KR20140137870A

KR20140137870A - 뇌-뇌 인터페이스 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140137870A
Application number: KR1020130059043A
Authority: KR
Inventors: 민병경
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2013-05-24
Filing date: 2013-05-24
Publication date: 2014-12-03
Also published as: KR101470588B1

Abstract

뇌-뇌 인터페이스 처리시, 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하고, 뇌파 신호에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하고, 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 해당 신경 부위 별로 매칭된 기준 형상 중 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하고, 뇌 신경 기능 및 해당 신경 부위 별로 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합 중 검출된 기준 형상에 매칭된 해당 뇌 신경 기능의 최적 제어를 위한 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하고, 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌를 포함하는 신경 부위에 비침습적으로 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사(照射)한다. 이에 따라, 의도 인지 대상의 의도(intention)에 따른 뇌 신경(또는 인지) 정보를 이용하여, 비침습적이고 공간 정밀도가 높은 초음파 자극을 통해 다른 대상의 뇌 신경 (또는 인지) 기능을 제어할 수 있다.

Description

뇌-뇌 인터페이스 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR BRAIN-BRAIN INTERFACING}

본 발명은 뇌전도 및 초음파를 이용하여 뇌와 뇌 간의 인터페이스(Brain-Brain Interface, BBI)를 처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래에는 뇌파 신호를 이용하여 사람의 의도(intention)에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-computer Interface)를 제어하는 방식들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

구체적으로, 뇌파의 인지적 속성(cognitive property)에 따른 매개 변수들을 분석하여 사용하는 방식이 제안되었다. 뇌파의 분석은 크게 시간축 분석과 주파수축 분석으로 나눌 수 있다. 뇌파 신호의 시간축 분석의 일례로, 자극 제시와 관련된 뇌파 신호를 반복적으로 측정하고, 단위 뇌파 조각들을 자극이 제시된 시점을 기준으로 정렬한 후 제시 시점을 기준으로하여 평균 뇌전위를 산출한다. 이에 따라, 제시된 자극이나 사건과 관련되어 평균값에서 누적되어 나타나는 뇌전위인 사건 관련 전위(ERP: event-related potential)를 산출할 수 있다. 이는, 자극과 관련된 뇌파 신호만이 평균값에서 유효하고, 자극과 무관한 임의의 뇌파 신호는 평균에 의해 상쇄된다는 원리를 이용한 것이다.

이와 같은, 뇌파의 시간축 분석에 의해서 얻어진 성분으로는 대표적인 뇌파 성분인 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)가 있다. 정상상태 시각유발 전위(SSVEP) 성분은 반복적인 시각 자극에 반응하는 뇌파를 이용한 뇌파 신호이다. 예를 들어, 사람이 깜빡이는(flickering) 자극을 보고 있으면 그 자극이 깜빡이는 주파수와 동일한 주파수를 가진 뇌파가 물리적으로 유도되며, 깜빡이는 시각 자극에 의해 유도되되, 자극과 동일한 주파수를 갖는 진동 뇌파가 SSVEP이다.

이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2013-0002590호(발명의 명칭: 안정상태 시각유발전위를 이용한 QWERTY 타입의 문자 입력 인터페이스 장치 및 문자 입력 방법)에서는, 복수개의 문자가 QWERTY 스타일로 표시되는 문자 표시부, 표시되는 문자로 인한 시각 자극에 의해 안정상태 시각유발전위가 유발 되는 동안의 사용자의 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 신호 측정부, 및 측정된 뇌파 신호를 분석하는 뇌파 신호 분석부 및 상기 분석된 뇌파 신호에 해당하는 문자를 출력하는 문자 출력부를 포함하는 문자 입력 인터페이스 장치를 개시하고 있다.

그런데, 이러한 기존의 두뇌-기계 간 인터페이스 장치는 키보드 자판 상에서 피측정자가 공개적으로(overtly) 선택한 키를 확인할 뿐, 이보다 더 고차원적으로 피측정자가 실제 눈동자 움직임이 없이 생각만으로(covertly) 연상한 정보(즉, 의도를 반영한 정보)를 확인할 수 없다는 단점이 있다.

또한, 종래에는 이처럼 뇌-컴퓨터(또는 기계) 간 인터페이스를 처리하거나, 컴퓨터(기계)-뇌 간 인터페이스를 처리하는 기술들은 제안되었으나, 뇌와 뇌 간의 인터페이스(BBI)를 처리하는 기술에 대한 연구는 미비한 실정이다. 더욱이, 컴퓨터(기계)-뇌 간 인터페이스 기술은 침습적인 방법의 위험성으로 인해서, 비침습적이면서 정확성이 높은 기술이 요구되고 있는 상황이다.

이러한 상황에서, 초음파를 이용하여 뇌 속으로 비침습적이며, 공간 해상도가 정밀하도록 뇌 신경 기능을 제어하는 방법이 등장하였다.

이러한 초음파의 신경계 조절 기술에 대한 종래의 연구들에 따르면, 고양이의 시각 유발 전위 (visual evoked potential) 연구(Fry et al., 1958)를 통해 초음파가 피질의 신경 활동성을 감소시킨다는 것이 관측되었고, 초음파가 신경 세포의 접합부인 시냅스를 붕괴시키는 현상도 발견되었으며(Borrelli et al., 1981), 체외에서(in vitro)에서 국부적인 신경 회로의 신경 생리에 초음파가 유의한 영향을 줄 수 있다는 것이 보고되기도 하였다(Rinaldi et al., 1991). 또한, 초음파를 인간의 대뇌 기저 동맥에 조사하여, 피험자가 청각 감각을 경험하는 현상도 발견되었다(Magee and Davies, 1993). 아직까지 초음파가 신경계를 교란시키는 정확한 이유가 보고되지는 않았지만, 초음파에 의한 역학적인 힘이 신경 세포의 막전위(membrane potential)의 변화를 유발했다고 추측된다는 연구도 있다(Gavrilov et al., 1996).

그런데, 상기와 같이 초음파의 신경 기능 교란과 관련된 선행 연구 결과들이 존재하는 상황에서, 기존의 뇌 기능 장애 조절 및 뇌 질환 치료 방법에는 제한이 있었다. 우선, 기존의 약물 투여 방법은 약물 부작용이나 해부학적인 특정 지역의 선택적 치료가 불가능했으며, 침습적(invasive) 치료법(예를 들어, epidural cortical stimulation(EpCS), deep brain stimulation(DBS))은 불가피하게 감염 위험에 노출되고 두개골의 열어야만 하는 치료의 번거로움이 존재하였다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 비침습적(noninvasive) 뇌신경계 치료법(예를 들어, transcranial magnetic stimulation(TMS), transcranial direct current stimulation(tDCS))이 제안되고 있다. 하지만, 이 방법들은 두개골 투과력의 제한과 초점의 모호성으로 인해서, 효율이 떨어지는 제약이 있다. 이에 비해, 초음파에 의한 신경 기능 제어법은 비침습적이면서도, 투과력과 공간 해상도가 높은 장점을 가지고 있다.

이와 관련하여, 대한 민국 등록특허 제1143645호(발명의 명칭: 경두개 저강도 초음파 전달장치 및 이를 이용한 비침습적 뇌기능 조절방법)는, 초음파를 발생하는 초음파발생부, 뇌의 특정영역에 비침습적으로 피험자의 두개골을 통과하여 조영하는 저강도 초음파를 발생하는 공명회로부, 저강도 초음파를 뇌의 특정영역을 조영하기 위해 저강도 초음파의 초점거리를 조절하는 초음파변환기, 피험자의 두피에 고정되는 원통형상의 애플리케이터, 초음파발생부에서 제공된 초음파의 공급량과 초음파변환기에서 조영된 저강도 초음파의 반사량을 측정하는 단자, 및 단자에 제공된 각각의 측정량을 출력하는 출력측정기를 포함하는 초음파 전달 장치를 개시하고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 뇌전도 및 초음파를 이용하여 뇌와 뇌 간의 인터페이스를 제공하는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.

구체적으로, 비침습적으로 두개골을 투과하면서도 공간 해상도가 뛰어난 집속 초음파(focused ultrasound)를 이용하여, 공간적으로 정밀한(mm 단위) 목표 지점에 초음파 에너지를 조사하여 뇌 신경을 자극시킬 수 있는 기술을 컴퓨터-두뇌 인터페이스에 적용하고, 뇌전도를 사용한 두뇌-컴퓨터 인터페이스를 이에 융합하여 뇌전도-초음파 기반의 두뇌-두뇌 인터페이스를 제공하고자 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치는, 의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 추론부; 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 매칭된 해당 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장된 신경 기능 정보 저장부; 및 상기 추론한 형상에 대응하는 상기 기준 형상을 검출하고, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 상기 뇌 신경 기능, 해당 신경 부위 및 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사(照射)하는 초음파 출력부를 포함한다.

그리고, 본 발명의 다른 측면에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치를 통한 뇌-뇌 인터페이스 방법은, (a) 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계; (b) 상기 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계; (c) 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하는 단계; (d) 기설정된 상기 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 대응된 해당 신경 부위 별로 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합 중 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하는 단계; 및 (e) 상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사(照射)하는 단계를 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 복수의 주파수로 나뉘어 점멸(點滅)하는 자극을 주시하는 의도 인지 대상의 뇌로부터 측정된 뇌파 신호만으로 의도 인지 대상이 연상한 형상을 간편하고 정확하게 재구성할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 의도 인지 대상이 의도한 바에 따라 뇌 신경 제어 대상(즉, 초음파 조사 대상)의 특정 뇌 신경 기능을 조절 및 제어할 수 있어 뇌와 뇌 간의 인터페이스가 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 뇌 신경 기능 별로 최적화된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 적용할 수 있어, 다양한 뇌 인지 기능 및 신경 기능에 대한 의도 방향(신경 흥분 혹은 신경 억제) 및 그 제어 정도를 조절할 수 있는 효과가 있다. 또한, 낮은 강도(intensity)에서 펄스(pulse) 형태의 초음파를 조사함으로써, 세포 조직에 열적으로나 물리적으로 손상을 주지 않는 상태에서 뇌 신경 기능을 가역적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 뇌 신경 기능 별로 해당하는 뇌의 신경 부위가 설정되고, fMRI(기능성 자기공명영상)와 같은 뇌영상법을 통해서 초음파 조사의 타겟에 대한 정확한 뇌 상의 자극 위치를 검출할 수 있다. 그리고 초음파 발생기에 적외선 마커(marker)를 부착하여 적외선 카메라를 통해 추적함으로써, 3차원 공간 상에서 초음파 발생기의 초점 좌표를 추적하여 파악할 수 있고, 초음파 초점 좌표와 뇌 이미지를 이용하여 생성한 초음파 타겟이 될 생체 부위에 대한 위치 좌표를 정합(align)함으로써, 초음파 출력 시 목표하는 뇌의 위치에 대한 출력 정확도 및 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 시간의 함수로 발생되는 뇌의 정신 작용을 뇌파 신호라는 객관적 지표로 바꾸어 표현할 수 있어, 뇌파 신호를 디지털 또는 아날로그 형태의 데이터 신호로 변환하여 유/무선으로 송출이 가능하다. 더 나아가, 뇌에서 발생된 정보를 다른 뇌에 작용하는 송신기(본 발명의 일 실시예에서는 ‘초음파 출력부’)가 수신하여 디코딩할 수 있음으로써, 향후 뇌의 정신 작용에 따른 데이터가 다른 뇌의 정신 작용으로 전환되어 궁극적으로 ‘정신 데이터’ 전송이 성립할 수 있도록 하는 근간이 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 추론부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 배열부의 제어 방식 및 발광 소자 배열부를 이용한 연상 형상 추론 방식의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 뇌 신경 기능 별 초음파 조사 위치를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스의 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 상이한 대상의 두뇌 간의 인터페이스를 처리하는 장치이다.

구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 의도(intention) 인지 대상의 뇌로부터 뇌파 신호를 측정하고, 측정된 뇌파 신호에 따른 뇌전도(electroencephalogram, EEG)에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 특정 형상을 추론한다. 그리고, 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 추론한 형상에 매칭된, 다른 뇌(이하, ‘초음파 조사 대상의 뇌’라고 지칭함)의 특정 신경 기능을 제어할 최적의 초음파 자극 변수의 조합을 검출하고, 검출한 정보에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌의 특정 부위에 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사하여 자극함으로써, 해당 신경 기능의 조절을 제어한다. 이때, 초음파 조사 대상의 뇌의 부위 중 상기 특정 신경 기능에 해당하는 신경 부위가 초음파를 조사할 타겟 신경 부위로 설정된다.

이처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는, 뇌전도에 기반한 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)와, 초음파에 기반한 컴퓨터-뇌 인터페이스(Computer-Brain Interface, CBI)를 융합한 뇌전도-초음파 기반의 뇌-뇌 인터페이스(Brain-Brain Interface, BBI)를 처리한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는, 도 1에서와 같이 사람(즉, 의도 인지 대상) 대 동물(즉, 초음파 조사 대상) 뿐만 아니라, 사람 대 사람 및 동물 대 동물 등 다양한 생물체의 뇌 간에 인터페이스 처리가 가능하다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 다른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 발광 소자 배열부(110), 형상 추론부(120), 신경 기능 정보 저장부(130), 초음파 출력부(140) 및 MRI 촬영부(150)를 포함하여 구성된다.

발광 소자 배열부(110)는 복수의 발광 소자(light-emitting element)가 일정 간격 서로 이격되어 배열되어 있다. 참고로, 복수의 발광 소자가 이격된 간격은 정신물리학적으로 의미가 있는 간격으로서, 사전에 실험을 통한 결과에 기초하여 설정될 수 있다. 즉, 각 발광 소자 배열 간에 충분한 시각적 구분 분해능을 가질 수 있도록 배열된다.

한편, 하기에서 설명할 도 4에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 배열부(110)는 복수의 발광 소자가 행렬 형태로 배열되되, 각 행 및 열이 교차하는 위치마다 둘 이상의 발광 소자가 배치될 수 있다. 이에 따라, 각 행 및 열은 교차 위치에서 발광 소자를 공유하지 않고 각각 독립적으로 발광 소자가 구성됨으로써, 행과 열이 각각 고유의 독립적인 주파수로 깜박(즉, 점멸)일 수 있다.

이때, 하기에서 설명할 형상 추론부(120)에 포함된 발광 소자 제어 모듈(121)의 제어에 따라, 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자들은 각각 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하게 되고, 의도 인지 대상이 이러한 발광 소자 배열부(110)를 주시하게 된다.

하기 도 4에서는 행의 발광 소자(RD1 내지 RD25)와 열의 발광 소자(CD1 내지 CD25)의 기호를 상이하게 나타내었으나, 이는 행과 열의 구별을 용이하게 하기 위한 것으로, 행렬의 발광 소자들은 동일한 종류로 구성될 수 있다. 참고로 본 발명의 일실시예에서 발광 소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)일 수 있으며, 발광 다이오드 중 적색, 녹색 및 백색의 발광 다이오드 중 어느 하나일 수 있다.

다시 도 2로 돌아가서, 형상 추론부(120)는 의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 형상 추론부(120)의 구성 및 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 추론부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 소자 배열부의 제어 방식 및 발광 소자 배열부를 이용한 연상 형상 추론 방식의 일례를 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 도 3에 도시한 바와 같이, 형상 추론부(120)는 발광 소자 제어 모듈(121), 뇌파 측정 모듈(122) 및 형상 분석 모듈(123)을 포함하여 구성된다.

발광 소자 제어 모듈(121)은 발광 소자 배열부(110)에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어한다. 또한, 발광 소자 제어 모듈(121)은 점멸하는 총 시간이나 점멸의 밝기, 점멸의 대상이 되는 발광 소자 선택 등의 다양한 점멸 동작 조건을 제어할 수 있다.

이때, 발광 소자 제어 모듈(121)은 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자들을 복수의 그룹으로 구분하고, 각 그룹 별로 상이하게 설정한 주파수에 따라 발광 소자가 점멸하도록 제어할 수 있다. 참고로, 발광 소자 제어 모듈(121)은 의도 인지 대상이 주시할 발광 소자들이 고주파로 점멸하도록 설정함으로써 눈의 피로를 감소시킬 수 있다.

구체적으로, 발광 소자 제어 모듈(121)은 복수의 발광 소자를 기설정된 복수의 배열 위치 범위 별로 나누어 그룹화하되, 도 4의 (a)에서와 같이 행렬 형태로 배열된 전체 발광 소자 중 하나의 행 또는 열의 배열 위치 상에 배치된 복수의 발광 소자를 하나의 그룹으로 그룹화할 수 있다.

그리고, 발광 소자 제어 모듈(121)은 복수의 그룹 별로 상이한 주파수를 설정하고, 각 그룹에 속한 발광 소자들이 동일한 주파수로 점멸하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서는 발광 소자 배열부(110)의 5개의 행에 각각 35Hz, 15Hz, 5Hz, 25Hz 및 45Hz가 설정되고, 5개의 열에 각각 49Hz, 28Hz, 7Hz, 21Hz 및 14Hz가 설정된 것을 나타내었다.

발광 소자 제어 모듈(121)은 행 별 또는 열 별로 주파수 간의 대역폭 차를 기설정된 임계값 이상 차이가 나도록 설정할 수 있다. 그리고, 발광 소자 제어 모듈(121)은 둘 이상의 행 및/또는 열 간의 주파수 합이 다른 둘 이상의 행 및/또는 열 간의 주파수 합과 상이하도록 각 행 및 열에 주파수를 할당할 수 있다.

이는, 이후 설명할 뇌파 측정 모듈(122)을 통해 측정된 의도 인지 대상의 뇌파 신호로부터 주파수 검출시 측정 값의 분해능과 신뢰도를 높이기 위해서이다. 또한, 하기 뇌파 측정 모듈(122)이 측정한 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)를 통해 검출되는 뇌파 신호 중에는 특정 행 및 열 간의 점멸 주파수의 조합 성분도 검출되므로, 이것을 역추론하는데 용이하게 이용하기 위함이다.

예를 들어, 도 4의 (b)를 참조하면, 의도 인지 대상이 문자 “T”를 연상하면서 상기 모든 행렬이 각각 고유의 주파수로 점멸하고 있는 발광 소자 배열부(110)를 응시할 경우, 검출이 예상되는 SSVEP는 7Hz(열), 35Hz(행), 및 상기 두 주파수의 합인 42Hz이다. 이와 비교하여, 의도 인지 대상이 문자 “＋”를 연상하면서 상기 점멸하고 있는 발광 소자 배열부를 응시할 경우, 검출이 예상되는 SSVEP는 7Hz(열), 5Hz(행), 및상기 두 주파수의 합인 12Hz이다. 이처럼, 각각 상이한 형상에 대응하는 주파수들의 합(즉, 앞서 설명한 42Hz 및 12Hz)이 서로 상이하도록 각각의 행과 열에 주파수를 설정할 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에서, 도 2의 발광 소자 배열부(110)와 도 3의 발광 소자 제어 모듈(121)을 별도의 구성으로 구분하여 설명하였으나, 또 다른 예로서 발광 소자 배열부(110) 및 발광 소자 제어 모듈(121)은 하나의 구성으로 결합되어 구현될 수 있다. 이때, 결합된 발광 소자 배열부(110) 및 발광 소자 제어 모듈(121)은 하기 설명할 뇌파 측정 모듈(124) 및 형상 분석 모듈(123)과 연결되어 발광 소자 별로 설정된 주파수 정보 및 발광 소자의 제어 정보(예를 들어, 점멸 제어의 시작 및 종료 등의 정보)를 제공할 수 있다.

뇌파 측정 모듈(122)은 발광 소자 배열부(110)를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다. 참고로, 뇌파 측정 모듈(122)은 뇌파 측정 장비(미도시)와 연결되어 뇌파 신호를 측정하도록 제어할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)의 구성 중 뇌파 측정 모듈(122)을 포함한 적어도 하나의 구성이 뇌파 측정 장비 내 일구성으로서 포함될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는 의도 인지 대상의 안전 및 편의를 위해 비침습적(noninvasive)으로 뇌파를 측정하는 헤드셋이나 밴드 형태 등의 뇌파 측정 장비(미도시)를 적용할 수 있다.

이때, 뇌파 측정 모듈(122)은 다양한 방식으로 뇌파 신호를 측정할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는, 점멸하고 있는 발광 소자 배열부(110)를 응시한 의도 인지 대상의 인지적 주의(cognitive attention)에 따라 후두엽(occipital lobe)의 시각 피질(visual cortex)에서 물리적으로 유도되는 정상상태 시각유발 전위(SSVEP)를 측정할 수 있다.

형상 분석 모듈(123)은 측정된 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.

구체적으로, 의도 인지 대상이 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자를 주시한 상태에서 특정한 형상(문자, 숫자 및 기호 등)을 의도(intention)에 따라 연상할 경우, 의도 인지 대상이 연상한 형상에 매칭된 발광 소자 배열부(110) 상의 발광 소자가 점멸하는 주파수와 동일한 주파수가 뇌파 신호에서 검출된다.

이때, 형상 분석 모듈(123)을 통해 검출된 뇌파 신호의 주파수는 피측정자가 의도한 특정한 형상의 모양(예를 들어, 기하학 구조(geometry))에 매칭되는 해당 발광 소자 그룹의 점멸 주파수를 반영한다. 즉, 발광 소자 배열부(110) 상의 그룹 중 의도 인지 대상의 형상 연상에 대응하는 그룹의 주파수와, 상기 대응하는 그룹 별 주파수를 합한 주파수가 검출된다.

예를 들어, 형상 분석 모듈(123)은 검출한 주파수 중 발광 소자 제어 모듈(121)을 통해 설정된 그룹 별 주파수와 완벽히 일치하는 주파수와 그 공진 주파수(harmonic frequency)에 기초하여 정확한 주파수를 선택할 수 있다. 또한, 형상 분석 모듈(123)은 검출된 주파수 주변의 유사 주파수가 포함된 경우, 발광 소자 배열부(110) 상에 설정된 주파수 중 의도 인지 대상자의 의도와 관련된 주파수 및 그 주파수들을 합한 주파수를 참고하여 정확한 주파수를 선택할 수 있다.

그런 다음, 형상 분석 모듈(123)은 발광 소자 배열부(110) 상의 복수의 그룹 중 상기 검출한 적어도 하나의 주파수와 대응하는 주파수로 설정된 그룹을 검출한다. 그리고, 형상 분석 모듈(123)은 상기 검출한 그룹의 발광 소자들의 배열 형태에 의한 형상에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.

이때, 형상 분석 모듈(123)은 측정된 뇌파 신호로부터 둘 이상의 주파수가 검출된 경우, 검출된 둘 이상의 주파수에 대응되는 발광 소자 배열부(110)의 그룹 별 발광 소자의 배열 형태를 조합하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론할 수 있다.

예를 들어, 의도 인지 대상이 문자 “T”를 연상한 경우, 도 4의 (b)에서와 같이 형상 분석 모듈(123)은 발광 소자 배열부(110) 상의 행 및 열 중 문자 “T”의 형상에 대응되는 35Hz 및 7Hz의 주파수와, 35Hz 및 7Hz를 합한 42Hz를 검출할 수 있다.

이때, 형상 분석 모듈(123)은 뇌파 신호로부터 검출된 35Hz 및 7Hz 및 42Hz에 대응하는 발광 소자 배열부(110) 상의 행 및 열을 판단하고, 판단한 행 및 열에 해당하는 발광 소자의 배열 형태에 따른 형상(즉, 문자 “T”에 대응하는 형상)을 추론하여 판단한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 형상 분석 모듈(123)은 기저장된 복수의 기준 형상과 상기 검출한 그룹에 의한 형상 간의 유사도를 산출하여, 유사도가 가장 높은 형상을 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 것도 가능하다. 이때, 형상 분석 모듈(123)은 사전에 글자(문자), 숫자, 및 기호 등의 다양한 종류의 형상을 포함하는 기준 형상과 각 기준 형상에 대응되는 발광 소자 배열부(110) 상의 발광 소자 그룹들의 정보를 매칭하여 저장해둘 수 있다.

다시 도 2로 돌아가서, 신경 기능 정보 저장부(130)는 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 각 뇌 신경 기능에 해당하는 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장되어 있다. 이때, 초음파 자극 매개 변수의 조합은 해당 뇌 신경 기능을 최적으로 제어할 수 있도록 하는 조합으로서, 사전에 실험 등을 통해 설정될 수 있다.

구체적으로, 초음파 조사 대상의 뇌의 신경 부위 중 특정 신경 기능(또는 인지 기능 등)을 담당하는 각각의 부위가 설정되며, 각 뇌 신경 기능의 구분 및 조절 정도를 결정할 수 있는 기준 형상과, 해당 뇌 신경 기능의 조절에 적합한 초음파의 출력을 제어할 수 있는 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭된다. 참고로, 초음파를 조사할 부위로서 뇌를 포함한 중추 신경계 및 말초 신경계를 포괄하는 신경계 모두가 포함될 수 있다.

구체적으로, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 뇌 신경 기능 별 초음파 조사 위치를 설명하기 위한 개념도이다.

예를 들어, 도 5에 도시한 바와 같이, 두뇌의 여러 부위 중 브로카(Broca) 영역은 언어의 생성을 담당하고, 베르니케(Wernicke) 영역은 언어의 이해를 담당하고, 전두엽(frontal lobe)은 의사 결정을 담당하며, 해마체(hippocampus)는 학습과 기억을 담당하고, 주의 집중력을 담당하는 신경망이 존재한다. 그 외에도, 감정 조절을 담당하는 편도체(amygdala) 및 생체 시계를 담당하는 시교차상핵(suprachiasmatic nucleus) 등 여러 부위가 사전에 설정될 수 있다. 참고로, 두뇌의 신경 기능 별 부위는 3차원 공간 상의 위치 좌표 값으로서 설정될 수 있다.

이에 따라, 하기에서 설명할 초음파 출력부(140)를 통해 초음파 초점을 원하는 뇌의 특정 부위에 조사하게 되면, 그 부위와 관련이 있는 신경 기능(또는 인지 기능 등)의 변화가 발생한다.

한편, 신경 기능 정보 저장부(130)에는 어느 하나의 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장될 수 있으며, 이에 따라 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어될 수 있다.

참고로, 초음파 자극 매개 변수는, 하기에서 설명할 초음파 출력부(140)를 통해 출력되는 집속 초음파에 대한 초음파 중심 주파수, 초음파 자극이 중단없이 진행되는 단위 시간, 초음파 자극 단위(예를 들어, ‘pulse’)의 단위 시간당(예를 들어, 1초) 반복 횟수, 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함한다. 이때, 뇌에 조사될 집속 초음파의 강도, 횟수, 시간 등의 매개 변수의 조합은 뇌의 생체 조직에 손상을 입히지 않으면서도, 해당 뇌 신경 기능을 목적에 따라 조절할 수 있는 최적의 조합으로 설정될 수 있다.

이러한, 초음파 자극 매개 변수를 조절하면 해당 신경 기능을 강화 또는 약화시킬 수 있다.

예를 들어, 특정 뇌 신경 기능을 선택한 후, 특정 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 초음파를 조사할 경우 학습 능력을 향상시킬 수도 있고, 동일 뇌 부위에 대해 다른 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 초음파를 조사할 경우 학습 능력을 약화 시킬 수 있다. 이처럼, 인지 혹은 신경 기능을 목적하는 바에 따라 특정한 정도로 조절하여 제어할 수 있다.

이외에도, 뇌의 중추 신경 기능을 자극하여 초음파 조사 대상이 따뜻함, 차가움, 통증 등의 촉감각(tactile sensation, proprioception, thermal sensation, pain perception, sensation of movement)을 가상으로 느낄 수 있게 하는 것도 가능하며, 뇌의 특정 신경 기능을 자극하여 말초 신경 제어를 통한 운동 능력의 조절도 가능하다.

다시 도 2로 돌아가서, 초음파 출력부(140)는 형상 추론부(120)가 추론한 형상을 획득하고, 신경 기능 정보 저장부(130)에 저장된 복수의 기준 형상을 참조하여 상기 추론한 형상과 대응된 기준 형상을 검출한다. 그리고, 초음파 출력부(140)는 신경 기능 정보 저장부(130)에 저장된 기준 형상 별 초음파 자극 매개 변수의 조합을 참조하여, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 뇌 신경 기능 및 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출한다.

그런 후, 초음파 출력부(140)는 3차원 공간 상에서 초음파 초점과 타겟(즉, 초음파를 조사할 타겟 부위) 좌표 간의 정합처리를 수행한다. 그리고, 초음파 출력부(140)는 상기 정합 처리의 결과를 적용하여 초음파 조사 대상의 뇌에 상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파(focused ultrasound)를 비침습적으로 조사(照射)한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는, 뇌전도 기반 두뇌-기계(또는 컴퓨터) 인터페이스 장치와 초음파 기반 기계(또는 컴퓨터)-두뇌 인터페이스 장치로 분리되어 구성될 수 있으며, 상기 두 인터페이스 장치는 각각 서로 간에 무선으로 정보를 송수신하는 무선 송/수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에서 뇌전도 기반 두뇌-기계(또는 컴퓨터) 인터페이스 장치는, 형상 추론부(120)를 통해 추론된 연상 형상의 정보를 무선 통신을 통해 초음파 출력부(140) 측으로 전송하는 무선 송신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에서 초음파 기반 기계(또는 컴퓨터)-두뇌 인터페이스 장치는, 상기 무선 송신부로부터 연상 형상의 정보를 무선 수신하여 초음파 출력부(140)로 전달하는 무선 수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 도 2에서 나타낸 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에서 형상 추론부(120)와 초음파 출력부(140) 사이에 무선 송/수신부(미도시)가 더 추가 구성될 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력부의 구성 및 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 초음파 출력부(140)는 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141), 3차원 위치 추적 모듈(142), 위치 좌표 정합 모듈(143) 및 초음파 출력 제어 모듈(144)을 포함하여 구성된다.

뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)은 초음파 조사 대상의 뇌를 자기공명영상(Magnetic Resonance Image) 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 뇌 상의 위치와 상기 생성된 3차원 위치 좌표를 매칭하여 저장한다. 참고로, 정확한 3차원 좌표 추적 및 접근을 위해 해당 뇌(즉, 초음파 조사 대상의 뇌)를 고정시킨 후 MRI촬영 또는 초음파 초점 좌표 설정을 수행할 수 있다.

이때, 상기 도 2에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 초음파 조사 대상의 뇌를 MRI 촬영하는 MRI 촬영부(150)를 자체적으로 포함할 수 있으며, 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)은 MRI 촬영부(150)로부터 뇌 이미지를 획득할 수 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에서는 MRI 촬영부(150)가 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)와 별도의 외부 장비로 구성될 수 있으며, MRI 촬영부(150)와 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)이 연동되어 MRI 촬영부(150)로부터 뇌 이미지를 획득하는 것도 가능하다.

다시 도 6으로 돌아가서, 3차원 위치 추적 모듈(142)은 초음파 발생기(transducer)(미도시)로부터 출력될 초음파의 초점에 대한 3차원 공간 상의 좌표 값을 추적한다. 즉, 초음파 조사 대상 뇌의 3차원 공간 상에 조사될 초음파 초점에 대한 가상 좌표 값을 산출한다. 이러한 초음파 초점의 가상 좌표 값을 이용하여 초음파가 조사될 위치를 추적 및 확인함으로써, 초음파 조사 대상 뇌의 부위 중 설정된 특정 위치에 초음파를 정확하게 조사할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)는 초음파 발생기를 지지하는 홀더(holder)부(미도시)에 고정 설치된 적외선 마커(marker)(미도시) 및 연동된 적외선 추적 카메라(미도시)를 사용하여 초음파 발생기가 출력할 초음파 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표 값을 산출할 수 있다. 참고로, 초음파 발생기는 하기에서 설명할 초음파 출력 제어 모듈(144)의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 기기이고, 적외선 추적 카메라는 적외선 마커의 3차원 공간 상의 위치 좌표(즉, 초음파 출력기의 위치 좌표)를 추적하여 제공한다. 또한, 초음파 발생기 및 적외선 추적 카메라 중 적어도 하나의 구성은 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)에 일체형으로 포함되거나, 별개로 분리되어 포함되되 뇌-뇌 인터페이스 장치(100)와 연동될 수 있다.

구체적으로, 3차원 위치 추적 모듈(142)은 적외선 추적 카메라로부터 제공된 적외선 마커의 3차원 공간 상 위치 좌표를 획득하고, 적외선 마커의 위치 좌표 및 적외선 마커로부터 초음파 초점까지의 상대적 거리 정보를 이용하여 초음파 초점의 3차원 공간 상의 가상 좌표 값을 산출한다. 참고로, 초음파 발생기가 출력할 집속 초음파의 초점 거리는 사전에 설정되어 있는 상태이다.

위치 좌표 정합 모듈(143)은 상기 뇌 이미지를 이용하여 생성한 초음파 조사 대상의 뇌에 대한 3차원 위치 좌표와 상기 초음파 초점의 가상 좌표를 정합(align)하여 초음파의 3차원 공간 상의 출력 좌표를 산출한다. 이에 따라, 초음파 발생기의 초음파 출력 위치가 이동함에 따라 초음파 조사 대상의 두부(頭部) 내부의 3차원 공간 상에 초음파가 출력될 가상 위치가 실시간으로 연동되어 추적된다.

초음파 출력 제어 모듈(144)은 상기 도 2의 형상 추론부(120)가 추론한 형상에 기초하여 제어하고자 하는 뇌 신경 기능을 검출하고, 상기 뇌 이미지를 이용하여 생성된 신경 부위 별 3차원 위치 좌표 중 상기 검출된 뇌 신경 기능에 따른 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표를 검출한다.

그리고, 초음파 출력 제어 모듈(144)은 실시간으로 산출된 초음파 초점의 출력 좌표가 상기 검출된 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표에 대응되면, 해당 초음파 초점의 출력 좌표를 목표 좌표로 설정한다. 그런 후, 초음파 출력 제어 모듈(144)은 설정된 목표 좌표 상의 뇌의 위치에 상기 검출한 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파가 출력되도록 제어한다.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 초음파 출력부(140)는 초음파 발생기(미도시)를 통해 집속 초음파를 출력하되, 초음파 발생기의 출력단에 비유동성의 초음파 투과 매질(예를 들어, 젤(gel) 타입 및 특수 고무 재질)을 장착할 수 있다. 이러한 비유동성의 매질을 통해 상기 출력된 집속 초음파를 초음파 조사 대상의 접촉 부위(표면)에 전달시킬 수 있다. 이에 따라, 비침습적으로 초음파 에너지를 뇌 신경 부위 깊숙히 전달할 수 있다. 참고로, 초음파 에너지 전달의 매질로서 ‘탈-기체 물(degassed water)’을 사용할 수도 있으나, 휴대용 초음파 발생기 등에는 유동성 액체가 적합하지 않아 비유동성 초음파 매질을 사용할 수 있다.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 방법을 상세히 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

먼저, 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다(S710).

이때, 상기 단계 (S710) 이전에, 발광 소자 배열부(110)에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하고, 이와 같은 발광 소자 배열부(110)를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다. 이에 따라, 의도 인지 대상의 의도에 따른 주의 집중 형상을 반영하는 정상상태 시각유발 전위(SSVEP)가 측정될 수 있다.

다음으로, 측정된 뇌파 신호에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다(S720).

구체적으로, 측정된 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다. 이때, 기설정된 기준 형상 중 어느 하나와 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 유사도가 가장 높은 형상을 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론할 수 있다.

그런 후, 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론된 형상에 대응하는 기준 형상을 검출한다(S730).

그리고, 검출된 기준 형상에 매칭된 제어 대상 뇌 신경 기능의 종류 및 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표 정보와, 해당 신경 기능의 최적 제어 조건으로서 매칭된 초음파 매개 변수의 조합을 검출한다(S740).

이때, 초음파 매개 변수는 초음파 중심 주파수, 초음파 자극이 중단없이 지속된 최소 단위 시간, 초음파 자극 단위의 단위 시간당 반복 횟수, 단위 시간에 조사된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 상기 단계 (S740) 이전에 어느 하나의 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합을 매칭하여 저장할 수 있으며, 초음파 매개 변수의 조합에 따라 뇌 신경 기능이 상이하게 조절 및 제어될 수 있다.

그런 후, 검출된 초음파 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파를 비침습적으로 조사한다(S750).

구체적으로, 상기 단계 (S750)는 다음과 같은 단계들을 수행하여 처리될 수 있다.

먼저, 초음파 조사 대상의 뇌를 MRI 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 뇌 상의 위치(즉, 신경 부위)와 상기 생성된 3차원 위치 좌표를 매칭한다.

그런 다음, 초음파 발생기에 부착된 적외선 마커의 3차원 공간 상의 위치 좌표 정보를 연동된 적외선 추적 카메라로부터 획득한다.

그리고, 적외선 마커의 위치 정보 및 적외선 마커로부터의 초음파 초점의 상대적 거리 정보를 이용하여 초음파 초점의 3차원 공간 상의 가상 위치 좌표 값을 산출한다.

그런 후, 뇌 이미지를 이용하여 생성한 뇌 신경 기능 별 신경 부위의 3차원 위치 좌표와 상기 초음파 초점의 가상 위치 좌표를 정합(algin)하여 초음파 초점의 3차원 공간(즉, 초음파 조사 대상의 뇌) 상 출력 좌표를 산출한다.

다음으로, 상기 단계 (S730)에서 검출된 추론 형상에 대응된 기준 형상에 기초하여 목적하는 뇌 신경 기능을 검출하고, 목적하는 뇌 신경 기능에 매칭된 뇌 신경 부위의 3차원 위치 좌표를 검출한다.

그런 후, 상기 산출된 초음파 초점의 출력 좌표가 상기 검출한 뇌 신경 부위의 3차원 위치 좌표에 대응되면, 목적하는 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파를 초음파 조사 대상의 뇌에 비침습적으로 조사한다.

본 발명의 일 실시예는 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 뇌-뇌 인터페이스 장치
110: 발광 소자 배열부
120: 형상 추론부
130: 신경 기능 정보 저장부
140: 초음파 출력부
150: MRI 촬영부

Claims

뇌-뇌 인터페이스 장치에 있어서,
의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 추론부;
기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 매칭된 해당 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장된 신경 기능 정보 저장부; 및
상기 추론한 형상에 대응하는 상기 기준 형상을 검출하고, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 상기 뇌 신경 기능, 해당 신경 부위 및 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사(照射)하는 초음파 출력부를 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 출력부는,
상기 초음파 조사 대상의 뇌를 자기공명영상(Magnetic Resonance Image) 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 상기 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 상기 해당 신경 부위의 위치와 상기 3차원 위치 좌표를 매칭하여 저장하는 뇌 위치 좌표 저장 모듈;
연동된 적외선 카메라로부터 상기 집속 초음파를 출력하는 초음파 발생기에 부착된 적외선 마커의 위치를 추적한 초음파 출력 위치 좌표를 획득하고, 상기 초음파 출력 위치 좌표와 기설정된 상기 집속 초음파의 출력 거리에 기초하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표를 산출하는 3차원 위치 추적 모듈;
상기 뇌 이미지를 이용하여 생성한 3차원 위치 좌표와 상기 집속 초음파의 초점에 대한 가상 좌표를 정합(align)하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 출력 좌표를 산출하는 위치 좌표 정합 모듈; 및
상기 검출한 기준 형상에 매칭된 뇌 신경 기능에 대응하는 상기 3차원 위치 좌표를 검출하고, 상기 출력 좌표가 상기 검출한 3차원 위치 좌표에 대응되면 상기 검출한 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 상기 집속 초음파를 출력하도록 제어하는 초음파 출력 제어 모듈을 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 추론부는,
발광 소자 배열부에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하는 발광 소자 제어 모듈;
상기 발광 소자 배열부를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 측정 모듈; 및
상기 측정한 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 상기 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 분석 모듈을 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 형상 분석 모듈은,
상기 기준 형상 중 어느 하나와 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 상기 유사도가 가장 높은 형상을 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 자극 매개 변수는,
초음파 중심 주파수, 초음파 자극이 중단없이 지속되는 최소 단위 시간, 초음파 자극 단위의 단위 시간당 반복 횟수, 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신경 기능 정보 저장부는,
어느 하나의 상기 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되고,
상기 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 상기 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어되는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 초음파 출력부는,
비유동성의 초음파 투과 매질을 통해 상기 출력된 집속 초음파를 상기 초음파 조사 대상의 표면에 전달시켜 상기 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파를 비침습적으로 조사하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 추론부는,
상기 의도 인지 대상의 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)를 측정하고, 상기 정상상태 시각 유발 전위에 기초하여 상기 형상을 추론하는 뇌-뇌 인터페이스 장치.
뇌-뇌 인터페이스 장치를 통한 뇌-뇌 인터페이스 방법에 있어서,
(a) 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계;
(b) 상기 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계;
(c) 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하는 단계;
(d) 기설정된 상기 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 대응된 해당 신경 부위 별로 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합 중 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하는 단계; 및
(e) 상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌에 집속 초음파(focused ultrasound)를 조사(照射)하는 단계를 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (e) 단계는,
(e-1) 초음파 조사 대상의 뇌를 자기공명영상(Magnetic Resonance Image) 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하는 단계;
(e-2) 상기 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 상기 해당 신경 부위의 위치와 상기 3차원 위치 좌표를 매칭하는 단계;
(e-3) 연동된 적외선 카메라로부터 상기 집속 초음파를 출력하는 초음파 발생기에 부착된 적외선 마커의 위치를 추적한 초음파 출력 위치 좌표를 획득하는 단계;
(e-4) 상기 초음파 출력 위치 좌표와 기설정된 상기 집속 초음파의 출력 거리에 기초하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표를 산출하는 단계;
(e-5) 상기 뇌 이미지를 이용하여 생성한 3차원 위치 좌표와 상기 집속 초음파의 초점에 대한 가상 좌표를 정합(align)하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 출력 좌표를 산출하는 단계;
(e-6) 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 뇌 신경 기능에 대응하는 상기 3차원 위치 좌표를 검출하는 단계;
(e-7) 상기 집속 초음파의 초점에 대한 출력 좌표가 상기 검출한 3차원 위치 좌표에 대응되면, 상기 검출한 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 상기 집속 초음파를 출력하는 단계를 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (a) 단계 이전에,
발광 소자 배열부에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하는 단계를 더 포함하되,
상기 (a) 단계는,
상기 발광 소자 배열부를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 측정한 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 상기 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 12 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
상기 기준 형상 중 어느 하나와 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 상기 유사도가 가장 높은 형상을 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 초음파 자극 매개 변수는,
초음파 중심 주파수, 초음파 자극의 중단없는 최소 단위 시간, 초음파 자극 단위의 단위 시간당 반복 횟수, 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함하는 뇌-뇌 인터페이스 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 (d) 단계 이전에,
어느 하나의 상기 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합을 매칭하여 저장하는 단계를 더 포함하되,
상기 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 상기 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어되는 뇌-뇌 인터페이스 방법.