KR20190050094A - 뇌-컴퓨터 인터페이스를 제어하기 위한 피드백 시스템 - Google Patents

뇌-컴퓨터 인터페이스를 제어하기 위한 피드백 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템은, 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하는 자극부; 상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 뇌파 검출부; 상기 검출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부장치를 제어하는 외부장치 제어부; 및 상기 뇌파 검출부가 실시간으로 모니터링 하는 동안 상기 특정한 뇌파의 파라미터가 변동되는지 여부를 판단하고, 상기 파라미터가 변동되었다면 이에 대응되는 피드백 신호를 상기 자극부에 전송하는 자극 제어부를 포함한다. 이에 의하면, 사용자의 뇌파를 검출하여 장치 인터페이스를 제어하는 동시에, 뇌파의 파라미터가 변동되는 경우 이에 대응되는 피드백 신호를 생성함으로써 사용자의 뇌파와 관련된 특정 파라미터가 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 구체적으로, 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간이나, 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수 색깔 등의 자극 파라미터를 변동시킴으로써, 사용자가 의도했던 특정한 뇌파를 다시 유도하여 BCI 시스템의 인식률을 향상시키고, 사용자의 의도대로 외부 장치를 제어할 수 있도록 한다.

Description

뇌-컴퓨터 인터페이스를 제어하기 위한 피드백 시스템{FEEDBACK SYSTEM FOR CONTROLLING BRAIN-COMPUTER INTERFACE}
본 발명은 뇌파를 이용하여 뇌-컴퓨터 인터페이스를 제어하기 위한 피드백 시스템으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 뇌파를 검출하여 장치 인터페이스를 제어할 때, 반복적 피드백과 동작으로 인하여 뇌파의 파라미터가 변동되는 경우 이에 대응되는 피드백 신호를 생성함으로써 사용자의 뇌파와 관련된 특정 파라미터가 일정하게 유지될 수 있도록 하는 지능형 피드백 시스템에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 과학기술정보통신부의 SW컴퓨팅산업원천기술개발 사업(생각만으로 실생활 기기 및 AR/VR 디바이스를 제어하는 비침습 BCI 통합 뇌인지 컴퓨팅 SW 플랫폼 기술 개발, 과제고유번호: 1711055503)의 지원에 의하여 이루어진 것이다.
최근 인간의 생체 신호를 이용하여 전자 장치나 외골격 로봇을 제어하는 기술이 활발하게 연구되고 있다. 그 중에서도 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI; Brain-computer interface)는, 뇌파검사(EEG; Electro encephalography)를 통해 사용자의 뇌파를 측정하고, 상기 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부 장치를 제어할 수 있도록 하는데, 인지 관련 연구, 운동 재활, 척추마비 환자를 위한 외골격 로봇 또는 전동 휠체어 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.
그러나 사용자가 장치를 제어하기 위해 의지만으로 특정 뇌파를 발생시키기 위해서는 오랜 시간 동안의 사용자 학습이 필요하며, 학습을 통해 동작 상상을 수행할 수 있다고 하더라도 뇌파간의 특징의 차이가 분명하지 않아 인식률이 매우 낮다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, SSVEP 신호 또는 P300 신호와 같이 특정 주파수의 시각적인 자극으로 인해 뇌에서 유발되는 뇌파를 이용하여 장치를 제어하는 시스템에 관한 연구가 널리 진행되고 있다. 예를 들어, SSVEP(Steady state visually evoked potential)는 인체의 망막이 특정 주파수(3.5 Hz 내지 75 Hz)에 의해 자극 받을 때 뇌가 발생시키는 대응되는 전기적인 신호이다. 이와 같은 시각-뇌파 유발 매커니즘을 이용하면, 사용자는 원하는 때에 시각 자극을 통해 (예를 들어, 특정 주파수의 LED 디스플레이를 시청함으로써) 특정 뇌파를 발생시킬 수 있고, BCI를 이용하여 뇌파로 외부 장치를 제어할 수 있다.
그러나 SSVEP 또는 P300 신호를 BCI 시스템에 이용하기 위해서는 지속적으로 시각 자극을 통해 뇌파를 유발해야 하므로, 사용자가 외골격 로봇이나 전동 휠체어를 제어하여 이동하는 동안 계속 디스플레이를 시청해야 하므로 동작이 한정될 수 밖에 없고 시선을 빼앗겨 위험에 처할 가능성도 있다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해, SSVEP가 아닌 SSSEP(Steady state somatosensory evoked potential 정상 상태 체성감각 유발 전위) 신호를 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 등록특허 제10-1549325호를 참조하면, 사용자의 체성감각 영역에 부착된 진동계를 통해 특정 주파수의 진동 자극에 해당하는 사용자의 뇌파를 유발하고, 이에 대응되는 제어신호를 통해 장치를 제어하는 기술이 개시되어 있다. 이와 같이 체성감각을 이용한 BCI 시스템은 시각 자극이 불필요하므로 이동 중에도 사용할 수 있다는 장점이 있다.
그러나 동일한 진동수의 진동 자극을 지속하면서 사용자의 뇌파를 측정한 결과, 지속적인 자극으로 인해 감각기가 적응하여 뇌파가 변화하거나 약화되었으며 이에 따라 BCI 시스템의 뇌파 인식률이 낮아진다는 문제점이 발생하였다.
등록특허 제10-1549325호
이에, 뇌파의 변화를 모니터링 하면서 실시간으로 자극을 피드백 하여 사용자의 의도에 따라 장치를 제어할 수 있도록 하는 향상된 의도 인식 알고리즘이 필요하게 되었다.
본 명세서는 사용자의 뇌파를 검출하여 장치 인터페이스를 제어할 때, 뇌파의 파라미터가 변동되는 경우(예를 들어, 지속적인 자극으로 인해 감각기가 적응하여 뇌파가 변화하거나 약화되는 경우 등), 이에 대응되는 피드백 신호를 생성함으로써 사용자의 뇌파와 관련된 특정 파라미터가 일정하게 유지될 수 있도록 하는 지능형 피드백 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템은, 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하는 자극부; 상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 뇌파 검출부; 상기 검출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부장치를 제어하는 외부장치 제어부; 및 상기 뇌파 검출부가 실시간으로 모니터링 하는 동안 상기 특정한 뇌파의 파라미터가 변동되는지 여부를 판단하고, 상기 파라미터가 변동되었다면 이에 대응되는 피드백 신호를 상기 자극부에 전송하는 자극 제어부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 자극부는, 사용자의 신체의 특정한 부위를 자극함으로써 체성감각을 자극하기 위한 적어도 하나의 진동기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 상기 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자극부는, 사용자의 시각을 자극하기 위해 빛을 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자극부는, 사용자의 신체 부위에 착용이 용이한 웨어러블 장치일 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법은, 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하는 단계; 상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 단계; 상기 추출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하는 단계; 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 동안, 상기 특정한 뇌파의 파라미터가 변동되는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 뇌파의 파라미터가 변동된 경우, 이에 대응되는 피드백 신호를 이용하여 자극을 제어하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 사용자의 감각기를 자극하는 단계는, 사용자의 신체의 특정한 부위를 진동 자극함으로써 체성감각을 자극하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 진동부위, 진동세기 및 자극시간 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 사용자의 감각기를 자극하는 단계는, 사용자의 시각을 자극하기 위해 특정한 주파수의 빛을 표시하는 디스플레이를 이용하여 사용자의 시각을 자극하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 피드백 신호는, 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
일 실시예에 따른 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법을 실행하기 위한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램이 제공될 수 있다.
실시예에 따른 피드백 시스템에 의하면, 사용자의 뇌파를 검출하여 장치 인터페이스를 제어할 때, 뇌파의 파라미터가 변동되는 경우(예를 들어, 지속적인 자극으로 인해 감각기가 적응하여 뇌파가 변화하거나 약화되는 경우 등) 이에 대응되는 피드백 신호를 생성함으로써 사용자의 뇌파와 관련된 특정 파라미터가 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
구체적으로, 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간이나, 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수 색깔 등의 자극 파라미터를 변동시킴으로써, 사용자가 의도했던 특정한 뇌파를 다시 유도하여 BCI 시스템의 인식률을 향상시키고, 사용자가 원하는 대로 외부 장치를 제어할 수 있도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어를 위한 피드백 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어 장치를 실제로 착용한 모습을 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어를 위한 피드백 방법의 구체적인 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 명세서의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
또한, 본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "모듈(module)", "장치(device)", "서버(server)" 또는 "시스템(system)" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다. 예를 들어, 부, 모듈, 장치, 서버 또는 시스템은 플랫폼(platform)의 일부 또는 전부를 구성하는 하드웨어 및/또는 상기 하드웨어를 구동하기 위한 애플리케이션(application) 등의 소프트웨어를 지칭하는 것일 수 있다.
이하, 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어를 위한 피드백 시스템을 나타낸 블록도이다.
시스템은 사용자의 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어할 수 있으며, 자극부(100), 뇌파 검출부(200), 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치(300), 외부 장치(400)를 포함한다. 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치(300)는 외부장치 제어부(310) 및 자극 제어부(320)를 포함한다.
뇌파(EEG, Electro encephalography)란 뇌에서 발생한 전기적 신호로서, 외부 자극에 의해 사용자의 의도와 상관없이 유도되는 비자발적 뇌파와, 사용자가 특정 동작을 취하거나 상상을 할 때 신체 동작과 관련된 뇌의 영역이 활성화되어 유도되는 자발적 뇌파로 나눌 수 있다. 후술하는 실시예에서는 특정 주파수를 갖는 진동 자극 또는 특정 주파수를 갖는 시각 자극을 통해 사용자의 특정한 뇌파를 유도하는 비자발적 유도 방식을 이용한다.
자극부(100)는 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하기 위해 이용된다. 자극부(100)는 사용자가 의도하는 신체 부위에 자극을 가하기 위해 사용자의 조작으로 제어되는 동시에, 후술하는 바와 같이 뇌파의 파라미터를 일정하게 유지시키기 위해 자극 제어부에 의해 피드백으로 제어된다.
일 실시예에서, 상기 자극부(100)는 사용자의 신체의 특정한 부위를 자극함으로써 체성감각을 자극하기 위한 적어도 하나의 진동기를 포함할 수 있다. 도 2는 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어 장치를 실제로 착용한 모습을 나타내는데, 도시된 것처럼 복수 개의 진동기가 각각 사용자의 신체의 특정 부위(예를 들어, 팔과 다리 등)에 부착될 수 있다. 자극부(100)의 진동기는 사용자의 체성감각을 자극하여 정상상태 체성감각 유발 전위(SSSEP; Steady-state somatosensory evoked potentials)를 유도하기 위한 특정한 주파수를 갖도록 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 자극부는 사용자의 신체 부위에 착용이 용이한 웨어러블 장치일 수 있다. 예를 들어, 진동 자극부는 사용자의 손가락, 발가락 등에 착용 가능한 고리 형태 또는 손목, 팔, 발목 등에 착용 가능한 스트랩 형태일 수 있고, 유선 또는 무선을 통해 피드백 신호를 수신하여 자극 파라미터가 변할 수 있는 웨어러블 장치 세트로 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자극부(100)는 사용자의 시각을 자극하기 위해 특정한 주파수의 빛을 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수도 있다. 이 경우에는 SSSEP 뿐만 아니라 SSVEP 신호를 동시에 유발하여 복수의 제어신호 생성에 필요한 다수의 뇌파를 동시에 유도할 수 있다. 또는 특정한 뇌파의 발생을 강화하는데 이용될 수 있다.
후술하는 실시예에 따른 피드백 시스템은, 진동기의 자극 파라미터 이외에도 디스플레이의 발광 파라미터를 제어함으로써 뇌파의 발생을 피드백 할 수 있다. 따라서 자극부(100)의 자극 종류는 체성감각, 시각, 청각 등 의도하는 뇌파의 발생을 유도할 수 있는 모든 자극을 포함할 수 있으며(예를 들어, 진동기, 디스플레이, 스피커 등), 특정한 자극의 종류나 자극 기기에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 1을 참조하면, 뇌파 검출부(200)는 상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하기 위해 이용된다. 진동 자극을 예로 들면, 상기 자극부(100)를 이용하여 사용자 신체의 특정 부위에 진동 자극을 주면 이에 대응되는 뇌파가 발생하는데, 사용자의 두피 부위(예를 들어, 체성감각 피질(sensorimotor cortex) 영역)에 비침습적인 방식으로 전극을 부착하여 뇌파를 검출 및 신호 처리할 수 있다. 도 2를 참조하면 뇌파 검출부(200)가 사용자의 두피 부분에 착용되는 예시적인 모습이 도시되어 있다.
후술하겠지만, 뇌파 검출부(200)는 피드백을 위해 뇌파의 파라미터(예를 들어, 뇌파의 강도, 주파수 등)가 변동되는지 여부를 판단해야 하므로 일회적인 측정에 그치지 않고 지속적으로 뇌파를 모니터링 할 수 있다.
뇌-컴퓨터 인터페이스 장치(300)는 뇌파 신호를 분석하여 이에 대응되는 제어신호를 생성 및 전송하여 외부장치(400)를 제어하는 인터페이스 역할을 수행한다.
구체적으로, 외부장치 제어부(310)는 상기 검출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부장치를 제어하기 위해 이용된다. 여기서 외부장치란, 도 2와 같이 사용자의 신체를 대체/강화시켜 주는 외골격 로봇 팔다리나 전동 휠체어는 물론이며, 스마트폰, 데스크톱과 같이 전기적인 신호를 통해 제어할 수 있는 모든 종류의 전자 장비를 포함할 수 있다.
외부장치 제어부(310)는 상기 검출된 뇌파 신호를 입력 받아, 특정한 종류의 뇌파에 대응되는 외부장치 제어신호를 생성한다. 뇌파와 제어신호는 사용자가 인터페이스를 통해 임의로 매칭할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 왼쪽 다리에 특정 주파수의 진동 자극을 가하였을 때 발생하는 특정 주파수의 뇌파를 '외골격 로봇을 전방으로 움직인다'는 제어신호와 미리 매칭해두면, 자극부를 통해 사용자의 왼쪽 다리를 자극하는 것만으로 외골격 로봇을 전방으로 움직일 수 있다.
자극 제어부(320)는 사용자의 조작에 의해 자극부(100)를 수동으로 제어함과 동시에, 상기 뇌파 검출부(200)가 실시간으로 모니터링 하는 동안 상기 특정한 뇌파의 파라미터(예를 들어, 뇌파의 강도, 주파수 등)가 변동되는지 여부를 판단하고, 상기 파라미터가 변동되었다면 이에 대응되는 피드백 신호를 자극부(100)에 전송한다.
이는 동일한 진동수의 진동 자극을 지속하였을 때, 유도되는 뇌파가 일정하게 유지되지 못함에 따라 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 뇌파 인식률(즉, 특정한 뇌파신호와 외부장치 제어신호의 매칭률)이 낮아지는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
일 실시예에서, 자극부(100)가 적어도 하나의 진동기를 포함하는 경우, 상기 피드백 신호는 상기 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다. 예를 들어, 사용자가 자극 제어부(320)를 통해 왼쪽 다리에 부착된 진동기(100)를 동작시키면, 이에 대응되는 뇌파가 발생하여 왼쪽 다리 외골격 로봇(도 2의 400)을 제어할 수 있는데, 시간이 지남에 따라 체성감각기가 적응하여 유도되는 뇌파의 세기가 약해지거나 파장이 변하는 등 뇌파의 파라미터가 변동될 수 있다.
이 때, 자극 제어부(320)는 뇌파의 파라미터의 변동에 대응되는 피드백 신호(예를 들어, 진동 세기를 강화하거나, 자극시간을 연장하거나, 자극 위치를 변화시키는 등의 적절한 제어신호)를 통해 자극부(100)를 제어함으로써 다시 뇌파의 변화를 유도할 수 있다. 이를 통해 사용자는 일정한 수준의 뇌파 관련 파라미터를 유지할 수 있고, 결과적으로 의도 인식 실패 없이 외골격 로봇(400)을 제어하는 것이 가능하다.
추가적으로, 상기 피드백 신호는 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호일 수 있다. 예를 들어, 진동기가 동일한 파형으로 동작하는 것이 아니라, 사인 곡선 형태(sinusoidal)의 펄스 함수 또는 임펄스 함수에 따라 동작하도록 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 자극부(100)가 빛을 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 경우, 상기 피드백 신호는 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
이 경우, 자극 제어부(320)가 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 등을 적절하게 제어함으로써, 시각에 의해 유발되는 뇌파의 파라미터를 일정한 수준으로 유지할 수 있다.
전술한 피드백 신호에 의해 제어되는 자극 파라미터는 예시적인 것일 뿐이며, 사용자가 의도하는 뇌파 파라미터를 유지할 수 있도록 하기 위한 모든 종류의 적절한 제어를 포함할 수 있다.
실시예에 따른 피드백 시스템에 의하면, 사용자의 뇌파를 검출하여 장치 인터페이스를 제어하는 동시에, 뇌파의 파라미터가 변동되는 경우 이에 대응되는 피드백 신호를 생성함으로써 사용자의 뇌파가 일정하게 유지될 수 있도록 한다.
구체적으로, 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간이나, 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수 색깔 등의 자극 파라미터를 변동시킴으로써, 다시금 사용자가 의도했던 특정한 뇌파를 유발하여 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface) 시스템의 인식률을 향상시키고, 사용자가 원하는 대로 외부 장치를 제어할 수 있다.
이하에서는 도 3에 도시된 구체적인 알고리즘 순서도를 참조하여 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 제어를 위한 피드백 방법을 설명한다.
먼저, 사용자가 수동으로 자극부의 동작을 개시한다(S100). 그러면 자극부는 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극한다(S200). 일 실시예에서, 자극부는 사용자의 신체의 특정한 부위를 자극함으로써 체성감각을 자극하기 위한 적어도 하나의 진동기로 구성될 수 있고, 실시예에 따라서 사용자의 시각을 자극하기 위해 특정한 주파수의 빛을 표시하는 디스플레이를 더 포함할 수도 있음은 전술한 바와 같다.
상기 감각기의 자극으로 인해 특정한 뇌파가 유발되면, 뇌파 검출부에 의해 특정한 뇌파가 검출되는 단계가 수행된다(S300). 일 실시예에서, 도 2에 도시된 것처럼 사용자의 두피 부위(예를 들어, 체성감각 피질(sensorimotor cortex) 영역)에 비침습적인 방식으로 전극을 부착하여 뇌파를 검출 및 신호 처리할 수 있다.
이어, 상기 뇌파에 대응되는 제어신호를 이용하여 외부장치를 제어하는 단계가 수행된다(S400). 단계(S400)는 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치의 외부장치 제어부에 의해 수행될 수 있는데, 여기서 외부장치란, 도 2와 같이 사용자의 신체를 대체/강화시켜 주는 외골격 로봇 팔다리나 전동 휠체어는 물론이며, 스마트폰, 데스크톱과 같이 전기적인 신호를 통해 제어할 수 있는 모든 종류의 전자 장비를 포함할 수 있음은 전술한 바와 같다.
이어서 본 발명의 고유한 특징인 피드백 제어 단계가 수행될 수 있다. 구체적으로, 뇌파 검출부는 뇌파를 실시간으로 모니터링하고(S500), 자극 제어부는 검출된 뇌파 신호를 분석하여 특정한 뇌파의 파라미터(예를 들어, 뇌파의 강도, 주파수 등)가 변동되었는지 여부를 판단한다(S600).
파라미터 변동 여부를 판단하는 방법은 다양한 방식으로 수행될 수 있으며 한정되지 않는다. 예를 들어, 최초 수동 제어에 의한 자극으로 인해 발생한 뇌파가 정상적으로 인식되어 외부장치를 제어한 순간의 뇌파 파라미터 값을 저장하고, 이후에 실시간으로 검출한 뇌파의 파라미터 값과 비교할 수 있다. 뇌파가 변동되더라도 인터페이스가 이를 인식하여 외부장치 제어신호와 매칭할 수 있는 경우에는 파라미터가 변동되었다고 판단하지 않는다. 실질적으로 동일한 뇌파로 인식될 수 없을 만큼 뇌파 파라미터가 변동된 경우(예를 들어, 전기적인 신호가 약해져 인식할 수 없는 경우)에는 피드백이 필요하다고 판단할 수 있다.
뇌파 파라미터가 변동된 경우(도 3의 "예"), 뇌파 신호를 다시 돌아가게 하기 위해 파라미터의 변동에 대응되는 피드백 신호를 생성하는 단계가 수행된다(S700). 이는 동일한 자극을 지속하였을 때 유도되는 뇌파가 일정하게 유지되지 못함에 따라 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 뇌파 인식률(즉, 특정한 뇌파신호와 외부장치 제어신호의 매칭률)이 낮아지는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
만약, 뇌파 파라미터가 변동되지 않았다면(도 3의 "아니오"), 절차를 종료하거나, 변동이 발생할 때까지 뇌파를 지속적으로 모니터링 하는 단계(S500)로 되돌아간다.
일 실시예에서, 상기 자극이 진동 자극인 경우, 상기 피드백 신호는 진동부위, 진동세기 및 자극시간 등의 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다.
추가적으로, 상기 피드백 신호는 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호일 수 있다. 예를 들어, 진동기가 동일한 진동수로 동작하는 것이 아니라, 사인 곡선 형태(sinusoidal)의 펄스 함수에 따라 동작하도록 제어할 수 있다.
또 다른 실시예에서, 디스플레이를 이용하여 사용자의 시각을 자극하는 경우, 상기 피드백 신호는 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 등의 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호일 수 있다. 이 경우, 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 등을 적절하게 제어함으로써, 시각에 의해 유발되는 뇌파의 파라미터를 일정한 수준으로 유지할 수 있다.
전술한 피드백 신호에 의해 제어되는 자극 파라미터는 예시적인 것일 뿐이며, 사용자가 의도하는 뇌파 파라미터를 유지할 수 있도록 하기 위한 모든 종류의 적절한 제어를 포함할 수 있음은 전술한 바와 같다.
이어서 상기 피드백 신호를 이용하여 자극을 제어하는 단계가 수행된다(S800). 구체적으로, 진동부위, 진동세기 및 자극시간이나, 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수 색깔 등의 자극 파라미터를 변동시킴으로써, 다시금 사용자가 의도했던 특정한 뇌파를 유발하여 BCI 시스템의 인식률을 향상시키고, 사용자가 원하는 대로 외부 장치를 제어할 수 있도록 한다.
이후, 피드백 신호를 수신한 자극부가 이에 따라 감각기를 자극하는 단계(S200)로 되돌아가고, 뇌파를 검출하여 외부 기기를 제어하는 단계가 반복적으로 수행된다.
이와 같은, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현될 수 있고, 상기 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만 본 발명은 이러한 실시예들 또는 도면에 의해 한정되는 것으로 해석되어서는 안 되며, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다.
뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface)를 이용하여 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부 장치를 제어하는 시스템은 인지 관련 연구, 운동 재활, 척추마비 환자를 위한 외골격 로봇 또는 전동 휠체어 등 다양한 산업 분야에 이용될 수 있으므로 효용성이 매우 높다.
100: 자극부
200: 뇌파 검출부
300: 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치
310: 외부장치 제어부
320: 자극 제어부
400: 외부장치

Claims (14)

  1. 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템으로서,
    사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하는 자극부;
    상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 뇌파 검출부;
    상기 검출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하여 외부장치를 제어하는 외부장치 제어부; 및
    상기 뇌파 검출부가 실시간으로 모니터링 하는 동안 상기 특정한 뇌파의 파라미터가 변동되는지 여부를 판단하고, 상기 파라미터가 변동되었다면 이에 대응되는 피드백 신호를 상기 자극부에 전송하는 자극 제어부를 포함하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자극부는, 사용자의 신체의 특정한 부위를 자극함으로써 체성감각을 자극하기 위한 적어도 하나의 진동기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 상기 진동기의 진동부위, 진동세기 및 자극시간 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  4. 제3항에 있어서
    상기 피드백 신호는, 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 자극부는, 사용자의 시각을 자극하기 위해 빛을 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자극부는, 사용자의 신체 부위에 착용이 용이한 웨어러블 장치인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 시스템.
  8. 사용자의 뇌에서 특정한 뇌파가 발생되도록 사용자의 감각기를 자극하는 단계;
    상기 자극에 의해 유발된 특정한 뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 단계;
    상기 추출된 특정한 뇌파에 대응되는 제어신호를 생성하는 단계;
    뇌파를 실시간으로 모니터링 하는 동안, 상기 특정한 뇌파의 파라미터가 변동되는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 뇌파의 파라미터가 변동된 경우, 이에 대응되는 피드백 신호를 이용하여 자극을 제어하는 단계를 포함하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 사용자의 감각기를 자극하는 단계는, 사용자의 신체의 특정한 부위를 진동 자극함으로써 체성감각을 자극하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 진동부위, 진동세기 및 자극시간 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  11. 제10항에 있어서
    상기 피드백 신호는, 자극 프로토콜의 펄스 트레인(pulse train)을 조절하는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 사용자의 감각기를 자극하는 단계는,
    사용자의 시각을 자극하기 위해 특정한 주파수의 빛을 표시하는 디스플레이를 이용하여 사용자의 시각을 자극하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 피드백 신호는, 상기 디스플레이에 표시되는 빛의 세기, 주파수, 색깔 중 적어도 하나를 포함하는 자극 파라미터를 변화시키는 제어신호인 것을 특징으로 하는, 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법.
  14. 제8항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 뇌파를 이용하여 외부장치를 제어하기 위한 피드백 방법을 실행하기 위한, 컴퓨터 판독 가능한 기록매체에 저장된 프로그램.
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