KR20160081003A - Device and method for measuring cognitive fatigue based on tactile stimuli - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 촉각 유발전위의 변화와 행동적 반응을 측정하여 실시간으로 사용자의 몰입도와 피로 유발 인자를 평가하고, 최적의 인간공학적 디자인 요소 추출이나 스트레스 유발요인을 규명하는데 사용될 수 있는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for measuring cognitive fatigue based on a tactile stimulus, which measures changes in tactile evoked potentials and behavioral responses to evaluate user's immersion and fatigue inducing factors in real time, The present invention relates to an apparatus and method for measuring cognitive fatigue based on a tactile stimulus that can be used to identify stressors.
현대 정보사회의 복잡한 업무 환경과 고도의 산업화에 따른 잠재적인 스트레스 요인들이 증가하고 있다. 그리고, 웰빙 및 스마트 헬스 케어와 같은 건강에 대한 관심이 증대되고 있다.The complex work environment of the modern information society and the potential stress factors due to high industrialization are increasing. And, interest in health such as well-being and smart health care is increasing.
스트레스는 뇌의 조기 노화의 원인이며, 지속적인 스트레스는 해마의 뉴런을 심각하게 퇴화시키는 원인이 되며, 일시적인 인지적 기능 저하를 불러올 수 있다. 뿐만 아니라, 지속적인 스트레스 및 복잡한 정보처리를 요구하는 사회적 환경은 주의집중과 관련된 인지 메커니즘을 일시적으로 손상시키거나, 자율 신경계 항상성에 악영향을 초래하여, 인지피로 및 2차 만성 질환 등을 유발할 수 있다. Stress is the cause of premature aging of the brain, and sustained stress can cause severe degeneration of the hippocampal neurons and can lead to temporary cognitive decline. In addition, the social environment requiring persistent stress and complex information processing may temporarily impair cognitive mechanisms associated with attention, or adversely affect autonomic homeostasis, leading to cognitive fatigue and secondary chronic diseases.
그에 따라, 인지피로 측정 및 평가 기술 개발을 통해 특정 인지피로 유발요인들을 규명할 필요성이 증대되었다. Therefore, the development of cognitive fatigue measurement and evaluation technology has increased the need to identify specific cognitive fatigue factors.
또한, 특정 분야의 최적 GUI, 정보 설계 도출을 통하여 졸음운전 방치 및 각종 산업재해 예방 등의 여러 분야에 응용하고자 하기 위해 연구가 이뤄지고 있는 상황이다.In addition, studies are being conducted to apply to various fields such as drowsiness driving and prevention of various industrial disasters through derivation of optimum GUI and information design in a specific field.
종래 시각 자극 기반으로 인지피로를 측정하고자 하는 기술로서 특허문헌 1이 있었다. 그러나, 사건관련전위를 유발시키기 위해 반복적으로 명멸되는 시각 자극을 사용하는 경우 추가적인 피로감을 유발할 수 있는 가능성을 배제 할 수 없고, 전위의 여러 성분을 분석하기 때문에 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있었다. Conventionally,
상술한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면 촉각 자극 기반의 인지피로 측정을 통하여 피로 유발인자를 평가하고, 적절한 피드백을 줄 수 있는 인지피로 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. According to one embodiment of the present invention, there is provided a cognitive fatigue measurement method and apparatus capable of evaluating fatigue inducing factors through cognitive fatigue measurement based on tactile stimulation and providing appropriate feedback do.
태스크 몰입과 주로 관련된 시인지 메커니즘에 독립적이고 단순한 촉각 자극을 활용하여 인지 피로를 측정할 수 있는 방법을 제공하고자 한다. We propose a method to measure cognitive fatigue by using an independent and simple tactile stimulus in the mechanism of visual perception mainly related to task commitment.
또한, 사건 유발 전위의 여러 성분을 분석하지 않고 단 하나의 유의한 성분의 변화를 평가하여 기존 대비 평가 시간의 단축이 가능하고 실시간 인지피로 평가가 가능한 인지피로 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다. In addition, the present invention provides a device and method for measuring cognitive fatigue capable of shortening the conventional contrast evaluation time and real-time cognitive fatigue evaluation by evaluating only one significant component change without analyzing various components of the event evoked potential.
그리고, 사용자의 몰입도를 최대한 유지한 상태에서, 실시간으로 피로유발인자를 평가하여 최적 디자인 파라미터를 도출함으로써 저피로 고실감 콘텐츠 및 감성 UX 아키텍쳐 확립에 기여할 수 있는 인지피로 측정 장치 및 방법을 제공하고자 한다. To provide an apparatus and method for measuring cognitive fatigue which can contribute to establishment of low-fatigue content and sensible UX architecture by deriving optimum design parameters by evaluating fatigue inducing factors in real time while maintaining the user's immersion level as much as possible do.
본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법은, 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크가 수행되는 피로측정 단계, 및 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 진행되는 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크가 진행되는 피로측정 및 피로유발 단계를 포함한다.The tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to an embodiment of the present invention includes a fatigue measurement step in which a fatigue measurement task for measuring an EEG and a safety signal is performed based on tactile stimulation, And a fatigue measuring step and fatigue inducing step in which a fatigue measuring task for measuring an EEG signal and a safety degree signal is performed based on tactile stimulation in a state where a fatigue inducing task causing fatigue is proceeding.
상기 피로측정 태스크는, 촉각 자극 출력 장치를 피험자에게 착용시키고, 기 설정된 시간 간격으로 기 설정된 강도의 촉각 자극을 가하면서, 피험자의 뇌전도 및 안전도 신호를 측정함으로써 수행될 수 있다. The fatigue measurement task can be performed by wearing the tactile stimulus output device to the subject and measuring the subject's brain conduction and safety signal while applying a tactile stimulus of predetermined intensity at a predetermined time interval.
상기 기 설정된 강도의 촉각 자극은 25 dB 내지 66 dB일 수 있다. The tactile stimulus of the predetermined intensity may be from 25 dB to 66 dB.
상기 피로유발 태스크는, 시각 자극 또는 청각 자극, 또는 둘 다를 기 설정된 시간 간격으로 주기당 m회 제공하고, 제공되는 자극에서 m-n번째 자극(n은 1이상의 자연수임)과 m 번째 자극이 일치하는지 여부를 확인함으로써 수행될 수 있다. The fatigue-inducing task may be a task that provides visual stimulation or auditory stimulation, or both, at a predetermined time interval, m times per cycle, and determines whether the mn th stimulus (n is a natural number of 1 or more) ≪ / RTI >
상기 피로유발 태스크에서의 난이도는, 상기 시각 자극 및 청각 자극이 가해지는 시간 간격, m 값 및 n 값 중 하나 이상에 의해 설정될 수 있다. The degree of difficulty in the fatigue-inducing task may be set by at least one of a time interval, m value, and n value at which the visual stimulation and auditory stimulation are applied.
상기 피로측정 및 피로유발 단계는, 제1 난이도로 1차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제1 피로측정 및 피로유발 단계와, 상기 제1 난이도와는 다른 제2 난이도의 2차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제2 피로측정 및 피로유발 단계를 포함할 수 있다. The fatigue measurement and fatigue induction step may include a first fatigue measurement and fatigue induction step in which a fatigue measurement task is performed while a first fatigue-inducing task is progressing at a first degree of difficulty and a second fatigue measurement and fatigue induction step, And a second fatigue measurement and fatigue inducing step in which a fatigue measurement task is performed as the fatigue-inducing task proceeds.
상기 피로측정 단계 이전에, 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 미리 수행되는 피로유발 태스크 트레이닝 단계를 더 포함할 수 있다.And a fatigue-inducing task training step in which a fatigue-inducing task for causing fatigue is previously performed by providing visual and auditory stimulation in a pattern of predetermined difficulty levels before the fatigue measurement step.
상기 피로측정 단계 이전에, 뇌전도 및 안전도 센서를 부착하고, 디스플레이 부의 제1 초점에 대하여 시선을 고정시킨 상태에서 1도 내지 10도 사이의 시각도로 변화하는 제2 초점에 선택적으로 주의를 기울이게 하는 안전도 트레이닝 단계를 포함할 수 있다. Attaching an electroencephalogram and a safety sensor before the fatigue measurement step and selectively paying attention to a second focus which changes in a time between 1 degree and 10 degrees with the eyes fixed with respect to the first focus of the display unit Safety may also include a training phase.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치는, 시각 자극과 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 출력하는 시각 및 청각 자극 출력부와 촉각 자극을 출력하는 촉각 자극 출력부, 뇌전도 및 안전도를 측정하는 EEG 및 EOG 측정부, 상기 시각 자극 및 청각 자극에 대한 피험자의 반응을 입력하는 입력부, 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크와, 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 및 피로유발 태스크를 제어하는 제어부, 및 상기 피로유발 태스크 결과와 상기 EOG 및 EEG 측정부에서 측정된 제1 및 제2 피로유발 태스크 결과에 따라 인지피로를 측정하는 데이터 처리 및 분석부를 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for measuring tactile stimulation based on cognitive fatigue comprising: a visual and auditory stimulation output unit for outputting a visual stimulus and an auditory stimulus in a predetermined difficulty pattern; a tactile stimulation output unit for outputting a tactile stimulus; And an EEG and EOG measuring unit for measuring a degree of safety, an input unit for inputting a response of the subject to the visual stimulation and auditory stimulation, a fatigue measuring task for measuring an EEG and a safety signal based on tactile stimulation, A controller for controlling a fatigue measurement and a fatigue-inducing task for measuring an EEG signal and a safety signal based on a tactile stimulus in a fatigue-induced state in which fatigue is induced by providing a predetermined pattern of difficulty; The data subject to which the perceived fatigue is measured according to the results of the first and second fatigue-induced tasks measured by the EEG measuring unit It includes parts and analyzed.
상기 촉각 자극에 대한 피험자의 움직임으로 발생되는 노이즈를 최소화하기 위하여 피험자의 머리를 받치는 지지부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include a support for supporting a subject's head to minimize noise generated by movement of the subject with respect to the tactile stimulus.
상기 촉각 자극 출력부는 피험자의 허리에 하나 이상의 진동하는 햅틱 센서를 포함하는 벨트 형태로 구성될 수 있다. The haptic stimulation output may be in the form of a belt comprising at least one vibrating haptic sensor at the waist of the subject.
상기 데이터 처리 및 분석부는, 상기 EOG 및 EEG 측정부에 의해 측정된 뇌전도 신호 데이터를 0.1 내지 35 Hz의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하고, 안전도 신호는 0.05 내지 35 Hz 의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하여 기록할 수 있다.The data processing and analysis unit amplifies the EEG signal data measured by the EOG and EEG measuring unit by applying a band pass filter of 0.1 to 35 Hz and applies a band pass filter of 0.05 to 35 Hz to the safety signal Can be amplified and recorded.
상기 데이터 처리 및 분석부는, 자극 제시 시점으로부터 -200 ms 시점에서 자극 제시 후 1000 ms 구간의 신호를 분리한 뒤, ±80μV를 초과하는 눈 깜빡임 및 ±30 μV를 초과하는 수평 방향의 눈 움직임에 의한 뇌파 구간을 제거할 수 있다.The data processing and analyzing unit separates signals of 1000 ms after stimulus presentation at -200 ms from the point of presentation of the stimulus, and then detects eye flicker exceeding ± 80 μV and horizontal eye movement exceeding ± 30 μV EEG can be eliminated.
상기 데이터 처리 및 분석부는, 분리 및 제거된 각 구간의 P300 진폭을 자극 제시 시점으로부터 자극 제시 전 -200 ms 시점 구간의 평균전위 값을 각 구간의 전위 값에서 빼냄으로써 기저선을 교정할 수 있다. The data processing and analyzing unit may correct the baseline by subtracting the P300 amplitude of the separated and removed intervals from the presentation of the stimulus at the interval of -200 ms before the presentation of the stimulus, from the potential value of each interval.
상기 데이터 처리 및 분석부는, 상기 기저선을 교정한 뒤, 각 구간의 P300 평균 전위 값을 산출하거나, 촉각 자극 제시 후에 발생되는 400 에서 600 ms 의 정적 전위 구간에서 진폭이 가장 높은 지점을 P300 진폭으로 설정할 수 있다. The data processing and analyzing unit may calculate the P300 average potential value of each section after calibrating the baseline or set the P300 amplitude to a point having the highest amplitude in the static potential section of 400 to 600 ms generated after tactile stimulus presentation .
본 발명의 일 실시예에 따르면 촉각 자극 기반의 인지피로 측정을 통하여 피로 유발인자를 평가하고, 적절한 피드백을 줄 수 있는 인지피로 측정 방법 및 장치를 제공할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, a cognitive fatigue measurement method and apparatus capable of evaluating fatigue inducing factors through cognitive fatigue measurement based on tactile stimulation and providing appropriate feedback can be provided.
또한, 태스크 몰입과 주로 관련된 시인지 메커니즘에 독립적이고 단순한 촉각 자극을 활용하여 인지 피로를 측정할 수 있는 방법을 제공할 수 있다. In addition, it is possible to provide a method of measuring cognitive fatigue by using an independent and simple tactile stimulus to the mechanism of the poison, which is mainly related to task commitment.
그리고, 사건 유발 전위의 여러 성분을 분석하지 않고 단 하나의 유의한 성분의 변화를 평가하여 기존 대비 평가 시간의 단축이 가능하고 실시간 인지피로 평가가 가능한 인지피로 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다. Also, it is possible to provide a device and method for measuring the cognitive fatigue capable of shortening the conventional contrast evaluation time and real-time cognitive fatigue evaluation by evaluating only one significant component change without analyzing various components of the event-induced potential.
또한, 사용자의 몰입도를 최대한 유지한 상태에서, 실시간으로 피로유발인자를 평가하여 인간공학적 디자인 파라미터를 도출함으로써, 감성적 사용자 피드백을 제공하고 저피로 고실감 콘텐츠 및 감성 UX 아키텍쳐 확립에 기여할 수 있는 인지피로 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다. Also, it is possible to provide emotional user feedback by evaluating the fatigue inducing factors in real time while deriving ergonomic design parameters while maintaining the user's immersion level as much as possible, and to be able to contribute to establishment of low-fatigue content and emotional UX architecture An apparatus and method for measuring fatigue can be provided.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치를 개략적으로 나타내는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치의 뇌전도 측정을 위한 전극의 위치를 나타내는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제1 및 제2 피로측정 및 피로유발 태스크의 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법을 구체적으로 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6의 실시예에 따라 측정된 피로유발 태스크의 조건에 따른 반응정확도와 반응시간을 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 6의 실시예에 따라 측정된 기준상태, 1차 피로유발 상태 및 2차 피로유발 상태의 뇌파 측정 지점 중 AFz, Fz, Cz 및 Pz 지점에서의 P300 평균 전위값을 비교한 그래프이다.
도 9는 도 6의 실시예에 따라 측정된 기준상태, 1차 피로유발 상태 및 2차 피로유발 상태의 뇌파 측정 지점 중 Cz 지점과 Pz 지점에서의 유발뇌파 파형의 각 조건 사이의 평균 전위 값의 차이를 비교하여 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 6의 실시예에 따른 1차 피로유발 및 2차 피로유발 조건의 주관적 인지피로 평가 결과를 비교한 그래프이다. 1 is a schematic view schematically showing an apparatus for measuring cognitive fatigue based on a tactile stimulus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram schematically illustrating the configuration of a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 3A and 3B are flowcharts schematically illustrating a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to various embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view illustrating positions of electrodes for measuring electroencephalogram in a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
5A and 5B are diagrams illustrating sequences of first and second fatigue measurements and fatigue-inducing tasks in accordance with one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a flowchart illustrating a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a graph showing reaction accuracy and reaction time according to the conditions of the fatigue-induced task measured according to the embodiment of FIG.
FIG. 8 is a graph comparing P300 average potential values at AFz, Fz, Cz, and Pz points of EEG measurement points measured in the reference state, primary fatigue induced state, and secondary fatigue induced state according to the embodiment of FIG. 6 .
FIG. 9 is a graph showing an average potential value between the respective conditions of the induced EEG waveform at the Cz point and the Pz point in the EEG measurement points of the reference state, the primary fatigue inducing state and the secondary fatigue induced state measured according to the embodiment of FIG. 6 And comparing the differences.
10 is a graph comparing subjective fatigue evaluation results of primary fatigue inducing conditions and secondary fatigue inducing conditions according to the embodiment of FIG.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치 및 방법에 대하여 구체적으로 상술한다.Hereinafter, a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus and method according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치를 개략적으로 나타내는 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다. FIG. 1 is a schematic view showing a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 schematically shows the configuration of a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus according to an embodiment of the present invention. Fig.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 장치는, 시각 및 청각 자극 출력부(30), 촉각 자극 출력부(60), 안전도(EOG) 및 뇌전도(EEG) 측정부(20), 피험자가 자극에 대한 데이터를 입력하는 입력부(40) 및 시각 및 청각 자극 출력부(30)와 촉각 자극 출력부(60)의 출력을 제어하는 제어부(70) 및 EOG와 EEG 데이터를 수집하여 처리 및 분석하는 데이터 처리 및 분석부(80)를 포함한다. 또한, 데이터 처리 및 분석부(80)는 도 2에 도시된 바와 같이 입력부(40) 및 제어부(70)에 연결되어, 수집된 데이터를 분석하여 인지피로를 평가할 수 있다.1 and 2, a tactile stimulation based cognitive fatigue device according to an embodiment of the present invention includes a visual and auditory
상기 데이터 처리 및 분석부(80)는 데이터 수집 장치와 입력, 제어 및 데이터 분석을 위한 컴퓨터와 같은 정보 처리 장치로 각각 구성될 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 하나의 장치에서 데이터 수집과 정보 처리가 이루어 질 수 있음은 물론이다. The data processing and analyzing
상기 시각 및 청각 자극 출력부(30)는 시각 자극과 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 출력하기 위한 것이며, 촉각 자극 출력부(60)는 촉각 자극을 출력하기 위한 것이다. The visual and auditory
시각 및 청각 자극 출력부(30)는 제어부(70)에 연결되어 기 설정된 패턴의 영상 또는 소리를 출력할 수 있으며, 일 예로 LCD 모니터와 같은 디스플레이 장치 또는 스피커가 이에 사용될 수 있다. The visual and auditory
촉각 자극 출력부(60)는, 촉각 자극 출력 장치로서, 피험자(10)의 허리에 하나 이상의 진동하는 햅틱 센서를 포함하는 벨트 형태로 구성될 수 있다. 그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 피험자(10)의 신체의 다양한 부위에 부착될 수도 있으며, 햅틱 센서 이외에 제어부(70)에서 공급되는 제어 신호에 따라 다양한 촉각 자극을 제공할 수 있는 다양한 장치들이 이에 적용될 수 있다. The tactile
상기 입력부(40)는 일 예로 키보드와 같이 사용자가 자신의 인지정보를 입력할 수 있는 입력장치가 이에 사용될 수 있다. 그에 따라, 상기 입력부(40)에 시각 자극 및 청각 자극에 대한 피험자의 반응을 입력할 수 있다. The
제어부(70)는 상기 시각 및 청각 자극 출력부(30) 및 촉각 자극 출력부(60)에 연결되며, 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 기준상태의 피로측정 태스크와, 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 및 피로유발 태스크를 제어하도록 형성될 수 있다. The
또한, 데이터 처리 및 분석부(80)는 상기 제어부(70), 입력부(40), EOG 및 EEG 측정부(20)에 연결될 수 있다. 데이터 처리 및 분석부(80)는 피로유발 태스크 결과와 EOG 및 EEG 측정부에서 측정된 제1 및 제2 피로유발 태스크 결과에 따라 인지피로를 측정할 수 있다.The data processing and
그리고, 상기 데이터 처리 및 분석부(80)는, 뇌전도 및 안전도 신호의 적절한 측정을 위하여, 상기 EOG 및 EEG 측정부에 의해 측정된 뇌전도 신호 데이터를 0.1 내지 35 Hz의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하고, 안전도 신호는 0.05 내지 35 Hz 의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하여 기록할 수 있다.The data processing and analyzing
또한, 데이터 처리 및 분석부는, 촉각 자극 제시 후에 발생되는 400에서 600 ms 의 정적 전위 구간에서 진폭이 가장 높은 지점을 P300 진폭으로 설정하여 비교할 수 있다.In addition, the data processing and analysis unit can compare the peak amplitude at the 400 to 600 ms static potential interval generated after tactile stimulus presentation by setting the amplitude to P300 amplitude.
본 명세서에서, P300은 자극 후 대략 300 ms 정도 후의 양전위(positive)를 나타내는 사건 유발 전위(event-related potential, ERP)를 의미하는 것이다.In this specification, P300 denotes an event-related potential (ERP) indicating a positive potential after about 300 ms after stimulation.
그리고, 상기 데이터 처리 및 분석부(80)는, 안구 움직임에 의한 안전도에 의한 노이즈를 최소화하기 위하여, 자극 제시 시점으로부터 -200 ms 시점에서 자극 제시 후 1000 ms 구간의 신호를 분리한 뒤, ±80μV를 초과하는 눈 깜빡임 및 ±30 μV를 초과하는 수평 방향의 눈 움직임에 의한 뇌파 구간을 제거할 수 있다.The data processing and analyzing
또한, 상기 데이터 처리 및 분석부(80)는 분리 및 제거된 각 구간을 자극 제시 시점으로부터 -200 ms 시점 구간의 평균전위 값을 각 구간의 전위 값에서 빼줌으로써 교정할 수 있다. Also, the data processing and
그리고, 교정된 후에 각 구간의 P300 평균 전위 값을 산출하여 비교할 수 있다. Then, after calibration, the P300 average potential value of each section can be calculated and compared.
또는, 자극 제시 시점으로부터 -200 ms 시점 구간의 값으로 기저선을 교정한 뒤, 촉각 자극에 의해 발생되는 400 내지 600 ms의 정적 전위 구간에서 진폭이 가장 높은 지점을 P300 진폭으로 설정할 수 있다. Alternatively, after the baseline is corrected to the value of the time interval of -200 ms from the stimulus presentation time point, the point having the highest amplitude in the static potential interval of 400 to 600 ms generated by the tactile stimulus can be set to the amplitude of P300.
한편, 상기 촉각 자극에 대한 피험자의 움직임으로 발생되는 노이즈를 최소화하기 위하여 피험자(10)의 머리를 받치는 지지부(50)를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다. 이하, 도 3a 및 도 3b를 참조하여, 본 발명의 구체적인 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법에 대하여 구체적으로 상술한다. FIG. 3A is a flowchart schematically illustrating a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, a specific tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3A and 3B.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법은, 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크가 수행되는 피로측정 단계(S30), 및 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 진행되는 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크가 진행되는 피로측정 및 피로유발 단계(S40, S50)를 포함한다.Referring to FIG. 3A, a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to an embodiment of the present invention includes a fatigue measurement step S30 in which a fatigue measurement task for measuring an EEG signal and a safety signal is performed based on tactile stimulation, And fatigue causing fatigue by providing visual and auditory stimuli in a pattern of predetermined difficulty. Fatigue measurement that measures the EEG and safety signal based on tactile stimulation in a state where the task is progressing. And steps S40 and S50.
즉, 피로측정 태스크만 수행되는 제1 단계와, 피로측정 태스크와 피로유발 태스크가 동시에 수행되는 제2 단계로 인지피로를 측정할 수 있다. 제1 단계에서 별도의 부가적 피로유발 태스크가 없는 기준 상태에서 피로측정 태스크를 수행하여, 사용자의 인지피로를 측정하여, 피로유발 태스크와 동시에 피로측정 태스크를 수행함으로써 피로 유발 조건에서 피로측정을 수행하여 피로유발 조건 하에서의 인지피로의 변화를 측정할 수 있다. That is, the cognitive fatigue can be measured by the first step in which only the fatigue measurement task is performed and the second step in which the fatigue measurement task and the fatigue-inducing task are simultaneously performed. In the first step, the fatigue measurement task is performed in the reference state in which there is no additional fatigue triggering task, and the fatigue measurement is performed in the fatigue inducing condition by measuring the perceived fatigue of the user and performing the fatigue measurement task simultaneously with the fatigue- To determine the change in perceived fatigue under fatigue-induced conditions.
피로측정 단계(S30) 및 피로측정 및 피로유발 단계(S40, S50)에서, 피로측정 태스크는, 촉각 자극 출력 장치를 피험자에게 착용시키고, 기 설정된 시간 간격으로 기 설정된 강도의 촉각 자극을 가하면서, 피험자의 뇌전도 및 안전도 신호를 측정함으로써 수행될 수 있다. In the fatigue measurement step (S30) and the fatigue measurement and fatigue induction step (S40, S50), the fatigue measurement task is performed by putting the tactile stimulus output device on the subject and applying a predetermined intensity tactile stimulus at a predetermined time interval, And by measuring the electroencephalogram and safety signal of the subject.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정장치의 뇌전도 측정을 위한 전극의 위치를 나타내는 개략도이다.FIG. 4 is a schematic view illustrating positions of electrodes for measuring electroencephalogram in a tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, 촉각 자극에 의한 사건 유발 전위 측정을 위해 피험자에게 뇌전극을 부착할 수 있다. Referring to FIG. 4, a brain electrode may be attached to a subject to measure an event-induced potential by tactile stimulation.
촉각 자극을 이용한 인지 피로측정 장치의 EEG 전극부는 국제 10-20법(international 10-20 electrode system)에 따라 피험자의 두피에 부착될 수 있다. The EEG electrode part of the cognitive fatigue measuring device using tactile stimulation can be attached to the subject's scalp according to the international 10-20 electrode system.
구체적으로, 4개의 지점(AFz, Fz, Cz, Pz)에 EEG 기록 전극을 부착할 수 있다. A1지점을 접지 전극으로 A2 지점을 각각 기준전극으로 지정할 수 있다. Specifically, the EEG recording electrodes can be attached to the four points AFz, Fz, Cz, and Pz. A1 point can be designated as a ground electrode and A2 point can be designated as a reference electrode.
또한, VEOG를 왼쪽 눈 동공 아래 위 2.5 cm에 부착하고, HEOG를 양쪽 눈꼬리 끝 부분에서 2cm 수평으로 떨어진 곳에 부착하고, 미간에서 수직으로 2 cm 떨어진 곳에 안전도 접지전극을 부착할 수 있다. In addition, the VEOG can be attached 2.5 cm below the left eye pupil, attach the HEOG to a
한편, 모든 피험자가 명확하게 촉각 자극을 인지할 수 있도록, 촉각 자극의 크기는 25 dB 내지 66 dB로 설정될 수 있다. On the other hand, the size of the tactile stimulus can be set to be 25 dB to 66 dB so that all subjects can clearly recognize the tactile stimulus.
구체적으로, 신호는 주파수와 진폭으로 구분되며, 주어진 주파수에서 신호의 진폭은 주로 그 가속도에 정의 된다. 가속도는 위치 x에 대하여 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다. Specifically, the signal is divided into frequency and amplitude, and the amplitude of the signal at a given frequency is mainly defined by its acceleration. The acceleration can be expressed by the following equation with respect to the position x.
[식 1] [Formula 1]
사인파 신호에 대하여, x = A sin(ωt), a = - A ω2 sin(ωt)이다. For sinusoidal signals, x = A sin (ωt) and a = - Aω2 sin (ωt).
여기서, A는 신호의 최대 진폭이고, ω 는 주파수이다.Where A is the maximum amplitude of the signal and? Is the frequency.
예를 들면, 진폭이 A= 1 ㎛ 이고, 주파수가 ω = 160 Hz인 경우, amax = 1×10-6×1602 = 0.0256 m/s2 이다. For example, when the amplitude is A = 1 占 퐉 and the frequency is ω = 160 Hz, a max = 1 × 10 -6 × 1602 = 0.0256 m /
일반적으로, 진동의 진폭은 기준 값에 대한 데시벨 비로 표현된다. 그러면, 만약 G1 및 G2가 2개의 가속도 진폭이라면, 그들의 데시벨 비는 다음과 같다. In general, the amplitude of vibration is expressed in decibels relative to the reference value. Then, if G1 and G2 are two acceleration amplitudes, their decibel ratios are:
[식 2][Formula 2]
Cholewiak, Brill & Schwab(2004)에 의해, A= 1 ㎛ 이고, 주파수가 ω = 160 Hz의 가속에 대하여, 평균 진동촉각(vibrotactile) 검출 임계값이 25 dB이라는 것이 알려져 있다. (즉, G2 값은 0.0256 m/s2 이다.) It is known by Cholewiak, Brill & Schwab (2004) that for an acceleration of A = 1 탆 and a frequency of ω = 160 Hz, the mean vibrotactile detection threshold is 25 dB. (I.e., the G2 value is 0.0256 m / s2).
그리고, 실험에 있어서, 촉각기의 강도는 가속도 G1 = 49.95 m/s²에 따른 수준으로 설정될 수 있다.In the experiment, the intensity of the tactile sensor can be set to a level corresponding to the acceleration G1 = 49.95 m / s < 2 >.
그리고, 이것을 데시벨 값으로 표현하면 다음과 같다. The decibel value is expressed as follows.
[식 3][Formula 3]
이 값은 임계 값의 2배 이상의 값이다. 따라서, 65.8 dB의 진동은 모든 피험자는 현저성으로 인하여 감지할 수 있는 것이다. 결국, 피험자가 상기 기 설정된 강도의 촉각 자극은 25 dB 내지 66 dB일 수 있다.This value is at least twice the threshold value. Therefore, the vibration of 65.8 dB is perceived by all the subjects due to the conspicuousness. As a result, the subject may have a predetermined intensity of the tactile stimulus of 25 dB to 66 dB.
일 예로, 촉각 자극은 128 ms의 진동에, 12 내지 60 초 사이 중 랜덤 간격, 복부에 닿는 실제 진동 범위는 반경 6 mm으로 가해질 수 있다. 랜덤 간격으로 제시되는 20번의 진동이 한 주기를 구성하며, 총 80회(4주기)로 가해질 수 있다.As an example, a tactile stimulus can be applied at a random interval of between 12 and 60 seconds, with a vibration amplitude of 128 ms, and a real vibration range at the abdomen of a radius of 6 mm. 20 vibrations presented at random intervals constitute one cycle and can be applied in total of 80 times (4 cycles).
피험자들은 동일 자극시간에 노출되게 하기 위하여 최대 랜덤 간격 60초×Subjects were exposed to the same stimulation time at a maximum random interval of 60 seconds x
20 (한 블록당 진동수) = 20분을 한 주기당 수행시간으로 설정할 수 있다. 랜덤 간격으로 인해 피험자간의 시간차는 휴식(rest)으로 처리될 수 있고, 피험자에게 별도의 정보를 제공하지 않고, 20분이 지나면 다음 블록이 자동으로 시작되게 하는 방식으로 진행될 수 있다. 20 (frequency per block) = 20 minutes can be set as the execution time per cycle. The time difference between the subjects due to the random interval can be processed as a rest and can be performed in such a manner that the next block is automatically started after 20 minutes without providing any additional information to the subject.
그리고, 피로측정 태스크 단독으로 진행되는 제1 단계 또는 피로측정 태스크와 피로유발 태스크가 함께 진행되는 제2 단계에서 측정되는 뇌전도 데이터는 0.1 내지 35 Hz의 디지털 밴드패스 필터를 적용하여 50,000 배 증폭되어 기록될 수 있다. 마찬가지로, 안전도 데이터 또한 0.05 내지 35 Hz 의 밴드패스필터를 적용하여 500 배 증폭되어 기록될 수 있다. The electrophysiological data measured in the first step of the fatigue measurement task alone or in the second step of the fatigue measurement task and the fatigue inducing task together are amplified 50,000 times by applying a digital bandpass filter of 0.1 to 35 Hz . Likewise, the safety data can also be amplified 500 times by applying a band-pass filter of 0.05 to 35 Hz.
P300 의 경우 자극 제시 후 발생되는 정적 전위 구간(400 에서 600 ms)에서 진폭이 가장 높은 지점으로 결정할 수 있다. In the case of P300, it can be determined that the amplitude is the highest point in the static potential interval (400 to 600 ms) generated after stimulus presentation.
각 실험 조건에 대하여, 각 촉각 자극(조건당 80개)에 대응하는 유발 전위를 검출할 수 있다. For each experimental condition, the evoked potential corresponding to each tactile stimulus (80 per condition) can be detected.
각 태스크 단계에서(기준, 피로 유발 태스크)에 기록된 촉각 자극 제시 시간(target onset time)과 자극 제시 시점으로부터 -200 ms 시점에서 자극 제시 후 1000 ms 구간의 신호를 분리한 뒤, ± 80 μV를 초과하는 눈 깜빡임 및 ± 30 μV를 초과하는 수평방향 눈 움직임에 의한 뇌파 구간을 제거할 수 있다. 촉각 자극에 기인하는 뇌파만을 분리해 내기 위함이다. The target onset time recorded at each task stage (reference, fatigue-induced task) and the signal of 1000 ms after stimulus presentation at -200 ms from the stimulus presentation point were separated and then ± 80 μV Excessive eye blinking and horizontal eye movements in excess of ± 30 μV can eliminate the EEG. This is to separate only brain waves caused by tactile stimulation.
± 80μV와 ± 30 μV를 초과하지 않는 눈 깜빡임과 좌우 눈 움직임이 포함된 각 뇌파 측정 지점(AFz, Fz, Cz, Pz)의 분리 구간들은 주성분 분석을 통해 최대한 안전도가 혼합되지 않은 사건 유발전위를 검출할 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 인지피로 측정방법에 있어서, 피로측정 및 피로유발 단계(S40, S50) 각각에서 피로유발 태스크는, 기 설정된 간격의 촉각 자극을 제시하고, 작업기억능력 태스크(Dual n-back)를 실시하여 그에 해당하는 촉각유발전위의 변화를 측정하여 실시간 인지피로를 측정할 수 있다.The separation intervals of each EEG measurement point (AFz, Fz, Cz, Pz) including the blinking of the eye and the left and right eye movements not exceeding ± 80 μV and ± 30 μV were analyzed by principal component analysis to determine the event- Can be detected. Meanwhile, in the method for measuring perceived fatigue according to an embodiment of the present invention, the fatigue-inducing task in each of the fatigue measurement and fatigue inducing steps (S40 and S50) presents a tactile stimulus at a predetermined interval, n-back) is performed to measure the change in the tactile evoked potential to measure the real-time cognitive fatigue.
구체적으로, 피로유발 태스크는 시각 자극 또는 청각 자극, 또는 둘 다를 기 설정된 시간 간격으로 주기당 m회 제공하고, 제공되는 자극에서 m-n번째 자극(n은 1이상의 자연수임)과 m 번째 자극이 일치하는지 여부를 확인함으로써 수행될 수 있다. Specifically, the fatigue-inducing task provides visual stimulation or auditory stimulation, or both, at a predetermined time interval, m times per cycle, and determines whether the mn th stimulus (where n is a natural number of 1 or more) ≪ / RTI >
시각 자극 또는 청각 자극, 또는 둘 다를 기 설정된 시간 간격으로 주기(또는 블록)당 m회 제공하고, 제공되는 자극이 n번째 뒤에 발생하는 자극과 일치하는지 여부를 확인하여 기 설정된 키를 입력하도록 형성된다. (Or blocks) at a predetermined time interval, and to input a predetermined key by confirming whether or not the provided stimulus coincides with the stimulus generated after the nth stimulus .
보다 구체적으로, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따라서 제1 및 제2 피로측정 및 피로유발 태스크의 시퀀스를 나타내는 도면이다. More specifically, Figures 5A and 5B show a sequence of first and second fatigue measurements and fatigue-inducing tasks in accordance with one embodiment of the present invention.
상기 피로측정 및 피로유발 단계는, 제1 난이도로 1차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제1 피로측정 및 피로유발 단계와, 상기 제1 난이도와는 다른 제2 난이도의 2차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제2 피로측정 및 피로유발 단계를 포함할 수 있다. The fatigue measurement and fatigue induction step may include a first fatigue measurement and fatigue induction step in which a fatigue measurement task is performed while a first fatigue-inducing task is progressing at a first degree of difficulty and a second fatigue measurement and fatigue induction step, And a second fatigue measurement and fatigue inducing step in which a fatigue measurement task is performed as the fatigue-inducing task proceeds.
그러나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니며 피로측정 및 피로유발 단계는 각 난이도에 따라 1회 이상의 횟수로 다양하게 설정할 수 있음은 물론이다. However, the present invention is not limited to this, and it is needless to say that the fatigue measurement and the fatigue inducing step can be variously set to one or more times according to the degree of difficulty.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 시각 자극 및 청각 자극은 기 설정된 간격(일 예로, 3초 간격)으로 동시에 나타날 수 있다. 일 예로, 화면 또는 소리 재생 시간은 0.5초이고, 다음 화면 또는 소리 재생 시간과의 간격은 2.5초로 총 3초 간격으로 시각 자극 및 청각 자극이 주어지게 할 수 있다. According to one embodiment of the present invention, visual stimulation and auditory stimulation can occur simultaneously at predetermined intervals (e.g., every 3 seconds). For example, the screen or sound reproduction time is 0.5 seconds, and the interval between the next screen or sound reproduction time is 2.5 seconds, so that visual stimulation and auditory stimulation can be given at intervals of 3 seconds in total.
그리고, 피험자는 지속적으로 변화하는 시각 자극 시퀀스에서, 현재 제시되는 자극(정사각형의 위치)과 n번째 전에 제시되는 자극(정사각형의 위치)을 기억하여, 일치하는지 또는 일치하지 않는지 여부를 기 설정된 버튼을 입력함으로써 확인할 수 있다.Then, in the continuously changing visual stimulation sequence, the subject memorizes the currently presented stimulus (the position of the square) and the stimulus (the position of the square) presented before the nth, and determines whether or not they match or do not match Can be confirmed by inputting.
마찬가지로, 지속적으로 변화하는 청각 자극 시퀀스에서(일 예로 순차적으로 제시되는 8개의 알파벳)에서, 현재 제시되는 청각 자극(알파벳)과 n번째 전에 제시되는 자극(알파벳)을 기억하여, 피험자는 일치하는지 또는 일치하지 않는지 여부를 기 설정된 버튼을 입력하여 확인할 수 있다. Likewise, in a continuously changing auditory stimulation sequence (e. G., Eight letters presented sequentially), remember the currently presented auditory stimulus (alphabet) and the stimulus (alphabet) presented before the nth, It is possible to confirm whether or not they match by inputting a predetermined button.
도 5a의 경우 n은 1이며, 해당 횟수의 시각 또는 청각 자극이 1회 전의 시각 또는 청각 자극과 일치하는 경우, 청각 자극의 경우 'S'키를 입력하고, 시각 자극의 경우 'A'키를 입력하도록 형성될 수 있다. 그리고, 1회당 자극지속시간 0.5 초와 자극 사이 간격이 2.5 초로, 1회당 자극의 총 소요 시간은 3초이며, 1주기(블록)당 21회(m = 21)의 자극이 주어질 수 있다. In the case of FIG. 5A, n is 1, and when the time or auditory stimulus corresponds to the time or auditory stimulus of the previous time, the 'S' key is input in the case of auditory stimulation and the 'A' As shown in FIG. The stimulation duration per stimulus is 0.5 seconds and the interval between stimulations is 2.5 seconds. The total stimulus duration per stimulus is 3 seconds, and 21 stimuli per one cycle (block) can be given (m = 21).
도 5b의 경우 n은 2이고, 해당 횟수의 시각 또는 청각 자극이 2회 전의 시각 또는 청각 자극과 일치하는 경우, 청각 자극의 경우 'S' 키를 입력하고, 시각 자극의 경우 'A'키를 입력하도록 형성될 수 있다. 그리고, 1회당 자극지속시간 0.5 초와 자극 사이 간격이 2.5 초로, 1회당 자극의 총 소요 시간은 3초이며, 1주기(블록)당 22회의 자극(m = 22)이 주어질 수 있다. In the case of FIG. 5B, n is 2, and when the time or auditory stimulus corresponds to the time or auditory stimulus two times before, the 'S' key is input for auditory stimulation and the 'A' As shown in FIG. The duration of the stimulation per one cycle is 0.5 seconds and the interval between the stimulation is 2.5 seconds. The total time required for stimulation per one cycle is 3 seconds, and 22 stimuli (m = 22) per cycle (block) can be given.
한편, 상기 피로유발 태스크에서의 난이도는, 상기 시각 자극 및 청각 자극이 가해지는 시간 간격, m 값(주기당 전체 자극 횟수) 및 n 값(기억 간격) 중 하나 이상에 의해 설정될 수 있다. On the other hand, the degree of difficulty in the fatigue-induced task may be set by at least one of a time interval at which the visual stimulation and auditory stimulation are applied, a value m (the total number of stimulation per cycle), and an n value (storage interval).
즉, 도 5b의 실시예의 경우 기억 간격(n 값)을 더 크게 설정하여, 도 5b의 실시예보다 더 난이도가 어렵게 설정할 수 있다. 그에 따라, 더 높은 인지피로를 유발하게 설정이 가능하다. That is, in the case of the embodiment of FIG. 5B, it is possible to set the storage interval (n value) to be larger and to set the difficulty more difficult than in the embodiment of FIG. 5B. As a result, it is possible to set a higher cognitive fatigue.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법을 나타내는 순서도이다. FIG. 3B is a flowchart illustrating a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to another embodiment of the present invention.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 피로측정 단계 이전에, 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 미리 수행되는 피로유발 태스크 트레이닝 단계(S10)를 더 포함할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a fatigue-inducing task training step (S10) in which a fatigue-inducing task for generating fatigue is provided in advance by providing visual and auditory stimulation in a predetermined pattern of difficulty levels before the fatigue measurement step .
피로유발 태스크 트레이닝 단계(S10)에서 미리 작업기억능력 태스크(Dual n-back task)에 적응하여 보다 정확한 결과를 얻게 할 수 있다. In the fatigue-induced task training step S10, more accurate results can be obtained by adapting to the dual n-back task.
이 경우, n값(기억 간격)은 피험자의 측정결과에 따라 달라질 수 있다. 일 예로, 피험자가 두 모달리티(시각 자극 및 청각 자극)에서 실수가 3개 미만인 경우, n 값이 1 증가하나, 시각 자극 및 청각 자극 중 하나에서 5개 이상의 실수를 한 경우 n 값은 1이 감소할 수 있다. 이외의 경우에는 n 값이 유지되도록 설정될 수 있다. In this case, the value of n (memory interval) may vary depending on the measurement result of the subject. For example, if the subject has less than three mistakes in both modalities (visual and auditory stimuli), the n value is increased by one, but if the visual and auditory stimuli have more than five mistakes, the n value is reduced by one can do. Otherwise, the value of n may be set to be maintained.
트레이닝 단계에서는, 주기당 설정된 n 값에 따라 전체 20+n 회로 진행될 수 있으며, 1회 소요되는 시간이 3초라 한다면 각 주기당 약 60초 정도 소요될 수 있다. 그리고 n (기억 간격) = 2를 안정적으로 유지할 때까지, 트레이닝을 반복하여 기 설정된 정확도를 유지할 때까지 반복될 수 있다. (일 예로, n = 2 조건에서 최소 정확도가 75% 이상이 되는 때까지 반복될 수 있다.)In the training phase, 20 + n cycles can be performed according to the value n set per cycle. If the time required for one cycle is 3 seconds, it can take about 60 seconds for each cycle. And repeats the training until the n (memory interval) = 2 is stably maintained until the preset accuracy is maintained. (For example, it can be repeated until the minimum accuracy reaches 75% or more at n = 2.)
또한, 피로유발 태스크 트레이닝 단계(S10) 이후에, 그리고 상기 피로측정 단계(S30) 이전에, 뇌전도 및 안전도 센서를 부착하고, 사전 트레이닝을 통해 안전도에 기인한 노이즈를 감소시키기 위하여, 디스플레이 부의 제1 초점에 대하여 시선을 고정시킨 상태에서 1도 내지 10도 사이의 시각도로 변화하는 제2 초점에 선택적으로 주의를 기울이게 하는 안전도(EOG) 트레이닝 단계(S20)를 포함할 수 있다. Further, in order to attach the EEG and the safety sensor after the fatigue-induced task training step (S10) and before the fatigue measurement step (S30), and to reduce the noise due to the safety through the pre-training, (EOG) training step (S20) that selectively gives attention to a second focus that changes in a time between 1 degree and 10 degrees with the eyes fixed with respect to one focus.
안전도(EOG; electrooculogram)가 뇌전도(EEG; electroencephalogram)에 노이즈로 미치는 영향을 최소화하기 위해, EOG 트레이닝 단계(S20)가 수행될 수 있다. 피로측정 단계에서 좌우 안구 움직임, 급격한 안구 이동 및 눈 깜빡임을 최소화하기 위해 실시되는 것이다.An EOG training step S20 may be performed to minimize the effect of electrooculogram (EOG) on the electroencephalogram (EEG) noise. This is done to minimize left and right eye movements, rapid eye movements and blinking of eyes in the fatigue measurement phase.
EOG 트레이닝 단계(S20)에서는 모니터 가운데 십자가(붉은색 십자가)에 시선을 고정시킨 상태에서 시각도로 1도씩 변화하는 두 번째 십자가(흰색 십자가)에 선택적으로 주의를 기울임으로써 측정될 수 있다. (일 예로, 좌, 우 랜덤 시퀀스에 따라 1도씩 10단계로 두 번째 십자가는 움직일 수 있다. 중앙에서부터 왼쪽 또는 오른쪽으로 이동하기 시작하여 좌(우) 모니터 끝 부분(시각도 10도)에 도달했다가 원점으로 되돌아 오는 방식으로 움직이게 될 수 있다.) In the EOG training phase (S20), it can be measured by selectively paying attention to the second cross (white cross) which changes by 1 degree on the visual axis with the eye fixed to the cross of the monitor (red cross). (For example, according to the left and right random sequence, the second cross can be moved in 10 steps by 1 degree.) It starts moving from the center to the left or right and reaches the left (right) end of the monitor Can be moved back to the origin.
피로유발 태스크 트레이닝 단계(S10)와, EOG 트레이닝 단계(S20)를 거친 후에, 피로측정 단계(S30)와 제1 및 제2 피로 측정 및 피로유발 단계(S40, S50)를 거치게 함으로써, 보다 정확한 데이터를 얻을 수 있다. By performing the fatigue measurement step S30 and the first and second fatigue measurement and fatigue inducing steps S40 and S50 after passing through the fatigue-induced task training step S10 and the EOG training step S20, Can be obtained.
본 발명의 일 실시예에 따르면 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치 및 방법을 통하여 피로 유발인자를 평가하고, 적절한 피드백을 줄 수 있다. 또한, 태스크 몰입과 주로 관련된 시인지 메커니즘에 독립적이고 단순한 촉각 자극을 활용하여 인지 피로를 측정할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, fatigue inducing factors can be evaluated and feedback can be provided through a tactile stimulation based cognitive fatigue measuring apparatus and method. In addition, cognitive fatigue can be measured by using an independent and simple tactile stimulus to the mechanism of the poison, which is mainly related to task commitment.
그리고, 사건 유발 전위의 여러 성분을 분석하지 않고 단 하나의 유의한 성분의 변화를 평가하여 기존 대비 평가 시간의 단축이 가능하고 실시간 인지피로 평가가 가능해진다. In addition, it is possible to evaluate the change of only one significant component without analyzing various components of the event evoked potential, and it is possible to shorten the conventional contrast evaluation time and real-time cognitive fatigue evaluation becomes possible.
또한, 사용자의 몰입도를 최대한 유지한 상태에서, 실시간으로 피로유발인자를 평가하여, 최적 디자인 파라미터를 도출함으로써, 저피로 고실감 콘텐츠 및 감성 UX 아키텍쳐 확립에 기여할 수 있다. In addition, by estimating the fatigue inducing factor in real time while deriving the user's immersion degree to the maximum, deriving the optimum design parameter can contribute to establishment of low-fatigue content and sensitive UX architecture.
한편, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 [실시예 1]의 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법을 구체적으로 나타내는 순서도이다. FIG. 6 is a flowchart illustrating a tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method according to an
[실시예 1] [Example 1]
도 6에 도시된 순서도에 따라 촉각 자극 기반의 인지피로를 측정하였다. 사전훈련을 위해 피로유발 태스크 트레이닝 단계(S110)를 먼저 수행하고, 센서를 부착한 뒤 EOG 트레이닝 단계(S120)를 수행하고 하고, 기준 상태의 인지피로 측정을 위해 피로측정 단계(S130)를 수행하였으며, 2가지 난이도의 피로유발 상태에서 피로측정 태스크와 피로유발 태스크가 동시에 수행되는 제1 및 제2 피로측정 및 피로유발 단계(S150, S170)를 수행하였다. The cognitive fatigue based on the tactile stimulus was measured according to the flowchart shown in FIG. For the pre-training, the fatigue-induced task training step (S110) was performed first, the sensor was attached, the EOG training step (S120) was performed, and the fatigue measurement step (S130) The first and second fatigue measurement and fatigue inducing steps (S150 and S170) in which the fatigue measurement task and the fatigue inducing task are simultaneously performed in the fatigue induced state of the two difficulty levels are performed.
측정 결과의 비교 및 검토를 위하여, 피로측정 단계(S130) 다음에, 제1 피험자 설문 평가(S140), 제1 피로측정 및 피로유발 단계(S150) 및 제2 피로측정 및 피로유발 단계(S170) 다음에 각각 제2 및 제3 피험자 설문 평가(S160, S180)를 추가로 수행하였다. (S140), a first fatigue measurement and fatigue induction step (S150), a second fatigue measurement and fatigue induction step (S170), and a second fatigue measurement step (S170) Next, the second and third subject questionnaire evaluations (S160, S180) were further performed, respectively.
피로유발 태스크 트레이닝 단계(S110)Fatigue-inducing task training step (S110)
상기 사전훈련을 위한 피로유발 태스크 트레이닝 단계(S110)에서는 피험자가 연속적으로 제시되는 시각 자극 및 청각 자극에 반응하게 하게 하였다. In the fatigue-inducing task training step (S110) for the pre-training, the subject is allowed to react to the continuous visual stimulation and auditory stimulation.
시각 자극과 청각 자극은 3초 간격으로 동시에 나타났다. (지속시간 0.5초, 회당 간격 2.5초) 지속적으로 변화하는 시각 자극 시퀀스 상에, 현재 제시되는 자극과 n 번째 전에 제시된 자극(정사각형 위치)을 기억해 일치하면 왼손 중지로 'A'키를 입력하고, 일치하지 않으면 무시하여 태스크를 수행하였다.Visual and auditory stimuli appeared simultaneously at 3 second intervals. (Duration of 0.5 seconds, interval of 2.5 seconds). If the current stimulus and the stimulus (square position) presented before the nth are memorized on the continuously changing visual stimulation sequence, enter 'A' If they do not match, the task is ignored.
순차적으로 제시되는 8개의 알파벳 청각 자극 시퀀스에서, 현재 제시되는 자극(알파벳)과 n번째 전에 제시된 자극(알파벳)을 기억해서 일치하면, 왼손 검지로 'S' 키를 입력하도록 하였다. In the eight alphabet auditory stimulation sequences presented sequentially, if the current stimulus (alphabet) and the stimulus (alphabet) presented before the nth memory are stored and matched, the 'S' key is input to the left hand detection.
n값은 블록마다 피험자의 성과에 따라 다르게 측정하였으며, 청각 자극과 시각 자극에서 실수가 3회 미만인 경우 n 값이 1 증가하고, 청각 자극과 시각 자극 중 어느 하나에서 실수가 5회 이상인 경우 n 값이 1 감소하도록 하였으며, 이외의 경우 n 값을 유지되었다.The value of n was measured differently according to the performance of the subjects for each block. In the auditory stimulus and the visual stimulus, the n value increased by 1 when the real number was less than 3, and when the real number was 5 or more in the auditory stimulus and the visual stimulus, Was decreased by 1, and in the other cases, the value of n was maintained.
사전훈련은 한 블록당 설정된 n 값에 따라, 20 + n 회로 청각 자극 및 시각 자극이 가해졌으며, 각 블록은 따라서 대략 60초 정도 소요되었다. The training was 20 + n auditory stimulation and visual stimulation according to the set n values per block, and each block thus took about 60 seconds.
또한, n = 2 를 안정적으로 유지할 때까지 사전훈련을 반복하였다. 즉, 예를 들면 n = 2 조건에서 75% 이상의 정확도를 보일 때까지 사전훈련을 반복하였다. In addition, pre-training was repeated until n = 2 was stably maintained. That is, for example, pre-training was repeated until n = 2 showed an accuracy of 75% or more.
EOG 트레이닝 단계(S120)EOG training step (S120)
촉각 자극을 이용한 인지피로 측정장치의 EEG 전극부는 국제 10-20법(international 10-20 electrode system)에 따라 피험자의 두피에 부착하였다. The EEG electrode part of the cognitive fatigue measuring device using the tactile stimulus was attached to the subject's scalp according to the international 10-20 electrode system (international 10-20 electrode system).
4개의 지점(AFz, Fz, Cz, Pz)(도 4 참조)에 EEG 전극을 부착하며, A1 지점을 접지 전극으로 A2 지점을 기준전극으로 각각 지정하였다.EEG electrodes are attached to four points AFz, Fz, Cz, and Pz (see FIG. 4), and A1 point is designated as a ground electrode and A2 point is designated as a reference electrode.
그리고, EOG 전극부를 부착하기 위하여 수직 EOG (VEOG) 전극부와 수평 EOG(HEOG) 전극부를 각각 왼쪽 눈 동공 아래 위 2.5 cm 부근에, 그리고 양쪽 눈꼬리 끝 부분에 2 cm 수평으로 떨어진 곳에 부착하였다. 그리고, 미간으로부터 수직으로 2 cm 떨어진 곳에 안전도 접지 전극을 부착하였다. Vertical EOG (VEOG) electrode and horizontal EOG (HEOG) electrodes were attached to each other at a distance of about 2.5 cm below the left eye pupil and 2 cm horizontally to the tip of both eyes to attach the EOG electrode. Then, a safety grounding electrode was attached at a distance of 2 cm from the vertical.
그리고, 안전도(EOG)가 뇌전도(EEG)에 노이즈로 미치는 영향을 최소화하기 위하여 EOG 트레이닝을 수행하였다. 모니터 가운데 붉은 십자가에 시선을 고정시킨 상태에서 시각도로 1도씩 변화하는 흰색 십자가에 선택적으로 주의를 기울인 상태에서 흰색 십자가가 좌, 우 랜덤 시퀀스에 따라 1도씩 10 단계로, 중앙에서부터 왼쪽으로 또는 오른쪽으로 이동하기 시작하여 좌측(또는 우측) 모니터 끝에서 시각도 10도에 도달했다가 원점으로 돌아오는 방식으로 트레이닝을 하였다. And, EOG training was performed to minimize the effect of the safety (EOG) on the noise of the EEG. With the eye fixed to the red cross in the monitor, with a selective attention to the white cross that changes by 1 degree on the visual axis, the white cross is moved from the center to the left or to the right by 1 degree in the left and right random sequence We started to move, and we trained at the end of the left (or right) monitor to reach 10 degrees and return to the origin.
기준 상태의 피로측정 단계(S130)In the reference state fatigue measurement step (S130)
별도의 피로유발 태스크가 없는 기준 상태에서 피로측정을 수행하였다. 피로측정 태스크를 위해, 허리(일 예로, 좌, 우)에 2개의 진동하는 햅틱 센서를 포함한 벨트를 착용하였다.Fatigue measurements were performed in a reference state without additional fatigue-induced tasks. For the fatigue measurement task, a belt with two vibrating haptic sensors was worn on the waist (for example, left and right).
그리고, 66 dB의 촉각 자극을 가하였고, 신체 움직임으로 발생되는 노이즈를 최소화하기 위하여 고정형 턱받이를 착용하였다. A tactile stimulus of 66 dB was applied, and a fixed bib was worn to minimize the noise generated by body movements.
피험자는 모니터 정면에 나타나는 붉은 십자가에 눈을 고정시킨 채 촉각 자극에 노출되게 하였다. Subjects were exposed to the tactile stimulus with their eyes fixed on the red cross that appeared on the front of the monitor.
촉각 자극은 진동시간 128 ms, 자극 간격 12 내지 60 초 중 하나 이상의 간격, 즉 랜덤 간격으로, 복수 회 진행되었고, 실제 진동 범위는 반경 6 mm 로 수행되었다. 위 자극 간격으로 20 번의 진동이 한 주기를 구성하여 총 80회 (4 주기)가 제시되었다. The tactile stimulation was performed a plurality of times at intervals of at least one of a vibration time of 128 ms and a stimulation interval of 12 to 60 seconds, that is, at random intervals, and the actual vibration range was performed with a radius of 6 mm. Twenty vibrations constituted one cycle at the upper stimulation interval, and a total of 80 cycles (4 cycles) were presented.
피험자들이 동일한 자극 시간에 노출되게 하기 위해 최대 랜덤 간격 60초×20회 = 20분을 한 블록당 수행시간을 설정하였으며, 랜덤간격으로 인한 피험자간의 시간차는 휴지 상태로 처리되며, 별도의 정보를 제공하지 않고 20분이 지나면 다음 블록이 자동으로 시작되게 하였다. In order to expose the subjects to the same stimulation time, the execution time per block was set at a maximum random interval of 60 seconds × 20 times = 20 minutes. The time difference between the subjects due to the random interval was treated as a dormant state, After 20 minutes, the next block was started automatically.
제1 피로유발 및 피로측정 단계(S150)(1차 피로유발)First fatigue induction and fatigue measurement step (S150) (primary fatigue induction)
피로측정 단계(S130)와 동일한 피로측정 태스크를 수행하면서, 피험자는 피로측정 태스크를 위하여, 허리에 2개의 진동하는 햅틱 센서를 포함한 벨트를 착용하였다.While performing the same fatigue measurement task as in the fatigue measurement step (S130), the subject wore a belt including two vibrating haptic sensors at the waist for fatigue measurement task.
도 5a에서와 같이, 지속적으로 변화하는 시각 자극 시퀀스(모니터상의 8개의 정사각형 위치)에서 현재 제시되는 자극(정사각형의 위치)과 1회 이전의 자극(정사각형의 위치)을 기억하여, 일치하면 'A'키를 입력하고, 일치하지 않으면 무시하였다.As shown in FIG. 5A, the currently presented stimulus (position of a square) and the previous stimulus (position of a square) are stored in the continuously changing visual stimulation sequence (eight square positions on the monitor) 'Key and ignore it if they do not match.
그리고, 순차적으로 제시되는 8개의 알파벳(C, F, H, M, P, Q, R, W)의 청각 자극 시퀀스에서 현재 제시되는 자극(알파벳)과 1회 이전의 자극(알파벳)을 기억해서 일치하면, 'S'키를 입력하고, 일치하지 않으면 무시하였다. The stimulus (alphabet) presently presented and the stimulus (alphabet) preceding the stimulus are stored in the audible stimulation sequence of the eight alphabets C, F, H, M, P, Q, If there is a match, enter the 'S' key, otherwise ignore.
제1 피로유발 및 피로측정 태스크는 인지피로 유발을 위해 블록당 21회 총 80블록을 실시하였고, 각 블록은 60초가 소요되었다. 그리고, 피험자로부터 자극에 대한 반응시간과 촉각유발전위를 검출하였다. The first fatigue induction and fatigue measurement tasks were performed 80 times in total for 21 times per block to induce cognitive fatigue, and each block took 60 seconds. Then, the response time to the stimulation and the tactile evoked potential from the subject were detected.
제2 피로유발 및 피로측정 태스크(S170)(2차 피로유발)Second fatigue induction and fatigue measurement task (S170) (secondary fatigue induction)
피로측정 단계(S130)와 동일한 피로측정 태스크를 수행하면서, 피로유발 태스크를 위하여, 허리에 2개 (좌, 우)의 진동하는 햅틱 센서를 포함한 벨트를 착용하였다.In performing the same fatigue measurement task as in the fatigue measurement step (S130), a belt including two (left and right) vibrating haptic sensors was worn on the waist for fatigue induction task.
도 5b에서와 같이, 지속적으로 변화하는 시각 자극 시퀀스(모니터상의 8개의 정사각형 위치)에서 현재 제시되는 자극(정사각형의 위치)과 2회 이전의 자극(정사각형의 위치)을 기억하여, 일치하면 'A'키를 입력하고, 일치하지 않으면 무시하였다.As shown in FIG. 5B, the currently presented stimulus (the position of the square) and the stimulus (the position of the square) two times before are stored in the continuously changing visual stimulation sequence (eight square positions on the monitor) 'Key and ignore it if they do not match.
그리고, 순차적으로 제시되는 8개의 알파벳(C, F, H, M, P, Q, R, W)의 청각 자극 시퀀스에서 현재 제시되는 자극(알파벳)과 2회 이전의 자극(알파벳)을 기억해서 일치하면, 'S'키를 입력하고, 일치하지 않으면 무시하였다. The stimuli (alphabet) presently presented and the stimuli (alphabet) two times before are presented in the audible stimulation sequence of the eight alphabets C, F, H, M, P, If there is a match, enter the 'S' key, otherwise ignore.
제2 피로측정 및 피로유발 태스크는 인지피로 유발을 위해 블록당 22회를 총 80 블록 실시하였으며, 각 블록은 약 60초 소요되었다. 그리고, 피험자로부터 자극에 대응하는 반응시간과 유발전위를 검출하였다. The second fatigue measurement and fatigue inducing task was performed for 80 times for 22 times per block for inducing cognitive fatigue, and each block took about 60 seconds. Then, reaction time and evoked potential corresponding to stimulation were detected from the subject.
제1, 제2 및 제3 피험자 설문 평가(S140, S160, S180)The first, second and third subject questionnaire evaluations (S140, S160, S180)
인지피로를 반영할 수 있는 NASA-TLX 설문을 이용하여 각 태스크가 종료된 직후, 피험자의 주관평가를 실시하였다. The subject's subjective evaluation was performed immediately after each task was completed using the NASA-TLX questionnaire which can reflect cognitive fatigue.
NASA-TLX 설문의 경우 총 6가지(정신적 요구량, 육체적 요구량, 시간적 요구량, 태스크 성취도, 노력, 당혹감/좌절감) 항목에 대해 설명한 후 주관적인 평가를 하는 것이다. In NASA-TLX questionnaires, 6 items (mental requirement, physical requirement, time requirement, task achievement, effort, embarrassment / frustration) are explained and subjective evaluation is made.
6개의 설문항목 중 가중치를 산정하기 위해 경우의 수를 이용, 총 15장의 카드를 만들어 태스크 수행에 2가지 항목 중 더 큰 영향을 끼쳤다고 생각한 항목을 선택하게 하였다. In order to calculate the weight of six questionnaire items, 15 cards were created using the number of cases, and the items that were considered to have had a greater effect among the two items were selected to perform the task.
NASA-TLX 설문 항목에 대하여 0 에서 100 점 사이의 점수를 평가하게 한 후 가중치를 적용하여 최종 NTSA-TLX 주관 평가 값을 산출하였다. The final NTSA-TLX subjective rating was calculated by applying a weight to the NASA-TLX questionnaire after evaluating the score between 0 and 100 points.
데이터 처리 및 분석Data processing and analysis
EEG 데이터는 0.1 내지 35 Hz의 디지털 밴드패스필터 적용 후 50,000 배 증폭되어 기록되었다. EOG 데이터 또한 0.05 내지 35 Hz의 밴드패스필터 적용 후 500배 증폭되어 기록되었다. 그리고, P300 성분의 경우, 자극 제시 후 정적 전위 구간(400 에서 600 ms)에서 진폭이 가장 높은 지점으로 결정되었다. The EEG data was amplified 50,000 times after applying a digital bandpass filter of 0.1 to 35 Hz. EOG data is also 0.05 to 35 Hz band-pass filter. The P300 component was determined to be the highest amplitude in the static potential range (400 to 600 ms) after stimulus presentation.
각 실험 조건에 대하여, 각각의 촉각 자극에 대응하는 유발 전위를 검출하였다. 기준상태, 1차 피로유발 및 2차 피로유발의 3 가지 상태에서 기록된 촉각 자극 제시 시간(Target onset time)과 제시 시점으로부터 - 200 ms, + 1,000 ms 구간의 뇌파 신호를 각각 분리한 뒤(Epoch separation) ± 80μV를 초과하는 눈 깜빡임 및 ± 30μV를 초과하는 수평 방향 눈 움직임에 의해 오염된 뇌파 구간은 제거 처리 하였다. For each experimental condition, the evoked potential corresponding to each tactile stimulus was detected. After separating EEG signals of 200 ms and +1000 ms intervals from the target onset time and the presentation time recorded in three states of reference state, primary fatigue induction and secondary fatigue induction (Epoch Separation EEG lesions contaminated by eye blinking in excess of ± 80 μV and horizontal eye movements in excess of ± 30 μV were removed.
± 80μV와 ± 30μV를 초과하지 않은 눈 깜빡임과 좌우 눈 움직임이 포함된 각 뇌파 측정 지점(AFz, Fz, Cz, Pz)의 분리 구간들은 주성분 분석을 통해 최대한 안전도에 오염되지 않는 사건유발전위를 검출하였다. Detection intervals of each EEG measurement point (AFz, Fz, Cz, Pz) including eye blinking and left and right eye movements not exceeding ± 80 μV and ± 30 μV are detected by principal component analysis to detect the event- Respectively.
자극 제시 - 200 ms 시점에서 제시 시점 사이의 평균 전위 값을 전체 전위 값에서 뺌으로써 오염된 구간들을 제거하고 남은 구간들에서 P300 진폭을 기준선으로 교정한 뒤, 구간 간의 평균 전위 값을 산출하여, 피험자들 간의 평균 전위 값을 산출하였다. Provision of stimulus - After removing the contaminated intervals by subtracting the average potential between the presentation time and the presentation point by the total potential value, correct the P300 amplitude to the baseline and calculate the average potential value between the intervals, Were calculated.
데이터들은 AcqKnowledge 4.2 (BIOPAC Systems Inc., Goleta, CA, USA)와 Visual Studio 2008 with Microsoft foundation class(MFC)소프트웨어가 데이터 처리와 분석에 사용되었으며, 통계 데이터 분석은 IBM SPSS Statistics 17.0 (SPSS Inc, Chicago, Illinois, USA)으로 이루어 졌으며, 동시에 측정된 신호에 대해 통계적 다중 비교함으로써 발생할 수 있는 증가된 1종 오류 확률을 줄이기 위패 본페로니 교정법을 사용하였다.Data were analyzed by using AcqKnowledge 4.2 (BIOPAC Systems Inc., Goleta, CA, USA) and Visual Studio 2008 with Microsoft Foundation Class (MFC) software for data processing and analysis. Statistical data analysis was performed using IBM SPSS Statistics 17.0 , Illinois, USA). At the same time, we used a periapical Peroni calibration method to reduce the increased probability of one type error that can be generated by statistical multiple comparison of measured signals.
도 7은 도 6의 실시예에 따라 측정된 피로유발 태스크의 조건에 따른 반응정확도와 반응시간을 나타내는 그래프이다.FIG. 7 is a graph showing reaction accuracy and reaction time according to the conditions of the fatigue-induced task measured according to the embodiment of FIG.
도 7을 참조하면, 난이도가 높은 2차 피로유발 조건의 경우 1차 피로유발 조건과 비교하여 유의하게 반응정확도가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그리고, 2차 피로유발 조건 하에서 1차 피로유발 조건과 비교하여 유의하게 반응시간이 증가하는 것을 알 수 있었다.Referring to FIG. 7, it can be seen that the second-order fatigue-inducing condition with a high degree of difficulty is significantly lower than the first-order fatigue inducing condition. Also, it was found that the reaction time increased significantly compared to the first fatigue inducing condition under the second fatigue inducing condition.
반응 정확도가 감소하고 반응시간이 증가한 것은 2차 피로유발 조건에서 유발된 인지피로로 인해 행동적 메커니즘의 반응속도와 정확도가 저하된 것을 반영한다는 것을 알 수 있다. The decrease in reaction accuracy and the increase in reaction time reflects the decrease in the response speed and accuracy of the behavioral mechanism due to the cognitive fatigue induced in the second fatigue inducing condition.
도 8은 도 6의 실시예에 따라 측정된 기준상태, 1차 피로유발 상태 및 2차 피로유발 상태의 뇌파 측정 지점 중 AFz, Fz, Cz 및 Pz 지점에서의 P300 평균 전위값을 비교한 그래프이다. 그리고, 도 9는 도 8의 그래프를 뇌파 파형으로 시각화하여 나타낸 그래프로, 도 6의 실시예에 따라 측정된 기준상태, 1차 피로유발 상태 및 2차 피로유발 상태의 뇌파 측정 지점 중 Cz 지점과 Pz 지점에서의 촉각 유발전위 파형과 기준상태와 1차 피로유발 상태 및 1차 피로유발 상태와 2차 피로 유발 상태 사이의 평균 전위 값의 차이를 비교하여 나타낸 그래프이다.FIG. 8 is a graph comparing P300 average potential values at AFz, Fz, Cz, and Pz points of EEG measurement points measured in the reference state, primary fatigue induced state, and secondary fatigue induced state measured according to the embodiment of FIG. 6 . FIG. 9 is a graph obtained by visualizing the graph of FIG. 8 as an EEG waveform. FIG. 9 is a graph showing the Cz point and the Cz point of the EEG measurement points measured in the reference state, the primary fatigue inducing state and the secondary fatigue induced state measured according to the embodiment of FIG. A graph showing the tactile evoked potential waveform at the Pz point, the reference state, the primary fatigue inducing state, and the difference of the average potential values between the primary fatigue inducing state and the secondary fatigue inducing state.
도 8은 촉각 자극을 이용한 인지피로 평가 결과를 나타낸 것이다. Fig. 8 shows the results of cognitive fatigue evaluation using a tactile stimulus.
기준 상태, 1차 피로유발 및 2차 피로유발 조건을 피험자내 요인으로 설정한 뒤 일원반복측정 분산분석을 시행하였다. 구형성 가정을 충족하지 못했기 때문에 Greenhouse-Geisser을 통해 자유도를 보정하였다. After setting the reference condition, primary fatigue induction and secondary fatigue induction conditions as factors in the subjects, we performed the ANOVA analysis. The degree of freedom was corrected through Greenhouse-Geisser because it did not meet the hypothesis.
AFz, Fz, Cz 지점에서는 유의한 차이가 보이지 않았으나, Pz 지점에서 세 조건간 P300 진폭의 유의한 차이가 관측되었기 때문에 사후 검정을 실시하였다. (구체적으로, Tukey의 HSD 사후검정을 실시하였다. )There was no significant difference at AFz, Fz, and Cz points, but post-test was performed because there was a significant difference in P300 amplitude between the three conditions at Pz point. (Specifically, Tukey's HSD post hoc test was conducted.)
Pz지점에서, 기준 상태(T-only)와 1차 피로유발 조건 하에서는 유의한 차이가 없었으나, 기준 상태와 1차 피로유발 조건과 비교할 때, 2차 피로유발 조건에서는 유의하게 감소한 P300 진폭을 확인할 수 있다. At the Pz point, there was no significant difference under the T-only and primary fatigue inducing conditions, but the P300 amplitude was significantly decreased in the secondary fatigue inducing conditions when compared with the reference fatigue and the primary fatigue inducing conditions .
후기 사건유발전위 성분인 P300 진폭이 통계적으로 유의하게 감소했다는 것은 선택적 주의 메커니즘이 일시적으로 손상되어 집중력이 떨어졌다는 것을 의미한다. 이로 인해, 특정한 목표 자극을 지각하고 인지적 정보처리를 위해 필요한 신경세포 및 관련된 특정신경네트워크 활성화 정도가 일시적으로 떨어졌다는 것을 의미한다. 즉, 인지피로가 유발되었을 때만 나타나는 유발 뇌파 지표가 되는 것이다. A statistically significant decrease in the amplitude of P300, a late event-induced potential component, implies that the selective attention mechanism is temporarily impaired and the concentration is reduced. This means that the degree of activation of the neural cell and the specific neural network involved in perception of a particular target stimulus and for cognitive information processing has been temporarily reduced. In other words, it is a triggering EEG indicator only when cognitive fatigue is induced.
도 10은 도 6의 실시예에 따라 기준 상태, 1차 피로유발, 2차 피로유발 조건에 대한 주관적 인지피로 결과를 비교한 그래프이다. FIG. 10 is a graph comparing subjective fatigue results with reference conditions, primary fatigue inducing, and secondary fatigue inducing conditions according to the embodiment of FIG.
기준 상태, 1차 피로유발, 2차 피로유발을 피험자내 요인으로 설정한 뒤, 일원반복측정 분산분석 수행을 통하여 분석하였다.After setting the baseline condition, primary fatigue induction, and secondary fatigue induction as factors within the subject, analysis was performed through one - way repeated measures analysis.
그리고, 세 조건 각각의 피험자 설문평가 점수가 유의한 차이를 보였기 때문에 사후 검정을 수행하였다.Also, post - test was performed because the scores of subjects' questionnaires were significantly different in each of the three conditions.
도 10에 도시된 바와 같이, 사후 검정을 통한 피험자 주관 평가 분석 결과와, P300 진폭은 유의한 패턴을 보였다.As shown in FIG. 10, the subject's subjective evaluation result and the P300 amplitude showed a significant pattern in the post test.
기준 상태와 1차 피로유발 조건 간 유의한 차이가 없었다. 이는 아무런 유발 태스크를 수행하지 않았던 기준조건과 같이 쉬운 난이도의 1차 피로유발 조건에서는 피로가 발생되지 않음을 시사하는 것이다.There was no significant difference between baseline and primary fatigue inducing conditions. This suggests that fatigue does not occur in the primary fatigue inducing conditions of easy difficulty as in the reference condition in which no triggering task is performed.
그러나, 2차 피로유발 조건의 경우 상대적으로, 피험자 설문평가 점수가 유의하게 증가하였다. 인지적 작업에 대한 인지적 로드를 신뢰성 있게 주관적으로 평가할 수 있는 NASA TLX 설문지의 점수가 유의하게 증가했다는 것은, 피로 유발하기 위해 설정한 태스크 난이도가 적절했다는 것을 시사하며, 주관적으로 평가할 수 있었던 인지적 로드를 유발전위 측정을 통해 객관적으로 측정할 수 있다는 것을 의미한다.
However, in the case of the second fatigue inducing condition, the score of the questionnaire survey was significantly increased. The significant increase in the score of the NASA TLX questionnaire, which can reliably and subjectively evaluate the cognitive load on the cognitive task, suggests that the task difficulty set to induce fatigue was appropriate, and the subjective cognitive This means that the rod can be measured objectively by measuring the evoked potential.
10: 피험자
20: EOG & EEG 측정부
30: 시각 & 청각 자극 출력부
40: 입력부
50: 지지부
60: 촉각 자극 출력부
70: 제어부
80: 데이터 처리 및 분석부10: Subjects
20: EOG & EEG measuring unit
30: visual & auditory stimulation output unit
40:
50: Support
60: tactile stimulation output unit
70:
80: Data processing and analysis unit
Claims (15)
시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 진행되는 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크가 진행되는 피로측정 및 피로유발 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법.
A fatigue measurement step in which a fatigue measurement task for measuring an EEG and a safety level signal is performed based on tactile stimulation; And
Fatigue causing fatigue by providing visual and auditory stimuli in a pattern of predetermined difficulty, fatigue measuring the EEG and safety signal based on tactile stimulation in a state where the task progresses, fatigue measurement and fatigue induction step Wherein the tactile stimulation-based cognitive fatigue measurement method comprises the steps of:
상기 피로측정 태스크는,
촉각 자극 출력 장치를 피험자에게 착용시키고,
기 설정된 시간 간격으로 기 설정된 강도의 촉각 자극을 가하면서,
피험자의 뇌전도 및 안전도 신호를 측정함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법.
The method according to claim 1,
The fatigue measurement task may include:
A tactile stimulation output device is worn on the subject,
While applying a tactile stimulus of predetermined intensity at a predetermined time interval,
Wherein the tactile stimulation-based cognitive fatigue measuring method is performed by measuring the electroencephalogram and the safety signal of the subject.
상기 기 설정된 강도의 촉각 자극은 25 dB 내지 66 dB 인 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법.
3. The method of claim 2,
And the tactile stimulus of the predetermined intensity is 25 dB to 66 dB.
상기 피로유발 태스크는,
시각 자극 또는 청각 자극, 또는 둘 다를 기 설정된 시간 간격으로 주기당 m회 제공하고,
제공되는 자극에서 m-n번째 자극(n은 1이상의 자연수임)과 m 번째 자극이 일치하는지 여부를 확인함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 것을 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 방법.
The method according to claim 1,
The fatigue-
Visual stimulation or auditory stimulation, or both at a predetermined time interval m times per cycle,
Characterized in that it is carried out by checking whether or not the mn th stimulus (n is a natural number of 1 or more) and the m th stimulus coincide with each other in the provided stimulus.
상기 피로유발 태스크에서의 난이도는,
상기 시각 자극 및 청각 자극이 가해지는 시간 간격, m 값 및 n 값 중 하나 이상에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 인지피로 측정 방법.
5. The method of claim 4,
The degree of difficulty in the fatigue-
Wherein the at least one of the visual stimulation and the auditory stimulation is set by at least one of a time interval, an m value, and an n value.
상기 피로측정 및 피로유발 단계는,
제1 난이도로 1차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제1 피로측정 및 피로유발 단계와,
상기 제1 난이도와는 다른 제2 난이도의 2차 피로유발 태스크가 진행되면서 피로측정 태스크가 수행되는 제2 피로측정 및 피로유발 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각기반의 인지피로 측정 방법.
The method according to claim 1,
The fatigue measurement and fatigue induction step may include:
A first fatigue measurement and fatigue inducing step in which a fatigue measurement task is performed while a first fatigue inducing task is progressed at a first degree of difficulty,
And a second fatigue measurement and a fatigue induction step in which a fatigue measurement task is performed while a second fatigue-inducing task of a second difficulty different from the first difficulty is being performed.
상기 피로측정 단계 이전에,
시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 태스크가 미리 수행되는 피로유발 태스크 트레이닝 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각기반의 인지피로 측정 방법.
The method according to claim 1,
Before the fatigue measurement step,
Further comprising a fatigue-inducing task training step in which a fatigue-inducing task for causing fatigue is previously performed by providing visual and auditory stimuli in a predetermined difficulty pattern.
상기 피로측정 단계 이전에, 뇌전도 및 안전도 센서를 부착하고,
디스플레이 부의 제1 초점에 대하여 시선을 고정시킨 상태에서 1도 내지 10도 사이의 시각도로 변화하는 제2 초점에 선택적으로 주의를 기울이게 하는 안전도 트레이닝 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각기반의 인지피로 측정 방법.
The method of claim 1, wherein
Before the fatigue measurement step, an electroencephalogram and a safety level sensor are attached,
And a safety degree training step of selectively paying attention to a second focus which changes with a time between 1 degree and 10 degrees with the eyes fixed to the first focus of the display part. How to measure.
뇌전도 및 안전도를 측정하는 EEG 및 EOG 측정부;
상기 시각 자극 및 청각 자극에 대한 피험자의 반응을 입력하는 입력부;
촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 태스크와, 시각 및 청각 자극을 기 설정된 난이도의 패턴으로 제공하여 피로를 유발하는 피로유발 상태에서 촉각 자극에 기초하여 뇌전도 및 안전도 신호를 측정하는 피로측정 및 피로유발 태스크를 제어하는 제어부; 및
상기 피로유발 태스크 결과와 상기 EOG 및 EEG 측정부에서 측정된 제1 및 제2 피로유발 태스크 결과에 따라 인지피로를 측정하는 데이터 처리 및 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치.
A tactile stimulation output unit for outputting a visual and auditory stimulation output unit and a tactile stimulation output unit for outputting visual stimulation and auditory stimulation in a predetermined difficulty pattern;
An EEG and EOG measurement unit for measuring the electroencephalogram and the safety;
An input unit for inputting a response of the subject to the visual stimulation and auditory stimulation;
A fatigue measurement task for measuring an EEG and a safety signal based on a tactile stimulus and a task for visual and auditory stimuli in a predetermined difficulty pattern to generate an EEG signal and a safety signal based on a tactile stimulus in a fatigue- A control unit for controlling fatigue measurement and fatigue-inducing tasks to be measured; And
And a data processing and analyzing unit for measuring perceived fatigue according to the fatigue-induced task result and the first and second fatigue-induced task results measured by the EOG and EEG measuring unit. .
상기 촉각 자극에 대한 피험자의 움직임으로 발생되는 노이즈를 최소화하기 위하여 피험자의 머리를 받치는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치.
10. The method of claim 9,
Further comprising a support for supporting a subject's head to minimize noise generated by movement of the subject with respect to the tactile stimulus.
상기 촉각 자극 출력부는 피험자의 허리에 하나 이상의 진동하는 햅틱 센서를 포함하는 벨트 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the tactile stimulation output unit is configured in the form of a belt including at least one vibrating haptic sensor at the waist of the subject.
상기 데이터 처리 및 분석부는,
상기 EOG 및 EEG 측정부에 의해 측정된 뇌전도 신호 데이터를 0.1 내지 35 Hz의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하고, 안전도 신호는 0.05 내지 35 Hz 의 밴드패스필터를 적용하여 증폭하여 기록하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치.
10. The method of claim 9,
Wherein the data processing and analysis unit comprises:
The EEG and EEG measurement unit amplifies the electrocardiogram signal data by applying a band pass filter of 0.1 to 35 Hz and amplifies and records the safety signal by applying a band pass filter of 0.05 to 35 Hz. A tactile stimulus based cognitive fatigue measuring device.
상기 데이터 처리 및 분석부는,
각 자극 제시 시점으로부터 -200 ms에서 1000 ms 구간의 신호를 분리한 뒤,
±80μV를 초과하는 눈 깜빡임 및 ±30 μV를 초과하는 수평 방향의 눈 움직임에 의한 뇌파 구간을 제거하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지 피로 측정 장치.
13. The method of claim 12,
Wherein the data processing and analysis unit comprises:
After separating the signals of the interval of -200 ms to 1000 ms from the point of presentation of each stimulus,
A blinking of the eye in excess of ± 80 μV, and an elimination of the EEG interval due to horizontal eye movements in excess of ± 30 μV.
상기 데이터 처리 및 분석부는,
분리 및 제거된 각 구간의 P300 진폭을 자극 제시 시점으로부터 자극 제시 전 -200 ms 시점 구간의 평균전위 값을 각 구간의 전위 값에서 빼냄으로써 기저선을 교정하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지피로 측정 장치.
14. The method of claim 13,
Wherein the data processing and analysis unit comprises:
The baseline is calibrated by subtracting the P300 amplitude of the separated and removed intervals from the presentation time of the stimulus, and subtracting the mean potential value of the time interval of -200 ms before the presentation of the stimulus from the potential value of each interval to measure the tactile stimulation based cognitive fatigue Device.
상기 데이터 처리 및 분석부는, 상기 기저선을 교정한 뒤,
각 구간의 P300 평균 전위 값을 산출하거나,
촉각 자극 제시 후에 발생되는 400 에서 600 ms 의 정적 전위 구간에서 진폭이 가장 높은 지점을 P300 진폭으로 설정하는 것을 특징으로 하는 촉각 자극 기반의 인지 피로 측정 장치. 15. The method of claim 14,
Wherein the data processing and analyzing unit corrects the baseline,
The P300 average potential value of each section is calculated,
Wherein the tactile stimulus-based cognitive fatigue measuring device is characterized in that a point at which the amplitude is the highest in a static potential range of 400 to 600 ms generated after the presentation of the tactile stimulus is set to an amplitude of P300.
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