KR20030021585A - Wireless apparatus and method for biofeedback-based training of internally focused attention and mental concentration skills of sportsman - Google Patents

Wireless apparatus and method for biofeedback-based training of internally focused attention and mental concentration skills of sportsman Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A wireless system and a control method are provided to improve the electroencephalogram activity and characteristics of a heart beat by supplying information about continuously changeful brain waves and heart beat activity in a form of visual and hearing stimulation. CONSTITUTION: A head band(2) is provided with a plurality of electrodes and positioned on a scalp(1) of a user. A minute electroencephalogram signal is detected by the electrodes of the head band(2). A heart rate signal is detected by a photoplethysmogram sensor(4) that is attached on an earlobe of the user. The minute electroencephalogram signal and the heart rate signal are modulated and transmitted through an antenna(6) of a head-mounted input unit(3). A pressure signal, which is generated when the user pulls a trigger(5) of a gun, is transmitted to the input unit(3). The input unit(3) transfers the signals to a computer(10). The computer(10) analyzes the signals to provide the analyzed data.

Description

바이오피드백 원리를 적용한 운동선수의 초점적 주의와 정신 집중력 향상 훈련을 위한 무선시스템과 그의 제어 방법{Wireless apparatus and method for biofeedback-based training of internally focused attention and mental concentration skills of sportsman}Wireless system and method for biofeedback-based training of internally focused attention and mental concentration skills of sportsman

본 발명은 바이오피드백(biofeedback) 원리를 사용한 운동선수들의 정신 집중 훈련을 위한 무선 장치와 그 방법에 관한 것이다. 즉, 본 발명은 뇌전도(electroencephalogram: 이후 EEG라고 부름)의 실시간 스펙트럼 분석에 의해 도출된 뇌파 파라미터, 맥파도(photoplethysmogram: 이후 PPG라고 부름)의 실시간 스펙트럼 분석에 의해 도출된 심박 파라미터에 기초하여 운동선수의 초점적 주의(focused attention)를 향상시킴으로서 바이오피드백 훈련의 성과를 얻기 위한 대역확산(spread spectrum) 전송 기법을 적용시킨 무선 시스템과 그 방법에 관한 것이다. 특히, 제기된 구현은 양궁이나 골프 퍼팅 이외에 실제 혹은 모의 사격 연습을 하는 동안 바이오피드백 훈련을 사용하여 운동 선수로 하여금 의도적으로 초점적 주의 상태를 유도하고 수행을 증진시키려는 목적의 운동 활동에 관련되는 모든 자료에 유용하다.The present invention relates to a wireless device and method for mental concentration training of athletes using the biofeedback principle. That is, the present invention is based on the electroencephalogram parameters derived by real-time spectral analysis of electroencephalogram (hereinafter referred to as EEG) and heart rate parameters derived by real-time spectral analysis of photoplethysmogram (hereinafter referred to as PPG). The present invention relates to a wireless system and a method using a spread spectrum transmission technique for achieving the performance of biofeedback training by improving the focused attention of the apparatus. In particular, the proposed implementation involves all aspects of athletic activities aimed at intentionally inducing athletes to focus attention and improve performance by using biofeedback training during actual or simulated shooting practice in addition to archery or golf putting. Useful for data.

바이오피드백이란 사용자에게 그의 생리적 활동 상태에 대한 정보를 실시간으로 제공해 줌으로써 이러한 피드백 정보를 사용하여 의도하는 방향으로 자신의 생리적 활동을 변화시키도록 하며 요구된 정도로 변화가 일어났을 때 보상을 제공함으로써 사용자 스스로 자기-조절을 학습해 가도록 하는 기법이다.Biofeedback uses this feedback information to provide users with information about their physiological activity status in real time, allowing them to change their physiological activity in the intended direction and to compensate for changes as required. It is a technique to learn self-regulation.

바이오피드백 기법은 PPG에 의해 기록되는 펄스파와 같은 선택된 생리적 활동의 획득과 처리, 그리고 심박(heart rate: 이후 HR이라 부름)과 같은 PPG 활동의 선택된 목표 파라미터를 실시간으로 측정하고 그 상태에 대한 정보를 유관 청각 자극의 형태로 사용자에게 제공해 주는 방법을 포함하고 있다. 목표 파라미터가 사전에 정의된 역치 수준(threshold level; 혹은 문턱치)에 도달했을 때, 사용자에게 보상을 해 주는 피드백 신호가 생성된다. 예를 들어 HR을 변화시켜 분당 HR 수치를 감소시키는 훈련을 목표로 하는 경우에 우선 HR 훈련 역치를 분당 70회로 설정한다. 현재 HR이 75에서 70으로 감소될 때, 청각 신호가 발생되어 목표 도달에 대한 보상이 제공되는 것이다.The biofeedback technique measures, in real time, the selected target parameters of the PPG activity, such as the acquisition and processing of selected physiological activities such as pulse waves recorded by the PPG, and the heart rate (hereinafter referred to as HR). It includes a method of providing the user in the form of a related auditory stimulus. When the target parameter reaches a predefined threshold level (or threshold), a feedback signal is generated to compensate the user. For example, if you are training to change HR to reduce HR per minute, first set the HR training threshold to 70 per minute. When HR is currently reduced from 75 to 70, an auditory signal is generated to provide compensation for reaching the target.

뉴로피드백(neurofeedback)이란 생리적 활동으로써 사용자의 EEG를 사용하고 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transformation: 이후 FFT라고 부름)에 의해 도출된 특정 대역폭의 스펙트럼 전력과 같은 EEG 활동의 선택된 파라미터가 바이오피드백을 위한 목표로 사용되는 기법을 말한다. EEG는 뇌에 의해 생성되는 생체전기 활동(대략 0.5에서 40 Hz의 주파수 범위에서 1-100 μV의 피크-대-피크 진폭)으로 적절한 두피 영역에 부착된 전극에 의해 기록된다. 센서, 혹은 보다 정확한 용어로 다중 EEG 전극이 내부 대뇌피질에 의해 생성되는 지속적이면서 자발적 혹은 유발 생체전기 활동을 기록하기 위해 두피에 부착된다.Neurofeedback is a physiological activity that uses the user's EEG and selects parameters of the EEG activity, such as the spectral power of a particular bandwidth, derived by the Fast Fourier Transformation (hereinafter called FFT). Refers to the technique used. EEG is recorded by electrodes attached to the appropriate scalp region with bioelectric activity produced by the brain (peak-to-peak amplitude of 1-100 μV in the frequency range of approximately 0.5 to 40 Hz). Sensors, or, in more precise terms, multiple EEG electrodes, are attached to the scalp to record continuous, spontaneous or induced bioelectric activity produced by the internal cerebral cortex.

피질에서 발생하는 많은 인지 및 다른 정신 과정들(예, 주의)은 특별한 생체전기 피질 활동과 관련되는 것으로 밝혀져 왔다. EEG 특성을 정의하는 다양한 진폭과 주파수 파라미터들이 있으며, FFT 분석은 정의된 대역폭에서 EEG 활동을 평가하기 위한 가장 일반적인 분석 방법중의 하나이다.Many cognitive and other mental processes (eg, attention) that occur in the cortex have been found to be associated with specific bioelectric cortical activity. There are various amplitude and frequency parameters that define the EEG characteristics, and FFT analysis is one of the most common analytical methods for evaluating EEG activity at defined bandwidths.

흔히 EEG 주파수 대역은 네 가지, 즉 베타리듬(13.0-40.0 Hz 이상), 알파리듬(8.0-12.0 Hz), 세타리듬(4.0-8.0 Hz), 그리고 델타리듬(0.5-4.0 Hz)으로 구분된다. 그러나 현대 심리생리학에서는 이러한 네 가지 대역을 더 세분하여 느린 세타(4.0-6.0 Hz)와 빠른 세타(6.0-8.0 Hz), 느린 알파(8.0-10.0 Hz)와 빠른 알파(10.0-13.0 Hz), 느린 베타(13.0-20.0 Hz)와 빠른 베타(20.0-35.0 Hz), 특별히 베타 대역 내에서 특정한 성분(예, 18.0-22.0 Hz), 보다 큰 주파수 대역(예, 감마, 36.0-42.0 Hz)으로 구분하기도 한다. 이러한 현대적 개념에 따라, 1 Hz 단위의 협소 EEG 활동 대역들은 그 자체로 기능적 중요성을 지니고 있으며 정신 상태와 보다 정밀하고 심도있게 상관이 될 수 있다.Frequently, there are four EEG frequency bands: beta rhythms (above 13.0-40.0 Hz), alpha rhythms (8.0-12.0 Hz), theta rhythms (4.0-8.0 Hz), and delta rhythms (0.5-4.0 Hz). In modern psychophysiology, however, these four bands are further subdivided into slow theta (4.0-6.0 Hz) and fast theta (6.0-8.0 Hz), slow alpha (8.0-10.0 Hz) and fast alpha (10.0-13.0 Hz), slow Beta (13.0-20.0 Hz) and fast beta (20.0-35.0 Hz), especially those within the beta band (e.g. 18.0-22.0 Hz), and even higher frequency bands (e.g. gamma, 36.0-42.0 Hz). do. According to this modern concept, narrow bands of EEG activity in units of 1 Hz are functional in themselves and can be more precisely and deeply correlated with mental states.

정신 상태 조절은 또한 뉴로피드백 훈련에 의해 달성될 수 있는 것으로 알려져 있다. 정신 상태 조절을 위한 많은 다른 바이오피드백 방법들이 제안되었다. 뉴로피드백을 위해 협소 대역 EEG를 적용한 예가 미국 특허 제 5,406,957에 기술되어 있다.It is known that mental state control can also be achieved by neurofeedback training. Many other biofeedback methods for mental state control have been proposed. An example of applying a narrow band EEG for neurofeedback is described in US Pat. No. 5,406,957.

그러나, 본 발명은 주의 훈련을 목적으로 한 종래의 기술에서 적용한 뉴로피드백 방법들과 관련된다. 여러 다른 장치와 뉴로피드백 방법들은 EEG활동을 사용하여 사용자의 주의 수준을 검토하고 주의력을 향상시키기 위한 EEG 훈련을 시도하였다. 미국 특허 제 5,377,100은 사람들의 주의의 폭을 향상시키는 방법을 개진하였다. 이 방법은 주컴퓨터, 조이스틱을 사용하는 비디오게임 프로그램, 그리고 EEG 검출 하드웨어를 사용하여 사용자의 주의 수준을 비디오게임 프로그램의 난이도와상관시키는 것이었다. 미국 특허 제 5,447,166은 EEG 신호들과 사용자의 신체 반응을 모니터하고 이 결과를 이용하여 컴퓨터 프로그램을 변화시키도록 반응하는 신경인지 적응 컴퓨터 인터페이스 시스템을 제시하였다. 여기서 컴퓨터 신경망은 사용자의 초점적 주의 수준을 특징짓는 EEG 신호와 다른 생리 변수의 조합을 계산하였다. 특히 뇌파의 세타(4.0-8.0 Hz) 대역 강도는 보다 어려운 과제 수행 시 증가하였고, 이것이 초점적 주의의 인지 상태와 관련되는 것으로 추정되었다. 주의와 세타 대역의 관계성은 또한 다른 연구에서도 제시되었다(Misutani M. et al. The frontal midline theta rhythm related with an attentive state.Electroencephalography and Clinical Neurophysiology61, 1985, S141). 알파 활동의 스펙트럼 전력에 의해 측정되는 정신 집중력 지수는 미국 특허 제 5,460,184에서 기술되어 있다. 또한 미국 특허 제 5,983,129는 초점적 주의의 강도를 결정하고 이것을 컴퓨터 게임 프로그램에 통합시키는 방법을 제시하였다. 여기서 전두엽에서 기록되는 뇌파 신호는 개인의 초점적 주의 강도를 나타내는 신호로 사용되었고 컴퓨터 비디오게임의 제어 파라미터로 입력되었다.However, the present invention relates to neurofeedback methods applied in the prior art for the purpose of attention training. Several other devices and neurofeedback methods used EEG activity to review the user's attention level and attempted EEG training to improve attention. U.S. Patent No. 5,377,100 discloses a method for improving the attention of people. The method was to correlate the user's attention level with the difficulty of the video game program using a host computer, a video game program using a joystick, and EEG detection hardware. U. S. Patent No. 5,447, 166 proposes a neurocognitive adaptive computer interface system that monitors EEG signals and the user's body response and uses these results to respond to changing computer programs. Here, the computer neural network calculated a combination of EEG signals and other physiological variables that characterized the user's level of attention. In particular, the theta (4.0-8.0 Hz) band intensity of EEG increased when performing more challenging tasks, which were presumed to be related to the cognitive state of focus attention. The relationship between attention and theta bands has also been suggested in other studies (Misutani M. et al. The frontal midline theta rhythm related with an attentive state. Electroencephalography and Clinical Neurophysiology 61, 1985, S141). The mental concentration index, measured by the spectral power of alpha activity, is described in US Pat. No. 5,460,184. U. S. Patent No. 5,983, 129 also presents a method of determining the intensity of focus attention and integrating it into a computer game program. Here, EEG signals recorded from the frontal lobe were used as signals representing the individual's focus attention and input as control parameters of computer video games.

그러나, 종래 바이오피드백 장치의 기술에서는 사격에서 격발을 위해 방아쇠를 당기거나, 양궁에서 화살을 발사하거나, 골프에서 퍼팅을 수행하는 것과 같이 스포츠에서 자기-조절 행위를 개시하기 위한 초점적 주의와 관련된 적절한 타이밍의 선택을 위해 EEG와 HR 파라미터의 피드백을 동시에 사용하지는 않았다.However, in the art of conventional biofeedback devices, appropriate techniques related to focus attention for initiating self-regulating behavior in sports, such as triggering a trigger in a shot, firing an arrow in archery, or putting in golf, are appropriate. The feedback of the EEG and HR parameters was not used simultaneously to select the timing.

주의(attention)는 하나의 대상, 사고, 또는 사건에 대해 정신적으로 집중하는 행위로 정의된다. 하나의 과제에 의도적 목적을 가지고 초점을 맞추고, 집중하려는 정신적 노력은 운동선수에게 매우 중요한 기술이다. 주의력 조절은 광범한 스포츠 활동들에서 성공적인 수행을 위해 필요하다. 주의 상태를 유지할 수 있는 능력과 주의 상태에서 이완 상태로 효과적으로 전환시킬 수 있는 능력은 다양한 운동 과제 상황에서 중요하다. 외부 단서에 주의를 집중하고 유지시키면서 과제를 지속적으로 수행할 것을 요하는 과제요구 종류가 있는 반면, 섬세하고 정교한 운동 행위를 준비시키는 시간 동안에 필요로 하는 내부 단서에 집중할 것을 요하는 다른 종류의 과제가 있는 데, 이것은 본 발명과 밀접하게 관련되는 부분이다.Attention is defined as the act of mentally focusing on an object, accident, or event. A mental effort to focus and focus on a task with intentional purpose is a very important skill for athletes. Attention control is necessary for successful performance in a wide range of sporting activities. The ability to stay alert and effectively transition from attention to relaxation is important in a variety of athletic challenges. While there are types of task demands that require the task to be continued while focusing and maintaining external clues, other types of tasks that require focusing on the internal clues needed during the time to prepare delicate and sophisticated motor activities. Where it is closely related to the present invention.

엘리트 운동 선수들에게 있어 최적 수행(optimal performance)의 심리적 특성은 흔히 노력이 없이도 고도로 집중된 상태로 기술된다. 스포츠에서 많은 연습과 훈련 경험이 없는 신참 운동선수들은 일반적으로 운동 기술을 습득하는 훈련 과정 동안 고도의 정신적 노력을 발휘한다는 것을 보여준다. 높은 수준의 전문 운동 선수들의 EEG 패턴은 사격(Harfield, et al., 1984, 1987), 양궁(Landers, et al., 1991), 그리고 골프 퍼팅(Crews & Landers, 1993)과 같은 시각-운동 수행에서 자기-조절 운동 과제에서 목표 조준 시기 동안 우반구에 비해 좌반구의 활성화가 덜 일어나는 것(알파 전력의 증가 여부로 보았을 때)으로 관찰되었다.For elite athletes, the psychological nature of optimal performance is often described as highly concentrated without effort. New athletes without much practice and training experience in sports generally demonstrate a high level of mental effort during the training process to acquire athletic skills. EEG patterns of high-level professional athletes perform visual-exercise performances such as shooting (Harfield, et al., 1984, 1987), archery (Landers, et al., 1991), and golf putting (Crews & Landers, 1993). In the self-regulated exercise task, less activation of the left hemisphere was observed during the aiming phase (when increased in alpha power).

시공간과 운동근육 조정을 수반하는 자기-조절 조준 과제에서 수행이 뛰어날 때, 좌반구에서는 비교적 큰 알파 전력이 발생되고 우반구에서는 알파 전력이 그대로 유지되는 것으로 밝혀졌다. 이러한 두 반구간에 알파 전력의 차이는 흔히 측두엽 피질 영역(10/20 국제 표준 체계에 따라 T3와 T4위치)에서 주로 발생된다. 일반적으로 엘리트 사격선수들은 격발을 위한 목표 조준 시기동안 두 개의 반구 모두에서 EEG 활성화가 전체적으로 적게 일어나며, 격발 행위에 앞서 목표 조준 시기동안 좌반구 측두엽에서 지배적으로 알파 전력이 증가하는 것으로 특징화된다.When performing well in self-regulating aiming tasks involving space-time and motor muscle coordination, relatively large alpha powers were generated in the left hemisphere and alpha power was maintained in the right hemisphere. The difference in alpha power between these two hemispheres often occurs mainly in the temporal cortical region (T3 and T4 positions according to the 10/20 international standard framework). In general, elite shooters are characterized by less overall EEG activation in both hemispheres during the target aiming period for triggering, and predominantly increasing alpha power in the left hemisphere temporal lobe during target aiming prior to triggering.

Salazar 등(1990)은 사대에 들어와서 조준하는 양궁선수들이 화살을 발사하기 직전까지 준비하는 여러 단계에 걸쳐 EEG를 기록한 결과, 우반구의 뇌파 변화는 유의하지 않았으나, 좌반구에서의 뇌파 변화는 10.0 Hz와 12.0 Hz(예, 빠른 알파 대역)에서의 전력이 시간에 따라 유의하게 증가하였다고 보고하였다. Crews와 Landers(1993)는 숙련된 골프 선수에게 40회의 퍼팅을 수행하도록 하였고, 매 퍼팅마다 퍼팅을 하기 직전까지 1초 단위로 구분된 세 개의 기간에 대해 EEG 스펙트럼 전력을 측정한 결과, 퍼팅을 하기 직전 3초 동안 좌반구 알파가 유의하게 증가한 반면, 우반구에서는 어떤 유의한 변화가 나타나지 않았다.Salazar et al. (1990) recorded EEG at various stages before archery players entering the station and aiming just before firing arrows showed that EEG changes in the right hemisphere were not significant, but EEG changes in the left hemisphere were 10.0 Hz and It was reported that the power at 12.0 Hz (eg, fast alpha band) increased significantly with time. Crews and Landers (1993) asked an experienced golfer to perform 40 putts and, after each putt, measured the EEG spectral power over three periods of 1 second until immediately before putting. The left hemisphere alpha increased significantly during the last 3 seconds, while no significant change occurred in the right hemisphere.

위에서 언급된 3개 종목에 대해 서로 다른 스포츠 기술(사격, 양궁, 골프 퍼팅)에 적용된 연구 결과를 요약하면, 피험자가 관련 운동 행위(방아쇠 당기기, 화살 방사, 퍼팅)를 실행에 옮기기 직전의 움직임이 없는 시간(1-5초) 동안 기록된 EEG는 행위 실행 직전에 좌반구, 정확하게는 좌측 측두엽에서 알파 활동이 증가되었고, 몇몇 경우에만 우반구에서도 증가되었다. 알파 변화가 반드시 크게 나타날 필요는 없을지라도, 목표 조준 과제와 관련된 연구들은 그러한 EEG 변화가 일관되게 운동 행위 실행 직전에 발생한다고 밝히고 있다(Shaw J. C. Intention as a Component of the Alpha-rhythm Response to Mental Activity.International Journal of Psychophysiology, 24, 1996, 7-23).Summarizing the results of the studies applied to the different sports techniques (shooting, archery, and golf putting) for the three sports mentioned above, the movement immediately before the subject performed the relevant exercise behavior (trigger pulling, arrow firing, putting) EEG recorded during the absence period (1-5 seconds) increased alpha activity in the left hemisphere, precisely the left temporal lobe, immediately in the execution of the action, and in some cases even in the right hemisphere. Although alpha changes do not necessarily have to be significant, studies related to target aiming tasks indicate that such EEG changes consistently occur immediately before execution of motor activity (Shaw JC Intention as a Component of the Alpha-rhythm Response to Mental Activity. International Journal of Psychophysiology , 24, 1996, 7-23).

더 나아가, Landers 등(1991)은 뉴로 피드백이 엘리트 양궁선수들에 미치는효과를 검증하였고, 피드백 조건을 적용한 선수들의 수행이 향상되었으며, 좌반구 알파도 증가하였다는 것을 발견하였다. Shaw(1996)는 관련 운동 행위를 하기 직전에 행위를 집행하기 위한 내부 행위 실천 계획을 세우는 데 주의를 집중하여야 하기 때문에 이러한 EEG 활동 변화를 의도(intention) 혹은 내부 주의(internal attention)에 기인하는 것으로 해석하였다. 목표 조준 과제의 일반적인 특징은 눈을 뜬 상태에서 이루어지며, 최종 실행 행위는 탄도 운동(ballistic movement)이라는 것이다. 즉, 운동을 개시하기 직전에 환경 정보(예, '조종자'의 위치)에 기초한 운동(방아쇠 당기기)의 피드백 제어가 있다. 이 과제의 또 다른 특징은 최종 행위를 실행에 옮기기 직전에 행위자의 움직임이 정지된다는 것이다. Mullholland(1995)에 따르면, 행동이 멈추어져 있다는 것은 운동 과정이 중지되고, 관련이 없는 운동을 줄이며, 5.0-15.0 Hz 범위에서 EEG 활동의 느린 동조가 증가되는 것과 관련이 된다.Furthermore, Landers et al. (1991) validated the effect of neurofeedback on elite archers, found that the performance of athletes with feedback conditions improved, and that the left hemisphere alpha increased. Shaw (1996) notes that this change in EEG activity is due to intention or internal attention because attention must be focused on developing an internal action plan to execute the action just before the relevant exercise action. Interpreted A common feature of target aiming tasks is that with the eyes open, the final action is ballistic movement. That is, just before starting the exercise, there is feedback control of the exercise (trigger pull) based on environmental information (eg, the position of the 'pilot'). Another feature of this task is that the movement of the actor is stopped just before the final act is put into action. According to Mullholland (1995), stopping behavior is associated with stopping the motor process, reducing irrelevant movement, and increasing slower tuning of EEG activity in the 5.0-15.0 Hz range.

지금까지 언급한 내용들은 바이오피드백 훈련이 목표 조준(예, 시공간 및 운동 과제 모두로 구성된)을 수반하는 스포츠 분야에서 유용한 보조수단이 될 수 있으며, 따라서 사격, 양궁, 그리고 골프와 같은 스포츠 분야에서 요구되는 기술(주의 집중, 행위 계획에 대한 내적 주의, 정확한 탄도 운동에 앞선 부동성 등)을 발달시키는 데 효과적이며, 결국 이런 스포츠 분야의 선수들이 최적 수행을 할 수 있도록 하는 데 적용될 수 있다.What has been said so far is that biofeedback training can be a useful aid in the field of sports involving goal aiming (eg, consisting of both time-space and athletic tasks), and is therefore required in sports such as shooting, archery, and golf. It is effective in developing skills that can be used (such as attention, internal attention to action plans, immobility prior to precise ballistic movements, etc.) and, in turn, can be applied to ensure that athletes in these sports areas perform optimally.

스포츠 정신생리학에서 보다 훌륭한 수행을 위한 인지 과정과 인지 간섭 발달에 대해 심도 있는 평가는 EEG 스펙트럼을 세분화하여 조사함으로써 달성될 수있다. 예컨대, Smith 등(1999)은 세타 대역이 졸림-관련 성분(4.0-5.0 Hz)과 주의-관련 성분(6.0-8.0 Hz)으로 분할될 수 있다고 하였다. 더 나아가 전체 알파 활동은 일반화된 각성과 관련된 저주파수 성분(8.0-9.0 Hz)과 과제-특수 주의 요구와 관련된 고주파수 성분(10.0-12.0 Hz)으로 분할될 수 있다(Smith M, E, et al , Neurophysiological indices of strategy development and skill acquisition. Cognitive Brain Research, 7, 1999, 389-404).An in-depth assessment of the development of cognitive processes and cognitive interference for better performance in sports psychophysiology can be achieved by subdividing and examining the EEG spectrum. For example, Smith et al. (1999) found that theta bands can be divided into sleepiness-related components (4.0-5.0 Hz) and attention-related components (6.0-8.0 Hz). Furthermore, total alpha activity can be divided into low frequency components (8.0–9.0 Hz) associated with generalized arousal and high frequency components (10.0–12.0 Hz) associated with task-specific attention needs (Smith M, E, et al, Neurophysiological indices of strategy development and skill acquisition.Cognitive Brain Research, 7, 1999, 389-404).

일련의 연구에 따르면, 어떤 정적인 스포츠(골프, 사격, 양궁 등)에서 엘리트 운동 선수들의 수행은 특히 좌반구에서 일관되게 알파 활동이 증가된다는 결과가 얻어졌다. Landers 등은 주로 골프 퍼팅과 양궁에서의 주의의 역할과 관련된 EEG 패턴을 평가하는 연구를 수행하면서, 최적 수행을 위해 초점적 주의 통제 기술이 중요한 스포츠 분야에서의 수행 향상에 뉴로피드백을 적용시킬 수 있는 가능성을 제시하였다(Crews D. & Landers D. Electroencephalographic Measures of Attentional Patterns Prior to the Golf Putt.Medicine and Science in Sport and Exercise, 25, 1993, 116-126; Landers D. M. et al., The Influence of Electrocortical Biofeedback on Performance in Pre-elite Archers.Medicine and Science in Sports and Exercise, 23, 1991, 123-129).A series of studies has shown that in some static sports (golf, shooting, archery, etc.), the performance of elite athletes consistently increases alpha activity, especially in the left hemisphere. Landers et al. Conducted a study evaluating EEG patterns primarily related to the role of attention in golf putting and archery, while applying neurofeedback to performance enhancement in sports where critical attention control techniques are critical for optimal performance. (Crews D. & Landers D. Electroencephalographic Measures of Attentional Patterns Prior to the Golf Putt.Medicine and Science in Sport and Exercise , 25, 1993, 116-126; Landers DM et al., The Influence of Electrocortical Biofeedback) on Performance in Pre-elite Archers.Medicine and Science in Sports and Exercise , 23, 1991, 123-129).

스포츠에서 주의 상태와 관련하여 심혈관 반응 지수 또한 종래 기술에서 알려져 있다. Tremayne과 Barry(2001)는 엘리트 피스톨 사격선수의 생리적 활동 패턴을 연구하였고, 격발 직전에 HR 수준이 서서히 감소하다가 격발 후에 즉시 증가하였으나, 신참 사격선수에게서는 이러한 경향성이 나타나지 않았다는 것을 발견하였다. 이러한 차이는 주의를 협소화시키는 기술의 차이로 설명되었다. 심혈관 감소 데이터는 전문적인 사격선수들이 격발에 앞서 5-10초간 현저한 초점적 주의 상태에 돌입한다는 것을 시사한다(Tremayne P. & Barry R. J Ellite Pistol Shooters: Physiological Patterning of Best vs. Worst Shots.Inernational Journal Psycho-physiology, 41, 2001, 19-29).The cardiovascular response index is also known in the art with regard to attention state in sports. Tremayne and Barry (2001) studied the physiological activity patterns of elite pistol shooters and found that HR levels gradually decreased just before the trigger and increased immediately after the trigger, but this tendency was not observed in the new shooters. This difference is explained by the difference in techniques that narrow the attention. Cardiovascular reduction data suggests that professional shooters enter prominent focus attention states for 5-10 seconds prior to triggering (Tremayne P. & Barry R. J Ellite Pistol Shooters: Physiological Patterning of Best vs. Worst Shots.Inernational Journal Psycho-physiology , 41, 2001, 19-29).

또 다른 연구에서(Konttinen N. & Lytinen, H. Physiology of Preparation: Brain Slow Waves, Heart Rate, and Respiration Preceeding Triggering in Rifle Shooting.International J. Sport Psychology, 23, 1992, 110-127)는 엘리트 라이플 사격선수들이 격발 준비 기간동안 HR 수준이 유의하게 감소된다고 밝혔다. Salazar 등(1990)은 양궁선수들이 이완 상태에 있을 때와 비교해서 타겟에 초점을 맞추고 화살을 당기고 있는 동안 HR 수준이 감소하였음을 발견하였고, 이와 같이 조준을 하는 동안 감소된 HR을 초점적 주의 상태에 대한 지수로 고려하였다. Landers 등(1994)은 또한 발사 직전의 양궁선수들에게 있어 심혈관 반응이 유의하게 감소한다는 결과를 얻음으로써 이러한 해석을 지지해 주었다. 다른 연구들 또한 사격에서 격발이나 양궁에서 발사 직전에 HR이 감소한다는 것을 보고하였다(Helin et al., 1987; Wang & Landers, 1986). 이와 유사한 결과가 자기-주도 행위실행의 특성을 공유하는 스포츠 분야인 골프에서도 보고되었다.In another study (Konttinen N. & Lytinen, H. Physiology of Preparation: Brain Slow Waves, Heart Rate, and Respiration Preceeding Triggering in Rifle Shooting.International J. Sport Psychology , 23, 1992, 110-127) Athletes said HR levels were significantly reduced during the trigger preparation period. Salazar et al. (1990) found that HR levels decreased while archers were focusing on targets and pulling arrows, compared to when archers were in a relaxed state. Considered as an index for. Landers et al. (1994) also supported this interpretation by obtaining a significant decrease in cardiovascular response in archery players just before launch. Other studies have also reported a decrease in HR just before firing at shooting or just before firing at archery (Helin et al., 1987; Wang & Landers, 1986). Similar results have been reported for golf, a sports sector that shares the characteristics of self-directed behavioral execution.

Boutcher와 Zinssen(1990)은 골프 퍼팅 직전 3-7초 동안 HR이 유의하게 감소된다는 것을 발견하였다. HR 수준의 감소가 클수록 더 나은 퍼팅을 수행하였고, HR 수준의 증가는 저조한 퍼팅 수행과 관련되었다(Boutcher S. H, & Zinsser N. W,Cardiac Deceleration of Elite and Beginning Golfers During Putting.J.Sport Exercise Psychology, 12, 1990, 37-47; Crews D. & Landers, D. Electroencephalographic Measures of Attentional Patterns Prior to the Golf Putt.Medicine and Science in Sport and Exercise, 25, 1993, 116-126).Boutcher and Zinssen (1990) found that HR was significantly reduced during the 3-7 seconds immediately before putting a golf. The greater the decrease in the HR level was performing better putter, increased levels of HR was associated with poorly performing putt (Boutcher S. H, & Zinsser N. W, Cardiac Deceleration of Elite and Beginning Golfers During Putting. J. Sport Exercise Psychology , 12, 1990, 37-47; Crews D. & Landers, D. Electroencephalographic Measures of Attentional Patterns Prior to the Golf Putt.Medicine and Science in Sport and Exercise , 25, 1993, 116-126).

심혈관계 반응 감소는 정적인 어떤 스포츠에 대한 실행 준비 상태에서 골프 퍼팅, 사격 격발 등과 같은 주요한 물리적 요구가 없을 때의 주의지수(Jennings, 1986)로 사용될 수 있다. 일반적으로 연구 데이터는 엘리트 사격선수들의 수행 향상에 복잡한 인지 및 지각 과정이 수반되기 때문에 응용 정신생리학적 방법들이 스포츠 심리학에서 유용하게 사용될 수 있다는 것을 보여준다.Cardiovascular response reduction can be used as an index of attention (Jennings, 1986) when there are no major physical needs such as golf putting, shooting triggers, etc. in preparation for any static sport. In general, research data show that applied psychophysiological methods can be useful in sports psychology because complex cognitive and perceptual processes are involved in improving the performance of elite athletes.

그러나, 어떤 연구도 위에서 언급한 스포츠 분야에서 주의와 관련된 EEG와 심혈관 지수를 동시에 모니터링 하지는 않았고, 이런 스포츠 활동에서 초점적 주의력을 향상시켜 스포츠 수행을 증진시킬 목적으로 EEG와 HR파라미터 모두를 사용하는 바이오피드백 훈련을 적용하지 않았다. 단지 유일한 시도가 Landers 등(1991)에 의해 시도되었지만, 수준이 낮은 일반 양궁선수들의 수행 증진을 목적으로 한 EEG바이오피드백으로 제한되었다.However, no study has simultaneously monitored attention-related EEGs and cardiovascular indices in the sports sectors mentioned above, and biographies that use both EEG and HR parameters to improve sports performance by improving focus attention in these sports activities. No feedback training was applied. Only attempts were made by Landers et al. (1991), but were limited to EEG biofeedback aimed at improving the performance of low-level archery players.

"Polar"(핀란드 제) 무선 모니터에 의한 HR 모니터가 또한 Noptel(핀란드 제) 광학 사격 훈련 시스템(미국 특허 제 4,450,843)과 함께 사용되었다. 그러나, 이는 EEG 모니터링 장치와 전형적인 바이오피드백 특징을 가지고 있지 않아 수행 향상을 목적으로 한 인지 또는 정신 상태에 대한 적극적 바이오피드백 기반 훈련 장치이기보다는 사격 훈련 시스템을 보조하는 부가적인 모니터링 장치로 고려될 수있다. 더욱이 "Polar" 무선 HR 모니터의 센서는 가슴에 부착하도록 되어 있어 어떤 스포츠 분야에서는 적용하기에 불편한 단점이 있다. 미국 특허 제 5,281,142, 제 5,366,299, 제 5,716,216, 그리고 6,257,893에서 기술하고 있는 다른 사격이나 사격 게임장치는 어떠한 생리적 모니터링 방법도 없다.An HR monitor with a “Polar” (Finland) wireless monitor was also used with the Noptel (Finland) optical fire training system (US Pat. No. 4,450,843). However, it does not have an EEG monitoring device and typical biofeedback features, so it can be considered as an additional monitoring device to assist the fire training system rather than an active biofeedback based training device for cognitive or mental states for performance improvement. . Moreover, the sensor of the "Polar" wireless HR monitor is attached to the chest, which is inconvenient for some sports applications. Other shooting or shooting game devices described in US Pat. Nos. 5,281,142, 5,366,299, 5,716,216, and 6,257,893 have no physiological monitoring method.

무선 주파수(Radio Frequency: 이후 RF라고 부름) 전송 기반 데이터 획득 시스템이 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 이 기술의 생의학 분야와 스포츠 분야에 적용하는데 주요 문제는 RF 간섭원이 많고 전송 전력과 주파수대역에 따른 여러 지역적 규제를 만족시키기 어렵다는 것이다. 미국 특허 제 5,755,230은 생리적 신호, 특히 EEG를 모니터링하기 위한 RF 신호 전송장치를 기술하고 있다. 단일 채널을 사용하여 EEG를 전송하는 또 다른 무선 장치가 미국 특허 제 6,001,065에 제시되어 있다. 그러나, 이러한 시스템들은 잡음 간섭의 영향을 받기 쉬운 것으로 알려져 있다. 보다 진보된 대역확산(spread spectrum) 전송 기법을 사용한 무선 통신 시스템의 한 가지 예가 미국 특허 제 5,077,753에 제시되어 있다. 대역확산 무선 전송기법은 잡음간섭의 영향을 비교적 적게 받는 것으로 알려져 있기 때문에 생리적 신호의 RF 전송을 위한 중요한 발전이다. 미국 특허 제 5,617,871은 환자로부터 디스플레이 분석 장치로 생리적 신호, 즉 심전도(electrocardiogram)를 전송하는데 대역확산 전송기법을 사용함으로써 멀티 채널 생리적 신호가 사전에 정의된 대역폭을 통해 전송되고, 전송된 생리적 신호의 검출에 따른 간섭을 줄이는 방법을 기술하고 있다. 대역확산 시스템의 사용은 효율적으로 보다 많은 생리적 신호를 전송할 수 있게 해 주면서, 간섭이나 잡음의 영향을 줄여준다. 대역확산 기법에 의한 RF 전송기술은 그러한 간섭 영향으로부터 충분한 면역 수준을 제공해 주지만, 대역확산 무선 전송 기법은 아직까지 종래 기술에서 실시간 EEG와 HR 모니터링, 또는 바이오피드백에 적용되지 않았다.Radio frequency (hereinafter referred to as RF) transmission based data acquisition systems are well known in the art. The main problem in the application of this technology to the biomedical and sports sectors is that there are many sources of RF interference and it is difficult to meet local regulations for transmission power and frequency bands. U. S. Patent No. 5,755, 230 describes an RF signal transmitter for monitoring physiological signals, in particular EEG. Another wireless device for transmitting EEG using a single channel is shown in US Pat. No. 6,001,065. However, these systems are known to be susceptible to noise interference. One example of a wireless communication system using a more advanced spread spectrum transmission technique is shown in US Pat. No. 5,077,753. Since spread spectrum wireless transmission technique is known to be relatively less affected by noise interference, it is an important development for RF transmission of physiological signals. U.S. Patent No. 5,617,871 uses a spread spectrum transmission technique to transmit a physiological signal, ie an electrocardiogram, from a patient to a display analysis device, whereby multi-channel physiological signals are transmitted over a predefined bandwidth and detection of the transmitted physiological signals. It describes how to reduce interference caused by The use of a spread spectrum system can efficiently transmit more physiological signals while reducing the effects of interference or noise. Although the spread spectrum RF transmission technique provides sufficient immunity from such interference effects, the spread spectrum wireless transmission technique has not yet been applied to real-time EEG and HR monitoring or biofeedback in the prior art.

따라서, 전통적인 무선 통신 시스템에서 존재하는 잡음이나 간섭을 최소화시키는 무선 장치의 적용 필요성과 함께, 종래의 대역확산 시스템에서 사용하는 것보다 더 많은 신호, 즉 EEG와 HR 데이터의 신뢰성 있는 무선 전송을 위한 다양한 생리적 신호 모니터링과 바이오피드백 시스템에 적용될 수 있는 대역확산 기법을 적용할 필요가 있다.Therefore, with the necessity of applying a wireless device that minimizes noise or interference existing in a conventional wireless communication system, various signals for reliable wireless transmission of more signals, that is, EEG and HR data, than those used in a conventional spread spectrum system. There is a need to apply spread spectrum techniques that can be applied to physiological signal monitoring and biofeedback systems.

비록 위에서 언급한 방법들과 시스템들이 사용자의 주의력을 향상시키기 위한 훈련을 포함하는 바이오피드백에서 사용되는 EEG 신호 및 다른 생리적 파라미터의 실시간 분석에 지향되어 있을지라도, 사격이나 다른 정적인 스포츠(양궁, 골프 퍼팅 등)에서 목표 조준과 같은 시공간 과제 수행시의 의도적 주의 상태를 증진시키기 위해, EEG와 HR 파라미터들을 실시간으로 분석하고, 분석된 상태를 모니터링 하여 초점적 주의 훈련을 보조함으로써 운동선수들의 수행을 향상시킬 목적으로 한 EEG 및 HR 기반 대역확산 무선 전송 바이오피드백 시스템을 구현한 장치와 그 방법을 지향한 것은 없다.Although the methods and systems mentioned above are directed to real-time analysis of EEG signals and other physiological parameters used in biofeedback, including training to improve the user's attention, shooting and other static sports (archery, golf, etc.) Improve athletes' performance by analyzing EEG and HR parameters in real time, and monitoring the analyzed condition to assist focused attention training in order to improve the state of intentional attention when performing time-space tasks such as aiming. There are no devices and methods for implementing EEG and HR-based spread spectrum wireless transmission biofeedback systems.

또한 종래의 기술은 많은 측면에서 제한점을 가진다. 미국 특허 제 6,097,981은 EEG 기반 바이오피드백을 위한 무선 장치와 방법을 기술하고 있으나 적외선에 의한 전송 기법을 사용하고 있으며, 그 기법 또한 주의력 향상을 위한 게임에만 적용되었다. 적외선 전송 방식의 주요 단점은 광전송기와 수신기의 효율성이 적고, 전송기와 수신기간에 장애물이 없는 직진 통로가 확보되어야 한다는 것이다.The prior art also has limitations in many respects. US Pat. No. 6,097,981 describes a wireless device and method for EEG-based biofeedback, but uses an infrared transmission technique, which has also been applied only to games for attention. The main disadvantage of the infrared transmission method is that the efficiency of the optical transmitter and receiver is low, and a straight path without obstacles between the transmitter and the receiver should be secured.

종래 기술의 몇 가지 예는 실제로 EEG 제어를 제한하는 것으로 알려진 객관적인 설계특성을 가지고 있으며(예, 단지 하나의 채널, 즉 전두엽이나 두정엽 EEG 영역이나 알파나 베타만을 사용하는 단지 하나의 대역폭으로 제한), 주의를 향상시키기 위한 바이오피드백 훈련을 위해 EEG와 심혈관 파라미터 모두가 동시에 사용되는 시스템은 제시되지 않았다.Some examples of the prior art actually have objective design characteristics known to limit EEG control (e.g., only one channel, the frontal or parietal EEG region, or only one bandwidth using alpha or beta), No system has been presented in which both EEG and cardiovascular parameters are used simultaneously for biofeedback training to improve attention.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점들을 인식하고, 종래의 기술에서는 볼 수 없던 중요한 개선과 개발을 꾀하였다. 즉, 본 발명은 사용자에게 전기적 안정성을 확보한 상태에서 무선으로 컴퓨터에 접속하도록 하는 배터리에 의해 전력이 공급되는 완전한 이중 무선 전송 장치를 구현하였다. 또한 대역확산 전송 기법을 사용함으로써 다른 무선 전송원에 의한 잡음과 간섭의 영향을 최소화시켰다. 본 발명은 초점적 주의와 관련된 EEG와 HR 파라미터의 실시간 모니터링을 위한 시청각 피드백 데이터를 제공하고 그것을 관련 스포츠 수행 결과(예, 사격 점수)와 비교할 수 있게 하였다.Accordingly, the present invention recognizes these problems, and has made important improvements and developments not seen in the prior art. That is, the present invention implements a complete dual wireless transmission device powered by a battery that allows a user to wirelessly connect to a computer while ensuring electrical stability. The spread spectrum technique also minimizes the effects of noise and interference from other radio sources. The present invention provides audiovisual feedback data for real-time monitoring of EEG and HR parameters related to focus attention and makes it possible to compare it with relevant sports performance results (eg, shooting scores).

본 발명은 주의력 향상을 위한 바이오피드백 보조 훈련 절차를 사용하여 정신 집중력이 매우 중요시되는 사격 또는 양궁과 같은 스포츠 수행을 향상시키는 시스템과 방법에 관한 것이다. 이를 위해 본 발명은 뇌파 패턴의 스펙트럼 특징과 HR의 변화를 토대로 하여 바이오피드백 훈련을 통해 내적으로 초점화된 주의를 포함하는 정신적 상태를 변화시키기 위한 훈련을 위한 수단으로 무선 EEG와 HR 신호 검출 장치와 피드백 방법을 구현하는 것을 목적으로 한다.The present invention relates to a system and method for improving sports performance, such as shooting or archery, where mental concentration is of great importance using biofeedback assisted training procedures for attention enhancement. To this end, the present invention is a wireless EEG and HR signal detection device and feedback as a means for training to change the mental state including internally focused attention through biofeedback training based on changes in the spectral characteristics of the EEG pattern and HR The purpose is to implement the method.

먼저, 본 발명은 주의 상태에 영향을 미칠 목적으로 바이오피드백에 따라서 EEG와 HR 파라미터를 변화시키도록 사용자를 훈련시키는 방법과 장치를 제공한다. 특히, 사격 및 양궁 선수의 조준과 골프선수의 퍼팅 준비와 같이 운동 행위를 집행하기에 앞서 부동 상태에서의 초점적 주의를 요하는 스포츠 분야에서 EEG와 HR 파라미터 모두에 대한 피드백과 실제 스포츠 수행 결과에 대한 정보를 제공함으로써 운동선수들의 주의 상태를 보상하는 것이 중요한 목적이다.First, the present invention provides a method and apparatus for training a user to change EEG and HR parameters in accordance with biofeedback for the purpose of influencing attention conditions. In particular, feedback on both EEG and HR parameters and actual sports performance results in sports areas that require focusing attention in the floating state prior to executing athletic activities, such as aiming at shooting and archery players and preparing for putting golfers. It is an important goal to compensate the attention of athletes by providing information.

본 발명의 또 다른 목적은 내적으로 초점화된 최적 주의 수준을 요하는 과제에서의 수행 향상을 목적으로 사전에 정의된 시간동안(예, 목표 조준) 운동 선수들이 초점적 주의 수준에 도달하고 유지할 수 있도록 하는 것이다. 이를 위해 본 발명은 실내와 실외 모두에서 사용가능하고, 경량이면서 무선이며, 머리에 편안하게 장착할 수 있는 생리적 입력 신호단을 개발하였다. 본 발명에 따른 무선 RF 전송은 EEG와 HR 신호의 신뢰성 있는 RF전송을 위해 대역확산 무선 전송 기법을 적용하였다.It is another object of the present invention to allow athletes to reach and maintain a focused attention level for a predefined time period (e.g. aiming) for the purpose of improving performance in a task that requires an internally focused optimal attention level. It is. To this end, the present invention has developed a physiological input signal stage that can be used both indoors and outdoors, is lightweight, wireless, and can be comfortably mounted on the head. In the wireless RF transmission according to the present invention, a spread spectrum wireless transmission technique is applied for reliable RF transmission of EEG and HR signals.

도 1a는 본 발명에 따른 실시 예에 의한 무선 시스템의 사용 환경을 도시한 도면.1A is a view illustrating a usage environment of a wireless system according to an embodiment of the present invention.

도 1b는 본 발명에 따른 또 다른 바이오피드백 시스템 구현 환경을 도시한 도면.1B illustrates another biofeedback system implementation environment in accordance with the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 EEG 및 HR 신호 검출을 위한 다중 전극이 배열된 헤드밴드를 도시한 도면2 illustrates a headband in which multiple electrodes are arranged for detecting EEG and HR signals according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 무선 바이오피드백 훈련 시스템의 구성을 도시한 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of a wireless biofeedback training system according to the present invention.

도 4는 본 발명의 무선 바이오피드백 훈련 시스템의 데이터 처리를 위한 순서도.4 is a flow chart for data processing of the wireless biofeedback training system of the present invention.

도 5는 본 발명에 따른 무선 바이오피드백 훈련 과정을 위한 순서도.5 is a flow chart for a wireless biofeedback training process in accordance with the present invention.

도 6은 본 발명에 따른 사수의 정신 집중 훈련 방법 실행동안 제시된 컴퓨터 화면상의 시각 피드백을 도시한 도면.6 illustrates visual feedback on a computer screen presented during execution of a shooter's mental focus training method in accordance with the present invention.

도 7은 본 발명에 따른 또 다른 구현으로 운동선수의 정신 집중 훈련방법을 실행하는 동안 휴대용 장치의 LCD 상에 제공되는 피드백을 도시한 도면.FIG. 7 illustrates feedback provided on an LCD of a portable device during execution of an athlete's mental concentration training method in another implementation in accordance with the present invention.

전술한 바와 같이, 본 발명은 사격, 양궁, 그리고 골프 퍼팅과 같은 정적인 스포츠 분야에서 활동하는 운동선수들의 초점적 주의력을 향상시키기 위한 장치와 방법에 관한 것으로, 최소한 두 개 이상의 두피 위치로부터 EEG 활동과 귓불에 위치된 PPG 센서로부터 HR 신호 검출, 전처리, 무선 RF전송, 실시간 분석 및 모니터링을 위한 방법과 장치로 구성된다.As noted above, the present invention relates to an apparatus and method for improving the focus attention of athletes active in the field of static sports, such as shooting, archery, and golf putting, wherein the EEG activity from at least two scalp locations. It consists of methods and devices for HR signal detection, preprocessing, wireless RF transmission, and real-time analysis and monitoring from PPG sensors located in and over the earlobe.

본원은 양호한 실시 예 뿐만 아니라, 추가의 목적 및 효과들은 첨부한 도면을 참조하여 이하 발명의 상세한 설명 및 실시예의 설명을 통해서 보다 명확히 이해할 수 있다.The present application, as well as the preferred embodiment, further objects and effects can be more clearly understood through the following description of the invention and the description of the embodiments with reference to the accompanying drawings.

도 1a는 본 발명에 따른 일실시 예로써 사격선수들을 위한 초점적 주의력 향상 훈련을 위한 무선 바이오피드백 시스템의 사용 환경을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1a에 의하면 다중 전극이 부착되어 있는 헤드밴드(2)를 사용자의 두피(1)에 위치시켜 헤드밴드(2)의 활성 전극들을 통해 표준 뇌 위치(국제 10/20 시스템)로부터 수십 마이크로 볼트 단위의 미세한 EEG신호와 귓불에 부착된 PPG 센서(4)로부터 HR 신호가 획득된다. 적절하게 구성된 전극들에 의해 검출된 신호들, 즉 EEG와 HR이 조건화된다. 이 조건화는 대개 증폭, 아날로그 필터링, 아날로그-디지털 변환, 그리고 디지털 전처리를 의미한다. 그 다음 RF(radio frequency)로 변조되어 머리-장착 입력장치(3)에 포함된 안테나(6)를 통하여 전송된다.Figure 1a schematically shows the use environment of the wireless biofeedback system for the focus attention training for shooting athletes in one embodiment according to the present invention. 1A shows a headband 2 with multiple electrodes attached to the user's scalp 1, with tens of microvolts from a standard brain position (international 10/20 system) via the active electrodes of the headband 2. The HR signal is obtained from the fine EEG signal of and the PPG sensor 4 attached to the earlobe. The signals detected by properly configured electrodes, ie EEG and HR, are conditioned. This conditioning usually means amplification, analog filtering, analog-to-digital conversion, and digital preprocessing. It is then modulated to a radio frequency (RF) and transmitted via an antenna 6 included in the head-mounted input device 3.

사용자의 손가락은 총의 방아쇠(5)에 놓여져 있어 방아쇠를 당길 때 발생되는 압력 신호가 단거리 무선 전송장치에 의해 입력장치(3)로 전송된다. 수신장치(9)는 안테나(8)를 통해 입력장치로부터 전송된 RF 신호를 수신하고 컴퓨터(10)로 전송하며, 컴퓨터(10)에서는 데이터를 분석한다. 분석된 결과는 컴퓨터 모니터(11)에 디스플레이 된다. 제기된 구현에서 사용자는 또한 머리-장착(head-mounted) 시각 피드백 모니터 수단(7)을 통하여 컴퓨터에서 분석된 데이터를 모니터링 할 수 있다.The user's finger is placed on the trigger 5 of the gun so that the pressure signal generated when the trigger is pulled is transmitted to the input device 3 by the short range radio transmitter. The receiving device 9 receives the RF signal transmitted from the input device via the antenna 8 and transmits it to the computer 10, which analyzes the data. The analyzed result is displayed on the computer monitor 11. In the proposed implementation, the user can also monitor the data analyzed in the computer via the head-mounted visual feedback monitor means 7.

도 1b는 본 발명에 의한 또 다른 일실시 예로써 사수의 초점적 주의력 향상 훈련을 위한 무선 바이오피드백 시스템의 또 다른 실외 사용 환경을 도시한 것이다. 도 1a에서 기술된 것과 유사하게, 사용자(1)는 입력장치(3)가 부착된 다중전극이 배열된 헤드밴드(2)를 착용하며, 방아쇠(5)에 손가락을 위치시킨다. 제기된 구현에서 사용자는 생리적 활동과 사격 결과를 컴퓨터(10)의 화면(11)을 통해 모니터링 할 수 있으며, 또한 디스플레이(13)와 스피커(14)를 가지는 시청각 장치(12)를 사용할 수 있다. 이 장치(12)는 PDA와 같은 무선 개인용 디지털 보조기 유형일 수 있으며 실외에서 유용하게 사용될 수 있다.Figure 1b shows yet another outdoor use environment of the wireless biofeedback system for training the focus attention of the shooter according to another embodiment of the present invention. Similar to that described in FIG. 1A, the user 1 wears a headband 2 with an array of multiple electrodes to which the input device 3 is attached and places a finger on the trigger 5. In the proposed implementation, the user can monitor the physiological activity and shooting results through the screen 11 of the computer 10 and can also use the audiovisual device 12 having the display 13 and the speaker 14. The device 12 may be a type of wireless personal digital assistant, such as a PDA, and may be useful outdoors.

도 2는 본 발명에 따른 EEG 및 HR의 기록을 위한 다중 전극이 배열된 헤드밴드를 도시한 것이다. 제기된 구현에서 EEG는 단극 유도법(monopolar montage)에 의해 기록될 수 있다. EEG 기록을 위한 단극 유도법은 하나의 활성 전극을 관심 있는 두피 영역에 위치시키고, 참조 전극이라 불리는 다른 전극(예, M1)을 불활성 영역(예, 양 귓불이나 유양돌기)에 위치시켜 두 위치간 신호 차이를 분석하게 된다. 제기된 구현에서는 참조 영역으로 유양돌기가 사용되었다. 즉, 이마 정 중앙 영역(Fpz)을 접지로 하여 좌측 측두엽 영역(T3)과 좌측 유양돌기 영역(M1)간 신호 차이가 분석된다. 왼쪽 귓불에 위치된 일반 PPG 센서에 의해 검출된 펄스파는 HR 신호로 사용되었다.Figure 2 shows a headband in which multiple electrodes are arranged for the recording of EEG and HR according to the present invention. In the raised embodiment, the EEG can be recorded by monopolar montage. Unipolar induction for EEG recording involves placing one active electrode in the scalp region of interest, and another electrode (eg M1), called the reference electrode, in an inactive region (eg both earlobe or papillary) to signal between the two positions. Analyze the difference. In the proposed implementation, the ledge is used as a reference area. That is, the signal difference between the left temporal lobe region T3 and the left papillary region M1 is analyzed with the forehead center region Fpz as the ground. The pulse wave detected by the normal PPG sensor located in the left earlobe was used as the HR signal.

도 3은 본 발명에 따른 운동선수의 초점적 주의력 향상을 위한 무선바이오피드백 훈련 방법을 실행하기 위한 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 즉, 본 발명에 따라 사용자(1)의 좌측 유양돌기 영역을 참조 위치로 하여 헤드밴드(2)의 좌측 측두엽 영역(T3, 도면에서 헤드밴드의 좌측 검은 점위치)으로부터 단극 유도법을 통해 EEG를 검출하고, 좌측 귓볼의 PPG 센서(4)를 통해 HR을 검출하여 검출된 신호를 조건화하고 전송시키는 입력 장치(3), 수신장치(9), 그리고 피드백 장치(10)의 전형적인 실행을 도시한 것이다.3 is a diagram illustrating the configuration of a system for executing a wireless biofeedback training method for improving the attentional attention of the athlete according to the present invention. That is, according to the present invention, the EEG is detected from the left temporal lobe region T3 of the headband 2 (T3, the left black point position of the headband in the figure) by the unipolar induction method, with the left papillary region of the user 1 as a reference position. The typical implementation of the input device 3, the receiving device 9, and the feedback device 10, which detects HR via the PPG sensor 4 of the left ear ball, conditions and transmits the detected signal.

헤드밴드(2)에 장착된 전극 도선들(15)은 신호 조건화 및 전송 장치(3)의 통신 전환 회로(16)에 접속된다. 조건화 및 전송 장치(3)는 EEG와 PPG 신호를 계속적으로 획득, 처리 및 전송할 수 있는 탈부착이 가능한 소형의 휴대용 장치이다. 전력은 핸드폰에서 사용되는 것과 유사한 8V DC 리튬-이온(Li-ion) 재충전용 배터리(29)에 의해 공급된다. 사용자의 안전을 위해 배터리는 입력장치(3)가 헤드밴드(2)로부터 분리될 때만 재충전할 수 있다.The electrode leads 15 mounted on the headband 2 are connected to the communication switching circuit 16 of the signal conditioning and transmission device 3. The conditioning and transmission device 3 is a detachable handheld device capable of continuously acquiring, processing and transmitting EEG and PPG signals. Power is supplied by an 8V DC Li-ion rechargeable battery 29 similar to that used in cell phones. For the safety of the user, the battery can only be recharged when the input device 3 is disconnected from the headband 2.

EEG 및 HR 신호의 전극 도선들(15)은 전환 회로(16)를 통해 입력 전치 증폭기(18A)와 증폭기(18)로 접속된다. 증폭기(18, 18A)와 대역필터들(19, 19A)은 입력장치(3)의 아날로그 신호 조건화 방법(17)의 일부이다. 입력 증폭기(18, 18A)는 최소한 0.5-50.0 Hz의 아날로그 대역폭을 가져야 하며, 고이득(high gain)과 저잡음의 특성을 갖도록 설계된다. 제기된 구현에서 입력 전치 증폭기(18A)는 전극 신호보다 100이상의 초기 이득을 제공하는 한편, 대역통과 필터(19A)는 약 0.5-45.0 Hz의 대역 통과 특성을 갖는다. EEG 채널의 신호는 얼라이싱(aliasing) 효과를 방지하기 위해서 저역통과 필터를 거쳐, 디지털 신호로 변환되기 전에 풀-스케일 증폭기(20)로 입력된다. PPG 신호는 증폭(18)과 필터링(19)되어 조건화되고, HR 전위에 대한 신뢰성 있는 디지털 신호처리를 위하여 필요한 이득 조절 회로를 제공할 목적으로 추가적인 회로(21)를 포함할 수 있다. 아날로그 방법으로 조건화된 EEG와 PPG 신호는 모두 아날로그-디지털 변환기(Analog-to-Digital Converter: 이후 ADC라고 부름)(23, 24)로 입력되고, 디지털화된 신호는 디지털 조건화를 제공하는 저전력 마이크로컨트롤러(25)로 입력된다. 마이크로컨트롤러(25)는 디지털 프로세서가 될 수 있다. 마이크로컨트롤러(25)에서 조건화된 신호들은 주파수 대역확산 전송장치(31)에서 RF 변조 및 확산된 후, RF 전송을 위하여 안테나(6)에 입력된다. 제기된 구현에서 표본화율(sampling rate)은 전형적으로 120 Hz이며, ADC(23, 24)의 분해능(resolution)은 8비트이거나 그 이상으로, 충분한 동적 범위를 제공하여 입력 증폭기에서 이득 제어를 필요로 하지 않는다.The electrode leads 15 of the EEG and HR signals are connected to the input preamplifier 18A and the amplifier 18 through the switching circuit 16. The amplifiers 18 and 18A and the band filters 19 and 19A are part of the analog signal conditioning method 17 of the input device 3. Input amplifiers 18 and 18A must have an analog bandwidth of at least 0.5-50.0 Hz and are designed to have high gain and low noise characteristics. In the proposed implementation, the input preamplifier 18A provides an initial gain of at least 100 over the electrode signal, while the bandpass filter 19A has a bandpass characteristic of about 0.5-45.0 Hz. The signal of the EEG channel is input to the full-scale amplifier 20 before being converted into a digital signal through a low pass filter to prevent an aliasing effect. The PPG signal may be amplified 18 and filtered 19, conditioned, and may include additional circuitry 21 for the purpose of providing gain control circuitry necessary for reliable digital signal processing for HR potential. Both the EEG and PPG signals conditioned by the analog method are input to an analog-to-digital converter (hereinafter referred to as an ADC) (23, 24), and the digitized signal is a low power microcontroller that provides digital conditioning. 25). The microcontroller 25 may be a digital processor. The signals conditioned in the microcontroller 25 are RF modulated and spread in the frequency spread spectrum transmitter 31 and then input to the antenna 6 for RF transmission. In the implementation presented, the sampling rate is typically 120 Hz, and the resolution of the ADCs 23 and 24 is 8 bits or more, providing sufficient dynamic range to require gain control in the input amplifier. I never do that.

EEG 기록을 위한 전극들은 금속재질(금/금도금, 은/은도금)로 만들어지며, 헤드밴드(2)의 안쪽 면에 스냅 접속으로 장착된다. 낮은 임피던스를 유지하기 위해 특별한 전도성 접착제(예, TEN20, Weaver & Co.)나 EEG 전극크림(예, EC2, Grass Instruments)을 전극면에 사용한다. 일반적으로 전극의 전체 내부 공간을 전극 접착제/크림으로 완전히 채운다. 또한 특별한 연마젤(예, Nuprep, Weaver & Co.)을 사용하여 전극이 위치할 피부를 전처리하는 것이 바람직하다.The electrodes for EEG recording are made of metal (gold / gold plated, silver / silver plated) and mounted in snap connection on the inner side of the headband 2. To maintain low impedance, special conductive adhesives (eg TEN20, Weaver & Co.) or EEG electrode creams (eg EC2, Grass Instruments) are used on the electrode surface. Generally, the entire inner space of the electrode is completely filled with electrode adhesive / cream. It is also desirable to use a special polishing gel (eg Nuprep, Weaver & Co.) to pretreat the skin where the electrode is to be located.

EEG 신호가 획득되기 전에 마이크로컨트롤러(25)는 임피던스 체크 회로(27)를 작동시켜 각 전극으로부터 전환 회로(16)를 통해 입력된 신호들의 진폭과 임피던스를 측정함으로써 피험자의 두피에 위치된 전극 임피던스의 적합도가 계산된다. 일반적으로 전극 임피던스는 10 kΩ 이하의 수준을 유지하여야 한다. 만일 전극 임피던스가 이러한 허용 수준을 초과한다면 LED 장치(26)상에 적색 경고등이 표시되며, 전극 임피던스가 10 kΩ 이하인 경우에는 녹색등이 표시된다. 전극 임피던스 체크 프로그램의 운영은 각 채널의 활성 전극 입력 신호를 고정된 구형파(fixed square wave) 신호원으로 전환되도록 하고, 이득을 감소시킨다. 또 다른 구현에서 각 채널의 출력 신호는 또한 마이크로컨트롤러(25)의 소프트웨어에 의해 측정될 수 있으며, 1-50 kΩ의 임피던스 스케일 범위 내에서 몇 가지로 분할된 임피던스 값에 대응하도록 적절한 LED(26)의 수를 정하여 표시함으로써 전극 임피던스를 보다 정밀하게 표시할 수 있다.Before the EEG signal is obtained, the microcontroller 25 operates an impedance check circuit 27 to measure the amplitude and impedance of the signals input through the switching circuit 16 from each electrode to determine the electrode impedance located on the subject's scalp. The goodness of fit is calculated. In general, the electrode impedance should be kept below 10 kΩ. If the electrode impedance exceeds this tolerance level, a red warning light is displayed on the LED device 26, and a green light is displayed if the electrode impedance is less than 10 kΩ. The operation of the electrode impedance check program allows the active electrode input signal of each channel to be converted to a fixed square wave signal source, reducing the gain. In another implementation, the output signal of each channel can also be measured by the software of the microcontroller 25 and the appropriate LED 26 to correspond to several divided impedance values within the impedance scale range of 1-50 kΩ. By selecting and displaying the number of electrodes, the electrode impedance can be displayed more precisely.

사건 발생 기록기(5)는 방아쇠에 압전기(piezoelectric) 센서를 장착시켜, 피험자의 손가락이 격발을 위해 방아쇠를 당길 때 발생하는 압력 신호가 저전력 무선 송신기의 안테나(5A)를 통해 격발 사건 발생 기록 수신기(28)의 안테나(28A)로 전송된다. 이렇게 하여 전송된 사건 발생 신호는 마이크로컨트롤러(25)로 입력되고 EEG 및 PPG 신호와 함께 대역확산 전송 장치(31)를 통해 전송된다.The event recorder 5 mounts a piezoelectric sensor on the trigger so that a pressure signal generated when the subject's finger is triggered for triggering is triggered through the antenna 5A of the low power radio transmitter. 28 to antenna 28A. The event occurrence signal thus transmitted is input to the microcontroller 25 and transmitted via the spread spectrum transmission device 31 together with the EEG and PPG signals.

데이터 획득이 이루어지는 동안, 제기된 장치는 분석을 위해 피험자의 두피로부터 계속적으로 EEG 신호를 획득하게 된다. 마이크로컨트롤러(25)는 정량화된 값을 분석하고, 정량화된 값들은 RF 대역확산 전송 장치(31)에서 무선 주파수 변조 및 전송을 위해 부호화된다. 데이터는 최소한 발생 기록 채널로부터 들어온 데이터를 안테나(6)를 통해 전송시킬 수 있는 방식으로 배열된다.During the data acquisition, the raised device will continuously acquire the EEG signal from the subject's scalp for analysis. The microcontroller 25 analyzes the quantified values, and the quantified values are encoded for radio frequency modulation and transmission in the RF spread spectrum transmission device 31. The data are arranged in such a way that at least data coming from the generation recording channel can be transmitted via the antenna 6.

마이크로컨트롤러(25)를 갖는 입력 전송 장치(22)는 3개의 채널로 조건화된 신호를 제공한다. 제기된 구현에서는 RF 전송 기법으로 대역확산 전송 기법이 선택되었다. 대역확산 기법은 정보를 전송하는데 필요한 최소 대역폭보다 더 넓은 주파수 대역에 걸쳐 전송된 RF 신호를 확산시킨다. 본 발명에서는 데이터 전송을 위해서 주파수 도약 대역확산(Frequency Hopping Spread Sprectrum: 이하 FH-SS라고 부름)기법을 사용한다. FH-SS 시스템에서 주파수 합성기에 의해 발생되는 송신기의 반송파 주파수는 PN(pseudorandom noise) 코드열 발생기에 따라서 변화된다. 미리 설정된 알고리듬은 송신기가 설정된 주파수 패턴으로 도약할 때, 수신기와 동기를 유지하는 데 사용된다. SS 신호의 복조는 먼저 수신기에서 역확산을 한 다음, 디지털 신호의 복조가 이루어진다. SS RF 전송의 가장 중요한 특징은 간섭제거, 안티 재밍, 신호 은폐를 위한 저밀도 전력 스펙트럼이다.Input transmission device 22 with microcontroller 25 provides a conditional signal in three channels. In the proposed implementation, the spread spectrum transmission scheme was selected as the RF transmission scheme. Spreading techniques spread the transmitted RF signal over a wider frequency band than the minimum bandwidth required to transmit information. In the present invention, a frequency hopping spread spread (FH-SS) technique is used for data transmission. In the FH-SS system, the carrier frequency of the transmitter generated by the frequency synthesizer is changed according to the pseudorandom noise (PN) code string generator. The preset algorithm is used to keep in sync with the receiver when the transmitter jumps to the set frequency pattern. Demodulation of the SS signal is first despread in the receiver, and then demodulation of the digital signal is performed. The most important feature of SS RF transmission is the low density power spectrum for interference cancellation, anti-jamming and signal concealment.

제기된 구현에서 데이터 전송은 단거리 SS 원격 전송에서 흔히 사용되는 902-928 MHz ISM 무허가 대역의 주파수를 사용하며, 또 다른 주파수 대역(2.4-2.4835 GHz)을 사용할 수 있다. 출력 전력은 10 mW(가급적 1 mW이하)이하를 사용하게 된다. 제기된 구현에서 FH-SS 송수신기 모듈(30)은 주파수 편이 변조 방식(Frequency Shift Keying: 이후 FSK라고 부름), 전압 발진제어기(voltage crystal oscillator: VCO), 확산 및 역확산 혼합기를 위한 PN 코드 생성을 제어하는 특별한 대역확산 프로세서를 포함한다.In the proposed implementation, data transmission uses frequencies in the 902-928 MHz ISM unlicensed band, which is commonly used in short-range SS remote transmission, and may use another frequency band (2.4-2.4835 GHz). Output power is less than 10 mW (preferably less than 1 mW). In the proposed implementation, the FH-SS transceiver module 30 generates PN code generation for frequency shift keying (FSK), voltage crystal oscillator (VCO), spreading and despreading mixers. Includes a special spread spectrum processor to control.

제기된 구현에서 RF 전송은 전이중 방식이다. 즉 입력 장치(3)의 FH-SS RF 송수신기(30)는 또한 안테나(6)를 통해 RF 신호를 수신한다. 수신된 신호는 SS 수신기(32)에서 증폭, 복조, 그리고 역확산된 후, 머리 장착 LCD 스크린(7)과 라우드스피커(34)를 통해 피드백 정보를 제공하는 마이크로컨트롤러(33)의 조작 제어를 위해 사용된다.In the proposed implementation, RF transmission is full duplex. In other words, the FH-SS RF transceiver 30 of the input device 3 also receives an RF signal via the antenna 6. The received signal is amplified, demodulated, and despread in the SS receiver 32, and then manipulated by the microcontroller 33 to provide feedback information via the head mounted LCD screen 7 and the loudspeaker 34. Used.

안테나(6)를 통해 입력 장치(3)로부터 전송된 데이터들은 RF 송수신장치(9)의 안테나(8)로 수신되고, 직렬 포트 제어 장치(39)에 접속된 직렬 통신 케이블(40)을 통해 컴퓨터의 직렬 통신 포트로 접속된다. 제기된 구현에서 RF 송수신 장치(9)는 SS 송수신기(36, 37), 마이크로컨트롤러(38), 직렬 통신 포트 제어 장치(39) 및 안테나(8)로 구성된다. RF 송수신 장치(9)는 전이중 대역확산 RF 통신 수단, 더 정확하게 대역확산 수신기(36)와 송신기(37)를 가지기 때문에 RF 송수신 장치(9)는 수신기이기보다는 송수신기가 된다. 따라서 위에서 기술된 바와 같이, 안테나(8)를 통해 전송된 RF 신호는 입력 장치(3)의 안테나(6)에 의해 수신될 수 있으며, 복조 후에 입력장치(3)의 마이크로컨트롤러(33)의 피드백 정보 제공과 같은 추가적인 조작 제어를 위해 사용될 수 있다.Data transmitted from the input device 3 via the antenna 6 is received by the antenna 8 of the RF transceiver 9 and via a serial communication cable 40 connected to the serial port control device 39. Is connected to the serial communication port. In the proposed implementation, the RF transceiver 9 consists of an SS transceiver 36, 37, a microcontroller 38, a serial communication port control device 39, and an antenna 8. The RF transceiver 9 is a transceiver rather than a receiver because the RF transceiver 9 has full-duplex spread spectrum RF communication means, more accurately the spread spectrum receiver 36 and the transmitter 37. Thus, as described above, the RF signal transmitted through the antenna 8 can be received by the antenna 6 of the input device 3, and after the demodulation the feedback of the microcontroller 33 of the input device 3. It can be used for additional operational control, such as providing information.

본 발명에서 RF 송수신 장치(9)는 대역확산 기법의 변.복조 방식을 사용한다. SS 수신기(36)는 입력 장치(3)의 안테나(6)로부터 전송된 RF 신호를 안테나(8)를 통해 수신한다. 복호화된 데이터는 마이크로컨트롤러(38)로 입력된다. 마이크로컨트롤러(38)는 직렬 형식으로 EEG, PPG, 그리고 사건 발생 신호를 부호화 하여(39) 컴퓨터(10)의 직렬 통신 포트에 접속된 직렬 케이블(40)을 통해 데이터를 컴퓨터(10)로 전송한다. 그러나 종래의 기술에 익숙한 사람이라면 직렬 통신 방법 이외의 다른 방법과 유사한 방식(예, USB)으로 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.In the present invention, the RF transceiver 9 uses a modulation / demodulation method of a spread spectrum technique. The SS receiver 36 receives the RF signal transmitted from the antenna 6 of the input device 3 via the antenna 8. The decoded data is input to the microcontroller 38. The microcontroller 38 encodes the EEG, PPG, and event occurrence signals in a serial format (39) and transmits the data to the computer 10 via a serial cable 40 connected to the serial communication port of the computer 10. . However, one of ordinary skill in the art will appreciate that it can be used in a manner similar to other methods other than the serial communication method (eg, USB).

도 4는 본 발명의 무선 바이오피드백 훈련 시스템의 데이터 처리를 위한 순서도를 도시한 것이다. 시스템이 작동된 후(101), 신호가 검출되고(102), 마이크로컨트롤러(도 3의 25)는 각 전극의 임피던스가 10 kΩ을 초과하는지의 여부를 검사한다. 만일 입력 장치의 정면 패널에 부착된 LED 표시기(도 3의 26)가 10 kΩ을 초과한다는 것을 나타내면(예, 적색등 표시), 먼저 높은 임피던스 값을 나타내는 전극의 부착 위치를 재조정하게 되고, 그래도 여전히 임피던스 값이 높다면, 전극 면에 전도성 접착제나 크림을 더 많이 사용하여 두피와의 접촉을 향상시키게 된다.Figure 4 shows a flow chart for data processing of the wireless biofeedback training system of the present invention. After the system is activated (101), a signal is detected (102) and the microcontroller (25 in FIG. 3) checks whether the impedance of each electrode exceeds 10 kΩ. If the LED indicator (26 in FIG. 3) attached to the front panel of the input device indicates that it exceeds 10 kΩ (e.g., red light), it will first readjust the attachment position of the electrode showing the high impedance value and still If the impedance value is high, more conductive adhesive or cream is used on the electrode face to improve contact with the scalp.

신호 조건화 단계(103)에서 EEG/PPG 신호들은 아날로그 회로에 의해 증폭, 필터링되고, 필터링된 EEG 신호는 아날로그-디지털 변환(104)이 이루어지기 전에 재 증폭된다. 다음 단계(105)에서 EEG/PPG 신호들은 RF 주파수 신호로 변조, 확산 및 부호화되어 수신기로(106)로 전송된다. 전송된 RF 신호는 수신기에서 복조 및 역확산되고(107) RF 잡음 필터링(108)이 이루어진다. 잡음이 제거된 RF 신호는 컴퓨터의 직렬 통신 포트와의 직렬 접속을 위해 증폭 및 부호화된다(109).In the signal conditioning step 103, the EEG / PPG signals are amplified and filtered by an analog circuit, and the filtered EEG signal is re-amplified before the analog-to-digital conversion 104 is performed. In a next step 105 the EEG / PPG signals are modulated, spread and encoded into RF frequency signals and transmitted to the receiver 106. The transmitted RF signal is demodulated and despread at the receiver 107 and RF noise filtering 108 is performed. The noise canceled RF signal is amplified and encoded 109 for serial connection with a serial communication port of a computer.

컴퓨터에서는 EEG 신호에 대해 실시간으로 FFT 분석을 수행하고 사전에 결정된 EEG 대역의 전력 또는 비율을 기술해 주는 파라미터와 PPG 신호로부터의 HR을 계산한다(110). 컴퓨터 프로그램은 세타(6.0-8.0 Hz), 알파(10.0-12.0 Hz), 베타(18.0-22.0 Hz) 및 HR 성분의 상대 전력에 대한 계산을 수행하고, 각 파라미터의 수치를 차트 또는 그래프의 형태로 모니터 상에 디스플레이하게 되며(111), 그 데이터는 정해진 시간 동안 순환 큐(circular queue)에 유지된다. 격발 사건이 발생하지 않으면 단계 102로 돌아가 데이터 처리를 반복하게 된다. 만일 격발 사건(예, 사건 발생 기록기(도 3의 5)로부터 발생되는 신호)이 발생하면(112), 그 사건이 발생되기 5초 전까지의 EEG 및 HR 데이터가 저장되고, 그때까지 계산된 EEG/HR파라미터 값들이 시각 피드백 디스플레이 모니터에 표시된다(113). 타겟 점수(예, 사격 점수)가 얻어지면(114), 그 수행결과는 EEG/HR 파라미터와 함께 또 다른 시각 디스플레이 창에 제시되고(115), 사용자는 수행 점수와 EEG/HR 데이터를 비교할 수 있다. 제기된 구현에서 EEG/HR과 타겟 점수 결과들은 시각 및 청각적 형태 모두에 의해 생성될 수 있다. 데이터는 컴퓨터의 저장 장치에 저장되고(116), 훈련 과정은 종료된다(117).The computer performs FFT analysis on the EEG signal in real time and calculates the HR from the PPG signal and a parameter describing the power or ratio of the predetermined EEG band (110). The computer program performs calculations for the relative power of theta (6.0-8.0 Hz), alpha (10.0-12.0 Hz), beta (18.0-22.0 Hz), and HR components, and plots the values of each parameter in the form of a chart or graph. It is displayed on the monitor (111), and the data is held in a circular queue for a predetermined time. If no triggering event occurs, the process returns to step 102 where data processing is repeated. If a trigger event (eg, a signal from an event generator (5 in FIG. 3)) occurs (112), the EEG and HR data up to 5 seconds before the event is stored and the EEG / HR parameter values are displayed on a visual feedback display monitor (113). Once the target score (eg, shooting score) is obtained (114), the performance result is presented in another visual display window along with the EEG / HR parameter (115), and the user can compare the performance score with the EEG / HR data. . In a given implementation, EEG / HR and target score results may be generated by both visual and audio forms. The data is stored in the storage device of the computer (116) and the training process ends (117).

사격 보조 훈련 시스템의 적용과 관련된 본 발명에서 EEG 스펙트럼은 격발이 이루어지기 5초 전으로 정의된 조준 시기동안의 피질 활동과 정신적 집중력 통제력을 평가하기 위해 빠른 세타(6.0-8.0 Hz), 빠른 알파(10.0-12.0 Hz), 그리고 베타(18.0-22.0 Hz) 대역 성분들이 사용된다. 제기된 구현에서 EEG는 좌측 유양돌기(M1)를 참조 전극 위치로 하여 좌측 측두엽 위치(T3)로부터 단극 유도법에 의해 기록되지만, 또 다른 구현에서 좌측 전두엽 위치(F3)가 유사한 방식으로 사용될 수 있다. 접지 전극은 이마 정중앙(Fpz)에 위치된다.In the present invention related to the application of the shooting assistance training system, the EEG spectrum is characterized by fast theta (6.0-8.0 Hz), fast alpha (6) to assess cortical activity and mental concentration control during the aiming period defined as 5 seconds before the trigger. 10.0-12.0 Hz), and beta (18.0-22.0 Hz) band components are used. In the raised embodiment, the EEG is recorded by unipolar induction from the left temporal lobe T3 with the left papillary protrusion M1 as the reference electrode location, but in another embodiment the left frontal lobe F3 can be used in a similar manner. The ground electrode is located at the center of the forehead Fpz.

도 5는 본 발명에 따른 제기된 구현에서 사격 조준 시기동안 이루어지는 무선 바이오피드백에 의한 정신적 집중 훈련 절차의 순서도이다. 훈련절차가 시작되면(201), 사용자와 ID 확인을 위한 데이터가 컴퓨터(202)에 입력된다. 사용자 확인이 끝난 후, 사용자가 EEG 전극과 PPG 센서를 각각 두피와 귓불에 부착 후(203), EEG와 HR 신호를 검출하고(204), 사격 훈련연습 세션의 유형을 선택한다(205). 훈련 연습 파라미터(예, 시행 회수, 사격 위치 유형 등)의 선택은 특별한 훈련 환경(예, 실내나 실외, 사용되는 팔의 유형, 타겟 유형 등)과 다른 구체적인 훈련 요건에 따라 결정될 수 있다. 이 단계에서 결과에 대한 디스플레이 유형과 피드백 방법 또한 훈련 요건에 따라 조정될 수 있다. 예를 들면, 실제 사격 훈련에서 청각 피드백이 제공되기는 어려운 반면, 만일 사격 동작이 수반되지 않은 시각적 조준 사격 훈련 연습만이 행해진다면, 청각적 피드백이 시각적 피드백보다 더 적절할 수 있다.5 is a flow chart of mental intensive training procedure by wireless biofeedback during the firing aim period in a raised implementation in accordance with the present invention. When the training procedure is started 201, data for identifying the user and ID is input to the computer 202. After the user confirmation, the user attaches the EEG electrode and PPG sensor to the scalp and earlobe (203), detects the EEG and HR signals (204), and selects the type of target training session (205). The choice of training practice parameters (eg number of trials, type of shooting position, etc.) may be determined by the particular training environment (eg indoor or outdoor, type of arm used, target type, etc.) and other specific training requirements. At this stage, the display type and feedback method for the results can also be adjusted according to the training requirements. For example, auditory feedback may be more appropriate than visual feedback if auditory feedback is difficult to provide in actual shooting training, but only visual aiming shooting training practice with no shooting action is performed.

시행이 시작되면(206), 모든 신호들이 정해진 시간동안 기록된다(207). EEG/HR 데이터는 버퍼에 저장되고 각 파라미터의 평균값이 사전에 정의된 시간동안(예, 격발 5초 전 또는 10초 전)계산되고 저장된다(208). 이 시간을 준비기로 고려하고, 이 시간동안 획득된 데이터에 기초하여 계속적인 생리적 파라미터들의 수준에 대한 실시간 피드백이 사용자에게 제공된다. 조준기 또한 사용자에 의해 스스로 조정되며, 사용자는 단계 208(준비기)에서 계산된 파라미터 평균값들로부터 각 파라미터의 변화를 비교할 수 있다. 조준기동안 획득된 데이터는 분석되고 기록된다(209). 단계 209에서 수행된 결과는 준비기(208)에서 분석된 결과와 비교된다(210).Once enforcement begins (206), all signals are recorded for a fixed time (207). The EEG / HR data is stored in a buffer and the average value of each parameter is calculated and stored for a predefined time (e.g., 5 seconds before or 10 seconds before the trigger) and stored (208). Considering this time as a preparation, the user is provided with real-time feedback on the level of continuous physiological parameters based on the data obtained during this time. The aimer is also adjusted by the user himself, and the user can compare the change of each parameter from the parameter average values calculated in step 208 (preparer). Data obtained during the aiming unit is analyzed and recorded (209). The results performed in step 209 are compared with the results analyzed in the preparer 208 (210).

일단 EEG와 HR이 요구된 방향(예, 알파와 세타 증가, 베타와 HR 감소)으로 사전에 정의된 정도(예, 15%)까지 준비기에서 계산된 평균치로부터 변화가 있을 때, "정신적 집중도" 수준에 도달하였다는 정보가 사용자에게 피드백되고 사용자는 이 정보를 사용하여 격발 시기를 결정할 수 있다(211). 방아쇠 격발 사건이 발생할 때, EEG와 HR 데이터 기록은 중지된다(212). 일련의 데이터들은 컴퓨터의 타겟 결과 분석 방법을 통해 점수화 되어진다(213). 그런 다음, 격발에 앞서 5초간 분석된EEG 및 HR 데이터와 타겟 점수 결과가 디스플레이되어(214), 사용자에게 생리적 데이터와 실제 타겟 점수를 비교할 수 있는 기회를 제공하게 된다(215). 다음 단계(216)에서 사용자는 시행을 계속할지의 여부를 결정하고(216), 시행을 계속하고자 하면 단계 206으로 돌아가 반복한다. 다음 단계(217)에서는 세션을 계속할지의 여부를 결정하게 되며, 세션을 계속하고자 한다면 단계 205로 돌아가 반복하고, 그렇지 않으면 훈련 세션을 종료한다(218).Once the EEG and HR changes from the mean calculated in the prep to a predefined degree (eg 15%) in the required direction (eg increasing alpha and theta, decreasing beta and HR), the "mental concentration" level Information that a has been reached is fed back to the user and the user can use this information to determine when to trigger the trigger (211). When the trigger trigger event occurs, EEG and HR data recording is stopped (212). The series of data is scored through the computer's target result analysis method (213). Then, the analyzed EEG and HR data and target score results are displayed (214) for 5 seconds prior to the trigger, providing the user with an opportunity to compare the physiological data with the actual target score (215). In the next step 216, the user decides whether to continue the trial (216), and if it wants to continue the trial, returns to step 206 and repeats. In the next step 217, it is determined whether to continue the session, if it is desired to continue the session, go back to step 205 and repeat, otherwise terminate the training session (218).

훈련 세션은 이미 결정된 시간 내에 정해진 수만큼의 자기-조절 격발을 시행하는 것으로 구성되어 있다. 각 시행에서 EEG는 준비기 동안 안정화되고, 만일 EEG가 잡음의 간섭을 받지 않는다면 조준기는 모니터 상에 표시되는 기록기에 의해 표시된다. 조준기는 시간의 제한이 없으며, 방아쇠를 당기는 사용자에 의해 스스로 조절된다.The training session consists of conducting a predetermined number of self-regulating triggers within a predetermined time. In each trial, the EEG is stabilized during the preparation phase, and if the EEG is not subject to noise interference, the aimer is indicated by the recorder displayed on the monitor. The aimer has no time limit and is controlled by the triggering user.

"정신적 집중력" 제어는 몇 가지 EEG 스펙트럼과 HR 파라미터에 의해 진행된다. 제기된 구현에 따라 EEG 파라미터 제어에 대해 간략하게 요약하면 초보 수준에서 높은 점수를 얻기 위해 사용자는 좌반구, 특히 좌측 측두엽(T3)의 전력, 보다 정확하게는 빠른 알파(10.0-12.0 Hz) 전력의 자연 대수(natural logarithm: ln)(즉 μV2)를 증가시키는 동시에 베타(18.0-22.0 Hz)의 전력을 감소시켜야 한다. 대수 대신에 FFT 데이터에서 대역의 전력을 평가하는 적분 계산과 같은 어떤 다른 수학적 방법이 사용될 수 있다. 선택된 각 EEG 대역의 절대치보다는 상대 전력을 총 스펙트럼 전력에 적용시키는 것이 제기된 구현에 더 적합하다. 숙련된 수준의 경우, 앞에서 설명한 빠른 알파와 베타 컨트롤이외에 빠른 세타(6.0-8.0 Hz) 성분의 증가를 포함한다.The "mental concentration" control is driven by several EEG spectra and HR parameters. A brief summary of the EEG parameter control according to the proposed implementation is that in order to achieve a high score at the novice level, the user has to use the natural logarithm of the power of the left hemisphere, especially the left temporal lobe (T3), more precisely the fast alpha (10.0-12.0 Hz) power. (natural logarithm: ln) (ie μV 2 ) should be increased while reducing the power of beta (18.0-22.0 Hz). Instead of algebra, any other mathematical method can be used, such as an integral calculation that evaluates the power of the band in the FFT data. Applying relative power to total spectral power rather than the absolute value of each selected EEG band is more suitable for the proposed implementation. At the advanced level, this includes an increase in fast theta (6.0-8.0 Hz) components in addition to the fast alpha and beta controls described earlier.

HR 파라미터는 격발 직전에 감소되어야 한다. 보다 훌륭한 결과(보다 높은 "정신적 집중도" 지수 점수)는 EEG와 HR의 의도된 변화가 격발 1-3초전에 발생될 때 얻어질 수 있다. 따라서 숙련된 수준의 사용자는 빠른 알파, 베타, 빠른 세타와 같은 EEG 파라미터와 HR을 사전에 결정된 방향으로 제어함으로써 보다 효과적인 훈련의 결과를 얻을 수 있다. 따라서 성공적인 "조준 사격"이 이루어지는 동안 얻어지는 EEG 프로파일은 성공적인 사격이 이루어지기 직전에 조준을 하는 엘리트 사격 선수에게서 나타나는 EEG 패턴과 유사할 것이다.The HR parameter should be reduced just before the trigger. Better results (higher "mental concentration" index scores) can be obtained when the intended change in EEG and HR occurs 1-3 seconds before the trigger. Therefore, experienced users can control EEG parameters such as fast alpha, beta, and fast theta and HR in predetermined directions to achieve more effective training results. Thus, the EEG profile obtained during a successful “pointing shot” will be similar to the EEG pattern seen by an elite shooter aiming just before a successful shot.

그러므로, 제기된 구현에 따른 훈련의 목적은 사격 조준을 행하는 동안 우반구의 전반적인 활성화는 감소되고, 좌반구의 알파와 세타 전력이 증가되며, 동시에 베타 전력이 감소되고 준비기에 비해 HR이 감소되는 엘리트 사격 선수에게서 볼 수 있는 특징적인 최적 사격 수행 상태에 도달시키는 것이다. 이러한 훈련 과제는 타겟 격발 과제에서 조준기 동안에 초보자의 경우, 베타(18.0-22.0 Hz)와 감마(36.0-42.0) 전력의 감소가 관찰되는데 비하여 전문 사격 선수의 경우, 좌측 측두엽(T3)에서 알파(10.0-12.0 Hz)가 증가한다는 연구 결과에 상응한다. Haufler 등(2000)에 따르면, 그러한 EEG패턴은 전문 사격선수가 전형적으로 보여주는 고도로 이완된 초점적 집중력 상태를 특징짓는다(Haufner A. J. et al. Neuro-cognitive Activity During a Self-Paced Visiospatial Task: Comparative EEG Profiles in Marksmen and Novice Shooters,Biological Psychology, 53, 2000, 131-160).Therefore, the objective of training in accordance with the proposed implementation is to reduce the overall activation of the right hemisphere, increase the alpha and theta power of the left hemisphere while aiming, and at the same time reduce the beta power and reduce HR compared to the preparatory stage. It is to reach the characteristic optimal shooting performance as seen in. This training task is characterized by a decrease in beta (18.0-22.0 Hz) and gamma (36.0-42.0) powers during the aiming period in the target trigger task, while alpha (10.0) in the left temporal lobe (T3) in professional shooters. -12.0 Hz) increases. According to Haufler et al. (2000), such EEG patterns are characterized by a highly relaxed focusing state typically seen by professional shooters (Haufner AJ et al. Neuro-cognitive Activity During a Self-Paced Visiospatial Task: Comparative EEG Profiles). in Marksmen and Novice Shooters, Biological Psychology , 53, 2000, 131-160).

도 6은 본 발명에 따라 사격 선수에 의해 실행되는 정신적 집중력 향상 훈련 동안 얻어진 데이터에 대해 데스크탑이나 휴대용 컴퓨터등의 고 해상도 모니터에 디스플레이 되는 피드백 정보를 도시한 것이다. 제기된 구현에서 생리적 모니터링과 바이오피드백 결과는 모니터(800)의 좌측(801)에, 그리고 격발 결과가 우측(802)에 제시된다.FIG. 6 shows feedback information displayed on a high resolution monitor such as a desktop or portable computer for data obtained during mental concentration training performed by a shooting athlete in accordance with the present invention. In the posed implementation the physiological monitoring and biofeedback results are presented on the left 801 of the monitor 800 and the trigger results on the right 802.

사용자 ID 데이터는 모니터의 좌측 상단(806)에 보여진다. 선택된 EEG 대역들과 HR의 상대 전력 값을 나타내주는 차트는 수행중 시간 표시(804)와 함께 윈도우(803)에서 보여주고 있으며, 방아쇠 격발 사건이 발생할 때, 윈도우에 굵은 수직선(805)이 표시된다. 방아쇠 격발 사건이 발생하기 5초 전까지의 데이터는 조준기 데이터이며, 조준기 5초 전까지의 데이터는 준비기 데이터로 정의하여, 각 기간동안의 평균 데이터들이 비교된다. 그러한 비교 결과는 윈도우 하단(808)에 굵은 문자로 요약된다. 정신적 집중도 지수("정신적 집중도 지수"라고 부름: Mental Focus Index)는 윈도우의 중간 위치(807)에 제시된다. 이미 설명하였듯이, 방아쇠 격발 사건은 사용자에 의해 스스로 조절된다.User ID data is shown in the upper left 806 of the monitor. A chart showing the relative power values of the selected EEG bands and HR is shown in window 803 along with the time display 804 during execution, and a thick vertical line 805 is displayed in the window when a trigger trigger event occurs. . Data up to 5 seconds before the trigger trigger event is aiming data, and data up to 5 seconds before aiming are defined as preparation data, and the average data for each period is compared. Such comparison results are summarized in bold text at the bottom of the window 808. The mental concentration index (called "mental concentration index") is presented in the middle position 807 of the window. As already explained, the trigger triggering event is self-controlled by the user.

모니터의 우측(802)에는 훈련 시간(812), 총 점수(811), 시행 회수(810), 그리고 타겟(809)등이 제시된다. 만일 또 다른 유형의 총기류가 선택되고 훈련 유형이 변화된다면, 타겟 데이터는 또 다른 윈도우에 제시될 수 있고, 다른 그래픽(814)과 수치(813, 815)가 표시되어 질 수 있다. 모니터 상에 훈련 데이터를 제시해 주기 위한 제기된 구현은 운동 선수(예, 사격선수)가 고 해상도 모니터를 볼 수 있는 시설물과 관련되어 기술된다.The right side 802 of the monitor shows the training time 812, the total score 811, the number of trials 810, and the target 809. If another type of firearm is selected and the training type is changed, the target data may be presented in another window and other graphics 814 and figures 813 and 815 may be displayed. A raised implementation for presenting training data on a monitor is described in relation to a facility where an athlete (eg, a shooter) can view a high resolution monitor.

도 7은 본 발명에 따른 운동 선수의 정신 집중력 향상 훈련을 위한 대안적인 구현으로 머리 장착(head-mounted) LCD 장치 또는 PDA 장치의 LCD 패널과 같은 저 해상도 모니터에 제시되는 시각적 피드백 정보를 도시한 것이다. 휴대용(예, PDA) 또는 머리 장착 LCD(900)의 제한된 그래픽 용량 때문에, 정보는 수치(904, 906, 907)와 간단한 막대 그래프(903)와 같은 단순한 형태로 제시된다. 도 6과 관련하여 기술된 것과 유사한 방식으로 EEG 및 HR 관련 피드백은 디스플레이의 좌측(901)에 제시되며, 총 타겟 점수(905), 시행수, 각 시행 점수(906), 격발 점수(907)는 디스플레이의 우측(902)에 제시된다. 사용자에게 제시되는 정보는 선택된 각 EEG 대역의 상대 전력과 HR에 대한 실시간으로 계산된 값(903, 904), 정신 집중도 지수값(908), 그리고 총 점수(905)와 각 시행에서 얻은 점수(906) 등과 같은 타겟 점수(907)에 대한 최소한의 정보 표시로 한정된다. 총 타겟 점수(905)와 EEG/HR데이터(904)의 제시는 방아쇠 격발 사건의 발생과 유기적인 관계가 있다.FIG. 7 illustrates visual feedback information presented on a low resolution monitor, such as an LCD panel of a head-mounted LCD device or PDA device, as an alternative implementation for training the mental concentration of an athlete in accordance with the present invention. . Because of the limited graphics capacity of a portable (eg PDA) or head mounted LCD 900, information is presented in simple forms such as numerical values 904, 906, and 907 and a simple bar graph 903. In a manner similar to that described with respect to FIG. 6, EEG and HR related feedback is presented on the left side of the display 901, where the total target score 905, the number of trials, each trial score 906, and the trigger score 907 Presented at right side 902 of the display. The information presented to the user is calculated in real time for the relative power and HR of each selected EEG band (903, 904), mental concentration index value (908), and the total score (905) and the score obtained from each trial (906). Is limited to display minimal information about the target score 907, such as < RTI ID = 0.0 > The presentation of the total target score 905 and the EEG / HR data 904 are organically related to the occurrence of the triggered event.

앞에서 제시된 상세한 설명은 제한적이기보다는 예시적인 것으로 간주하고자 하며, 이해하고자 하는 데 목적이 있다. 따라서 청구항에서 발명의 범위를 정의하고자 한다. 변형과 수정은 기술에 능숙한 사람들에게 분명하게 될 것이다. 그것은 발표된 구현의 다양한 관점이 전체 또는 일부 모두에서 교체될 것이라는 것을 이해하여야 한다. 더욱이, 기술에 미숙련된 사람은 앞의 설명이 단지 예제의 방법에 의한 발명으로 인식할 것이고, 본 발명의 보다 넓은 관점을 제한하고자 하는 의도가 아니다.The detailed description set forth above is intended to be regarded as illustrative rather than restrictive, and for the purpose of understanding. It is therefore intended to define the scope of the invention in the claims. Modifications and modifications will be apparent to those skilled in the art. It should be understood that various aspects of the disclosed implementations will be replaced in whole or in part. Moreover, those skilled in the art will recognize that the foregoing descriptions are merely illustrative by way of example, and are not intended to limit the broader aspects of the present invention.

본 발명은 사격, 양궁, 그리고 골프 퍼팅과 같은 정적인 스포츠에 종사하는 선수들의 초점적 집중력을 향상시키기 위한 EEG와 HR 신호를 사용하는 바이오피드백 훈련 장치와 방법에 관한 것이다. 본 발명은 최소한 두 개이상의 두피 영역으로부터 EEG 신호와 귓불에 부착된 PPG 센서로부터 검출된 HR 신호를 획득, 전처리, 무선 RF 전송, 실시간 분석 및 제시를 위한 장치와 방법을 포함한다.The present invention relates to a biofeedback training apparatus and method using EEG and HR signals to improve the focus concentration of athletes engaged in static sports such as shooting, archery, and golf putting. The present invention includes apparatus and methods for acquiring, preprocessing, wireless RF transmission, real-time analysis and presentation of HR signals detected from EEG signals and earlobe-attached PPG sensors from at least two scalp areas.

적절한 전극으로부터 검출된 사용자의 EEG와 HR은 사건 발생 기록 신호(예, 방아쇠 격발)와 함께 무선 채널을 통해 컴퓨터로 전송된다. 잡음이 제거된 EEG 신호는 FFT를 사용하여 실시간으로 분석된다. 분석된 EEG와 HR활동 파라미터들은 바이오피드백의 목적을 위해 사용되며, 정신 상태, 특히 초점적 주의 상태를 실시간으로 모니터링하기 위해 사용된다. 본 발명은 생체 신호의 전송 시스템을 구현하기 위해 종래기술에서 볼 수 없었던 대역확산 기법을 사용함으로써 효과적인 무선 전송 방식을 적용하였다.The user's EEG and HR detected from the appropriate electrodes are transmitted to the computer via a wireless channel along with the event recording signal (eg trigger trigger). The noise-free EEG signal is analyzed in real time using the FFT. The analyzed EEG and HR activity parameters are used for biofeedback purposes and for real-time monitoring of mental states, especially focus attention. The present invention applies an effective wireless transmission scheme by using a spread spectrum technique that has not been seen in the prior art to implement a system for transmitting a biological signal.

또 다른 구현으로, 사격 훈련 과정동안 의도된 행위(예, 방아쇠 당기기)를 집행하기 전의 목표 조준동안 내적 초점적 주의 상태에 도달하기 위한 방법이 사용된다. 초점적 주의 상태는 운동 선수(예, 사격 선수)의 수행을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 제기된 구현에서 훈련 과제는 좌반구 측두엽 피질(T3 영역)에서 알파 대역의 빠른 성분(10.0-12.0 Hz)의 스펙트럼 전력을 증가시키는 동시에, 베타파 성분(18.0-22.0 Hz)의 전력과 HR 감소를 유도하며, 부가적으로 세타파 성분(6.0-8.0 Hz)을 증가시키는 것을 목표로 한다.In another implementation, a method is used to reach the inner focus attention state during target aiming prior to executing the intended action (eg, triggering) during the shooting training process. Focus attention is known to promote performance of athletes (eg, shooters). In the proposed implementation, the training task increases the spectral power of the fast component (10.0-12.0 Hz) of the alpha band in the left hemisphere temporal cortex (T3 region), while inducing the power and HR reduction of the beta-wave component (18.0-22.0 Hz). And additionally aims to increase theta wave component (6.0-8.0 Hz).

본 발명은 스포츠 수행 수준과 EEG와 HR 모두가 동시에 반영되는 뇌와 신체상태에 관한 정확한 피드백을 사용자에게 제공하는 방법과 장치로, 정적 스포츠 분야에서 매우 유용한 훈련 시스템으로 이용될 수 있다. 특히, 본 발명의 특징은 현재 생리적 활동 수준과 선택된 파라미터의 상대적 변화를 알려주는 시각 및 청각적 출력 신호를 포함함으로써 바이오피드백 원리를 스포츠 분야에서 집중력 향상 훈련 방법으로 적용시켰다는 점에서 큰 의의가 있다. 또 다른 특징은 청각 신호의 출력음을 변화시킴으로써 현재의 활동 수준을 보다 정확하게 반영시킬 수 있다는 점이다. 이러한 특징은 최소한 바람직한 활동 수준을 유지, 향상시키기 위해 사용자에게 신뢰성 있는 피드백을 즉시 제공해 줌으로써 사격 훈련 과정에서 목표 조준과 같은 시공간 과제에서 보다 훌륭한 정신 집중력을 얻게 하고, 그럼으로써 보다 향상된 수행을 유도해 줄 수 있다.The present invention is a method and apparatus for providing a user with accurate feedback on the brain and physical state in which both the sports performance level and EEG and HR are simultaneously reflected, and can be used as a very useful training system in the field of static sports. In particular, the feature of the present invention is significant in that the biofeedback principle is applied as a concentration training method in the sports field by including a visual and audio output signal indicating the current physiological activity level and the relative change of the selected parameter. Another feature is the ability to more accurately reflect current activity levels by changing the output sound of the auditory signal. This feature provides immediate feedback to the user in order to maintain and improve at least the desired level of activity, resulting in greater mental concentration in time and space tasks, such as aiming, during shooting training, thereby leading to improved performance. Can be.

피드백 신호는 전형적인 형태로 제시된다(예, 막대 그래프, 선 그래프, 또는 차트나 간단한 애니메이션에 의한 시각적 디스플레이, 그리고 청각적 디스플레이). 사용자가 자신의 정확한 행동에 관한 정보를 어떻게 얻느냐의 문제를 떠나서 이러한 피드백 정보를 실시간으로 제공받음으로써 방아쇠 격발이나 화살 발사와 같은 행위를 집행할 적절한 시기에 대해 알 수 있다는 것이 본 발명의 중요한 효과이다. 본 발명은 바이오피드백 원리를 사용하여 사용자로 하여금 주의 상태에 도달하도록 하고 목표 EEG 패턴(예,세타와 빠른 알파파 성분의 스펙트럼 전력 증가, 베타 대역의 스펙트럼 전력 감소)과 HR 수준의 감소를 발생하도록 함으로써 수행을 향상시키도록 하는 데 도움을 준다.The feedback signal is presented in a typical form (eg bar graph, line graph, or visual display by charts or simple animation, and audio display). The important effect of the present invention is that the user is provided with this feedback information in real time, regardless of how the user obtains information about his or her exact behavior, to know the appropriate time to execute an action such as triggering an arrow or firing an arrow. to be. The present invention uses the biofeedback principle to allow the user to reach the attention state and to generate a target EEG pattern (e.g., increased spectral power of theta and fast alpha wave components, reduced spectral power of the beta band) and reduction of HR levels. This helps to improve performance.

제기된 구현에서 EEG와 HR을 사용한 생리적 모니터링과 바이오피드백은 사용자가 실제 사격을 행하거나 사격 모의 시스템 또는 사격 게임 연습을 행하는 동안 격발을 개시하기 위한 내적 초점적 주의 상태에 도달하고 그 상태를 확인하기 위해 사용된다. 정신 집중력 기술과 연계된 적절한 격발 시기에 대한 지각 훈련이외에, 제기된 구현은 소프트웨어 인터페이스가 장착된 시각적 피드백 시스템의 도움을 통해 새로운 자기-조절 훈련 도구로 사용됨으로써 사격 선수의 기술 향상에 매우 유용할 수 있다. 즉, 바람직한 격발 수행에 부정적인 영향을 미치는 불안, 긴장, 과잉 활성화 상태 등과같은 생리적 불안정성을 탐지할 수 있다.In the proposed implementation, physiological monitoring and biofeedback using EEG and HR can be used to determine and reach an internally focused attention state to initiate a trigger while the user is performing a real shot or a shooting simulation system or shooting game practice. Used for. In addition to perceptual training for appropriate triggering times associated with mental concentration skills, the implementations raised can be very useful for improving the athlete's skills by being used as a new self-regulated training tool with the aid of a visual feedback system with a software interface. have. That is, it is possible to detect physiological instability such as anxiety, tension, over-activation state, etc. which negatively affects the desired trigger performance.

또한 종래의 사격 모의 훈련 시스템들은 제기된 시스템과 방법으로 보완될 수 있으며, 따라서 주의력 향상 훈련과 사격 모의 훈련 모두 이러한 종래의 사격 훈련의 부분으로 훈련될 수 있다. 본 발명에 따른 프로세스와 장치는 많은 이점을 가진다. 특히, 사격, 양궁, 그리고 골프 퍼팅에서 최종행위를 집행하기 전의 조준 단계 동안 정신적 집중력을 획득하는 데 매우 효과적으로 기여할 것이다.In addition, conventional shooting simulation training systems can be supplemented with the proposed system and method, and thus, both attention improvement training and shooting simulation training can be trained as part of such conventional shooting training. The process and apparatus according to the invention have many advantages. In particular, it will be very effective in achieving mental concentration during the aiming phase before executing the final act in shooting, archery, and golf putting.

본 발명은 예시 및 설명의 목적을 위해 제시하고 있지만, 전술한 실시 예의 형태로 제한하고자 하는 것이 아니다. 당업자라면 다수의 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본 발명의 실시 예로 사격을 선택했지만, 동일한 원리가 다른 스포츠 분야(예, 양궁, 골프 드라이브 샷 및 퍼팅, 당구 등)에도 적용될 수 있다. 본 발명은 전술한 양호한 실시 예에 대하여 본 발명의 최상의 원리를 설명하기 위해 선택 및 제시하고 있지만, 당업자라면 본원 발명의 기술적 사상 및 범위를 이탈함이 없이 다양한 변형 및 수정이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been presented for purposes of illustration and description, it is not intended to be limited to the form of the foregoing embodiment. Those skilled in the art will appreciate that many variations and modifications are possible. That is, although the shooting was selected as an embodiment of the present invention, the same principle can be applied to other sports fields (eg, archery, golf drive shots and putting, billiards, etc.). While the present invention has been selected and presented with reference to the above-described preferred embodiments to illustrate the best principles of the invention, those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes can be made without departing from the spirit and scope of the invention. .

Claims (19)

사용자의 적어도 하나 이상의 두피 영역으로부터 뇌 전위 신호, 귓불로부터 심박 신호, 손가락 위치로부터 압력 신호를 검출하는 생체신호 신호검출 수단과,Biosignal signal detecting means for detecting a brain potential signal from at least one scalp region of the user, a heartbeat signal from an earlobe, and a pressure signal from a finger position; 상기 생체 신호 검출 수단의 신호 감지수단과,Signal detecting means of the biological signal detecting means; 상기 감지수단으로부터 감지된 신호를 무선 RF 송신 방식으로 생체신호 데이터 처리 및 전송 수단과 컴퓨터의 직렬 통신 포트를 통한 컴퓨터와의 양방향 통신하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.A wireless system for concentration enhancement biofeedback training using the bio-signal parameters of the signal sensed by the sensing means in a two-way communication between the biological signal data processing and transmission means and the computer through the serial communication port of the computer by a wireless RF transmission method. 제 1 항에 있어서, 상기 생체 신호 검출 수단은The method of claim 1, wherein the biological signal detecting means 사용자의 좌반구 측두엽(T3), 이마(Fpz), 귓불(A1)로부터 적어도 하나 이상의 생체 신호(EEG 및 HR)를 검출하기 위한 다원 전극 센서 배열과,An array of multiple electrode sensors for detecting at least one biosignal (EEG and HR) from the user's left hemisphere temporal lobe (T3), forehead (Fpz), earlobe (A1), 손가락의 압력 신호를 검출하는 압력 센서로 이루어지는 생체 신호파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.Wireless system for concentration-enhancing biofeedback training using biosignal parameters consisting of a pressure sensor that detects a finger pressure signal. 제 2 항의 상기 전극 센서 배열은,The electrode sensor array of claim 2, 생체 신호 처리를 위한 단극 유도법의 적용이 가능한 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.Wireless system for concentration-enhancing biofeedback training using biosignal parameters that can be applied monopolar induction for biosignal processing. 제 2 항에 있어서, 상기 전극 센서배열을 통해 사용자의 두피와 귓불로부터 검출된 신호의 무선 RF 송신 장치는 적어도 하나 이상의 EEG 신호, 하나의 HR 신호의 증폭, 필터링, A/D 변환과The apparatus of claim 2, wherein the wireless RF transmitter of the signal detected from the user's scalp and earlobe through the electrode sensor array includes at least one EEG signal, amplification, filtering, and A / D conversion of one HR signal. 손가락 압력 신호의 단거리 무선 송수신 수단,Short range wireless transmitting and receiving means of finger pressure signal, 그리고 이들 신호에 대한 대역확산 방식의 신호 변조를 위한 전자회로를 포함하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.And a wireless system for concentration enhancement biofeedback training using biosignal parameters including electronic circuitry for spreading signal modulation of these signals. 제 4항에 있어서, 여러 개의 EEG 및 PPG 전극이 설치되어 있는 헤드밴드를 사용하여 적절한 두피 위치들로부터 생체신호를 추출하는 경우에 각 전극의 임피던스가 10 ㏀ 이하로 유지되는 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.The bioenhanced biofeedback training according to claim 4, wherein the extraction of the biosignal from the appropriate scalp locations using a headband having a plurality of EEG and PPG electrodes is performed. For wireless systems. 제 1 항의 양방향 무선 RF 신호 송수신 장치는The apparatus for transmitting and receiving a bidirectional wireless RF signal of claim 1 적어도 하나 이상의 RF 신호에 대한 변조와 복조를 위한 대역확산 송수신 기법과,Spread spectrum transmission and reception techniques for modulation and demodulation of at least one RF signal; FH-SS, DS-SS, PSK, FSK 및 AM, FM 변환 수단을 포함하는 생체 전위신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.Wireless system for enhanced concentration biofeedback training using biopotential signal parameters including FH-SS, DS-SS, PSK, FSK and AM, FM conversion means. 제 6 항의 양방향 무선 RF 신호 송수신 장치는The bidirectional wireless RF signal transmitting and receiving device of claim 6 직렬 통신 장치를 이용하여 부호화 된 신호를 컴퓨터에 보내는 장치와 마이크로컨트롤러를 이용하여 휴대용 모니터로 보내는 인터페이스를 포함하는 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.A wireless system for concentration-enhancing biofeedback training that includes a device for sending encoded signals to a computer using a serial communication device and an interface for sending to a portable monitor using a microcontroller. 제 7 항에 있어서, 상기 무선 RF 신호 송수신 장치는The apparatus of claim 7, wherein the wireless RF signal transmission and reception apparatus is 시각 및 청각 자극으로 피드백 정보를 제공하여 사용자의 현재 정신상태(특히, 집중도)와 수행 결과를 알려주는 LCD와 모니터 디스플레이를 포함하는 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.Wireless system for concentration-enhancing biofeedback training, including LCD and monitor displays that provide feedback information with visual and auditory stimuli to indicate the user's current mental state (especially concentration) and performance results. 제 8 항에 있어서, 상기 피드백 결과를 제공하기 위한 분석 프로토콜은,The method of claim 8, wherein the analysis protocol for providing a feedback result, EEG 및 HR 신호가 계속적으로 저장되고, 그 신호들이 사전에 정의된 바람직한 EEG 및 HR 패턴과 비교되도록 한 알고리듬을 포함하는 생체 신호파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.A wireless system for concentration enhancement biofeedback training using biosignal parameters comprising an algorithm that allows EEG and HR signals to be continuously stored and that signals are compared to predefined predefined EEG and HR patterns. 제 9 항에 있어서, 분석 프로토콜은,10. The method of claim 9, wherein the analysis protocol is 사용자의 뇌와 귓불의 전기적 활동을 측정하고,Measure the electrical activity of the user's brain and earlobe, 측정된 신호를 실시간으로 분석하고,Analyze the measured signal in real time, 분석된 전기 활동을 통해 의도된 변화가 나타났을 경우, 그에 상응하여 피드백 신호를 제공하여 바람직한 정신 상태를 유도함으로써,If an intended change is found through the analyzed electrical activity, a corresponding feedback signal is provided to induce the desired mental state, 사용자로 하여금 정해진 시간 동안 원하는 전기 활동 수준을 유지하도록 유도하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.A wireless system for concentration enhancement biofeedback training using biosignal parameters characterized by inducing a user to maintain a desired level of electrical activity for a defined time period. 제 9 항에 있어서, 상기 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 프로토콜은10. The method of claim 9, wherein the protocol for concentration enhancing biofeedback training is 사용자에게 현재 정신 상태에 관한 시각적 및 청각적 피드백을 제공함으로써 사용자의 주의 및 집중력을 증진시키는 바이오피드백 훈련 프로토콜을 접목시킬 수 있는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.A wireless system for enhanced concentration biofeedback training using biosignal parameters that can incorporate biofeedback training protocols that enhance the user's attention and concentration by providing the user with visual and auditory feedback about the current mental state. 제 2 항에 있어서,The method of claim 2, 상기 다원 전극 센서 배열을 포함하는 헤드밴드.A headband comprising the multi-element electrode sensor array. 제 12 항에 있어서,The method of claim 12, 상기 헤드밴드는,The headband, 이마 정중앙과 좌측 유양돌기(mastoid)에 위치하게 된 접지와 참조전극 세트로 이루어지는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선 시스템.Wireless system for concentration-enhancing biofeedback training using biosignal parameters consisting of ground and reference electrode sets positioned at the center of the forehead and the left mastoid. 사용자의 적어도 하나 이상의 두피 영역으로부터 생체 전기 신호를 검출하는 생체 신호 검출 단계와,A biosignal detection step of detecting a bioelectrical signal from at least one scalp region of a user; 상기 생체 신호 검출 수단의 신호를 감지하는 감지 단계와,A sensing step of sensing a signal of the biosignal detecting means; 상기 감지수단으로부터 감지된 신호를 무선 RF 전송 방식으로 생체신호 데이터 송수신기, 그리고 컴퓨터와 휴대용 모니터 사이에 송수신하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 무선시스템.And a biosignal data transceiver using a wireless RF transmission method, and a biosignal parameter for transmitting and receiving a signal between a computer and a portable monitor. 제 14 항에 있어서, 상기 생체 신호 검출 단계는The method of claim 14, wherein the detecting of the biosignal is performed. 사용자의 이마와 좌측 측두엽, 귓불, 손가락으로부터 적어도 하나 이상의 생체전기 신호를 검출하기 위한 다원 전극 센서 배열로 이루어지는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 방법.A method for enhanced concentration biofeedback training using biosignal parameters comprising a multi-element electrode sensor array for detecting at least one bioelectrical signal from a user's forehead, left temporal lobe, earlobe, and finger. 제 15 항의 상기 전극 센서 배열은,The electrode sensor array of claim 15, 생체전기 신호 처리를 위한 단극 유도법의 적용이 가능한 생체 신호파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 방법.A method for concentration-enhancing biofeedback training using biosignal parameters that can be applied to monopolar induction for bioelectrical signal processing. 제 15 항에 있어서, 상기 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 프로토콜은,The method of claim 15, wherein the protocol for concentration enhancement biofeedback training is: EEG와 HR 신호가 저장되고 그 신호가 동일한 사용자로부터 사전에 저장된 EEG 신호나 규준 데이터베이스와 비교되도록 한 프로그램을 포함하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 방법.A method for enhanced concentration biofeedback training using biosignal parameters comprising a program in which EEG and HR signals are stored and compared to pre-stored EEG signals or normative databases from the same user. 제 15 항에 있어서, 상기 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 프로토콜은,The method of claim 15, wherein the protocol for concentration enhancement biofeedback training is: FSK(주파수 편이 변조) 및 PSK(위상 편이 변조) 방식을 이용하여 대역확산 신호를 송수신하는 단계와,Transmitting and receiving a spread spectrum signal by using a frequency shift keyed modulation (FSK) and a phase shift keyed signal (PSK); 사전에 결정된 코드 순서에 따라 처리된 EEG, HR 및 압력 신호를 분리시키고, 디지털 신호 처리 수단을 사용하여 부호화된 디지털 신호를 수신하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 방법.Separating processed EEG, HR and pressure signals according to a predetermined code sequence, and receiving encoded digital signals using digital signal processing means. . 제 15 항에 있어서, 상기 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 프로토콜은,The method of claim 15, wherein the protocol for concentration enhancement biofeedback training is: 격발 사건이 발생하기 10초 전까지의 시간을 5초씩 나누어 준비기와 조준기로 정의하고,Divide the time 10 seconds before the trigger event into 5 seconds to define the preparation and aiming, 준비기와 조준기 동안 얻어진 생체 신호를 실시간 FFT 분석하고,Real-time FFT analysis of bio signals obtained during preparation and aiming, 그 결과를 실제 수행 점수(타겟 점수)와 모니터 상에서 비교할 수 있도록 한 생체 신호 파라미터를 사용한 집중력 향상 바이오피드백 훈련을 위한 방법.A method for enhanced concentration biofeedback training using biosignal parameters that allow the results to be compared on a monitor with actual performance scores (target scores).
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