따른 바이오피드백 방법 및 장치에 관한 것으로서, 뇌파 검출에 따른 바이오피드백 시스템에 있어서, 인체의 앞이마에 부착하여 뇌파를 검출하는 전극; 전극으로부터 검출된 뇌파로부터 잡음을 제거하고 각종 뇌파 성분을 각각 구별하여 추출하고 그 스펙트럼을 분석하여 그 결과를 소정의 형태로 출력하는, 뇌파처리수단; 및 뇌파 처리부로부터 출력된 소정 신호를 뇌파가 검출된 피험자 자신에게 피드백하는 피드백수단을 포함한다.

본 발명에 의해, 뇌파 검출 및 그에 의한 치료를 요하는 사용자는 어디서나 뇌파검출 및 그에따른 피드백 장치를 휴대할 수 있고, 뇌파 검출이 앞 이마에서 편리하게 이뤄지고 각종 신체 잡음이 잘 제거된 후 뇌파 분석이 이뤄지므로 정확한 뇌파 정보를 알 수 있다.

Description

뇌파 검출에 따른 바이오피드백 방법 및 그 시스템{Method and system of biofeedback based on the detection of electro-encephalogram}

본 발명은 의학분야에 이용되는 바이오피드백 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 뇌파를 측정 및 분석하여 피험자에게 피드백하는 뇌파 검출에 따른 바이오피드백 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

사람의 머리에 수개의 전극을 부착하고 여기서 얻어지는 전기신호를 증폭하여 얻은 파형을 뇌파(Electro-Encephalogram; EEG)라고 한다. 뇌파 신호의 파형은 머리의 부위, 피험자의 생각 또는 정신 상태에 따라 크게 달라진다. 일반적으로 뇌파의 크기는 0~200muN, 주파수는 0~50Hz이며, 정상인에게서파형,파형,파형 및파형의 네가지 파형이 관찰될 수 있다.파형은 8~13Hz 주파수에 50muV 크기의 파형으로서, 정상 성인이 안정된 정신 상태에서 발생되고, 특히 후두부 및 두정부 에서 잘 관찰된다.파형은 14Hz 이상의 주파수를 가지며, 정신을 집중시키거나 뇌활동이 증가되는 상태에서 두정부 및 전두엽에서 잘 관찰된다.파형은 4~7Hz의 주파수를 가지며, 어린이의 두정부와 측두부에서 관찰되고, 성인에게서는 수면시나 깊은 실망등의 스트레스가 있을 때 혹은 뇌질환이 있을 때 관찰된다.파형은 3.5Hz 이하 주파수 신호이고, 유아에게서도 관찰되고, 성인에게서는 깊은 수면시나 심한 뇌질환시에 나타날 수 있다. 또 대뇌피질을 하부 뇌조직과 분리했을 때에도 나타나는 것으로 보아 피질자체에서 독립적으로 나타나는 파형이라고 볼 수 있다.

바이오피드백(bio-feedback)은 긴장완화, 고통경감, 건강증진, 생체치료등을 위해 신체에서 발생하는 신호를 검출 및 가공하여 다시 신체에 피드백시키는 제어 방법이다. 바이오피드백은 외부 장비를 통해 신체로부터 몸의 신호를 측정하고 이러한 몸의 상태에 대한 정보를 제공한다. 이에대한 간단한 예로서 체온계나 혈압계를 들 수 있다. 임상용 바이오피드백의 목적은 인체에서 일어나는 생리적 현상을 장비를 통해 관찰하고 그를 통해 그 현상을 제어하는 것이다. 여기서 관찰은, 시각이나 청각적 수단에 의해 행해지고, 제어는 바이오피드백 훈련을 통해 가능하도록 행해진다. 바이오피드백은 직접적인 치료 수단이 아니라, 심신 단련 기술을 습득하는 방법으로 이러한 습득은 연습을 통해 달성되는데, 연습하는 과정에서 사람이 몸속의 생리적 현상들에 대한 반응을 상당한 수준 까지 조절할 수 있다.

EEG 바이오피드백은 뇌파를 측정하고 이를 연산하여 피험자에게 피드백해 줌으로써 피험자의 상태를 바람직한 어떤 상태로 유도하는 것이다. 뇌파 중에서,파 전력 스펙트럼의 크기는 심리적 이완을 나타내는 주요 지표가 되고, 심리적 긴장이 해소될수록 진폭이 커지는 특성을 가진다. EEG 바이오피드백 시스템은 피험자로부터 출력되는 뇌파 중에서 알파파가 차지하는 비율을 연산하여 실시간으로 환자(피험자)에게 피드백 시켜 줌으로써 피험자로 하여금 자신의 상태를 알게하여 만약 피험자가 심리적 불안정 상태에 있을 때 그 상태로부터 조기에 벗어날 수 있도록 훈련시킴과 동시에 그 요령을 빨리 터득할 수 있게 한다.

알파파를 이용하여 바이오피드백을 시키는 내용은 1960년대 이후로부터 알려져 왔고, 이 이론을 뒷받침하는 장치들이 다양하게 개발되어져 왔다. 이러한 장치는, 미국의 웨이버라이드사(Waveride), EEG 스펙트럼사, 프로콤 바이오그래프사(Procomp Biograph), 브레인 센터사(Brain Center) 등에서 발매되어 왔고 국내에서는 데스크탑형 바이오피드백 장치가 소개되어 있다.

그러나 기존의 장치들은 신호 처리 장치가 복잡하게 되어 부피가 크고 중량이 많이 나가기 때문에 환자가 기기가 있는 곳에 찾아가서 시술을 받아야 한다. 즉, 기존시스템은 뇌파신호 분석기와 생체피드백신호를 발생시키는 부분이 별개의 모듈로 되어 있거나, 컴퓨터 본체의 내부 슬롯에다 뇌파신호 분석처리를 담당하는 보드 및 바이오 피드백신호 드라이버 보드를 각각 꽂아서 만들어져 있으며, 테이블 위에는 이들 본체에 연결된 시청각 피드백을 위한 모니터와 스피커 등의 장비 및 기구로 구성되기 때문에 부피와 중량이 상당히 크다.

일반적으로 바이오피드백에 사용되는 알파파는 전두 즉, 앞이마 보다 대개는 머리카락으로 덮여있는 후두쪽 및 두정부 에서 더 잘 나타난다. 그 때문에 지금까지 알파파의 측정은 두정부 및 후두부에서 이뤄져왔다. 후두부에서 이뤄지는 알파파의 측정은 머리카락을 헤집어 두피에 접촉해야 하는 불편함이 있다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 휴대하기 편리한 콤팩트한 사이즈에, 다양한 피드백 장치를 구비하고, 앞 이마에서 편리하게 뇌파 검출이 가능한 뇌파 검출에 따른 바이오피드백 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 뇌파검출에 따른 피드백 시스템의 전체 구성도이다.

도 2는 도 1의 전극의 상세한 예를 보인다.

도 3은 도 1의 뇌파처리수단의 상세 블록도이다.

도 4는 도 3의 잡음경감 및 출력 선택부를 상세하게 도시한 것이다.

도 5는 뇌파신호처리부의 기능을 블록도로 구성한 것이다.

도 6은 안전도 잡음을 제거하는 상태도를 보인 것이다.

도 7a 및 도 7b는 피드백 수단 중에서 트랜스듀서들을 보인 것이다.

도 8은 각성 상태에서 피험자가 두뇌활동을 할 때 측정한 뇌파의 결과이다.

도 9는 피험자가 두 눈을 감고 있는 안정된 상태에서 뇌파를 측정한 결과이다.

도 10은 임의의 환경에서 피드백을 통해 피험자가 심리적 안정 상태로 유도될 수 있는지를 관측한 실험결과이다.

상기 과제를 해결하기 위한, 뇌파 검출에 따른 바이오피드백 시스템에 있어서, 인체의 앞이마에 부착하여 뇌파를 검출하는 전극; 상기 전극으로부터 검출된 뇌파로부터 잡음을 제거하고 각종 뇌파 성분을 각각 구별하여 추출하고 그 스펙트럼을 분석하여 그 결과를 소정의 형태로 출력하는, 뇌파처리수단; 및 상기 뇌파 처리부로부터 출력된 소정 신호를 상기 뇌파가 검출된 피험자 자신에게 피드백하는 피드백수단을 포함한다.

상기 뇌파처리수단은, 상기 전극으로부터 출력된 뇌파신호로부터 잡음을 제거하고, 뇌파 신호의 크기를 증폭시켜 출력하는 잡음제거 및 뇌파증폭부; 및 상기 잡음제거 및 뇌파 증폭부로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 인체내에서 발생하는 다른 잡음 및 기타 잡음를 제거하고, 뇌파의 총 전력 스펙트럼을 산출하고, 상기 총 전력 스펙트럼에 대한 특정 뇌파 성분의 전력 스펙트럼의 비를 구하고, 상기 비와 소정 기준값을 비교하여 그에따라 피드백할 신호를 정하여 출력하는 뇌파 신호처리부를 포함함이 바람직하다.

상기 뇌파 신호처리부는, 상기 잡음제거 및 뇌파증폭부로부터 출력된 신호를 디지털 변환하고 잡음을 제거하는 디지털 필터부; 상기 디지털필터부에서 디지털 변환될 때 생긴 랜덤 잡음을 제거하기 위해 한 샘플 신호에 대해 소정 개수로 샘플링하여 평균을 취함으로써 잡음을 제거하는 샘플링 및 평균부; 상기 샘플링 및 평균부를 통과한 신호로부터 엘리어싱(aliasing)일으키지 않고 출력된 뇌파신호의 스펙트럼을 분석하는 스펙트럼 분석부; 상기 스펙트럼 분석부로부터 출력된 뇌파 스펙트럼의 총전력을 산출하는 스펙트럼 전력 산출부; 상기 스펙트럼 전력 산출부에서 구한 총스펙트럼 전력에 대해 원하는 뇌파 성분 스펙트럼의 전력의 비를 구하는 특정 뇌파성분비 산출부 ; 및 상기 특정 뇌파성분비 산출부의 결과에 따라 피험자에게 피드백할 신호를 정하여 출력하는 피드백 신호 출력부를 구비함이 바람직하다.

상기 피드백수단은, 피험자에게 상기 뇌파의 정보를 시각 및 청각 뿐만 아니라, 촉각으로도 전달하는 트랜스듀서(transducer)를 포함함이 바람직하다.

상기 시스템은 사용자가 휴대할 수 있고, 또한 이동 가능하게 된 것임이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 이한 뇌파검출에 따른 바이오피드백 방법에 있어서, 피험자의 이마에 한 개 이상의 전극으로 이뤄진 띠를 부착하여 그 전극들로부터 뇌파를 검출하는 제1단계; 눈 깜박임 및 눈의 좌우 이동에 따른 잡음을 상기 뇌파로부터 제거하는 제2단계; 상기 제2단계의 결과 신호를 디지털 변환하고, 인체에서 발생하는 다른 잡음 및 디지털 변환시의 잡음을 제거하는 제3단계; 상기 제3단계의 결과 엘리어싱(aliasing)없이 신호의 스펙트럼을 산출하는 제4단계; 상기 제4단계로부터 신호의 총 전력 스펙트럼을 산출하는 제5단계; 상기 제5단계에서 검출된 뇌파의 총 전력 스펙트럼에 대해 원하는 특정 뇌파 성분의 전력 스펙트럼의 비를 구하여 그 결과에 따라 뇌파를 검출한 피험자에게 피드백할 신호를 정하는 제6단계; 및 상기 제6단계에서 정해진 피드백 신호를 피험자에게 시각, 청각 및/또는 촉각 수단을 사용하여 전달하는 제7단계를 포함한다.

이하에서 첨부된 도면을 이용하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 뇌파검출에 따른 피드백 시스템의 전체 구성도로서, 그 시스템의 구성은, 전극(100), 뇌파처리수단(110) 및 피드백수단(120)으로 이뤄진다. 전극(100)은 인체의 앞이마에 부착하여 뇌파를 검출하는 장치이다. 뇌파처리수단(110)은 전극(100)으로부터 추출된 뇌파로부터 잡음을 제거하고 각종 뇌파 성분을 각각 구별하여 추출하고 그 스펙트럼을 분석하여 그 결과를 소정의 형태로 출력한다. 여기서 각종 뇌파 성분에는, 의료 치료에 사용되는 알파()파 신호 성분등이 포함될 수 있다. 본 발명에 의한 시스템에서 뇌파처리수단(110)의 크기는 15cm X 20cm X 5cm 정도가 되고, 여기에는 전원 스위치, 시작 버튼, 뇌파분석 및 자극 프로그램 선택 버튼, 음량/진동 조절 버튼이 설치되어 있고, 이마에 부착하는 뇌파 검출용 전극(100)과 뇌파처리수단으로부터의 결과를 피드백하는 헤드폰 및 LED(light emitting diode) 안경과, 손에 쥐거나 팔에 부착하여 촉각을 자극하는 진동체가 플러그를 통해 연결된다.

도 2는 도 1의 전극(100)의 일실시예를 도시한 것이다. 전극(200)은 사용의 편의를 도모하기 위해 내부에 5개의 은-염화은(Ag-AgCl) 전극이 부착된 이마에 두르는 띠의 형태로 되어 있다. 각 전극의 위치는 종방향으로 미간과 같은 축에 놓이는 중심 전극(210)을 기준으로 3~5cm 간격으로 양 옆에 2개의 전극을 배치한 형태로 된다.

도 3은 도 1의 뇌파처리수단(110)의 상세 구성도로서, 뇌파처리수단(110)은, 잡음제거 및 뇌파증폭부(300) 및 뇌파신호처리부(310)를 포함한다. 잡음제거 및 뇌파증폭부(300)는 전극(100)으로부터 출력된 뇌파신호로부터 잡음을 제거하고, 뇌파 신호의 크기를 증폭시켜 출력한다. 뇌파신호처리부(310)는 잡음제거 및 뇌파증폭부(300)에서 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하여 인체내에서 발생하는 잡음 및 기타 외부 잡음을 제거하고 뇌파의 총 전력 스펙트럼을 산출하고, 총 전력 스펙트럼에 대해 원하는 특정 뇌파 성분의 전력 스펙트럼의 비를 구하고, 소정 기준값에 그 비를 비교하여 그에 따라 피드백할 신호를 정하여 출력한다. 잡음제거 및 뇌파 증폭부(300)는 잡음경감 및 출력 선택 회로(301), 하이패스필터(high pass filter)(302), 가변 이득 증폭기(303), 로우패스필터(low pass filter)(304) 및 노치 필터(notch filter)(305)를 포함한다. 잡음경감 및 출력 선택회로(301)는 전극(200)에서 검출된 신호로부터 눈 깜박임 및 눈의 좌우이동에 대한 잡음을 제거하고, 전극의 중앙, 좌 및/또는 우측으로부터의 뇌파 신호를 각각의 별개 채널 신호로 출력한다. 잡음제거 및 뇌파선택회로에서는(301) 4채널 출력이 얻어지기 때문에 이 뒷단에 연결되는 하이패스필터(302), 가변이득증폭기(303), 로우패스필터(304) 및 노치필터(305)는 최소 2채널에서 최대 4채널용으로 구성된다. 하이패스필터(302)는 잡음경감 및 출력 선택 회로(301)로부터 출력된 잡음 제거된 소정 전극 부위의 뇌파 신호로부터 피험자의 신체가 움직이면서 발생되는 직류 신호를 제거한다. 피부와 금속 전극이 접촉할 때 직류전압이 나타나는데, 이 직류전압이 뇌파 신호와 함께 나타나 뇌파를 처리할 증폭기를 포화시키거나 신호의 기저선을 크게 흔들리게 하는 것을 방지하는 것이 하이패스필터(302)의 역할이다. 가변 이득 증폭기(303)는 하이패스필터(302)를 거쳐 입력된 신호의 이득을 증폭시킨다. 이는 입력되는 뇌파전위가 사람마다 다른것에 대해 그 스펙트럼 분석에 필요한 전압을 가변적으로 제공하기 위한 것이다. 로우패스필터(304)는 가변 이득 증폭기(304)로부터 출력된 신호에서 뇌파보다 높은 주파수를 가지는 다른 잡음 신호를 제거한다. 로우패스필터(304)는 뇌파의 주파수 대역인 35Hz 범위 이내로 통과 대역을 제한하여 그 이외의 잡음을 억제시킨다. 노치필터(305)는 로우패스필터(304)에서 출력된 신호에 포함될지 모르는 전원 잡음을 제거하기 위한 것으로, 전원잡음이 60Hz 인 것이 가장 일반적이므로 60Hz 노치 필터가 된다.

도 4는 도 3의 잡음경감 및 출력 선택부(301)를 상세하게 도시한 것이다. 도 2에 도시된 전극이 도 4에 적용된다. 도 2에 배치된 전극들에서, 양 눈의 중심과 종방향으로 나란하게 위치한 전극인 b, d는 각각 A1과 A2 차동증폭기의 (+) 입력단자로 연결된다. A1, A2의 (-) 입력단자에는 도 2의 모든 전극 단자에 저항 R을 연결하여 합친 신호가 입력된다. 이는 심전도 측정시 사용되는 윌슨(Wilson)의 중앙점(central point)의 원리와 같은 것을 적용한 것이다. 일반적으로 사람의 안구 및 눈꺼플은 좌우측 눈이 항상 대칭적으로 같이 움직이기 때문에 좌, 우측 눈에 의해 나타나는 잡음 전압도 같은 극성과 동일한 크기의 진폭을 갖는 전압이 된다. 따라서 b, d 전극을 통해 들어오는 눈의 움직임 신호는 같은 크기와 같은 극성을 가진다. 결국, 제1채널은 양측 눈의 잡음이 합해져서 다른 신호에 비해 눈 잡음이 우세한 신호를 출력한다. 즉, b, d 전극은 눈의 중심의 상단에 위치하기 때문에 안구나 눈꺼플의 상하 움직임에 따른 잡음을 특히 잘 검출한다. 따라서 제1채널의 출력은 눈의 상하 잡음이 타 신호에 비해 우세하게 포함된 신호가 된다. 전극 a 및 e가 각각 차동증폭기 A3, A4의 (-) 입력 단자로 입력되고, 전극 c가 각각의 (+) 입력단자로 연결되어 있을 때 A3와 A4의 출력을 더한 신호가 제2채널의 출력이 된다. 도 2를 참고하면, 전극 a와 c, c와 e에서 얻어지는 눈의 움직임에 대한 신호는 크기는 같고, 극성은, 가령 눈이 왼쪽으로 돌아간 경우 각각 +, -, +, - 된다. 눈이 오른쪽으로 돌아간 경우에는 반대로 각각 -, +, -, +가 된다. a, b, c, d 및 e 전극에서 얻어지는 전압을 각각 Va, Vb, Vc, Vd 및 Ve라 할 때, A3의 출력은 Vc-Va, A4의 출력은 Vc-Ve가 되고, 이들이 합해진 제2채널 신호는 2Vc-Va-Ve이며, a와 e 전극의 눈 움직임 신호는 크기가 같고 극성이 반대이므로 Va와 Ve는 서로 상쇄되어 없어진다. 따라서, 눈이 좌우로 움질일 때 발생하는 잡음은 항상 서로 상쇄되는 반면, 이마의 중심전극 c에서 나오는 전압은 두배로 증폭되어 출력되므로, 여기서 추출된 뇌파 전압이 가장 잘 포착된다. 제3채널 신호 및 제4채널 신호는 각각 이마의 오른쪽과 왼쪽의 뇌파신호가 우세하게 포함된 신호를 출력하는 결선에 의해 도출된다. 제1채널의 출력은, 제2채널 내지 제4채널 신호로부터 감산해야할 신호로서 이용된다. 감산은 도6의 알고리즘 상에서 행해지며, 각 채널신호는 잡음제거 및 뇌파증폭부(300)에서 증폭 및 필터링을 거쳐 A/D 변환된 다음, 제1채널 출력은 도6에서 x(i)로 표기된 잡음 입력단자에, 제 2채널 내지 제4채널 신호는 잡음과 신호를 포함한 신호 입력 단자인 y(i)로 표기된 곳에 각각 입력된다. 제2채널 내지 제4채널 가운데 어떤 것이라도 본 발명에서 선택되어 이용될 수 있다.

뇌파신호처리부(310)는 A/D 변환기(311), CPU(312) 및 메모리(313)로 이뤄지나, 실제로 이들은 한 개의 디지털 신호 처리칩(DSP)에 의해 그 역할이 수행된다. DSP 칩내부에서는 A/D 변환기에 입력되는 도 4에서 잡음 감산에 사용될 제1채널 신호와 이마의 중앙부위 뇌파신호를 우세하게 포함하고있는 제2채널 신호 그리고 각각 중앙우측 과 중앙좌측의 뇌파신호를 우세하게 포함하고 있는 채널 3 및 채널 4신호를 번갈아가며 샘플링하여, 즉, 멀티플렉싱하여 신호를 디지털화 시켜 메모리에 저장하고 연산을 하게된다. 이와 같이 뇌파 신호처리의 많은 계산 부분을 DSP 칩 하나에서 처리함으로써 전체적인 시스템의 용량을 줄여 시스템 외형을 경박단소하게 만들 수 있다.

뇌파신호처리부(310)의 기능을 블록도로 구성한 것이 도 5이다. 즉, 뇌파신호처리부(310)는, 디지털 필터부(500), 샘플링 및 평균부(510), 스펙트럼 분석부(520), 스펙트럼 전력 산출부(530), 특정 뇌파성분비 산출부(540) 및 피드백 신호출력부(550)를 포함한다. 디지털 필터부(500)는 잡음제거 및 뇌파증폭부(300)로부터 출력된 신호를 디지털 변환하고 잡음을 제거한다. 즉, 전극의 반전지 전위(half cell potential)등에 의해 생긴 잔류된 직류성분과, 잡음제거 및 뇌파증폭부(300)내부의 하이패스필터 뒷단에 위치하는 증폭기 및 필터 단에서 발생되는 직류드리프트를 차단주파수가 0.1Hz인 디지털 고역 필터를 통과시킴으로써 제거한다. 또한 도 6에 보이는 상태도와 같은 알고리즘에 의해 인체 내에서 발생하는 안전도(electrooculogram, EOG)등 근육에 의해 생기는 불필요한 잡음을 제거시킨다. 뇌파신호는 그 크기가 작기 때문에 잡음의 영향으로 인해 왜곡된 파형을 나타내기가 쉽다. 특히 인체 내에서 발생하는 신호인 안전도, 심전도, 근전도 등의 전기적 신호는 도체인 인체를 통해 전달되어 뇌파에 포함되어 측정된다. 이는 뇌파의 자동 분석이나 사람에 의한 판독시에 장애요소로서 작용한다. 본 발명에서는 사용의 편이 때문에 뇌파 검출 전극을 전두엽, 즉 앞이마에 부착하므로 안전도의 제거는 필수적이다. 도 4에서와 같은 결선을 통해 중앙 좌우의 안구와 근육 움직임에 의한 잡음을 일차적으로 제거하였으나 아직도 남아있는 안구 및 상하 근육에 의해서 발생하는 잡음에 대해서는 다음의 수학식과 같은 과정으로 제거시킨다.

여기서, y(i)는 뇌파 증폭부에서 출력된 잡음이 포함된 뇌전도신호이고,는 안구 및 근육에 의한 잡음, e(i)는 순수한 뇌전도 신호이고,(i)는 눈잡음 전압에 비례하는 상수이다.

수학식 1과 수학식 2는 도 6의 상태도로부터 도출될 수 있다. 뇌전도를 측정하는 전극과 안전도를 측정하는 전극과의 거리 및 방향에 기인한 뇌전도신호내의 눈 잡음 전압의 진폭 감쇠 정도를 추정하여를 추출한 후, 실제로 측정된 잡음을 가진 뇌전도 신호에서 이 성분을 빼주면 목표로 하는 추정된 뇌전도신호가 얻어진다. 이에 대해, 샘플링부(510)는 A/D 변환기(311)에 의해 발생된 랜덤 잡음을 제거하기 위해 한 샘플에 대해 8번 샘플링하여 그 평균을 취함으로써 제거한다.

스펙트럼 분석부(520)는 뇌파를 해석하기 위해 뇌파에 대한 스펙트럼 분석을 수행한다. 스펙트럼 분석 방법에는 파라메트릭 추정법과 FFT(Fast Fourier Transform) 방법이 있다. 파라메트릭 추정법은 신호의 발생과정을 수학적인 모델로 표현하여 그 모델의 특성 파라미터를 추출하여 이를 그 모델의 스펙트럼 추정식에 대입하여 스펙트럼을 구하는 것이다. 파라메트릭 추정법은 정확도에 있어 FFT 보다 우수하고 각 주파수대의 특징을 알아보기 쉬운 장점은 있으나 계산량이 많아 실시간에 적용하기에 어려움이 따르므로, FFT를 사용한 스펙트럼 분석이 바람직하다. FFT를 사용한 스펙트럼 분석시 전력 밀도를 각 시간대별로 계산함으로써 각 주파수대가 가지는 전력의 시간적 변화를 쉽게 알아 볼 수 있다. 뇌파를 처리하는데 있어 대략적인 뇌파의 주파수 대역이 50Hz 이내이므로 앨리어싱(aliasing)을 방지하기 위해, 가령 1초에 (250x8)개의 샘플링을 행한다. 실제 뇌파 신호처리시에는 25Hz 이내의 성분만을 고려한다. 스펙트럼 전력 산출부(530)는 전체 뇌파 신호가 가지는 총전력을 산출한다. 이것은 수학식 3과 같이 표현된다.

여기서 i는 주파수를 나타낸다. 스펙트럼 전력은 대부분 0~30Hz 이내에 집중되어 있다. 따라서 본 발명에서는 0Hz의 직류 성분을 제외한 25Hz까지의 전력의 합을 총전력으로 본다. 특정 뇌파성분비 산출부(540)는 어떤 신호대역의 주파수 성분이 가지는 전력과 수학식 3의 총전력과의 비를 구하여 백분율을 취한 값을 구한다. 이것이 수학식 4와 같이 표현된다.

여기서, x는,,즉, 알파 성분, 베타 성분, 감마 성분등의 뇌파 성분이다. 따라서, 가령 알파파 성분이 전체 뇌파에서 어느 정도나 포함되어 있는지를 이를 통해 알 수 있다. 피드백 신호출력부(550)는 수학식 4의 결과를 토대로 피험자에게 이에 상응하는 생체 피드백량을 결정하여 출력한다.

도 7a 및 도 7b는 피드백 수단(120)의 하나인 진동트랜스듀서이다. 도 7a는 팔이나 손목등에 착용하는 형태의 자극 트랜스듀서로서, 납작한 원통 케이스 형태로 되어, 하부진동판(700), 영구자석(701), 전자석 코일(702), 연철심(703) 및 진동체 윗판(704)을 포함한다. 뇌파처리수단(110)으로부터 출력된 신호가 연철심(703)을 통해 전류로서 흐르게 되면 전자력이 작용하여 영구자석 아래의 하부진동판(700)이 진동함으로써 피험자의 피부에 자극을 준다. 도 7b는 손에 쥐는 형태의 트랜스듀서로서 외부코어단(710), 모터고정판(711), 직류모터(712), 편심회전체(713) 및 진동체외피(714)를 포함한다. 외부코어단(710)을 통해 뇌파처리수단(110)으로부터 신호가 인가되면, 직류모터(712)가 회전하고, 모터축에 편심 금속 조각을 달아서 회전시 질량의 불평형에 의해 진동이 일어나게 한다.

도 8 내지 도 10은 정상 남자성인을 대상으로 발명의 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템의 정상적인 동작을 확인한 실험결과이다. 이 실험은 이마에 부착된 전극으로부터 나온 신호를 시스템에 입력하고 주파수 및 전력 스펙트럼을 구함으로써 수행되었다. 설정된 환경에서 실제로 예상되는 뇌파가 나오는지 관측한 결과가 도 8 내지 도 10이다. 도 8 내지 도 10에서 왼쪽 그래프는 뇌파의 주파수 스펙트럼이고, 오른쪽은 퍼센트 x의 시간적 변화이다. 도 8은 각성 상태에서 피험자가 두뇌활동을 할 때 측정한 것이고, 도 9는 피험자가 두 눈을 감고 있는 안정된 상태에서 뇌파를 측정한 결과이다. 여기서 각성 상태보다 안정 상태에서 뇌파의 알파파가 커짐을 확인할 수 있다. 도 10은 임의의 환경에서 피드백을 통해 피험자가 심리적 안정 상태로 유도될 수 있는지를 관측한 실험결과이다. 각성 상태에 있는 피험자에게서 현재 뇌파가 심리적 불안정 상태에 있음을 주지시키고 안정상태로 유도한 것으로 도 9에 비해 퍼센트 알파가 피드백을 통해 증가되었음을 알 수 있다.

이때까지의 바이오피드백 시스템은 그 부피가 매우 커서 환자나 수련자가 반드시 그 시스템이 있는 특정 장소를 방문해야만 시술이 가능하였으나 본 발명의 시스템은 최소한의 부품과 DSP 칩을 사용함으로써 휴대 및 이동이 가능할 정도의 크기이므로, 때와 장소를 가리지 않고 사용자가 항상 휴대하여 사용할 수 있다. 이러한 휴대용 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템은 세계적으로 그 예가 아직 나타난 적이 없다.

본 발명에서는, 매우 미약한 뇌파 신호 분석에 치명적인 방해 잡음으로 작용하는 피험자의 눈꺼플 움직임에 따른 근전도 신호 및 안구 움직임에 따른 EOG 신호를 제거하여 뇌파 신호만을 안정하게 분석 가능하게 할 수 있도록 한다.

본 발명에서는 피험자에게 자신의 뇌파와 그에 따른 신체 상태에 대해 시각과 청각뿐 아니라 촉각적인 경로를 통해 정보를 알릴 수 있다.

Claims

인체의 앞이마에 부착하여 뇌파를 검출하는 전극;

상기 전극으로부터 검출된 뇌파로부터 잡음을 제거하고 각종 뇌파 성분을 각각 구별하여 추출하고 그 스펙트럼을 분석하여 그 결과를 소정의 형태로 출력하는, 뇌파처리수단; 및

상기 뇌파 처리부로부터 출력된 소정 신호를 상기 뇌파가 검출된 피험자 자신에게 피드백하는 피드백수단을 포함함을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제1항에 있어서, 상기 뇌파처리수단은,

상기 전극으로부터 출력된 뇌파신호로부터 잡음을 제거하고, 뇌파 신호의 크기를 증폭시켜 출력하는 잡음제거 및 뇌파증폭부; 및

상기 잡음제거 및 뇌파증폭부로부터 출력된 신호를 디지털 신호로 변환하고, 인체내에서 발생하는 다른 잡음 및 기타 잡음를 제거하고, 뇌파의 총 전력 스펙트럼을 산출하고, 상기 총 전력 스펙트럼에 대한 특정 뇌파 성분의 전력 스펙트럼의 비를 구하고, 상기 비와 소정 기준값을 비교하여 그에따라 피드백할 신호를 정하여 출력하는 뇌파 신호처리부를 포함함을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제1항에 있어서, 상기 전극은,

사람의 미간 중심으로부터 윗쪽 이마에 놓여질 중심 전극과, 그 중심 전극을 기준으로 양 옆 이마에 소정 간격을 두고 위치될 여러개의 전극들이 띠 형태에 부착되어 있음을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제3항에 있어서, 상기 잡음제거 및 뇌파 증폭부는,

상기 전극가운데, 눈 깜박일때의 신호가 가장 잘 검출되는 부위의 전극들과 연결되어, 눈 깜박 잡음 신호를 우세하게 검출하여 증폭시키는 제1증폭기; 및

상기 전극 가운데, 상기 중심 전극 및 눈의 좌우 움직임에 대한 신호가 잘 검출되는 부위의 전극들과 연결되고, 눈의 좌우 움직임 신호는 제거하고 중심 전극으로부터의 뇌파 신호만을 우세하게 검출하여 증폭하는 제2증폭기를 포함하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제4항에 있어서, 상기 뇌파 증폭기는,

상기 전극 가운데 이마의 오른편에 위치한 전극과 연결되어 그로부터 출력된 우뇌의 뇌파 신호를 우세하게 검출하여 증폭하는 제3증폭기; 및

상기 전극 가운데, 이마의 왼편에 위치한 전극과 연결되어 그로부터 출력된 좌뇌의 뇌파 신호를 우세하게 검출하여 증폭하는 제4증폭기를 더 포함함을 특징으로 하는 뇌파에 따른 바이오피드백 시스템.
제5항에 있어서, 상기 뇌파 증폭부는,

상기 제2증폭기로부터 출력된 뇌파에서 상기 제1증폭기에서 출력된 눈 상하 잡음을 감산한 신호나 상기 제3증폭기 출력 신호 또는 제4증폭기 출력 신호중 하나를 선택하여 출력하는 잡음경감 및 출력 선택 회로;

상기 잡음경감 및 출력 선택 회로로부터 출력된 뇌파 신호로부터 피험자의 신체가 움직이면서 발생되는 직류 신호를 제거하는 하이패스필터(high pass filter);

상기 하이패스필터의 출력신호를, 스펙트럼 분석을 위해 필요한 전압이 되도록 가변 증폭시키는 가변 이득 증폭기;

상기 가변 이득 증폭기로부터 출력된 신호에서 뇌파보다 높은 주파수를 가지는 다른 잡음 신호를 제거하는 로우패스필터(low pass filter); 및

상기 로우패스필터에서 출력된 신호에서 전원 잡음을 제거하는 노치필터(notch filter)를 포함함을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제2항에 있어서, 상기 뇌파 신호처리부는,

상기 잡음제거 및 뇌파증폭부로부터 출력된 신호를 디지털 변환하고 잡음을 제거하는 디지털 필터부;

상기 디지털필터부에서 디지털 변환될 때 생긴 랜덤 잡음을 제거하기 위해 한 샘플 신호에 대해 소정 개수로 샘플링하여 평균을 취함으로써 잡음을 제거하는 샘플링 및 평균부;

상기 샘플링부로부터 출력된 뇌파 신호에서 엘리어싱(aliasing)을 일으키지않고 스펙트럼을 분석하는 스팩트럼 분석부;

상기 스펙트럼 분석부로부터 출력된 뇌파 스펙트럼의 총전력을 산출하는 스펙트럼 전력 산출부;

상기 스펙트럼 전력 산출부에서 구한 총스펙트럼 전력에 대해 원하는 뇌파 성분 스펙트럼의 전력의 비를 구하는 특정 뇌파성분비 산출부 ; 및

상기 특정 뇌파성분비 산출부의 결과에 따라 피험자에게 피드백할 신호를 정하여 출력하는 피드백 신호 출력부를 구비함을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제1항에 있어서, 상기 피드백수단은,

피험자에게 상기 뇌파의 정보를 시각, 청각, 촉각적으로 알려주기 위해 각각 이에 대응하는 LED 혹은 LCD, 헤드폰, 출력 신호에 따라 진동되는 바이브레이터임을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
제8항에 있어서, 상기 진동 트랜스듀서는,

피험자가 손에 쥘 수 있는 형태로 되어, 상기 뇌파처리수단으로부터의 출력 신호에 따라 내장된 모터를 회전시킴으로써 진동을 유발하는 바이브레이터임을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템
제1항에 있어서,

상기 시스템은 사용자가 휴대할 수 있고, 또한 이동 가능하게 된 것임을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 시스템.
피험자의 이마에 한 개 이상의 전극으로 이뤄진 띠를 부착하여 그 전극들로부터 뇌파를 검출하는 제1단계;

눈 깜박임 및 눈의 좌우 이동에 따른 잡음을 상기 뇌파로부터 제거하는 제2단계;

상기 제2단계의 결과 신호를 디지털 변환하고, 인체에서 발생하는 다른 잡음 및 디지털 변환시의 잡음을 제거하는 제3단계;

상기 제3단계의 결과 신호로부터 엘리어싱(aliasing)없이 스펙트럼을 산출하하는 제4단계;

상기 제4단계로부터 신호의 총 전력 스펙트럼을 산출하는 제5단계;

상기 제5단계에서 검출된 뇌파의 총 전력 스펙트럼에 대해 원하는 특정 뇌파 성분의 전력 스펙트럼의 비를 구하여 그 결과에 따라 뇌파를 검출한 피험자에게 피드백할 신호를 정하는 제6단계; 및

상기 제6단계에서 정해진 피드백 신호를 피험자에게 시각, 청각 및/또는 촉각 수단을 사용하여 전달하는 제7단계를 구비함을 특징으로 하는 뇌파검출에 따른 바이오피드백 방법.