KR20180124327A - wearable device and method for measuring the degree of drowsiness or concentration of the user - Google Patents

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KR20180124327A KR1020170058645A KR20170058645A KR20180124327A KR 20180124327 A KR20180124327 A KR 20180124327A KR 1020170058645 A KR1020170058645 A KR 1020170058645A KR 20170058645 A KR20170058645 A KR 20170058645A KR 20180124327 A KR20180124327 A KR 20180124327A
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Abstract

According to the present invention, a wearable device includes: a first sensor unit for acquiring first data related to an electroencephalography (EEG) signal by sensing a biometric signal of a user; a second sensor unit for acquiring second data related to a heartbeat signal by sensing the biometric signal of the user; and a processor for measuring the degree of concentration or drowsiness of the user using the first data and the second data. Accordingly, the present invention can measure the degree of the concentration or drowsiness of the user.

Description

사용자의 졸음의 정도 혹은 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법 및 이를 위한 웨어러블 디바이스{wearable device and method for measuring the degree of drowsiness or concentration of the user}[0001] The present invention relates to a wearable device for measuring the degree of drowsiness or concentration of a wearer and a wearable device for the same,

본 발명은 사용자의 졸음의 정도 혹은 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법 및 이를 위한 웨어러블 디바이스에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring the degree of drowsiness or concentration of a user and a wearable device therefor.

청소년들의 효율적인 학업 성취를 위해 전자 학습(Electronic learning, E러닝) 및 스마트 러닝의 사용이 증대되고 있다. 최근에는 E러닝이라는 틀에서 더욱 넓은 기회로 웨어러블 디바이스 및 스마트 기기와 더불어 학습하는 스마트 러닝이 선풍적 인기를 끌고 있다. Electronic learning (e-learning) and smart learning are increasingly used to achieve effective learning for adolescents. In recent years, smart learning, which learns with wearable devices and smart devices, has become popular with a broader opportunity in the framework of e-learning.

그러나, 학습자와의 양방향 소통이 없는 E러닝 시스템은 학습자의 집중력이 떨어지고 비효율적인 학습 결과를 초래할 수 있다. 특히, 기존의 E러닝 시스템은 학습자가 그 순간 성실히 수업에 임했는지 파악하기 어렵고, E러닝 수업을 수강하는 학습자의 집중력 및 졸음 정도를 스마트 러닝을 통해 객관적으로 측정할 수가 없었다. However, an e-learning system that does not have two-way communication with a learner may result in poor learner's concentration and ineffective learning results. Especially, the existing e - learning system was not able to grasp whether the learner was faithful to the class at the moment, and it was not possible to objectively measure learner 's concentration and drowsiness in e - learning class through smart learning.

학습에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나는 집중력이며 수업 중 졸음은 집중력을 가장 저해하는 요인 중 하나임을 감안하면, 기존 E러닝 시스템 혹은 스마트 러닝 시스템은 학습 효과 면에서 큰 문제가 있다. Considering that one of the most important factors in learning is concentration and sleepiness is one of the most detrimental factors of concentration, existing E - learning systems or smart learning systems have big problems in learning effect.

이와 같이, 기존의 E러닝 시스템이나 스마트 러닝 시스템은 학습자의 집중력을 알 수 없어서 학습 효과가 떨어진다는 문제가 있지만, 아직까지 교육과 연관지어 사용자의 집중도 혹은 졸음 정도를 강화시키거나 정량적으로 측정할 수 있는 수단이 없는 실정이다.In this way, existing e-learning system or smart learning system can not learn the concentration of learners and thus the learning effect is reduced. However, it is still necessary to enhance the concentration or drowsiness of the user in relation to education and quantitatively measure There is no means.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 웨어러블 디바이스를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a wearable device for measuring the degree of drowsiness or concentration of a user.

본 발명에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for measuring the degree of drowsiness or concentration of a user.

본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a computer-readable recording medium recording a program for causing a computer to execute a method for measuring a degree of drowsiness or concentration of a user.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory and are not restrictive of the invention, unless further departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It will be possible.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스는 사용자의 생체 신호를 센싱하여 뇌파 신호와 관련된 제 1 데이터를 획득하는 제 1 센서부; 상기 사용자의 생체 신호를 센싱하여 심박수 신호와 관련된 제 2 데이터를 획득하는 제 2 센서부; 및 상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터를 이용하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a wearable device including a first sensor unit sensing a user's bio-signal to acquire first data related to an EEG signal, A second sensor unit for sensing the user's bio-signal to acquire second data related to a heart rate signal; And a processor for measuring the degree of concentration or drowsiness of the user using the first data and the second data.

상기 프로세서는, 상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터에 대한 전처리(prefiltering)를 수행하고, 상기 전처리된 제 1 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 1 특징 값과 상기 전처리된 제 2 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 2 특징 값을 산출하고, 상기 산출된 적어도 하나의 제 1 특징 값 및 상기 산출된 적어도 하나의 제 2 특징 값에 기초하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 측정할 수 있다.Wherein the processor is configured to perform prefiltering on the first data and the second data and to generate at least one first feature for calculating the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user from the preprocessed first data And calculating at least one second feature value for calculating the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user from the preprocessed second data, and calculating the at least one first feature value and the calculated at least one The degree of concentration of the user or the degree of drowsiness can be measured based on the second characteristic value of the user.

상기 프로세서는, 상기 제 1 데이터로부터 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하기 위한 전처리(prefiltering)를 수행하고, 상기 제 2 데이터로부터 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하기 위한 전처리를 수행할 수 있다. 상기 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호는 1Hz 부터 50Hz 까지에 해당하는 신호일 수 있다. 상기 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호는 1Hz 부터 100Hz 가지에 해당하는 신호일 수 있다.Wherein the processor is configured to perform prefiltering for extracting a signal corresponding to a predetermined first frequency component from the first data and to extract a signal corresponding to a predetermined second frequency component from the second data, A preprocess can be performed. The signal corresponding to the predetermined first frequency component may be a signal corresponding to 1 Hz to 50 Hz. The signal corresponding to the predetermined second frequency component may be a signal corresponding to 1 to 100 Hz branches.

상기 제 1 센서부는 2개의 전극을 포함하며, 상기 제 1 센서부는 제 1 전극을 통해 Fp1 채널과 A1 채널 사이에서 변화되는 신호를 센싱하여 상기 뇌파 신호를 추출할 수 있다. 상기 제 1 센서부는 상기 추출된 뇌파 신호를 디지털 신호로 변환하며, 상기 제 1 데이터는 상기 변환된 디지털 뇌파 신호를 포함할 수 있다.The first sensor unit includes two electrodes, and the first sensor unit senses a signal changed between the Fp1 channel and the A1 channel through the first electrode, thereby extracting the EEG signal. The first sensor unit converts the extracted EEG signal into a digital signal, and the first data may include the converted EEG signal.

상기 제 2 센서부는 하나의 전극을 포함하며, 상기 하나의 전극은 상기 사용자의 이마에 부착될 수 있도록 상기 웨어러블 디바이스에 배치될 수 있다.The second sensor unit may include one electrode, and the one electrode may be disposed on the wearable device so as to be attached to the forehead of the user.

상기 제 1 센서부는 Electroencephalography (EEG) 센서를 포함하고, 상기 제 2 센서부는 Photoplethysmograph (PPG) 센서를 포함할 수 있다.The first sensor unit may include an electroencephalography (EEG) sensor, and the second sensor unit may include a photoplethysmograph (PPG) sensor.

상기 웨어러블 디바이스는 상기 측정된 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도에 기초하여 상기 사용자에게 피드백을 주기 위한 자극을 발생시키는 자극 발생 장치를 더 포함할 수 있다.The wearable device may further include a stimulus generator for generating a stimulus for giving feedback to the user based on the measured degree of concentration or degree of drowsiness of the user.

상기 프로세서가 상기 사용자의 집중력 정도가 소정의 임계치 이하이거나 졸음의 정도가 소정의 임계치 이상인 경우로 판단한 경우, 상기 사용자의 집중력 정도 또는 졸음의 정도에 대한 알림을 상기 사용자가 학습하는 기기로 전달하는 통신부를 더 포함할 수 있다.The processor transmits a notification of the degree of concentration of the user or the degree of drowsiness to a device that the user learns when the degree of concentration of the user is less than a predetermined threshold value or the degree of drowsiness is equal to or greater than a predetermined threshold value As shown in FIG.

상기 적어도 하나의 제 1 특징 값은 상기 전처리된 뇌파 신호의 평균 신호 세기 값, 상기 전처리된 뇌파 신호 세기의 표준 편차값, 상기 전처리된 뇌파 신호를 2차 미분하였을 때 부호변환점(zero crossing)의 개수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제 2 특징 값은 상기 전처리된 심박수 신호의 피크 값과 그 다음 피크 값과의 간격과 관련된 값을 포함할 수 있다.Wherein the at least one first characteristic value includes at least one of an average signal intensity value of the preprocessed EEG signal, a standard deviation value of the preprocessed EEG signal intensity, a number of zero crossings when the preprocessed EEG signal is second- Or the like. The at least one second characteristic value may include a value related to a distance between a peak value of the preprocessed heart rate signal and a next peak value.

상기 프로세서는 상기 제 2 센서부로부터 획득한 제 2 데이터를 디지털 신호로 변환하여 전처리를 수행할 수 있다.The processor may convert the second data acquired from the second sensor unit into a digital signal to perform preprocessing.

상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 웨어러블 디바이스가 사용자의 졸음의 정도 혹은 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법은, 사용자의 생체 신호를 센싱하여 뇌파 신호와 관련된 제 1 데이터를 획득하는 단계; 상기 사용자의 생체 신호를 센싱하여 심박수 신호와 관련된 제 2 데이터를 획득하는 단계; 및 상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터를 이용하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도를 측정하는 단계를 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정할 수 있다.According to another aspect of the present invention, a wearable device for measuring a degree of drowsiness or a concentration of a user of a wearable device includes sensing a user's bio-signal to acquire first data related to an electroencephalogram signal; Sensing biometric signals of the user to obtain second data related to a heart rate signal; And measuring the degree of concentration or the amount of drowsiness of the user using the first data and the second data to measure the degree of drowsiness or concentration of the user.

상기 측정 단계는, 상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터에 대한 전처리(prefiltering)를 수행하는 단계; 상기 전처리된 제 1 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 1 특징 값과 상기 전처리된 제 2 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 2 특징 값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 적어도 하나의 제 1 특징 값 및 상기 산출된 적어도 하나의 제 2 특징 값에 기초하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The measuring step may include: performing prefiltering on the first data and the second data; Calculating at least one first characteristic value for calculating the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user from the preprocessed first data and a degree of concentration or drowsiness of the user from the preprocessed second data; Calculating at least one second characteristic value; And measuring the degree of concentration of the user or the degree of drowsiness based on the calculated at least one first feature value and the calculated at least one second feature value.

상기 전처리를 수행하는 단계는 상기 제 1 데이터로부터 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하고 상기 제 2 데이터로부터 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.The performing the preprocessing may include extracting a signal corresponding to a predetermined first frequency component from the first data and extracting a signal corresponding to a predetermined second frequency component from the second data.

상기 제 1 데이터를 획득하는 단계는 Fp1 채널 및 A1 채널에서 상기 뇌파 신호를 추출하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 제 2 데이터를 획득하는 단계는 상기 사용자의 이마에 부착된 전극을 통해 상기 심박수 신호를 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.The acquiring of the first data may include extracting the EEG signal in the Fp1 channel and the A1 channel. The obtaining of the second data may further include extracting the heart rate signal through an electrode attached to the forehead of the user.

상기 방법은, 상기 측정된 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도에 기초하여 상기 사용자에게 피드백을 주기 위한 자극을 발생시키는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include the step of generating a stimulus for giving feedback to the user based on the measured degree of concentration of the user or the degree of drowsiness.

또한, 선택적으로 상기 방법은 상기 사용자의 집중력 정도가 소정의 임계치 이하이거나 졸음의 정도가 소정의 임계치 이상인 경우로 판단된 경우, 상기 사용자의 집중력 정도 또는 졸음의 정도에 대한 알림을 상기 사용자가 학습하는 기기로 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.Alternatively, the method may further include, when it is determined that the degree of concentration of the user is below a predetermined threshold value or the degree of drowsiness is equal to or greater than a predetermined threshold value, To the device.

상기 적어도 하나의 제 1 특징 값은 상기 전처리된 뇌파 신호의 평균 신호 세기 값, 상기 전처리된 뇌파 신호 세기의 표준 편차값, 상기 전처리된 뇌파 신호를 2차 미분하였을 때 부호변환점(zero crossing)의 개수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 제 2 특징 값은 상기 전처리된 심박수 신호의 피크 값과 그 다음 피크 값과의 간격과 관련된 값을 포함할 수 있다.Wherein the at least one first characteristic value includes at least one of an average signal intensity value of the preprocessed EEG signal, a standard deviation value of the preprocessed EEG signal intensity, a number of zero crossings when the preprocessed EEG signal is second- Or the like. The at least one second characteristic value may include a value related to a distance between a peak value of the preprocessed heart rate signal and a next peak value.

본 발명의 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 뇌파(EEG)와 심박수(PPG)를 동시에 복합형(Multimodal)으로 측정하여 졸음과 집중력을 정확하게 측정할 수 있다. The wearable device according to an embodiment of the present invention can accurately measure drowsiness and concentration by simultaneously measuring the EEG and the heart rate (PPG) in a multimodal manner.

또한, 본 발명에 따른 학습중인 사용자에게 졸음 및/또는 집중력의 정도를 피드백해 주기 위한 시스템은 사용자의 집중도가 떨어지기 쉬운 온라인 강의의 효율적인 참여 및 학습을 유도하고, 심박수 및 뇌파 측정으로 집중도, 졸음측정을 정량화함으로서 교사 또는 관리자가 온라인으로 학생들의 참여도를 객관적이고 정확하게 확인할 수 있다. 또한, 사용자들의 피드백을 받기 힘든 온라인 강의를 본 발명에 따른 시스템을 이용한다면 학습 효율을 높일 수 있다. In addition, the system for feeding back the degree of drowsiness and / or concentration to the user who is learning according to the present invention induces efficient participation and learning of the online lecture in which the concentration of the user is likely to be low, By quantifying the measurements, teachers or administrators can objectively and accurately check student participation on-line. Also, if the system according to the present invention is used for an on-line lecture in which it is difficult for users to receive feedback, the learning efficiency can be improved.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects obtained by the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description will be.

본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 뇌파 센서 시스템의 일 예로서 10-20 EEG 시스템를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 사용자의 졸음 및/또는 집중력을 측정하기 위한 웨어러블 디바이스의 구성을 블록도로 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)의 프로세서(230)가 뇌파 센서부(210) 및 심박수 센서부(220)로부터 수신한 데이터(Raw Data)에서 사용자의 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정하기 위해 수행하는 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 웨이블릿 모함수를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 프로세서(230)가 머신 러닝 알고리즘의 일 예로서 딥러닝 알고리즘의 분류기를 이용하여 졸음 및/또는 집중력 정도를 판단하는 방법을 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)의 일 예로서 예시한 도면이다.
도 7은 학습중인 사용자에게 졸음 및/또는 집중력의 정도를 피드백해 주기 위한 시스템(500)을 예시한 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The accompanying drawings, which are included to provide a further understanding of the invention and are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate embodiments of the invention and, together with the description, serve to explain the principles of the invention.
1 is a view showing a 10-20 EEG system as an example of an EEG sensor system.
2 is a block diagram illustrating the configuration of a wearable device for measuring the drowsiness and / or concentration of a user according to the present invention.
3 is a graph showing the degree of drowsiness and / or concentration of a user in data (raw data) received from the brain wave sensor unit 210 and the heart rate sensor unit 220 by the processor 230 of the wearable device 200 according to the present invention Fig. 2 is a diagram showing a method for performing measurement for measurement.
Fig. 4 is a diagram illustrating an exemplary number of wavelets. Fig.
5 is a diagram illustrating a method by which the processor 230 determines the degree of drowsiness and / or concentration of power using a classifier of a deep learning algorithm as an example of a machine learning algorithm.
6 is a diagram illustrating an example of the wearable device 200 according to the present invention.
FIG. 7 is an illustration of a system 500 for providing feedback to a learning user of the degree of drowsiness and / or concentration.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다. Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The following detailed description, together with the accompanying drawings, is intended to illustrate exemplary embodiments of the invention and is not intended to represent the only embodiments in which the invention may be practiced. The following detailed description includes specific details in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, those skilled in the art will appreciate that the present invention may be practiced without these specific details.

몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.In some instances, well-known structures and devices may be omitted or may be shown in block diagram form, centering on the core functionality of each structure and device, to avoid obscuring the concepts of the present invention. In the following description, the same components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

기존의 집중력을 측정하고 졸음을 예측하는 장치는 뇌파 정보에만 의존하였기 때문에 정확한 집중력 측정 및 졸음 측정(혹은 예측)이 불가능하였다. 학습 보조 기구 중 뇌파와 심박수를 동시에 측정하고 졸음을 예측하는 기기가 존재하지 않는다. 또한, 기존 제품은 학습 분야에서 집중도를 측정하거나 졸음을 예측하여 나타내기만 하고 피드백을 주지 않았다.  Since the conventional device for measuring concentration and predicting drowsiness relied solely on brain wave information, accurate concentration measurement and drowsiness measurement (or prediction) were impossible. There is no device that simultaneously measures brain waves and heart rate and predicts drowsiness among learning aids. In addition, existing products did not provide feedback or only measure concentration in the field of learning or prediction of drowsiness.

본 발명에서는 학습자의 학습 효과를 높이기 위한 방법으로서 학습자가 실제로 수업에 집중하며 참여할 때만 동영상이 재생되는 방식 등으로 효율적인 양방향 소통의 교육이 가능하도록 하여 학습 효과를 현저히 높일 수 있는 웨어러블 디바이스를 제안하고자 한다.The present invention proposes a wearable device capable of effectively teaching interactive communication by a method in which a learner actually plays a video only when the learner concentrates on the lecture and thereby plays a role of enhancing the learning effect of the learner .

본 발명에 따른 웨어러블 디바이스는 인체의 자율 및 중추 신경에 자극이 가해질 때 반응하는 운동세포의 활동의 지표를 측정하고, 인체의 자율 신경에 대한 평가의 지표를 세우고 또 이를 통해 학생들의 졸음과 집중력을 모니터링하고 관리하여 E러닝 수업을 수강하는 학생들과 강의자 간의 효율적인 양방향 소통의 교육이 가능하도록한다.The wearable device according to the present invention measures the index of the activity of the motor cell responding to the autonomic and central nerve stimulation of the human body, establishes the index of the evaluation of the human autonomic nerve, Monitoring and management of the e-learning classes, so as to enable efficient interactive communication between students and lecturers.

뇌파 센서(이하, 일 예로서 이하에서, electroencephalography (EEG) 센서로 지칭)는 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될 때 생기는 전기의 흐름을 측정한다. 뇌의 전기적 활동에 대한 신경생리학적 측정 방법에는 두피에 부착한 전극을 통해 기록하는 방법이 있다. An electroencephalographic sensor (hereinafter referred to, for example, as an electroencephalography (EEG) sensor) measures the flow of electricity generated when a signal is transmitted between neurons in the nervous system. Neurophysiological methods for electrical activity of the brain include recording through electrodes attached to the scalp.

도 1은 뇌파 센서 시스템의 일 예로서 10-20 EEG 시스템를 나타낸 도면이다.1 is a view showing a 10-20 EEG system as an example of an EEG sensor system.

EEG를 측정하기 위해서는 두피 위의 전극 위치가 필요한데, 그 측정 방법을 위한 시스템으로 10-20 EEG 시스템을 사용할 수 있다. 10-20 EEG 시스템은 도 1에 도시한 것과 같고 이름은 기술적(descriptive)으로 붙여진 것이다. "10-20"의 10과 20은 NASION(anterior)과 INION(posterior) 사이의 거리의 10%와 20%를 참고한 것이다. To measure the EEG, the electrode position on the scalp is needed, and a 10-20 EEG system can be used as the system for that measurement. The 10-20 EEG system is the same as shown in Figure 1 and the name is given descriptively. 10 and 20 of "10-20" refer to 10% and 20% of the distance between NASION (anterior) and INION (posterior).

도 1에서 표시한 채널 명칭에서 홀수는 항상 머리의 왼쪽 편의 전극위치를 말하며, 짝수는 머리의 오른쪽 편의 전극 위치를 말한다. "z"라는 글자는 NASION(Nz)와 INION(Iz)간의 중심 혹인 중앙선 사이의 어떤 점을 표시할 때 사용된다. F, C, P, O, T는 뇌 영역을 뜻하는 머리글자로서, F는 전두엽(Frontal), C는 중추신경(Central), P는 측두엽(Parietal), O는 후두엽(Occipital), T는 두정엽(Temporal)을 나타낸다.In the channel name shown in Fig. 1, the odd number always refers to the electrode position on the left side of the head, and the even number refers to the electrode position on the right side of the head. The letter "z" is used to indicate a point between the center line of the center line between NASION (Nz) and INION (Iz). F is the frontal, C is the central (central), P is the temporal (Parietal), O is the occipital (O), T is the occipital, Represents the temporal.

도 1에서 NASION은 이마 아래, 코 위에 있는 작은 notch를 말하고, INION은 목 위, 후두부(occiput) 기저의 작은 bump 혹은 융기를 말한다. 이 두 점의 거리는 줄자 등을 이용하여 측정할 수 있으며, 센티미터로 측정하는 것이 정확하고 전형적인 측정치는 36 센치미터이다. In FIG. 1, NASION refers to a small notch above the nose, below the forehead, and INION refers to a small bump or ridge at the neck, occiput base. The distance between these two points can be measured using a tape measure, etc., and it is accurate to measure in centimeters and a typical measurement is 36 centimeters.

NASION에서 이 거리의 10% 위가 FP1과 FP2라고 불리는 두 개의 prefrontal lobe site 간의 중간점이다. 또한, NASION과 INION 간 거리의 20%를 더 간 곳이 Fz이다. Fz에서 NASION과 INION이 20%를 더 움직이면 NASION과 INION의 중간 지점인 Cz이다. At NASION, 10% of this distance is the midpoint between the two prefrontal lobe sites called FP1 and FP2. Also, Fz is 20% of the distance between NASION and INION. NASION and INION move 20% more in Fz, which is the middle point between NASION and INION.

일반적으로 뇌파는 진동하는 주파수의 범위에 따라 인위적으로 델타 (δ)파(0.2 ~ 3.99 Hz), 쎄타(θ)파(4 ~ 7.99 Hz), 알파(α) 파(8 ~ 12.99 Hz), 베타 β파(13 ~ 29.99 Hz), 감마 g파(30~50 Hz)로 구분한다. In general, brain waves are artificially delta (δ) waves (0.2 to 3.99 Hz), theta waves (4 to 7.99 Hz), alpha waves (8 to 12.99 Hz) (13 to 29.99 Hz), and gamma-g waves (30 to 50 Hz).

델타파는 주로 정상인의 깊은 수면 시나 신생아의 경우 두드러지게 나타난다. 쎄타파는 정서 안정 또는 수면으로 이어지는 과정에서 주로 나타나는 파이며 기억력, 창의력, 집중력 등의 다양한 상태와 관련되어 있다. 알파파는 긴장이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나며, 안정되고 편안한 상태일수록 진폭이 증가한다. 베타파는 주로 전두부에서 많이 나타나며, 깨어 있을 때, 말할 때와 같이 모든 의식적인 활동을 할 때 나타난다. 특히 불안한 상태나 긴장시, 복잡한 계산처리 시에 우세하게 나타난다. 감마파는 베타파보다 더 빠르게 진동하는 형태로 정서적으로 더욱 초조한 상태이거나, 추리, 판단 등의 고도의 인지정보처리와 관련된다. Delta waves appear predominantly in the deep sleep of a normal person or in a newborn. Theta pa is a wave that occurs mainly in the process of emotional stability or sleep, and is related to various states of memory, creativity, and concentration. Alpha waves appear mainly in relaxed conditions, such as relaxation, and the amplitude increases with more stable and relaxed conditions. Beta waves appear predominantly in the frontal areas and appear when performing all conscious activities, such as when awake, when speaking. Especially in an unstable state or tension, it appears to be dominant in complex calculation processing. Gamma waves are more emotionally more irritated in the form of vibrating faster than the beta waves, or related to advanced cognitive information processing such as reasoning and judgment.

도 1에서는 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스의 뇌파 센서가 측정하는 뇌파 측정 채널을 예시하고 있다. 본 발명에서 사용되는 뇌파 채널은 바람직하게는 Fp1, A1, A2, Cz 총 4개가 사용될 수 있고, 뇌파 센서 중 EEG1은 Fp1 채널에서 졸음과 집중도를 측정하며, EEG 2는 Cz 채널 (EEG2) 에서 졸음을 측정한다. A1 채널은 REF (Reference)로 사용되며 A2 채널은 GND(Ground)로 사용된다.1 illustrates an EEG measurement channel measured by an EEG sensor of a wearable device according to the present invention. EEG1 measures the drowsiness and concentration in Fp1 channel, EEG2 measures the concentration in the Cz channel (EEG2), the sleepiness and the concentration in the brain, . A1 channel is used as REF (Reference) and A2 channel is used as GND (Ground).

다음으로, 심박수 센서의 일 예로서 PPG(Photoplethysmograph) 센서를 설명한다. PPG 센서는 광용 적맥파 센서라고 한다. 광용 적맥파 측정법 (Photoplethysmograph, PPG)은 생체 조직의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 활동 상태 혹은 심박수를 알 수 있는 맥파 측정 방법이다. 맥파는 혈액이 심장에서 파상하며 나타내는 맥동성 파형으로, 심장의 이완 수축 작용에 따라 나타나는 혈류량의 변화, 즉 혈관의 용적 변화를 통하여 측정 가능하다. 광용 적맥파 측정법은 빛을 이용하여 맥파를 측정하는 방법으로, 용적 변화시 나타나는 생체조직의 반사, 흡수 투과비 등의 광학적 특성의 변화를 광 센서에서 감지하여 측정하며, 이를 통해 맥박 측정이 가능하다. 이 방법은 비침습적인 맥박 측정이 가능하고 소형화, 사용편의성 등의 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있으며 웨어러블 (wearable) 디바이스에서 생체 신호 감지 센서로 사용될 수 있다. Next, a PPG (Photoplethysmograph) sensor will be described as an example of the heart rate sensor. The PPG sensor is called an optical pulse wave sensor. Photoplethysmograph (PPG) is a pulse wave measurement method that can measure heart rate activity or heart rate by measuring blood flow through blood vessels using the optical characteristics of living tissue. Pulse is a pulsating wave of blood that the blood swells in the heart. It can be measured by changing the blood flow, which is caused by the relaxation and contraction of the heart, that is, the volume change of the blood vessel. Pulsed pulse wave measurement is a method of measuring pulse waves using light. The optical sensor senses and measures changes in optical characteristics such as reflection, absorption and transmission ratios of the biomedical tissue when the volume changes, thereby enabling pulse measurement . This method is widely used because it has advantages such as non-invasive pulse measurement, miniaturization and ease of use, and can be used as a bio-signal detection sensor in a wearable device.

도 2는 본 발명에 따른 사용자의 졸음 및/또는 집중력을 측정하기 위한 웨어러블 디바이스의 구성을 블록도로 예시한 도면이다.2 is a block diagram illustrating the configuration of a wearable device for measuring the drowsiness and / or concentration of a user according to the present invention.

도 2를 참조하면, 사용자의 졸음 및/또는 집중력를 측정하기 위한 웨어러블 디바이스(200)는 뇌파 센서부(210), 심박수 센서부(220), 프로세서(230), 전원부(240) 및 통신부(250)를 포함할 수 있다.2, the wearable device 200 for measuring drowsiness and / or concentration of a user includes a brain wave sensor unit 210, a heart rate sensor unit 220, a processor 230, a power supply unit 240, and a communication unit 250, . ≪ / RTI >

뇌파 센서부(210)는 학습 중인 사용자의 생체 신호를 센싱하여 뇌파 신호에 대한 데이터를 추출 혹은 획득할 수 있다. 뇌파 센서부(210)는 인체의 생체 신호 센싱을 위해 적어도 두 개 이상의 전극(일 예로서, 본 발명은 2개의 전극으로 설명)을 포함할 수 있다. 뇌파 센서부(210)가 2개의 전극을 포함하는 경우, 뇌파 센서부(210)는 2개의 전극 중 제 1 전극 (EEG1)을 통해 Fp1 채널과 A1 채널 사이에서 변화되는 신호를 센싱하여 뇌파 신호를 추출할 수 있다(제 2 전극은 기준(reference) 전극일 수 있다). 뇌파 센서부(210)는 산출한 혹은 추출한 뇌파 신호에 대한 데이터 혹은 정보를 프로세서(230)로 전달할 수 있다. 이때, 뇌파 센서부(210)는 추출한 뇌파 신호에 대한 데이터를 디지털 신호의 데이터로 변환하여 프로세서(230)로 전달할 수 있다. 이와 같이, 뇌파 센서부(210)는 2개의 전극을 이용한 10-20 EEG 시스템에 기반하여 뇌파 신호를 측정할 수 있다.The brain-wave sensor unit 210 can sense or extract the bio-signal of the user under study and extract or acquire data on the brain-wave signal. The electroencephalogram sensor unit 210 may include at least two electrodes (for example, the present invention may be referred to as two electrodes) for sensing the body of a human body. In the case where the EEG sensor 210 includes two electrodes, the EEPROM 210 senses signals that change between the Fp1 channel and the A1 channel through the first electrode EEG1 of the two electrodes, (The second electrode may be a reference electrode). The brain wave sensor unit 210 may transmit data or information on the calculated or extracted brain wave signal to the processor 230. At this time, the brain-wave sensor unit 210 may convert the data of the extracted EEG signal into digital signal data and transmit the converted data to the processor 230. Thus, the brain-wave sensor unit 210 can measure an EEG signal based on a 10-20 EEG system using two electrodes.

뇌파 센서부(210)는 일 예로서 4bit ADC converter(ADS 1299)로 구현될 수 있다. 4bit ADC converter(ADS 1299)를 이용하면 실시간 변환 및 디지털 생체신호 모니터링이 가능해진다. 4bit ADC converter(ADS 1299)는 소형칩으로 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 적은 소음으로 깨끗한 신호를 얻어낼 수 있고, 저전력으로도 작동이 가능하기 때문에 장시간 사용이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 4bit ADC converter(ADS 1299)는 8채널 측정이 가능하므로 채널 사용이 여유롭고 24bit 해상도 까지 지원하기 때문에 더욱 세밀한 신호 작업이 가능하다.The EEG sensor unit 210 may be implemented as a 4-bit ADC converter (ADS 1299) as an example. The 4-bit ADC converter (ADS 1299) enables real-time conversion and digital bio-signal monitoring. The 4-bit ADC converter (ADS 1299) is a small chip that converts analog signals to digital signals, obtains clean signals with low noise, and can operate with low power, making it easy to use for a long time. In addition, the 4-bit ADC converter (ADS 1299) can measure 8 channels, so the channel is easy to use and supports up to 24bit resolution.

심박수 센서부(220)는 학습 중인 사용자의 생체 신호를 센싱하여 심박수 신호에 대한 데이터를 추출 혹은 획득할 수 있다. 심박수 센서부(220)는 추출 혹은 획득한 심박수 신호에 대한 데이터를 아날로그 신호의 형태로 프로세서(240)로 전달할 수 있다. 심박수 센서부(220)는 하나의 전극을 이용하여 심박수를 측정할 수 있다. 생체 신호는 인체의 움직임에 민감하므로, 움직임이 적은 상황에서 생체 신호를 측정하는 것이 중요하다. 본 발명의 경우에도 주로 사용자가 학습하는 상황과 같이 움직임이 적은 상황에서 생체 신호를 측정하지만, 그 중에서도 움직임이 적은 사용자의 이마(forehead)에서 센싱하는 것이 바람직할 수 있다. 심박수 센서부(220)는 하나의 전극을 포함할 수 있으며, 이 하나의 전극을 이마에 부착하여 심박수를 센싱할 수 있다. 심박수 센서부(220)는 forehead PPG 센서로도 불릴 수 있다. 일 예로서, 심박수 센서부(230)는 PPG에서 매 구간당 발생하는 Peak를 검출하여 실제 심박수를 산출할 수도 있다.The heart rate sensor unit 220 can sense or extract the bio-signal of the user during learning and extract or acquire data on the heart rate signal. The heart rate sensor unit 220 may transmit data on the extracted or obtained heart rate signal to the processor 240 in the form of an analog signal. The heart rate sensor unit 220 can measure the heart rate using one electrode. Since the biological signal is sensitive to the movement of the human body, it is important to measure the biological signal in a situation where the movement is small. In the case of the present invention, it is preferable to measure the bio-signal in a situation where the user is learning less, such as a situation where the user is learning, but it is preferable to sense the bio-signal in the forehead of the user with less motion. The heart rate sensor unit 220 may include one electrode, and one electrode may be attached to the forehead to sense the heart rate. The heart rate sensor unit 220 may also be referred to as a forehead PPG sensor. As an example, the heart rate sensor 230 may calculate the actual heart rate by detecting a peak occurring every interval in the PPG.

도 3은 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)의 프로세서(230)가 뇌파 센서부(210) 및 심박수 센서부(220)로부터 수신한 데이터(Raw Data)에서 사용자의 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정하기 위해 수행하는 방법을 도시한 도면이다.3 is a graph showing the degree of drowsiness and / or concentration of a user in data (raw data) received from the brain wave sensor unit 210 and the heart rate sensor unit 220 by the processor 230 of the wearable device 200 according to the present invention Fig. 2 is a diagram showing a method for performing measurement for measurement.

도 3을 참조하면, 프로세서(230)는 뇌파 센서부(210)로부터 수신한 뇌파 신호 데이터(Raw data)를 수신한다(S310). 프로세서(230)는 뇌파 신호 데이터(Raw data)에서 졸음과 집중력 측정에 사용될 소정의 주파수에 해당하는 주파수 성분을 추출하기 위한 전처리(prefiltering)를 수행할 수 있다(S320). 이때, 졸음과 집중력 정도의 산출에 사용될 소정의 주파수에 해당하는 주파수 성분 (일 예로서 1Hz 내지 50Hz 영역의 주파수 성분)일 수 있으며, 이 경우 최소 100Hz 이상의 샘플링 주파수를 사용한다. 인체로부터 취득할 수 있는 대부분의 생체 신호는 비선형(nonlinear), 비정상(nonstationary)적인 특징을 지니고 있다. 즉, 생체 신호의 세기와 주파수가 시간에 따라 변화하며, 뇌파의 경우 이와 같은 특성 때문에 고정된 기저 함수를 사용하는 기존의 푸리에 기반 주파수 분석 방법은 적합하지 않다. 이러한 비선형, 비정상적 신호의 주파수 분석을 위해 시주파수 분석(time frequency analysis) 방법을 사용한다. 프로세서(230)는 기존의 주파수 분석 방법에 시간 축을 추가하여 시간에 따른 주파수 성분의 변화를 관찰하고, 이 중 졸음 및/또는 집중력 측정/분석에 사용될 수 있는 주파수 영역 (3Hz부터 50Hz까지)에 해당하는 주파수 성분을 추출한다.Referring to FIG. 3, the processor 230 receives raw data (Raw data) received from the brain-wave sensor unit 210 (S310). The processor 230 may perform prefiltering to extract a frequency component corresponding to a predetermined frequency to be used for drowsiness and concentration measurement in Raw data (S320). At this time, it may be a frequency component (for example, a frequency component in the range of 1 Hz to 50 Hz) corresponding to a predetermined frequency to be used for calculating the degree of drowsiness and concentration, and in this case, a sampling frequency of at least 100 Hz is used. Most of the biological signals that can be acquired from the human body have nonlinear and nonstationary characteristics. That is, the intensity and frequency of the bio-signal changes with time, and in the case of brain waves, the conventional Fourier-based frequency analysis method using the fixed basis function is not suitable. For frequency analysis of such nonlinear and abnormal signals, time frequency analysis is used. The processor 230 adds a time axis to the existing frequency analysis method to observe a change in frequency component with time and corresponds to a frequency range (from 3 Hz to 50 Hz) that can be used for drowsiness and / or concentration measurement / analysis And extracts the frequency component.

이하에서 프로세서(230)가 뇌파 신호 데이터(Raw data)에 대한 전처리(prefiltering)하는 다양한 방법에 대해 간략히 설명한다. 구체적으로, 뇌파 데이터의 전처리 수행 방법으로 Short-Time Fourier Transform (STFT) 방법, Wavelet 방법 및 Multivariate Empirical Mode Decomposition (MEMD) 방법 등이 있다. STFT 방법은 신호를 여러 짧은 구간으로 나누어 푸리에 변환을 적용함으로써 시간에 따른 신호의 주파수 및 위상 정보의 변화를 관찰할 수 있는 푸리에 분석 방법이다. 신호를 짧은 구간으로 나누어 푸리에 변환을 적용할 시 각각의 구간에 하나의 푸리에 스펙트럼이 생성되는데, 일반적으로 이렇게 생성된 푸리에 스펙트럼들을 시간에 따른 스펙트럼의 변화로 나타낸다.Hereinafter, various methods of prefiltering the EEG signal data (raw data) will be briefly described. Specifically, there are a short-time Fourier transform (STFT) method, a wavelet method, and a multivariate empirical mode decomposition (MEMD) method as a method of performing pre-processing of brain wave data. The STFT method is a Fourier analysis method that can observe the change of the frequency and phase information of the signal over time by applying the Fourier transform to the signal divided into several short sections. When a signal is divided into a short section and a Fourier transform is applied, a single Fourier spectrum is generated in each section. Generally, the Fourier spectra thus generated are represented by a spectrum change over time.

웨이블릿은 신호의 시작 및 끝의 세기가 0인 함수를 나타내며, 웨이블릿 변환은 이와 같은 웨이블릿 함수를 기저로 사용하여 신호의 주파수 분석을 수행하는 것이다. 웨이블릿 함수는 모함수 (mother wavelet) 라 불리는 기본적인 함수로부터 재귀적으로 정의될 수 있는데, 모함수로는 도 4와 같은 Mexican-hat 함수가 많이 사용되나, 앞서 기술된 웨이블릿 함수의 정의를 만족한다는 전제하에 어떤 모함수를 사용하여도 무방하다. 웨이블릿 변환은 사인파를 기저로 사용하는 푸리에 분석에 비해 자유로운 모함수를 사용할 수 있는 장점을 지니고 있으며, 주로 오디오 및 이미지 처리 분야에서 신호의 시주파수 분석을 위해 주로 사용된다. STFT 방법과 웨이블릿 변환 방법을 각각 이용하여 뇌전도 신호를 시-주파수 분석 결과를 비교해 보면, STFT의 신호 세기가 Mu와 beta 영역 전체에 넓게 분산되어 나타나는 반면 웨이블릿은 상대적으로 신호 세기가 각 영역 중심에 집중되어 나타나 주파수 분석에 좀 더 용이하다는 장점이 있다. The wavelet represents a function whose start and end intensity of the signal is 0, and the wavelet transform performs the frequency analysis of the signal by using such a wavelet function as a basis. The wavelet function can be recursively defined from a basic function called a mother wavelet. The Mexican-hat function as shown in FIG. 4 is used as the number of the mother wavelet. However, assuming that the definition of the wavelet function described above is satisfied It is acceptable to use any number of masters. Wavelet transform has the advantage of using free number of moons as compared to Fourier analysis using sinusoidal wave basis. It is mainly used for analysis of signal frequency in audio and image processing fields. Comparing the time-frequency analysis results of the EEG signals using the STFT method and the wavelet transform method, the signal intensity of the STFT is widely dispersed throughout the Mu and beta regions, while the wavelet is relatively concentrated in each region And it is easier to analyze the frequency.

다음으로 MEMD 방법을 설명한다.Next, the MEMD method will be described.

EMD (Empirical Mode Decomposition) 방법은 비선형, 비정상적 바이오 신호의 효과적인 분석을 위해 푸리에 및 웨이블릿에서 사용하는 것과 같은 고정된 기저 함수를 이용하지 않고 데이터로부터 생성된 기저 함수를 사용해 (data-driven) 신호를 분석하는 기술이다. 사인파와 같은 고정된 기저를 사용하지 않고 데이터를 이용해 주파수 분석을 수행함으로써 주파수 스펙트럼의 신호 세기가 넓게 분산되어 나타나는 것을 막아 EMD의 각 주파수 성분(intrinsic mode function, IMF)의 신호 세기가 매우 좁은 주파수 영역에 집중되는 효과를 얻을 수 있다. The EMD (Empirical Mode Decomposition) method analyzes data-driven signals using data base derived from data without using fixed base functions such as those used in Fourier and wavelets for the effective analysis of nonlinear and abnormal biosignals. Technology. By performing frequency analysis using data without using a fixed base such as a sine wave, it is possible to prevent the signal intensity of the frequency spectrum from being dispersed widely so that the signal intensity of the intrinsic mode function (IMF) The effect can be obtained.

MEMD 방법은 복수의 채널을 사용하는 바이오 신호에 EMD를 적용하고자 할 때 사용되는 주파수 분석 방법이며, 각 채널에서 생성된 Intrinsic Mode Function (IMF)가 같은 주파수 영역을 공유하도록 설계된다. MEMD를 사용한 시주파수 분석 결과를 보면 STFT, 웨이블릿 기반 주파수 분석 방법이 Mu 및 Beta 영역의 주파수 성분 세기가 분산되어 있어 각 성분의 정확한 주파수를 확인하기 어려운 반면 MEMD의 경우 각 IMF의 세기가 매우 좁은 주파수 영역 내에 정의되어 있어 더욱 정확한 주파수 분석이 가능하고, Hilbert 변환과 같은 짧은 동안의(instantaneous) 주파수 분석에도 용이하게 사용될 수 있는 장점이 있다.The MEMD method is a frequency analysis method used to apply EMD to a bio signal using a plurality of channels, and the Intrinsic Mode Function (IMF) generated in each channel is designed to share the same frequency domain. In the results of frequency analysis using MEMD, it is difficult to confirm the exact frequency of each component because the frequency components of the Mu and Beta regions are dispersed in STFT and wavelet-based frequency analysis methods. In MEMD, however, The frequency analysis can be performed more precisely and it can be easily used for instantaneous frequency analysis such as Hilbert transform.

이와 같이, 프로세서(230)는 Short-Time Fourier Transform (STFT) 방법, Wavelet 방법, Multivariate Empirical Mode Decomposition (MEMD) 방법 등을 이용하여 디지털 신호에 해당하는 뇌파 데이터에 대해 전처리를 수행할 수 있다.As such, the processor 230 may perform pre-processing on brain wave data corresponding to a digital signal using a Short-Time Fourier Transform (STFT) method, a Wavelet method, or a Multivariate Empirical Mode Decomposition (MEMD) method.

이후, 프로세서(230)는 전처리된 뇌파 데이터로부터 졸음 정도 혹은 집중력의 산출에 사용할 적어도 하나 이상의 특징 값을 산출할 수 있다(S330). STFT, 웨이블릿 또는 MEMD 방법을 사용하여 전처리된 뇌파 데이터로부터 졸음 및 집중력 분석을 위해 사용되는 12가지 특징 값이 추출 혹은 산출되며, 각각의 특징 값은 다음과 같이 정의될 수 있다.Thereafter, the processor 230 may calculate at least one feature value to be used for calculating the degree of drowsiness or concentration of concentration from the preprocessed EEG data (S330). Twelve feature values used for drowsiness and concentration analysis are extracted or calculated from the pre-processed EEG data using STFT, wavelet or MEMD method, and each feature value can be defined as follows.

1. Mean: 뇌파 신호의 평균 신호 세기를 나타낸다.Mean: The mean signal intensity of EEG signals.

2. Standard deviation: 뇌파 신호 세기의 표준 편차를 나타낸다.2. Standard deviation: Standard deviation of EEG signal intensity.

3. Zero Crossing: 뇌파 신호를 2차 미분하였을 때 zero crossing의 개수를 나타낸다.3. Zero Crossing: indicates the number of zero crossings when the EEG signal is second-differentiated.

4. Kurtosis: 신호의 4차 모멘텀을 표준 편차의 제곱으로 정규화한 값으로, 신호 세기의 확률 분포의 peakedness를 판별하는 수치를 나타낸다.4. Kurtosis: The value obtained by normalizing the fourth order momentum of the signal to the square of the standard deviation, which indicates the peakedness of the probability distribution of the signal intensity.

5. Crest factor: 신호의 peak값의 비율. Kurtosis와 유사하며 신호의 Impluseness를 기술하는 특징값이다. 5. Crest factor: The ratio of the peak value of the signal. It is similar to Kurtosis and is a feature value that describes the signal's impulse response.

6. Power Spectrum Density: 뇌파 신호의 푸리에 변환을 통해 생성된 power spectrum density를 나타낸다.6. Power Spectrum Density: The power spectrum density generated by the Fourier transform of EEG signals.

7. Correlation: 뇌파 신호의 자기상관(auto-correlation)을 나타낸다.Correlation: It shows the auto-correlation of EEG signals.

8. Threshold Crossing: 1개의 Epoch에서 특정 임계(Threshold)를 넘는 필터링된 Raw Data의 개수를 나타낸다.8. Threshold Crossing: It shows the number of filtered raw data over a certain threshold in one Epoch.

9. Skewness: 뇌파 신호의 3차 모멘텀으로서, 신호 세기의 분포가 bias된 정도를 나타낸다.9. Skewness: The third momentum of the EEG signal, indicating the degree to which the distribution of signal strength is biased.

10. Entropy: 신호의 predictability를 측정한 것을 나타낸다.10. Entropy: Indicates the predictability of the signal.

11. Band Energy: 스트레스와 관련된 주파수 영역의 에너지를 나타낸다.11. Band energy: Represents energy in the frequency domain associated with stress.

12. Spectral Flux: 신호의 시주파수 분석 시 파워 스펙트럼(power spectrum)의 시간에 따른 변화율을 의미(PSD(t)/PSD(t-1))12. Spectral Flux: PSD (t) / PSD (t-1) means the rate of change of the power spectrum over time when analyzing the signal's frequency.

프로세서(230)는 상기 12가지의 산출된 특징 값들 중에서 적어도 하나 이상을 소정의 머신 러닝 알고리즘에 적용하여 학습 중인 사용자의 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정 혹은 산출할 수 있다(S340). 여기서, 일 예로서, 소정의 머신 러닝 알고리즘에는 랜덤 포레스트(random forest) 알고리즘, 랜덤 서브스페이스(random subspace) 알고리즘, 또는 배깅(bagging) 알고리즘 등이 있다. The processor 230 may measure or calculate the degree of drowsiness and / or concentration of the user under study by applying at least one of the twelve calculated feature values to a predetermined machine learning algorithm (S340). Here, as an example, a predetermined machine learning algorithm includes a random forest algorithm, a random subspace algorithm, or a bagging algorithm.

프로세서(230)는 전처리된 뇌파 데이터로부터 추출된 적어도 하나 이상의 특징 값을 머신 러닝(기계 학습) 알고리즘을 통해 분류하여 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정할 수 있다. 이하에서 상기 머신 러닝 알고리즘에 대해 간략히 설명한다.The processor 230 may classify at least one characteristic value extracted from the preprocessed EEG data through a machine learning (machine learning) algorithm to measure the degree of drowsiness and / or the degree of concentration. Hereinafter, the machine learning algorithm will be briefly described.

랜덤 서브스페이스(Random Subspace) 방식은 특징 값 공간의 부분공간을 랜덤하게 나누어 각각의 나누어진 부분공간으로부터 훈련된 다수의 분류기를 사용하며, 다수의 분류기를 통해 생성된 결과를 voting 또는 최대값을 사용해 최종 분류 결과를 생성해낸다. 랜덤 포레스트(Random Forest) 방식은 결정 트리 기반 알고리즘으로서, 랜덤하게 복원 추출된 특징값 샘플을 이용해 훈련된 다수의 결정 트리를 통해 Forest를 생성하고, 최종 분류 결과는 랜덤 서브스페이스 방법과 마찬가지로 다수의 결정 트리의 분류 결과를 취합하여 생성한다.The random subspace method randomly divides the subspace of the feature value space and uses a plurality of classifiers trained from each divided subspace. The result generated through the plurality of classifiers is used for voting or using the maximum value Generate final classification results. The random forest method is a decision tree-based algorithm. Forests are generated through a plurality of decision trees trained using randomly reconstructed extracted feature value samples. The final classification result is determined in a similar manner as in the random subspace method. The result of classification of the tree is collected and generated.

배깅(Bagging)은 Bootstrap aggregating의 약자로서, 여러 개의 weak classifier가 생성되고 최종 결정은 다수의 weak classifier의 분류 결과를 voting 등으로 취합하는 분류 방법을 뜻한다. 이와 같이 분류 결과를 취합함으로써, Bagging 알고리즘은 분류 결과의 안정성을 획득하고 overfitting을 예방하며 정확성 또한 높일 수 있다. Bagging is an abbreviation for bootstrap aggregating, which means that several weak classifiers are generated and the final decision is a sorting method that combines the classification results of many weak classifiers into voting. By combining the classification results in this manner, the bagging algorithm can obtain the stability of classification results, prevent overfitting, and improve accuracy.

분류 성능의 평가 및 과적합을 방지하기 위하여 n-fold 교차 검증방법 사용되며 성능 평가 기준으로는 정확도 (accuracy), 재현율 (recall), 정밀도 (precision) 및 ROC (receiver operating characteristic) 곡선의 넓이를 측정하는 AUC (area under ROC curve)를 사용할 수 있다.The n-fold crossover verification method is used to evaluate the classification performance and to avoid over sum. The performance evaluation criteria are the accuracy, recall, precision, and receiver operating characteristic (ROC) AUC (area under ROC curve) can be used.

다음으로, 프로세서(230)가 심박수 센서부(220)로부터 심박수 신호 데이터(Raw data)를 수신하고(S310), 프로세서(230)는 심박수 신호 데이터(Raw data)에서 졸음과 집중력 측정에 사용될 소정의 주파수에 해당하는 주파수 성분을 추출하기 위한 전처리(prefiltering)를 수행할 수 있다(S320). 이때, 프로세서(230)는 소정의 주파수에 해당하는 주파수 성분 (일 예로서 1Hz 내지 100Hz 영역의 주파수 성분)일 수 있으며, 이 경우 최소 200Hz 이상의 샘플링 주파수를 사용한다. 프로세서(230)는 전처리된 데이터로부터 아래와 같은 적어도 하나의 특징 값들은 추출할 수 있다(S330). Next, the processor 230 receives heart rate signal data (Raw data) from the heart rate sensor unit 220 (S310), and the processor 230 calculates a predetermined value of the heart rate signal data (Raw data) A prefiltering process for extracting a frequency component corresponding to a frequency may be performed (S320). At this time, the processor 230 may be a frequency component corresponding to a predetermined frequency (for example, a frequency component in a range of 1 Hz to 100 Hz), and in this case, a sampling frequency of at least 200 Hz is used. The processor 230 may extract at least one of the following characteristic values from the preprocessed data (S330).

1. 측정한 PPG 신호의 Peak값 (PPG의 Peak와 ECG의 R파형은 깊은 연관을 가지고 있다)1. Peak value of the measured PPG signal (Peak of PPG and R waveform of ECG are deeply related)

2. 상기 측정된 PPG 신호의 피크 값 데이터를 일정한 시간 (window)로 나눈 신호2. A signal obtained by dividing peak value data of the measured PPG signal by a predetermined window

3. PPG 신호의 피크 값들로부터 아래와 같은 특징 값들을 구한다(NN interval이란 PPG 신호의 피크 점과 그 다음 피크 점의 간격이다)3. Obtain the following characteristic values from the peak values of the PPG signal (NN interval is the interval between the peak point of the PPG signal and the next peak point)

(1) meanNN : NN Interval의 기대값(1) meanNN: expected value of NN Interval

(2) SDNN : NN interval의 표준 편차(2) SDNN: standard deviation of NN interval

(3) SDSD : NN Interval의 차분값 (difference)에 대한 표준 편차(3) SDSD: Standard deviation of the difference of NN Interval

(4) NNx_Count : NN intervals 로 유도된 값(mean number of times an hour in which the change in successive normal sinus (NN) intervals exceeds x ms) x의 값으로 10, 20, 30, 40, 50을 테스트함(4) NNx_Count: Tested 10, 20, 30, 40, 50 as the value of x, which is derived from intervals (NN)

(5) pNNx : Percentage of absolute differences in successive NN values > x (ms) x의 값으로 10, 20, 30, 40, 50을 테스트함 (5) pNNx: Percentage of absolute differences in successive NN values> x (ms) Test 10, 20, 30, 40,

(6) TF : NN interval의 PSD에서 TF (total frequency)대역 (0.14-0.4Hz)의 Power(6) TF: power of the TF (total frequency) band (0.14-0.4 Hz) at the NN interval PSD

(7) VLF : VLF (very low frequency) 대역(0-0.04Hz)의 Power(7) VLF: Power of VLF (very low frequency) band (0-0.04Hz)

(8) LF : LF (low frequency) 대역(0.04-0.15Hz)의 Power(8) LF: Power of LF (low frequency) band (0.04-0.15Hz)

(9) HF : HF (high frequency) 대역(0.15-0.4Hz)의 Power(9) HF: Power of HF (high frequency) band (0.15-0.4Hz)

(10) LFn : LF+HF 대역 (0.04-0.4Hz)에 대한 LF대역의 비율(10) LFn: the ratio of the LF band to the LF + HF band (0.04 to 0.4 Hz)

(11) HFn : LF+HF 대역 (0.04-0.4Hz)에 대한 HF대역의 비율(11) HFn: ratio of HF band to LF + HF band (0.04-0.4 Hz)

(12) LFHF : HF대역에 대한 LF대역의 비율(12) LFHF: ratio of LF band to HF band

프로세서(230)는 심박수 센서부(220)으로부터 수신한 심박수 데이터로부터 산출한 상기 12가지 특징 값에 해당하는 상기 1, 2, 3의 값을 소정의 머신 러닝 알고리즘에 대입하여 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정할 수 있다(S340).The processor 230 substitutes the values of 1, 2, and 3 corresponding to the twelve characteristic values calculated from the heart rate data received from the heart rate sensor 220 into a predetermined machine learning algorithm to calculate the degree of drowsiness and / (S340).

프로세서(230)는 뇌파 센서부(210)로부터 수신한 뇌파 신호의 데이터 뿐만 아니라 심박수 센서부(220)로부터 수신한 심박수 신호의 데이터를 이용하여 각각 전처리 과정을 수행한 후 각각 특징 값들을 추출하고, 이들 뇌파 신호 및 심박수 신호의 특징 값들을 이용하여 소정의 머신 러닝 알고리즘을 통해 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 측정할 수 있다.The processor 230 performs preprocessing using the data of the EEG signals received from the EEG sensor 210 as well as the data of the heart rate signal received from the heart rate sensor 220, Using the characteristic values of the EEG signal and the heart rate signal, the degree of drowsiness and / or the degree of concentration can be measured through a predetermined machine learning algorithm.

도 5는 프로세서(230)가 머신 러닝 알고리즘의 일 예로서 딥러닝 알고리즘의 분류기를 이용하여 졸음 및/또는 집중력 정도를 판단하는 방법을 예시한 도면이다.5 is a diagram illustrating a method by which the processor 230 determines the degree of drowsiness and / or concentration of power using a classifier of a deep learning algorithm as an example of a machine learning algorithm.

뇌파 센서부(210)로부터 수신한 데이터에 해당하는 Raw 데이터 자체 또는 Raw 데이터로부터 산출한 특징값들과 심박수 센서부(220)로부터 수신한 데이터에 해당하는 Raw 데이터 자체 또는 Raw 데이터로부터 산출한 특징 값들은 모두 동시에 도 5에 도시한 딥러닝 알고리즘의 입력 단(input layer)로 입력된다. Label 정보는 출력단(output layer)로 주어진다. 딥러닝 알고리즘의 각 층(layer)의 가중치(weight) 들은 restricted Boltzman machine 또는 convolutional neural network, recurrent neural network 등의 알고리즘을 이용해서 입력되는 학습 데이터에 따라 지속적으로 업데이트될 수 있다. The feature values calculated from the raw data itself or the raw data corresponding to the data received from the brain wave sensor unit 210 and the feature values calculated from the raw data itself or the raw data corresponding to the data received from the heart rate sensor unit 220 Are input to the input layer of the deep learning algorithm shown in FIG. 5 at the same time. Label information is given to the output layer. The weights of each layer of the deep learning algorithm can be continuously updated according to learning data input using an algorithm such as a restricted Boltzman machine or a convolutional neural network or a recurrent neural network.

프로세서(230)는 입력 데이터에 따라 최종적으로 학습이 된 딥러닝 분류기를 이용하여 뇌파 센서부(210)와 심박수 센서부(220)로부터 새로운 테스트 데이터가 들어오면 이미 업데이트가 된 파라미터를 이용하여 학습중인 사용자의 현재의 상태가 졸음 상태인지 집중력이 떨어져있는 상태인지를 판단할 수 있게 된다. When the new test data is received from the brain-wave sensor unit 210 and the heart-rate sensor unit 220 using the deep learning classifier that has been finally learned according to the input data, the processor 230 It is possible to determine whether the current state of the user is in a drowsy state or in a state of low concentration.

이와 같이, 프로세서(230)는 뇌파 센서부(210)와 심박수 센서부(220)로부터 수신한 데이터들에 대해 특징값 들을 각각 산출하고, 이러한 특징 값들을 소정의 머신 러닝 알고리즘에 적용하여 사용자의 졸음 정도 혹은 집중력 정도를 측정할 수 있다.As described above, the processor 230 calculates feature values for data received from the brain-wave sensor unit 210 and the heart rate sensor unit 220, applies the feature values to a predetermined machine learning algorithm, And the degree of concentration or concentration can be measured.

프로세서(230)가 사용자의 졸음 정도 및/또는 집중력 정도를 판단하기 위한 일 예로서, 사전에 확보해 둔 졸음 실험 데이터를 이용할 수도 있다. 예를 들어, 최소 10명 이상의 실험군을 대상으로 뇌파 센서부(210) 및 심박수 센서부(220)가 PPG, EEG 측정을 진행하여 졸음이 발생하였을 때의 특정한 뇌파 신호 및 심박수에 대한 정보를 졸음 실험 데이터로 기록해 두고, 프로세서(230)가 사용자의 졸음 정도를 판단할 때 사전에 정의해 둔 졸음 실험 데이터에 기초하여 판단할 수 있다.As an example for determining the degree of drowsiness and / or concentration of the user of the processor 230, drowsiness experiment data previously secured may be used. For example, when at least 10 experimental groups are performing the PPG and EEG measurements by the EEG sensor 210 and the heart rate sensor 220, information on specific EEG signals and heart rate when sleepiness occurs is shown as a sleepiness test Data can be recorded, and the processor 230 can judge based on the drowsiness test data defined beforehand when it judges the degree of drowsiness of the user.

사전에 일 예로서 10명 이상의 실험군 데이터를 머신러닝 알고리즘을 이용하여 졸음 및 집중력 관련 PPG 및 EEG 신호의 특이점을 찾고, 졸음, 집중력 정도를 정량화되어 있을 수 있는데, 프로세서(230)는 사전에 정의된 정량화된 졸음, 집중력 정도에 대한 정보와 측정된 뇌파 신호 및 심박수 신호에 대한 정보에 기초하여 졸음 및/혹은 집중력 정도를 판단할 수 있다.As an example, 10 or more experimental group data may be used to find out the singularities of the drowsiness and concentration-related PPG and EEG signals using a machine learning algorithm, and the degree of drowsiness and concentration may be quantified, The degree of drowsiness and / or concentration can be determined based on quantitative drowsiness, concentration information, and information on measured EEG signals and heart rate signals.

전원부(240)는 충전회로를 통해 웨어러블 디바이스(200)에 전원을 공급할 수 있다. 통신부(250)는 다른 디바이스와 신호를 송수신하기 위한 구성요소이다. 일 예로서, 통신부(250)는 다른 무선 통신 장치와 근거리에서 블루투스 방식으로 통신을 가능하게 하기 위한 블루투스 기기(250)일 수도 있다. The power supply unit 240 can supply power to the wearable device 200 through the charging circuit. The communication unit 250 is a component for transmitting and receiving signals with other devices. As an example, the communication unit 250 may be a Bluetooth device 250 for enabling communication with other wireless communication devices in a Bluetooth manner at a short distance.

도 6은 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)의 일 예로서 예시한 도면이다.6 is a diagram illustrating an example of the wearable device 200 according to the present invention.

웨어러블 디바이스(200)의 일 예로서 학습중인 사용자가 사용할 수 있는 헤드셋 장치가 있다. 헤드 셋 장치는 웨어러블 디바이스에 포함된 구성 요소와 마찬가지로 뇌파 센서부(제 1 전극(213) 및 제 2 전극(215)) 및 심박수 센서부(하나의 전극(220))을 포함할 수 있다. 그리고, 도 6에 도시한 바와 같이 헤드 셋 장치는 프로세서(230), 전원부(power supply)(240) 및 통신부의 일 예로서 블루투스 장치(250)를 더 포함할 수 있다. 헤드 셋 장치는 심박수 센서부(하나의 전극(220))가 심박수를 산출하기 위해 이마에 전극(220)을 부착시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 도 6에 도시한 헤드셋 장치는 도 2에 도시한 웨어러블 디바이스의 일 예로서 동일한 기능을 수행할 수 있다.As an example of the wearable device 200, there is a headset device that can be used by a user who is learning. The headset device may include an EEG sensor part (a first electrode 213 and a second electrode 215) and a heart rate sensor part (one electrode 220) in the same manner as the components included in the wearable device. 6, the head set device may further include a processor 230, a power supply 240, and a Bluetooth device 250 as an example of a communication unit. The headset device can be configured such that the heart rate sensor portion (one electrode 220) can attach the electrode 220 to the forehead to calculate the heart rate. The headset device shown in Fig. 6 can perform the same function as an example of the wearable device shown in Fig.

도 7은 학습중인 사용자에게 졸음 및/또는 집중력의 정도를 피드백해 주기 위한 시스템(500)을 예시한 도면이다.FIG. 7 is an illustration of a system 500 for providing feedback to a learning user of the degree of drowsiness and / or concentration.

도 7을 참조하면, 시스템(500)은 본 발명에 따른 사용자(300) 및 사용자가 학습을 위해 이용하는 기기(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 7, the system 500 may include a user 300 according to the present invention and a device 400 that a user may use for learning.

웨어러블 디바이스(200)는 자극 발생 장치(260)를 더 포함할 수도 있다. 웨어러블 디바이스(200)의 프로세서(230)는 사용자(300)의 졸음 및/또는 집중력의 정도를 측정하여, 만약 사용자(300)가 졸거나 혹은 집중력의 정도가 사전에 정의한 임계치 이하로 낮아지는 경우, 이에 대한 알림을 사용자(300)가 학습을 위해 이용하는 기기(400)로 전달해 줄 수 있다. 또는, 프로세서(230)는 상기 알림을 자극 발생 장치(260)로 전달하여, 자극 발생 장치(260)에서 사용자(300)가 학습을 위해 이용하는 기기(400)로 전달할 수도 있다. The wearable device 200 may further include a stimulus generator 260. [ The processor 230 of the wearable device 200 measures the degree of drowsiness and / or concentration of the user 300 and if the user 300 sleeps or the degree of concentration decreases below a predefined threshold, And notify the user of the notification to the device 400 used by the user 300 for learning. Alternatively, the processor 230 may forward the notification to the stimulus generator 260 and forward the stimulus generator 260 to the device 400 that the user 300 uses for learning.

사용자(300)가 학습을 위해 이용하는 기기(400)는 프로세서(230) 혹은 자극 발생 장치(260)로부터 사용자(300)가 졸고 있거나 집중력이 낮아졌다는 알림을 수신하면, 현재 재생 중인 학습 중인 온라인 강의를 멈추고, 다시 졸음을 깨고 집중을 하는 상태이면 다시 플레이되도록 제어할 수 있다. 또는, 사용자(300)가 학습을 위해 이용하는 기기(400)는 사용자(300)가 졸음을 깨고 강의에 집중하기 위해 컴퓨터 화면을 밝게 한다던지 소리의 크기를 조절하는 등의 매체의 변화를 주어 사용자(300)에게 피드백을 제공할 수 있다. When the user 300 is notified from the processor 230 or the stimulus generator 260 that the user 300 is sleeping or the concentration of the user is low, the device 400 that the user 300 uses for the learning Stopping the drowsiness and controlling the player to play again in a state of concentrating. Alternatively, the device 400 used by the user 300 for learning may allow the user 300 to change the medium, such as brightening the computer screen or adjusting the size of the sound, in order to break the drowsiness and concentrate on the lecture, 300). ≪ / RTI >

또한, 웨어러블 디바이스(200)의 자극 발생 장치(260)는 프로세서(230)로부터 사용자(300)가 졸거나 혹은 집중력의 정도가 사전에 정의한 임계치 이하로 낮아지는 경우임을 알리는 알림을 수신하면 진동 등의 자극을 발생시켜 사용자(300)에게 피드백을 줄 수도 있다.The stimulus generator 260 of the wearable device 200 receives a notification from the processor 230 indicating that the user 300 is sleeping or the degree of concentration is lowered below a predefined threshold, Stimulation may be generated and feedback may be given to the user 300.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)는 뇌파(EEG)와 심박수(PPG)를 동시에 복합형(Multimodal)으로 측정하여 졸음과 집중력을 정량적으로 측정할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200)의 일 예에 해당하는 헤드셋 장치는 움직임이 적은 상태를 측정하기 때문에 움직임에 민감한 생체신호를 높은 정확도로 측정할 수 있다. As described above, the wearable device 200 according to the present invention can quantitatively measure drowsiness and concentration by simultaneously measuring the EEG and the heart rate (PPG) in a multimodal manner. In addition, since the headset device according to an exemplary embodiment of the wearable device 200 according to the present invention measures less motion, it is possible to measure motion sensitive living body signals with high accuracy.

또한, 본 발명에 따른 학습중인 사용자에게 졸음 및/또는 집중력의 정도를 피드백해 주기 위한 시스템(500)은 사용자의 집중도가 떨어지기 쉬운 온라인 강의의 효율적인 참여 및 학습을 유도하고, 심박수 및 뇌파 측정으로 집중도, 졸음측정을 정량화함으로서 교사 또는 관리자가 온라인으로 학생들의 참여도를 객관적이고 정확하게 확인할 수 있다. 또한, 사용자들의 피드백을 받기힘든 온라인 강의를 본 발명에 따른 시스템(500)을 이용한다면 온라인 학습효율을 높일 수 있다. In addition, the system 500 for feedbacking the degree of drowsiness and / or concentration to the user in learning according to the present invention induces efficient participation and learning of the online lecture, By quantifying concentration and drowsiness measurements, teachers or administrators can objectively and accurately check student participation on-line. In addition, if the system 500 according to the present invention is used for an on-line lecture in which it is difficult for users to receive feedback, online learning efficiency can be enhanced.

이러한 본 발명에 따른 웨어러블 디바이스(200) 및 시스템(500)은 사용자 집중력 및 졸음을 정량적으로 측정하여 사용자에게 피드백을 줌으로써 사용자 혹은 학습자의 학업 성취도를 극대화하게 된다.The wearable device 200 and the system 500 according to the present invention quantitatively measure user concentration and drowsiness and provide feedback to the user, thereby maximizing the academic achievement of the user or the learner.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.The embodiments described above are those in which the elements and features of the present invention are combined in a predetermined form. Each component or feature shall be considered optional unless otherwise expressly stated. Each component or feature may be implemented in a form that is not combined with other components or features. It is also possible to construct embodiments of the present invention by combining some of the elements and / or features. The order of the operations described in the embodiments of the present invention may be changed. Some configurations or features of certain embodiments may be included in other embodiments, or may be replaced with corresponding configurations or features of other embodiments. It is clear that the claims that are not expressly cited in the claims may be combined to form an embodiment or be included in a new claim by an amendment after the application.

본 발명은 본 발명의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in other specific forms without departing from the essential characteristics thereof. Accordingly, the above description should not be construed in a limiting sense in all respects and should be considered illustrative. The scope of the present invention should be determined by rational interpretation of the appended claims, and all changes within the scope of equivalents of the present invention are included in the scope of the present invention.

Claims (25)

사용자의 생체 신호를 센싱하여 뇌파 신호와 관련된 제 1 데이터를 획득하는 제 1 센서부;
상기 사용자의 생체 신호를 센싱하여 심박수 신호와 관련된 제 2 데이터를 획득하는 제 2 센서부; 및
상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터를 이용하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도를 측정하는 프로세서를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
A first sensor unit sensing a user's bio-signal to acquire first data related to an EEG signal;
A second sensor unit for sensing the user's bio-signal to acquire second data related to a heart rate signal; And
And a processor for measuring the degree of concentration or drowsiness of the user using the first data and the second data.
제 1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터에 대한 전처리(prefiltering)를 수행하고,
상기 전처리된 제 1 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 1 특징 값과 상기 전처리된 제 2 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 2 특징 값을 산출하고,
상기 산출된 적어도 하나의 제 1 특징 값 및 상기 산출된 적어도 하나의 제 2 특징 값에 기초하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 측정하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
The processor comprising:
Performing prefiltering on the first data and the second data,
Calculating at least one first characteristic value for calculating the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user from the preprocessed first data and a degree of concentration or drowsiness of the user from the preprocessed second data; Calculating at least one second characteristic value,
And measures the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user based on the calculated at least one first feature value and the calculated at least one second feature value.
제 1항에 있어서,
상기 프로세서는,
상기 제 1 데이터로부터 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하기 위한 전처리(prefiltering)를 수행하고,
상기 제 2 데이터로부터 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하기 위한 전처리를 수행하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
The processor comprising:
Performing prefiltering for extracting a signal corresponding to a predetermined first frequency component from the first data,
And performs a pre-processing for extracting a signal corresponding to a predetermined second frequency component from the second data.
제 3항에 있어서,
상기 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호는 1Hz 부터 50Hz까지에 해당하는 신호인, 웨어러블 디바이스.
The method of claim 3,
Wherein the signal corresponding to the predetermined first frequency component is a signal corresponding to 1 Hz to 50 Hz.
제 3항에 있어서,
상기 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호는 1Hz 부터 100Hz까지에 해당하는 신호인, 웨어러블 디바이스.
The method of claim 3,
Wherein the signal corresponding to the predetermined second frequency component is a signal corresponding to 1 Hz to 100 Hz.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 센서부는 2개의 전극을 포함하며,
상기 제 1 센서부는 제 1 전극을 통해 Fp1 채널과 A1 채널 사이에서 변화되는 신호를 센싱하여 상기 뇌파 신호를 추출하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
The first sensor unit includes two electrodes,
Wherein the first sensor unit senses a signal changed between the Fp1 channel and the A1 channel through the first electrode to extract the EEG signal.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 센서부는 상기 추출된 뇌파 신호를 디지털 신호로 변환하며,
상기 제 1 데이터는 상기 변환된 디지털 뇌파 신호를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
The first sensor unit converts the extracted EEG signal into a digital signal,
Wherein the first data comprises the converted digital brain wave signal.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 센서부는 하나의 전극을 포함하며,
상기 하나의 전극은 상기 사용자의 이마에 부착될 수 있도록 상기 웨어러블 디바이스에 배치되는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
Wherein the second sensor unit includes one electrode,
Wherein the one electrode is disposed on the wearable device such that it can be attached to the wearer's forehead.
제 1항에 있어서,
상기 제 1 센서부는 Electroencephalography (EEG) 센서를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
Wherein the first sensor unit comprises an Electroencephalography (EEG) sensor.
제 1항에 있어서,
상기 제 2 센서부는 PPGPhotoplethysmograph (PPG) 센서를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
Wherein the second sensor unit comprises a PPG photoplethysmograph (PPG) sensor.
제 1항에 있어서,
상기 측정된 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도에 기초하여 상기 사용자에게 피드백을 주기 위한 자극을 발생시키는 자극 발생 장치를 더 포함하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
And a stimulation generating device for generating stimulation for giving feedback to the user based on the measured degree of concentration of the user or degree of drowsiness.
제 1항 또는 제 11항에 있어서,
상기 프로세서가 상기 사용자의 집중력 정도가 소정의 임계치 이하이거나 졸음의 정도가 소정의 임계치 이상인 경우로 판단한 경우, 상기 사용자의 집중력 정도 또는 졸음의 정도에 대한 알림을 상기 사용자가 학습하는 기기로 전달하는 통신부를 더 포함하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1 or 11,
The processor transmits a notification of the degree of concentration of the user or the degree of drowsiness to a device that the user learns when the degree of concentration of the user is less than a predetermined threshold value or the degree of drowsiness is equal to or greater than a predetermined threshold value The wearable device.
제 2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 특징 값은 상기 전처리된 뇌파 신호의 평균 신호 세기 값, 상기 전처리된 뇌파 신호 세기의 표준 편차값, 상기 전처리된 뇌파 신호를 2차 미분하였을 때 부호변환점(zero crossing)의 개수 중 적어도 하나를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
3. The method of claim 2,
Wherein the at least one first characteristic value includes at least one of an average signal intensity value of the preprocessed EEG signal, a standard deviation value of the preprocessed EEG signal intensity, a number of zero crossings when the preprocessed EEG signal is second- The wearable device comprising:
제 2항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 2 특징 값은 상기 전처리된 심박수 신호의 피크 값과 그 다음 피크 값과의 간격과 관련된 값을 포함하는, 웨어러블 디바이스.
3. The method of claim 2,
Wherein the at least one second characteristic value comprises a value related to a distance between a peak value of the preprocessed heart rate signal and a next peak value.
제 1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 제 2 센서부로부터 획득한 제 2 데이터를 디지털 신호로 변환하여 전처리를 수행하는, 웨어러블 디바이스.
The method according to claim 1,
Wherein the processor converts the second data acquired from the second sensor unit into a digital signal to perform preprocessing.
웨어러블 디바이스가 사용자의 졸음의 정도 혹은 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법에 있어서,
사용자의 생체 신호를 센싱하여 뇌파 신호와 관련된 제 1 데이터를 획득하는 단계;
상기 사용자의 생체 신호를 센싱하여 심박수 신호와 관련된 제 2 데이터를 획득하는 단계; 및
상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터를 이용하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도를 측정하는 단계를 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
A wearable device for measuring the degree of drowsiness or concentration of a user,
Sensing a user's bio-signal to obtain first data related to an EEG signal;
Sensing biometric signals of the user to obtain second data related to a heart rate signal; And
Measuring a degree of concentration or a degree of drowsiness of the user using the first data and the second data; and measuring the degree of drowsiness or concentration of the user.
제 16항에 있어서,
상기 측정 단계는,
상기 제 1 데이터 및 상기 제 2 데이터에 대한 전처리(prefiltering)를 수행하는 단계;
상기 전처리된 제 1 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 1 특징 값과 상기 전처리된 제 2 데이터로부터 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 산출하기 위한 적어도 하나의 제 2 특징 값을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 적어도 하나의 제 1 특징 값 및 상기 산출된 적어도 하나의 제 2 특징 값에 기초하여 상기 사용자의 집중력 정도 혹은 상기 졸음의 정도를 측정하는 단계를 더 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the measuring step comprises:
Performing prefiltering on the first data and the second data;
Calculating at least one first feature value for calculating the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user from the preprocessed first data and a degree of concentration or drowsiness of the user from the preprocessed second data; Calculating at least one second characteristic value; And
And measuring the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user based on the calculated at least one first feature value and the calculated at least one second feature value, / RTI >
제 17항에 있어서,
상기 전처리를 수행하는 단계는 상기 제 1 데이터로부터 소정의 제 1 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하고 상기 제 2 데이터로부터 소정의 제 2 주파수 성분에 해당하는 신호를 추출하는 단계를 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
18. The method of claim 17,
The pre-processing may include extracting a signal corresponding to a predetermined first frequency component from the first data and extracting a signal corresponding to a predetermined second frequency component from the second data. A method for measuring the degree of drowsiness or concentration.
제 16항에 있어서,
상기 제 1 데이터를 획득하는 단계는 Fp1 채널 및 A1 채널에서 상기 뇌파 신호를 추출하는 단계를 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the acquiring of the first data comprises extracting the EEG signal in the Fp1 channel and the A1 channel.
제 16항에 있어서,
상기 제 2 데이터를 획득하는 단계는 상기 사용자의 이마에 부착된 전극을 통해 상기 심박수 신호를 추출하는 단계를 더 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the step of acquiring the second data further comprises extracting the heart rate signal via an electrode attached to the forehead of the user.
제 16항에 있어서,
상기 측정된 사용자의 집중력 정도 혹은 졸음의 정도에 기초하여 상기 사용자에게 피드백을 주기 위한 자극을 발생시키는 단계를 더 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
17. The method of claim 16,
And generating a stimulus for giving feedback to the user based on the measured degree of concentration or degree of drowsiness of the user.
제 16항에 있어서,
상기 사용자의 집중력 정도가 소정의 임계치 이하이거나 졸음의 정도가 소정의 임계치 이상인 경우로 판단된 경우, 상기 사용자의 집중력 정도 또는 졸음의 정도에 대한 알림을 상기 사용자가 학습하는 기기로 전달하는 단계를 더 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
17. The method of claim 16,
When the degree of concentration of the user is less than or equal to a predetermined threshold value or when the degree of drowsiness is determined to be equal to or greater than a predetermined threshold value, the step of notifying the user about the degree of concentration or the degree of drowsiness of the user A method for measuring the degree of drowsiness or concentration of a user.
제 17항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 1 특징 값은 상기 전처리된 뇌파 신호의 평균 신호 세기 값, 상기 전처리된 뇌파 신호 세기의 표준 편차값, 상기 전처리된 뇌파 신호를 2차 미분하였을 때 부호변환점(zero crossing)의 개수 중 적어도 하나를 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the at least one first characteristic value includes at least one of an average signal intensity value of the preprocessed EEG signal, a standard deviation value of the preprocessed EEG signal intensity, a number of zero crossings when the preprocessed EEG signal is second- The degree of drowsiness or the degree of concentration of the user.
제 17항에 있어서,
상기 적어도 하나의 제 2 특징 값은 상기 전처리된 심박수 신호의 피크 값과 그 다음 피크 값과의 간격과 관련된 값을 포함하는, 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하기 위한 방법.
18. The method of claim 17,
Wherein the at least one second feature value comprises a value related to a distance between a peak value of the preprocessed heart rate signal and a next peak value.
제 16항 내지 제 24항 중 어느 한 항에 기재된 사용자의 졸음의 정도 또는 집중력의 정도를 측정하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for causing a computer to execute a method of measuring the degree of drowsiness or degree of concentration of a user according to any one of claims 16 to 24.
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