KR20120106339A - 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 침 자극을 받는 피험자의 뇌파를 분석하여 침 자극과 뇌신경전달물질과의 연관 관계를 판단할 수 있고 침 자극의 효과를 가시적으로 도출할 수 있는 뇌파 분석 시스템을 제공한다. 뇌파 분석 시스템은, 피험자로부터의 뇌파 신호를 수신하여 뇌파 데이터를 생성하는 뇌파 신호처리부와, 뇌파 신호처리부에서 생성되는 뇌파 데이터에 기초하여 피험자에게 가해지는 침 자극에 따른 뇌파 변화를 분석하는 뇌파 분석부와, 뇌파 분석부에서 분석된 결과를 표시하는 출력부를 포함한다.
Description
본 발명은 뇌파 분석 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 뇌파 분석을 이용하여 한방의 침 시술을 정량적 및 가시적으로 분석함으로써 침 시술의 정확도와 효과를 향상시킬 수 있는 뇌파 분석 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 뇌파(Brain wave)는 사람의 머리에 부착된 전극을 통해 뇌의 전기적인 활동을 비침습적으로 측정한 전기 신호를 지칭한다. 뇌파 검사는 심전도(ECG, Electrocardiogram)나 근전도(EMG, Electromyography)의 경우와 유사하게 뇌전도(EEG, Electroencephalogram)로도 지칭된다.
뇌파는 매우 복잡한 패턴으로 진동하는 파형 형태를 보인다. 따라서, 뇌파의 파형을 쉽게 관찰하기 위하여 주파수 대역에 따라 분류한 파워 스펙트럼 분석이 주로 이용된다. 파워 스펙트럼 분석은 뇌파가 특정 주파수로 진동하는 단순 진동들의 선형적 결합이라고 가정하고, 이 신호를 각각의 주파수 성분으로 분해하여 그 크기를 표시한 것이다. 뇌파는 통상 주파수 범위에 따라 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 감마파로 구분될 수 있다.
뇌파를 분석하면 사람의 상태 예컨대 육체적 안정, 주의 각성, 정신적 안정, 각성 활동, 정신적 불안, 스트레스 등의 상태를 파악하는 것이 가능하다.
본 발명은 한방의 침 시술에 따른 피험자의 뇌파 변화를 분석함으로써 침 시술 효과를 정량화하고 객관화할 수 있는 뇌파 분석 시스템을 제공하는 데에 주된 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 뇌파 분석 시스템은, 피험자로부터의 뇌파 신호를 수신하여 뇌파 데이터를 생성하는 뇌파 신호처리부; 뇌파 신호처리부에서 생성되는 뇌파 데이터에 기초하여 피험자에게 가해지는 침 자극에 따른 뇌파 변화를 분석하는 뇌파 분석부; 및 뇌파 분석부에서 분석된 결과를 표시하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 뇌파 분석부는 뇌파 데이터로부터 획득한 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 각 채널별 대역에서 최대 강도, 일정 시간 동안의 평균 강도, 및 침 자극 이전과 이후의 강도의 변화율 중 적어도 어느 하나를 추출한다.
뇌파 분석부는 각 채널별 대역에 대한 최대 강도와 평균 강도를 다각형 내부의 중심점으로부터 다각형 꼭지점에 이르는 복수의 벡터 성분으로 표시하기 위한 정보를 출력부로 전달할 수 있다. 여기에서, 출력부는 평균 강도에 대한 제1 다각형과 최대 강도에 대한 제2 다각형을 중첩하여 화면에 표시할 수 있다.
또한, 뇌파 분석부는 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파 중 적어도 하나의 강도에 따른 뇌파의 활성도를 뇌 영상에 합성하기 위하여 해당 정보를 출력부로 전달할 수 있다. 여기에서, 출력부는 뇌 영상 위에 뇌파의 활성도를 서로 다른 색상 또는 적어도 하나의 색상의 농도 차이로 표시할 수 있다.
바람직하게, 뇌파 분석부는 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 강도에 기초하여 피험자의 부족한 뇌신경전달물질을 파악한다.
뇌신경전달물질은 도파민, 아세틸콜린, 가바, 및 세로토닌을 포함한다. 여기에서, 도파민은 베타파, 아세틸콜린은 알파파, 가바는 쎄타파, 그리고 세로토닌은 델타파와 각각 연관된다.
바람직하게, 뇌파 분석부는 침 자극에 의한 각 채널별 대역의 강도의 변화율이 유효 기대값 또는 실측 기대값 이상을 나타내는 적어도 하나의 채널 또는 전극을 추출하고, 추출한 채널 또는 전극의 강도의 변화율에 기초하여 해당 침 시술 또는 적어도 하나의 침 자극에 대한 유효성을 판단한다.
뇌파 분석부는 침 시술의 유효성에 대한 정보를 출력부로 전달한다. 여기에서, 출력부는 도파민, 아세틸콜린, 가바, 및 세로토닌을 사분면으로 하는 그래프 영상 위에 사분면 중 어느 하나를 가리키는 화살표와 그 크기로 침 시술의 유효성을 판단할 수 있다.
또한, 뇌파 분석부는 각 채널별 대역에서의 침 자극 이전 및 이후의 뇌파 상태 또는 레벨 변화에 대한 정보를 출력부로 전달한다. 여기에서, 출력부는 뇌파의 상태 또는 레벨 변화를 각 채널별로 뇌의 빔 형태로 표시할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 뇌파 분석 시스템은 전술한 일 측면의 구성에 더하여 뇌파 신호처리부에 연결되는 뇌파 감지부를 더 포함한다. 여기에서, 뇌파 감지부는, 피험자의 이마엽 또는 전두부, 마루엽 또는 중앙부, 관자엽 또는 측두부, 및 뒤통수엽 또는 후두부 중 적어도 어느 하나에 부착되는 적어도 하나의 전극과, 피험자의 귀에 연결되는 기준전극을 구비할 수 있다.
본 발명에 의하면, 한방의 침 시술에 따른 뇌파 변화를 분석함으로써 침 시술의 효과를 가시적으로 그리고 정량적으로 도출할 수 있다. 또한, 침 시술 이전과 침 시술 이후의 뇌파 변화를 임상실험 등에 의한 기준값 또는 유효값과 비교함으로써 침 시술에 대한 정량화되고 객관화된 결과를 제공할 수 있으며, 또한 그것에 의해 한방 침 치료의 발전에 기여할 수 있다.
또한, 침 자극 이전과 이후의 뇌파 변화에 대한 정량화된 자료에 기초하여 침 시술과 뇌신경전달물질과의 연관 관계를 유추할 수 있다. 아울러, 뇌파 분석을 통해 부족한 뇌신경전달물질을 파악하고 뇌파 분석과 결합된 침 시술을 통해 부족한 뇌신경전달물질이 균형잡히도록 할 수 있고, 그것에 의해 뇌 체질을 건강하게 하는데 기여할 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1b는 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 일 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2 및 도 3은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 일부 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 내지 도 6은 도 1a의 뇌파 분석부의 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 일 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
도 2 및 도 3은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 일부 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4 내지 도 6은 도 1a의 뇌파 분석부의 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 7은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
이하에서 설명하는 본 실시예의 뇌파 분석 시스템은 네 가지 뇌화학물질 또는 뇌신경전달물질으로서 도파민(Dopamine), 아세틸콜린(Acetylcholine), 가바(Gaba), 세로토닌(Serotonin)이 정해질 질서와 정확한 양으로 인체의 뇌에 작용할 때 건강을 유지할 수 있다는 공개된 연구 결과에 기초하고 있다. 이러한 뇌화학물질은, 인간의 뇌를 크게 4가지 영역으로 나눌 때, 도파민은 이마엽에서, 아세틸콜린은 마루엽에서, 가바는 관자엽에서, 세로토닌은 뒤통수엽에서 주로 생산되는 것으로 알려져 있다.
위의 4가지 뇌화학물질 중에 어느 것을 더 많이 타고나는가에 따라 사람의 뇌 체질이 결정된다고 가정하면, 뇌 체질에 따라 사람의 신체적 건강과 성격, 정신에는 절대적인 영향이 미칠 수 있다. 이러한 뇌 균형 효과의 관점에서, 작은 전기적 불균형 즉 뇌파의 불균형은 건강상의 문제를 크게 확대시킬 수 있다. 다시 말해서, 사람의 몸은 뇌 활동 중의 미세한 항로 이탈을 감지할 수 있을 정도로 섬세하며, 따라서 작은 전기적 불균형이 심각한 건강 문제로 발전할 수 있다. 이와 같이, 뇌가 전기적 지시를 정확하게 이행하지 못할 때 뇌 기능의 균형은 깨질 수 있고, 그것은 하나 이상의 뇌화학물질의 결핍에 의한 것이라고 생각할 수 있다.
예를 들면, 도파민이 결핍된 사람은 주의력 결핍 장애 증상을 보일 수 있고, 아세틸콜린이 결핍된 사람은 충동적이거나 폭력적인 성향이 강할 수 있으며, 가나가 지나치게 많은 사람은 다른 사람의 사랑과 보살핌을 받는 성향이 강하거나 다른 사람의 판단만을 중요시하는 성향이 강할 수 있고, 세로토닌이 결핍된 사람은 변덕이 심하거나 우울증 증상을 보일 가능성이 높다.
4가지 뇌신경전달물질에 대하여 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
1) 도파민(Dopamine)
뇌 건강의 첫 번째 척도는 전압이다. 전압은 뇌의 전력을 결정하며, 뇌화학물질인 도파민과 연관되어 있다. 이는 뇌파를 높은 에너지로 표현함으로써 그 파라미터를 추출할 수 있다. 뇌의 전압은 전력 혹은 뇌가 자극에 반응하는 강도를 의미하며, 단편 정보들을 처리하는 뇌의 능력을 좌우한다. 뇌 전압은 완전히 깨어 있는 상태에서 숙면 상태까지 신진대사와 다양한 의식 상태를 결정짓는다. 적절한 전압이 없이는 말 그대로 느려져서 성격과 행동이 모두 우둔해진다.
예를 들어, 비만은 도파민 결핍과 연관되어 있고, 뇌파 전압의 수치가 낮아지면 뇌에 필요한 도파민을 얻지 못하여 에너지가 계속 줄면서 몸은 점점 비대해질 것이다.
2) 아세틸콜린(Acetylcholine)
뇌 건강의 두 번째의 척도는 전기적 속도이다. 뇌 속도는 뇌화학물질인 아세틸콜린과 연관되어 있다. 이는 뇌파를 높은 에너지와 빠른 속도로 표현함으로써 그 파라미터를 추출할 수 있다. 뇌의 속도는 뇌 전기 신호의 진행 속도를 의미한다. 이 수치는 뇌의 실제 나이를 결정하며, 그것은 우리의 달력 나이와 많이 다를 수 있다. 뇌의 속도를 증강함으로써 기억력, 집중력, 지능지수, 심지어 행동까지도 향상시킬 수 있다. 뇌의 속도가 떨어지면 뭔가 자꾸 잊어버리고 왠지 멍한 느낌이 들 수 있다. 뇌 속도의 저하는 기억력과 사고력에 영향을 미치고 뇌 속도가 느리다는 것은 알츠하이머병의 조기 경보가 될 수 있다.
3) 가바(Gaba)
뇌 건강의 세 번째 척도는 리듬이다. 리듬은 뇌화학물질인 가바와 연관되어 있다. 이는 뇌파의 유형을 정확한 리듬으로 표현함으로써 그 파라미터를 추출할 수 있다. 뇌파 리듬의 이탈은 너무 빠르거나, 너무 느리거나, 너무 흥분되어 있거나, 너무 둔한 모습으로 나타나게 되는데, 뇌파 리듬의 장애는 가바 수치의 감소로 나타난다.
예를 들어, 리듬의 불안정은 알레르기 환자에게서 발견될 수 있으며, 다양한 불안 관련 증상과 빈맥, 고혈압 등의 증상으로도 표현되며, 심한 가바의 불균형으로 갑작스럽고 맹렬한 격노를 보일 수 있다.
4) 세로토닌(Serotonin)
뇌 건강의 마지막 척도는 균형 또는 동시성이다. 동시성은 세로토닌에 의해 통제되는 반구와 반구 사이의 뇌파의 균형이다. 이는 좌우 뇌파의 유형에 대한 균형성을 판단함으로써 그 파라미터를 추출할 수 있다. 뇌파의 균형이 깨지면 우리는 뭔가 조화가 깨진 듯한 느낌과 함께 숙면을 이루지 못하거나, 마음이 산란해지거나, 감정을 조절하기가 힘들어진다.
예를 들어, 세로토닌의 결핍은 생리전 증후군을 앓는 여성이나 조루가 있는 남성에게 빈빈히 나타나고, 과민성 대장증상, 폐경전 증후군 등 기분장애를 포함한 광범위한 증상들에서 볼 수 있다. 심각한 불면증과 함께 쉽게 흥분하고 감정적인 사람들한테서 흔히 세로토닌 결핍 현상인 좌뇌와 우뇌의 불균형이 나타난다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 뇌파 분석 시스템은 한방 의학에서 시술되는 침 또는 침 자극이 뇌파에 미치는 영향을 실시간으로 분석하여 침 시술에 적용함으로써 침 시술의 안정성과 성능을 향상시키면서 뇌 체질을 개선할 수 있는 하나의 방안으로 제공될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 분석 시스템의 개략적인 구성도이다. 도 1b는 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 일 실시예에 대한 개략적인 블록도이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 뇌파 분석 시스템(10)은 기본적으로 뇌파 신호처리부(14), 뇌파 분석부(16), 및 출력부(18)를 포함한다.
또한, 뇌파 분석 시스템(10)은 전술한 뇌파 신호처리부(14), 뇌파 분석부(16) 및 출력부(18)에 더하여 뇌파 신호처리부(14)에 전기적으로 연결되며 감지된 뇌파 신호를 뇌파 신호처리부(14)로 전달하는 뇌파 감지부(12)를 더 포함하도록 구현될 수 있다.
전술한 뇌파 분석 시스템(10)에 의하면, 뇌파는 뇌파 감지부(12)에 의해 센싱되고, 뇌파 신호처리부(14)에 의해 변환되며, 뇌파 분석부(16)에 의해 분석된 후, 출력부(18)에 의해 표시될 수 있다. 다시 말해서, 본 실시예의 뇌파 분석 시스템(10)은, 기존의 뇌파 감지부와 뇌파 신호처리부를 사용하는 경우, 뇌파 분석부와 출력부에 대응하는 구성부를 구비한 컴퓨터 기반의 하드웨어에서 작동하는 소프트웨어적인 솔루션으로 구현될 수 있다.
전술한 뇌파 분석 시스템(10)의 구성요소를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
뇌파 감지부(12)는 뇌파 측정 대상이 되는 사람(이하, '피험자'라고 함)의 머리 부분에 배치되어 피험자의 뇌파를 측정하기 위한 수단 또는 그러한 수단에 상응하는 구성부를 지칭한다.
예를 들면, 뇌파 감지부(12)는 피험자의 이마엽 또는 전두부, 마루엽 또는 머리 상단의 중앙부, 관자엽 또는 측두부, 및 뒤통수엽 또는 후두부 중 적어도 어느 한 곳에 배치되는 적어도 하나의 전극(이하, 생체전극이라 함)을 구비한다. 생체전극은 일 실시예에서 생체전극은 6 또는 8 채널을 형성하도록 적어도 6 또는 8개로 구성될 수 있다.
또한, 뇌파 감지부(12)는 피험자의 귀에 연결되며 그라운드(Ground)와 기준(Reference)의 역할을 담당하는 적어도 하나의 기준전극을 구비할 수 있다.
이러한 뇌파 감지부(12)는 적어도 하나의 생체전극이 피험자의 뇌의 미소 전압을 수집할 수 있도록 구성된 EEG 밴드(Electroencephalogram 또는 Electroencephalography Band, 12a)로 구현될 수 있다.
뇌파 신호처리부(14)는 뇌파 감지부(12)로부터 받은 뇌파 신호를 뇌파 데이터로 변환하는 수단 또는 그러한 수단에 상응하는 구성부를 지칭한다.
뇌파 신호처리부(14)는 피험자의 뇌파 신호를 받아 적절히 변환하여 뇌파 분석부(16)로 전달하기 위한 장비로서, 뇌파 신호를 채널별 신호로 증폭하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 뇌파 신호처리부(14)는 뇌파 감지부(12)로부터 받은 뇌파 신호를 채널별로 증폭하는 신호증폭보드(Signal Amp. Board)를 구비할 수 있다. 신호증폭보드는 차동증폭회로를 포함할 수 있다. 또한, 뇌파 신호처리부(14)는 신호증폭보드에서 증폭된 뇌파 신호를 원하는 형태의 뇌파 데이터로 변환하거나 신호증폭보드를 제어하고 외부 장치와의 통신을 위한 메인 컨트롤보드(Main Control Board)를 구비할 수 있다.
또한, 뇌파 신호처리부(14)는 뇌파 분석부(16)와의 통신을 위해 소정의 통신 인터페이스를 구비할 수 있다. 통신 인터페이스는 범용 직렬 버스(USB, Universal Serial Bus) 등의 통신 포트나, 유무선 통신망에 접속가능한 통신 포트를 포함할 수 있다.
전술한 뇌파 신호처리부(14)의 일례가 도 1b에 본체(Main, 14a)로 도시되어 있다.
뇌파 분석부(16)는 뇌파 신호처리부(14)로부터 받은 뇌파 데이터에 기초하여 피험자에게 가해지는 침 자극에 따른 뇌파 변화를 분석하는 수단 또는 이러한 수단을 포함하는 구성부를 지칭한다.
예를 들면, 뇌파 분석부(16)는 뇌파 데이터를 분석하기 위한 프로그램이 저장되는 메모리와, 이 메모리에 저장된 프로그램을 수행하는 프로세서를 구비하는 것으로 구현될 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 뇌파 분석부(16)는 침 자극에 의해 뇌파 데이터를 분석하기 위한 소프트웨어가 탑재되는 기존의 컴퓨터 기반의 장치(16a)로 구현될 수 있다.
출력부(18)는 뇌파 분석부(16)에 연결되고 뇌파 분석부(16)로부터 받은 분석 결과를 표시하는 수단 또는 이러한 수단에 상응하는 구성부를 지칭한다.
예를 들면, 출력부(18)는 소정 영상을 출력하기 위한 화면을 구비하는 디스플레이 장치로 구현될 수 있다. 또한, 출력부(18)는 뇌파 분석부(16)의 분석 결과를 음성으로 출력하는 스피커를 포함할 수 있다. 이러한 디스플레이 장치와 스피커는 기존의 컴퓨터 장치에 연결된 모니터와 스피커에 대응될 수 있다.
또한, 출력부(18)는 한의사 등의 침 시술자나 그 관련자 또는 피험자 등에게 유선 또는 무선 통신 시스템을 통해 뇌파 분석부(16)의 분석 결과를 전달하는 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 출력부(18)는 피험자가 스마트폰 등의 통신 단말에 탑재된 어플리케이션을 통하여 뇌파 분석부(16)에 접속하고 뇌파 분석부(16)로부터 자신의 침 자극과 결합된 뇌파 분석 결과를 확인할 수 있도록 구현가능하다. 그러한 경우, 뇌파 분석부(16)는 웹 서버 또는 통신 서버의 기능을 담당하는 구성부를 구비하거나 그러한 별도 구성부에 연결될 수 있다.
본 실시예에 따른 뇌파 분석 시스템은 피험자의 뇌로부터 나오는 미소 전압 신호를 측정하기 위하여 피험자의 머리에 전극 및 케이블을 밴드를 이용하여 부착하고, 이러한 전극을 통해 뇌파를 유도한다. 유도된 뇌파 신호는 미소 전압을 증폭하고 변환하는 장치 예컨대 뇌파 신호처리부에서 증폭되고 변환된다. 변환된 뇌파 데이터는 뇌파 분석부의 뇌파 분석 알고리즘에 의해 분석된다. 분석된 피험자 뇌의 전기 활동 신호는 뇌파 분석부의 메모리 등의 저장부에 기록되고 출력부에서 스펙트럼 밀도와 주파수 등으로 표시된다.
다음은 본 실시예의 뇌파 분석 시스템의 작동 과정과 분석 결과를 출력부의 화면을 보듯 해당 도면을 참조하면서 좀더 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 뇌파 신호처리부는 수신한 뇌파 신호를 뇌파 데이터로 변환한다. 본 실시예에서 뇌파 신호(22)는 이마엽 또는 전두부에 부착된 두 전극들(F1 및 F2), 뒤통수엽 또는 후두부에 부착된 두 전극들(R1 및 R2), 관자엽 또는 측두부에 부착된 두 전극들(L1 및 L2), 및 마루엽 또는 뇌 중앙부에 부착된 두 전극들(U1 및 U2)에서 각각 측정한 뇌파를 포함한다.
뇌파 분석부는 뇌파 신호(22)로부터 각 채널별 대역으로 구분되는 델타(δ)파, 쎄타(θ)파, 알파(α)파, 베타(β)파, 및 감마(γ)파를 추출할 수 있다. 예컨대, 뇌파 분석부는 뇌파 신호처리부와의 통신을 통하여 뇌파 신호처리부에서 뇌파 신호가 뇌파 데이터로 적절히 변환되도록 작동할 수 있다. 그러한 경우, 뇌파 신호처리부에는 아날로그 디지털 컨버터, 필터 등이 구비되는 것이 바람직하다.
일 실시예에서, 뇌파 신호(22)는 도 3에 도시한 바와 같이 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 통해 주파수 영역의 뇌파 신호(이하, 뇌파 데이터라고 함)로 변환될 수 있다.
뇌파 데이터(32)는 파워 스펙트럼(Power Spectrum) 형태로 표시될 수 있다. 이러한 파워 스펙트럼을 이용한 파워 스펙트럼 분석은 뇌파가 특정 주파수로 진동하는 단순 진동들의 선형적 결합이라고 가정하고, 이 신호에서 각각의 주파수 성분을 분해하여 그 크기를 표시한 것이다. 상기 용어 '크기'는 본 명세서에서 강도, 진폭, 세기 등의 용어와 혼용될 수 있다.
본 실시예의 뇌파 데이터(32)에 있어서, 델타파는 약 0.2 ~ 3.99㎐, 쎄타파는 약 4 ~ 7.99㎐, 알파파는 약 8 ~ 12.99㎐, 베타파는 약 13 ~ 29.99㎐, 그리고, 감마파는 약 30 ~ 50㎐로 구분될 수 있다. 도 3에서 특정 주파수 대역(34)은 알파파 대역에 대응한다.
또한, 뇌파 데이터(32)는 센싱 전극 또는 뇌파 측정 부위에 따라 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 크기를 구분한 2차원의 원형 차트 형태(36)로 표시될 수 있다. 이러한 차트 형태는 시각적으로 보기 편리한 이점이 있다.
본 실시예의 뇌파 분석 시스템은 8개의 센싱전극에 의해 유도한 뇌파 신호(22)가 포함된 뇌파 신호 영상(20)과, 각각의 뇌파 신호(22)를 고속 푸리에 변환에 의해 변환한 뇌파 데이터(32)가 포함된 적어도 한 형태의 뇌파 데이터 영상을 출력부의 단일 화면상에 제1 분석 영상(30)으로 표시할 수 있다.
본 실시예에 따른 뇌파 분석 시스템에서 파워 스펙트럼을 얻는 방법의 일 실시예를 간략히 설명하면 다음과 같다.
우선, 파워 스펙트럼 형태로 뇌파분석 주파수와 파워의 관계를 보여 주기 위하여 기수집된 8개의 뇌파 신호는 뇌파 분석부 예컨대 컴퓨터에 의해 고속 푸리에 변환된다.
다음으로, 2차원적 보간법(Two-Dimensional Interpolation)을 이용하여 소정의 예측값을 생성한다. 예측값은 뇌파 분석부에 의해 구현되는 아래의 수학식 1과 같은 보간 공식에 따라 생성될 수 있다.
[수학식 1]
수학식 1에서, X는 뇌파 데이터의 특정 주파수를 나타내고, Y는 X에 대응하는 전압 또는 크기를 나타낸다.
다음으로, 예측값을 기준으로 뇌파 데이터에 대한 등전위 지도(Isopotential Map)를 획득한 후, 획득한 수치를 주파수 영역의 모형 영상에 반영함으로써, 원하는 파워 스펙트럼을 얻을 수 있다.
도 4 내지 도 6은 도 1a의 뇌파 분석부의 작동 과정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 뇌파 분석부는 뇌파 신호처리부에서 받은 뇌파 데이터(32)로부터 각 채널별 대역 즉 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파 대역의 최대 강도와 일정 시간 동안의 평균 강도를 획득할 수 있다.
여기에서, 최대 강도는 뇌파 데이터의 특정 주파수에 대한 진폭의 최대 크기에 대응하고, 평균 강도는 일정 시간 동안의 뇌파 데이터의 특정 주파수에 대한 진폭의 평균 크기에 대응한다.
본 실시예에서 뇌파 분석부는 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 최대 강도의 일례로서 24, 45, 23, 12, 및 81의 값을 가진다.
이러한 뇌파 분석부의 분석 결과는 각 채널별 대역의 최대 강도와 평균 강도를 다각형 내부의 중심점으로부터 다각형 꼭지점에 이르는 복수의 벡터 성분으로 표시하기 위한 정보 형태로 출력부로 전달될 수 있다. 출력부는 수신된 정보에 따라 평균 강도에 기초한 제1 다각형(42)과 최대 강도에 기초한 제2 다각형(44)을 중첩한 뇌파 분포 영상(40)을 화면에 표시할 수 있다.
뇌파 분포 영상(40)은 침 시술 전과 침 시술 후에 각각 독립적으로 제공될 수 있다. 특히, 침 시술이 적용된 경우, 제1 다각형(42)은 침 자극 이전의 평균 강도에 대한 성분을 표시한 것에 대응되고, 제2 다각형(44)은 침 자극 이후의 최대 강도에 대한 성분을 표시한 것에 대응될 수 있다.
또 다른 측면에서, 본 실시예의 뇌파 분석부에서 분석한 뇌파의 측정 결과는 뇌 영상에 직접 표시될 수 있다. 즉, 도 5에 도시한 바와 같이, 뇌파 분석부는 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 최대 강도 또는 평균 강도를 뇌 영상(52)에 적절히 합성하여 표시할 수 있다. 예를 들면, 출력부는 각 채널별 대역의 최대 강도를 뇌 영상(52)에 합성하여 뇌 영상(52)의 표면이 서로 다른 색상 또는 서로 다른 색상 레벨(54)로 어느 정도 구분되어 표시되도록 작동할 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 출력 영상을 뇌파 활성도 합성 영상(50)이라 지칭한다.
전술한 뇌파 신호 영상(20), 뇌파 분포 영상(40), 및 뇌파 활성도 합성 영상(50)은 출력부의 단일 화면상에 표시될 수 있다. 즉, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 실시예의 뇌파 분석 시스템은 센싱전극별 실시간 뇌파 신호를 포함한 뇌파 신호 영상(20), 각 채널별 대역에 대한 뇌파의 활성도(Activity)를 나타내는 뇌파 분포 영상(40), 및 뇌 영상과 뇌파의 활성도를 합성하여 나타낸 뇌파 활성도 합성 영상(50)을 출력부에서 단일 화면 형태로 표시할 수 있다. 본 실시예에서는 이러한 출력 영상을 제2 분석 영상(60)이라 지칭한다.
도 7은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 침 시술 이전의 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 최대 강도가 기재된 순서대로 각각 24, 45, 23, 12, 및 81일 때를 가정하면, 알파파의 값이 소정 기준값을 기준으로 하거나 또는 다른 종류의 뇌파에 비해 상대적으로 작기 때문에 피험자의 뇌 체질은 아세틸콜린이 부족한 것으로 볼 수 있다.
그것은 도파민이 뇌 안의 높은 전압 또는 베타파와 주로 연관되어 있고, 아세틸콜린이 오감에 대한 뇌의 반응 속도 또는 알파파와 주로 연관되어 있고, 가바가 관자엽에서 생성되는 것으로서 뇌 전체에 걸쳐 있는 뇌파의 리듬 또는 쎄타파와 주로 연관되어 있고, 그리고 세로토닌이 뒤통수엽에서 분비되는 것으로서 뇌의 전반적인 균형 또는 델타파와 주로 연관되어 있다는 연구 결과에 근거한다.
한편, 도 7의 좌측 그래프(72)에 도시된 바와 같이, 침 시술 이후의 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 최대 강도가 기재된 순서대로 각각 45, 62, 34, 95, 및 70 정도가 된다면, 침 자극에 의해 뇌 체질에 변화가 생겼다고 볼 수 있다.
따라서, 본 실시예에서는 침 시술이 뇌 체질에 어떠한 영향을 미쳤는가를 판단하기 위하여 다음과 같은 방법을 이용하여 기준값 또는 유효 기대값을 산출한다. 이러한 유효 기대값 또는 실측 기대값은 실제 뇌파를 판단하는 기준으로 사용되며, 이렇게 판단된 뇌파의 강도나 변화율을 이용하면 침 자극에 의해 뇌 체질의 변화를 쉽게 확인할 수 있다.
본 실시예에서는 6개의 도자를 이용하여 뇌파를 유도한다. 도자는 생체전극을 나타내며, 전두부에 부착되는 두 전극들(Fp1, Fp2)과, 측두부와 후두부에 각각 부착되는 네 개의 전극들(T1, T2, T3, T4)를 포함한다.
우선, 시간대별 및 파형별 뇌파 변화의 기대값을 산출하기 위하여, 각 도자의 시간대별 침 자극 이전과 이후와의 차이에 대한 수치인 변화폭을 절대값으로 취하여 양의 값으로 변경한다. 그리고, 6개의 도자에서 통계적으로 유효한 차이를 보인 값의 변화폭을 평균으로 계산하여 산출한다. 그리고, 유효 도자의 값이 아닌 경우, 주목할 만한 차이를 나타내지 않은 도자이므로 무시한다. 이를 예를 들어 좀더 구체적으로 설명하면, 아래의 표 1 내지 표 4에 나타낸 바와 같다.
표 1 내지 표 4에서 델타(Delta), 쎄타(Theta), 알파(Alpha), 베타(Beta), 및 감마(Gamma)는 기재된 순서대로 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파를 각각 나타낸다.
표 1 및 표 2는 단순자침시와 수기자침시 각각의 침 자극에 대한 시간대별 및 파형별 뇌파 변화의 유효 기대값을 나타낸다. 여기에서, 단순자침은 단순하게 피험자의 신체에 침을 삽입하여 자극을 준 경우를 나타내며, 수기자침은 피험자의 몸에 삽입된 침을 앞이나 뒤로 밀거나 끌어당기거나 돌리는 기법 등이 더하여 자극을 준 경우를 나타낸다.
표 1에서, 단순자침 방식의 침 자극 후 0~3분에 대한 제3 컬럼에서는 델타파, 베타파 및 감마파가 유효 기대값을 나타내었고, 3~6분에 대한 제4 컬럼에서는 델타파 및 쎄타파가 유효 기대값을 나타내었고, 6~9분과 9~12분에 대한 컬럼들에서는 유효 기대값을 나타낸 뇌파가 없었으며, 12~15분에 대한 제7 컬럼에서는 알파파가 유효 기대값을 나타내었다.
그리고, 표 2에서, 수기자침 방식의 침 자극 후 0~3분에 대한 제3 컬럼에서는 델타파, 쎄타파, 알파파 및 베타파가 유효 기대값을 나타내었고, 3~6분과 9~12분에 대한 컬럼들에서는 유효 기대값을 나타낸 뇌파가 없었으며, 6~9분에 대한 제4 컬럼에서는 델타파 및 알파파가 유효 기대값을 나타내었고, 12~15분에 대한 제7 컬럼에서는 델타파 및 알파파가 유효 기대값을 나타내었다.
특히 본 실시예의 뇌파 분석 시스템은 단순자침과 수기자침 시에 유효 기대값을 나타내는 뇌파와 해당 도자를 조합한 경우이다.
예를 들면, 단순자침과 수기자침의 중요성을 1:2의 비율로 가중치를 주어 가중 평균을 계산한다. 아래의 표 3은 표 1과 표 2를 조합한 것으로, 표 3에서 음영으로 표시된 부분은 가중치가 반영된 것이다. 일례로, 제3 컬럼의 델타파의 경우, 아래의 수학식 2와 같이 계산된다.
[수학식 2]
[(2.32×1)+(2.94×2)]/3 ≒ 2.73
본 실시예에 있어서, 앞서 언급한 바와 같이 기설정된 정책에 따라 단순자침 및 수기자침 중 어느 하나에도 유효 기대값이 없는 경우 해당 뇌파를 무시될 수 있다.
다음으로, 표 4에 도시한 바와 같이, 유효 기대값 자체를 최종적으로 유효한 것으로 인정하는 방식에 더하여 유효 기대값 내에서의 소정의 인정 비율 예컨대 실측 기대값(60% 또는 80%) 이상의 뇌파 변화값을 나타내는 것을 최종적으로 유효한 것으로 인정하는 방식이 선택적으로 채택될 수 있다.
표 4에서 볼 수 있듯이, 침 자극 후 0~3분 범위에서는 6개의 유효 도자들(Fp1,Fp2,T3,T4,T5,T6)이, 3~6분 범위에서는 두 도자들(Fp2,T6)이, 6~9분 범위에서는 두 도자들(Fp1,Fp2)이, 그리고 12~15분 범위에서는 여섯 도자들(Fp1,Fp2,T3,T4,T5,T6)이 유효 기대값 및 실측 기대값을 각각 나타내고 있다.
전술한 유효 기대값은 통계적으로 계산되어 도 7의 우측 그래프(74)에 점수(A-Score)와 같이 표시될 수 있다. 이러한 뇌신경전달물질에 대한 점수(A-Score)는 시간대별 및 각 채널별 대역의 뇌파 변화에 기초하여 유효 기대값을 갖는 침 자극을 수치화한 것으로, 뇌파 데이터로부터 얻은 부족한 뇌신경전달물질(D.N, Deficient Neurotransmitter)에 대하여 해당 침 자극이 매우 유효한가(Very Effective), 유효한가(Effective), 또는 유효하지 않은가(Not Effective)를 판단하는 기준으로 유용하게 이용될 수 있다. 본 실시예에서는 점수 0~1.0 미만, 1.0~2.0 미만, 그리고 2.0~3.0까지의 구간 값으로 유효하지 않음, 유효함, 매우 유효함을 판단하고 있다.
도 8은 도 1a의 뇌파 분석 시스템의 분석 과정의 또 다른 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이, 뇌파 분석 시스템은 침 자극 이전(Before)과 침 자극 이후(After)에 얻은 각 채널별 대역의 뇌파를 뇌의 빔 영상(80) 형태로 출력할 수 있다. 뇌의 빔 영상(80)에는 침 자극에 대한 기준 영상(Reference)이 함께 제공될 수 있다.
뇌의 빔 영상(80)은 뇌의 등전위 지도 형태를 구비한 것으로, 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파에 대하여 각각 표시될 수 있다.
이러한 뇌의 빔 영상(80)은 도파민, 아세틸콜린, 가나, 및 세로토닌이 균형을 이루는 정상적인 뇌와 그것들 중 적어도 하나가 불균형한 비정상적인 뇌의 경우와 비교하는 것에 대응될 수 있다.
전술한 실시예에 의하면, 기본적인 모드 예컨대 침 시술 이전에 해당하는 B mode에서, 환자가 밴드를 착용하여 바이오피드백(ERP, Event Related Potential)를 수행했을 때 환자의 뇌파를 분석하여 환자의 부족한 뇌신경전달물질(도파민, 아세틸콜린, 가바, 세로토닌)이 무엇인지 알려 주고, 그리고 활성화되는 뇌파(δ, θ, α, β, γ)를 파악하여 환자의 상태를 보여 줄 수 있다. 또한, 침 기능 모드 예컨대 침 시술 병행에 해당하는 P mode에서, 피험자로부터 B mode시에 얻을 수 있는 바이오피드백 기능 이외에 추가적으로 침 시술에 의한 효과를 모니터링할 수 있다. 이러한 P mode를 이용하면, 한방의 침 시술을 객관화하고 정량화할 수 있다.
특히, 환자 등의 피험자에게 침을 놓았을 때 침의 효과를 기준 점수(A-score)에 대한 유효값으로 수치화하여 보여줌으로써 특정 뇌신경전달물질의 결핍이 있다고 판단되는 환자에게 침 시술이 어느 정도 효과가 있는지 가시적으로 보여줄 수 있다. 또한, 한의사 등의 시술자는 침 치료의 객관화된 지표로 부족한 뇌신경전달물질을 가진 환자에게 자신이 시술한 침 자극이 긍정적인 효과가 있는지 있다면 얼마나 효과가 있는지를 간단히 파악할 수 있고, 그것에 의해 환자의 관찰과 처방에 유용하게 활용할 수 있다. 이와 같이, 본 시스템은 한방의 침 치료에 대해서 모니터링하고 객관화하는 가이드(Guide)를 제공하는데 기여할 수 있다.
이상에서, 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 상기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명은 첨부한 특허청구범위 및 도면 등의 전체적인 기재를 참조하여 해석되어야 할 것이며, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
Claims (10)
- 피험자로부터의 뇌파 신호를 수신하여 뇌파 데이터를 생성하는 뇌파 신호처리부;
상기 뇌파 신호처리부에서 생성되는 뇌파 데이터에 기초하여 피험자에게 가해지는 침 자극에 따른 뇌파 변화를 분석하는 뇌파 분석부; 및
상기 뇌파 분석부에서 분석된 결과를 표시하는 출력부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 뇌파 데이터로부터 획득한 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 각 채널별 대역에서 최대 강도, 일정 시간 동안의 평균 강도, 및 상기 침 자극 이전과 이후의 강도의 변화율 중 적어도 하나를 추출하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 각 채널별 대역에 대한 상기 최대 강도 및 상기 평균 강도를 다각형 내부의 중심점으로부터 다각형 꼭지점에 이르는 복수의 벡터 성분으로 표시하기 위한 정보를 상기 출력부로 전달하고,
상기 출력부는 상기 평균 강도에 대한 제1 다각형과 상기 최대 강도에 대한 제2 다각형을 중첩하여 화면에 표시하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파 중 적어도 하나의 강도 또는 세기에 따른 뇌파의 활성도를 뇌 영상에 합성하기 위한 정보를 상기 출력부로 전달하고,
상기 출력부는 상기 뇌 영상 상에 상기 뇌파의 활성도를 서로 다른 색상 또는 적어도 하나의 색상의 농도 차이로 표시하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파의 강도에 기초하여 상기 피험자의 부족한 뇌신경전달물질을 파악하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제5항에 있어서,
상기 뇌신경전달물질은 도파민, 아세틸콜린, 가바, 및 세로토닌을 포함하고,
상기 도파민은 베타파, 상기 아세틸콜린은 알파파, 상기 가바는 쎄타파, 및 상기 세로토닌은 델타파와 연관되는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제6항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 강도의 변화율 또는 강도의 차이가 유효 기대값 또는 실측 기대값 이상을 나타내는 적어도 하나의 채널 또는 전극을 추출하고, 추출한 적어도 하나의 채널 또는 전극의 강도의 변화율에 기초하여 침 자극의 유효성을 판단하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 침 자극의 유효성에 대한 정보를 상기 출력부로 전달하고,
상기 출력부는 상기 도파민, 아세틸콜린, 가바, 및 세로토닌을 사분면으로 하는 그래프 영상 상에 상기 사분면 중 어느 하나를 가리키는 화살표로 상기 침 자극의 유효성을 표시하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 뇌파 분석부는 상기 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파 각각에 대한 상기 침 자극 이전 및 이후의 레벨 변화에 대한 정보를 상기 출력부로 전달하고,
상기 출력부는 상기 레벨 변화를 각 채널별로 뇌의 빔 형태로 표시하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뇌파 신호처리부에 연결되는 뇌파 감지부를 더 포함하고,
상기 뇌파 감지부는, 상기 피험자의 이마엽 또는 전두부, 마루엽 또는 중앙부, 관자엽 또는 측두부, 및 뒤통수엽 또는 후두부 중 적어도 어느 한 곳에 부착되는 적어도 하나의 전극과, 상기 피험자의 귀에 연결되는 기준전극을 구비하는 것을 특징으로 하는 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템.
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| KR1020110024398A KR20120106339A (ko) | 2011-03-18 | 2011-03-18 | 침 자극과 결합된 뇌파 분석 시스템 |
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| KR20120106339A true KR20120106339A (ko) | 2012-09-26 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20170050150A (ko) | 2015-10-29 | 2017-05-11 | 서울대학교산학협력단 | 소아 청소년의 뇌 건강 상태 진단 방법 및 이를 수행하기 위한 장치 |
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2011
- 2011-03-18 KR KR1020110024398A patent/KR20120106339A/ko not_active Ceased
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