KR101229244B1 - 안정상태 시각유발전위 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템 - Google Patents
안정상태 시각유발전위 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 뇌파 신호를 이용한 뇌-컴퓨터 융합기술 기반의 재활훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정상태 시각유발전위(SSVEP)를 검출하여 기능적 전기자극기를 원격 제어함으로써 척수손상 환자들이 자신의 의지에 따라 능동적으로 재활훈련을 실시할 수 있도록 하는 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템은, 관절 운동 또는 근육운동을 지시하는 다수의 표적신호를 디스플레이하는 표적신호 표시부; 뇌파 계측용 전극부를 구비하여, 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때의 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부; 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부; 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여, 주파수 분석을 통해, 상기 다수의 표적신호 중에서 피검자가 주시하고 있는 표적신호를 판별하고, 판별된 표적신호에 따라 관절 운동 또는 근육운동을 위한 자극제어신호를 생성하는 주제어부; 관절 또는 근육에 장착된 기능적 전기자극기를 구비하여, 상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 기능적 전기자극기를 구동하는 무선 전기자극부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템은, 관절 운동 또는 근육운동을 지시하는 다수의 표적신호를 디스플레이하는 표적신호 표시부; 뇌파 계측용 전극부를 구비하여, 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때의 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부; 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부; 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여, 주파수 분석을 통해, 상기 다수의 표적신호 중에서 피검자가 주시하고 있는 표적신호를 판별하고, 판별된 표적신호에 따라 관절 운동 또는 근육운동을 위한 자극제어신호를 생성하는 주제어부; 관절 또는 근육에 장착된 기능적 전기자극기를 구비하여, 상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 기능적 전기자극기를 구동하는 무선 전기자극부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 뇌파 신호를 이용한 뇌-컴퓨터 융합기술(Brain Computer Interface, 이하는 'BCI'라 칭함) 기반의 재활훈련 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정상태 시각유발전위(Steady-state Visually Evoked Potentials: 이하는 'SSVEP'라 칭함)를 검출하여 기능적 전기자극기를 원격 제어함으로써 척수손상 환자들이 자신의 의지에 따라 능동적으로 재활훈련을 실시할 수 있도록 하는 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 척수 손상(Spinal Cord Injury, SCI) 환자는 신경계의 합병증으로 경직현상이 있게 되며, 심한 경직의 경우 마비된 사지의 근육들이 자신의 의지로는 조절 불가능하게 되어 일상 생활에 많은 지장을 초래하게 되므로 자극의 제거, 적절한 자세 및 관절운동, 냉치료, 전기자극치료, 반사억제운동 등의 물리치료, 약물치료, 신경차단주사, 수술 등의 치료를 필요로 한다. 특히 물리치료를 이용한 재활치료시 관절 구축 예방을 위해 견관절 외전과 고관절 신전, 족관절 중립위를 유지하도록 적절한 자세를 취하고, 관절 운동과 근육 신장 운동 등의 재활훈련을 필요로 하며 이러한 재활훈련은 자기 의지에 의해 능동적으로 실시하는 경우 훈련 효과가 높다고 보고된 바 있다
그러나 실제로 동작에 제한이 있는 환자들에게 있어서 이러한 재활훈련은 사지마비로 의지 전달이 어려운 환자들에게 쉽지 않은 일이 되기 때문에 대부분의 경우 물리치료사나 작업치료사들에 의해 수동적으로 이루어지게 된다.
최근에는 환자의 의도를 파악하여 능동적인 관절 운동 및 근육 운동이 가능하도록 센서 및 생체신호를 활용한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 중에서 뇌전도(Electroencephalography: 이하는 'EEG'라 칭함)를 이용하여 사람과 컴퓨터 간의 통신을 가능하게 하는 BCI는 1970년대 이후 많은 응용분야에 적용되고 있으며, 현재는 재활의학 분야에서도 활발한 연구들이 진행되고 있다.
특히, 움직임 상상 훈련(Motion Imagery Training: MIT)은 말초신경계의 자극 또는 억제를 통해 중추신경계의 변화를 가져오는 일반적인 치료와는 다르게 특정 움직임이나 작업을 상상하는 훈련으로서 중추신경계의 능동적인 활동을 유발시킬 수 있으며, 환자의 운동 기능 향상과 대뇌 피질의 가소성에 의미있는 변화가 관찰되고 있다.
그러나 이러한 움직임 상상 훈련은 환자에게 적용하기까지 훈련기간이 길고 정확도가 떨어진다는 단점이 있었다.
한편, 뇌의 후두엽(occipital Lobe)에 있는 시각피질이라 하는 시각중추에서는 눈으로 들어온 시각정보가 도착하면 사물의 위치, 모양, 운동상태를 분석하여 신경세포에 SSVEP를 발생시키게 된다. 이 SSVEP는 특정 주파수를 가진 외부의 시각적 자극에 대한 자연반응신호로서, 3.5Hz에서 75Hz의 주파수 범위를 갖는 외부의 시각적 자극에 대하여 그 시각적 자극과 같은 주파수로 뇌의 후두엽 영역에서 전기적으로 발생되는 활동전위이다. 이러한 SSVEP를 BCI 기반의 재활훈련에 이용하는 경우 시각자극에 따른 자연 반응을 이용하는 것으로 훈련 시간이 짧고 정확도가 높은 장점이 있는 것으로 알려져 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 시각적 자극에 의해 신경세포에서 발생되는 활동전위인 SSVEP를 이용하여 척수손상 환자들이 자신의 의지에 따라 능동적으로 재활훈련을 실시할 수 있도록 함으로써 뇌파 신호를 이용한 BCI 기반의 재활훈련의 문제점을 개선할 수 있는 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 일 실시 형태는, 관절 운동 또는 근육운동을 지시하는 다수의 표적신호를 디스플레이하는 표적신호 표시부; 뇌파 계측용 전극부를 구비하여, 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때의 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부; 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부; 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여, 주파수 분석을 통해, 상기 다수의 표적신호 중에서 피검자가 주시하고 있는 표적신호를 판별하고, 판별된 표적신호에 따라 관절 운동 또는 근육운동을 위한 자극제어신호를 생성하는 주제어부; 관절 또는 근육에 장착된 기능적 전기자극기를 구비하여, 상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 기능적 전기자극기를 구동하는 무선 전기자극부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 또 다른 실시 형태는, 뇌파 계측용 전극부를 구비하여 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부, 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부, 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여 주파수 분석을 하는 주제어부를 포함하는 전기자극 재활훈련 시스템에 있어서, 관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호를 디스플레이하되, 관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호는 서로 다른 주파수로 깜박이도록 이루어진 표적신호 표시부를 더 구비하며, 상기 주제어부는 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때 검출된 뇌파신호의 주파수 분석을 행하여, 관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호 중 피검자가 주시한 표적신호를 선별하고, 선별된 표적신호에 따른 자극제어신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 또 다른 실시 형태는, 뇌파 계측용 전극부를 구비하여 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부, 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부, 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여 주파수 분석을 하는 주제어부를 포함하는 전기자극 재활훈련 시스템에 있어서, 근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호를 디스플레이하되, 근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호는 서로 다른 주파수로 깜박이도록 이루어진 표적신호 표시부를 더 구비하며, 상기 주제어부는 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때 검출된 뇌파신호의 주파수 분석을 행하여, 근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호 중 피검자가 주시한 표적신호를 선별하고, 선별된 표적신호에 따른 자극제어신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 관절 굽힘운동 또는 관절의 폄운동, 근육 수축운동 또는 근육 이완운동을 유도하도록 자극전류를 흘리는 기능적 전기자극기를 포함한다.
상기 뇌파 계측용 전극부는 다수 개의 신호 전극과 기준 전극을 포함하여 이루어지되, 상기 뇌파 계측용 전극부는 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자의 두피의 POZ, PO3, PO4, OZ, O1, O2에 부착하고, 기준 전극은 A1, A2에 부착된다.
상기 뇌파 검출부는 상기 뇌파 계측용 전극부에서 검출된 신호를 증폭하고 필터링하는 신호전처리부를 포함하며, 상기 신호전처리부는 뇌파의 잡음 제거를 위한 필터링을 위해 5~30Hz 주파수대역의 대역통과필터를 포함한다.
상기 주제어부는 뇌파신호수집부로부터의 데이터를 수신하여 푸리에 변환을 통한 주파수계열 파워스펙트럼을 구하고, 파워 스펙트럼 값이 상대적으로 큰 값을 표적신호의 주파수로 판별하도록 이루어진다.
블루투스를 이용하여 자극제어신호를 주제어부로부터 기능적 전기자극기로 무선 전송한다.
상기 표적신호 표시부는 하나 이상의 시각유발전위 발생용의 표적신호를 디스플레이하는 표시 영역을 구비하며, 각각의 표시 영역에는 서로 다른 주파수로 깜박거리도록 구동되는 체스판 무늬의 시각유발전위 발생용의 표적신호를 구비하며, 상기 표적신호 표시부의 표적신호를 깜박거리도록 구동되는 상기 주파수는 3.5Hz에서 75Hz의 주파수 범위내의 주파수인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템은 무선 전기자극부 및 표적신호 표시부의 조절을 위한 다수의 키를 구비하는 키입력부, 상기 주제어부에서 출력되는 자극 제어신호를 무선 전기자극부로 무선 전송하는 무선 송신부를 더 구비한다.
상기 무선 전기자극부는, 상기 무선 송신부를 통해 수신된 자극 제어신호를 상기 기능적 전기자극기에 전달하는 무선 수신부를 더 구비한다.
상기 기능적 전기자극기는, 전기자극용 전류의 주파수와 펄스 폭을 조절하여 자극 강도를 가변시킬 수 있는 자극강도 가변체계로 구성된다.
본 발명에 의하면, 훈련 기간이 짧고 정확도가 높은 SSVEP를 이용한 BCI 기반의 기능적 전기자극을 통해 자신의 의지에 따라 능동적으로 관절 운동과 근육 운동이 가능하게 되므로, 기능적 전기자극 치료를 통한 말초신경계 훈련과 함께 뇌 반응 기반의 재활훈련으로 상지 또는 하지 기능 회복에 큰 변화를 가져올 수 있게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 체스판 무늬로 구성된 시각유발전위 발생용 표적신호의 예시화면이다.
도 3은 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 적용하여 후두엽에서의 뇌파 계측 상태를 예시한 참고사진이다.
도 4a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 7Hz 동기화된 뇌파의 일예이다.
도 4b는 도 4a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이다.
도 4c는 도 4a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목 굽힘 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 5a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 9Hz 동기화된 뇌파의 일예이다.
도 5b는 도 5a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이다.
도 5c는 도 5a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목의 폄 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 6은 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 표적신호의 주파수가 3~20Hz까지 순차적으로 증가시의 뇌파를 분석한 일예이다.
도 7은 국제 10-20 전극배치도이다.
도 2는 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 체스판 무늬로 구성된 시각유발전위 발생용 표적신호의 예시화면이다.
도 3은 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 적용하여 후두엽에서의 뇌파 계측 상태를 예시한 참고사진이다.
도 4a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 7Hz 동기화된 뇌파의 일예이다.
도 4b는 도 4a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이다.
도 4c는 도 4a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목 굽힘 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 5a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 9Hz 동기화된 뇌파의 일예이다.
도 5b는 도 5a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이다.
도 5c는 도 5a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목의 폄 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 6은 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 표적신호의 주파수가 3~20Hz까지 순차적으로 증가시의 뇌파를 분석한 일예이다.
도 7은 국제 10-20 전극배치도이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 체스판 무늬로 구성된 시각유발전위 발생용 표적신호의 예시화면이고, 도 3은 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 후두엽에서의 뇌파 계측을 위해 전극을 부착한 상태를 예시한 참고사진으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시 형태는 뇌파 검출부(10), 뇌파신호수집부(20), 주제어부(31), 무선송신부(32), 무선수신부(33), 기능적 전기자극기(34), 를 포함하여 구성되며, 다른 실시 형태로는 표적신호 표시부(40), 키입력부(50)를 더 포함하여 구성된다.
뇌파 검출부(10)는 두피 및 피질에 부착 가능한 다수 개의 뇌파 계측용 전극부(미도시) 및 신호전처리부(미도시)로 이루어진다.
뇌파 계측용 전극부는 다수 개의 신호 전극과 기준 전극을 포함한다. 뇌파 계측용 전극은 접시전극 또는 일회용 접착전극 등을 사용할 수 있으며, 뇌파 계측용 전극은 도 7에 예시된 바와 같이 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자의 두피의 POZ, PO3, PO4, OZ, O1, O2에 부착하고, 기준 전극은 A1, A2(양쪽 귀볼 또는 귀밑)에 부착한다. 즉, 이들 전극은 도 3에 예시된 바와 같이 후두엽에 부착되며 신경계에서 뇌신경 사이에 신호가 전달될 때 발생되는 전기의 흐름을 측정하여 뇌파를 검출한다.
신호전처리부는 뇌파 계측용 전극부에서 검출된 신호를 증폭하고 필터링한다. 뇌파의 잡음 제거를 위한 필터링을 위해 5~30Hz 주파수대역의 대역통과필터를 사용할 수 있다. 신호전처리부는 시판되는 EEG 증폭모듈을 사용할 수 있다. 예를들어, 신호전처리부는 BIOPAC 사의 EEG100C 등을 사용할 수 있다.
여기서, 뇌파 계측용 전극부를 장착한 피검자가 표적신호 표시부(40)의 소정 위치에 초점을 두고 응시할때의 뇌파를 검출한다. 표적신호 표시부(40)의 소정 위치란, 표적신호 표시부(40)에서 디스플레이되는 그림 중 소정 위치한 그림부분으로, 피검자가 자신의 의지에 의해 관절 운동 및 근육운동을 할 것인지 등을 결정하는 '명령부'라 할 수 있다.
뇌파신호수집부(20)는 뇌파 검출부(10)의 출력신호인 아날로그신호를 디지탈신호로 변환하여 데이터를 수집한다. 이때 샘플링율을 256Hz로 데이터를 수집할 수 있다.
주제어부(31)는 뇌파신호수집부(20)로부터의 데이터를 수신하여 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통한 주파수계열(Frequency Series) 파워스펙트럼(Power Spectrum)을 구하고, 파워 스펙트럼 값의 상대적인 크기 비교에 의해 표적신호와 동기화된 주파수를 판별하여, 피검자가 주시하고 있는 표적신호를 구분하고, 이에 따라 자극제어신호를 생성한다. 여기서, 파워 스펙트럼 값의 상대적인 크기 비교를 위해 메모리부(미도시)에 기 설정된 기준치들과 비교를 통해 표적신호를 구분할 수 있다.
또한, 주제어부(31)는 신호처리/동기화 판단부(20)와 표적신호 표시부(40)와 키입력부(50) 및 무선 송신부(32)와 연결되어 재활훈련 시스템의 전반적인 동작을 제어하며, 신호처리/동기화 판단부(20)에서 구분된 표적 신호에 따라 기능적 전기자극기의 동작을 제어하기 자극 제어신호를 무선 송신부(32)로 출력하고, 키입력부(50)에서 입력되는 키신호에 따라 표적신호 표시부(40)를 통해 출력되는 시각유발전위 발생용 표적신호의 주파수를 조절하여 출력한다.
무선 송신부(32)는 주제어부(31)에서 출력되는 자극제어신호를 무선수신부(33)를 통해 기능적 전기자극기(34)로 무선 송신한다. 여기서 주제어부(31)에서 출력되는 자극 제어신호는 고주파 변조하여 안테나를 통해 무선 송출할 수 있으며, 또한, 블루투스(Bluetooth) 등을 이용할 수 있다.
무선 수신부(33)는 주제어부(31)에서 무선 송신부(32)를 통해 수신된 자극 제어신호를 기능적 전기자극기(34)로 전송한다. 여기서, 무선 수신부(33)는 안테나를 통해 수신되는 고주파 무선 신호로 자극 제어신호를 복조하여 기능적 전기자극기(34)에 전달할 수 있다.
표적신호 표시부(40)는 화면상에 표적신호들을 구비하되, 상기 표적신호들은 각기 다른 소정의 주파수로 반복, 동작되도록 이루어진다. 표적신호 표시부(40)는 주제어부(31)에 의해 제어된다. 피검자는 상기 표적신호들을 응시함에 의해(바라봄에 의해) 뇌파가 소정 주파수에 동기된 뇌파를 발생시키게 된다.
즉, 표적신호 표시부(40)는 무선 전기자극부(30)의 주제어부(31)에 의해 동작이 제어되어 소정의 주파수로 동기화된 표적신호를 출력하게 되며, 이 표적신호는 시각적 자극에 의해 뇌의 신경세포에서 발생되는 활동전위를 유발시키기 위한 시각유발전위 발생용 표적신호로서 도 2에 예시된 바와 같은 체스판 무늬의 반복 시각자극(Repetitive visual stimulus, RVS)이다. 이 표적신호 표시부(40)는 하나 이상의 시각유발전위 발생용 표적신호를 각각 디스플레이하는 표시 영역을 구비하며, 각각의 표시 영역에는 서로 다른 주파수로 구동되는 체스판 무늬의 시각유발전위 발생용 표적신호가 표시될 수 있게 된다.
표적신호들은 근육 수축, 근육이완을 표시할 수도 있으며, 굽힘동작, 폄동작을 표시할 수도 있다.
기능적 전기자극기(34)는 무선 수신부(33)를 통해 수신된 자극제어신호에 따라 근육에 미세전류를 흘려주어 근육을 자극하여 동작하게 하는 것이다. 기능적 전기자극기(34)는 무선 수신된 자극 제어신호에 의해 구동되며, 피검자의 미리 선정한 근육에 부착될 수 있는 복수 개의 자극 전극을 구비하여 각각의 자극전극을 통해 전기자극용 전류를 출력한다. 자극전극은 표면 자극전극을 사용할 수 있다. 그럼으로써, 기능적 전기자극기(34)는 무선으로 원격 제어되는 자극 제어신호에 의해 상지 또는 하지의 관절 운동점에 전기자극을 가할 수 있게 된다. 또한 기능적 전기자극기(34)는 전기자극용 전류의 주파수와 펄스 폭을 조절하여 자극 강도를 가변시킬 수 있는 자극강도 가변체계로 구성하여, 필요에 따라 자극의 강도를 자유롭게 조절할 수 있게 한다.
무선 전기자극부(30)는 기능적 전기자극기(34) 및 무선 수신부(33)를 포함하여 구성되며, 주제어부(31)에서 구분된 표적신호에 따라 생성된 자극제어신호에 의해, 기능적 전기자극기(34)를 무선으로 원격 제어하여 미리 선정한 근육에 전기자극을 인가하여 관절 운동을 유도할 수 있게 한다. 참고로 FES 시스템의 제어는 기본적으로 온/오프(on/off) 동작을 제어하게 되며 동기화시 온(on) 신호를 보내 전류를 흘려주게 된다. 이때 한번 온(on) 상태일 때 자연스러운 관절 움직임이 가능하도록 3초의 충분한 시간을 주게 된다. 이 시간 동안에는 다른 주파수와 동기가 이루어져도 무시하게 되며, 1회의 완전한 관절 움직임이 완료된 후 다시 주파수 분석을 통해 그 분석 결과에 반응할 수 있게 된다.
키입력부(50)는 무선 전기자극부(30)의 동작 제어 및 표적신호 표시부(40)의 주파수 조절을 위한 다수의 키를 구비하여 피검자별 최적 주파수 탐색 시 표적신호 표시부(40)에 디스플레이되는 시각유발전위 발생용 표적신호의 주파수를 가변시킬 수 있는 키값을 발생시켜 주제어부(31)로 전달한다. 특히 본 발명에서 이러한 표적신호의 주파수 가변을 위한 키를 구비하는 이유는 다음과 같다. 일반적으로는 신경세포에서 발생되는 시각유발전위가 3.5Hz에서 75Hz의 주파수 범위에 반응하는 것으로 알려져 있으나, 피검자에 따라 반응을 잘 나타내는 특정 주파수가 존재할 수도 있게 되므로 따라서 재활훈련을 실시하기 이전에 시스템의 정확도를 높이기 위해 먼저 피검자에 따라 반응을 잘 나타내는 최적 주파수를 탐색하는 작업을 선행하여 피검자별 최적 주파수로 동기화된 표적신호를 디스플레이함으로써 재활훈련 시스템의 신뢰도를 더욱 더 높일 수 있게 하기 위함이다.
본 발명에서 주제어부(31)의 주파수 분석은 수학식 1과 같은 국소 푸리에 변환(Short Time Fourier Transform; 신호의 안정된 주기성을 갖는 짧은 시간 단위로 분할하여 변환)을 통해 윈도우 프로그램을 실행하면서 시간 흐름에 따라 주파수 값을 관찰하여 그 시간에 반응한 주파수의 파워값을 이용하여 동기화 여부를 판단하는 것으로 이루어진다.
위의 수학식에서 X(n,w)는 이차원 시퀀스로 w 차원은 주파수를 나타내며, n 차원은 시간을 나타낸다. 결과는 시간과 주파수 모두의 함수이므로 각 시간에 따라 다른 지역 스펙트럼이 존재한다. 여기서 w(t) 는 윈도우 함수(window function), x(t) 는 변화될 신호(signal)를 나타낸다.
특히 상기 동기화 여부 판단은 표적신호 표시부(40)에 표적신호를 디스플레이하는 과정에서, 즉 윈도우 프로그램을 실행하는 과정에서, 예를 들어 피검자가 9Hz로 깜박이는 표적신호를 바라보았을 때는 뇌파가 평상시보다 9Hz의 주파수 파워값이 증가되어 나타나게 되며, 9Hz의 주파수 파워값이 뇌파가 기준치(평상시의 뇌파)보다 상대적으로 높다면, 9Hz의 주파수의 표적신호에 동기화되어진 것으로 판단한다. 상기 기준치는 재활훈련전 또는 사전에 피검자의 평상시의 뇌파를 측정하여 메모리(미도시)에 저장하여 사용하거나, 공장 출하전에 저장하여 사용할 수 있다.
예를들어, 도2와 같이, 표적신호 표시부(40)에 표적신호가 3가지가 나타나되, 일측에는 7Hz로 깜박이는 표적신호를, 다른 일측에는 9Hz로 깜박이는 표적신호를, 가운데는 깜박이지 않는 표적신호를 디스플레이하고, 7Hz로 깜박이는 표적신호는 전기자극을 온(ON)하는(구부리는 운동을 하라는) 명령부로 사용되고, 9Hz로 깜박이는 표적신호는 전기자극을 오프(OFF)하는(펴는 운동을 하라는) 명령부로 사용되어질 수 있다. 만약, 피검자의 뇌파를 분석한결과 7Hz의 주파수 파워값이 뇌파가 기준치(평상시의 뇌파)보다 상대적으로 높다면, 7Hz의 주파수의 표적신호에 동기화되어진 것으로, 피검자는 전기자극을 온(ON)하는(구부리는 운동을 하라는) 명령을 한 것으로, 주제어부(31)는 전기자극을 인가하는 자극제어신호를 생성하고 이에 따라 기능적 전기자극기(34)는 구동할 것이다. 만약, 피검자의 뇌파를 분석한결과 9Hz의 주파수 파워값이 뇌파가 기준치(평상시의 뇌파)보다 상대적으로 높다면, 9Hz의 주파수의 표적신호에 동기화되어진 것으로, 피검자는 전기자극을 오프(OFF)하는(펴는 운동을 하라는) 명령을 한 것으로, 주제어부(31)는 전기자극을 종료하기 위한 자극제어신호를 생성하고 이에 따라 기능적 전기자극기(34)는 구동을 종료할 것이다.
이하는 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서표적신호의 주파수를 각각 7Hz와 9Hz로 구분한 상태에서 각 주파수에 따라 피검자가 자신의 의지를 반영한 능동적인 관절운동과 근육운동을 실시하도록 하였을 때의 일실시예를 살펴본다.
도 4a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 7Hz 동기화된 뇌파의 일예이고, 도 4b는 도 4a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이고, 도 4c는 도 4a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목 굽힘 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 4a는 피검자가 7Hz로 깜박이는 표적신호를 바라보고 있을 때, 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 뇌파검출부(10)의 신호전처리부에서 출력된 뇌파 신호의 일예이다. 따라서, 도 4a는 피검자의 후두엽에서 검출된 뇌파신호를 5~30Hz 대역통과필터를 취한 후의 뇌파 신호라 할 수 있다.
도 4b는 뇌파검출부(10)의 신호전처리부에서 출력된 도 4a의 뇌파 신호를 주제어부(31)에서 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 것으로, 7Hz 주변에서 최대를 이루고 있음을 알 수 있다. 이는 피검자가 표적신호 중 7Hz로 깜박이는 표적신호를 선택했음을 나타내며, 다시말해 피검자가 FES에 의한 손목 굽힘 운동을 하겠다는 의지를 표명했음을 나타낸다.
도 4c는 도 4a의 뇌파신호가 주제어부(31)에서 도 4b와 같은 7Hz 주변에서 최대를 이루는 파워스펙트럼을 나타내고 있음이 판단하고, 피검자의 손목 굽힘운동을 위한 자극제어신호를 생성하여, 이를 무선 전기자극부(30)로 전송하여 무선 전기자극부(30)의 기능적 전기자극기(34)를 구동함에 의해, 손목 굽힘 운동을 하였을 경우의 손목의 굽힘 운동 수행시의 손목 관절 각도를 나타낸다. 도 4c에서 손목 관절이 초기 10°에서 40°의 관절운동 범위를 보인다.
도 5a는 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 신호전처리부에서 출력된 9Hz 동기화된 뇌파의 일예이고, 도 5b는 도 5a의 뇌파를 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 일예이고, 도 5c는 도 5a의 뇌파에 의해 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 구동하여 손목의 폄 운동시 손목 관절각도의 측정결과의 일예이다.
도 5a는 피검자가 9Hz로 깜박이는 표적신호를 바라보고 있을 때, 본 발명의 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템의 뇌파검출부(10)의 신호전처리부에서 출력된 뇌파 신호의 일예이다. 따라서, 도 5a는 피검자의 후두엽에서 검출된 뇌파신호를 5~30Hz 대역통과필터를 취한 후의 뇌파 신호라 할 수 있다.
도 5b는 뇌파검출부(10)의 신호전처리부에서 출력된 도 5a의 뇌파 신호를 주제어부(31)에서 주파수 분석하여 파워스펙트럼을 구한 것으로, 9Hz 주변에서 최대를 이루고 있음을 알 수 있다. 이는 피검자가 표적신호 중 9Hz로 깜박이는 표적신호를 선택했음을 나타내며, 다시말해 피검자가 FES에 의한 손목을 펴는 운동을 하겠다는 의지를 표명했음을 나타낸다.
도 5c는 도 5a의 뇌파신호가 주제어부(31)에서 도 5b와 같은 9Hz 주변에서 최대를 이루는 파워스펙트럼을 나타내고 있음이 판단하고, 피검자의 손목의 폄 운동을 위한 자극제어신호를 생성하여, 이를 무선 전기자극부(30)로 전송하여 무선 전기자극부(30)의 기능적 전기자극기(34)를 구동을 종료함에 의해, 손목의 폄 운동을 할 경우의 손목 관절 각도를 나타낸다. 도 5c는 손목의 폄 운동 수행시의 손목 관절 각도로서, 굽힘 운동시의 최대 각도인 40°에서 초기 10°로 복귀하는 관절운동 범위를 보인다.
도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 의한 SSVEP 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 시뮬레이터로서 구현하고, 표적신호의 주파수를 각각 7Hz와 9Hz로 구분한 상태에서 각 주파수에 따라 피검자가 자신의 의지를 반영한 능동적인 관절운동과 근육운동을 실시하도록 하였으며, 그 상태에서 피검자로부터 측정한 뇌파신호와 주파수 특성 및 그에 의한 손목관절 각도에 대한 반응결과를 나타낸 것이다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 파워 스펙트럼 분석을 통해 7Hz와 9Hz로 깜박이는 두 개의 체스판 무늬의 표적신호 중에서 피검자가 초점을 둔 표적신호를 구분할 수 있게 되므로, 피검자의 의도를 신속하고 간단하게 파악하여 무선 통신을 통해 원격으로 기능적 전기자극기를 제어할 수 있게 된다. 따라서 재활훈련시 환자의 의도에 따라 능동적으로 원하는 부위에 전기자극을 인가할 수 있게 되어 BCI 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 통해 환자의 의지를 반영한 능동적인 관절 운동과 근육 운동이 가능하게 된다.
도 6은 본 발명의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템에서 표적신호의 주파수가 3~20Hz까지 순차적으로 증가시의 뇌파를 분석한 일예이다.
도 6은 표적신호에서 3~20Hz까지 순차적으로 주파수를 증가시키면서, 표적신호를 바라볼때의 뇌파를 검출하여 주파수 분석한 결과 그래프로서, 도 6의 (a)는 뇌파검출부(10)의 신호전처리부에서 출력된 뇌파 신호(뇌전극 POz, O1, Oz, O2에서의 뇌파)를 나타내고 있으며 (b)는 이를 스펙트럼 분석 결과를 나타내고 (c)는 주파수의 파워값을 나타내며, (d)는 전체 검사기간에서 각 시간에서 가장 파워값이 큰 주파수들을 나타내고 있다. 주파수 분석을 통해 그 시간에 깜박였던 주파수와 동일한 주파수의 파워값이 크게 나타났다면 동기화가 이루어진 것으로 판단할 수 있으며, 또한 표적신호의 주파수에 따라 동기화된 뇌파 신호를 나타내는 반응이 비교적 잘 나타내는 주파수로서, 7, 9, 12Hz 등을 들 수 있으며, 따라서 표적신호의 주파수인 표적주파수를 7, 9, 12Hz 하여 FES를 제어할 수 있다.
또한 주파수 분석을 통해 실제 스칼라 값을 도출할 수 있으며(예를 들어 7Hz동기화 시 7, 9Hz동기화 시 9, 12Hz 동기화 시 12 등) 주제어부(31)에서 이 값을 판단하여 무선 통신(Bluetooth 등)을 통해 FES(34)의 구동을 제어할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10 : 뇌파 검출부 20 : 뇌파신호수집부
30 : 무선 전기자극부 31 : 주제어부
32 : 무선 송신부 33 : 무선 수신부
34 : 기능적 전기자극기 40 : 표적신호 표시부
50 : 키입력부
30 : 무선 전기자극부 31 : 주제어부
32 : 무선 송신부 33 : 무선 수신부
34 : 기능적 전기자극기 40 : 표적신호 표시부
50 : 키입력부
Claims (19)
- 관절 운동 또는 근육운동을 지시하는 다수의 표적신호를 디스플레이하는 표적신호 표시부;
뇌파 계측용 전극부를 구비하여, 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때의 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부;
상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부;
상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여, 주파수 분석을 통해, 상기 다수의 표적신호 중에서 피검자가 주시하고 있는 표적신호를 판별하고, 판별된 표적신호에 따라 관절 운동 또는 근육운동을 위한 자극제어신호를 생성하는 주제어부;
관절 또는 근육에 장착된 기능적 전기자극기를 구비하여, 상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 기능적 전기자극기를 구동하는 무선 전기자극부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 뇌파 계측용 전극부를 구비하여 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부, 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부, 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여 주파수 분석을 하는 주제어부를 포함하는 전기자극 재활훈련 시스템에 있어서,
관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호를 디스플레이하되, 관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호는 서로 다른 주파수로 깜박이도록 이루어진 표적신호 표시부를 더 구비하며,
상기 주제어부는 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때 검출된 뇌파신호의 주파수 분석을 행하여, 관절 굽힘운동을 지시하는 표적신호와 관절의 폄운동을 지시하는 표적신호 중 피검자가 주시한 표적신호를 선별하고, 선별된 표적신호에 따른 자극제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 뇌파 계측용 전극부를 구비하여 뇌파신호를 검출하고 검출된 뇌파신호를 증폭하는 뇌파 검출부, 상기 뇌파 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수집하는 뇌파신호수집부, 상기 뇌파신호수집부로부터 출력된 뇌파신호를 수신하여 주파수 분석을 하는 주제어부를 포함하는 전기자극 재활훈련 시스템에 있어서,
근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호를 디스플레이하되, 근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호는 서로 다른 주파수로 깜박이도록 이루어진 표적신호 표시부를 더 구비하며,
상기 주제어부는 피검자가 상기 다수의 표적신호 중 하나의 표적신호를 주시할때 검출된 뇌파신호의 주파수 분석을 행하여, 근육 수축운동을 지시하는 표적신호와 근육 이완운동을 지시하는 표적신호 중 피검자가 주시한 표적신호를 선별하고, 선별된 표적신호에 따른 자극제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 관절 굽힘운동 또는 관절의 폄운동을 유도하도록 자극전류를 흘리는 기능적 전기자극기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제3항에 있어서,
상기 주제어부로부터의 자극제어신호에 의해, 근육 수축운동 또는 근육 이완운동을 유도하도록 자극전류를 흘리는 기능적 전기자극기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
주제어부로부터의 자극제어신호는 기능적 전기자극기로 무선 전송되는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뇌파 계측용 전극부는 다수 개의 신호 전극과 기준 전극을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뇌파 계측용 전극부는 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자의 두피의 POZ, PO3, PO4, OZ, O1, O2에 부착하고, 기준 전극은 A1, A2에 부착되는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 뇌파 검출부는 상기 뇌파 계측용 전극부에서 검출된 신호를 증폭하고 필터링하는 신호전처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제9항에 있어서
상기 신호전처리부는 뇌파의 잡음 제거를 위한 필터링을 위해 5~30Hz 주파수대역의 대역통과필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주제어부는 뇌파신호수집부로부터의 데이터를 수신하여 푸리에 변환을 통한 주파수계열 파워스펙트럼을 구하고, 파워 스펙트럼 값이 상대적으로 큰 값을 표적신호의 주파수로 판별하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제6항에 있어서,
블루투스를 이용하여 자극제어신호를 주제어부로부터 기능적 전기자극기로 무선 전송하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 표적신호 표시부는 하나 이상의 시각유발전위 발생용의 표적신호를 디스플레이하는 표시 영역을 구비하며, 각각의 표시 영역에는 서로 다른 주파수로 깜박거리도록 구동되는 체스판 무늬의 시각유발전위 발생용의 표적신호를 구비하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제13항에 있어서,
상기 표적신호 표시부의 표적신호를 깜박거리도록 구동되는 상기 주파수는 3.5Hz에서 75Hz의 주파수 범위내의 주파수인 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제14항에 있어서,
상기 표적신호 표시부의 표적신호를 깜박거리도록 구동되는 상기 주파수는 7Hz 또는 9Hz 중의 하나인 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항에 있어서,
무선 전기자극부 및 표적신호 표시부의 조절을 위한 다수의 키를 구비하는 키입력부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 주제어부에서 출력되는 자극 제어신호를 무선 전기자극부로 무선 전송하는 무선 송신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제17항에 있어서,
상기 무선 전기자극부는, 상기 무선 송신부를 통해 수신된 자극 제어신호를 상기 기능적 전기자극기에 전달하는 무선 수신부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템. - 제18항에 있어서,
상기 기능적 전기자극기는, 전기자극용 전류의 주파수와 펄스 폭을 조절하여 자극 강도를 가변시킬 수 있는 자극강도 가변체계로 구성된 것을 특징으로 하는 기능적 전기자극 재활훈련 시스템.
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