KR20010095605A

KR20010095605A - 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치 및 이 뇌기능감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법

Info

Publication number: KR20010095605A
Application number: KR1020000018863A
Authority: KR
Inventors: 김동준; 유선국; 김선호
Original assignee: 김동준; 김선호; 유선국
Priority date: 2000-04-11
Filing date: 2000-04-11
Publication date: 2001-11-07
Also published as: KR100379571B1

Abstract

발명은 뇌기능 감시 시스템에 관한 것으로, 다수의 의료장비 구동으로부터 간섭되는 노이즈를 제거하여, 무의식 상태 환자의 뇌혈류량에 대한 정확한 모니터링이 실시간으로 지원되도록 한 디지털 뇌파를 이용한 뇌혈류 감시장치 및 이 뇌혈류 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법이 개시된다.

이를 위한 본 발명은 뇌허혈 현상을 감시하기 위하여 단일 채널 뇌파 쌍극 증폭기를 다중 채널로 확장하여 전기응고기(ESU) 또는 수술용 전자장비에서 발생하는 잡음을 효과적으로 제거하고, 뇌파신호를 1000배 증폭하기 위한 전치증폭부; 상기 전치증폭부를 통과한 잡음을 소정 레벨이상의 파워 증폭 및 잡음제거를 수행하고, 가변 주파수 대역의 필터로 구성되어 원하는 주파수 대역을 얻기 위한 주증폭부; 및 상기 전치증폭부와 주증폭부에서 증폭된 신호를 컴퓨터에서 디지털로 읽어들여 다양한 임상적 뇌파 파라미터를 추출하여 디스플레이하기 위한 제어부로 이루어져, 뇌파신호를 다양하게 분석함에 따라 환자 상태의 비교 및 기록이 용이하여, 수술환자의 모니터링시 환자 관찰이 종합적으로 이루어질 수 있는 효과를 얻는다.

Description

디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치 및 이 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법{DETECTING DEVICE OF BRAIN SIGNAL USING THE DIGITAL BRAIN WAVE AND DISPLAYING METHOD THEREOF}

본 발명은 뇌기능 감시 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 무의식 상태 환자의 뇌혈류량에 대한 정확한 모니터링이 실시간으로 지원되도록 뇌허혈을 감지하기 위한 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치 및 이 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법에 관한 것이다.

일반적으로 뇌졸증(Cerebral stroke)은 급사증후군의 가장 큰 원인으로 이를 조기 예방하기 위해 많은 기술이 개발되어 있다. 일예로 CT, MRI, Xenon isotope를 이용하는 SPECT 또는 아날로그 EEG(Electroencephalogram), EP등이 그것이며, 상기 시스템의 대부분은 검사당시의 뇌혈류 상태만을 보여주기 때문에, 훈련된 뇌파 전문의에 의해서만 결과의 판독이 가능하다. 따라서 환자의 관찰기간 동안에는 뇌파전문의가 상주해야하는 번거로움이 야기되고 있다.

한편, 근래에 접어들어 상기 아날로그 EEG를 디지털 변환하여 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용한 CSA(Compressed Spectral Array)가 개발되어, 뇌파 전문의가 아니더라도 손쉽게 뇌혈류의 변화 상태를 관찰할 수 있게 되었으며, 이로부터 혼수상태(coma), 저혈압 등의 임상적인 응용연구가 시작되었다.

또한 최근 디지털 EEG를 다양하게 신호처리하여 뇌파 관련 파라미터를 추출하는 연구가 선보이고 있으며, 또한 많은 채널에서 원신호 및 스펙트럼을 이용하거나 타퍼그래픽(topographic) 디스플레이 기법을 이용하여 뇌파를 분석하는 방법도 발표되었다.

특히 수술도중에 이와 같은 뇌파분석을 통해 뇌허혈 현상의 검출이 이루어지는데, 수술상의 출혈을 막기 위해 일반적으로 전기응고기와 같은 의료기기를 사용한다. 상기한 전기응고기를 사용할 경우에는 환자의 몸을 경로로 하여 뇌파 증폭기로 전기응고기의 고주파 전류가 유입되고, 인체가 하나의 안테나 역할을 함에 따라 상기 전기응고기로부터 발생된 고주파 신호로부터 간섭이 발생된다.

따라서, 전기응고기와 같은 의료기기로부터 발생된 고주파 신호의 간섭은 뇌파 감시에 대단한 악영향을 야기시키고 있기 때문에, 뇌파 감시의 효율성을 극히 저하시키는 문제점이 발생하였다. 그리하여 상기와 같은 다수의 뇌파 감시장치는 뇌파 데이터의 수집 및 분석만을 가능케 하는 시스템이거나, 2채널 EEG를 이용하더라도 뇌파의 각 주파수 밴드별 활동을 분석하지만 실시간 처리가 되지 않는 시스템에 불과함에 따라, 결국 뇌파의 감시는 숙련된 의료진에 의해서만 경험적으로 이루어질 수 밖에 없게 된다. 이는 환자에 대한 상태 정보에 객관성이 저하되는 문제를 야기시키고 있으며, 또한 상기한 시스템에서 검출되는 순수 EEG는 실시간으로 표현되나 스펙트럼 분석은 실시간으로 지원되지 않을 뿐만 아니라, 상기와 같은 장비는 수술실이나 환자 모니터링시 뇌허혈 검출을 위해 이용되기에는 지나치게 채널수가 많아, 복잡한 구조로서 고가의 시스템이기 때문에, 의료 장비의 대중화를 이루지 못하고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 외과적인 수술을 시행시 사용되는 전기의료기기로부터 발생된 고주파가 뇌파신호 증폭에 간섭을 주지 않도록 뇌파신호 증폭회로를 제공함과 동시에, 상기 증폭된 뇌파신호를 소프트웨어적으로 처리하여 환자의 뇌기능 감시가 효과적으로 이루어질 수 있도록 함에 따라, 무의식 상태 환자의 뇌혈류량의 변화 및 뇌기능 감시에 대한 모니터링이 실시간으로 지원되도록 하여, 뇌졸증의 조기 진단 및 치료가 가능하도록 한 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치 및 이 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치는, 뇌허혈 현상을 감시하기 위하여 단일 채널 뇌파 쌍극 증폭기를 다중 채널로 확장하여 전기응고기(ESU) 또는 수술용 전자장비에서 발생하는 잡음을 효과적으로 제거하고, 뇌파신호를 1000배 증폭하기 위한 전치증폭부; 상기 전치증폭부를 통과한 잡음을 소정 레벨이상의 파워 증폭 및 잡음제거를 수행하고, 가변 주파수 대역의 필터로 구성되어 원하는 주파수 대역을 얻기 위한 주증폭부; 및 상기 전치증폭부와 주증폭부에서 증폭된 신호를 컴퓨터에서 디지털로 읽어들여 다양한 임상적 뇌파 파라미터를 추출하여 디스플레이하기 위한 제어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 전치증폭부는 전기응고기의 인위잡음을 제거하기 위한 필터 및 고임피던스를 갖기 위한 버퍼; 상기 전기응고기로부터 발생하는 고주파에서도 공통모드 제거비를 갖도록 하기 위한 차동증폭기; 직류 옵셋을 제거하기 위한 저주파 차단 필터; 고주파 잡음을 제거하기 위한 고주파 차단 필터; 상기 고주파 차단필터를 통한 뇌파 측정용 주파수를 소정 게인으로 증폭시키기 위한 증폭기; 및 상기 증폭기의 증폭신호를 주증폭부로 전송함에 있어 상기 전치증폭부 및 주증폭기의 전원선과 접지간에 포함된 고주파 디지털 스위칭 잡음을 제거하기 위한 분리증폭기로 이루어지며,

상기 주증폭부는 전치증폭기를 통해 유입되는 잡음을 제거하기 위한 노치필터; 상기 전치증폭부에서 주증폭부로 신호전송함에 있어 신호전송 라인에 의해 발생하는 노이즈를 제거하기 위한 로패스 필터; 상기 로패스 필터를 거쳐 인가되는 뇌파신호중 직류신호를 제거하기 위한 디씨 옵셋 제거 필터; 60Hz 전원잡음 제거를 위한 노치필터; 뇌파 증폭신호를 제어부와 인터페이싱하고, 컴퓨터의 샘플링 대역에 따라 신호대역을 가변 제한하기 위한 가변 로패스 필터; 상기 가변 로패스 필터를 통과한 신호의 직류신호를 가변적으로 제한하기 위한 가변 하이패스 필터; 및 상기 가변 하이패스 필터에 의해 출력되는 가변적 신호를 일정 레벨로 증폭하기 위한 가변 게인 콘트롤러로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 관점에 따른 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법은 좌우측 두 채널을 통해 증폭처리된 환자의 뇌파신호를 디지털 처리한 후, 이로부터 생성된 순수 EEG를 모니터상에 디스플레이하는 제1디스플레이 과정; 상기 디지트화된 순수 EEG 신호를 FFT 및 평균연산을 통해 스펙트럼을 추출하여 가상적 3차원으로 디스플레이하는 제2디스플레이 과정; 상기 순수 EEG신호의 FFT 스펙트럼 파워를 색띠 형태로 가상 3차원 처리한 DSA신호를 화면상에 디스플레이하는 제3디스플레이 과정; 상기 좌우측 각 뇌파신호중 1㎐에서 28㎐에 포함된 전체 주파수 파워(TP: Total Power)를 그래픽처리하여 디스플레이하는 제4디스플레이 과정; 상기 순수 EEG신호의 파워를 1㎐에서부터 누적하여 전체 주파수 파워(TP)의 95%에 이르는 시점을 표시하는 스펙트럼 모서리 주파수(SEF: Spectral Edge Frequency)를 디스플레이하는 제5디스플레이 과정; 상기 뇌파신호중 α파의 주파수 대역 파워와 θ 및 δ파의 주파수 대역 파워와의 비율을 그래픽 처리한 알파비(Alpha ratio)를 디스플레이하는 제6디스플레이 과정; 상기 δ파가 전체 주파수 대역에서 상대적으로 차지하는 파워의 비율을 그래픽 처리한 퍼센트 델타 (Percent delta)를 디스플레이하는 제7디스플레이 과정; 및 상기 좌우측 뇌파로부터 각각으로 연산된 전체 파워의 차(DTP: Difference in Total Power)를 그래픽으로 처리하는 제8디스플레이 과정을 포함하여, 특정 순간의 환자 상태의 CSA, DSA, TP, SEF 등을 화면상에 디스플레이하는 화면 캡쳐 기능을 갖는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 디지트화된 순수 EEG 데이터 헤더 (Header)를 추가하므로서 환자 ID에 상응한 환자 정보 및 파일 정보를 포함한 EEG 파일을 생성하여 기록사항의 표기(Event marking) 및 써치(Search)가 가능토록 하고, 상기 환자 ID를 계층적 디렉토리 구조 형태로 관리토록 하는 제 9 디스플레이 과정이 부가된 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명의 뇌파신호 증폭기를 나타낸 블록도이다.

도 2는 도 1의 전치증폭부의 기능을 상세하게 도시한 회로도이다.

도 3은 본 발명의 노이즈 제거기능을 부가적으로 나타낸 회로도이다.

도 4는 주증폭부(103)를 일실시예로 나타낸 블록도이다.

도 5a, 5b는 도4를 나타낸 회로도이다.

도 6은 도 5a의 가변 로패스 필터에 사용되는 클럭신호를 생성하기 위한 회로도이다.

도 7은 본 발명의 디스플레이 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 8a, 8b는 도 7의 데이터 관리를 설명하기 위한 도면이다.

도 9a - 9e는 소프트웨어에 의해 가공처리된 뇌파 파라미터를 도시한 신호파형이다.

도 10은 본 발명의 소프트웨어의 실행에 따른 화면 디스플레이를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 전치 증폭부 103 : 주증폭부

105 : 제어부 301 : 전류제한 회로부

401, LP1, LP2 : 로패스 필터 403 : 디씨 옵셋 제거 필터

407 : 노치필터 409 : 멀티플렉서

411 : 가변로패스 필터 413 : 가변게인 콘트롤러

601 : 펄스 제너레이터 OP1 - OP20 : 오피엠프

R1 - R24 : 저항 RR1 - RR4 : 어레이저항

C1 - C20 : 캐패시터 IC, IC1 - IC8 : 아이씨

이하, 본 발명을 일실시예로 나타낸 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 뇌파 신호 증폭기를 나타낸 블록다이어그램이다. 도 2는 도 1의 전치증폭부의 기능을 상세하게 도시한 회로도이다. 도 3은 본 발명에 부가된 전류제한 기능을 나타낸 회로도이다. 먼저, 도 1을 참조한 종합적 뇌기능 감시장치는 구동전극(Active electrode) 및 기준전극 (Reference electrode)를 통해 유입되는 미세한 뇌파신호를 고이득으로 증폭시킴과 더불어, 인체 유도 전류에 의한 전력선 잡음을 해결하기 위한 전치증폭부(101)와, 상기 전치증폭부(101)의 증폭신호에 포함된 60Hz의 잡음성분을 제거하여 노말 모드 신호(normal mode signal)로 변환시키기 위한 주증폭부(103)와, 상기 주증폭부 (103)에서 소정의 증폭 대역을 얻을 수 있도록 시스템을 제어하기 위한 제어부 (105)로 이루어진다.

한편, 상기 구성에 따른 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

상기 구성은 다중 채널 양극성 뇌파 증폭기로써, 구동전극 및 기준전극을 통해 상기 전치 증폭부(101)로 유입되면, 외부신호 유입에 따른 잡음을 제거토록 한후, 상기 신호를 증폭한다. 여기서 증폭비율은 대략 1000배 정도를 일실시예로 할 수 있으며, 이와 같은 증폭신호는 상기 주증폭부(103)로 전송된다.

주증폭부(103)에서는 상기 전치증폭부(101)에서 출력된 증폭신호에 포함된 미세한 잡음을 필터를 통해 제거토록 함과 동시에, 가변 주파수 필터를 통해 소정의 주파수 대역을 얻을 수 있도록 한다. 이와 같은 소정의 주파수 대역은 전치증폭부(101)에서 출력되는 주파수 대역의 신호라든지, 노치필터(Notch filter)를 통한 60Hz의 주파수대역에 포함된 뇌파신호를 사용자로부터 선택적으로 통제할 수 있도록 하고 있다.

그러면, 상기 주증폭부(103)에서 출력된 아날로그의 신호가 디지트화된 신호로 변환되어 제어부(105)로 인가된 후, 상기 제어부(105)가 주파수 대역의 가변에 따른 디지트화된 제어신호를 출력한다. 디지트화된 제어신호는 아날로그 신호로 변환토록 하여, 상기 주증폭부(103)로 인가시킴에 따라 주증폭부(103)의 증폭비를 결정하는 것이다.

본 발명의 일실시예로서, 상기 주증폭부(103)의 증폭비는 1에서 100배까지를 설정하고 있다.

그러면 상기 전치증폭부(101)를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 2를 참조한 전치증폭부(101)는 2 채널에 상응한 구동전극 및 기준전극을 통해 유입되는 뇌파신호중 다수의 수술장비로부터 생성되는 인위잡음 (artifa -cts)을 제거하기 위한 인위잡음 제거필터(ESU : Artifacts Rejection Filter :201)와, 상기 인위잡음 제거필터(201)의 출력단에 각각의 전극별로 접속되어 상기 전극으로부터의 영향을 최소화 하기 위한 버퍼(Buffer : 203)와, 상기 각각의 버퍼(203)에서 출력되는 공통성분의 잡음을 제거시키고 차동성분만을 증폭하기 위한 차동 증폭기(Differential Amplifier : 205)와, 상기 차동 증폭기(205)내의 직류 편차 즉, 직류 옵셋(DC-offset)에 의한 자기 포화를 방지하기 위한 직류 옵셋 제거필터(DC-offset Rejection Filter : 207)와, 상기 직류 옵셋 제거필터 (207)를 통과한 주파수중 뇌파측정에 알맞은 대역의 신호만 추출하기 위해 불필요한 고주파 신호를 제거하기 위한 고주파 차단필터(Lowpass Filter : 209)와, 상기 고주파 차단필터(209)를 통한 뇌파 측정용 주파수를 소정 게인으로 증폭시키기 위한 증폭기 (Amplifier : 211) 및 상기 증폭기(211)의 증폭신호를 주증폭부(103)로 전송함에 있어 상기 전치증폭부(101) 및 주증폭기(103) 사이에 연결되는 신호전송 라인으로부터 유입되는 고주파 디지털 스위칭 잡음을 제거하기 위한 분리증폭기(Isolation Amplifier : 213)로 구성된다.

여기서 상기 인위잡음 제거필터(201)는 각각의 전극에 동일 저항(R1)이 접속되고, 상기 저항(R1)간에 캐패시터(C1)이 연결된다. 그리고 상기 버퍼(203)는 오피엠프(OP1,OP2)로 구성하여 상기 인위잡음 제거필터(201)의 저항을 입력 임피던스로 비반전시키며, 상기한 차동증폭기(205)는 버퍼(203)로부터 유입되는 신호를 저항 (R2) 및 오피엠프(OP3)를 통해 차동증폭시키되, 저항(R3)에 의거 증폭 게인을 설정하고 있다. 또한 상기 디씨 옵셋 제거필터(207)는 캐패시터(C2)와 저항(R4)에 의해 특정 주파수를 제거토록 한 후, 저항(R6)을 통해 출력시키며, 고주파 차단필터(209)는 뇌파측정에 알맞은 주파수 대역만을 추출하기 위해 특정 주파수 이하만을 차단하기 위해 버퍼용 오피엠프(OP4)와, 상기 오피엠프(OP4)의 입력 및 궤환측에 접속되는 저항(R7), 캐패시터(C3,C5) 및 저항(R8)과 캐패시터(C4)로 이루어진 필터가 상기 오피엠프(OP4)의 출력단에 접속된다.

또한, 상기 증폭기(211)는 오피엠프(OP5) 및 게인을 설정하기 위한 저항 (R9,R10)이 접속되며, 분리증폭기(213)에는 입력저항(R11) 및 아이씨(IC)가 구비되어 주증폭부(103)로 인가되는 신호에 잡음이 없도록 하고 있다. 이는 환자와 전원선의 분리로 수술시 환자의 안전을 도모하며, 상기 주증폭부(103)의 디지털 스위칭 잡음이 전치증폭부(101)로 유입되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이하, 상기 구성에 따른 전치증폭부(101)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 환자의 수술시에 사용되는 전기응고기를 포함한 다수의 수술용 기기에는 수백 kHz에서 수MHz까지의 주파수 대역을 가지고 있으며, 수 kV의 전압을 발생시키기 때문에 뇌파감시에 있어 인위잡음이 개입된다. 이와 같은 인위잡음은 환자의 뇌 근처에 근접되는 오른쪽 뇌와 왼쪽 뇌의 주파수를 검출하기 위한 구동전극(RAE)(LAE) 및 기준전극(RRE)(LRE)을 거쳐 상기 인위잡음 제거필터(201)로 인가된다.

인위잡음 제거필터(201)는 전기응고기로부터 인체로 유기되는 300Hz 이상의 고주파를 제거토록 한다. 이는 두 개의 입력 저항(R1)과 캐패시터(C1)를 통해 저주파만을 통과시키는데, 본 발명에서는 상기 저항(R1) 및 캐패시터(C1)를 각각 2.6㏀ 및 0.1㎌을 사용하고 있다. 저항(R1)을 거쳐 유입되는 뇌파신호는 버퍼(203)를 구성하는 오피엠프(OP1,OP2)의 비반전 입력단자로 각각 인가되는데, 이와 같은 입력신호가 소스 임피던스를 갖는 전극으로부터의 영향을 줄이기 위해 10¹¹㏀ 정도의 입력 임피던스를 갖고, 공통성분 제거비가 높은 오피엠프(OP1,OP2)를 사용하여 전극의 임피던스 변화에 따른 영향이 인가되지 않도록 한다.

따라서, 상기한 구동전극(RAE 또는 LAE) 및 기준전극(RRE 또는 LRE)를 통해 유입되는 뇌파신호는 고 입력임피던스와 높은 공통성분 제거비를 갖고 상기 차동증폭기(205)를 구성하는 오피엠프(OP3)의 반전단자 및 비반전단자로 저항(R2)을 통해 각각 입력된다. 그리고 저항(R3)에 의거 소정 게인으로 비반전 차동 증폭이 수행되는데, 상기 오피엠프(OP3)가 직류 옵셋에 의해 포화되지 않는 범위내에서 증폭비를 설정하고 있다. 본 회로도에서는 저항(R2) 및 저항(R3)을 각각 200Ω과 4.99㏀으로 설정하여 증폭비 25배를 제시한다.

증폭된 차동신호는 상기한 디씨 옵셋 제거필터(207)를 거쳐, RC회로 즉, 캐패시터(C2) 및 저항(R5)에 의해 저주파 차단이 수행되도록 하고 있는데, 각각 1㎌과 1㏁에 의해 0.16㎐의 차단주파수를 생성한다. 이는 0.16㎐ 이하의 직류신호를 차단시키고, 그 이상의 주파수만을 저항(R6)을 통해 출력하므로서 고주파 차단필터(209)로 인가시킨다. 이는 250㎐의 고주파신호를 차단하기 위한 것으로, 간질의 검출을 위해서는 100㎐이상의 고주파도 관찰 대상이 되고, 뇌허혈은 30㎐이하, 0.16㎐이상의 저주파 영역에서 검출됨에 따라, 상기와 같이 뇌허혈 검출을 위한 해당 주파수를 증폭기(211)를 통해 한번 더 증폭시킨다.

이는 상기한 차동증폭기(205)에서 25배 증폭된 뇌파 신호를 40배 증폭시키는것으로, 전치 증폭부(101)의 전체 증폭비를 1000배(25×40)로 설정토록 하는 것이다. 즉, 상기 오피엠프(OP5)는 피드백 신호를 저항(R9) 및 저항(R10)으로부터 분배되도록 하여, 40배 증폭이 이루어지도록 하고 있다. 이에 따라, 저항(R9)은 365Ω으로 설정하고 저항(R10)은 15㏀으로 설정하여 R10/R9 의 출력치를 얻는다.

결과적으로, 뇌파신호중 0.16㎐ 이상, 250㎐ 이하의 주파수를 1000배 증폭출력하는 것으로, 증폭된 주파수신호는 주증폭부(103)로 노이즈 없이 전송하기 위한 분리 증폭기(213)로 전송된다.

한편, 상기 전치 증폭부(101)에서는 기존의 생체 계측 증폭기에서 많이 쓰이는 바디 드라이버(Body driver) 회로를 쓰지 않음으로써, 바디 드라이버 회로의 feedback loop에 의한 불안정성에 기인하는 발진과 잡음의 유입을 제한하고 있다.

상기 분리 증폭기(213)는 광결합 방식을 이용한 소자(IC)를 사용하여, 전치증폭부(101)와 주증폭부(103)의 전원과 접지를 분리토록 하고 있다. 이는 뇌파 증폭 신호가 상기한 제어부(103)로 입력될 때, A/D 컨버팅에 따른 디지털 스위칭 잡음을 제거하기 위한 것으로, 'ISO 100'소자를 이용한다. 그리고 상기 소자(IC)를 통해 출력되는 신호는 주증폭부(103)으로 인가된다.

여기서 전치증폭부(101 - 1채널)는 한 쌍을 이뤄, 환자의 좌측 또는 우측의 뇌파를 동일하게 감시토록 하는 것이므로, 우측 또는 좌측의 뇌파를 감시하기 위한 전치증폭부(101' - 2채널)의 설명은 생략한다.

한편, 환자의 좌측 또는 우측의 뇌파를 감시하기 위한 다수의 전극(RAE,RRE, LAE,LRE) 이외에 환자로 유입되는 전류를 제한하기 위한 단자(E)가 사용되는데, 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 전치증폭부(101,101')와 더불어 전류제한 회로부(301)를 도시한 회로도이다. 상기 전류제한 회로부(301)는 차동증폭기(205) 및 버퍼(201)에 기준치 이상의 높은 전압이 흐를 경우, 증폭부의 손상을 방지하여 증폭부에 의한 전원이 환자로 노출되지 않도록하기 위한 것으로, 2개의 전계효과 트랜지스터(FET1,FET2)를 직렬로 접속한 후, 상기 전치증폭부(101)와 공통 어스(GND)시킨다. 따라서 상기한 전극(RAE,RRE, LAE,LRE) 및 단자(E)를 통해 환자로 유입되는 전류를 최소화 함에 따라 환자의 안정과 동시에 환자의 뇌파신호가 정상적으로 검출되도록 하는 것이다.

한편, 상기와 같은 뇌파신호가 소정 레벨증폭에 따라 검출되면, 주증폭부 (103)을 통해 사용자의 의도에 따라 가변증폭되도록 하는데, 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 주증폭부(103)를 일실시예로 나타낸 블록다이어그램이다. 도 5a, 5b는 도4를 나타낸 회로도이다. 먼저, 주증폭부 (103)는 전치증폭부(101)에서 출력된 뇌파신호 즉, 좌측 뇌에서 검출되는 1채널 뇌파신호와 우측 뇌에서 검출되는 2채널 뇌파신호를 인가받아, 이를 각 채널별로 고주파 성분을 제거하기 위한 로패스 필터(401)와, 각각의 로패스 필터(401)를 거쳐 유입되는 신호중 직류 성분을 각각 제거하기 위한 디씨 옵셋필터(403)와, 상기 디씨 옵셋필터(403)에서 출력된 좌,우측 뇌파신호중 60㎐에 상응한 인위잡음 주파수를 제거하기 위한 노치필터(407 : Notch Filter)와, 상기 노치필터(407) 및 버퍼 (405)에서 출력되는 신호를 임의로선택가능토록 하기 위한 멀티플렉서(409)와, 상기 멀티플렉서(409)에서 선택된 일측의 주파수 신호를 입력받되 상기 노치필터 (407)의 출력신호가 선택될 때 이로부터 출력되는 디지트화된 신호를 아날로그 신호로 변환시키기 위한 로패스 필터 (LP1)와, 상기 로패스 필터(LP1)를 통해 인가되는 주파수가 외부의 가변 클럭신호에 상응한 주파수로 동조 출력되도록 하기 위한 가변 로패스 필터(411)와, 상기 가변 로패스 필터(411)에서 출력되는 디지트화된 신호를 아날로그 신호로 변환시키기 위한 로패스 필터(LP2)와, 상기 로패스 필터(LP2)를 거쳐 인가되는 신호중 고주파 성분을 대역별로 검출하기 위한 하이패스 필터(HP)와, 상기 하이패스 필터(HP)에서 검출된 신호를 선택적으로 게인을 조절하기 위한 가변 게인 콘트롤러(413)로 이루어진다.

그리고 상기 디씨 옵셋 제거 필터(403) 및 노치필터(407)의 출력단에는 각각의 버퍼(405)(B)가 접속되어 상기 멀티플렉서(409)로 인가되도록 한다.

한편, 상기 로패스 필터(401)는 저항(R11), 저항(R12) 및 캐패시터(C12)로 이루어진 로패스 회로가 오피엠프(OP11)의 비반전단자로 접속되고, 상기 저항(R11) 및 캐패시터(C11)로 이루어진 직렬회로는 반전단자로 접속되며, 상기 디씨 옵셋 제거 필터(403)는 캐패시터(C13) 및 저항(R13)으로 구성되며, 버퍼(405)는 오피엠프(OP12)로 이루어진다. 상기 노치필터(407)은 단자(CN1)을 통해 60㎐에 상응한 필터링 주파수를 설정하기 위한 아이씨(IC2)가 구비되며, 상기 버퍼(B)는 오피엠프(OP13)를 중심으로 저항(R14)(R15)이 구성된다.

그리고 상기 멀티플렉서(409)는 아이씨(IC6)를 구비하여, 단자(CN2)로부터선택신호를 인가받도록 한다. 로패스 필터(LP1)는 오피엠프(OP16)가 구비되되, 비반전단자로 저항(R16)(R17) 및 캐패시터(C15)가 접속되고 반자단자로 저항(R16) 및 캐패시터(C14)가 연결된다. 또한 상기 가변 로패스 필터(411)는 아이씨(IC3)(IC3')로 이루어지며, 로패스 필터(LP2)는 저항(R18)(R19) 및 캐패시터(C16)(C17)가 오피엠프(OP17)의 각 입력단자로 접속된다. 가변 하이패스 필터(HP)는 캐패시터(C18)를 중심으로 다수의 고정 저항(RR1)이 단자(CN4)에 의해 선택되도록 하는 아이씨(IC4)가 구비되며, 이 때 하이패스 필터링된 신호는 오피엠프(OP18)로 구성된 버퍼를 거치도록 이루어진다.

그리고 상기 가변 게인 콘트롤러(413)은 단자(CN5)을 통해 다수의 저항(RR2)중 일측 저항을 선택토록 하는 아이씨(IC5)(IC5')와, 상기 아이씨(IC5)(IC5')로부터 선택된 일측 저항 및 고정 저항(R24)에 의해 증폭 게인이 설정되는 오피엠프 (OP19) 및 상기 오피엠프(OP19)에서 증폭된 신호를 제어부(105)로 출력하기 위해 버퍼링을 수행하는 오피엠프(OP20) 및 캐패시터(C19)가 구비된다.

이하, 상기 구성에 따른 주증폭부(103)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전치증폭부(101)에서 검출되는 좌/우측 뇌파신호는 소정 길이의 신호전송 라인을 통해 주증폭부(103)로 인가되는데, 이는 주증폭부(103)에서 사용되는 전원 및 다수의 외부요인에 의해 전치증폭부(101)에서 검출되는 뇌파신호에 영향을 줄이기 위한 것이다. 따라서 상기 전치증폭부(101)에서 출력되는 뇌파신호가 주증폭부(103)의 채널1 및 채널2로 유입되면, 두 개의 로패스 필터(401)를 통해 각각으로 저주파 신호만을 검출한다.

이와 같은 고주파 신호의 차단은 저항(R12) 또는 저항(R11) 및 캐패시터 (C12), 캐패시터(C11)에 의해 차단 주파수가 결정되며, 유니티 게인 엠프를 구성한 오피엠프(OP11)를 거쳐 버퍼링된다. 여기서 상기 저항(R11,R12)이 4.99㏀이고, 캐패시터(C12)가 10㎋, 캐패시터(C11)가 22㎋으로 설정하여 2.151㎑ 이상의 고주파 신호를 차단토록 하고 있어, 상기 신호전송 라인을 통해 유입되는 다수의 노이즈를 제거한다.

상기 2.151㎑ 즉, 대략 2㎑ 이상의 고주파 신호를 제거함은 뇌파신호를 최대한 보호하기 위한 것이며, 디씨 옵셋 제거 필터(403)를 통해 2㎑ 이하의 주파수 중에 포함된 직류성분을 제거시킨다. 여기서는 상기 직류성분을 대략 0.16㎐ 이하의 신호로 규정하고 있어, 신호전송 라인을 통해 유입되는 직류성분을 제거하는 것이다. 따라서 상기 디씨 옵셋 제거 필터(403)에서는 0.16㎐ 이하의 주파수를 제거하기 위해, 1㏁ 및 1㎌을 이용한 디씨 옵셋을 구현하고 있다.

이와 같이 소정의 주파수 대역만을 입력받으면 상기 버퍼(405)를 통해 출력되도록 하는데, 이는 상기 채널1(CH1) 및 채널2(CH2)을 통해 유입된 뇌파신호를 동일한 회로를 이용하여, 각각의 오피엠프(OP12)에 의해 버퍼링되도록 하는 것이다. 그리고 오피엠프 (OP12)의 출력단은 노치필터(407)의 입력단과 접속되도록 함에 따라, 단자(CN1)를 통해 인가되는 60㎐의 클럭신호(펄스 제너레이터-미도시-에서 공급)에 의거 주증폭부(105)의 전원과 신호전송 라인 등에서 생성되는 60㎐ 인위잡음을 제거시킨다. 그리고 노치필터(407)을 통과한 신호는 상기 버퍼(B)로 유입되어 저항(R14) 및 저항(R15)의 동일 저항치로부터 게인 1을 갖고 출력되도록 한다.

버퍼(B)의 출력단자는 상기 버퍼(405)의 출력단자와 상기한 멀티플렉서(409)로 각 채널별로 동시에 입력된다. 멀티플렉서(409)는 단자(CN2)에 의해 상기 버퍼(405) 또는 버퍼(B)의 출력단 신호를 선택토록 하여 상기 로패스 필터(LP1)로 전송시킨다.

즉, 주증폭부(103)으로 인가되는 상기 채널1 및 채널2의 뇌파신호를 인위잡음을 포함한 상태에서 뇌파신호를 전면적으로 검토할 수 있도록 함과 더불어, 노치필터(407)에 의한 특정 대역의 인위잡음을 제거한 상태에서 왜곡이 없는 뇌파신호를 검출토록 하는 것이다. 이러한 뇌파신호의 선택은 상기 제어부(105)의 제어패널과 접속된 단자(CN2)에 의거 선택되는 것이다.

따라서 멀티플렉서(409)를 통해 선택된 뇌파신호는 로패스 필터(LP1)에 구성된 저항(R16)(R17) 및 캐패시터(C14)(C15)로부터 상기 2.15㎑의 주파수를 필터링한다. 이는 상기한 로패스 필터와 마찬가지로 버터 워스(Butter Worth) 회로로써, 1.5㏀의 동일 저항(R16)(R17)과 'C14 ≒ 2C15'의 비율인 0.1㎌, 0.22㎌에 의거 715.7㎐의 차단주파수를 얻도록 한다. 그리고 유니티 게인 엠프로 사용된 오피엠프 (OP16)을 거쳐 상기 2.15㎑의 주파수를 715.7㎐로 필터링하는 것이다.

물론, 필터링은 각 채널별로 이루어지는 것이며 필터링되어진 신호는 상기 가변 로패스 필터(411)로 각각으로 전송된다. 상기한 가변 로패스 필터(411)는 단자(CN3)로부터 최대 6㎑의 샘플링 클럭신호를 별도의 펄스 제너레이터로부터 인가받아, 아이씨(IC3)(IC3')에 의거 다수 주파수 대역으로 각각 필터링한다. 이 때, 상기 아이씨 (IC3)(IC3')에서는 다수의 주파수로 샘플링하기 때문에, 디지트화된시리얼 신호로 출력하고 있다.

한편, 상기 펄스 제너레이터는 제어부(105)에 구비된 제어패널로부터 가변 로패스 필터(411)로의 입력 주파수를 설정하는데, 이를 첨부된 예시 도면에 의거 설명하면 다음과 같다.

도 6은 도 5a의 가변 로패스 필터(411)에 사용되는 클럭신호를 생성하기 위한 회로도로써, 입력 주파수를 설정하기 위해 사용자가 키입력을 수행하는 스위치(SW)와, 상기 스위치(SW)로부터 생성된 제어신호에 의해 다수의 저항(RR3)중 일측 저항을 선택하기 위한 멀티플렉서(IC7)와, 상기 멀티플렉서(IC7)로부터 얻어진 저항치 및 캐패시터(C20)의 동조 주파수에 상응한 펄스신호를 생성시키는 바이브레이터 (IC6)로 구성된다.

그리고 상기 스위치(SW)의 각 출력단에는 풀업 저항(RR4)이 구비된다.

상기 구성에 따른 펄스 제너레이터(601)는 스위치(SW)에 구비된 다수의 키중 일측이 선택되면 상기 멀티플렉서(IC7)가 이를 검출함에 따라, 멀티플렉서(IC7)내에서 디코딩을 수행한다. 이로부터 상기 저항(RR3)중 스위치(SW)의 선택키에 상응한 일측의 저항이 설정되며, 선택된 저항치와 상기 캐패시터(C20)에 의한 동조 주파수가 생성된다.

RC에 의한 동조 주파수는 바이브레이터(IC6)로 공급되며, 상기 바이브레이터 (IC6)에 의해 정형화된 펄스신호가 단자(CN3)를 통해 상기 가변 로패스 필터(411)로 인가되는 것이다.

결국, 상기 단자(CN3)으로 공급되는 펄스신호는 스위치(SW)의 선택에 따라결정되며, 단자(CN3)로 인가되는 펄스신호에 따라 상기 가변 로패스 필터(411)의 출력 주파수가 결정된다. 이와 같은 주파수는 30㎐, 50㎐, 70㎐, 100㎐ 및 200㎐를 사용하므로서, 뇌파 증폭신호를 제어부(105)로 전송할 경우 컴퓨터의 인터페이싱에 따른 샘플링 신호대역을 제한토록 하고 있다.

따라서 상기 가변 로패스 필터(411)를 통해 출력되는 특정 주파수 대역의 필터링 신호는 로패스 필터(LP2)로 인가된다. 여기서 로패스 필터(LP2)는 255.6㎐의 컷오프 주파수를 갖는데, 이는 가변 로패스 필터(411)에서 출력되는 최대 필터링 주파수 200㎐가 무사히 통과할 수 있도록 하기 위한 것이다.

이와 같은 로패스 주파수는 저항(R18)(R19) 및 캐패시터(C16)(C17)에 의해 설정되며, 상기 저항(R18)(R19)는 각각 4.2㏀, 상기 캐패시터(C16)은 0.22㎌ 및 캐패시터(C17)은 0.1㎌을 사용하여 본 발명의 일실시예로 한다. 그리하여 255.6㎐ 이하의 주파수만을 통과 시키는데, 앞서 설명된 바와 같이 상기 가변 로패스 필터 (411)의 출력 파형은 디지트화된 시리얼 신호이기 때문에, 주파수가 최대치 즉, 상기 출력 파형에서 형성되는 계단파 신호의 에지(Edge) 부분은 완만한 곡선 형상으로 출력된다.

따라서 로패스 필터(LP2)를 통과한 가변 로패스 필터(411)의 출력신호는 아나로그화된 신호로 출력된다. 이 때의 신호는 증폭되지 않은 고유신호로서, 로패스 필터(LP2)의 오피엠프(OP17)를 게인(Gain) 1인 유니티 게인 엠프로 사용하며, 이에 대한 출력신호는 상기 가변 하이패스 필터(HP)로 입력된다.

가변 하이패스 필터(HP)는 상기 로패스 필터(LP2)에서 출력된 뇌파 신호중직류 성분의 신호를 제거하기 위한 것으로, 상기 직류 성분의 신호중 뇌파 신호가 섞이는 것을 검출하기 위해 다수의 고정 저항(RR1)을 통해 하이패스의 필터링 주파수를 가변시키는 것이다. 즉, 하이패스 필터를 구성하는 캐패시터(C18) 및 저항 (RR1)중에서 상기 저항(RR1)을 아이씨(IC4)를 통해 선택토록 하는 것이다. 그리고 상기 아이씨(IC4)의 구동은 상기 제어부(105)에 구비된 키패널을 통해 단자(CN4)로 스위칭 신호를 공급하므로서 이루어진다.

일예로서, 상기 저항(RR1)을 각각 30㏀, 150㏀, 300㏀ 및 1㏁으로 설정하고, 캐패시터(C18)이 1㎌이라면, 단자(CN4)로 유입된 선택 데이터에 의거 저항(RR1)중 일측을 선택하여 상기 캐패시터(C18)와의 동조 주파수를 생성하는 것이다. 이와 같은 저항치의 변화는 대략 5.3㎐, 1㎐, 0.53㎐ 및 0.16㎐를 생성하며, 상기 오피엠프(OP18)를 통해 버퍼링된다. 물론, 이는 각 채널별 즉, 좌측 뇌파신호와 우측 뇌파신호를 각각으로 버퍼링하는 것으로, 상기 가변 게인 콘트롤러(413)로 인가된다.

가변 게인 콘트롤러(413)로 입력되는 신호는 오피엠프(OP19)의 비반전 입력단자로 인가되고, 상기 오피엠프(OP19)의 반전입력단에 구비된 저항(R24)과 아이씨(IC5)로부터 선택될 다수의 저항(RR2)중 일측 저항에 의해 게인이 설정된다.

즉, 단자(CN5)에 의해 2진화된 제어신호, 이는 상기 제어부(15)에 의한 사용자 선택에 따라 생성되는 신호로서 아이씨(IC5)로 전송되는데, 10진화된 신호로 변환되어 상기 다수의 저항(RR2)중 일측 저항을 선택한다. 따라서 상기 저항(R24)와 선택된 일측 저항과의 상호 비율에 따라 오피엠프(OP19)의 증폭 게인을 설정한다.

이와 같은 증폭 게인은 1, 1.25, 2, 5, 10, 20, 50, 100배로서 본 고안의 실시예로 사용하고 있다.

한편, 상기 증폭된 뇌파 신호는 고입력 임피던스를 갖는 버퍼를 거쳐 출력되며, 상기 버퍼는 오피엠프(OP20)를 유니티 게인 엠프로 이용함에 따라, 이 후 인가될 제어부(105)로의 누설전류 영향을 감소시킨다. 제어부(105)로 유입된 뇌파 증폭 신호는 소프트웨어적인 처리를 통해 뇌파신호의 순수 EEG, α ratio, Percent delta, CSA, SEF 및 DTP등을 모니터를 통해 디스플레이되는 것이다.

상기 소프트웨어는 FFT 방법을 이용한 스펙트럼 계산에 의거 그래픽 처리되며, 이와 같은 정보를 손쉽게 관찰하기 위해 EEG 데이터에 헤더(Header)를 추가하는데, 이는 환자 정보 및 파일 정보를 포함한 EEG 파일을 사용하게 된다. 그러면 이와 같은 디스플레이를 실현하기 위한 제어부(105)의 구조를 살펴보면 다음과 같다.

도 7은 본 발명에 따른 디스플레이 구조를 설명하기 위한 도면이다. 먼저 상기 주증폭부(103)에서 출력되는 뇌파신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 A/D 컨버터(701)와, 상기 A/D 컨버터(701)에서 공급되는 데이터를 총괄 관리하기 위한 데이터 관리부(705)와, 상기 데이터 관리부(705)의 제어하에 다수 데이터를 리드/메모리 하기 위한 드라이브(703)와, 상기 A/D 컨버터(701) 및 드라이브(703)에서 순수 EEG신호를 검출하기 위한 버퍼(707)와, 상기 버퍼(707)를 통과한 출력신호로부터 CSA,DSA 신호를 검출하기 위한 프리프로세싱부(709: Preprocessing)와, 상기 프리프로세싱부(709)의 출력 데이터를 근거로 FFT 및 평균연산등을 통해 다수의 뇌파 파라미터를 추출하기 위한 연산부(711) 및 다수의 뇌파신호를 모니터상에 디스플레이하기 위한 디스플레이부(713)으로 구성된다.

이하, 상기 구성에 따른 뇌파신호의 디스플레이 방법을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 상기 A/D 컨버터(701)를 통해 유입되는 뇌파신호는 데이터 관리부 (705)에 의해 총괄 제어되는데, 이는 종합적 기능의 뇌파 분석 및 데이터 관리 프로그램으로서, EEG 데이터에 헤더(Header)를 추가하여 환자 정보 및 파일 정보를 포함한 EEG 파일을 사용한다. 또한 환자 정보를 체계적이고 효율적으로 관리하기 위해 ID를 계층적 디렉토리 구조 형태로 관리하며, 기록 날짜와 시간을 이용하여 자동적으로 파일명이 생성되도록 하고 있다.

이와 같은 환자의 데이터 관리는 일실시예로 도 8a와 같이 도시되고 있다. 예컨데, 환자의 정보를 실시간으로 분석하고자 할 경우 "OnLine Data Acquisition"을 선택한 후, 환자의 ID를 입력하면 연월일시로 구성된 파일명이 생성된다. 그리고 "Start"를 클릭하므로서 상기 버퍼(707)를 통한 환자의 순수 EEG 및 연산부 (711)를 거쳐 출력되는 CSA, DSA, TP, DTP, Alpha ratio, 및 Percent delta가 모니터상으로 디스플레이된다. 또한 "OffLine Data Processing"를 선택하고 환자 ID를 입력하면 EEG 파일명이 콤보박스에 표시되며, 기타 정보도 도시된다.

한편, 수술중 환자의 특정 사건에 관한 시각 및 내용을 저장하고자 한다면, 도 8b에 도시된 컨트롤 패널의 "EVT"(Event marker)를 마우스로 클릭하여 사건의 시각 및 내용을 기록한다. 컨트롤 패널에는 "EVT"이외에도 환자 뇌파의 전체 이득 및 각 채널 이득 조절기능이 구비되며, 환자 모니터링시 실시간 디지털 EEG 기록및 기록된 파일의 사후 검토기능이 마련된다.

그리고 CSA,DSA 파형 비교를 위한 기준 파형을 동시에 3개까지 포착 및 디스플레이하는 기능과 더불어, 모니터링 도중의 중요 기록사항의 표기 및 사후 검토시 기록 부분으로의 즉시 이동 기능, 파일 앞/뒤로의 점프이동 기능, 일시정지 및 완전정지 기능 등 뇌파 감시 및 분석에 있어서의 필수적인 기능을 부가하고 있다.

이와 같은 데이터 관리와 더불어 상기 디스플레이(713)로는 다수의 뇌파신호를 표시토록 하는데, 먼저 순수 EEG신호를 살펴보면 다음과 같다.

통상적으로 뇌파의 주파수 대역은 0㎐ - 60㎐에 주로 분포되며, 본 발명에서는 0 ㎐ - 3㎐ 를 델타파(δ), 4㎐ - 7㎐를 세타파(θ), 8㎐ - 13㎐를 알파파(α) 및 14㎐ - 28㎐를 베타파(β)로 분류한다. 그리고 상기 베타파(β)는 13㎐ - 20㎐의 대역인 제1베타파(β1), 20㎐ - 50㎐의 대역인 제2베타파(β2) 및 50㎐이상인 감마파 (γ)로 구성된다. 이와 같이 구성된 뇌파신호는 대략 95%의 뇌파신호로 할당되며, 상기 주증폭부(103)에서 출력되는 약 255㎐의 검출 주파수에서 추출되는 것이다.

물론, 상기 주증폭부(103)에서는 간질의 검출을 위해 높은 주파수(255㎐)를 검출하지만, 수술도중 환자의 치명상태 여부를 판단하기 위해서는 상기 델타파, 세타파, 알파파 및 베타파에 해당하는 28㎐이하의 신호만을 갖고 상태를 판단하게 된다. 따라서 제어부(105)에서는 주증폭부(103)에서 출력된 신호중 28㎐ 이하의 신호만을 선택하며, 선택된 신호는 상기 A/D변환기(701)를 통해 디지트화된 신호로 변환시킨다.

그리고 이와 같은 디지털 신호는 뇌파의 원신호(Raw EEG : Raw Electroence- -phalogram)로서 모니터상의 일측부에 디스플레이된다. 즉, 1채널에서 출력되는 좌측 뇌파신호와 2채널에서 출력되는 우측 뇌파신호를 시간변화에 따른 프레임단위로 디지트화된 데이터 자체를 디스플레이하는 것으로, 상기 순수 EEG신호를 도 9a에 도시하고 있다.

한편, 상기 순수 EEG신호의 데이터를 상기 연산부(711)를 통해 FFT(Fast Fourier Transform) 및 평균연산(Averaging)을 수행한 후 이로부터 추출된 스펙트럼을 가상적으로 3차원 처리하여, CSA(Compressed spectral array)를 디스플레이하므로서, 뇌혈류의 변화상태를 쉽게 관찰할 수 있도록 한다. 그리고 상기 CSA는 주파수 밴드별 색상을 지정하여 뇌파 성분의 δ, θ, α, β파를 시각적으로 표시될 수 있도록 함에 따라, 전문의가 아니더라도 관찰이 용이하도록 하고 있다.

상기한 CSA 신호는 환자의 혼수상태(COMA) 또는 저혈압 등의 관찰이 가능하며, 2채널의 CSA 신호와 순수 EEG신호를 이용할 경우에는 경동맥 뇌막절제술 (Caarotid Endarterectomy)에서 뇌허혈 현상의 검출이 용이하게 된다.

이와 같은 CSA 신호는 도 9b에 도시된 바와 같으며, 상기 도면상에 도시되는 스펙트럼에는 스펙트럼 모서리 주파수(Spectral Edge Frequency : SEF)를 표시토록 하는데, 이는 상기 EEG신호의 파워를 1㎐에서부터 누적하여 합을 구할 때 전체 파워가 집중된 구간의 경계 부분에서의 모서리 주파수로서, EEG 신호의 파워 분포를 알 수 있도록 한 파라미터로 사용된다.

또한 본 발명에서는 상기 CSA 신호를 디스플레이함에 있어, 시간별 디스플레이와 컬러별 디스플레이가 가능토록 하고 있으며, 상기 시간별 디스플레이는 일실시예로 2초 간격으로 수 십시간 분량동안 이루어지도록 하고 있다. 이와 같은 기능은 환자 모니터링시 환자 상태의 종합적인 관찰과 환자의 뇌파 검출 데이터를 재검토할 수 있게 된다.

그리고 상기 EEG 신호를 A/D 변환하여 FFT 연산한 후, 이를 상기 CSA 신호로 변환시킴과 더불어 DSA(Density Spectral Array)로 변환시키는데, DSA 또한 CSA와 같은 테크닉의 가상 3차원 디스프레이가 되도록 하고 있다. 이와 같은 DSA는 스펙트럼 파워의 최대값과 최소값을 다수 등급으로 분할하여 해당 등급별 컬러를 부여하는 것으로, 전체 14등급으로 분할함과 최대 파워의 주파수 영역을 적색으로 하고 최소 파워의 주파수 영역을 군청색으로 함을 실시예로 하고 있다.

상기 DSA 신호를 모니터상에 디스플레이함에 있어 세로축을 시간축으로 하고, 가로축을 주파수 대역으로 하며 대략 수 십시간 이상의 분량을 동시에 디스플레이 한다. 이는 도 9c의 명암부로 도시된다.

한편, 상기 CSA 및 DSA 데이터에 의해 다수의 파라미터를 추출할 수 있는데, 여기에는 환자의 대뇌 활동 상태를 검출하기 위한 전체 파워(Total Power : TP)와, 알파파, 세타파 및 델타파의 파워비를 검출하여 환자의 정신적 안정상태 여부를 판단하기 위한 알파비(Alpha ratio), 델타파의 파워와 전체 주파수 대역의 파워비를 통해 무의식 상태 환자의 뇌손상 가능성을 판단하기 위한 퍼센트 델타 (Percent delta) 및 좌우 뇌파의 활동성을 검출하기 위한 전체 파워의 차 (Difference in Total Power : DTP) 등을 그래픽처리토록 하고 있다.

여기서 상기 전체 파워(TP)는 직류 성분인 0㎐의 신호를 제외하고, 1㎐ - 28㎐에서의 신호 파워의 합을 계산하는 것이다. 즉, 상기 제어부(105)로 유입되는 좌우측 뇌파 신호의 푸리에(Fourier) 적분량을 각각으로 산출한 디지트화된 정보를 디스플레이하는 것으로, 도 9c와 같은 그래프로 표시되며, 본 발명에서는 상기 DSA에 중첩하여 흰색의 굵은 선으로 표시한다. 그리고 상기 전체 파워(TP)는 아래의 식으로 표현된다.

TP = 전체 파워

X(f) = 주파수별 에너지의 스펙트럼 밀도

한편, 상기 알파비는 알파파의 주파수 대역 파워와 알파파 주파수 미만의 주파수 대역비를 연산하는 것으로, 뇌파를 통해 환자의 정신적 안정상태를 검출하는 것이다. 즉, 안정상태의 알파파가 비안정상태인 세타파 및 델타파와의 파워비를 나타내는 것으로, 이는 수술상태의 환자가 수술중 뇌의 안정상태를 파악하기 위한 정보로 활용된다. 상기 알파비의 연산은 알파파인 8㎐ - 13㎐의 주파수를 델타 및 세타파인 1㎐ - 7㎐로 나눈것으로 아래의 식으로 표현되며, 도 9d와 같은 신호파형을 디스플레이한다.

P(α) = 알파비

상기 알파비는 각 채널별로 컬러를 달리하여 모니터상에 디스플레이하도록 하며, 상기 퍼센트 델타는 델타파와 전체 주파수 대역의 파워 비로서, 뇌손상시 발생할 수 있는 델타파가 전체 주파수 대역에서 상대적으로 차지하는 파워의 비를 나타낸다. 퍼센트 델타 또한 각 채널별로 컬러를 달리하여 식별이 용이하도록 하고 있으며, 상기 퍼센트 델타는 아래의 식으로 표현된다.

P(δ) = 퍼센트 델타

상기 식에 의거한 그래프는 도 9e에 각 채널별로 도시된다. 그리고 상기 DSA 및 TP가 채널별로 디스플레이될 때, 각 채널별 스펙트럼 파워의 차(Difference in Total Power : DTP)를 동시에 디스플레이하도록 하여, 뇌파의 활동성을 검출할 수 있도록 하고 있다. 이는 좌측 뇌파 전체 파워에서 우측 뇌파의 전체 파워를 감한 파워차이를 연산한다. 이와 같은 연산 결과는 도 9c에 도시한 두 DSA 사이에 수평막대 그래프 형태로 그래픽 처리되며, 상기 DTP의 연산과정은 아래의 식에 의거한다.

LTP = 좌측 뇌의 전체 파워

RTP = 우측 뇌의 전체 파워

DTP = 전체 파워차

이상 설명된 바와 같이 환자의 뇌파신호를 순수하게 디스플레이하거나, 상기 뇌파신호를 가공하여 모니터상에 도 10과 같이 디스플레이하여 수술중 환자의 뇌활동 상태에 대한 즉각적인 비교 및 판단이 용이하도록 하는 것이다.

본 발명은 뇌파 감시를 위한 뇌파 증폭기의 하드웨어 설계와 더불어, 상기 뇌파 증폭기로부터 얻어지는 뇌파신호를 순수하게 디스플레이하거나 가공하여 수술시의 환자 관찰이 종합적이고 객관적으로 이루어질 수 있도록 함에 따라, 다음과 같은 효과를 얻는다.

첫 째, 뇌파 관련 주요 파라미터들을 한 화면에 디스플레이시켜 환자 모니터링시에 종합적인 관찰이 정확하게 이루어짐과 동시에 사후에 EEG 데이터를 재검토할 수 있어 임상의사들의 환자 관리 및 대처에 편의성을 제공하며, 둘 째 뇌파의 특성 주파수별로 다수의 컬러를 부여하여 뇌파의 변화감지가 용이하고, 셋 째 다수의 뇌파 파라미터를 디스플레이함에 따라 좌.우측 뇌활동 상태에 대한 즉각적인 비교 및 판단이 가능하며, 넷 째 수술시 환자 모니터링 중에 특정 순간의 CSA,DSA, TP, SEF등을 저장하여 수술후 상태와 비교하고자 할 때 화면 상단에 다수의 정보를 디스플레이하므로서, 정보 데이터의 비교가 용이하고, 다섯 째 환자의 응급처치 등에 대한 기록사항을 입력할 수 있는 파일관리 기능이 구비되어 시스템의 사용 편의성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims

좌.우측 전극(LAE,LRE. RAE,RRE)을 통해 뇌허혈 현상을 감시하기 위하여 단극 뇌파 증폭기를 양극 뇌파 증폭기로 개선하고 전기응고기(ESU) 또는 수술용 전자장비에서 발생하는 잡음을 제거하며, 뇌파신호를 1000배 증폭하기 위한 전치증폭부 (101);

상기 전치증폭부(101)를 통과한 잡음을 소정 레벨이상의 파워 증폭을 수행하고, 남아 있는 미세 잡음을 제거하며 가변 주파수대역을 얻기 위한 주증폭부(103); 및

상기 전치증폭부(101)의 증폭 신호를 읽어 들여 입력신호의 증폭게인을 조절하므로서, 다양한 뇌파 파라미터를 추출하여 다각적 디스플레이가 이루어지도록 하기 위한 제어부(105)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전치증폭부(101)에는 내부 회로에 의해 기준치 이상의 높은 전압이 흐를 경우 증폭부의 손상을 방지함과 동시에 증폭부에 의한 전원이 환자로 노출되지 않도록하기 위한 전류제한 회로부(301)가 더 포함된 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 전치 증폭부(101)는 전기응고기의 인위잡음을 입력의 초단에서 제거하기 위해 벨런스 필터(balanced filter)로 구성된 인위잡음 제거필터(201);

상기 필터(201)로부터 유입되는 신호가 고임피던스를 갖기 위한 버퍼(203);

상기 전기응고기로부터 발생하는 고주파에서도 공통모드 제거비를 갖도록 CMRR이 높은 OP 엠프로 차동 증폭시켜 공통 모드 신호를 제거하기 위한 차동 증폭기(205);

상기 차동증폭기(205)에서 출력되는 신호로부터 직류 옵셋을 제거하기 위한 저주파 차단 필터(207);

상기 저주파 차단 필터(207)를 거쳐 유입되는 신호중 250㎐ 이상의 고주파 잡음을 제거하기 위한 고주파 차단 필터(209);

상기 고주파 차단필터(209)를 통한 뇌파 측정용 주파수를 소정 게인으로 증폭시키기 위한 증폭기(211); 및

상기 증폭기(211)의 증폭신호를 주증폭부(103)로 전송함에 있어 상기 전치증폭부(101)와 주증폭기(103)의 전원선과 접지간에 포함된 고주파 디지털 스위칭 잡음을 제거하기 위한 분리증폭기(213)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 1 항에 있어서, 상기 주증폭부(103)는 전치증폭부(101)를 통해 유입되는 상용전원 60㎐의 인위잡음을 제거하기 위한 노치필터(407);

상기 전치증폭부(101)에서 주증폭부(103)로 신호전송함에 있어 신호전송 라인에 의해 발생하는 2.15㎑ 이상의 노이즈를 제거하기 위한 로패스 필터(401);

상기 로패스 필터(401)를 거쳐 인가되는 뇌파신호중 직류신호를 제거하기 위한 디씨 옵셋 제거 필터(403);

상기 디씨 옵셋 제거 필터(403) 및 노치필터(407)에서 출력되는 신호중 일측을 선택하기 위한 멀티플렉서(409);

뇌파 증폭신호를 상기 제어부(105)와 인터페이싱하기 위해 컴퓨터의 샘플링 대역에 따라 신호대역을 가변 제한하기 위한 가변 로패스 필터(411);

상기 가변 로패스 필터(411)를 통과한 신호의 직류신호를 단자(CN4)를 통해 가변적으로 제한하기 위한 가변 하이패스 필터(HP); 및

상기 가변 하이패스 필터(HP)에 의해 출력되는 가변적 신호를 단자(CN5)를 통한 제어신호로부터 일정 레벨로 증폭하기 위한 가변 게인 콘트롤러(413)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 4 항에 있어서, 상기 가변 로패스 필터(411)의 입출력 측에 각각으로 715.7㎐ 이상의 주파수를 차단하기 위한 로패스 필터(LP1) 및 255.6㎐ 이상의 주파수를 차단하기 위한 로패스 필터(LP2)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 3 항에 있어서, 상기 인위잡음 제거필터(201)는 각각의 전극에 동일 저항(R1)이 접속되고, 상기 저항(R1)간에 캐패시터(C1)가 구비되고;

상기 버퍼(203)는 상기 저항(R1)을 유니티 게인 엠프로 구현된 오피엠프 (OP1,OP2)의 비반전 단자에 접속되며;

상기한 차동증폭기(205)는 버퍼(203)로부터 유입되는 신호를 저항(R2) 및 오피엠프(OP3)를 통해 차동증폭시키되, 저항(R3)에 의거 증폭 게인을 설정토록 접속되며;

상기 디씨 옵셋 제거필터(207)는 캐패시터(C2)와 저항(R4)에 의한 직류신호 차단필터로 접속되고;

상기 고주파 차단필터(209)는 뇌파측정에 알맞은 주파수 대역만을 추출하기 위해 특정 주파수 이하만을 차단하기 위해 오피엠프(OP4)와, 상기 오피엠프(OP4)의 입력 및 궤환측에 접속되는 저항(R6,R7), 캐패시터(C3,C5)로 이루어진 버터 워스 (Butter Worth)회로 및 오피엠프(OP4)의 출력단에 접속된 저항(R8)과 캐패시터(C4)로 이루어진 로패스 필터회로로 구성되며;

상기 증폭기(211)는 증폭소자 오피엠프(OP5) 및 상기 오피엠프(OP5)의 게인을 설정하기 위한 저항 (R9,R10)으로 이루어지고;

상기 분리증폭기(213)는 전치증폭부(101)에서 상기 주증폭부(103)로의 신호전송함에 있어 신호잡음이 없도록 하기 위해 광결합 방식의 증폭소자인 아이씨(IC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
제 4 항에 있어서, 상기 로패스 필터(401)는 저항(R11), 저항(R12) 및 캐패시터(C12)로 이루어진 로패스 회로가 오피엠프(OP11)의 비반전단자로 접속되고, 상기 저항(R11) 및 캐패시터(C11)로 이루어진 직렬회로는 오피엠프(OP11)의 반전단자로 접속되며;

상기 디씨 옵셋 제거 필터(403)는 캐패시터(C13) 및 저항(R13)으로 구성되고;

상기 노치필터(407)은 단자(CN1)을 통해 60㎐에 상응한 필터링 주파수를 설정하기 위한 아이씨(IC2)가 구비되며;

상기 멀티플렉서(409)는 아이씨(IC6)를 통해 단자(CN2)로부터의 선택신호를 인가받도록 하고;

상기 가변 로패스 필터(411)는 단자(CN3)으로 인가되는 펄스신호로부터 필터링 주파수를 달리하는 아이씨(IC3)(IC3')로 이루어지며;

상기 가변 하이패스 필터(HP)는 캐패시터(C18)를 중심으로 다수의 고정 저항(RR1)이 단자(CN4)에 의해 선택되도록 하는 아이씨(IC4)가 구비되고;

상기 가변 게인 콘트롤러(413)은 단자(CN5)을 통해 다수의 저항(RR2)중 일측 저항을 선택토록 하는 아이씨(IC5)(IC5')와, 상기 아이씨(IC5)(IC5')로부터 선택된 일측 저항 및 고정 저항(R24)에 의해 증폭 게인이 설정되는 오피엠프 (OP19) 및 상기 오피엠프(OP19)에서 증폭된 신호를 상기 제어부(105)로 출력하기 위해 버퍼링을 수행하는 오피엠프(OP20)로 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치.
좌우측 두 채널을 통해 증폭처리된 환자의 뇌파신호를 디지털 처리한 후, 이로부터 생성된 순수 EEG를 모니터상에 디스플레이하는 단계;

상기 디지트화된 순수 EEG 신호를 FFT 및 평균연산을 통해 스펙트럼을 추출하여 가상적 3차원으로 디스플레이하는 단계;

상기 순수 EEG신호의 FFT 스펙트럼 파워를 가상 3차원 처리한 DSA신호를 화면상에 디스플레이하는 단계;

상기 좌우측 각 뇌파신호중 1㎐에서 28㎐에 포함된 전체 주파수 파워(TP: Total Power)를 그래픽처리하여 디스플레이하는 단계;

상기 순수 EEG신호의 파워를 1㎐에서부터 누적하여 전체 주파수 파워(TP)의 95%에 이르는 시점을 표시하는 스펙트럼 모서리 주파수(SEF: Spectral Edge Freque -ncy)를 디스플레이하는 단계;

상기 뇌파신호중 α파의 주파수 대역 파워와 θ 및 δ파의 주파수 대역 파워와의 비율을 그래픽 처리한 알파비(Alpha ratio)를 디스플레이하는 단계;

상기 δ파가 전체 주파수 대역에서 상대적으로 차지하는 파워의 비율을 그래픽 처리한 퍼센트 델타(Percent delta)를 디스플레이하는 단계; 및

상기 좌우측 뇌파로부터 각각으로 연산된 전체 파워의 차(DTP: Difference in Total Power)를 그래픽으로 처리하는 단계를 포함하여, 특정 순간의 환자 상태의 CSA, DSA, TP, SEF 등을 화면상에서 캡처하여 디스플레이하는 갖는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 순수 EEG 데이터에 헤더(Header)를 추가하므로서 환자 ID에 상응한 환자 정보 및 파일 정보를 포함한 EEG 파일을 생성하여 기록사항의 표기(Event marking) 및 써치(Search)가 가능토록 하고, 상기 환자 ID를 계층적 디렉토리 구조 형태로 관리하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법.
제 8 항에 있어서, 상기 가상적 3차원으로 디스플레이하는 단계는 CSA신호의 주파수 밴드별로 컬러를 부여하는 과정 및 상기 제3디스플레이 과정에서 DSA신호의 스펙트럼 파워별로 14등급의 컬러를 부여하는 과정이 부가되는 것을 특징으로 하는 디지털 뇌파를 이용한 뇌기능 감시장치에 있어 디지털 뇌파의 디스플레이 방법.