WO2015076444A1 - 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은, 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하는 제1 전극부, 및 상기 제1 전극부와 연결되고 상기 뇌로부터 수신된 뇌파를 측정하는 제2 전극부를 포함하되, 상기 제2 전극부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함한다.

Description

뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템
본 발명은 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 단일 시스템으로 구현되어 뇌파 측정과 두뇌 자극을 동시에 수행할 수 있는 일체형 시스템에 관한 것이다.
뇌는 인체 머리의 내부 기관으로서 신경계의 최고 중추기관이며, 대뇌, 소뇌, 중간뇌, 다리뇌, 연수로 나뉘어진다. 또한, 뇌는 뉴런 활동 준위의 합이 뇌의 표피에서 측정되는 신호인 뇌파를 발생한다.
뇌의 상태를 측정하는 방법으로서, 먼저 두피에 전극을 구비한 패드를 장착하여 전극으로부터 수신되는 뇌파를 측정하여 검사하는 EEG(electroencephalogram) 검사 또는 뇌를 방사선이나 초음파를 이용하여 여러 각도에서 단층 촬영하여 검사하는 CT 검사, 자기공명에 의해 뇌를 촬영하는 MRI 검사 등이 있다.
다양한 개념들이 뇌 구조들의 신경 자극의 분야에 알려져 있으며, 뇌를 자극시켜서 소정의 목적을 달성하는 두뇌자극술은 크게 침습식 두뇌자극술(invasive brain stimulation)과 비침습식 두뇌자극술(non-invasive brain stimulation)로 구분된다.
침습식 두뇌자극술은 수술을 통하여 전극을 뇌에 침투시키고 전기 신호를 인가하는 방법이고, 비침습식 두뇌자극술은 두개골 내부로 전극을 침습하지 않고 뇌를 자극하여 소정의 효과를 달성하는 방법이다.
구체적인 두뇌자극술은 심부 전기 자극법(deep electrical stimulation), 경두개 자기 자극법(TMS: transcranial magnetic stimulation) 및 경두개 전기 자극법(TES:transcranial electrical stimulation), 특히 경두개 직류 자극법(tDCS: transcranial direct current stimulation) 및 경두개 랜덤 노이즈 자극법(tRNS: transcranial random noise stimulation)을 포함한다.
특히, 경두개 직류 자극법(tDCS)의 경우에는, 약한 연속적인 직류가 두피의 위에 있는 두 개의 대면적 전극들을 통해 가해진다. 이는 피질의 신경세포들의 막 전위의 작은 변경 및 발화율의 변화를 초래하며, 그에 따라 이의 흥분 레벨이 영향을 받는다. 정확히 말하면, 이는 자극의 극성에 따라, 증가되거나 감소된다. 양극의 자극의 경우에(양극은 세포 몸체나 수지상 돌기의 근처에 있다), 탈분극화가 증가된 막 전위와 발화율에 의해 발생되며, 그에 따라 흥분을 증가시킨다. 음극의 자극의 경우에, 신경세포들은 낮아진 막 전위와 발화율의 결과로 과분극화된다.
종래의 뇌파 관련 장치는 뇌를 자극하기 위한 모듈과 뇌로부터 감지된 뇌파를 수집하여 분석하는 모듈이 별도의 장치로 구성되어 뇌의 상태와 무관하게 단순하고 일정한 자극만을 가하게 된다. 특히, 뇌의 특정한 영역을 활성화시켜서 원하는 결과를 얻기 위해서는 특정한 부위를 사용자의 상태에 따라 적절한 전류로 자극해야 할 필요가 있으나 기존의 뇌를 자극하는 모듈이 포함된 장치는 이를 구현하는 것이 어렵다.
또한, 뇌를 자극하기 위한 모듈은 습식전극을 기초로 구성되고, 뇌로부터 감지된 뇌파를 수집 및 분석하는 모듈은 건식전극을 기초로 구성되기 때문에, 각각의 전극을 통합적으로 구현하는 것이 어려우며, 습식전극은 뇌로 인가된 미세전류가 고른 영역으로 퍼지도록 임피던스가 커야 하는 반면 건식전극은 뇌로부터 수신되는 미세전압을 명확히 감지할 수 있도록 임피던스가 작아야 하는 반대상황이 발생한다.
구체적으로, 뇌를 자극하기 위한 모듈은 습식전극을 기초로 구성되어 뇌로 인가된 미세전류가 고른 영역으로 퍼지도록 k옴 단위의 임피던스를 갖는 전해질을 사용하는 반면, 뇌로부터 감지된 뇌파를 수집 및 분석하는 모듈은 뇌로부터 수신되는 미세전압을 명확히 감지할 수 있도록 수옴 내지 수백옴 이하의 낮은 임피던스를 갖는 전해질을 사용하는 습식 전극이나 다양한 저 임피던스의 전도성 물질을 사용하여 건식 전극을 구현하기도 한다. 이런 상반된 특성으로 인해 뇌를 자극하기 위한 모듈에서 사용되는 전극과 뇌파를 수집 분석하는 모듈의 전극은 하나로 통합되기 힘든 특성이 있다.
더욱이, 뇌를 자극하기 위한 모듈과 뇌로부터 감지된 뇌파를 수집 및 분석하는 모듈은 서로 인접하게 배치될 경우 간섭현상이 발생하여, 자극 모듈에서 뇌로 인가한 전류가 그대로 감지 모듈에서 판독되는 등의 현상이 발생하여 정확한 뇌파 측정이 어려운 문제가 있다.
이와 같은 문제점으로부터 착안된 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 측정과 자극을 담당하는 전극을 하나로 공유하거나 각각의 전극이 서로 밀착되도록 배치하여 하나의 통합된 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는, 뇌파의 측정과 두뇌의 자극을 동시에 수행하되, 뇌파의 측정 상태를 모니터링하여 두뇌의 자극 정도를 실시간으로 제어할 수 있는 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 특정조건 하에서의 다양한 클라이언트의 뇌파를 저장하여 이를 데이터베이스화하고 이를 기초로 동시간 대의 복수의 사용자의 뇌파신호를 기초로 특정 그룹의 뇌파 상태를 분석하는 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은, 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하는 제1 전극부, 및 상기 제1 전극부와 연결되고 상기 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하는 제2 전극부를 포함하되, 상기 제2 전극부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은, 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하거나 상기 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하는 제1 전극부, 상기 제1 전극부와 연결되어 상기 미세전류를 제어하는 자극부, 및 상기 제1 전극부와 연결되어 상기 뇌파신호를 수신하는 측정부를 포함하되, 상기 측정부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함한다.
상기 미세전류는 직류전류(DC)이고, 상기 뇌파신호는 교류전류(AC)일 수 있다.
상기 차단필터는 직류차단필터(DC Blocking Filter)일 수 있다.
상기 제1 전극부는, 두피에 직접 접촉되는 고체전해질층 및 상기 고체전해질층의 일면에 연결되는 전도성층을 포함할 수 있다.상기 고체전해질층 및 상기 전도성층은 연성이고 상기 두피에 대응하여 곡면형상이 가변될 수 있다.
상기 제1 전극부는, 두피에 직접 접촉되는 습식전해질층 및 상기 고체전해질층의 일면에 연결되는 방수 타입 전도성층을 포함한다.
상기 제1 전극부는, 두뇌 자극 과정에서 1kΩ 내지 20kΩ의 임피던스 값을 갖는 전해질층을 포함할 수 있다.
상기 제1 전극부는, 전두엽 영역에 배치되어 제1 뇌파를 측정하는 제1 서브전극, 상기 전두엽 영역 이외의 영역에 배치되어 제2 뇌파를 측정하는 제2 서브전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 뇌파 및 상기 제2 뇌파를 수신하는 측정부를 더 포함할 수 있다.
상기 측정부는 상기 제1 뇌파와 상기 제2 뇌파의 차이로부터 제3 뇌파를 추출할 수 있다.
상기 제1 전극부는, 상기 뇌파신호를 기초로 상기 미세전류를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은, 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 생성하는 자극부와, 상기 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하는 측정부를 포함하는 제1 디바이스, 상기 제1 디바이스로부터 상기 뇌파신호를 포함하는 데이터를 수신하여 관리하는 제어부를 포함하는 제2 디바이스를 포함한다.
상기 제1 디바이스는 머리에 착용하는 헤드셋 타입이고, 상기 제2 디바이스는 모바일 장치일 수 있다.
상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스는 상기 뇌파신호를 기초로 상기 미세전류를 제어할 수 있다.
상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스와 통신하며, 상기 뇌파신호를 수신하여 복수의 측정 데이터를 관리하는 서버를 더 포함할 수 있다.
상기 서버는 동시간 대의 복수의 사용자의 상기 뇌파신호를 기초로 특정 그룹의 뇌파 상태를 분석할 수 있다.
상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스는 상기 뇌파신호 또는 상기 미세전류를 표시하는 모니터링부를 더 포함할 수 있다.
상기 측정부는 상기 미세전류를 차단하는 캐패시터 필터를 포함할 수 있다.
상기 측정부는 노이즈 진동의 위상을 변경하여 출력하는 역위상 노이즈 출력모듈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 측정과 자극을 담당하는 전극을 하나로 공유하거나 각각의 전극이 서로 밀착되도록 배치하여 하나의 통합된 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 뇌파의 측정과 두뇌의 자극을 동시에 수행하되, 뇌파의 측정 상태를 모니터링하여 두뇌의 자극 정도를 실시간으로 제어할 수 있는 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 특정조건 하에서의 다양한 클라이언트의 뇌파를 저장하여 이를 데이터베이스화하고 이를 기초로 동시간 대의 복수의 사용자의 뇌파신호를 기초로 특정 그룹의 뇌파 상태를 분석할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 실시예에 차단필터가 추가된 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 3의 실시예에 차단필터가 추가된 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 전극부의 개략적인 단면도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 전극부의 개략적인 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 전극부의 개략적인 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 전극부의 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 디바이스간 통신구조를 나타내는 블록도이다.
도 10은 도 9의 시스템의 구체적인 예를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 복수 데이터 수집구조를 나타내는 블록도이다.
도 12는 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 모니터링부를 나타내는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예들에 따른 제1 디바이스의 자극부와 측정부의 상세구조를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 블록도가 도시된다. 본 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은 전극부(100) 및 제어부(400)를 포함하며, 전극부(100)는 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하는 제1 전극부(110)와, 제1 전극부(110)와 연결되거나 분리되며 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하는 제2 전극부(120)를 포함한다.
전극부(100)는 대상체(S)의 머리 부분에 배치되며, 특히 제1 전극부(110)와 제2 전극부(120)는 대상체(S)의 전두엽 부분에 배치될 수 있다. 전극부(100)는 직접 두피나 피부에 닿는 접촉전극을 포함할 수 있으며, 접촉전극에 전기적인 신호를 전달하거나 접촉전극으로부터 전기적인 신호를 수신하는 소정의 회로 및 전원공급장치를 포함할 수 있다.
대상체(S)로부터 뇌파신호를 측정하는 제2 전극부(120)는 반드시 대상체(S)의 피부 예를 들어 전두엽 두피 영역에 밀착될 필요가 없으며, 피부와 제2 전극부(120) 사이의 공기층을 커패시터로 이용하여 이격된 상태에서도 뇌피신호를 측정할 수도 있다.
제2 전극부(120)는 뇌 상태에 대한 뇌파신호를 측정하며, 뇌파신호는 전기신호 이외에 다른 다양한 신호 형태로 구성되어 뇌로부터 발생되는 신호를 검출할 수 있다. 예를 들어, 초음파 또는 MRI 등과 같은 다양한 방법으로 뇌로부터 발생한 신호를 측정할 수 있다. 이러한 경우, 제2 전극부(120)는 각 신호의 종류에 대응되는 검출 구조를 가질 수 있으며, 제2 전극부(120)는 두피에 접촉하지 않는 비접촉 형태로 구성될 수 있다.
이와 같은 제2 전극부(120)에서 수신되는 뇌파신호는 예를 들어, 전기 신호(EEG, electroencephalogram), 근적외선 신호(Near-infrared signal), 임피던스 신호(impedance signal), 음향 신호(acoustic signal), 자기 신호(magnetic signal), 역학 신호(mechanical signal), 생화학 신호(chemical signal), 광학 신호(optical signal), 초음파 신호(ultrasonic signal) 등을 포함할 수 있다.
마찬가지로, 대상체(S)에 미세전류를 인가하는 제1 전극부(110)도 경두개 직류 자극술(tDCS: transcranial direct current stimulation)과 같은 직접적인 전류 인가 방식인 경우에는 대상체(S)의 두피에 밀착될 필요가 있으나, 경두개 자기 자극술(TMS: transcranial magnetic stimulation) 등과 같은 방법을 이용하여 미세전류를 전두엽에 인가하는 경우에는 제1 전극부(110)도 마찬가지로 대상체(S)의 두피에 밀착될 필요가 없다.
전극부(100)의 재질은 한정되지 않으며, 전도성 금속으로 구성되거나 또는 비금속 재질로 구성될 수 있다. 각각의 제1 및 제2 전극부(110, 120)는 복수의 전극으로 구성될 수 있으며, 전극부(100)를 포함하는 제1 디바이스(500, 도 9 참조)가 경두개에 착용되었을 때에 뇌의 배외측전전두피질 영역, 복내측전전두피질 영역, 일차운동피질 영역, 측두엽 영역, 및 후두엽 영역 중 적어도 한 영역에 전기 자극을 가할 수 있는 위치에 전극부(100)가 존재하도록 제1 디바이스(500)에 고정될 수 있다.
전극부(100)는 미세전류를 인가하는 제1 전극부(110)와 인체로부터 뇌파신호를 측정하는 제2 전극부(120) 이외에도 노이즈 제거 및 참조전류를 고려하여 뇌파 측정의 정밀도를 높이기 위한 제3 전극부(미도시)가 더 포함될 수도 있다.
제어부(400)는 단말 장치(100)에서 출력된 뇌파신호를 입력받아, 그 전기 신호의 주파수 값에 따라서 경두개의 특정 위치에 부착된 복수 개의 전극들로 전기 자극 신호를 발생시켜 출력하거나 경두개의 특정 위치에서 뇌파 신호를 감지하는 뇌파 센서(310)로 뇌파 센서 구동 신호를 발생시켜 출력한다.
몇몇 다른 실시예에서, 제어부(400)는 변압기, 복수 개의 주파수 필터 및 복수 개의 정류부를 포함하여 구성될 수 있다. 변압기는 전극부(100)에서 출력된 전기 신호의 전압 크기를 기 설정된 비율로 변압하여 출력한다. 복수 개의 주파수 필터는 서로 다른 주파수 통과 대역을 가지어 변압기를 통해 출력된 전기 신호를 각각 입력받은 후, 그 전기 신호가 가지는 주파수 값에 따라서 전기 신호를 통과 또는 차단시킨다. 복수 개의 정류부는 복수 개의 주파수 필터 각각에 대응되어 전기적으로 연결될 수 있다. 그러면서, 복수 개의 정류부 각각에 전기적으로 연결된 주파수 필터로부터 통과된 전기 신호를 정류하여 그 정류된 신호를 출력한다. 전극부(100)와 전기적으로 연결되어 있는 정류부에서 정류된 신호가 출력되는 경우, 그 정류된 신호는 신호 증폭부(미도시)의 구동 신호로 동작하여, 경두개의 특정 위치에서 뇌파 신호를 감지하는 전극(미도시)으로부터 감지된 뇌파 신호가 신호 증폭부(미도시)를 통해 증폭되어 출력될 수 있다.
제어부(400)는 전극부(100)를 구성하는 제2 전극부(120)로부터 수신된 뇌파신호 예를 들어 뇌파신호를 분석하여 대상체(S)의 현재 상태를 분석하고, 대상체(S)에 적절한 자극 범위를 결정하여 이를 반영한 제어명령을 제1 전극부(110)로 전달할 수 있다. 이를 수신한 제1 전극부(110)는 적정 자극 범위에 대응하는 미세전류를 발생시켜 대상체(S)로부터 소정의 자극 효과를 얻을 수 있다.
또는, 제어부(400)는 사용자의 선택 신호에 따라서 기 설정된 주파수 값을 가지는 전기 신호를 발생시켜 출력하기 위한 제어신호를 제1 전극부(110)로 전달할 수도 있다.
사용자의 선택 신호는 다양한 전기 자극 종류들 중 어느 전기 자극을 수행할지에 대한 사용자의 선택을 나타내거나 제2 전극부(120)를 통해 뇌파 신호 감지를 수행할지에 대한 사용자의 선택을 나타내는 신호를 의미하며, 사용자의 선택 신호에 따라서 하나 또는 복수 개의 주파수 값을 기 설정해 놓을 수도 있다.
제어부(400)는 전극부(100)와 전기적으로 연결될 수 있으며, 몇몇 다른 실시예에서 전극부(100)와 이격되어 배치될 수도 있으며, 서로 다른 장치에 포함되는 구성일 수 있다.
도 2를 참조하면, 전극부(100) 중 제2 전극부(120)는 상기 전류를 차단하는 차단하는 차단필터(130)를 더 포함한다. 제1 전극부(110)와 제2 전극부(120)가 전극을 공유하거나 또는 인접하게 배치된 상태에서 제1 전극부(110)에서 전두엽 영역으로 미세전류를 인가할 경우, 인가된 미세전류가 그대로 제2 전극부(120)에 감지될 수 있으며, 이러한 경우 제어부(400)에서 제대로 된 뇌파신호를 분석하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 뇌파신호를 측정하는 제2 전극부(120)의 전단에 차단필터(130)를 구비하여 제1 전극부(110)에서 인가한 전류가 그대로 제2 전극부(120)를 통해 왜곡된 뇌파정보가 제어부(400)로 전달되지 않도록 차단할 수 있다.
구체적으로, 경두개 직류자극술(tDCS)을 이용하여 전두엽을 자극하기 위해 제1 전극부(110)로부터 생성된 미세전류는 직류전류(DC)이며, 반면 제2 전극부(120)로부터 수신되는 뇌파신호는 교류전류(AC)일 수 있다. 따라서, 직류차단필터(DC Blocking Filter)를 차단필터(130)로 구성하여 제2 전극부(120)의 전단에 배치할 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 구성이 개시된다. 본 실시예에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은, 전극부(100)가 하나의 전극인 제1 전극부(110)로 구성되며, 제1 전극부(110)를 자극부(200)와 측정부(300)가 서로 공유하는 구성을 가진다.
즉, 제1 전극부(110)는 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하거나 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하며, 자극부(200)는 제1 전극부(110)와 연결되어 미세전류를 제어하고, 측정부(300)는 제1 전극부(110)와 연결되어 대상체(S)로부터 감지된 뇌파신호를 수신할 수 있다.
앞선 실시예와 마찬가지로, 자극부(200)에 의해 제1 전극부(110)를 통해 대상체(S)에 전달된 미세전류의 유입 및 뇌파 데이터 왜곡을 차단하는 차단필터(310)를 더 포함한다. 뇌파신호를 측정하는 측정부(300)의 전단에 차단필터(310)를 구비하여 자극부(200)에서 인가한 전류가 그대로 측정부(300)를 통해 왜곡된 뇌파정보가 제어부(400)로 전달되지 않도록 차단할 수 있다. 자극부(200)로부터 생성된 미세전류는 직류전류(DC)이며, 측정부(300)로부터 수신되는 뇌파신호는 교류전류(AC)일 수 있다. 따라서, 직류차단필터(DC Blocking Filter)를 차단필터(310)로 구성하여 측정부(300)의 전단에 배치할 수 있다.
자극부(200)는 고전압모듈, 안정화모듈, 제한모듈, 출력모듈 또는 전류/전압 측정모듈을 포함할 수 있다. 자극부(200)는 사용자의 두뇌에 특정한 신호를 제공하여 특정 부분을 자극하며, 구체적으로 미세 전류 등을 통해 특정 부위의 기능을 활성화할 수 있다. 자극 프로세스 수행 중 자극을 위한 전류와 전압이 정상적인지 지속적으로 모니터링하는 전류/전압 측정모듈 등을 통해 과도한 전류가 두피에 인가되지 않도록 차단할 수 있다.
측정부(300)는 차단필터, 노이즈 처리모듈, 증폭모듈 또는 역위상 노이즈 출력모듈을 포함할 수 있다. 측정부(300)는 뇌로부터 감지된 뇌파 신호를 수집하며, 뇌파 이외의 다른 노이즈 신호를 제거하거나 두피에 흐르는 노이즈를 분리하여 역위상으로 중화하는 프로세스를 수행할 수 있다.
자극부(200)와 측정부(300)의 상세 구성에 대해서는 도 13과 도 14를 참조하여 후술한다.
이하, 도 5 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극부의 구조에 대해 설명한다. 도시된 예들과 같이, 전극부(100)가 제1 전극부(110) 및 제2 전극부(120)로 구성되며, 대상체의 피부나 두피에 접촉되는 면을 제1 전극부(110) 및 제2 전극부(120)가 서로 공유할 수 있으며, 각각 별개로 피부에 접촉될 수도 있다.
제1 전극부(110)는, 두피에 직접 접촉되는 전해질층(111) 및 전해질층(111)의 일면에 연결되는 전도성층(112)을 포함할 수 있다. 전해질층(111)은 고체전해질층 또는 습식전해질층일 수 있으며, 전해질층(111) 및 전도성층(112)은 연성이고 두피에 대응하여 곡면형상이 가변될 수 있다. 전해질층(111)이 습식전해질층인 경우, 제1 전극회로(113) 또는 제2 전극회로(121, 122, 123, 124)는 방수 처리된 보호층을 포함할 수 있다. 또는 제1 전극부(110) 또는 제2 전극부(120)에 직접 방수처리가 행해질 수 있다.
예를 들어, 전해질층(111)은 겔(gel) 타입의 전해질을 포함하는 하이드로겔(hydrogel) 층으로 구성될 수 있으며, 전도성층(112)은 연성을 가지는 전도성 패브릭(Conductive Fabric) 층으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전해질층(111)은 연성을 가지며 전해질을 포함하는 모든 형태가 다 적용될 수 있으며, 전도성층(112)도 마찬가지로 피부의 굴곡을 따라 굴종하는 연성의 전도성 재질이면 제한없이 적용될 수 있다.
몇몇 다른 실시예에서, 제1 전극부(110)는, 두뇌 자극 과정에서 1kΩ 내지 20kΩ의 임피던스 값을 갖는 전해질층을 포함할 수 있다. 즉, 반드시 전해질층(111)이 고체전해질이 아니라도 임피던스 값만 해당 범위에 포함될 경우 두뇌 자극 시스템의 구성이 가능하다.
제2 전극부(120)는 회로기판(121), 회로기판(121)에 형성된 감지전극(122), 감지전극(122)과 연결된 감지회로(123), 및 감지필터(124)로 구성될 수 있다.
도 5의 경우, 제2 전극부(120)가 제1 전극부(110)의 상부에 적층되는 구조로 도시하고 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 6에서와 같이 제2 전극부(120)가 제1 전극부(110)의 내측에 배치되는 구성을 가질 수도 있으며, 도 7과 같이 제1 전극부(110)와 제2 전극부(120)가 모두 외각면에 노출되어 제1 전극부(110)와 제2 전극부(120)가 동시에 피부에 접촉될 수도 있다.
또한, 도 8에서와 같이, 감지전극(122)만 제1 전극부(110)에 내장하고, 감지전극(122)과 연결되는 감지회로(123) 및 감지필터(124)는 이격된 회로기판(121) 상에 배치될 수도 있다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 디바이스간 통신구조를 나타내는 블록도이다. 제1 전극부(100)는, 전두엽 영역(A, B)에 배치되어 제1 뇌파 예를 들어 제1 미세 전압을 측정하는 제1 서브전극(511, 512)과, 전두엽 영역 이외의 영역(C, D)에 배치되어 제2 뇌파 예를 들어 제2 미세 전압을 측정하는 제2 서브전극(521, 522)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템은 전두엽 부분의 A영역과 B영역을 통해 뇌파 측정 및 두뇌 자극이 수행되며, 귀 근방의 C영역과 D영역을 통해 참조 전압 측정(reference voltage detecting)이 수행될 수 있다. 인체에는 뇌에서 발생하는 뇌파에 의한 전압(제1 뇌파)뿐만 아니라 상시 노이즈 전압(제2 뇌파)이 흐르고 있기 때문에, 뇌로부터 발생한 뇌파를 보다 정밀하게 측정하기 위해서 참조 전극을 배치하여 노이즈 전압을 측정할 수 있다.
제1 뇌파 및 제2 뇌파를 수신하는 제어부(400)를 더 포함하고, 제어부(400)는 제1 뇌파와 제2 뇌파의 차이로부터 제3 뇌파를 추출할 수 있다. 즉, 제어부(400)는 전두엽에서 측정한 제1 뇌파에서 뇌파가 영향을 미치지 않거나 적게 미치는 타 영역(귀 근방)에서 측정한 제2 뇌파를 기초로 실제 뇌파에 의해 발생한 미세전압의 양을 측정할 수 있으며, 이를 기초로 뇌파를 정밀하게 추출할 수 있다.
이와 같은, 제1 전극부(100)는, 이와 같이 계산된 뇌파신호를 기초로 자극부(200)를 통해 발생시키는 미세전류를 제어할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 생성하는 자극부(200)와, 뇌로부터 수신된 뇌파신호를 측정하는 측정부(300)를 포함하는 제1 디바이스(500)가 직접 뇌 영역과 상호작용을 수행하고, 제1 디바이스(500)로부터 뇌파신호 또는 뇌파신호를 포함하는 데이터를 수신하여 관리하는 제어부를 포함하는 제2 디바이스(600)를 포함할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 디바이스(500)는 머리에 착용하는 헤드셋 타입일 수 있으며, 제2 디바이스(600)는 모바일 장치 또는 제1 디바이스(500)와 통신 가능한 모든 형태의 단말 장치일 수 있다. 제1 디바이스(500) 또는 제2 디바이스(600)는 뇌파신호를 기초로 미세전류를 제어할 수 있다. 즉, 제1 디바이스(500) 자체적으로 뇌파신호를 분석하여 미세전류를 자동 또는 수동으로 제어할 수 있으며, 뇌파신호를 제2 디바이스(600)로 전송하고 제2 디바이스(600) 상에서 뇌파신호를 분석하여 미세전류를 제어하기 위한 신호를 생성하고 이 신호를 다시 제1 디바이스(500)로 전송하여 제어하는 형태일 수도 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템의 복수 데이터 수집구조를 나타내는 블록도가 도시된다. 제1 디바이스(500) 또는 제2 디바이스(600)와 통신하며, 뇌파신호를 수신하여 복수의 측정 데이터를 관리하는 서버(700)를 더 포함할 수 있다. 서버(700)는 동시간 대의 복수의 사용자의 디바이스(600_1, 600_2, 600_3)로부터 수신한 뇌파신호를 기초로 특정 그룹의 뇌파 상태를 분석할 수 있다. 뇌파의 동기화를 위해 뇌파신호 또는 기준신호에 타임 스탬프(time stamp)를 이용할 수 있다.
또한, 서버(700)는 특정 그룹의 뇌파 상태에 대응하는 미세전류 알고리즘을 실행하는 제어부를 더 포함할 수 있으며, 미세전류 알고리즘으로부터 도출된 미세전류 제어신호를 제1 디바이스(500) 또는 제2 디바이스(600)로 송신할 수 있다. 따라서, 서버(700)가 특정 그룹의 뇌파 상태에 따라 다수의 디바이스를 제어하여 원하는 효과를 얻을 수 있다.
도 12를 참조하면, 제1 디바이스(500) 또는 제2 디바이스(600)는 뇌파신호 또는 이로부터 산출된 두뇌 활동 지표를 표시하는 모니터링부(610)를 더 포함할 수 있다. 도시된 예에서는 제2 디바이스(600)에 모니터링부(610)가 배치되는 것을 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니다. 두뇌 활동 지표는 예를 들어 사용자의 감각 유발 전위(Sensory Evoked Potential)을 이용한 반응도 분석, 뇌파 주파주 밴드 분석을 통한 집중도나 다양한 감정 상태 또는 뇌파의 종류 등을 포함하는 데이터일 수 있다.
사용자는 이와 같은 모니터링부(610)를 참조하여 자신의 뇌파상태를 직접 확인할 수 있으며, 모니터링부(610)의 결과에 따라 실시간으로 자극부(300)를 제어하여 적절한 자극 세기나 패턴을 결정할 수 있다.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 제1 디바이스의 자극부(200)와 측정부(300)의 상세구조를 나타내는 도면이 도시된다.
자극부(200)는 고전압모듈(210), 안정화모듈(220), 제한모듈(230), 출력모듈(240), 전류/전압 측정모듈(250) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
고전압모듈(210)은 전두엽을 자극하기 위한 초기전압 전류를 생성하며, 초기전압 전류는 20V 이하 및 수 mA 이하의 특성을 가질 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
안정화모듈(220)은 위의 초기전압 전류를 안정화시킬 수 있으며, 예를 들어 위의 초기전압 전류를 미세전류로 변환할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 미세전류 변환 과정은 생략되고 후술하는 출력모듈(240)에서 변환 과정이 수행될 수 있다.
제한모듈(230)은 후술하는 전류/전압 측정모듈(250)에서 감지된 전류값을 기 설정된 과전류 값과 비교하여 과전류 값보다 큰 경우, 전기 자극 신호 출력을 차단한다. 그리하여, 일정 자극 세기 그 이상의 세기를 가지는 전기 자극 신호가 사용자의 피부로 전달되는 것을 차단시킬 수 있다.
출력모듈(240)은 안정화모듈(220)로부터 전류를 공급받아 기 설정된 전압 또는 전류를 출력할 수 있다.
전류/전압 측정 모듈(250)은 출력모듈(240)에서 출력되는 전압 또는 전류 값을 실시간으로 측정하여 출력 상황을 모니터링할 수 있으며, 디스플레이부 등을 통해 현재 사용자에게 인가되는 미세전류의 상황을 제어할 수 있다.
측정부(300)는 정밀한 뇌파신호를 측정하기 위해 자극부(200)에서 발생한미세전류를 차단하는 차단필터(310), 하나 이상의 뇌파 신호로부터 공통의 노이즈를 분리하는 노이즈 처리모듈(320), 노이즈가 제거된 뇌파 신호를 증폭하는 증폭모듈(330), 두피에 흐르는 노이즈 성분을 상쇄시키는 역위상 노이즈 출력모듈(340) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
차단필터(310)는 직류 전류로 두뇌 자극을 수행하는 경우 직류전류 차단필터(DC blocking filter) 회로 일 수 있다. 하지만 측정하는 뇌파와 같은 주파수 대역의 교류 전류 또는 펄스 전류로 두뇌 자극을 수행하는 경우 두뇌 자극 신호를 입력 받아 뇌파로 부터 제거하는 소프트웨어적인 필터일 수 있다.노이즈 처리모듈(320)은 전극부(100) 및/또는 측정부(300)의 하나 이상의 전극에서 측정된 뇌파 신호에서 공통적으로 존재하는 공통 노이즈 성분을 분리하여 각각의 뇌파 신호로부터 제거할 수 있다.
증폭모듈(330)은 노이즈가 제거된 뇌파의 측정이 용이하도록 진폭을 증폭할 수 있다.
역위상 노이즈 출력모듈(340)은 노이즈 처리모듈(320)에서 추출된 공통 노이즈 성분이 두피에서 감소 또는 상쇄될 수 있도록 노이즈 진동의 위상을 바꾸어 1개 이상의 측정 전극으로 출력할 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하는 제1 전극부; 및
    상기 뇌로부터 수신된 뇌파를 측정하는 제2 전극부를 포함하되,
    상기 제2 전극부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  2. 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 인가하거나 상기 뇌로부터 수신된 뇌파를 측정하는 제1 전극부;
    상기 제1 전극부와 연결되어 상기 미세전류를 제어하는 자극부; 및
    상기 제1 전극부와 연결되어 상기 뇌파를 수신하는 측정부를 포함하되,
    상기 측정부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 미세전류는 직류전류(DC)이고, 상기 뇌파는 교류전류(AC)인, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 차단필터는 직류차단필터(DC Blocking Filter)인, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 두뇌 자극 과정에서 1kΩ 내지 20kΩ의 임피던스 값을 갖는 전해질층을 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는,
    두피에 직접 접촉되는 고체전해질층 및
    상기 고체전해질층의 일면에 연결되는 전도성층을 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고체전해질층 및 상기 전도성층은 연성이고 상기 두피에 대응하여 곡면형상이 가변되는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는 두피에 직접 접촉되는 습식전해질층을 포함하고,
    상기 제1 전극부 또는 상기 제2 전극부는 방수 처리된 보호층을 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는,
    전두엽 영역에 배치되어 제1 뇌파를 측정하는 제1 서브전극;
    상기 전두엽 영역 이외의 영역에 배치되어 제2 뇌파를 측정하는 제2 서브전극을 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 뇌파 및 상기 제2 뇌파를 수신하는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 제1 뇌파와 상기 제2 뇌파의 차이로부터 제3 뇌파를 추출하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극부는,
    상기 뇌파를 기초로 상기 미세전류를 제어하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  12. 뇌를 자극하기 위한 미세전류를 생성하는 자극부와, 상기 뇌로부터 수신된 뇌파를 측정하는 측정부를 포함하는 제1 디바이스;
    상기 제1 디바이스로부터 상기 뇌파를 포함하는 데이터를 수신하여 관리하는 제어부를 포함하는 제2 디바이스를 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 디바이스는 머리에 착용하는 헤드셋 타입이고,
    상기 제2 디바이스는 모바일 장치인, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스는 상기 뇌파를 기초로 상기 미세전류를 제어하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스와 통신하며, 상기 뇌파를 수신하여 복수의 측정 데이터를 관리하는 서버를 더 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 서버는 동시간 대의 복수의 사용자의 상기 뇌파를 기초로 특정 그룹의 뇌파 상태를 분석하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 서버는 특정 그룹의 뇌파 상태에 대응하는 미세전류 제어신호를 상기 제1 디바이스 또는 제2 디바이스로 송신하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1 디바이스 또는 상기 제2 디바이스는 상기 뇌파 또는 상기 뇌파를 이용하여 산출된 지표를 표시하는 모니터링부를 더 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  19. 제12항에 있어서,
    상기 측정부는 상기 미세전류를 차단하는 차단하는 차단필터를 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 측정부는 노이즈 진동의 위상을 변경하여 출력하는 역위상 노이즈 출력모듈을 포함하는, 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템.
PCT/KR2013/010883 2013-11-25 2013-11-28 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템 WO2015076444A1 (ko)

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