KR20240014787A - 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법, 장치 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 - Google Patents

광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법, 장치 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체 Download PDF

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Abstract

본 개시는 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법, 장치 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다. 본 개시의 일 실시예에 따른 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법은 뉴런 발화를 위한 주파수의 광이 피측정자의 대뇌를 통과하여 감지되는 광 신호를 획득하는 단계, 광 신호로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 단계, 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화에 관한 분석 데이터를 산출하는 단계 및 분석 데이터를 기반으로 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 단계를 포함하고, 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함한다.

Description

광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법, 장치 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체{METHOD, APPARATUS AND NON-TRANSITORY COMPUTER-READABLE RECORDING MEDIUM FOR MONITORING THE EFFECT OF PHOTOSTIMULATION}
본 개시는 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법, 장치 및 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 관한 것이다.
근적외선을 기반으로 하는 세포 재생 및 활성화를 위한 기술이 알려져 있다. 광생물변조(PBM; Photo Bio Modulation) 기술은 근적외선을 통해 세포 주위 온도를 상승시켜 혈류를 증가시키고, 세포 에너지 생성과정을 촉진하여 손상 세포를 재생하는 근적외선 기반의 세포 재생 및 활성화 촉진 기술이다. 이러한 광생물변조 기술을 활용하여 미토콘드리아의 재생을 촉진시킴으로써, 뇌 기능을 향상시킬 수 있다.
또한, 근적외선을 기반으로 하는 뇌 활성도 측정을 위한 기술이 알려져 있다. 근적외선 분광법(NIRS; Near InfraRed Spectroscopy)은 사람의 신체 부위(예를 들면, 뇌 등)에서 발생하는 혈류역학(hemodynamics)(예를 들면, 옥시 헤모글로빈의 농도와 디옥시 헤모글로빈의 농도)에 따라 달라지는 근적외선의 감쇠 정도(산화 헤모글로빈 또는 비산화 헤모글로빈에 의한 산란 및 흡수에 기인한 것임)를 측정함으로써 해당 신체 부위의 활동을 간접적으로 분석하는 방법이다. 예를 들어, 뇌에서 발생하는 혈류역학 변화를 측정하는 경우, 약 630nm 내지 1300nm의 파장 범위를 가진 근적외선은 사람의 두개골을 투과하여 두개골로부터 약 1cm 내지 3cm 깊이까지 도달할 수 있는데, 이러한 근적외선을 사람의 머리 부위에 조사하고 그로부터 반사 또는 산란되는 근적외선을 감지함으로써, 그 사람의 대뇌 피질에서 일어나는 혈류역학 변화를 측정할 수 있다.
하지만, 이러한 종래의 기술을 뇌 기능 향상을 위해 활용하는 경우에 세포 촉진 및 활성화를 위한 기술과 뇌 활성도 측정을 위한 기술이 각각 별도의 장치를 통해 분리되어 적용되기 때문에, 비용이 많이 들고 시간이 오래 걸릴 뿐만 아니라, 즉각적인 피드백이 이루어질 수 없어서 광자극의 효과가 떨어지는 문제가 있다.
이에, 본 발명자는 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.
본 개시는 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 개시는 획득한 광 신호로부터 특징적인 지표를 추출하여 광자극의 효과를 효과적으로 모니터링할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 개시의 대표적인 구성은 다음과 같다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법은 뉴런 발화를 위한 주파수의 광이 피측정자의 대뇌를 통과하여 감지되는 광 신호를 획득하는 단계, 광 신호로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 단계, 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화에 관한 분석 데이터를 산출하는 단계 및 분석 데이터를 기반으로 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 단계를 포함하고, 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함한다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 뉴런 발화를 위한 주파수의 광은 서로 직교성을 갖는 직교 코드로 모듈레이션된 광일 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광 신호를 획득하는 단계에서는 복수의 채널에서 광 신호를 획득하고, 분석 데이터는 복수의 채널 각각에서 획득된 광 신호로부터 추출되는 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴의 평균치, 최대치, 기울기, 중심점, 치우침 정도 및 퍼짐 정도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에서 각각 획득되는 광 신호로부터 추출되는 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 상관 관계 분석 데이터는 상기 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호로부터 추출되는 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 혈류역학 정보에 관한 시계열 데이터를 주파수 도메인으로 변환하여 주파수 대역에 따라 구분하여 산출되고, 주파수 대역은 근원성 활동에 관한 주파수 대역 및 신경 활동에 관한 주파수 대역을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에 관한 혈류역학 정보의 위상 일치도 값을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도 결과를 고려하여 광자극 패턴을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 장치는 뉴런 발화를 위한 주파수의 광이 피측정자의 대뇌를 통과하여 감지되는 광 신호를 획득하는 광 신호 획득부, 광 신호로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 혈류역학 정보 추출부, 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화에 관한 분석 데이터를 산출하는 분석 데이터 산출부 및 분석 데이터를 기반으로 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 판단부를 포함하고, 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함한다.
이 외에도, 본 개시를 구현하기 위한 다른 방법, 다른 장치 및 상기 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하는 비일시성의 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체가 더 제공된다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링할 수 있다.
또한, 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도에 따라 광자극의 패턴을 제어함으로써, 광자극에 의한 인지 개선 효과를 극대화할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따라 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 시스템 환경을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 산출되는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 혈류역학 정보의 웨이블릿 위상 일치도 분석 과정을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 혈류개선을 위한 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 예시적인 과정을 보여주는 동작 흐름도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 개시의 실시예에 관하여 상세히 설명한다. 이하에서는, 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있다고 판단되는 경우, 이미 공지된 기능 및 구성에 관한 구체적인 설명을 생략한다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 어디까지나 본 개시의 일 실시예에 관한 것일 뿐 본 개시가 이로써 제한되는 것은 아님을 알아야 한다.
본 개시에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 개시를 한정하려는 의도에서 사용된 것이 아니다. 예를 들면, 단수로 표현된 구성요소는 문맥상 명백하게 단수만을 의미하지 않는다면 복수의 구성요소를 포함하는 개념으로 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용되는 "및/또는"이라는 용어는, 열거되는 항목들 중 하나 이상의 항목에 의한 임의의 가능한 모든 조합들을 포괄하는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용되는 '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 본 개시 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것일 뿐이고, 이러한 용어의 사용에 의해 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하려는 것은 아니다.
본 개시의 실시예에 있어서 '모듈' 또는 '부'는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하는 기능적 부분을 의미하며, 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 복수의 '모듈' 또는 '부'는, 특정한 하드웨어로 구현될 필요가 있는 '모듈' 또는 '부'를 제외하고는, 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 일체화되어 적어도 하나의 프로세서에 의해 구현될 수 있다.
덧붙여, 달리 정의되지 않는 한 기술적 또는 과학적인 용어를 포함하여 본 개시에서 사용되는 모든 용어들은 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은, 관련 기술의 문맥상 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 개시에서 명백하게 달리 정의하지 않는 한 과도하게 제한 또는 확장하여 해석되지 않는다는 점을 알아야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 개시의 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따라 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 시스템 환경을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 시스템(100)은, 디바이스(110), 광자극 및 모니터링 장치(120) 및 통신망(130)을 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 디바이스(110)는 피측정자의 신체 부위(예를 들면, 머리 부위 등)에 착용될 수 있고, 피측정자로부터 소정의 신호를 측정하는 기능을 수행할 수 있다. 디바이스(110)에서 측정되는 신호는 후술하는 바와 같이, 광자극 및 모니터링 장치(120)에서 처리 또는 분석되어 피측정자의 해당 신체 부위에서 일어나는 활동(예를 들면, 대뇌에서 일어나는 혈류 변화 등)을 평가하는 데에 활용될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 디바이스(110)는 적어도 하나의 발광부 및 적어도 하나의 수광부를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 디바이스(110)의 발광부는 피측정자의 머리 부위(더 구체적으로는, 대뇌 부위)에 대하여 근적외선을 조사하는 기능을 수행할 수 있다. 발광부는 광을 방출하는 복수의 광원을 포함할 수 있으며, 예를 들어 발광부는 레이저 또는 LED를 포함할 수 있다.
한편, 광자극을 위하여, 즉 세포 재생 및 활성화를 촉진하기 위해서는 일반적으로 근적외선 분광법에서 사용하는 광보다 더 강한 파워와 패턴의 광을 사용해야한다. 이를 위해, 본 개시의 일 실시예에 의하면, 발광부는 뉴런 발화(firing)를 위한 주파수의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 발광부에서 방출하는 광은 서로 직교성을 갖는 직교 코드, 예를 들어 월시 코드(Walsh code)와 같은 CDMA 코드로 모듈레이션된 광일 수 있다. 직교 코드의 경우 장시간 볼 때 패턴의 주기성이 있어 뉴런 발화를 위한 주파수와 일치시킬 수 있기에, 발광부에서 방출하는 광을 직교 코드로 모듈레이션함으로써 발광부에서 뉴런 발화를 위한 주파수의 광을 방출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 수광부는 피측정자의 머리 부위(예를 들어, 대뇌 정맥 혈액)로부터 반사, 산란 또는 투과되는 근적외선을 감지하는 기능을 수행할 수 있다. 수광부는 발광부에서 방출되고, 피측정자의 대뇌를 통과하여 나온 광을 수집하는 광 검출기(Photo Detector, PD)와 광 검출기를 구동하는 회로로 구성되는 적어 하나의 모듈을 포함할 수 있다. 발광부를 통해 방출된 광은 수광부에서 수신되어 전기적 신호로 변환될 수 있으며, 이러한 전기적 신호는 후술하는 광자극 및 모니터링 장치(120)에 전달될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 수광부에서는 서로 직교성을 갖는 직교 코드를 이용하여 발광부에서 방출된 광을 디모듈레이션함으로써, 피측정자의 대뇌를 통과하여 나온 광을 감지할 수 있다.
이처럼, 본 개시의 일 실시예에서는 발광부에서 뉴런 발화를 위한 주파수의 광을 방출하도록 구성되어 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링할 수 있다. 또한, 발광부에서는 각각의 광원에서 광을 코드 모듈레이션하여 방출하고, 수광부에서는 방출된 광을 발광부에서와 동일한 코드로 디모듈레이션함으로써, 어느 광원에서 방출된 광인지 여부를 식별할 수 있으며, 이에 따라 피측정자의 대뇌의 여러 영역의 혈류역학 정보를 상호간의 간섭없이 정확하게 획득할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 디바이스(110)에는 복수의 발광부 중 어느 하나의 발광부와 복수의 수광부 중 어느 하나의 수광부 사이의 페어(pair)에 대응하여 정의되는 복수의 채널이 설정될 수 있다. 구체적으로, 디바이스(110) 내에서 특정 위치에 배치되는 발광부에 의하여 발생되는 광 신호가 피측정자의 대뇌를 통과하여 특정 위치에 배치되는 수광부에서 감지될 수 있는데, 이처럼 광 신호가 전달 또는 전파되는 경로 또는 영역이 채널로서 정의될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 인지 기능 개선을 위한 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하는 기능을 수행할 수 있다. 광자극 및 모니터링 장치(120)는 통신망(130)을 통해 디바이스(110)와 통신을 수행할 수 있다. 하지만, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 광자극 및 모니터링 장치(120)의 구성요소 또는 기능 중 적어도 일부가 디바이스(110) 내에서 실현되거나 디바이스(110) 내에 포함될 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 통신망(130)은 유선 통신이나 무선 통신과 같은 통신 양태를 가리지 않고 구성될 수 있으며, 근거리 통신망(LAN; Local Area Network), 도시권 통신망(MAN; Metropolitan Area Network), 광역 통신망(WAN; Wide Area Network) 등 다양한 통신망으로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 본 명세서에서 말하는 통신망은 공지의 인터넷 또는 월드와이드웹(WWW; World Wide Web)일 수 있다. 그러나, 통신망은, 굳이 이에 국한될 필요 없이, 공지의 유무선 데이터 통신망, 공지의 전화망 또는 공지의 유무선 텔레비전 통신망을 그 적어도 일부에 있어서 포함할 수도 있다.
예를 들면, 통신망(130)은 무선 데이터 통신망으로서, 와이파이(WiFi) 통신, 와이파이 다이렉트(WiFi-Direct) 통신, 롱텀 에볼루션(LTE, Long Term Evolution) 통신, 5G 통신, 블루투스 통신(저전력 블루투스(BLE; Bluetooth Low Energy) 통신 포함), 적외선 통신, 초음파 통신 등과 같은 종래의 통신 방법을 적어도 그 일부분에 있어서 구현하는 것일 수 있다. 다른 예를 들면, 통신망은 광 통신망으로서, 라이파이(LiFi, Light Fidelity) 등과 같은 종래의 통신 방법을 적어도 그 일부분에 있어서 구현하는 것일 수 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치의 기능적 구성을 개략적으로 도시한 기능 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)는, 광 신호 획득부(202), 혈류역학 정보 추출부(204), 분석 데이터 산출부(206), 판단부(208), 피드백부(210) 및 통신부(212)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 구성요소들은 광자극 및 모니터링 장치(120)의 모든 기능을 반영한 것이 아니고, 필수적인 것도 아니어서, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 도시된 구성요소들 보다 많은 구성요소를 포함하거나 그보다 적은 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 디바이스(110)의 발광부 및 수광부를 제어하는 디바이스 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광 신호 획득부(202), 혈류역학 정보 추출부(204), 분석 데이터 산출부(206), 판단부(208), 피드백부(210) 및 통신부(212)는 그 중 적어도 일부가 외부의 시스템(미도시됨)과 통신하는 프로그램 모듈일 수 있다. 이러한 프로그램 모듈을 운영 시스템, 응용 프로그램 모듈 또는 기타 프로그램 모듈의 형태로 광자극 및 모니터링 장치(120)에 포함될 수 있고, 물리적으로는 여러 가지 공지의 기억 장치에 저장될 수 있다. 또한, 이러한 프로그램 모듈은 광자극 및 모니터링 장치(120)와 통신 가능한 원격 기억 장치에 저장될 수도 있다. 한편, 이러한 프로그램 모듈은 본 개시에 따라 후술할 특정 업무를 수행하거나 특정 추상 데이터 유형을 실행하는 루틴, 서브루틴, 프로그램, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포괄하지만, 이에 제한되지는 않는다.
전술한 바와 같이, 광자극 및 모니터링 장치(120)에 관한 설명은 예시적인 것이고, 광자극 및 모니터링 장치(120)의 구성요소 또는 기능 중 적어도 일부가 필요에 따라 피측정자의 머리 부위에 착용될 수 있는 디바이스(110) 내에서 실현되거나 디바이스(110) 내에 포함될 수도 있음은 당업자에게 자명하다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)의 광 신호 획득부(202)는, 피측정자의 머리 부위로부터 감지되는 광 신호를 획득하는 기능을 수행할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 디바이스(110)는 피측정자의 머리 부위에 착용될 수 있으며, 이러한 디바이스(110)는 뉴런 발화를 위한 주파수의 광을 방출하는 발광부 및 피측정자의 대뇌를 통과하는 광을 감지하는 수광부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 광 신호 획득부(202)는 디바이스(110)의 발광부에서 방출되어 피측정자의 대뇌를 통과하여 디바이스(110)의 수광부에서 감지되는 광 신호를 획득할 수 있다. 다시 말해, 광 신호 획득부(202)는 발광부와 수광부의 조합에 따라 정의되는 복수의 채널에서 측정되는 광 신호를 획득할 수 있다. 여기서, 광 신호는 근적외선 분광법에 기초한 광학 밀도 신호(OD; Optical Density) 일 수 있다. 광 신호 획득부(202)는 예를 들면, 통신망(130)을 통하여 연결되는 디바이스(110)로부터 광 신호를 획득하거나 또는 광 신호가 저장된 적어도 하나의 기록 디바이스로부터 광 신호를 획득할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 광 신호 획득부(202)에서 획득되는 광 신호에는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안에 획득되는 광 신호 및 피측정자가 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호가 포함될 수 있다. 구체적으로, 디바이스(110)의 발광부는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안에 또는 피측정자가 휴식 상태인 동안에 피측정자의 머리 부위에 대하여 근적외선을 조사할 수 있고, 수광부는 피측정자의 해당 머리 부위로부터 반사 또는 산란되는 근적외선을 감지할 수 있으며, 이에 따라 광 신호 획득부(202)는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안에 또는 피측정자가 휴식 상태인 동안에 광 신호를 획득할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)의 혈류역학 정보 추출부(204)는, 광 신호 획득부(202)에서 획득한 광 신호로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 기능을 수행할 수 있다. 구체적으로, 혈류역학 정보 추출부(204)는 피측정자의 대뇌 부위로부터 산란 또는 반사되는 근적외선을 감지한 결과에 기초하여, 피측정자의 혈류역학 정보, 예를 들어 피측정자의 대뇌 부위에 존재하는 혈액의 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화를 추출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보 추출부(204)는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안에 획득되는 광 신호 및 피측정자가 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호 각각으로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 피측정자 인지 과제를 수행하는 동안에 피측정자의 뇌가 활성화 상태가 될 수 있으며, 피측정자가 인지 과제를 수행하지 않는 동안에 피측정자의 뇌가 휴식 상태가 될 수 있다. 이에 따라, 혈류역학 정보 추출부(204)는 피측정자의 뇌가 활성화 상태인 동안 및/또는 피측정자의 뇌가 휴식 상태인 동안에 피측정자의 혈류역학 정보를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 피측정자가 수행하는 인지 과제에는 다양한 종류의 인지 기능 검사가 포함될 수 있으며, 예를 들어 인지 과제에는 언어 유창성 검사(VFT; Verbal Fluency Test), 숫자 외우기 검사(Digit Span Test), 스트룹 검사(Stroop Test), 영상 기억하기 검사(SEMT; Social Event Memory Test) 및 이야기 기억하기 검사(SMT; Speech Memory Test), 얼굴 기억하기 검사(FMT; Face Memory Test) 중 적어도 하나가 포함될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 의하면, 인지 과제는 피측정자가 인지 기능 검사를 수행하는 상황 또는 피측정자가 온전히 휴식을 취하는 상황 또는 피측정자가 명상을 수행하는 상황이 일정한 주기로 반복되어 발생하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 혈류역학 정보 추출부(204)는 피측정자가 인지 기능 검사를 수행하는 동안 또는 피측정자가 온전히 휴식을 취하는 동안 또는 피측정자가 명상을 수행하는 동안에 피측정자의 혈류역학 정보를 추출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보 추출부(204)는 피측정자의 대뇌 영역을 구성하는 각각의 영역에 대하여 혈류역학 정보를 추출할 수 있다. 예를 들어, 피측정자의 대뇌 부위는 대뇌 좌측 영역 및 대뇌 우측 영역의 적어도 두 영역으로 구분될 수 있으며, 혈류역학 정보 추출부(204)는 대뇌의 적어도 두 영역으로부터 각각 광 신호를 감지하고, 그 감지되는 광 신호에 기초하여 적어도 두 영역 각각에 대하여 혈류역학 정보, 예컨대 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화를 추출할 수 있다. 여기서, 적어도 두 영역 각각에 대하여 각각 추출되는 혈류역학 정보는, 그 영역에 포함되는 둘 이상의 채널에서의 측정값들의 평균을 의미할 수 있다. 다른 예를 들면, 피측정자의 대뇌 부위는 담당하는 기능에 따라 복수의 영역으로 구분될 수 있으며, 혈류역학 정보 추출부(204)는 대뇌의 기능에 따른 복수의 영역으로부터 각각 광 신호를 감지하고, 그 감지되는 광 신호에 기초하여 복수의 영역 각각에 대하여 혈류 역학 정보, 예컨대 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화를 추출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)의 분석 데이터 산출부(206)는, 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화량에 관한 분석 데이터를 산출하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 분석 데이터 산출부(206)는 복수의 채널 각각에서 추출되는 혈류역학 정보를 기초로 각각 독립적인 혈류역학 정보의 분석 데이터를 산출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴에서 나타나는 적어도 하나의 특징적인 지표를 포함할 수 있다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 산출되는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터를 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 3은, 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안에 획득되는 광 신호 및 피측정자가 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호 각각으로부터 추출되는 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 시간에 따른 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화 패턴으로부터 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터를 산출할 수 있다. 일 실시예에서, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 시간에 따른 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화 패턴에서 나타나는 적어도 하나의 특징적인 지표를 포함할 수 있다. 예를 들면, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화 패턴의 평균치(Mean)(a), 최대치(Max)(b), 기울기(Slope)(c), 중심점(Centroid)(d), 치우침 정도(Skewness) 및 퍼짐 정도(Kurtosis) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, 각각의 지표는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 피측정자가 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호로부터 추출되는 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다. 또한, 각각의 지표는 복수의 채널 각각에서 획득되는 광 신호로부터 추출되는 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다.
일 실시예에서, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에서 각각 획득되는 광 신호로부터 추출되는 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있으며, 피측정자의 대뇌 좌측 및 우측의 두 영역에서 산출되는 해당 지표들의 편차에 관한 데이터를 포함할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 상관 관계 분석 데이터 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호로부터 추출되는 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출될 수 있다. 구체적으로, 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 피측정자가 휴식 상태인 동안에 추출되는 시계열 형태의 피측정자의 혈류역학 정보로부터 상관 맵(correlation map)을 도출하고, 피측정자의 대뇌의 어떤 영역들이 유기적으로 연관되어 활성화 또는 비활성화되었는지 파악할 수 있다. 이에 따라 피측정자가 특정 인지 과제를 수행함에 있어서 대뇌의 어느 영역들이 연계되어 활용되고 있는지, 각 영역들이 유기적으로 적절하게 활용되고 있는지 여부를 확인할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보의 상관 관계 분석 데이터를 산출함에 있어서 복수의 채널에서 각각 추출되는 혈류역학 정보를 활용할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 혈류역학 정보에 관한 시계열 데이터를 주파수 도메인으로 변환하여 분석할 수 있다.
주파수 분석 데이터는, 예를 들어 아래의 5개의 주파수 대역으로 분리될 수 있으며, 해당 주파수 대역은 각기 특정한 생리적 기원(physiological origins)에 따른 영향을 포함할 수 있다.
Ⅰ: 0.6 내지 2Hz(심장 활동; cardiac activity)
Ⅱ: 0.15 내지 0.6Hz(호흡; respiration)
Ⅲ: 0.05 내지 0.15Hz(근원성 활동; myogenic activity)
Ⅳ: 0.02 내지 0.05Hz(신경 활동; neurogenic activity)
Ⅴ: 0.0095 내지 0.02Hz(내피 대사 활동; endothelial metabolic activity)
도 4는 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터를 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 4는, 옥시 헤모글로빈 신호의 전력 스펙트럼 밀도(PSD; Power Spectral Density)가 심장 활동, 호흡, 근원성 활동, 신경 활동 등에 관한 신호를 포함하는 것을 예시하고 있다. 이처럼, 주파수 도메인에서의 분석을 통하여 주파수 대역별 신호의 파워를 확인할 수 있고, 이를 통해 근원성 활동 내지 신경 활동에 관한 신호를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 피측정자의 혈류역학 정보 중 선택되는 어느 두 쌍에 대하여 위상 일치도 분석을 수행함으로써 산출되는 위상 일치도에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 여기서, 위상 일치도에 관한 데이터는 웨이블릿 위상 일치도(Wavelet Phase Coherence; WPCO) 값을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 웨이블릿 위상 일치도를 산출하기 위해서 혈류역학 정보, 예를 들어 헤모글로빈 농도 변화에 관한 신호에서 선택되는 어느 두 신호의 쌍에 대하여 위상 일치도 분석을 수행할 수 있다. WPCO 분석에서는 WPCO 값이 1에 가까울수록 두 신호의 위상이 일치하는 정도가 높은 것을 의미할 수 있고, WPCO 값이 0에 가까울수록 두 신호의 위상이 일치하는 정도가 낮은 것을 의미할 수 있다.
도 5는 혈류역학 정보의 위상 일치도 분석 과정을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 서로 다른 두 신호(예를 들어, 복수의 채널 중 선택되는 2개의 채널에서의 신호)에 대해 각각 웨이블릿 변환을 진행한 후, 이들의 위상 일치도 분석을 수행할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에서의 혈류역학 정보의 위상 일치도 분석이 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 위상 일치도에 관한 데이터는 주파수 대역별로 구분되어 산출될 수 있다. 예를 들어, 위상 일치도 값은 상기 5개의 주파수 대역으로 구분되어 산출될 수 있다. 이에 따라, 피측정자의 대뇌 좌측 및 우측 영역에서의 신호(혈류역학 정보)의 위상 일치 정도를 필요한 주파수 대역(예를 들어, 근원성 활동 내지 신경 활동에 관한 주파수 대역)에서 산출할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)의 판단부(208)는, 분석 데이터를 기반으로 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 판단부(208)는 복수의 채널 각각으로부터 산출되는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터에 포함되는 지표를 비교, 분석함으로써, 피측정자의 대뇌 영역별 혈류개선 정도를 파악할 수 있으며, 이에 따라 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 판단부(208)는 분석 데이터의 변화량을 소정 기간, 예를 들어 일간, 주간, 월간으로 비교, 평가하고, 이를 토대로 피측정자의 대뇌 영역별 혈류개선 정도를 보다 정확하게 판단할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른 광자극 및 모니터링 장치(120)의 피드백부(210)는, 판단부(208)에서 판단한 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도 결과를 고려하여 광자극 패턴을 결정하는 기능을 수행할 수 있다. 일 실시예에서, 광자극 패턴은 광자극 유무, 광자극 세기, 광자극 위치, 광자극 시간 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 인지 기능 개선 정도에 관한 판단 결과 피측정자의 좌, 우측 대뇌에 불균형이 있는 경우, 어느 한 영역에 대하여 근적외선의 입사 파워를 증가 혹은 감소시키거나 주파수의 변형을 통해 개인에게 적합한 형태의 광자극 패턴을 결정할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 피드백부(210)에서 결정되는 광자극 패턴에 관한 정보는 디바이스(110)의 발광부에 전달될 수 있으며, 디바이스(110)의 발광부에서는 피드백부(210)에서 결정되는 광자극 패턴에 따라 피측정자의 신체 부위에 방출하는 광의 패턴(세기, 위치, 시간 등)을 변경할 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 통신부(212)는, 광 신호 획득부(202), 혈류역학 정보 산출부(204), 분석 데이터 추출부(206), 판단부(208) 및 피드백부(210)로부터의/로의 데이터 송수신이 가능하도록 하는 기능을 수행할 수 있으며, 또한 광자극 및 모니터링 장치(120)의 외부 통신망과 통신할 수 있도록 기능할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 혈류개선을 위한 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 예시적인 과정을 보여주는 동작 흐름도이다. 이하에서는 각 단계들이 순차적인 순서로 설명되어 있으나, 일부 단계들은 반드시 순차적으로 행해지는 것이 아니며, 동시에 수행되도록 구성되거나, 단계들 사이에 다른 단계가 추가되어 수행되도록 구성되는 등으로 변형되어 실시될 수도 있다.
먼저, 단계(S602)에서, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 광 신호를 획득할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 피측정자의 머리 부위에 착용되고, 뉴런 발화를 위한 주파수의 광을 방출하는 발광부 및 피측정자의 대뇌를 통과하는 광을 감지하는 수광부를 포함하는 디바이스에 의해 피측정자의 대뇌로부터 감지되는 광 신호를 획득할 수 있다. 일 실시예에서, 뉴런 발화를 위한 주파수의 광은 서로 직교성을 갖는 직교 코드로 모듈레이션된 광일 수 있다.
단계(S604)에서 광자극 및 모니터링 장치(120)는, 단계(S602)에서 획득한 광 신호로부터 피측정자의 혈류역학 정보를 추출할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따르면, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호로부터 혈류역학 정보를 추출할 수 있다. 일 실시예에서, 광자극 및 모니터링 장치(120)는 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에서 각각 획득되는 광 신호로부터 혈류역학 정보를 추출할 수 있다.
단계(S606)에서 광자극 및 모니터링 장치(120)는, 단계(S604)에서 추출한 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화량에 관한 분석 데이터를 산출할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 의하면, 광자극 및 모니터링 장치(120)에서 산출하는 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 옥시 헤모글로빈의 농도 변화 및 디옥시 헤모글로빈의 농도 변화 패턴의 평균치, 최대치, 기울기, 중심점, 치우침 정도 및 퍼짐 정도 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 혈류역학 정보에 관한 시계열 데이터를 주파수 도메인으로 변환하여 주파수 대역에 따라 구분하여 산출될 수 있으며, 근원성 활동 내지 신경 활동에 관한 주파수 대역에서의 신호를 추출할 수 있다. 또한, 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 위상 일치도 값(예를 들어, 피측정자 대뇌의 좌측 및 우측 두 영역으로부터의 신호의 위상 일치도 값)을 포함할 수 있다.
단계(S608)에서 광자극 및 모니터링 장치(120)는, 단계(S606)에서 산출한 분석 데이터를 기반으로 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단할 수 있다.
이상 설명된 본 개시에 따른 실시예는 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 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. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 개시를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 하드웨어 장치는 본 개시에 따른 처리를 수행하기 위하여 하나 이상의 소프트웨어 모듈로 변경될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 본 개시를 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예에 의해 설명하였으나, 상기 실시예는 본 개시의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 개시가 이에 한정되는 것은 아니며, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 개시의 사상은 앞서 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 개시의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
202: 광 신호 획득부
204: 혈류역학 정보 추출부
206: 분석 데이터 산출부
208: 판단부
210: 피드백부
212: 통신부

Claims (11)

  1. 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 방법으로서,
    뉴런 발화를 위한 주파수의 광이 피측정자의 대뇌를 통과하여 감지되는 광 신호를 획득하는 단계,
    상기 광 신호로부터 상기 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 단계,
    상기 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 상기 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화에 관한 분석 데이터를 산출하는 단계 및
    상기 분석 데이터를 기반으로 상기 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 단계를 포함하고,
    상기 분석 데이터는 상기 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 뉴런 발화를 위한 주파수의 광은 서로 직교성을 갖는 직교 코드로 모듈레이션된 광인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 신호를 획득하는 단계에서는 복수의 채널에서 광 신호를 획득하고, 상기 분석 데이터는 상기 복수의 채널 각각에서 획득된 광 신호로부터 추출되는 혈류역학 정보를 기초로 산출되는, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 혈류역학 정보의 변화 패턴의 평균치, 최대치, 기울기, 중심점, 치우침 정도 및 퍼짐 정도 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터는 상기 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에서 각각 획득되는 광 신호로부터 추출되는 상기 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출되는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 혈류역학 정보의 상관 관계 분석 데이터는 상기 피측정자가 인지 과제를 수행하는 동안 또는 휴식 상태인 동안에 획득되는 광 신호로부터 추출되는 상기 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 산출되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 상기 혈류역학 정보에 관한 시계열 데이터를 주파수 도메인으로 변환하여 주파수 대역에 따라 구분하여 산출되고,
    상기 주파수 대역은 근원성 활동에 관한 주파수 대역 및 신경 활동에 관한 주파수 대역을 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 혈류역학 정보의 주파수 분석 데이터는 상기 피측정자의 대뇌 좌측, 우측의 두 영역에 관한 혈류역학 정보의 위상 일치도 값을 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도 결과를 고려하여 광자극 패턴을 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 기록하는 비일시성의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
  11. 광자극과 동시에 광자극의 효과를 모니터링하기 위한 장치로서,
    뉴런 발화를 위한 주파수의 광이 피측정자의 대뇌를 통과하여 감지되는 광 신호를 획득하는 광 신호 획득부,
    상기 광 신호로부터 상기 피측정자의 혈류역학 정보를 추출하는 혈류역학 정보 추출부,
    상기 피측정자의 혈류역학 정보를 기초로 상기 피측정자의 인지 기능 또는 인지 기능 변화에 관한 분석 데이터를 산출하는 분석 데이터 산출부 및
    상기 분석 데이터를 기반으로 상기 피측정자의 대뇌 영역별 인지 기능 개선 정도를 판단하는 판단부를 포함하고,
    상기 분석 데이터는 상기 혈류역학 정보의 변화 패턴 분석 데이터, 상관 관계 분석 데이터 및 주파수 분석 데이터 중 적어도 하나를 포함하는, 장치.
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