KR20130135303A - 전극 검증을 이용하는 개인 eeg 모니터링 디바이스 - Google Patents

전극 검증을 이용하는 개인 eeg 모니터링 디바이스 Download PDF

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Abstract

개인 착용식 EEG 모니터(1)는 사람의 머리에서 실시되도록 구성된다. EEG 모니터는 상기 사람으로부터의 EEG 신호들을 측정하기 위한 피부 표면 전극(3)을 갖는 EEG 센서 파트를 포함한다. EEG 모니터는 EEG 센서 파트로부터 전달된 EEG 신호를 갖도록 구성되고, EEG 신호를 모니터링하도록 구성된 EEG 신호 분석기(5, 5')를 포함한다. EEG 모니터(1)는 상기 사람에게 자극을 제공하고, 자극 생성 동작을 수행하도록 상기 사람에게 요청하고, 자극 생성 주변 소리를 식별하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 EEG 자극 제어 수단을 더 포함한다. EEG 모니터는 자극에 의해 야기된 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하기 위한 EEG 반응 검출 수단, 및 상기 유도 반응에 기초하여 상기 피부 표면 전극이 EEG 신호를 수신했는지를 결정하기 위한 분류기를 포함한다.

Description

전극 검증을 이용하는 개인 EEG 모니터링 디바이스{PERSONAL EEG MONITORING DEVICE WITH ELECTRODE VALIDATION}
본 발명은 EEG 신호의 측정에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 사람의 머리에서 실시되도록 구성된 개인 착용식 EEG 모니터에 관한 것이다. EEG 모니터는 상기 사람으로부터의 하나 이상의 EEG 신호들을 측정하기 위해 상기 사람의 피부 표면에 정렬된 전극을 갖는 EEG 센서 파트를 포함한다. EEG 모니터는 EEG 센서 파트로부터 전달된 EEG 신호를 갖도록 구성되고, 디바이스를 착용하는 사람으로부터의 EEG 신호를 모니터링하도록 구성된 EEG 신호 분석기를 더 포함한다.
개인 착용식 EEG 모니터는 특출난 발작을 검출하기 위해서 EEG의 감시를 위해 공지되어 있지만, 장기(long term) EEG 기록을 위해 또한 적용될 수도 있다.
이와 같은 개인 착용식 EEG 모니터는 주입된 전극을 이용하여 장기 EEG 모니터링하기 위한 시스템을 기술하는 WO 2007/150003로부터 공지된다. WO 2006/066577는 주입된 전극을 통해 획득된 EEG 신호를 분석함으로써 저혈당(hypoglycemia)의 발병을 검출하기 위한 개인 모니터링 디바이스를 기술한다. WO 2007/047667는 외이도에서 전극의 적용에 의한 부분적인 EEG 모니터링을 기술한다. 청각 유발 전위의 응용이 또한 기술된다.
EEG 신호의 장기 측정을 위한 착용식 개인 디바이스가 여러 장점을 갖고 사용자의 귀 뒤에 또는 귓속에 배치될 수 있다는 것이 발견되었다. 이 위치는 생리학적 이유, 미용적 이유 및 기계적 이유에서 이상적이다. 또한, 외이도에서 EEG 신호의 측정은 외부 전기장에 대해 더욱 보호되는 장점을 갖는데, 외이도가 EEG 전극을 부분적으로 보호하는 머리로 연장되기 때문이다. 전극을 보유하는 이어 피스(ear piece)와 외이도 사이에 매우 양호한 맞춤을 획득하는 것이 가능하여, 이에 의해 피부와 전극 사이의 접촉은 움직임과 피부 변형에 덜 민감하게 된다. 이에 관련하여, 귀 자체, 또는 일부가 디바이스의 부착을 위해 이용될 수 있다. 많은 EEG 신호들이 또한 귀 영역에서 이용 가능하다.
착용식 EEG 모니터의 다른 예는 EEG-피드백을 갖는 보청기(예컨대, 일부 방법에서 보청기는 EEG 신호로부터 추출된 정보에 따라 조정됨) 및 개인 건강 모니터링 디바이스일 수 있다. 개인 건강 모니터링 디바이스의 예는 간질을 가진 사람을 위한 발작 경고 디바이스 및 당뇨병을 가진 사람을 위한 저혈당 경고 디바이스일 수 있다. 또한, 진단 또는 연구 목적을 위해 EEG 신호의 지속적인 모니터링이 관련 있을 수 있다.
착용식 개인 다바이스에서 EEG 측정을 위한 전극들의 상이한 특성들 간의 요건 및 트레이드 오프는 임상적 사용(예컨대, 병원에서 환자의 단기 EEG 모니터링)을 위한 전극들의 것과 상이하다. 착용식 개인 디바이스에서 전극들을 위한 통상적인 요건은, 이들은 시행하는 것이 용이해야 하고, 이들은 피부에 어떠한 압박도 가하면 안되고(예컨대, 피부의 변형이 없음), 이들은 편안하고 작아야 하고(예컨대, 보청기의 크기), 이들은 장식적으로 용인되어야 하고, 피부와 전극 사이에 겔의 추가가 방지되어야 하며(즉, 건식 전극), 일반적으로 어떠한 피부 준비도 필요해서는 안된다는 것이다. 이러한 요건들은 전극의 신뢰성 및 신호 포착 속성을 손상시키는데, 요건들이 피부와 전극 사이에 양호한 전기 접촉을 획득하는 것을 더욱 어렵게 만들 것이기 때문이다. 따라서, 이와 같은 디바이스를 위해 설계된 전극은 통상적으로 더욱 큰 임피던스(예컨대, 수백 킬로 옴 범위), 및 임피던스의 큰 변동을 갖고, 임상적 이용을 위한 전극보다 덜 신뢰 가능하다.
EEG와 같은 전기적 생체 전위 측정을 위한 종래의 전극은 2개 이상의 전극 요소들 간의 전기적 임피던스를 측정함으로써 검증된다. 이러한 방법은 임상적 이용에 알맞고, 예를 들어 수백 킬로 옴보다 작은, 상당히 작은 임피던스를 갖는 전극에 알맞다. 전기적 임피던스의 측정은 이제 매우 큰 전기적 임피던스를 갖는 전극에 대해 충분히 신뢰 가능하지 않은 것으로 확인되었다. 이것은 전기적 임피던스를 측정하는 것이 2개의 전극들 사이의 전기 접속이 존재하면 드러날 것이지만, 전극들이 EEG 신호를 측정하면 그렇지 않을 것이기 때문이다. 전기 접속은 또한 전극들을 고정하는 부분 상의 먼지의 층에 의해 달성될 수 있다.
착용식 개인 디바이스에서 EEG 신호의 장기 측정에 있어서, 전극에 의해 측정된 EEG 신호를 검증할 필요가 있고, 앞서 언급된 이유를 위해, 전기적 임피던스 방법에 대한 대안적인 방법이 필요하다. 전극 검증은 사용자에 의해 용이하게 수행되어야 한다. 더욱이, 전극 검증은 디바이스의 통합된 능력이어야 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은 전극 검증을 이용하는 개인 EEG 모니터링 디바이스를 제공하는 것이다.
해결책은 다음 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 EEG 자극 제어 수단을 더 포함하는 개인 착용식 EEG 모니터의 형태로 발견되었다.
- 상기 사람에게 자극을 제공함
- 자극 생성 동작을 수행하도록 상기 사람에게 요청함
- 잠재적인 자극 생성 주변 소리를 식별함.
EEG 모니터는 상기 자극에 의해 야기된 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하기 위한 EEG 반응 검출 수단, 및 상기 적어도 하나의 유도 반응에 기초하여 상기 피부 표면 전극이 상기 사람의 EEG 신호를 수신했는지를 결정하기 위한 분류기를 더 포함한다.
용어 "유도 반응"은 다른 자연적인 EEG 신호와는 뚜렷이 다른 자극에 의해 유도된 EEG 신호를 나타낸다. 유도 반응의 예들이 이하에 표 1에 나열된다. 여기에 기술된 시스템에서 고려되는 하나의 가능한 자극은 넓은 의미에서 청각 자극이고, 측정된 신호는 예컨대 청각 유발 반응일 수 있다.
청각 유발 전위는 상승적 청각 경로를 통한 소리에 의해 발생된 신호를 추적하는데 이용될 수 있다. 따라서, 측정된 신호는 달팽이관, 와우 신경, 와우 핵, 상올리브핵, 외측모대, 중뇌의 하구, 내측슬상체에서 발생되거나 또는 피질에서 발생되는 유도 반응을 포함할 수 있다. 따라서, 유도된 청각 반응은,
1) 청각 경로에서의 자극의 처리에서 음향 신호에 대한 직접적이고 자율적인 반응;
2) 뇌의 피질에서의 처리에 의해 야기된 반응
을 반영할 수 있다.
청각 유발 전위로 언급되는 전자는 청각 경로 처리로부터의 선천성 반응인 반면, 후자는 사용자에 의한 협력 또는 특정하게 획득된 기술을 요구할 수 있다.
제 1 유형의 유도 반응을 활용하기 위해서, 음향 신호는 통상적으로 예컨대 진폭 변조 또는 피치 스윕(pitch sweep)과 같은 특정한 간단한 음향적 특성을 갖는다.
제 2 유형의 유도 반응을 활용하기 위해서, 신호는 통상적으로 예컨대 일련의 음절, 단어 또는 심지어 명령을 포함하는 문장 또는 구문론적 오류가 있는 문장과 같은 더욱 복잡한 정보를 갖는다.
청각 유발 반응의 방법론은 청각 경로의 연구 분야 및 진단적 이용을 위한 의학 분야에 잘 공지되어 있다. 이하에 전극 검증을 위한 유도 반응의 이용은 특정한 반응이 예상되는 설정에 초점을 맞추어 기술되고, 예상된 반응의 존재는 전극이 유효한 EEG 신호를 측정했다는 것을 검증한다.
EEG 센서 파트는 유닛에 함께 배치되든 오직 와이어에 의해서만 연결되든 조합된 EEG 전극으로 이해될 것이다. EEG 센서 파트는 전극으로부터 EEG 신호를 수집하고 전처리하기 위한 신호 획득 수단을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수도 있다. 어떠한 유도 반응도 EEG 신호에서 검출될 수 없으면, 그 이유는 하나 이상의 전극들과 피부 표면 사이에 어떠한 전기적 연결도 없거나 매우 나쁜 전기적 연결이 존재하는 것일 수 있다. 이 경우에, 사람이 전극을 재정렬하도록 통지를 받을 수 있다.
잠재적인 자극 생성 주변 소리는 예컨대 비교적 고요한 기간 이후의 갑작스러운 소리일 수 있다. 이것은 또한 배경 소리에서의 다른 갑작스러운 변화일 수 있다. 용어 "잠재적인"은 식별된 소리가 또한 EEG 반응을 유도한다는 확실성이 없다는 것을 나타낸다.
EEG 모니터의 실시예에서, 전극은 건식 전극, 즉, 전극과 피부 사이의 겔과 같은, 피부 준비 없이 기능 하도록 구성된 건식 전극이다. 건식 전극은 비교적 높은 임피던스를 가질 것이고, 그러므로 전극의 검증(즉, 전극이 실제로 EEG 신호를 수신한다는 것을 확인함)은 특히 중요하다.
EEG 모니터의 실시예에서, 적어도 하나의 전극은 착탈식이고 상기 사람의 외이도에 정렬되도록 구성된다. 앞서 설명한 바와 같이, 외이도는 EEG 신호의 측정에 대해 몇 가지 장점을 갖는다. 추가의 실시예에서, 2개 이상의 전극들이 외이도에 정렬된다. 사람의 양쪽 외이도에 적어도 하나의 전극을 갖는 EEG 모니터가 또한 가능하다.
EEG 모니터의 실시예에서, EEG 자극 제어 수단은 모니터에서 수신기 또는 스피커를 통해 상기 사람에게 청각 자극을 제공한다. 이것은 전극의 검증을 갖기 위해서 사람이 적극적인 동작을 수행할 필요가 없다는 장점을 갖는다.
EEG 모니터의 실시예에서, EEG 자극 제어 수단은 유도 반응을 일으킬 수 있는 환경으로부터의 소리를 식별하도록 구성된다. 이것은 사람이 EEG 전극이 검증되고 있다는 것을 심지어 의식하지 못할 것이라는 추가의 이점을 갖는다.
EEG 모니터의 실시예에서, EEG 자극 제어 수단은 눈을 뜨고 감도록 상기 사람에게 요청하도록 구성된다. 이것은 매우 확실한 유도 반응을 제공할 것이다.
EEG 자극을 제공하기 위해 기술된 3가지 상이한 실시예들이 조합될 수 있어서, 예컨대, 눈을 뜨고 감도록 하는 것을 이용하는 실시예는 전극이 사람에게 정렬되거나 재정렬될 때 적용되고, 환경으로부터 소리를 식별하는 실시예는 전극이 규칙적인 간격으로 실제 EEG 신호를 수신하는 것을 제어하기 위해 적용되도록 한다. 사람이 조용한 음향 환경에 있는 경우, EEG 모니터는 청각 자극이 제공되는 실시예를 적용할 수 있다.
EEG 모니터의 실시예는 자극이 전극의 검증 동안 적어도 두 번 반복된다. 이것은 결과에 더욱 큰 신뢰성을 제공할 것이다.
EEG 모니터의 실시예에서, 외이도에 정렬되도록 구성된 적어도 하나의 전극은 이어 피스에 정렬되고, 상기 이어 피스는 상기 사람의 외이도에 맞는 영구적인 형태로 제공된다. 특히, EEG 모니터를 착용하기 위해 사람의 외이도의 치수로 만들어진 이와 같은 이어 피스는 사람이 사용할 때마다 정확히 같은 위치에 이어 피스를 정렬하는 것을 용이하게 만들 것이다. 이것은 EEG 모니터가 사용될 때마다 EEG 신호가 같은 위치에서 획득된다는 것을 보장한다. 이에 의해, 이어 피스가 2개의 시간 기간 사이에 제거되거나 재정렬된 경우, 한 시간 기간에 획득된 EEG 신호는 상이한 시간 기간에 획득된 EEG 신호와 비교 가능할 것이다. 이어 피스에 영구적인 형태를 제공하는 것은 또한 착용하기에 더욱 편안한 이어 피스를 만드는 탄력 있는 물질을 포함한다.
EEG 모니터의 실시예에서, 모니터는 EEG 센서 파트 외부에 정렬된 패드 전극을 포함하고, 패드 전극은 모니터링될 사람의 머리에 정렬되도록 구성된다. 이와 같은 패드 전극은 외이도로부터 이용 가능하지 않은 특정한 EEG 신호를 획득하는 것과 같은 특수 목적으로 이용될 수 있다.
EEG 모니터의 실시예는, 모니터는 그룹으로 전극의 타당성을 테스트하도록 구성된다. 대안적인 실시예에서, 전극의 타당성은 쌍으로 테스트된다. 전극의 모든 가능한 조합들이 쌍으로 테스트되면, 각각의 개별 전극의 타당성이 명확하게 될 수 있다.
EEG 모니터의 실시예에서, 유도 반응의 식별에 의한 전극의 검증은 피부 표면에 배치된 전극들 간의 전기적 임피던스를 측정하는 것과 조합된다. 이것은 또한 전극 검증의 신뢰성을 증가시킬 수 있다.
실시예에서, EEG 모니터는 EEG 신호가 수신되지 않으면 상기 사람에게 통지하기 위한 통지 수단을 더 포함한다. 그러면, 이 사람은 전극 부분의 위치설정을 개선할 수 있다. 추가의 실시예에서, EEG 모니터는 EEG 신호가 전극에 의해 수신되지 않은 경우에 외부 유닛에 무선 통지를 전송하기 위한 수단을 포함한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 사람의 머리에서 실시되는 EEG 모니터에 의해 상기 사람의 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 피부 표면 전극을 갖는 EEG 센서 파트에 의해 상기 사람으로부터 하나 이상의 EEG 신호를 측정하는 단계, EEG 신호 처리 수단을 갖는 처리 유닛에 상기 EEG 센서 파트로부터의 EEG 신호를 전달하는 단계, 및 상기 처리 유닛에서 상기 사람으로부터의 EEG 신호를 모니터링하는 단계를 포함한다. 방법은 다음 중 적어도 하나를 수행함으로써 EEG 신호에 유도 반응을 일으키는 단계를 더 포함한다: 상기 사람에게 자극을 제공하는 단계, 자극 생성 동작을 수행하도록 상기 사람에게 요청하는 단계, 또는 자극 생성 주변 소리를 식별하는 단계. 방법은 상기 자극들에 의해 발생된 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하는 단계, 상기 유도 반응에 기초하여 상기 피부 표면 전극이 상기 사람의 EEG 신호를 수신한지를 결정하는 단계, 및 EEG 신호가 상기 전극에 의해 수신되지 않으면 상기 사람에게 통지하는 단계를 더 포함한다.
실시예에서, 방법은 EEG 신호가 상기 전극에 의해 수신되지 않으면 상기 사람에게 통지하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 방법은 EEG 신호를 수신하는 특정 전극을 식별하는 단계를 포함한다. 그리고 나서, EEG 신호는 이러한 전극에 의해 모니터링될 수 있다. 추가의 실시예에서, 방법은 EEG 신호를 수신하는 전극을 적용함으로써 EEG 신호를 측정하기 위해 EEG 모니터를 재구성하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 방법은 상기 전극이 EEG 신호를 수신한지의 이전 결정에 따라 미리 선택되거나 조정된 시간 간격으로, EEG 신호에 유도 반응을 일으키는 단계 및 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하는 단계를 반복하는 단계를 포함한다. 사람에 대한 특출난 발작을 예측하는 긴급성이 또한 시간 간격의 선택에 영향을 미칠 수 있다.
본 발명에 따르면, 전극 검증을 이용하는 개인 EEG 모니터링 디바이스를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예들은 이제 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 스피커에 의해 발생된 오디오 자극에 의해 야기된 청각 유발 반응에 기반을 둔 전극 검증 시스템을 통합하는 착용식 개인 디바이스의 블록도를 나타낸다.
도 2는 오디오 자극의 변화가 사용자들의 소리 환경으로부터 발생하는 것인 도 1의 블록도를 나타낸다.
도 3은 이어 플러그에 정렬된 전극을 갖고, 통합된 전극 검증을 이용하는 디바이스의 예를 나타낸다.
도 4는 추가의 패드 전극을 갖고, 통합된 전극 검정을 이용하는 디바이스의 추가적인 예를 나타낸다.
도 5는 완전한 외이도 디바이스를 나타낸다.
도 6은 상이한 시간 기간의 초기 신호 분석을 나타낸다.
도 7은 도 6의 주파수 분석 블록을 위한 블록도의 3개의 상이한 예를 나타낸다.
도 8은 감은 눈 및 뜬 눈으로 샘플링된 EEG에 대한 전력 스펙트럼의 예를 각각 나타낸다.
도 9는 도 8에서 분석된 신호의 시간 주파수 그래프를 나타낸다.
도 10은 알파 대역의 주파수 성분의 평균값을 나타내고, 즉 도 9에서 제 2 축의 서브샘플의 평균값을 나타낸다.
도 11은 도 8에서 분석된 신호의 알파 대역 전력의 히스토그램을 나타내고, 즉 도 10의 신호의 히스토그램을 나타낸다.
도 12는 2차원 분류기의 구성예를 나타낸다.
도 1은 전극 검증 및 측정 설정을 위한 시스템을 도시한다. 점선 박스는 전극 검증 시스템이 있는 착용식 개인 디바이스(1)를 나타낸다. 디바이스는 스피커(2)를 포함하고, 스피커(2)는 오디오 발생기(6)로부터 전기 신호를 수신하고 음향 신호를 발생시킨다. 음향 신호는 소리 단독에 의해 청각 유발 전위를 획득함으로써 직접적으로 유도된 EEG 전위로 이어지거나, 또는 EEG 신호에 유도된 전위를 일으키는 동작을 수행하도록 사람을 안내함으로써 간접적으로 유도된 EEG 전위로 이어지도록 의도된다. 디바이스(1)는 사람의 뇌(10)로부터 EEG 신호를 측정하기 위해 적어도 2개의 전극(3)을 더 포함한다. 전극 검증 시스템은 전극(3)으로부터 EEG 신호를 획득하기 위한 신호 획득 수단(4)을 포함한다. 전극(3)은 EEG 센서 파트를 형성한다. 신호 획득 수단(4)은 또한 EEG 센서 파트의 일부로 배치될 수 있다. 신호는 EEG 신호 분석기(5)에 보내지고, 여기서 EEG 신호의 감시가 수행된다. 전극 검증 제어기(7)가 전극(3)으로부의 획득된 신호를 오디오 발생기(6) 및 스피커(2)에 의해 제공된 음향 신호의 타이밍과 비교한다. 이에 기초하여, 전극 검증 제어기(7)는 전극에 의해 획득된 신호가 EEG 신호인지를 결정한다. 전극(3)이 유도 반응을 검출했는지를 결정하는 분류기는 EEG 신호를 수신하고, 전극 검증 제어기(7)의 일부이다.
EEG 자극 제어 수단은 도 1의 실시예에서 오디오 발생기(6)에 대응한다. EEG 반응 검출 수단은 전극 검증 제어기(7)의 일부이고 EEG 신호 분석기(5)로부터 수신된 EEG 신호에서 유도 반응을 식별한다. EEG 모니터를 착용하는 사람에게 통지할지의 여부에 대한 결정은 전극 검증 제어기(7)에서 이루어진다. 이 결정은 미리 선택된 기준에 기초할 수 있다. 이와 같은 기준은 자극이 EEG 신호에 유도 반응을 제공하지 않으면, 통지가 사람에게 직접적으로 제공될 수 있다는 것일 수 있다. 그렇지 않으면, 예컨대 상이한 유형의 자극의 적용에 의해 테스트가 다시 수행될 수 있다.
유도된 전위 진폭은 일반적으로 자연적인 전위 진폭에 비해 낮으므로, 이것은 보통 여러 자극으로부터의 신호를 시간 평균화할 필요가 있다. 정의에 의해 자연적인 EEG 신호는 자극에 독립적이기 때문에, 시간 평균화는 각각의 자극에 동기화딘 신호의 여러 시간 프레임을 합산함으로써 획득될 수 있다. 신호의 유도 반응 부분의 전력은 시간 평균의 수가 두 배가 될 때마다 3 dB 증가한다. 즉, 3 dB는 2개의 시간 평균에서 획득될 수 있고, 6 dB는 4개의 시간 평균에 의해 획득될 수 있으며, 9 dB는 8개의 시간 평균에 의해 획득될 수 있다.
전극 검증에 적합한 EEG 유도 반응 방식의 예들이 표 1에 나열된다. 표 1의 예들 중 2개의 예는 소위 MMN(mismatch negativity) 또는 양자극 방안(oddball paradigm)에 기초한다. MMN 또는 양자극 방안은 사건 관련 전위(event-related potential; ERP)를 탐색하기 위해 일반적으로 이용되는 기술이다. 이벤트 관련 전위는 자극의 순서에서 예상치 못한 변화에 의해 유발된다. 예를 들어, 낮은 확률을 갖는 일탈(deviant; d) 소리는 높은 확률을 갖는 일련의 표준(standard; s) 소리 사이에 혼합될 수 있다(예컨대, s s s s s s d s s s s s s d s s s . . . ). 이에 대해 간단한 소리가 적용될 것이다. 예컨대, 다수의 "빕(bib)" 소리가 단일 "밥(bob)" 소리에 의해 중단된다. 이와 같은 시퀀스를 오드볼 시퀀스(oddball sequence)라고 한다. 일탈 소리는 피치, 지속기간, 또는 음량과 같은 하나 이상의 지각 특징에서 표준 소리와 다를 수 있다. 이벤트 관련 전위는 대상이 그 시퀀스에 주목하는지 아닌지의 여부에 관계없이 유발될 수 있다. 오드볼 시퀀스 동안에, 사람은 조용한 자막으로 보는 영화를 읽거나 시청하면서도, 명확한 MMN을 볼 수 있다.
도 2는 주변 소리 환경에 기반을 둔 전극 검증을 위한 시스템 및 이러한 전극 점증을 위한 측정 설정을 도시한다. 점선 박스는 전극 검증 시스템이 있는 착용식 개인 디바이스(1')를 나타낸다. 디바이스(1')는 주변 소리 환경을 측정하는 마이크로폰(8'), 및 유도 반응을 일으킬 수 있는 환경에서 소리를 식별하기 위한 오디오 신호 분석기 블록(9)을 포함한다. 디바이스(1')는 사용자의 뇌로부터 EEG 신호를 측정하기 위한 적어도 2개의 전극(3), 및 EEG 신호 분석기 블록을 더 포함한다. 전극 검증 시스템은 전극(3)으로부터 EEG 신호를 획득하기 위한 신호 획득 수단(4)을 포함한다. 신호는 신호 분석기(5')에 보내진다. 전극 검증 제어기(7')는 환경으로부터의 소리가 유도 반응을 일으킬 수 있는지를 결정하고, 최종적으로 전극(3)에 의해 획득된 신호가 EEG 신호인지를 결정하기 위해서, 전극(3)으로부터의 획득된 신호를 마이크로폰(8')에 의해 기록된 음향 신호와 비교한다.
EEG 자극 제어 수단은 도 2의 실시예에서 오디오 신호 분석기(9)에 대응한다.
대안적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 디바이스에 의해 오디오 자극을 발생시키기 위해서, 전극 검증은 도 2에 도시된 바와 같이 주변 소리 환경에 기초할 수 있다. 이 시스템에서, 디바이스는 사용자의 뇌로부터의 EEG를 모두 측정하고, 주변 소리 환경은 디바이스에 통합된 마이크로폰에 의해 측정된다. EEG 신호 분석기(5') 및 오디오 신호 분석기(9) 블록은 예를 들어 포락 스펙트럼 추정을 위한 알고리즘을 포함하고, 전극 검증 블록은 EEG 포락 스펙트럼과 오디오 포락 스펙트럼 간의 의존성을 활용하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 이러한 시스템의 장점은 전극 테스트가 오디오 신호로 사용자를 방해하지 않고 항상 실행될 수 있다는 것이다.
전극 검증에 적합한 유도 반응 방식의 예들이 표 1에 제공되고, 여기에 각각의 방식이 상세하게 기술된다.
방식 설명
뇌간 청각 유발 전위(Brainstem Auditory-Evoked Potential; BAEP) 또는 청성 지속 반응 검사(Auditory Steady State Response; ASSR) BAEP에서, 자극은 통상적으로 클릭 또는 톤이다. 클릭 자극은 예를 들어 8 - 10 클릭/초일 수 있다. 톤은 온/오프 변조되거나, 또는 예컨대 40 - 100 Hz의 변조 속도로 4000 Hz 캐리어 진폭 변조(AM)될 수 있다. 변조기 신호 주파수 및 이들의 고주파가 EEG 신호에서 검출될 수 있다.
조화 오드볼 조화(h) 소리 및 부조화(d) 소리(예컨대, h h h h h h h h d h h h h h h d h h h h d h h h ...)를 포함하는 오드볼 시퀀스. ERP는 EEG에서 검출될 수 있다.
언어 오드볼 음향 자극에서 언어 변칙 또는 구문적 또는 의미적 규칙의 위배는 ERP를 발생시킨다. ERP는 EEG에서 검출될 수 있다.
뜬 눈/ 감은 눈 알파파는 인간의 뇌(도 1 참조)에서 셀들의 동기적이고 및 일관성 있는 전기적 활성화에서 발생하는 8 - 12 Hz의 주파수 범위에서 진동한다. EEG의 알파파는 대부분 눈을 감고 잠이 안든 상태에서 휴식을 취하는 동안에 뇌로부터 발생한다. 사용자에게 눈을 "뜨거나" "감도록" 명령함으로써, 명령 패러다임에 의한 간단한 유도가 확립된다. 이것은 또한 알파 감쇠 테스트(Alpha Attenuation Test; AAT)로 공지되어 있다.
유도 반응 방식의 예
도 3은 EEG 모니터 디바이스의 실시예의 개요를 도시한다. 디바이스는 보청기에서 잘 알려진 귀걸이형(behind-the-ear style) 디바이스이다. 통상적으로, 이것은 배터리, 전자 회로, 및 마이크로폰이 있는 귀걸이 파트(12)를 포함한다. 디바이스(1)는 이어 피스(15) 및 귀걸이 파트(12)와 이어 피스(15) 사이의 연결 와이어(14)를 더 포함한다. 전극은 주문 제작된 이어 피스의 표면에 배치된다. 이어 피스 상에 도시된 사운드 아웃렛(sound outlet)(16)은 디바이스에 의해 발생된 음향 자극을 사용자에게 제공한다. 디바이스의 스피커(또는 수신기)는 귀걸이 파트(12)에 배치되고, 그리고 나서 사운드 튜브를 통해 이어 피스에 연결되거나, 스피커가 이어 피스에 배치될 수 있다. 사운드 아웃렛(16)은 또한 귀를 가리지 않기 위해서 음향 관통(벤트)를 제공할 수 있다. 와이어/사운드 튜브는 스피커가 귀걸이 디바이스에 배치되는 경우에 사운드 가이드이다. 스피커가 이어 피스에 배치되면, 와이어/사운드 튜브는 전기 와이어이다. 신호 획득, 즉 프리앰프 및 아날로그 디지털 컨버터(analogue to digital converter; ADC)가 이어 피스(15) 또는 귀걸이 파트(12)에 배치될 수 있다. 귀걸이 부분(12)은 사용자의 환경의 음압 레벨을 측정하기 위한 목적으로 마이크로폰을 포함할 수 있다. 이 방법에서, 디바이스로부터의 음압 레벨은 사용자 환경의 음압 레벨로 적응될 수 있다. 이것은 전극 테스트를 위한 오디오 자극 및 디바이스로부터 사용자에게로의 오디오 메시지에 대하여 모두 유리할 수 있다.
도 4는 EEG 모니터 디바이스(1)의 다른 실시예를 도시한다. 디바이스는 도 3의 실시예에처럼 이어 피스(15) 상에 전극(3)을 갖지만, 와이어(21)를 통해 귀걸이 부분(12)에 연결된 패드 전극(20)이 제공된다. 이와 같은 패드 전극은 외이도 바깥 지점에서 머리의 피부 표면에 정렬될 수 있다. 이것은 뇌의 특정 영역으로부터의 EEG 신호가 관련 있고, 외이도로부터 획득 가능한 신호가 충분하지 않은 상태의 감시에 관련 있을 수 있다.
본 발명의 특정한 구현에서, 전극은 또한 예컨대 전자 장치(예컨대, 귀걸이형 부분(12))을 위한 하우징의 표면에 배치될 수 있다.
도 5는 EEG 모니터 디바이스의 완전한 귓속 실시예를 횡단면도로 나타낸다. 디바이스는 귓속 보청기에서 알려진 바와 같이 주문 제작된 이어 피스(25)에 하우징된다. 이어 피스의 외부 표면(26)의 윤곽은 외이도의 적어도 일부의 윤곽 및 사용자의 귓바퀴를 따르도록 제작된다. 전극(3)은 이어 피스(25)의 일부분, 즉 사용자의 귀를 따르도록 일치되는 외부 표면(26)에 내장된다. 디바이스는 또한 도 1 또는 도 2의 상이한 블록들을 포함하는 전자 모듈(27), 마이크로폰(8) 및 스피커(또는 수신기)(2)를 포함한다. 개요는 전극(3)을 연결하는 전기 와이어, 전자 모듈(27)과 함께 마이크로폰(8), 및 스피커(2)를 도시한다. 전자 모듈은 데이터 획득을 위한 수단, 신호 분석을 위한 수단, 및 전극 검증을 위한 수단을 포함한다. 이어 피스는 사용자의 외이도의 음향 교합(acoustical occlusion)을 방지하기 위한 목적으로, 즉 외이도의 차단을 목적으로 환기 채널(24)을 갖는다. 또한, 이어 피스는 마이크로폰(8)을 위한 개구부(13) 및 수신기(2)를 위한 개구부(16)를 갖는다.
도 6은 알파 밴드 검출 방식을 위한 레이아웃을 도시한다. 이것은 전극 검증은 개방/폐쇄 눈 방식에 기초할 때 적용될 수 있다. 명령이 스피커(수신기)(2)를 통해 사람에게 전해진다. 명령은 눈을 감아야한다는 것일 수 있고, 정해진 기간 이후에 명령은 눈을 떠야한다는 것일 수 있다. 이것은 다수의 사이클 동안 반복될 수 있다. 각각의 사이클 동안, EEG 신호의 주파수 분석이 별도로 수행된다.
EEG의 알파파는 대부분 눈을 감고 잠이 안든 상태에서 휴식을 취하는 동안에 뇌로부터 발생한다. 사용자에게 눈을 "뜨거나" "감도록" 명령함으로써, 명령 패러다임에 의한 간단한 유도가 확립된다. 따라서, 뜬 눈 기간과 감은 눈 기간 사이의 주파수 분포를 비교함으로써, 신뢰성 있고 강력한 전극 테스트를 행하는 것이 가능하다.
도 7은 도 6의 주파수 분석 블록을 위한 블록도의 3개의 예를 도시한다. 도 7a의 알파 대역 대역통과 필터는 8 - 12 Hz의 통과 대역을 갖는다. 도 7a의 제 2 블록은 신호의 제 1 놈(norm) 또는 절댓값이다. 도 7a의 저역통과 필터는 신호를 평균화한다. 이 저역통과 필터는 제 1 차 또는 제 2 차 순환 필터일 수 있다.
도 7b에서, 2가지 분기가 존재하고, 상위 분기는 알파 대역의 에너지를 찾고 하위 분기는 알파 대역 밖의 에너지를 찾는다. 상위 분기의 제 1 블록은 알파 대역의 주파수들을 통과시키도록 하는 대역통과 필터이다. 하위 분기의 제 1 블록은 알파 대역의 주파수들을 차단하지만 다른 주파수들을 통과시키도록 하는 대역저지 필터이다. 도 7b에서 분기 모두에서의 제 2 블록은 신호의 RMS(Root Mean Square)을 계산한다.
도 7c는 단시간 푸리에 분석의 실시예를 도시한다. 제 1 블록(워핑된 지연 회선)은 저주파수에서 더욱 양호한 해상도를 획득하기 위해서 주파수 스케일을 변경하는 공지된 방법이다.
도 8은 귓속형 Ag 전극으로부터의 전력 스펙트럼을 도시한다. 신호는 512 Hz로 샘플링된다. 처음 30 초에서, 사람은 눈을 감고, 다음 30 초에서 사람은 눈을 뜬다. 2개의 곡선은 제 1의 30 초 시간 윈도우 및 제 2의 30 초 시간 윈도우에 대한 전력 스펙트럼을 도시한다. 전력 스펙트럼은 윈도우 길이 512개의 샘플을 갖는 해밍 윈도우 및 이들 윈도우 간에 50 %가 중첩되는 웰치 방법(Welch method)을 이용하여 계산된다. 알파 대역(8 - 12 Hz의 주파수 범위)에서 "뜬 눈" 및 "감은 눈" 전력 스펙트럼 사이에 분명한 차이가 있다.
도 9는 도 8의 경우와 같은 신호이지만, 64 Hz 샘플 레이트로 재샘플링된 신호에 대한 시간 주파수 그래프를 도시한다. 스펙트로그램은 각각의 윈도우에서의 512개의 샘플을 단시간 푸리에 변환(Short Time Fourier Transform; STFT)을 이용하여, 각각의 STFT에서 64개의 새로운 샘플이 계산된다. 감은 눈 시퀀스에 비교하여 뜬 눈 시퀀스에 대해 알파 대역에서 신호 레벨의 명확한 증가가 있다.
도 10은 도 8 및 도 9의 경우와 같은 신호를 도시한다. 곡선은 도 9에 도시된 스펙트로그램으로부터 STFT의 대응하는 탭들로 계산된 알파 대역(8 - 12 Hz)의 전력을 도시한다. 곡선은 눈이 떠지는 30 초에서 알파 대역 전력의 상당한 하락을 도시한다.
도 11은 알파 대역 검출 방식에 대한 간단한 1차원 이진 분석기를 도시한다. 회색 막대는 "뜬 눈" 데이터에 대한 알파 대역에서의 전력의 히스토그램을 나타내고, 검은 막대는 "감은 눈" 데이터에 대한 히스토그램을 나타낸다. 도시된 점선은 판단 레벨이고, 이 판단 레벨은 도 11의 왼쪽 부분에 있는 작은 표에 인쇄된 분류 성능을 야기한다. 사양 및 정확도가 비교적 양호하다는 것이 이 표로 볼 수 있고, 이는 2개의 측정이 일반적으로 충분할 것임을 의미한다.
도 12는 알파 대역 검출 방식을 위한 2차원 이진 분류기의 묘사를 도시한다. 그래프는 분산형 그래프로서, 여기서 점들은 특징 공간(차원 1 대 차원 2)에서의 데이터 점들을 나타내고, 실선은 선형 판단 라인이다. 검은 점 및 회색 점은 각각 분류 1 및 분류 2로부터의 데이터 점들을 나타낸다. 도 12는 검출기가 2개의 입력, 예컨대, 차원 1은 알파 대역으로부터의 전력이고, 차원 2는 전체 다른 주파수 대역으로부터의 전력인 경우의 시뮬레이션 예를 도시한다. 이것은 도 7b의 블록도에 의해 획득될 수 있고, 여기서, 도 7b의 상위 신호 분기가 차원 1을 제공하고, 도 7b의 하위 신호 분기가 차원 2를 제공한다. 이 예에서, "분류 2"는 "감은 눈" 데이터이고, "분류 1"은 "뜬 눈" 데이터이다. 이것은 또한 비선형 분류기로, 고차 선형 또는 비선형 분류기로 일반화될 수 있다.
전극 검증은 상이한 방법들의 조합에 의해 수행될 수도 있다. 예컨대, 발생된 오디오 자극에 기반을 둔 방법 및 주변 소리에 기반을 둔 방법이 조합될 수 있다. 이와 같이 조합된 시스템의 일례는, 디바이스의 스위치가 켜질 때 또는 사용자가 전극 테스트를 요청할 때는 언제나 발생된 오디오 신호에 기반을 둔 전극 테스트가 수행되는 것일 수 있다. 주변 소리 환경에 기반을 둔 전극 테스트는 디바이스가 사용 중일 때는 언제나 계속 실행될 것이다. 유도 반응에 기반을 둔 방법이 또한 전기적 임피던스 측정과 조합될 수 있다. 상이한 측정 방법을 조합하는 것의 장점은 이것이 신뢰성, 견고성, 상이한 오류 원인들을 구별하는 능력의 면에서 전극 검증을 향상시킬 수 있다는 것이다.
전기적 임피던스 측정에 기반을 둔 전극 검증은 또한 계속해서 활성화되도록 구현될 수 있고, EEG 신호를 측정할 때와 동시에 활성화되도록 구현될 수 있다. 임피던스를 측정하기 위해 전극에 적용되는 전기 신호는 관심 있는 EEG 신호의 주파수 범위 밖의 주파수 범위에 있으면 가능하다. 통상적으로, 전기 신호는 관심 있는 EEG 신호의 주파수 범위보다 높은 주파수(예컨대, 500 Hz 이상)를 가질 수 있다.
임피던스 측정을 위해 상이한 주파수를 선택하는 것의 대안으로, EEG 모니터링은 단기간 동안 중단될 수 있지만, 임피던스 측정은 수행된다. 이 경우, 임피던스 측정의 주파수는 통상적으로 10 - 30 Hz 범위에 있을 수 있다.
전극이 EEG 신호를 수신했다는 것을 전극 검증 시스템이 확립할 수 없는 경우에, 통지가 EEG 모니터를 착용하고 있는 사람에게 제공될 수 있다. 전극과 피부 사이에 양호한 전극 연결이 존재한다는 것을 확실히 하기 위해서 사람이 EEG 전극의 위치를 조정하는 것이 가능할 것이다. 통지는 예컨대, 사람이 무엇을 해야 할지를 알리는 음성 메시지와 같은, 소리 메시지의 형태일 수 있다.

Claims (19)

  1. 사람의 머리에서 실시되도록 구성된 개인 착용식 EEG 모니터에 있어서,
    - 상기 사람으로부터의 하나 이상의 EEG 신호들을 측정하기 위한 피부 표면 전극을 갖는 EEG 센서 파트;
    - 상기 EEG 센서 파트로부터 전달된 EEG 신호를 갖도록 구성되고, 상기 사람으로부터의 EEG 신호를 모니터링하도록 구성된 EEG 신호 분석기;
    - 상기 사람에게 자극을 제공하고,
    - 자극 생성 동작을 수행하도록 상기 사람에게 요청하고,
    - 잠재적인 자극 생성 주변 소리를 식별하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된 EEG 자극 제어 수단;
    - 상기 자극에 의해 야기된 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하기 위한 EEG 반응 검출 수단; 및
    - 상기 적어도 하나의 유도 반응에 기초하여 상기 피부 표면 전극이 상기 사람의 EEG 신호를 수신했는지를 결정하기 위한 분류기
    를 포함하는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전극은 건식 전극(dry electrode)인 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전극은 상기 사람의 외이도에 정렬되도록 구성되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 EEG 자극 제어 수단은 상기 사람에게 청각 자극을 제공하는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 EEG 자극 제어 수단은 유도 반응을 일으킬 수 있는 환경으로부터의 소리를 식별하도록 구성되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 EEG 자극 제어 수단은 눈을 뜨고 감도록 상기 사람에게 요청하도록 구성되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자극이 적어도 두 번 반복되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외이도에 정렬되도록 구성된 적어도 하나의 전극은 이어 피스(ear-piece)에 정렬되고, 상기 이어 피스는 상기 사람의 외이도에 맞는 영구적인 형태로 제공되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EEG 센서 파트 외부에 패드 전극을 더 포함하고, 상기 패드 전극은 모니터링될 사람의 머리에 정렬되도록 구성되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개인 착용식 EEG 모니터는 유도 반응을 식별함으로써, 적어도 3개의 전극들의 타당성(validity)을 테스트하도록 구성되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유도 반응의 식별에 의한 전극의 검증은 피부 표면에 배치된 전극들 간의 전기적 임피던스를 측정하는 것과 조합되는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EEG 신호가 수신되지 않으면 상기 사람에게 통지하기 위한 통지 수단을 더 포함하는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    EEG 신호를 수신하는 전극들을 식별하기 위한 수단, 및
    상기 사람으로부터의 EEG 신호를 모니터링하기 위해 상기 전극들을 선택하는 수단을 더 포함하는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EEG 신호가 상기 전극들에 의해 수신되지 않은 경우에 외부 유닛에 무선 통지를 전송하기 위한 수단을 더 포함하는 것인 개인 착용식 EEG 모니터.
  15. 사람의 머리에서 실시되는 EEG 모니터에 의해 상기 사람의 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법에 있어서,
    - 피부 표면 전극을 갖는 EEG 센서 파트에 의해 상기 사람으로부터 하나 이상의 EEG 신호를 측정하는 단계;
    - 상기 EEG 신호 처리 수단을 갖는 처리 유닛에 상기 EEG 센서 파트로부터의 EEG 신호를 전달하는 단계;
    - 상기 처리 유닛에서 상기 사람으로부터의 EEG 신호를 모니터링하는 단계;
    - 상기 사람에게 자극을 제공하고,
    - 자극 생성 동작을 수행하도록 상기 사람에게 요청하고,
    - 자극 생성 주변 소리를 식별하는 것 중 적어도 하나를 수행함으로써 상기 EEG 신호에 유도 반응을 일으키는 단계;
    - 상기 자극들에 의해 발생된 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하는 단계;
    - 상기 유도 반응에 기초하여 상기 피부 표면 전극이 상기 사람의 EEG 신호를 수신했는지를 결정하는 단계
    를 포함하는 것인 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 EEG 신호가 상기 전극에 의해 수신되지 않으면 상기 사람에게 통지하는 단계를 더 포함하는 것인 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    EEG 신호를 수신하는 특정 전극을 식별하는 단계를 더 포함하는 것인 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법.
  18. 제 15 항 또는 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서,
    EEG 신호를 수신하는 전극들을 적용함으로써 상기 EEG 신호를 측정하기 위해 상기 EEG 모니터를 재구성하는 단계를 더 포함하는 것인 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극이 EEG 신호를 수신했는지의 이전 결정에 따라 미리 선택되거나 조정된 시간 간격으로, EEG 신호에 유도 반응을 일으키는 단계 및 EEG 신호로부터의 유도 반응을 식별하는 단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것인 EEG 신호를 연속적으로 모니터링하기 위한 방법.
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