KR20200038146A - The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG - Google Patents

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Abstract

Presented are a method and device for evaluating a concentration level using ECG. The method for evaluating a concentration level comprises the steps of: extracting an indicator of a plurality of time domains and an indicator of a plurality of frequency domains using ECG data detected from a subject; generating an integrated indicator using the indicator of the time domains and the indicator of the frequency domains; and evaluating high and low concentration of the subject by comparing a value of the integrated indicator with a rule base having an arbitrary threshold.

Description

심전도를 이용한 집중도 인식 방법 및 장치{The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG}The Recognition Method and Apparatus for Focus level using ECG}

본 개시는 심전도를 이용하여 집중도를 인식하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 상세하게는 심장 반응을 이용하여 특정 태스크에 대한 집중도를 평가하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a method and apparatus for recognizing concentration using an electrocardiogram, and more particularly, to a method and apparatus for evaluating concentration for a specific task using a cardiac response.

현대 사회는 한정된 자원을 두고 겨루는 경쟁 사회로서, 최소한의 노력으로 목표한 결과를 얻는 효율성이 중요한 요소로 작용한다. 태스크를 수행하는데 있어 효율성을 높이기 위해서는 높은 수준의 집중이 요구된 다. 만약 모든 주의가 수행하는 태스크에 집중하게 되면 주변에 대한 인식 및 시간의 흐름을 망각하게 되고, 흥미와 수행의 즐거움으로 인해 집중은 능동적으로 발생한다. 집중을 측정 및 평가하는 방법으로는 설문이나 인터뷰 같은 주관적인 정성적 측정 방법과 생리적인 반응을 이용하는 객관적인 정량적 측정 방법이 있다. 주관적 평가 방법은 해당 태스크가 완료된 후 수행이 되기에 실제로 집중이 발생한 시점과는 시간차가 존재하고, 시간의 흐름에 따라 변화하는 인간의 감성을 평가하지 못한다. 또한 피험자가 집중이 발생하는 순간을 정확하게 기억하기 힘들다는 단점이 존재한다. 따라서 생리적인 반응을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 평가하는 방법에 대한 연구가 필요하다. FPS 게임을 태스크로 집중도를 평가한 기존 연구에 따르면 집중을 하게 되면 교감 신경이 활성화되어 각성도와 긍정도가 증가한다고 보고하였다. 부정적인 영상 자극을 제시함으로써 집중을 유발한 경우 심장 박동수가 감소한다고 보고하였다. 인지 부하를 요하는 자극을 제시하여 집중을 유발한 경우 심장 박동수가 증가한다는 연구 결과가 있다. 또한 태스크의 수준에 따라 집중이 유발된다고 보고하였다. 태스크의 수준이 낮을 경우에는 무관심과 이완감을 느끼고 수준이 높을 경우에는 각성과 몰입감을 느껴 집중을 유발한다. 기존 연구들은 인터랙션이 포함되지 않은 개별 태스크에서의 집중도의 생리적인 패턴결과만 보고하였다. 하지만 인간은 사회라는 공동체 속에서 자신의 감성을 표현하고 상대방의 감성에 공감하면서 관계를 형성하고 소통을 하는 것으로 알려지고 있다. 이 때 다른 사람들과의 상호작용에서 유발되는 감성을 사회 감성이라고 하고, 사회 감성은 타인과의 상호작용뿐만 아니라 상황, 맥락 등과 같은 환경적 요소도 작용을 하여 복합적으로 발생한다. 따라서, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴 분석을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법에 대한 연구가 필요하다. 이러한 연구는 콘텐츠를 비롯한 다양한 산업 분야에 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 높은 효율 및 흥미의 서비스 제공이 가능할 것이다.Modern society is a competitive society that competes for limited resources, and the efficiency of achieving targeted results with minimal effort is an important factor. In order to increase efficiency in performing tasks, a high level of concentration is required. If all attention is focused on the task being performed, the perception of the surroundings and the passage of time are forgotten, and attention is actively generated due to interest and enjoyment of performance. Methods for measuring and evaluating concentration include subjective qualitative measures such as questionnaires and interviews, and objective quantitative measures using physiological responses. The subjective evaluation method is performed after the task is completed, so there is a time difference from the point at which concentration actually occurred, and it cannot evaluate the human emotion that changes with the passage of time. In addition, there is a disadvantage that it is difficult for the subject to accurately remember the moment when concentration occurs. Therefore, it is necessary to study how to objectively and quantitatively evaluate concentration through physiological responses. According to an existing study that evaluated the concentration of FPS games as a task, sympathetic nerves are activated and concentration and arousal are increased when concentration is achieved. It has been reported that the heart rate decreases when concentration is induced by presenting negative image stimuli. Studies have shown that the heart rate increases when concentration is caused by presenting stimuli that require cognitive load. In addition, it is reported that concentration is induced according to the level of the task. When the task level is low, indifference and relaxation are felt, and when the level is high, arousal and immersion are felt, causing concentration. Existing studies have reported only physiological pattern results of concentration in individual tasks without interaction. However, it is known that humans express their emotions in a community called society and empathize with their emotions to form relationships and communicate. At this time, the emotion caused by interaction with other people is called social emotion, and social emotion occurs in a complex way by interacting with other people as well as environmental factors such as context and context. Therefore, there is a need for research on how to objectively and quantitatively recognize concentration through pattern analysis of cardiac responses according to differences in concentration caused by interacting situations. Such research will be able to provide high-efficiency and interesting services by developing elements that can increase concentration in various industries including content.

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모범적 실시 예에 따르면, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법 및 장치가 제시된다.According to an exemplary embodiment, a method and apparatus for objectively and quantitatively recognizing concentration through a pattern of a heart reaction according to a difference in concentration caused by an interaction situation are presented.

모범적 실시 예에 따른 심전도를 이용한 집중도 평가 방법:은Method of evaluating concentration using electrocardiogram according to an exemplary embodiment:

피험자로부터 ECG 센서를 이용해 ECG 데이터를 검출하는 단계;Detecting ECG data from the subject using an ECG sensor;

상기 ECG 데이터를 이용하여 다수의 시간 영역의 인디케이터 및 다수의 주파수 영역의 인디케이터를 추출하는 단계;Extracting a plurality of time domain indicators and a plurality of frequency domain indicators using the ECG data;

상기 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터를 이용해 통합 인디케이터를 생성하는 단계; 그리고Generating an integrated indicator using the time domain indicator and the frequency domain indicator; And

상기 통합 인디케이터의 값을 임의의 임계치를 가지는 룰베이스에 비교하여 상기 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 단계;를 포함한다.And evaluating the high and low concentrations of the subject by comparing the values of the integrated indicators to a rule base having an arbitrary threshold.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 다수의 시간 영역의 인디케이터는 SDNN, pNN50, rMSSD를 포함하고, 그리고 상기 다수의 주파수 영역의 인디케이터는 HRV 스펙트럼으로부터 추출된 VLF(Very low frequency), LF(Low frequency), HF(high frequency) 포함하는 다수 밴드의 파워 값을 포함할 수 있다.According to a specific exemplary embodiment, the indicators of the plurality of time domains include SDNN, pNN50, and rMSSD, and the indicators of the plurality of frequency domains are Very Low Frequency (VLF) and Low Frequency (LF) extracted from the HRV spectrum. ), HF (high frequency) may include power values of multiple bands.

모범적 구체적 실시 예에 따르면, 상기 HRV 스펙트럼:은 상기 ECG 데이터로부터 추출된 RRI로부터 추출할 수 있다.According to a specific exemplary embodiment, the HRV spectrum: may be extracted from RRI extracted from the ECG data.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 RRI는 QRS 검출 알고리즘에 의해 상기 ECG 데이터로부터 추출하고, 그리고 상기 HRV 스펙트럼은 상기 RRI로부터 샘플링 데이터를 얻고 샘플링 데이터에 대한 FFT 분석에 의해 추출할 수 있다.According to a specific exemplary embodiment, the RRI is extracted from the ECG data by a QRS detection algorithm, and the HRV spectrum can be obtained by sampling data from the RRI and extracted by FFT analysis on the sampled data.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 HF의 주파수 범위는 0.15~04Hz,According to an exemplary specific embodiment, the frequency range of the HF is 0.15 ~ 04Hz,

상기 VLF의 주파수 범위는 0.0033~0.04Hz, 그리고 상기 LF의 주파수 범위는 0.04~0.15Hz 일 수 있다.The frequency range of the VLF may be 0.0033 to 0.04 Hz, and the frequency range of the LF may be 0.04 to 0.15 Hz.

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 통합 인디케이터(Focus score)는 아래의 식에 의해 정의될 수 있다.According to a specific exemplary embodiment, the integrated indicator (Focus score) may be defined by the following equation.

Figure pat00001
Figure pat00001

모범적인 구체적 실시 예에 따르면, 상기 임계값은 17.183 로 설정될 수 있다.According to a specific exemplary embodiment, the threshold may be set to 17.183.

모범적인 실시 예에 따르는 심전도를 이용한 집중도 평가 장치:는 상기 피험자로부터 ECG 신호를 검출하는 ECG 센서; 상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부; 그리고 상기 전처리부로부터의 신호를 이용하여 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 분석부;를 포함할 수 있다.An apparatus for evaluating concentration using an electrocardiogram according to an exemplary embodiment includes: an ECG sensor detecting an ECG signal from the subject; A pre-processor for pre-processing the ECG signal; And it may include; an analysis unit for evaluating the high and low concentration of the subject using the signal from the pre-processing unit.

도1a는 본 발명의 실험에 사용되는 집중 콘텐츠 화면이다.
도1b는 본 발명의 실험에 사용되는 실험 환경을 보이는 사진이다.
도2는 모범적 실시 예에 따른 실험 절차를 보이는 흐름도이다.
도3은 모범적 실시 예에 따라 RRI (R-peak to R-peak Interval) 추출 방법을 예시한다.
도4는 시간 영역 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도5는 주파수 영역 인디케이터 변수에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도6은 주파수 영역 인디케이터 변수에서, VLF/HF 및 LF/HF 에 대한 통계분석 결과를 보이는 챠트이다.
도7은 주파수 영역 인디케이터 변수에서 취한 자연로그 값(lnLF, lnHF, lnVHF)의 통계분석 결과를 보이는 챠트이다.
도8은 모범적인 실시 예에 따른 통합 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.
도9는 위와 같은 과정을 거쳐 도출된 룰베이스 및 데이터 패턴을 도시한다.
도10은 집중도의 통합 룰베이스 검증를 보이는 것으로 피험자 데이터의 분포 패턴을 보인다.
도11은 본 발명에 따른 분석 장치의 개략적 구성을 보이는 블록다이어그램이다.
1A is a concentrated content screen used in the experiment of the present invention.
1B is a photograph showing an experimental environment used in the experiment of the present invention.
2 is a flow chart showing an experimental procedure according to an exemplary embodiment.
Figure 3 illustrates an RRI (R-peak to R-peak Interval) extraction method according to an exemplary embodiment.
4 is a chart showing statistical analysis results for a time domain indicator.
5 is a chart showing statistical analysis results for frequency domain indicator variables.
6 is a chart showing statistical analysis results for VLF / HF and LF / HF in the frequency domain indicator variable.
7 is a chart showing the statistical analysis results of natural logarithm values (lnLF, lnHF, and lnVHF) taken from the frequency domain indicator variable.
8 is a chart showing statistical analysis results for an integrated indicator according to an exemplary embodiment.
9 shows a rule base and data patterns derived through the above process.
Fig. 10 shows the integrated rule base verification of concentration, and shows the distribution pattern of subject data.
11 is a block diagram showing a schematic configuration of an analysis apparatus according to the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 모범적 실시 예에 따른 집중도 인식 방법 및 장치에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for recognizing concentration according to exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

모범적인 실시 예에 따르면, 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법과 장치의 구현이 가능하다. 이러한 본 발명의 모범적 실시 예에 따라, 콘텐츠를 비롯한 다양한 산업 분야에 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 높은 효율 및 흥미의 서비스 제공이 가능하게 된다.According to an exemplary embodiment, it is possible to implement a method and apparatus for objectively and quantitatively recognizing concentration through a pattern of a heart reaction according to a difference in concentration caused by an interaction situation. According to this exemplary embodiment of the present invention, it is possible to provide a service of high efficiency and interest by developing elements capable of increasing concentration in various industries including content.

본 발명은 ECG 센서를 이용해 피험자의 집중도 평가를 위한 로데이터(Raw data)를 추출하고 이 데이터는 프로세싱 장치에 의해 처리된다. 프로세싱 장치는 분석용 툴 또는 소프트웨어 및 이것이 실행되는 하드웨어 시스템을 가진다. 이러한 프로세싱 장치는 컴퓨터 기반의 장치, 알고리즘을 담고 있는 소프트웨어 및 이 소프트웨어가 구동할 수 있는 하드웨어를 포함하는 범용 컴퓨터 또는 전용 장치일 수 있다.The present invention extracts raw data for evaluating a subject's concentration using an ECG sensor, and the data is processed by a processing device. The processing device has an analysis tool or software and a hardware system on which it is executed. Such a processing device may be a computer-based device, a general purpose computer including a software containing algorithms and hardware capable of driving the software, or a dedicated device.

상기와 같은 프로세싱 장치로부터의 처리 결과는 디스플레이 장치에 의해 표시될 수 있으며, 입력 수단으로서 일반적인 외부 인터페이스 장치, 예를 들어 키보드, 마우스 등을 더 포함할 수 있다.The processing result from the above processing device may be displayed by the display device, and may further include a general external interface device, for example, a keyboard, a mouse, and the like, as input means.

도11은 상기와 같은 분석 장치의 개략적 구성을 보이는 블록다이어그램이다.11 is a block diagram showing a schematic configuration of the analysis device as described above.

피험자(100)의 몸에는 ECG 센서(110)가 부착되고, 이 센서(110)는 전처리부(120)에 연결되고, 전처리부(130)는 피험자로부터의 데이터를 이용해 높은 집중 또는 낮은 집중 등의 집중도를 평가하는 분석부(130)에 연결된다. 분석부(130)에 의해 생성된 결과는 디스플레이(140)에 의해 표시된다.The ECG sensor 110 is attached to the body of the subject 100, the sensor 110 is connected to the pre-processing unit 120, and the pre-processing unit 130 uses data from the subject such as high concentration or low concentration. It is connected to the analysis unit 130 that evaluates the concentration. The result generated by the analysis unit 130 is displayed by the display 140.

본 발명에 따른 집중도 인식 방법 및 이를 적용하는 장치의 객관적 평가를 위하여 아래와 같은 실험이 실시되었다.The following experiments were carried out for the objective evaluation of the concentration recognition method and the device to which it is applied according to the present invention.

<실험 참여자><Experiment participants>

본 실험에 참여한 피험자는 자율신경계 병력이 없는 신체 건강한 60명 (남녀 각각 30 명, 평균 나이 23.88 ± 2.09 세)을 대상으로 하였다. 실험 전날 충분한 수면을 요청하여 피로를 최소화하였으며, 자율신경계에 영향을 줄 수 있는 카페인 및 알코올 섭취를 금하였다. 실험 참여도를 높이기 위해 피험자 비용을 지급하였으며 모든 실험은 상명대학교 윤리위원회의 심의를 받아 진행하였다.The subjects who participated in this experiment were 60 healthy physical subjects (30 male and female, 23.88 ± 2.09 years old, average age) without a history of autonomic nervous system. On the day before the experiment, sufficient sleep was requested to minimize fatigue, and caffeine and alcohol intake, which could affect the autonomic nervous system, were prohibited. To increase the participation in the experiment, the subject's cost was paid, and all the experiments were conducted under the deliberation of the Sangmyung University Ethics Committee.

<실험 설계 및 자극 구성><Experimental design and stimulus composition>

도1a는 본 발명의 실험에 사용되는 집중 콘텐츠 화면이며, 도1b는 본 발명의 실험에 사용되는 실험 환경을 보이는 사진이다.1A is a concentrated content screen used in the experiment of the present invention, and FIG. 1B is a photograph showing an experiment environment used in the experiment of the present invention.

자극(stimulus)으로서의 집중 실험 콘텐츠는 화살로 타깃을 맞추는 게임으로 유니티 게임 엔진 (Unity Technologies, USA)을 이용해 낮은 집중과 높은 집중 단계의 게임이 가능하도록 제작되었다. 태스크의 수준에 따라 집중 유발의 차이가 존재한다는 연구 결과를 반영하여 수준의 차이를 두어 실험 콘텐츠를 제작하였다. 낮은 집중 단계는 화살의 파워 게이지만을 맞추면 되지만, 높은 집중 단계는 파워 게이지와 타깃 위치를 동시에 맞춰야 되는 난이도 차이를 주어 제작되었다. 화살은 두 피험자가 한 번씩 번갈아 가면서 쏘았고 화면 왼쪽 상단에 명중률을 나타내어 집중을 유도하였다. 또한 태스크를 수행하는 동안 공동이 달성해야 되는 목표를 제시하여 두 피험자 사이에 사회적 관계를 형성시켰다. 자세한 집중 실험 콘텐츠 화면 및 실험 환경은 도1과 같다.Intensive experimental content as a stimulus is a game that targets with arrows, and is designed to enable low- and high-concentration levels using the Unity game engine (Unity Technologies, USA). Experimental content was produced with the difference in level by reflecting the research results that there was a difference in concentration induction according to the level of the task. The low concentration stage only needs to match the power gauge of the arrow, but the high concentration stage is made by giving the difference in the difficulty of matching the power gauge and the target position at the same time. The arrows were shot alternately once by two subjects, and the hit rate was displayed at the top left of the screen to induce concentration. In addition, a social relationship was formed between the two subjects by presenting the goals that the joint must achieve while performing the task. The detailed intensive experiment content screen and experiment environment are shown in FIG. 1.

도2는 모범적 실시 예에 따른 실험 절차를 보이는 흐름도이다. 심전도 센서를 착용(Sensor attachment)한 후, 집중 태스크(Focus task)를 수행하기 전 실험 방법에 대한 설명(Introduction for task)을 하였고 원활한 태스크 수행을 위한 조작 연습(Pre-test for training)을 하였다. 집중 태스크(Focus task)에서, 시작 초기 3 분은 생체신호 레퍼런스(Reference)를 측정하였고 이후 3 분은 집중 태스크(Focus Tack)를 수행하였다. 순서효과를 제거하기 위해 낮은 태스크(Low focus tack)와 높은 태스크(High focus task) 순서는 무작위(Random order)로 선정하였다. 센서 탈착(Remove sensor)과 함께 태스크가 종료된 후 설문을 진행하였다. 2 is a flow chart showing an experimental procedure according to an exemplary embodiment. After wearing the electrocardiogram sensor (Sensor attachment), before performing the intensive task (Focus task), the experiment method was introduced (Introduction for task), and the manipulation practice (Pre-test for training) was performed to perform the task smoothly. In the focused task, the biosignal reference was measured in the first 3 minutes of the start, and the focused task (Focus Tack) was performed in the next 3 minutes. In order to eliminate the order effect, the order of the low task (low focus tack) and the high task (high focus task) was selected as random (Random order). The questionnaire was conducted after the task ended with the removal of the sensor.

데이터 수집 및 신호 처리는 다음과 같이 수행하였다. 심전도(Electrocardiogram, ECG)는 표준사지유도법의 Lead I으로 측정하였다. 이렇게 얻어지는 원형 신호(raw signal)는 전처리부(pre-processing part)에 의해 전처리 되는데, 예를 들어 MP 100 power supply(Biopac System Inc., USA)와 ECG 100C amplifier, NI-DAQ-Pad9205(National Instrument Inc., USA)등이 이용될 수 있다. 이들 요소를 포함하는 전처리부를 통해 센서로부터의 원형 신호가 증폭되고 그리고 500Hz의 샘플링 주파수로 디지털화된 ECG 신호를 얻을 수 있다.Data collection and signal processing were performed as follows. Electrocardiogram (ECG) was measured with Lead I of the standard limb induction method. The raw signal thus obtained is pre-processed by a pre-processing part, for example, MP 100 power supply (Biopac System Inc., USA), ECG 100C amplifier, NI-DAQ-Pad9205 (National Instrument) Inc., USA). A circular signal from the sensor is amplified and a digitized ECG signal with a sampling frequency of 500 Hz can be obtained through the pre-processing unit including these elements.

전처리 과정을 통해 얻어진 ECG 신호는 QRS 검출 알고리즘을 통해 R 피크를 구하여 RRI(R-peak to R-peak interval)을 계산하였다.For the ECG signal obtained through the pre-processing process, the R peak was calculated through the QRS detection algorithm to calculate the R-peak to R-peak interval (RRI).

도3은 ECG로부터 QRS 검출 알고리즘을 통한 RRI (R-peak to R-peak Interval) 추출 방법을 예시한다. 도3에 도시된 바와 같이 ECG 신호로부터 QRS 검출 알고리즘을 통해 RRI를 추출하였다.Figure 3 illustrates an RRI (R-peak to R-peak Interval) extraction method through the QRS detection algorithm from ECG. 3, RRI was extracted from the ECG signal through a QRS detection algorithm.

RRI를 이용하여 SDNN(standard deviation normal to normal)와 pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50ms), rMSSD(Root Mean Square of Successive Differences)등의 시간 영역의 데이터를 계산하였고, 그리고 RRI를 2Hz로 샘플링하여 FFT(fast fourier transform) 분석을 통해 주파수 영역의 데이터를 추출하기 위한 HRV(heart rate variability) 스펙트럼을 추출하였다. Time domain data such as SDNN (standard deviation normal to normal) and pNN50 (Percentage of RR intervals that differ more than 50 ms), rMSSD (Root Mean Square of Successive Differences) were calculated using RRI, and RRI was 2 Hz. The heart rate variability (HRV) spectrum for extracting data in the frequency domain was extracted through fast fourier transform (FFT) analysis by sampling.

HRV 스펙트럼은 VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF(low frequency, 0.04-0.15 Hz)와 HF(high frequency, 0.15-0.4 Hz) 대역의 파워를 각각 추출하였고, 이들로부터 주파수 영역 인디케이터인 VLF/HF와 LF/HF, lnVLF, lnLF, lnHF를 계산하였다. 심전도를 통해 추출한 파라미터는 총 12개이었으며, 이 과정에는 LabVIEW 2015(National Instrument Inc., USA)가 이용되었다. 이러한 분석 과정은 분석 소프트웨어가 실행되는 컴퓨터 기반 분석 장치에 의해 수행된다.In the HRV spectrum, powers of VLF (very low frequency, 0.0033-0.04 Hz), LF (low frequency, 0.04-0.15 Hz) and HF (high frequency, 0.15-0.4 Hz) bands were extracted, and frequency domain indicators VLF / HF and LF / HF, lnVLF, lnLF, and lnHF were calculated. A total of 12 parameters were extracted through the electrocardiogram, and LabVIEW 2015 (National Instrument Inc., USA) was used for this process. This analysis process is performed by a computer-based analysis device on which the analysis software is executed.

위와 같이 데이터를 수집한 후 통계적 유의성 검증을 수행하였다. 집중도에 따른 통계적 유의성 검증은 SPSS 21(IBM, USA)를 이용하여 독립 표본 t검정으로 분석하였다. 도4는 시간 영역 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.After collecting the data as above, statistical significance test was performed. Statistical significance test according to concentration was analyzed by independent sample t-test using SPSS 21 (IBM, USA). 4 is a chart showing statistical analysis results for a time domain indicator.

분석결과, 높은 집중이 낮은 집중보다 RRI와 SDNN, rMSSD, pNN50의 모든 시간 영역 인디케이터의 값(M)에서 아래와 같이 높은 패턴을 보였고, 통계적으로서 유의미한 결과를 확인하였다.As a result of analysis, the high concentration showed a high pattern as shown below in the values (M) of all time domain indicators of RRI, SDNN, rMSSD, and pNN50 than the low concentration, and statistically significant results were confirmed.

RRI: RRI :

낮은 집중(Low focus): M = 648.54±47.20 Low focus: M = 648.54 ± 47.20

높은 집중(High focus): M = 783.88±73.39High focus: M = 783.88 ± 73.39

t(58) = -8.495, p = .000t (58) = -8.495, p = .000

SDNN: SDNN :

낮은 집중: M = 30.66±11.47Low concentration: M = 30.66 ± 11.47

높은 집중: M = 44.41±12.80High concentration: M = 44.41 ± 12.80

t(58) = -4.380, p = .000t (58) = -4.380, p = .000

rMSSD: rMSSD :

낮은 집중: M = 25.45±0.92Low concentration: M = 25.45 ± 0.92

높은 집중: M = 27.97±1.32High concentration: M = 27.97 ± 1.32

t(58) = -8.587, p = .000t (58) = -8.587, p = .000

pNN50: pNN50 :

낮은 집중: M = 3.89±5.67Low concentration: M = 3.89 ± 5.67

높은 집중: M = 23.34±14.86High concentration: M = 23.34 ± 14.86

t(58) = -6.697, p = .000t (58) = -6.697, p = .000

도5는 주파수 영역 인디케이터 변수에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.5 is a chart showing statistical analysis results for frequency domain indicator variables.

도5에 도시된 바와 같이, 낮은 집중보다 높은 집중이 LF, HF 값에서 큰 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다. 그리고, VLF도 LF, HF와 같이 높은 집중이 더 큰 패턴을 보였지만, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다As shown in FIG. 5, concentrations higher than low concentrations showed a large pattern in LF and HF values, and statistically significant results were confirmed. And, VLF also showed a greater pattern of higher concentration, such as LF and HF, but could not confirm statistically significant results.

LF: LF :

낮은 집중: M = 222.29±121.77Low concentration: M = 222.29 ± 121.77

높은 집중: M = 467.76±289.83High concentration: M = 467.76 ± 289.83

t(58) = -4.284, p = .000t (58) = -4.284, p = .000

HF: HF :

낮은 집중: M = 161.80±166.76Low concentration: M = 161.80 ± 166.76

높은 집중: M = 309.57±211.25High concentration: M = 309.57 ± 211.25

t(58) = -3.007, p = .004 t (58) = -3.007, p = .004

VLF: VLF :

낮은 집중: M = 396.99±339.53Low concentration: M = 396.99 ± 339.53

높은 집중: M = 637.88±599.00High concentration: M = 637.88 ± 599.00

t(58) = -1.916, p = .060t (58) = -1.916, p = .060

도6은 주파수 영역 인디케이터 변수에서, VLF/HF 및 LF/HF 에 대한 통계분석 결과를 보이는 챠트이다. 6 is a chart showing statistical analysis results for VLF / HF and LF / HF in the frequency domain indicator variable.

VLF/HF 의 값은 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보였으나, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다. 그리고 LF/HF의 값은 높은 집중이 낮은 집중보다 작은 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다.The value of VLF / HF showed a pattern with a higher concentration than a lower concentration, but a statistically significant result could not be confirmed. And the LF / HF value showed a pattern with a higher concentration than a lower concentration, and no statistically significant results could be confirmed.

VLF/HF: VLF / HF :

낮은 집중: M = 0.605±0.603Low concentration: M = 0.605 ± 0.603

높은 집중: M = 0.816±0.729High concentration: M = 0.816 ± 0.729

t(58) = -1.222, p = .227t (58) = -1.222, p = .227

LF/HF: LF / HF :

낮은 집중: M = 3.071±6.385Low concentration: M = 3.071 ± 6.385

높은 집중: M = 2.101±1.710High concentration: M = 2.101 ± 1.710

t(58) = 0.804, p = .425t (58) = 0.804, p = .425

도7은 주파수 영역 인디케이터 변수에서 취한 자연로그 값(lnLF, lnHF, lnVHF)의 통계분석 결과를 보이는 챠트이다. 7 is a chart showing the statistical analysis results of natural logarithm values (lnLF, lnHF, and lnVHF) taken from the frequency domain indicator variable.

도7을 참조하면, 높은 집중이 낮은 집중보다 lnLF와 lnHF의 값 모두 큰 패턴을 보였으며, 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다. lnVLF도 같은 패턴을 보였으나, 통계적으로 유의미한 결과를 확인할 수 없었다.Referring to FIG. 7, the high concentration showed a larger pattern of both lnLF and lnHF than the low concentration, and statistically significant results were confirmed. lnVLF showed the same pattern, but no statistically significant results could be confirmed.

lnLF: lnLF :

낮은 집중: M = 4.67±0.99Low concentration: M = 4.67 ± 0.99

높은 집중: M = 5.49±0.79High concentration: M = 5.49 ± 0.79

t(58) = -3.538, p = .001t (58) = -3.538, p = .001

lnHF: lnHF :

낮은 집중: M = 5.26±0.57Low concentration: M = 5.26 ± 0.57

높은 집중: M = 6.09±0.51High concentration: M = 6.09 ± 0.51

t(58) = -5.937, p = .000)t (58) = -5.937, p = .000)

lnVLF: lnVLF :

낮은 집중: M = 5.610±0.906Low concentration: M = 5.610 ± 0.906

높은 집중: M = 6.060±0.925High concentration: M = 6.060 ± 0.925

t(58) = -1.905, p = .062)t (58) = -1.905, p = .062)

이상과 같은 통계 분석 결과를 토대로, 시간 및 주파수 영역 인디케이터를 통한 통합 룰베이스(rule-base) 도출하고 이를 검증하였다.Based on the above statistical analysis results, an integrated rule-base was derived and verified through time and frequency domain indicators.

위에서 언급한 바와 같이, 시간 및 주파수 영역 인디케이터의 통계 분석 결과, 통계적 유의미한 결과를 확인했고 낮은 집중과 높은 집중의 패턴 차이가 큰 RRI와 rMSSD, lnHF를 선정하였다. 선정된 인디케이터들은 값의 단위 차이가 존재하기에 단위를 비슷한 수준으로 맞춰주는 사전 작업을 진행하였다. RRI는 100으로 나눈 다음 자연로그를 취해 ln(RRI/100)를 계산하였고, rMSSD는 자연로그를 취해 lnrMSSD를 계산하여 인디케이터 통합을 하였다. 세 인디케이터들은 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보여 모두 합하여 새로운 통합 인디케이터(Focus Score)를 생성하였다. 자세한 수식은 아래 식1과 같다.As mentioned above, as a result of statistical analysis of the time and frequency domain indicators, statistically significant results were confirmed, and RRI, rMSSD, and lnHF with a large difference in pattern between low concentration and high concentration were selected. The selected indicators had a preliminary work to set the unit to a similar level because there is a unit difference in value. The RRI was divided by 100, then the natural logarithm was taken to calculate ln (RRI / 100), and the rMSSD took the natural logarithm to calculate lnrMSSD to integrate indicators. The three indicators showed a pattern with higher concentrations than lower concentrations, and all were combined to create a new integrated indicator (Focus Score). The detailed formula is as shown in Equation 1 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

통합 인디케이터(Focus Score)의 통계 분석 결과, 높은 집중이 낮은 집중보다 큰 패턴을 보였으며(낮은 집중: M = 16.41±0.65, 높은 집중: M = 18.73±0.85), 통계적으로 유의미한 결과를 확인하였다(t(58) = -11.903, p = .000). 도8은 상기 통합 인디케이터에 대한 통계 분석 결과를 보이는 차트이다.As a result of statistical analysis of the integrated indicator (Focus Score), high concentration showed a greater pattern than low concentration (low concentration: M = 16.41 ± 0.65, high concentration: M = 18.73 ± 0.85), and statistically significant results were confirmed ( t (58) = -11.903, p = .000). 8 is a chart showing the statistical analysis results for the integrated indicator.

도9는 위와 같은 과정을 거쳐 도출된 룰베이스 및 데이터 패턴을 도시한다.9 shows a rule base and data patterns derived through the above process.

도9에 도시된 바와 같이, 통합 인디케이터의 값을 플로팅하여 낮은 집중과 높은 집중에 따른 데이터 패턴을 확인하였고 선형 SVM (linear support vector machine)로 두 집중을 구분하는 룰베이스의 임계값 "17.183" 을 도출하였다.As shown in Fig. 9, the data pattern according to the low concentration and high concentration was confirmed by plotting the value of the integrated indicator, and the rule base threshold value "17.183" that distinguished the two concentrations with a linear linear support vector machine (SVM) was determined. Derived.

즉, 통합 인디케이터 값이 룰베이스 임계값인 17.183 보다 크면 높은 집중을 나타내고, 그 보다 작으며, 낮은 집중을 나타내는 것으로 판단할 수 있다.That is, if the integrated indicator value is greater than the rule base threshold value of 17.183, it can be judged to indicate a high concentration, and a smaller, lower concentration.

위와 같은 통합 룰베이스를 검증하기 위하여, 룰베이스 도출하는데 활용되지 않은 30명의 데이터를 이용하였다.In order to verify the integrated rule base as above, 30 people who were not used to derive the rule base were used.

그 결과, 높은 집중의 경우 30개의 샘플 모두 정확히 구분하여 인식 정확도는 (30/30)×100 = 100%로 확인되었다. 낮은 집중의 경우 30개의 샘플 중 3개의 샘플이 높은 집중으로 구분되는 에러를 보여 인식 정확도는 (27/30)×100 = 90%로 확인되었다. 집중도의 통합 룰베이스 검증 결과 총 60개의 샘플 중 57개의 샘플을 정확히 구분하여 전체 인식 정확도는 (57/60)×100 = 95%로 확인되었다. 도10은 집중도의 통합 룰베이스 검증를 보이는 것으로 피험자 데이터의 분포 패턴을 보인다. 도10에 도시된 바와 같이 룰베이스 임계값 17.183 를 기준으로 그 위에 분포하는 데이터는 높은 집중을 나타내며, 그 아래 분포하는 데이터는 낮은 집중을 나타낸다.As a result, in the case of high concentration, all 30 samples were accurately classified, and the recognition accuracy was confirmed as (30/30) × 100 = 100%. In the case of low concentration, 3 out of 30 samples showed errors that were classified as high concentration, so the recognition accuracy was confirmed as (27/30) × 100 = 90%. As a result of the integrated rule base verification of concentration, 57 samples out of a total of 60 samples were accurately classified, and the overall recognition accuracy was confirmed to be (57/60) × 100 = 95%. Fig. 10 shows the integrated rule base verification of concentration, and shows the distribution pattern of subject data. As shown in FIG. 10, data distributed thereon based on the rule base threshold 17.183 indicates high concentration, and data distributed below it indicates low concentration.

본 실험은 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법을 개발하기 위한 것이다.The purpose of this experiment is to develop a method of objectively and quantitatively recognizing concentration through a pattern of cardiac responses according to differences in concentration caused by an interaction situation.

집중 실험의 콘텐츠는 화살로 타깃을 맞추는 게임으로 구성하였고 집중도의 차이를 주기 위해 난이도 차이를 부여하였다. 또한 공동이 달성해야 되는 목표를 제시하여 두 피험자 사이에 사회적 관계를 형성시켰다.The content of the concentration experiment consisted of a game that targets with arrows, and a difference in difficulty was given to give a difference in concentration. In addition, by presenting the goals that the community must achieve, a social relationship was formed between the two subjects.

위에서 상세히 설명된 바와 같이 본 발명의 실험에 따르면, 심전도로부터 추출한 시간 영역 인디케이터인 RRI와 SDNN, rMMSD, pNN50에서 집중도 차이에 따라 통계적으로 차이가 유의미하였다. 주파수 영역 인디케이터에서는 LF와 HF, lnLF, lnHF가 집중도 차이에 따라 통계적으로 차이가 유의미하였다. 이 중 집중도의 차이에 따라 패턴의 차이가 큰 RRI와 rMSSD, lnHF를 선정하여 통합 인디케이터를 생성하였다. 통합 인디케이터를 통해 도출한 룰베이스를 낮은 집중과 높은 집중 60개의 데이터 샘플을 통해 검증한 결과, (57/60)×100 = 95%로 높은 인식 정확도를 보였다.As described in detail above, according to the experiment of the present invention, statistical differences were significant according to concentration differences in RRI, SDNN, rMMSD, and pNN50, which are time domain indicators extracted from ECG. In the frequency domain indicator, LF, HF, lnLF, and lnHF were statistically significant according to the difference in concentration. Among them, RRI, rMSSD, and lnHF with large differences in patterns were selected according to the difference in concentration to generate an integrated indicator. As a result of verifying the rule base derived through the integrated indicator through 60 data samples of low concentration and high concentration, (57/60) × 100 = 95% showed high recognition accuracy.

통합 룰베이스의 인디케이터로 선정된 RRI는 R 피크와 R피크 사이의 간격으로 심장 박동의 주기의 정보를 담고 있다. 낮은 집중보다 높은 집중에서 RRI 값이 큰 패턴을 보였는데, 이는 타깃의 위치와 화살의 파워게이지를 동시에 고려하여야 했기에 인지 부하가 발생하여 심장 박동수가 증가하였다고 해석할 수 있다. rMSSD는 심장 박동 간격 차이의 제곱 평균의 제곱근 값으로, 심박수의 변화 정보를 나타낸다. 낮은 집중보다 높은 집중에서 rMSSD값이 큰 패턴을 보였는데 이는 어려운 난이도로 인해 심장 간격의 변화가 크게 발생하였다고 해석할 수 있다. lnHF는 부교감 신경의 활성화 지표로, 본 실험의 자극 콘텐츠가 인지 부하와 같은 정적인 집중을 요하는 실험이었기에 높은 집중에서 큰 패턴을 보였다고 해석할 수 있다. The RRI, selected as an indicator of the integrated rule base, contains information on the heart rate cycle at intervals between the R peak and the R peak. At a higher concentration than a lower concentration, the RRI value showed a large pattern, which can be interpreted as an increase in the heart rate due to a cognitive load because the target location and the power gauge of the arrow had to be considered at the same time. rMSSD is the square root value of the squared mean of the difference in heart rate intervals, and represents change in heart rate. At a higher concentration than a lower concentration, the rMSSD value showed a large pattern, which can be interpreted as a significant change in heart interval due to difficult difficulty. lnHF is an indicator of activation of the parasympathetic nerve, and it can be interpreted that the stimulus content of this experiment showed a large pattern at high concentration because it was an experiment requiring static concentration such as cognitive load.

한정된 자원을 서로 차지하기 위해 겨루는 경쟁 사회에서 태스크의 효율을 높여주는 집중은 모든 산업 및 서비스 분야에서 중요하게 작용한다. 따라서, 본 발명의 연구에서는 상호작용을 하는 상황에서 유발되는 집중도의 차이에 따른 심장 반응의 패턴을 통해 객관적이고 정량적으로 집중도를 인식하는 방법을 개발하고자 하였고 높은 인식 정확도를 보이는 집중도 인식 방법을 제안하였다. 이러한 본 발명에서 제안한 집중도 인식 방법을 콘텐츠를 비롯한 서비스 분야와 더불어 다양한 분야에 적용한다면 집중도를 높일 수 있는 요소들을 개발하여 효율 및 흥미를 증진시킬 것이라 사료된다. 추후 다른 생리 반응으로 추가 연구가 가능하다.In a competitive society that competes to occupy limited resources with each other, the concentration that increases the efficiency of tasks is important in all industries and services. Therefore, in the study of the present invention, an objective and quantitative method of recognizing concentration through a pattern of heart reaction according to a difference in concentration caused by an interaction situation was developed, and a method of recognizing concentration showing high recognition accuracy was proposed. . It is considered that if the concentration recognition method proposed in the present invention is applied to various fields as well as service fields including content, it is considered that the efficiency and interest will be improved by developing factors that can increase the concentration. Further studies may be possible with other physiological reactions in the future.

이러한 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, these are merely exemplary, and those skilled in the art can understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true protection scope of the present invention should be defined only by the appended claims.

Claims (10)

피험자로부터 ECG 센서를 이용해 ECG 데이터를 검출하는 단계;
상기 ECG 데이터를 이용하여 다수의 시간 영역의 인디케이터 및 다수의 주파수 영역의 인디케이터를 추출하는 단계;
상기 시간 영역의 인디케이터와 주파수 영역의 인디케이터를 이용해 통합 인디케이터를 생성하는 단계;
상기 통합 인디케이터의 값을 임의의 임계치를 가지는 룰베이스에 비교하여 상기 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 단계;를 포함하는 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
Detecting ECG data from the subject using an ECG sensor;
Extracting a plurality of time domain indicators and a plurality of frequency domain indicators using the ECG data;
Generating an integrated indicator using the time domain indicator and the frequency domain indicator;
Comprising the step of evaluating the high concentration and low concentration of the subject by comparing the value of the integrated indicator to a rule base having an arbitrary threshold; concentration evaluation method using an electrocardiogram.
제1항에 있어서,
상기 다수의 시간 영역의 인디케이터는 SDNN, pNN50, rMSSD를 포함하고,
상기 다수의 주파수 영역의 인디케이터는 HRV 스펙트럼으로부터 추출된 VLF(Very low frequency), LF(Low frequency), HF(high frequency) 포함하는 다수 밴드의 파워 값을 포함하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
According to claim 1,
Indicators of the plurality of time domains include SDNN, pNN50, rMSSD,
The indicator of the plurality of frequency domains includes power values of multiple bands including a very low frequency (VLF), a low frequency (LF), and a high frequency (HF) extracted from the HRV spectrum.
제2항에 있어서,
상기 HRV 스펙트럼:은 상기 ECG 데이터로부터 추출된 RRI로부터 추출하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
According to claim 2,
The HRV spectrum: is extracted from the RRI extracted from the ECG data, concentration evaluation method using an electrocardiogram.
제3항에 있어서,
상기 RRI는 QRS 검출 알고리즘에 의해 상기 ECG 데이터로부터 추출하고, 그리고
상기 HRV 스펙트럼은 상기 RRI로부터 샘플링 데이터를 얻고 샘플링 데이터에 대한 FFT 분석에 의해 추출하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
According to claim 3,
The RRI is extracted from the ECG data by a QRS detection algorithm, and
The HRV spectrum is obtained by sampling the data from the RRI and extracted by FFT analysis of the sampling data, concentration evaluation method using an electrocardiogram.
제2항에 있어서,
상기 HF의 주파수 범위는 0.15~04Hz,
상기 VLF의 주파수 범위는 0.0033~0.04Hz, 그리고
상기 LF의 주파수 범위는 0.04~0.15Hz 인, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
According to claim 2,
The frequency range of the HF is 0.15 ~ 04Hz,
The frequency range of the VLF is 0.0033 ~ 0.04Hz, and
The frequency range of the LF is 0.04 ~ 0.15Hz, concentration evaluation method using an electrocardiogram.
제2항 내지 제5항에 있어서,
상기 통합 인디케이터(Focus score)는 아래의 식에 의해 정의되는, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
Figure pat00003
According to claim 2 to claim 5,
The integrated indicator (Focus score) is defined by the following equation, a method for evaluating concentration using an electrocardiogram.
Figure pat00003
제6항에 있어서,
상기 임계값은 17.183 인, 심전도를 이용한 집중도 평가 방법.
The method of claim 6,
The threshold is 17.183, the method of evaluating concentration using an electrocardiogram.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 장치에 있어서,
상기 피험자로부터 ECG 신호를 검출하는 ECG 센서;
상기 ECG 신호를 전처리하는 전처리부; 그리고
상기 전처리부로 부터의 신호를 이용하여 피험자의 높은 집중과 낮은 집중을 평가하는 분석부;를 포함하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 장치.
An apparatus for performing the method of any one of claims 1 to 5,
An ECG sensor that detects an ECG signal from the subject;
A pre-processor for pre-processing the ECG signal; And
Concentration evaluation apparatus using an electrocardiogram, including; analysis unit for evaluating the high and low concentration of the subject using the signal from the pre-processing unit.
제8항에 있어서,
상기 분석부는 아래의 식에 의해 정의되는 통합 인디케이터(Focus score)를 이용하는, 심전도를 이용한 집중도 평가 장치.
Figure pat00004
The method of claim 8,
The analysis unit using an integrated indicator (Focus score) defined by the following equation, concentration evaluation device using an electrocardiogram.
Figure pat00004
제9항에 있어서,
상기 임계값은 17.183 인, 심전도를 이용한 집중도 평가 장치.
The method of claim 9,
The threshold is 17.183, the concentration evaluation apparatus using an electrocardiogram.
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