KR20200014861A - 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비침습적인 뇌파 신호를 이용하여 인지 기능 개선을 목적으로 훈련하는 뇌파-바이오피드백 장치를 제공하기 위한 것으로서, 기존 널리 사용되는 인지 기능 평가 점수(MMSE)와 통계적으로 유의미한 상관을 보이는 뇌파 마커들을 바이오피드백 훈련 지표로 직접 도입함으로써 신경생리학적 인지 바이오마커가 실질적으로 개선되는 방향으로의 훈련이 유도될 수 있을 뿐 아니라, 훈련 진행 과정에 있어서도 훈련 지표의 매회 개선 수준이 바로 인지기능 평가 수준과 일치되므로, 훈련 효과 확인을 위해 번거롭게 인지 기능 평가를 추가로 시행할 필요가 없는 더 효과적이고 더 편리한 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치에 관한 것이다.

Description

인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치{EEG-Biofeedback Training Device for Improving Cognitive Function}

본 발명은 비침습적인 뇌파 신호를 이용하여 인지 기능 개선을 목적으로 훈련하는 뇌파-바이오피드백 장치에 관한 것이다.

보통 집중이나 활성, 주파수 대역별 파워와 같이 인지와의 관련성이 간접적인 뇌파 마커들을 훈련 지표로 사용하고 있는 기존 뇌파-바이오피드백 훈련 장치들은 해당 훈련으로 인한 인지 개선 효과를 확인하기 위해서는 인지 지표 평가를 훈련 전후에 별도로 시행해야 하는 번거로움이 있었을 뿐 아니라, 해당 훈련 지표가 목표 수준으로 개선되었음에도 불구하고 실질적인 인지 지표는 개선되지 않는 등의 효과 해석이 불일치되는 모호함이 있어 왔다.

이에 본 발명은 상기 문제점들이 해결될 수 있도록 인지 기능 저하와 직접적인 유의미한 상관을 보이는 뇌파 마커들을 바이오피드백 훈련 지표로 도입함으로써 신경생리학적 인지 바이오마커가 실질적으로 개선되는 방향으로의 훈련이 유도될 수 있을 뿐 아니라, 명료하게 일치된 인지 개선 효과 해석을 기반으로 훈련 진행을 더 효율적으로 추적 관리해 나갈 수 있는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치에 관한 것이다.

치매는 그 자체가 하나의 질환을 의미하는 것이 아니고, 여러 가지 원인에 의한 여러 인지기능의 장애가 생겨 예전 수준의 일상생활을 유지할 수 없는 상태를 의미하는 포괄적인 용어이다. 따라서 치매는 일단 정상적으로 성숙한 뇌가 후천적인 외상이나 질병 등 외인에 의하여 손상 또는 파괴되어 전반적으로 지각, 주의, 기억, 학습 등의 인지기능과 고등 정신기능이 떨어지는 복합적인 증상을 말한다.

이러한 인지기능 손상이 CT나 MRI상에 조직적 변화가 보이는 단계의 중증에 진입하면 이미 상태를 호전시키기가 어려워 지원인력과 가족의 돌봄으로 여생을 잘 관리할 수밖에 없게 된다. 그러나 조직적 변화까지는 아직 일어나지 않았지만, 신경망의 기능적 퇴화가 진행되는 인지 저하 단계에서는 인지 개선 훈련에 의해 회복될 수 있어서 삶의 질과 사회 경제적 비용 절감에 획기적으로 기여할 수 있다. 따라서 이러한 인지 저하 단계에서 뇌신경망의 인지 기능을 효율적으로 회복시킬 수 있는 비침습적이고 안전하며 저렴한 비용으로 실용화가 가능한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 개발은 건강한 노령화 사회를 대비하는 데 반드시 필요한 기술이라 하겠다.

현재 인지 개선을 목적으로 제안되는 뇌파-바이오피드백 훈련 장치들의 경우 기존 특허 공개 또는 등록된 선행기술들 수준에서는, 대한민국 공개특허공보 10-2016-0099472(뉴로피드백 기반의 인지 훈련 장치, 방법 및 저장매체), 대한민국 공개특허공보 10-2015-0122877(뉴로피드백을 이용한 집중력 향상 방법 및 시스템), 대한민국 공개특허공보 10-2003-0021585(바이오피드백 원리를 적용한 운동선수의 초점적 주의와정신 집중력 향상 훈련을 위한 무선시스템과 그의 제어 방법), 대한민국 등록특허공보 10-1699623(좌/우뇌 활성도 대칭 향상을 위한 게임 활용 시스템), 대한민국 공개특허공보 10-2018-0065709(발달 장애 기능 개선을 위한 뉴로피드백 장치와 영상 콘텐츠를 이용하는 훈련 시스템 및 그 방법) 에서와 같이 집중이나 활성, 주파수 대역별 파워와 같은 인지와의 관련성이 간접적인 뇌파 마커들을 훈련 지표로 사용하고 있어서 해당 훈련에 의한 인지 개선 효과를 확인하기 위해서는 별도로 인지 기능 평가를 시행해야 하는 번거로움이 있어 왔다. 또한 해당 훈련 지표는 목표 수준으로 개선되었음에도 불구하고 실질적인 신경생리학적 인지 지표들은 개선되지 않아서 인지 개선 효과에 대한 해석이 모호해지는 문제점들도 발생하고 있어서 인지 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련을 시행함에 있어서는 그 실효성이 기대에 미치지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 국내 뿐 아니라 전 세계적으로도 가장 널리 사용되는 글로벌 인지기능 평가 점수(MMSE)와 통계적으로 유의미한 상관을 보이는 뇌파 바이오마커들을 먼저 선별한 후, 그들 중 바이오피드백 훈련 지표의 기본 조건인 짧은 블록 뇌파 데이터에서도 비교적 안정적으로 재현성 높게 실시간 추출 가능한 마커를 찾아내어, 인지 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 훈련 지표로 직접 도입함으로써 신경생리학적 인지 바이오마커가 실질적으로 개선되는 방향으로의 훈련이 유도될 수 있을 뿐 아니라, 훈련 진행 과정에 있어서도 훈련 지표의 매회 개선 수준이 바로 뇌신경망의 인지기능 평가 수준과 명료하게 일치되므로, 훈련 효과 확인을 위해 번거롭게 인지 기능 평가를 추가로 시행할 필요가 없는 더 효과적이고 더 편리한 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 특징은 뇌파를 측정하기 위한 복수의 채널을 갖는 센서 전극들을 구비하고 있는 측정부와, 상기 측정부에서 측정된 생체신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭된 신호들을 기반으로 실시간 블럭 단위로 뇌신경망의 인지 기능을 반영하는 뇌파 지표를 수치적으로 계산하는 훈련지표 계산부와 상기 계산된 훈련지표를 통해 현재 인지 성능 상태를 실시간 알려주는 피드백 표시부와 훈련 시간 동안의 인지기능 개선 효과를 종합적으로 평가하여 표시하는 훈련 효과 평가부를 포함하는 데 있다.

바람직하게 상기 뇌파 훈련지표 계산부는, 기존 인지기능 검사 점수(MMSE)와 유의미한 상관성을 보이면서도 실시간 짧은 구간 뇌파 데이터에서 안정적으로 추출 가능한 바이오피드백 훈련 지표로, 뇌신경망의 기질적 고유리듬이 전반적으로 느리거나 빨라지는 정도를 미세한 수준까지 정량적으로 반영하는 MDF(Median Edge Frequency) 지표가 포함되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 피드백 표시부는 훈련자가 자신의 인지 성능 상태를 실시간 명료하게 파악할 수 있도록 간단한 안내 멘트나 상태 단계별 구분되는 소리나 빛, 진동, 화면의 숫자나 막대그래프 형태 등으로 피드백 되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 훈련 효과 평가부에서는 훈련 동안의 인지훈련 지표의 변화추이 그래프와 함께 평균값을 표현하여 해당 훈련에 의한 인지 개선 수준이 종합적으로 파악될 수 있도록 표시하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

현재 국내 보건소 등에서 실시되는 MMSE 검사법이나 뇌파 기반 인지기능 검사법등에 의해 인지기능 저하군으로 조기 선별된 어르신들의 경우 인지 개선을 위해 운동처방, 생활습관 개선, 작업치료, 음악치료, 미술치료 등의 다양한 훈련들이 권해지고 있지만 실질적인 개선 효과의 모호성이 있어서 조금 더 적극적인 훈련 방법과 개선 여부 확인이 요구되는 분위기이다.

이에 효과적이며 안전한 본 발명에 따른 인지 기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련을 시행할 경우 이전 양호했던 뇌기능 상태로의 빠른 회복 가능성이 높아지게 되므로 치매와 같은 인지장애 증상을 적극적으로 예방하거나 늦출 수 있어 개인의 삶의 질 향상과 사회 경제적 비용 절감에 획기적으로 기여하는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 인지 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 구성을 나타낸 블록도
도 2 는 인지기능(MMSE) 점수가 낮은 대상자부터 높은 대상자들에 대해 눈감은 상태의 뇌파 파워스펙트럼 분포와 그 분포로부터 계산된 MDF 지표값을 차례대로 표시한 그래프
도 3 은 인지기능(MMSE) 점수와 뇌파 MDF지표 사이의 관계 그래프

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 인지 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시 예에 따른 인지 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치의 구성을 나타낸 블록도이다.

도 1과 같이, 뇌파를 측정하기 위한 복수의 채널을 갖는 센서전극들을 구비하고 있는 측정부(S100)와, 상기 측정부에서 측정된 뇌파 신호를 증폭하는 증폭부(S200)와, 상기 증폭된 뇌파 신호를 기반으로 인지기능 점수와 높은 상관성을 보이는 뇌파 훈련 지표를 수치적으로 계산하는 계산부(S300)와 상기 계산된 훈련지표를 통해 현재 인지 성능 상태를 실시간 알려주는 피드백 표시부(S400)와 훈련 시간 동안의 인지기능 개선 효과를 종합적으로 평가하여 표시하는 훈련효과 평가부(S500)를 포함하는 데 있다.

바람직하게 상기 뇌파 훈련지표 계산부(S300)는, 기존 인지기능 검사 점수(MMSE)와 유의미한 상관성을 보이면서도 실시간 짧은 구간 뇌파 데이터에서 안정적으로 추출 가능한 바이오피드백 훈련 지표로, 뇌신경망의 기질적 고유리듬이 전반적으로 느리거나 빨라지는 정도를 미세한 수준까지 정량적으로 반영하는 MDF(Median Edge Frequency) 지표가 포함되는 것을 특징으로 한다.

MDF 지표는 도 2와 같은 뇌파 주파수별 파워 분포를 보여주는 파워스펙트럼(PSD) 그래프에서 뇌신경망의 고유리듬이 느려지는 정도를 반영하는 지표로 인지기능(MMSE) 점수와 통계적으로 유의미한 상관을 보임을 확인한 결과가 국제 학술지에 게재된 바 있다 (본 발명자 최정미외, Resting-state prefrontal EEG biomarkers in correlation with MMSE scores in elderly individuals, Scientific Reports, 2019;9:409-415, https://doi.org/10.1038/s41598-019-46789-2). 구체적으로 MDF 지표는 5-12 Hz 주파수 대역에서 가장 느린 주파수를 기준으로부터 빠른 주파수 방향으로 스펙트럼 파워를 차례로 누적한 값이, 전체 스펙트럼 파워합의 반(1/2)에 해당될 때의 주파수를 추출하여 얻는다.

최근 연구들은 치매의 주범으로 여기는 독성 단백질인 비정상 아밀로이드와 타우가 뇌신경망에서 전, 후 시냅스 연결부위의 칼슘 유입을 증가시켜 흥분성 활동이 증대되도록 왜곡시켜 뇌신경망 리듬에 변화가 일어난다고 보고 있으며, 이러한 손상된 시냅스 가소성을 인지 기능 장애 증상의 두드러진 특징으로 제시하고 있다. 뇌신경망에 있어서 정상적인 시냅스 가소성은 우리가 학습, 기억, 추상적 사고와 같은 복잡한 고차 인지 기능을 수행할 때에 필수적인 요소이다.

치매의 진행 단계에서, 뇌파 리듬이 느려지는 현상은 쉽게 육안으로도 확인된다. 대표적으로 Brenner연구팀은 35명, Gordon연구팀은 72명 알츠하이머 환자들에 대해 확인하였다. 이러한 육안으로 평가된 뇌파의 느려짐과 치매 중증도 사이에 강한 상관이 있음도 보고되었는데, 구체적으로 de Waal연구팀은 460명의 알츠하이머 환자들의 뇌파를 살펴본 결과, 일찍 발병하는 그룹이 늦게 발병된 그룹들에 비해 뇌파가 더 심각하게 느려져 있음을 확인하였다.

도 2는 인지기능 점수가 낮은 대상자부터 높은 대상자까지의 각 개별 뇌파 파워스펙트럼의 분포 예시를 보여주는 데, 인지(MMSE) 점수가 높은 대상자 일수록 스펙트럼상의 주요 리듬 피크가 빠른 주파수 방향으로 이동하며, 이러한 특징을 안정적으로 대표성 있게 반영하는 MDF 지표 값도 차례대로 높아짐을 확인할 수 있다. 500여명의 대상자들에 대해 인지기능 점수(MMSE)와 뇌파의 MDF지표 간의 관계 그래프를 그려보면 도3과 같다.

바람직하게 상기 피드백 표시부(S400)는 훈련자가 자신의 인지 성능 상태를 실시간 명료하게 파악할 수 있도록 간단한 안내 멘트나 상태 단계별 구분되는 소리나 빛, 진동, 화면의 숫자나 막대그래프 형태 등으로 피드백 되는 것을 특징으로 한다.

뇌파-바이오피드백이란, 뇌파 지표를 통해 뇌의 상태를 바로바로 확인해가면서, 뇌의 부족한 기능이 개선되는 목표 방향으로 훈련을 시행하는 기술이다. 우리가 흐트러진 옷매무새를 바로 잡을 때, 거울 없이 하는 것보다는 거울을 보며 상태를 실시간 확인해 가면서 조정할 때 더 정확하고 빠르게 교정되는 원리와 흡사하다.

뇌신경망이 전반적으로 느려져가는 특징인 인지기능 저하를 예방하고자 하는 목적으로 뇌파-바이오피드백 훈련을 적용할 경우엔, 인지기능 상태를 반영하는 뇌파 지표를 실시간 모니터링하면서, 인지 기능을 증진시키는 다양한 수행과제나 자극들에 의해 인지훈련 지표가 실질적으로 향상되어지는 방향으로 변화되어 가는지를 객관적으로 확인하게 된다. 어떤 활동이나 자극이 해당 어르신의 인지 성능을 개선시키는 데 더 도움이 되는지를 정량적으로 찾을 수 있게 되는 이점도 있다.

뇌파-바이오피드백 훈련에 의해 뇌신경망이 개선될 수 기본 원리는 시냅스 가소성(Synaptic Plasticity)에 있다. 뇌를 구성하는 뇌신경세포들의 복잡한 연결망인 뇌신경망에서 각 연결 부위들을 시냅스라고 부르는 데, 보통 시냅스 연결들이 균형 있고 효율적으로 형성되어 있을 때 뇌 성능(neural-efficiency)도 우수하게 된다. 이러한 시냅스 연결은 외부 입력 자극 및 학습 작용 등에 의해 기존 시냅스 연결이 사멸되고 새로운 연결이 형성되기도 하고, 기존 시냅스 연결의 강도(전도효율)가 변화되기도 하는 등...계속적으로 변화될 수 있는 데, 이러한 특징을 시냅스 가소성이라 일컫는다. 따라서 여러 원인들로 뇌신경망의 시냅스들에 장애가 발생할 경우, 조기에 적절한 조치를 취하게 되면 시냅스 가소성 원리에 의해 다시 시냅스 연결이 효율적으로 변화될 수 있게 된다.

바람직하게 상기 훈련효과 평가부(S500)에서는 훈련 동안의 인지훈련 지표의 변화추이 그래프와 함께 평균값을 표현하여 해당 훈련에 의한 인지 개선 수준이 종합적으로 파악될 수 있도록 표시하는 것을 특징으로 한다.

뇌파-바이오피드백 훈련 시 매순간 훈련자가 시도하는 목표 지표의 자율적 교정 노력의 결과는 실시간 해당 지표의 변화를 통해 객관적으로 평가되어 훈련자에게 긍정적 또는 부정적 응답형식으로 전달되며, 긍정적 응답을 받은 훈련자는 더욱 긍정적인 응답을 얻으려고 조금 전에 하던 교정 노력을 계속 유지 또는 조금 더 강화하려고 시도하게 된다. 반대로 자신의 교정 노력에 대해 부정적 응답을 받게 되면 훈련자는 조금 전에 시행했던 것과는 다른 방법으로 노력방법을 교정함으로써 긍정적 응답을 얻고자 시도하게 된다. 이때 훈련자가 노력한 결과는 또 다시 응답기능을 통해 훈련자에게 실시간 전달되고 훈련자는 만족스러운 긍정적 응답에 도달할 때까지 반복적으로 자신의 상태를 조절하는 방법에 대한 감각을 체득해 가면서 목표한 방향으로의 교정 능력을 점차 높여가게 된다. 이러한 반복된 노력과정을 통해 훈련자는 해당 지표에 대한 수의적 조절 감각을 몸으로 익히게 되고 결국 목표하는 방향으로의 자율적 교정 능력을 습득할 수 있게 된다는 것이 일반적인 바이오피드백 훈련의 항진 원리이기도 하다.

따라서 생체 지표의 자율적 교정 능력은 훈련자의 자발적 노력과 그 노력에 대한 즉각적인 평가(응답) 사이의 반복적인 순환 고리를 통해 얻어지는 결과이므로 이를 생체되먹임(바이오피드백) 훈련이라고 부르며 훈련자는 자신의 개선에 대해서 능동적인 참여자로서의 역할이 요구되는 특징이 있다. 이러한 바이오피드백 훈련에 의해 습득한 특정 생체지표의 자율적 조절능력은 자전거배우기와 같이 몸으로 감각을 익힌 기술이어서 한번 체득하면 20~30년 이상 거의 반영구적으로 그 감각을 잃어버리지 않고 유지하는 것으로 알려져 있다.

상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시 예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 뇌파를 측정하기 위한 복수의 채널을 갖는 센서 전극들을 구비하고 있는 측정부와, 상기 측정부에서 측정된 뇌파 신호를 증폭하는 증폭부와,
   상기 증폭된 뇌파 신호를 기반으로 인지 기능 점수(MMSE)와 유의미한 상관성을 보이는 뇌파 훈련 지표를 수치적으로 계산하는 계산부와
   상기 계산된 훈련지표를 통해 현재 인지 기능 상태를 실시간 알려주는 피드백 표시부와
   훈련 동안의 훈련 지표의 변화 추이와 평균값을 종합적으로 표시하는 훈련효과 평가부를 포함하는 것을 특징으로 하는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   뇌파 훈련지표는 5-12 Hz(경계 주파수 허용범위 +-1 이하) 주파수 대역에서 가장 느린 주파수를 기준으로부터 빠른 주파수 방향으로 스펙트럼 파워를 차례로 누적한 값이, 전체 스펙트럼 파워합의 반에 해당될 때의 주파수값인 MDF 지표를 포함하는 것을 특징으로 하는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   피드백 표시부는 훈련자가 자신의 인지 기능 상태를 실시간 파악할 수 있도록 안내 멘트나 상태 단계별 구분되는 소리나 진동 형태로 피드백 되는 것을 특징으로 하는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   훈련효과 평가부는 훈련 진행 동안의 인지훈련 지표의 변화추이 그래프와 함께 평균치를 표현하는 것을 특징으로 하는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   보조적으로 호흡 훈련이나 과제 수행, 청각 또는 시각 자극, 전기 또는 자기 자극을 병행하여 훈련 효과를 높이는 것을 특징으로 하는 인지기능 개선을 위한 뇌파-바이오피드백 훈련 장치.
   
   

Images