KR20030063547A - 뇌파 측정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개인차를 고려하여 잡파가 혼입된 뇌파를 효과적으로 제거할 수 있는 뇌파 측정 장치 및 방법을 개시한다. 개시된 본 발명은, 피험자의 뇌파 데이터를 검출한다. 그리고나서, 상기 검출된 뇌파 데이터를 증폭시키고, 디지털 신호로 변환시키고, 다시 상기 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 고속 퓨리에 변환한다. 그후에, 상기 퓨리에 변환된 뇌파의 주파수별 출력값을 산출하고, 시간에 따라 반복 이행하여 상기 주파수별 출력값을 산출한 다음, 상기 일정 시간별, 주파수별 출력값을 해당 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력값으로 나누어, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출한다. 그 다음, 상기 산출된 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값과 미리 정해진 일정값을 비교하여, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값이 상기 미리 정해진 일정값보다 작으면 뇌파에 잡파가 혼입되지 않았다고 판정하여 상기 피험자의 뇌파를 출력한다. 한편, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값이 상기 미리 정해진 일정값보다 크면 뇌파에 잡파가 혼입되었다고 판정하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않는다.

Description

뇌파 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring electroencephalogram}
본 발명은 뇌파 측정 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 피험자의 기저 상태를 고려하여 잡파가 혼입되지 않은 순수한 뇌파를 측정하기 위한 뇌파 측정 장치 및 그 구동방법에 관한 것이다.
두뇌의 활동을 시공간적(spatio-temporal)으로 파악하는 뇌파는 대표적인 생체신호로서, 임상 및 뇌기능 연구에 폭넓게 이용되고 있다. 최근에는 외부 자극에 의한 뇌파의 변조를 통하여 사용자의 정신적 상태를 개선하는 바이오피드백(bio-feedback)에 뇌파를 이용하고 있고, 또한 뇌파, 심전도 또는 피부 저항(GSR: galvanic skin resistance)등의 생체 신호를 이용하여 인간의 감성을 평가하고 있다. 또한, 언어나 신체의 동작을 거치지 않고 뇌파를 통하여 인간과 기계와의 직접적인 인터페이스를 이루기 위한 두뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI: brain-computer interface) 분야에 응용되고 있다.
그런데, 인간의 뇌파를 측정할 때, 뇌파 이외에도 인간의 동작에 의한 근전도(筋電度), 안구 운동에 의한 안전도(眼電度), 심전도(心電度), 호흡과 발한에 의한 서파(slow wave) 및 뇌파 측정시 부착하는 전극에 의해 피부가 변형되어 발생되는 신호등과 같은 잡파(혹은 잡음)가 뇌파에 혼입된다. 이와같은 잡파가 혼입되면, 피험자의 뇌파를 정확히 측정할 수 없다는 단점이 있다.
이에 종래에는 미국특허 4,550,736호 "Movement artifact detector for sleep analysis"에 인간의 동작에 의하여 혼입된 잡파를 제거하는 방법이 개시되었다. 상기 특허에 의하면, 수면 뇌파의 측정시, 동작에 의한 잡파를 제거하기 위하여, 뇌파보다 큰 값을 가지며 혼입되는 근전도 성분(30Hz 이상, 18μV 이상), 뇌파 증폭기의 이상 등으로 데이타 수집이 일시 중지되었다가 원래 상태로 돌아올 때 발생하는 성분(30Hz 이상, -9μV ∼9μV ), 호흡이나 땀으로 인한 잡파 성분(1.2Hz 이하, 200μV 이상)의 세 성분 중에서 어느 하나라도 감지되면 잡파가 혼입되었다고 판정을 한다.
그러나, 상기 방법은, 피험자에 따라 뇌파의 진폭이 개인별로 다르고, 생리적 인지적 정보 처리에 따라 뇌파의 주파수 성분이 각기 다른 변화를 보인다는 점을 감안하지 않는다는 문제점을 갖는다.
또한, 센서 등을 이용하여 동작에 의한 잡파를 제거하는 방법이 제시되고 있으나, 이는 추가 비용이 든다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개인차를 고려하여 잡파가 혼입된 뇌파를 제거하고 잡파가 혼입되지 않은 뇌파만을 출력할 수 있는 뇌파 측정 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 뇌파 측정 장치에 의한 뇌파 측정 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 뇌파 처리부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 플로우 챠트이다.
도 4는 본 발명에 따른 뇌파 처리 결과를 나타낸 사진이다.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
10 - 뇌파 검출부 20 - 뇌파 증폭부
30 - A/D 변환부 40 - 뇌파 처리부
50 - 디스플레이부 410 - 퓨리에 변환부
420 - 데이터 저장부 430 - 제어부
432 - 제 1 연산부 434 - 제 2 연산부
436 - 제 3 연산부 438 - 비교부
본 발명의 목적과 더불어 그의 다른 목적 및 신규한 특징은, 본 명세서의 기재 및 첨부 도면에 의하여 명료해질 것이다.
상기한 본 발명의 이루고자 하는 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 뇌파 측정 장치는 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부와, 상기 뇌파 검출부로부터 측정된 뇌파 데이터를 증폭시키는 뇌파 증폭부와, 상기 증폭된 뇌파 데이타를 아날로그에서 디지털로 변환시키는 A/D 변환부와, 상기 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 이용하여 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 얻고 이로부터 잡파의 혼입 여부를 판단하여 잡파가 혼입되었을 때 뇌파 데이터의 출력을 중단하도록 하는 뇌파 처리부 및 상기 뇌파 처리부의 결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 뇌파 증폭부는 검출된 뇌파 데이터를 증폭시키고, 일정 주파수 대역을 필터링할 수 있다.
또한, 상기 뇌파 처리부는 상기 뇌파 증폭부로부터 증폭된 뇌파 데이타를 정현파로 분리하기 위한 퓨리에 변환부와, 피험자의 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이터 저장부, 및 상기 퓨리에 변환부에 의하여 변환된 뇌파 데이타들 및 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이타를 이용하여, 피험자의 기저 상태가 고려된, 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제어부를 포함한다.
이때, 상기 퓨리에 변환부는 상기 뇌파 데이터를 고속 퓨리에 변환하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이타 저장부는 피험자가 폐안 안정시 또는 자극제시전에 측정된 뇌파 데이터를 저장하고 있다.
상기 제어부는 퓨리에 변환으로부터 주파수별 출력값을 산출하는 제 1 연산부와, 상기 제 1 연산부의 출력을 이용하여 일정 시간별로 주파수별 출력값을 산출하는 제 2 연산부와, 상기 제 2 연산부의 출력을 각 피험자의 기저 상태의 뇌파의주파수별 출력값으로 나누어 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제 3 연산부, 및 상기 제 3 연산부의 출력과 미리 정해진 일정값을 비교하는 비교부를 포함한다.
상기 일정 시간별로 주파수별 출력값을 산출하는 제 2 연산부에서, 상기 시간은 전후 시간 구간과 오버랩될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 견지에 따른 뇌파 측정 방법은 다음과 같다.
먼저, 피험자의 뇌파 데이터를 검출한다. 그리고나서, 상기 검출된 뇌파 데이터를 증폭시키고, 디지털 신호로 변환시키고, 다시 상기 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 고속 퓨리에 변환한다. 그후에, 상기 퓨리에 변환으로부터 뇌파 주파수별 출력값을 산출하고, 시간에 따라 반복 이행하여 상기 주파수별 출력값을 산출한다음, 상기 일정 시간별, 주파수별 출력값을 해당 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력값으로 나누어, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출한다. 그 다음, 상기 산출된 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값과 미리 정해진 일정값을 비교하여, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값이 상기 미리 정해진 일정값보다 작으면 뇌파에 잡파가 혼입되지 않았다고 판정하여 상기 피험자의 뇌파를 출력한다. 한편, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값이 상기 미리 정해진 일정값보다 크면 뇌파에 잡파가 혼입되었다고 판정하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않는다.
(실시예)
이하 첨부한 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어져서는 안 된다. 본 발명의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되어지는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이며, 도면상에서 동일한 부호로 표시된 요소는 동일한 요소를 의미한다.
첨부한 도면 도 1은 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명에 따른 뇌파 처리부의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 3은 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치의 동작을 설명하기 위한 플로우 챠트이다. 또한, 도 4는 본 발명에 따른 뇌파 처리 결과를 나타낸 사진이다.
먼저, 도 1을 참조하며, 본 발명의 뇌파 측정 장치는, 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부(10)와, 뇌파 검출부(10)로부터 측정된 뇌파 데이터를 증폭시키는 뇌파 증폭부(20), 증폭된 뇌파 데이터를 아날로그에서 디지털로 변환시키는 A/D 변환부(30), 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 이용하여 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 얻고 이로부터 잡파의 혼입 여부를 판단하여 잡파가 혼입되었을 때 뇌파 데이터의 출력을 중단하도록 하는 뇌파 처리부(40) 및 상기 뇌파 처리부(40)의 결과를 표시하는 디스플레이부(50)로 구성된다.
여기서, 뇌파 검출부(10)는 뇌파 데이터를 측정하는 전극으로서, 이 전극은 피험자의 두피에 부착되어 뇌파 데이터를 검출한다. 이때, 피험자의 두피에 부착되는 전극은 10-20 국제 전극 배치법(10-20 international nomenclature)에 따라 배치되거나, 또는 그외의 여러가지 방법에 의하여 배치될 수 있다.
뇌파 증폭부(20)는 상기에서 설명한 바와 같이, 뇌파 검출부(10)로 부터 측정된 뇌파 데이터를 일정치만큼 증폭시킨다. 또한, 뇌파 증폭부(20)에서는 증폭된 뇌파 데이터를 예를 들어 60Hz 대역의 필터링을 한다.
또한, 뇌파 처리부(40)는 도 2에 도시된 바와 같이, 뇌파 증폭부(20)로부터 증폭된 뇌파 데이타를 정현파로 분리하기 위한 퓨리에 변환부(Fourier transform: 410)와, 피험자의 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이터 저장부(420), 퓨리에 변환부(410)에 의하여 변환된 뇌파 데이타들 및 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이타를 이용하여, 피험자의 기저 상태가 고려된, 시간에 따른 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제어부(430)를 포함한다.
퓨리에 변환부(410)는 예를들어, 고속 퓨리에 변환을 이용한다.
기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이타 저장부(420)는 예를 들어, 피험자가 폐안 안정시(eye-closed and relaxed state) 또는 자극제시전(interval before stimulus)에 측정된 뇌파 데이터를 저장하고 있다.
또한, 상기 제어부(430)는 퓨리에 변환후 주파수별 출력값을 산출하는 제 1 연산부(432)와, 시간에 따라 제 1 연산부(432)를 반복 수행하여 시간별, 주파수별 출력값을 산출하는 제 2 연산부(434), 제 2 연산부(434)의 출력을 각 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력으로 나누어 기저 상태를 고려한 시간별, 주파수별 상대 출력을 산출하는 제 3 연산부(436) 및 제 3 연산부(436)의 출력과 이미 정해진 일정값을 비교하는 비교부(438)를 포함한다.
제 1 연산부(432)에서는 퓨리에 변환부(410)로부터 실수부와 허수부 (a+bi)의 절대값의 크기(a2+b2), 즉 출력값을 산출한다.
제 2 연산부(434)에서는 시간에 따라 제 1 연산부(432)를 반복 수행하여 일정 시간별로 주파수별 출력값을 산출한다. 이때, 상기 시간 간격은 예를들어, 0.375초 정도일 수 있으며, 상기 시간 간격은 전후 시간과 약 91.7% 정도 오버랩될 수 있다.
제 3 연산부(436)는 제 2 연산부(434)에서 구하여진 일정 시간별, 주파수별 출력값을, 각 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이터에 대한 주파수별 출력값으로 나눈다. 이에 따라, 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 얻게된다.
비교부(438)는 각 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대출력값(제 3 연산부의 출력)과 미리 정해진 일정값을 비교한다. 이때, 미리 정해진 일정값은 대략 3으로서, 그 이하이면 측정된 뇌파는 잡파가 혼입되지 않은 것으로 판단한다. 한편, 제 3 연산부(436)의 출력이 3 이상이라면, 잡파가 혼입된 것으로 간주하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않는다.
디스플레이부(50)는 도 4에 도시된 바와 같이, 색상을 달리하여, 시간별, 주파수별 상대 출력값의 크기를 도식화한다.
이러한 본 발명의 뇌파 측정 장치를 이용한 뇌파 측정 방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 3을 참조하여, 먼저 뇌파 검출부(10)로부터 뇌파 데이터를 검출한다(S10).
그후, 뇌파 증폭부(20)에 의하여 뇌파 데이터를 증폭시키고, A/D 변환부(30)에 의하여 디지털 신호로 변환한다(S20). 이때, 뇌파 데이터 증폭시, 일정 주파수 대역을 필터링할 수 있다.
디지털로 변환된 뇌파 데이터를 뇌파 처리부(40)의 퓨리에 변환부(410)에 의하여 고속 퓨리에 변환한다(S30).
다음으로, 뇌파 처리부(40)내 제어부(430)의 제 1 연산부(432)에서 퓨리에 변환된 결과인 실수값과 허수값의 각각의 제곱의 합인 출력값을 각 주파수에서 산출한다. (S40).
이어서, 제 2 연산부(434)에 의하여 일정 시간별, 주파수별 출력값을 산출한다(S50).
그리고 나서, 일정 시간별, 주파수별 출력값을 해당 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력값으로 나누어, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출한다(S60).
그후, S60 단계에서 산출된 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값과 미리 주어진 일정값을 비교한다(S70). 여기서, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값의 크기가 미리 주어진 일정값보다 작으면, 뇌파에 잡파가 혼입되지 않았다고 판정하여, 뇌파 데이터를 출력한다(S80). 한편, 피험자의 기저 상태를 고려한 일정 시간별, 주파수별 상대출력값의 크기가 미리 주어진 일정값보다 크면, 뇌파에 잡파가 혼입되었다고 판정하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않고(S90), 새로이 뇌파 데이터를 검출하는 단계를 반복한다.
이와같이, 본 실시예에 의하면, 일정 시간별로 뇌파의 주파수별 출력값을 산출한 다음, 이 데이터를 해당 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력값으로 나누어서 피험자의 기저 상태를 고려한 시간별, 주파수별 상대 출력값을 구한다. 그후, 상기한 피험자의 기저 상태를 고려한 시간별, 주파수별 상대 출력값을 미리 주어진 일정값과 비교하여, 잡파가 혼입되지 않은 경우만 뇌파 데이터를 출력하도록 한다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 시간에 따라 뇌파의 주파수 성분을 분석하고, 이로부터 각 피험자별 기저 상태에 대한 상대적인 결과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 피험자에 따라 뇌파의 진폭이 다를 경우나, 생리적, 인지적 정보 처리에 따라 주파수 성분이 각기 다른 변화를 보이는 경우에도 잡파가 혼입된 뇌파를 제거할 수 있다.
또한, 잡파를 제거하기 위한 별도의 센서 등 추가적인 장비가 요구되지 않으므로, 추가 비용이 들지 않는다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러가지 변형이 가능하다.

Claims (8)

  1. 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부;
    상기 뇌파 검출부로부터 측정된 뇌파 데이터를 증폭시키는 뇌파 증폭부;
    상기 증폭된 뇌파 데이타를 아날로그에서 디지털로 변환시키는 A/D 변환부;
    상기 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 이용하여 피험자의 기저 상태를 대한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 출력하고 이로부터 잡파의 혼입 여부를 판단하는 뇌파 처리부; 및
    상기 뇌파 처리부의 결과를 표시하는 디스플레이부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 뇌파 증폭부는 감지된 뇌파 데이터를 증폭시키고, 일정 주파수 대역을 필터링하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 뇌파 처리부는 상기 뇌파 증폭부로부터 증폭된 뇌파 데이타를 정현파로 분리하기 위한 퓨리에 변환부;
    피험자의 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이터 저장부; 및
    상기 퓨리에 변환부로부터 얻어진 뇌파의 주파수별 출력값 및 피험자의 기저 상태의 뇌파 데이터에서 얻은 주파수별 출력값을 이용하여, 피험자의 기저 상태에대한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 퓨리에 변환부는 상기 뇌파 데이터를 고속 퓨리에 변환시키는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 기저 상태의 뇌파를 저장하고 있는 데이타 저장부는 피험자가 폐안 안정시(eye-closed and relaxed state) 또는 자극제시전(interval before stimulus)에 측정된 뇌파 데이터를 저장하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는 퓨리에 변환된 뇌파의 주파수별 출력값을 산출하는 제 1 연산부;
    상기 제 1 연산부의 출력을 이용하여 일정 시간별로 주파수별 출력값의 크기를 산출하는 제 2 연산부;
    상기 제 2 연산부의 출력을 각 피험자의 기저 상태의 주파수별 출력값으로 나누어 기저 상태에 대한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값을 산출하는 제 3 연산부; 및
    상기 제 3 연산부의 출력과 미리 주어진 일정 값을 비교하는 비교부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 일정 시간별로 주파수별 출력값을 산출하는 제 2 연산부에서, 상기 시간은 전후 시간 구간과 오버랩되는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.
  8. 피험자의 뇌파 데이터를 검출하는 단계;
    상기 검출된 뇌파 데이터를 증폭시키고, 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 디지털로 변환된 뇌파 데이터를 고속 퓨리에 변환하는 단계;
    상기 퓨리에 변환된 뇌파의 주파수별 출력값을 산출하는 단계;
    일정 시간 동안 상기 뇌파의 주파수별 출력값을 산출하는 단계;
    상기 일정 시간별, 주파수별 출력값을 해당 피험자의 기저 상태의 주파별 출력값으로 나누어, 피험자의 기저 상태에 대한 상대 출력값을 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 피험자의 기저 상태에 대한 일정 시간별, 주파수별 상대 출력값과 미리 주어진 일정 값을 비교하여, 피험자의 기저 상태에 대한 일정 시간별, 주파수별 상대출력값의 크기가 미리 주어진 일정 값보다 작으면 뇌파에 잡파가 혼입되지 않았다고 판정하여 뇌파 데이터를 출력하고,
    피험자의 기저 상태에 대한 시간별, 주파수별 상대출력값의 크기가 일정값보다 크면, 뇌파에 잡파가 혼입되었다고 판정하고, 뇌파 데이터를 출력하지 않는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 방법.
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