KR20130005802A

KR20130005802A - 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치 및 그의 구동방법

Info

Publication number: KR20130005802A
Application number: KR1020110067424A
Authority: KR
Inventors: 진경수; 김은태; 진수영; 이회문; 진주영
Original assignee: 주식회사 제이유에이치
Priority date: 2011-07-07
Filing date: 2011-07-07
Publication date: 2013-01-16

Abstract

본 발명은 생체신호 기반 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치 및 그의 구동방법을 제공하기 위한 것으로, 이와 같은 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는 사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 식별하기 위한 뇌전도 센서와, 상기 센싱된 뇌파를 바탕으로 수면 단계에 맞추어 청각 및 시각(3색 LED)을 자극하는 수단이 구비된 것을 특징으로 하고, 이와 같은 이목 마스크 장치를 이용한 개인 맞춤형 수면 유도 방법은, 3색(B,Y,G)의 LED 광원과 사운드 트랙의 음원을 순차적으로 들려주면서 사용자의 뇌전도 센서로 뇌파를 측정하여 수면 단계를 5단계로 분류하여, 각 수면 단계에 맞게 시각과 청각을 제어하여 수면을 유도하는 것을 포함하고, 상술한 본 발명은 사용자의 뇌전도(EEG)를 측정하여 수면단계를 분석한 결과에 따라 시각과 청각 자극을 선택적으로 제시하여 사용자의 수면을 안정적으로 유도할 수 있다는 효과가 있다.

Description

개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치 및 그의 구동방법 {eye-and-ear mask device for inducing personalized sleep and method for driving the same}

본 발명은 수면 유도 이목 마스크 장치에 관한 것으로서, 특히 사용자의 뇌전도를 측정하고 이를 바탕으로 수면 유도에 효과적인 청각 시각 자극을 기반으로 하는 생체신호 기반 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치 및 그의 구동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수면단계를 분석하는 방법으로는 크게 심전도와 뇌파를 이용하는 방법이 있다.

이중, 뇌파를 이용한 종래의 수면단계 분석 방법은 순방향 다층 신경망, 유전자 알고리즘과 인공신경망을 결합하여 적용하고 있으며, 이러한 관련 기술들은 기초연구 수준에서는 학술적 가치가 있을지라도 실제 제품에 응용하는데 다음과 같은 문제점을 갖고 있다.

먼저, 종래의 뇌파를 이용한 수면단계 분석 방법은 시각과 청각 자극에 따른 뇌파 데이터를 이용한 것이 아니고, 수면 다원 검사 장치로부터 뇌파 데이터를 추출하여 수면단계를 분석하고 있는 것으로, 실제 수면유도 장치에 적용할 목적으로 기술이 개발되지 않아 직접적으로 수면유도 장치에 적용하기 위해서는 추가적인 연구가 필요한 실정이다.

그리고, 종래의 유전자 알고리즘과 인공신경망을 결합하여 적용하는 방법은 인공 신경망과 유전자 알고리즘을 프로그래밍하여 휴대형 수면 유도 장치에 내장된 마이크로프로세서에서 실시간 수면단계를 분석 처리해야 하므로, 시간이 많이 걸리는 문제가 있다.

또한, 종래에 시장에 나와 있는 수면 유도 제품들의 경우 사용자의 상태에 따라 광원ㆍ음원을 변경하는 것이 아니라, 온/오프(ON/OFF) 동작에 의해 메모리 되어 있는 광원ㆍ음원을 반복적으로 재생하는 것으로, 사용자의 상태에 따라 수면을 안정적으로 유도하기에는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 종래기술에 따른 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 사용자의 뇌전도를 측정하여 이를 바탕으로 개인의 생체신호에 맞춰 청각과 시각 자극을 주어 수면을 안정적으로 유도할 수 있는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는 사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 식별하기 위한 뇌전도 센서와, 상기 센싱된 뇌파를 바탕으로 수면 단계에 맞추어 청각 및 시각(3색 LED)을 자극하는 수단이 구비된 것을 특징으로 한다.

또한, 이와 같은 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는, 사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 식별하기 위한 뇌전도 센서와, 3색의 LED 광원 및 귀 덮개에 내장된 스피커로 구성된 이목 마스크와; 상기 센싱된 뇌파를 분석하여 수면 단계에 따른 상기 이목 마스크의 기본 동작을 제어하는 제1중앙제어부와; 상기 이목 마스크의 뇌전도 센서로부터 볼륨의 업다운 및 제품의 동작모드 설정신호를 입력받아 상기 제1중앙제어부에 출력하는 터치스위치와; 상기 뇌전도 센서에서 센싱된 뇌전도 파형을 증폭 및 필터링하기 위한 전처리부와; 상기 제1중앙제어부의 제어신호를 받아 상기 3색의 LED 광원의 발광을 제어하는 LED 디스플레이 제어부와; 상기 제1중앙제어부와 신호를 주고받으면서 사용자의 수면 단계에 따라 MP3 재생 관련 일체의 동작 및 볼륨을 제어하기 위한 제2중앙제어부와; 상기 사용자의 청각을 자극하기 위한 음원이 저장되어 있는 음원 저장부와; 상기 제2중앙제어부의 제어를 받아 측정된 사용자의 뇌파에 상응하도록 MP3 파일의 음원을 복원하기 위한 MP3 디코더와; 상기 전원공급부에 연결되어 음원을 다운로드 하고 충전시킬 수 있는 USB 포트와; 상기 제1, 제2중앙제어부와 상호 연결되어 상기 USB 포트를 제어하기 위한 USB 컨트롤러를 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 구성을 갖는 개인 맞춤형 수면 유도 방법은, 3색(B,Y,G)의 LED 광원과 사운드 트랙의 음원을 순차적으로 들려주면서 사용자의 뇌전도 센서로 뇌파를 측정하여 수면 단계를 5단계로 분류하여, 각 수면 단계에 맞게 시각과 청각을 제어하여 수면을 유도하는 것을 특징으로 한다.

상술한 본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 사용자의 뇌전도(EEG)를 측정하여 수면단계를 분석한 결과에 따라 시각과 청각 자극을 선택적으로 제시하여 사용자의 수면을 안정적으로 유도할 수 있다.

둘째, 본 발명의 수면 이목 마스크 장치는 차광성과 방음성이 우수하고, 수면 유도 이목 마스크 장치를 착용하고도 편안하게 수면을 취할 수 있도록 인체공학적으로 디자인되었다.

셋째, 뇌파를 이용한 수면단계 분석에 대한 알고리즘을 개발하여 이를 기반으로 향후 수면 중 무호흡증 및 심근경색 등의 예방, 수면 중 학습효과, 비수면 시간동안 집중력 증대 등의 기능을 갖는 의료기기 시스템 개발을 촉진시켜 의료기기산업 발전에 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치의 블록도이다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치 앞뒤의 개략적 평면도이다.
도 3은 도 2의 수면 유도 이목 마스크 장치를 분해한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치에서 뇌전도(EEG) 전극의 배치를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치의 동작 알고리즘이다.

본 발명은 사용자의 상태를 고려하지 않고 일방적으로 공간 음원 및 광원을 통해 수면을 유도하던 종전 방식과는 달리 사용자의 수면을 유도하기 위해 사용자의 뇌전도(EEG)를 측정하고 이를 바탕으로 수면 유도에 효과적인 청각 및 시각 자극을 기반으로 하는 생체신호 기반 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치이다.

이하에서는, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치의 블록 구성도이고, 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치 앞뒤면의 개략적 평면도이고, 도 3은 도 2의 수면 이목 마스크 장치를 분해한 분해 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 수면 이목 마스크 장치에서 뇌전도(EEG) 전극의 배치를 나타낸 예시도이다.

먼저, 본 발명에 따른 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는, 도 1과 도 2에 도시한 바와 같이, 뇌전도 센서(21) 및 3색 LED 광원과 스피커(20)가 내장된 이목(耳目) 마스크(1)와, 상기 센싱된 뇌파를 분석하여 수면 단계에 따른 상기 이목 마스크(1)의 기본 동작을 제어하는 제1중앙제어부(MCU_1st)(10)와, 제1중앙제어부(10)와 신호를 주고 받으면서 사용자의 수면 단계에 따라 MP3 재생 관련 일체의 동작 및 볼륨 제어를 하기 위한 제2중앙제어부(MCU_2nd)(11)와, 이목 마스크(1)의 안쪽에 배치되며 제1중앙제어부(10)의 제어신호를 받아 왼쪽과 오른쪽에 각각 배치된 3색의 LED의 발광을 제어하는 LED 디스플레이 제어부(12)와, 상기 이목 마스크(1)의 뇌전도 센서(21)로부터 볼륨의 업다운 및 제품의 동작모드 설정신호를 입력 받아 상기 제1중앙제어부(10)에 출력하는 터치스위치(Touch SW)(13)와, 상기 뇌전도 센서(21)에서 센싱된 뇌전도(EEG) 파형을 증폭 및 필터링하기 위한 전처리부(detection processing)(14)와, 제2중앙제어부(11)의 제어를 받아 측정된 사용자의 뇌파에 상응하도록 MP3 파일의 음원을 복원하기 위한 MP3 디코더(MP3 decoder)(15)와, 사용자의 청각을 자극하기 위한 음원이 저장되어 있는 음원 저장부(16)와, 제품에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(Power Supply)(17)와, 전원공급부(17)에 연결되며 음원을 다운로드 하고 충전시킬 수 있는 USB 포트(18)와, 제1, 제2중앙제어부(10, 11)와 상호 연결되어 USB 포트(18)를 제어하기 위한 USB 컨트롤러(USB Controller)(19)로 구성되며, 이목 마스크(1)의 귀 덮개에는 스피커(20)가 내장되어 있다.

또한, 수면을 유도하는 색상(광)과 음악(음)을 제공하기 위해서 이목 마스크(1)의 눈 주위 부근에는 3색의 LED 광원이 위치하고, 전전두엽(이마) 부근에는 뇌전도(EEG)를 측정할 수 있는 제1 내지 제3센서전극(21a, 21b, 21c)으로 구성된 뇌전도 센서(21)가 부착되어 있다. 이때, 뇌전도 센서(21)를 구성하는 제1 내지 제3센서전극(21a, 21b, 21c)은 도 4에 도시한 바와 같이, 활성전극(Fpz)과 기준전극(Ref)과 접지전극(Gnd)으로 구성되는데, 도 4에 제시된 배치는 일예를 나타낸 것일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니며, 제1 내지 제3센서전극(21a, 21b, 21c)의 위치는 서로 변경 가능하다.

이때, 안구에 대응되는 덮개 부분과 귀에 대응되는 덮개 부분에는 각각 시각과 청각 자극을 제시하는 기능과 동시에 숙면시 외부 광이나 음에 의해 수면방해가 되지 않도록 차광 및 방음 기능을 수행하도록 구성된다.

그리고, 전전두엽(이마)에 위치되는 뇌전도 센서(21)는 측정된 뇌파를 분석하여 수면단계(제1, 2, 3, 4 수면단계 및 REM 수면단계)를 구별하는 기능을 갖는다.

상기 구성을 갖는 생체신호 기반 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치의 각 결합 부품을 분해하면 도 3에 도시한 바와 같이, 좌우 안구 및 귀에 대응되는 부분에 홀(hole)이 구비된 헤어 밴드(30)가 있고, 헤어 밴드(30)의 안쪽에 위치하며 좌우 안구 홀 및 뇌전도 센서(21)가 장착될 부분에 센서 홀이 구비된 쿠션 커버(Cusion cover)(31)가 있다.

그리고, 헤어 밴드(30)와 쿠션 커버(31)의 좌우에는 각각 대칭되는 부분에 다수개의 구성물들이 구비되어 있는데, 그 안쪽과 바깥쪽으로 나누어 체결된 구성물들을 기술하면 다음과 같다.

먼저, 쿠션 커버(31) 안쪽의 좌우 안구쪽에 대응되는 좌,우측 눈 PCB(32a, 32b)와 좌,우측 눈 베터리(33a, 33b), 좌,우측 눈 탑커버(34a, 34b)가 구비되어 있고, 헤어 밴드(30)의 귀마개쪽에 대응되는 부분의 안쪽에는 좌,우측 귀 PCB(35a, 35b)와 좌,우측 귀 탑커버(36a, 36b)와 좌,우측 귀 나브(knob)(37a, 37b)가 있다.

그리고, 쿠션 커버(31)의 센서 홀에는 각각 제1, 제2, 제3센서전극(21a, 21b, 21c)이 삽입되어 있다.

그리고, 좌우 안구쪽에 대응되는 헤어 밴드(30)의 바깥쪽에는 좌,우측 눈 바텀커버(41a, 41b)가 있다.

그리고, 좌우 귀마개쪽에 대응되는 부분에는 좌,우측 귀 스피커(42a, 42b)와 좌,우측 귀 바텀 커버(43a, 43b)와 좌,우측 귀 헤어밴드(44a, 44b)와 좌,우측 귀 쿠션(45a, 45b)이 구비되어 있다.

상기 구성을 갖는 본 발명의 생체신호 기반 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치에서 뇌전도 센서(21)를 이용한 뇌파의 센싱 및 검출에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치에서는 뇌파검출 방법으로 단극 유도법(monopolar or unipolar recording or derivation, MP)을 사용한다.

단극 유도법은 뇌파계의 각 채널마다 활성전극(active electrode)과 기준전극(reference electrode)을 조합해서 그 사이의 전위차를 기록하는 방법이다.

이와 같은 단극 유도법을 이용한 뇌파 측정은, 활성전극을 두피상의 목적하는 부위에 붙이고, 기준전극은 활성전극에 대해서 전위상의 기준이 되는 부위, 일반적으로 귓불을 사용한다. 그리고, 기준전극은 뇌파 전위의 파급이 아주 작은 부위나 근전도 혼입이 적은 부위를 사용한다.

예를 들어, 본 발명에 따른 수면 유도 이목 마스크 장치를 이용한 뇌전도(EEG) 측정을 위해서, 도 4에 도시한 바와 같이, 활성전극(Fpz)을 이마의 중앙에 붙이고, 기준전극(Ref)은 눈 아래 양쪽 광대뼈 부위(이목 마스크(1)의 외곽라인과 얼굴 표면이 붙는 위치)중 하나에 붙인다. 또한, 접지전극(Gnd)은 인체접지로 기준전극(Ref)의 반대편 광대뼈 부위에 붙인다.

뇌전도 센서(21)를 통해 센싱된 신호는 일반적인 형태의 뇌파 측정 모듈을 통해 1000~20000배 증폭, 노치필터, 대역통화필터 등을 거치고 MCU에서 ADC를 통해 프로그래밍이 가능한 신호로 입력된다.

측정된 뇌파 신호는 FFT분석을 통해 주파수 대역에 따라 델타(0.5~4Hz), 세타(4~8Hz), 알파(8~13Hz), 베타(14~30Hz)로 나누어 사용하며, 각 대역에서의 뇌파 스펙트럼은 뇌 기능에 따라 공간적으로 특정한 패턴과 크기를 갖게 된다.

상기와 같은 뇌파(EEG) 파라미터를 측정하여 수면 단계를 분류할 수 있는데, 이것을 [표1]에 나타내면 다음과 같다.

수면 단계 분류	뇌파(EEG) 파라미터의 적용
비수면기	수면 이목 마스크 착용 및 폐안시		알파파와 베타파가 나타남, 알파파가 우세함
수면기	NREM	1단계	세타파 증가(20%), 알파파 억제(20%)
		2단계	K복합파가 간헐적으로 출현함(30초에 2회이상) K복합파: 2~7Hz의 단펄스 형태의 파형
		3단계	K복합파 및 델타파가 수 초간 간헐적으로 나타남(30초에 2회이상 3초이상)
		4단계	델타파가 우세함(전체 EEG의 50%이상)
	REM	REM	세타파와 베타파가 나타남 (세타파 20%이상 40%이하, 베타파 20%이상)

상기에서 K복합파는 수면 중에 나타나는 것으로, 특히 얕은 수면단계(2단계)에서 2~7Hz의 1회성 양극 펄스가 간헐적으로 나타난다. 또한, 수면 중 지각자극(특히 음자극)에 의해 유발된다.

상기 [표1]에 뇌파(EEG)에 의해 수면은 5주기를 거치면서 1~5단계가 반복되며, 하루 7~8시간의 수면을 취할 때 보통 3~4회의 수면 5주기가 반복된다.

상기와 같이 뇌파를 측정하여 1~5단계로 수면 단계가 분류되면, 각 단계별로 이목 마스크 장치를 [표2]에 나타낸 것과 같이 제어하게 된다.

수면 단계 분류				수면 유도 이목 마스크 제어
비수면기	수면 이목 마스크 착용 및 폐안시			수면 유도를 위해 사용자가 선택한 음원 재생 (자연의 소리, 뇌파동조음 등) 수면 유도를 위해 B,Y,G 색을 조합하여 순환조사하고, 동시에 뇌파를 검출 및 분석하여 1단계 수면 뇌파의 유도 정도가 가장 높은 LED 조합 색상을 선택함
수면기	NREM	1단계	선택된 광원을 ON 음원 선정을 위해 사운드 트랙 순차 재생
		2단계	광원 OFF 선정된 사운드 트랙 반복 재생
		3단계	음원 OFF 수면 상태 유지를 위하여 기기 동작 없음
		4단계
	REM	REM

상술한 바와 같은 본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는 이목 마스크 착용 시(일체형) 개인별 생체신호를 분석 후 판단하여 사용자에게 맞는 음원 및 광원을 제공함으로써 수면ㆍ숙면을 유도하는 장치로써, 도 5에 그 동작 알고리즘을 제시하였다.

즉, 본 발명의 수면 유도 이목 마스크 장치는 입면 초기에 사용자의 수면을 유도하기 위해 사용자의 뇌전도를 측정하여 수면단계를 식별하고, 각 단계별로 사용자가 선호하는 개인 맞춤형 시각 및 청각 자극을 제공함으로써 숙면 단계로 들어갈 수 있도록 하는 것이다.

그리고, 입면 후에는 청각이나 시각 자극에 의한 수면 방해를 방지하기 위해 차광과 방음 기능을 갖도록 하여 숙면을 취할 수 있도록 하였으며, 사용자의 수면 유도를 위해 음원 제어를 헤드폰 외측에 양각의 픽토그램 및 터치방식으로 개발하여 눈을 가린 상태에서도 조작이 가능하도록 하여 수면 중 오작동을 방지할 수 있도록 안전한 제어장치를 갖추었다.

이와 같이 본 발명의 사용자가 수면 유도 이목 마스크 장치를 착용하게 되면 사용자의 생체신호를 40초마다 측정하게 되고, 이 측정된 데이터를 바탕으로 광원(LED 색상) 및 음원의 종류를 자동적으로 달리하게 되고 이런 반복적인 동작으로 사용자는 최상의 수면 환경을 가지게 된다.

이와 같은 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치를 동작시키기 위한 알고리즘에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 이목 마스크를 착용했는지를 판별한다.(S51)

판별결과, 이목 마스크를 착용하지 않았으면, 베터리 잔량을 표시(S52)한 후 이목 마스크를 착용했는지 판별하는 동작을 다시 진행한다.

상기에서 이목 마스크를 착용했는지 않했는지 판별할 때는, 단극법을 사용한 뇌파검출 센서인 뇌전도 센서(21)로 사용자의 뇌파를 검출하는데, 이때, 이목 마스크를 착용하지 않았다면 뇌파 검출시에 비해 60Hz 전원 잡음 및 플로팅된 DC 전압이 훨씬 높기 때문에 착용/미착용의 유무를 쉽게 판별할 수 있다.

그리고, 뇌파 검출 및 분석은 단극법을 사용한 1채널 EEG 센서 3개를 통해서 검출하며, 도 1의 전처리부(14)에서 아날로그 신호 처리를 통해 증폭 및 노이즈의 1차 제거가 이루어지고, 도 1의 제1중앙제어부(10)에서 아날로그 디지탈 컨버터(ADC)를 통해 신호를 입력받는다. 그 후 입력되어진 신호가 뇌파 신호인지 아닌지를 상기에 언급한 60Hz 전원잡음 및 DC 전압으로 판단하고, 신호의 진폭 변화가 심하면 움직임 잡음이 발생한 것이므로, 사용자가 아직 수면을 취할 준비가 안됐다고 볼 수 있다.

사용자가 수면을 취할 준비가 끝나면, 입력된 신호의 진폭 변화가 낮아진다.

이제 이목 마스크를 사용할 준비가 된 것이므로, 착용 및 뇌파 검출 준비가 됐음을 시스템에 알린다.

이목 마스크를 착용했는지 판별하여 착용했으면, 비수면시의 기준 뇌파를 검출하고, 사용자가 선택한 숙면을 위한 사운드 트랙을 재생한다.(S53)

상기에서 이목 마스크를 처음 착용하였을 때는 아직 수면상태가 아니므로 즉, 비수면 상태이므로, 정상적인 비수면시의 뇌파를 검출할 수 있는데, 이와 같이 비수면시에 검출한 뇌파를 기준으로 하여 각 수면 단계를 검출할 수 있다. 이와 같이 비수면시의 기준 뇌파 검출이 끝나면, 사용자가 숙면을 위해 선택한 사운드 트랙을 재생한다.

다음에, 비수면 상태인지를 판별하는 동작을 진행한다.(S54)

판별하여, 비수면 상태가 아니면, 계속하여 비수면 상태인지를 판별하는 동작을 진행한다.

그리고, 비수면 상태이면, 비수면기 LED 색상을 선택했는지 판별하고, 세타파(θ) 증가와 알파파(α) 감소량을 비교하는 동작을 진행한다.(S55)

이때, 비수면기 LED 색상을 선택하지 않았다면, B, Y, G색의 LED를 조합하여 순환 조사한다.(S56)

즉, 비수면 상태이면, 수면을 위한 광원의 색상을 뇌파 비교를 통해 선택하기 위해 B, Y, G 색의 LED를 각각의 밝기 조절을 통해 색의 조합을 이끌어내고, 이를 순환 조사하는 것을 반복한다. 이때, 뇌파를 검출하고 분석할 때, 세타파 증가 및 알파파 감소를 가장 많이 보인 색상을 선택한다.

다음에, 수면 1단계로 진입했는지를 판별한다. 이때, 수면 1단계 진입은 세타파(θ)가 20% 증가하고, 알파파(α)가 20% 감소했는지를 판별하여 알아낸다.(S57)

이때, 수면 1단계 진입이 아니라고 판별되면, 선택된 광원이 일정시간 조사되었는지를 판별(S58)하여 일정시간 조사되었으면, 수면 1단계 진입인가를 다시 판별하고, 일정시간 조사되지 않았으면, 비수면기 색상 선택이 완료되었는지 판별하는 동작으로 재진입한다.

상기에서 수면 1단계라고 판별되면, 수면 2단계로 진입했는지를 판별한다. 이때, 수면 2단계 진입은 K복합파가 30초에 2회이상 검출되었는지를 판별하여 알아낸다.(S59)

이때, 수면 2단계 진입이 아니라고 판별되면, 즉, 수면 1단계일 경우에는 뇌파 분석을 통한 음원 선정을 위해 사운드 트랙을 순차 재생(S60)시킨 후, 수면 2단계에 진입했는지 판별하는 동작으로 재진입한다.

상기에서 수면 2단계라고 판별되면, 수면 3, 4단계로 진입했는지 판별한다. 이때, 수면 3, 4단계는 K복합파가 5초이상 지속 검출되는지, 델타파(δ)가 전체 뇌파의 50%이상인지를 판별하여 알아낸다.(S61)

이때, 수면 3, 4단계가 아니라고 판별되면, 즉, 수면 2단계일 경우에는 광원을 오프(OFF)하고 선정된 사운드 트랙이 반복 재생(S62)되도록 하고, 수면 3, 4단계에 진입했는지 판별하는 동작으로 재진입한다.

다음에, 수면 3, 4단계라고 판별되면, REM 수면단계로 진입했는지 판별한다. REM 수면단계인지의 판별은 세타파(θ)가 20~40%인지 베타파(β)가 20%이상인지를 판별하여 알아낸다.(S63)

상기에서 REM 수면 단계가 아니라고 판별되면, 음원을 오프(OFF)하고, REM 수면 단계인지 판별하는 동작으로 재진입한다.(S64)

이후로는 사용자가 깊은 잠에 들게 되었기 때문에, 추가적인 제품의 동작은 이루어지지 않고, 대기 상태에 놓이게 된다. 즉, 이목 마스크 장치를 동작시키기 않고, 눈 마스크(눈 덮개)와 헤드폰 형태의 귀 마스크(귀 덮개)는 외부 빛과 음을 차광 및 방음한다.

그리고, REM 수면 단계라고 판별되면, 비수면 상태인지를 판별하는 단계(S54)로 돌아가서 상술한 플로우에 따라 동작한다.

본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치는 수면단계 분석을 위해서 고속 푸리에 변환과 퍼지 알고리즘을 적용하여 구별하고, 빛과 음의 세기를 수동적 또는 자동적으로 변화시키는 것이 가능하도록 하여 사용자가 최적의 수면상태를 유지하도록 할 수 있다.

즉, 본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치에서 뇌파는 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform : FFT)을 통해 주파수별로 각 파라미터의 세기를 분석할 수 있고, 수면단계는 [표1]의 파라미터와 도 5의 알고리즘을 활용하여 분석할 수 있다. 또한 제1중앙제어장치(10)는 사용자의 광원과 음원 선택 사항 및 뇌파 및 수면단계 분석을 통해 자동으로 선택되는 광원과 음원 사항을 퍼지 알고리즘에 적용하여, 사용자의 수면에 필요한 최적의 광원과 음원을 상황에 맞는 적당한 세기로 출력할 수 있다.

상술한 본 발명의 수면 유도 이목 마스크 장치는 수면단계 분석 결과에 따라 시각과 청각 자극을 선택적으로 제시하여 사용자가 숙면을 취하도록 도와주는 개인상태 적응형 즉, 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치로써, 인체공학적인 설계를 바탕으로 디자인되었고, 특히 차광성과 방음성이 우수하고 뇌전도를 최적으로 측정 가능하도록 인체에 적합한 구조로 디자인되었으며, 수면 유도 이목 마스크 장치를 착용하고도 편안하게 수면을 취할 수 있도록 디자인되었다.

또한, 사용자의 설정이 필요 없는 동작의 자동제어 시스템을 갖고 있으며, 1채널 뇌전도(EEG) 신호를 실시간으로 측정 및 분석하여, 이를 기반으로 사용자의 수면단계를 판정하여 그 상태에 가장 적합한 광과 음을 선택하여 제공하는 진보된 수면유도 이목 마스크 장치이다.

또한, 스파(Spa)를 마치고 휴식을 취할 때나 장시간 비행 중 기내에서 편안한 수면을 유도하여 피로를 해소해주는데 도움이 되고, 수면단계 분석을 통해 사용자가 빠르게 숙면에 들 수 있게 하는 피드백 기능을 내장하고 있으며, 이목 마스크를 착용하고 잠이 들어도 불편함을 느끼지 않도록 편안하게 제조되었고, 피부 트러블도 발생하지 않는다.

본 발명은 매년 20%씩 증가하는 불면증 환자들에게는 최고의 수면 보조 기구이고, 병원의 중환자실에서 수술 후 회복을 돕는 보조 의료기기, 일반인들의 스트레스 해소 및 피로 회복을 위한 수면용 보조 장치로 활용이 가능하며, 특히 u-Healthcare 시스템과 연동하여 원격 수면관리 단말기로도 활용이 가능하다.

이와 같은 본 발명의 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치를 개발함에 따른 효과를 기술적, 경제적, 사회적 측면에서 좀 더 부연하면 다음과 같다.

먼저, 기술적 측면에서는, 뇌파를 이용한 수면단계 분석에 대한 알고리즘을 개발하여 이를 기반으로 향후 수면 중 무호흡증 및 심근경색 등의 예방, 수면 중 학습효과, 비수면 시간동안 집중력 증대 등의 기능을 갖는 의료기기 시스템 개발을 촉진시켜 의료기기산업 발전에 기여할 것으로 기대된다.

그리고, 세계적으로 아직 초기 단계인 홈-헬스케어 서비스에 새로운 모델 창출이 가능해지고, 이 분야의 선도적인 우위를 확보하는 것이 가능하여 기업경쟁력의 증대 효과는 물론 홈-헬스케어 시스템 개발 및 산업 활성화에 기여할 것으로 기대된다.

다음에, 경제적 측면에서는, 뇌파신호를 이용한 이목 마스크 제품 개발을 기반으로 생체신호 피드백을 이용한 다양한 형태의 제품 개발이 가능하여 향후, 기업의 성장을 촉진시킬 수 있다.

그리고, 수면장애나 수면부족 환자들의 경제활동으로 인해 초래되는 국가의 경제적 손실을 막고, 산업체의 효율적인 인력관리를 통해 기업의 경제활동이 촉진되는 효과가 기대된다.

다음에, 사회적 측면에서는, 수면장애 환자의 쾌적한 수면유도 및 국민건강 증진에 기여함은 물론 개인건강관리에 대한 관심을 촉진시켜 국민들의 삶의 질 향상에 기여할 것으로 기대된다.

그리고, 수면장애 환자들의 약물치료의 부작용을 없애고, 환자들이 제때에 약물 섭취에 대한 스트레스를 해소함은 물론 사용자가 언제 어디서나 편리하게 수면유도 이목 마스크 장치를 사용함으로써 즐겁고 행복한 가정과 사회생활을 영위하는데 기여할 것으로 기대된다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아니다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 예에 의해서가 아니라 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 이목 마스크 10 : 제1중앙제어부
11 : 제2중앙제어부 12 : LED 디스플레이 제어부
13 : 터치스위치 14 : 전처리부
15 : MP3 디코더 16 : 음원저장부
17 : 전원공급부 18 : USB 포트
19 : USB 콘트롤러 20 : 스피커
21 : 뇌전도 센서
21a, 21b, 21c : 제1, 제2, 제3센서

Claims

사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 식별하기 위한 뇌전도 센서와, 상기 센싱된 뇌파를 바탕으로 수면 단계에 맞추어 청각 및 시각(3색 LED)을 자극하는 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 식별하기 위한 뇌전도 센서와, 3색의 LED 광원 및 귀 덮개에 내장된 스피커로 구성된 이목 마스크와;
상기 센싱된 뇌파를 분석하여 수면 단계에 따른 상기 이목 마스크의 기본 동작을 제어하는 제1중앙제어부와;
상기 이목 마스크의 뇌전도 센서로부터 볼륨의 업다운 및 제품의 동작모드 설정신호를 입력받아 상기 제1중앙제어부에 출력하는 터치스위치와;
상기 뇌전도 센서에서 센싱된 뇌전도 파형을 증폭 및 필터링하기 위한 전처리부와;
상기 제1중앙제어부의 제어신호를 받아 상기 3색의 LED 광원의 발광을 제어하는 LED 디스플레이 제어부와;
상기 제1중앙제어부와 신호를 주고받으면서 사용자의 수면 단계에 따라 MP3 재생 관련 일체의 동작 및 볼륨을 제어하기 위한 제2중앙제어부와;
상기 사용자의 청각을 자극하기 위한 음원이 저장되어 있는 음원 저장부와;
상기 제2중앙제어부의 제어를 받아 측정된 사용자의 뇌파에 상응하도록 MP3 파일의 음원을 복원하기 위한 MP3 디코더와;
상기 전원공급부에 연결되어 음원을 다운로드 하고 충전시킬 수 있는 USB 포트와;
상기 제1, 제2중앙제어부와 상호 연결되어 상기 USB 포트를 제어하기 위한 USB 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
제2항에 있어서,
상기 3색의 LED 광원은 B,Y,G LED이고, 상기 이목 마스크의 양쪽 눈 주위 부근에 위치하는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
제2항에 있어서,
상기 뇌전도 센서는 전전두엽(이마) 부근에 위치하며, 제1 내지 제3센서전극으로 구성됨을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 내지 제3센서전극은 두피상의 목적하는 부위와 뇌파 전위의 파급이 아주 작은 부위나 근전도 혼입이 적은 부위에 구비된 활성전극(Fpz)과 기준전극(Ref)과 접지전극(Gnd)으로 구성됨을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
제2항에 있어서,
상기 이목 마스크는 외부 광을 완전히 차광하기 위해 피부에 밀착되는 재질로 구성된 눈 마스크(눈 덮개)와, 외부 소음을 완전히 차음하기 위해 사용자의 두상에 따라 밀착 가능한 형태로 구성된 귀 마스크(귀 덮개)로 구성됨을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치.
청구항 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 구비된 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치를 이용한 개인 맞춤형 수면 유도 방법에 있어서,
3색(B,Y,G)의 LED 광원과 사운드 트랙의 음원을 순차적으로 들려주면서, 뇌전도 센서로 사용자의 뇌파를 측정하여 수면 단계를 5단계로 분류하고, 각 수면 단계에 맞게 시각과 청각을 제어하여 수면을 유도하는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 방법.
제7항에 있어서,
상기 수면 단계는 세타파가 증가(20%), 알파파가 억제(20%)되는 제1수면 단계와,
K복합파가 30초에 2회이상 출현하는 제2수면 단계와,
상기 K복합파 및 델타파가 30초에 2회이상 3초이상 나타나는 제3수면 단계와,
상기 델타파가 전체 뇌파의 50%이상을 차지하는 제4수면 단계와,
상기 세타파가 20%~40% 범위, 베타파가 20%이상를 차지하는 제5수면 단계로 분류할 수 있는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 방법.
제8항에 있어서,
상기 제1수면 단계에는 상기 사용자의 수면에 도움이 되는 상기 LED 광원을 뇌파 파라미터의 변화를 분석하여 선택하고,
상기 제2수면 단계에는 상기 LED 광원을 오프시키고,
상기 제3수면 단계 이후에는 상기 음원을 오프시키고, 상기 이목 마스크 장치를 동작시키지 않는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 방법.
제7항에 있어서,
상기 뇌전도 센서를 이용한 뇌파를 측정할 때, 활성전극(active electrode)과 기준전극(reference electrode)의 전위차를 기록하는 단극 유도법을 사용하는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 방법.
청구항 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 구비된 개인 맞춤형 수면 유도 이목 마스크 장치를 이용한 개인 맞춤형 수면 유도 방법에 있어서,
상기 이목 마스크를 착용했는지를 판별하여 착용했으면, 비수면시의 기준 뇌파를 검출하고, 사용자가 선택한 숙면을 위한 사운드 트랙을 재생하는 단계;
비수면 상태인지를 판별하여 비수면 상태라고 판별되면, 비수면기 LED 색상을 선택했는지 판별 및 세타파(θ) 증가와 알파파(α) 감소량을 비교하고, LED 색상을 선택하지 못했으면 B, Y, G색의 LED를 조합하여 순환 조사하는 단계;
세타파(θ) 20% 증가, 알파파(α) 20% 감소 여부에 따라서 수면 1단계로 진입했는지를 판별하는 단계;
수면 1단계라고 판별되면, 뇌파 분석을 통한 음원 선정을 위해 사운드 트랙을 순차 재생시키고, 선택된 광원을 온(ON)시키는 단계;
K복합파가 30초에 2회이상 검출되었는지 여부에 따라서 수면 2단계로 진입했는지를 판별하는 단계;
수면 2단계라고 판별되면 광원을 오프(OFF)하고 선정된 사운드 트랙을 반복 재생하는 단계;
K복합파가 5초이상 지속 검출되는지, 델타파(δ)가 전체 뇌파의 50%이상인지 여부에 따라서 수면 3, 4단계로 진입했는지 판별하는 단계;
수면 3, 4단계라고 판별되면 음원을 오프하는 단계;
세타파(θ)가 20~40%인지 베타파(β)가 20%이상인지 여부에 따라 REM 수면 단계인지 판별하는 단계;
REM 수면 단계라고 판별되면, 비수면 상태인지를 판별하는 단계로 돌아가서 상기 동작을 반복하는 것을 특징으로 하는 개인 맞춤형 수면 유도 방법.