KR20090097150A - 청각, 촉각, 또는 시각적 자극을 통해 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 향상시키는 방법 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하여 상기 대상체의 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이를 위해, 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하면, 크로스-모달 확률공명(SR) 상호작용으로 인하여 상기 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시킨다.
대상체, 자극 기전, 반사 기전, 운동 기전, 확률공명
Description
본 발명은, 일반적으로 확률공명의 개념을 이용하여 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 청각, 촉각, 또는 시각적 자극과 같은 감각의 자극을 통해 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 향상시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
확률공명(SR; Stochastic Resonance)은 서로 다른 매크로, 마이크로 및 나노시스템에서 발생하는 잘 알려진 현상이다. 확률공명은 시스템에 노이즈를 도입함으로써 역치 아래의 신호의 검출을 향상시킨다. 그러므로, 확률공명은, 대상체(subject)의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위하여 감각시스템에 적용될 흥미롭고 매력적인 현상인 것 같다.
실제, 특정 감각을 자극하기 위해 개인에게 가해지는 약한 감각적인 자극이 적절한 양의 백색 노이즈로 부가되는 경우, 상기 약한 감각적인 자극은 검출될 수 있고, 이에 따라 상기 가해진 약한 감각적인 자극에 반응하여 특정 자극의 반응을 활성화시킨다.
예를 들어, Scientific American Inc.,의 Frank Moss 및 Kurt에 의해 1995년에 개재된 논문인 "The Benefits of Background Noise"에서, 확률공명의 역할을 생물학적 감각시스템에서 연구했었다. 이를 위해, 가재 꼬리의 잔털(fine hair)을 테스트하였다. 상기 잔털은 잠재적인 포식동물의 출현(이동)에 의해 발생되는 워터모션(water motion)과 같은 운동을 검출할 수 있다. 실험 단계에서, 가재의 꼬리는 포스트(post)에 분리되어 장착된 후, 식염수를 포함하는 탱크의 내부에 위치되었다. 또한, 상기 털에 의해 검출된 포스트의 운동에 반응해서, 신경에 의해 발생되는 신경 충동의 레벨을 측정하기 위하여, 상기 털에 연결된 신경 코드에 전극이 삽입되었다. 상기 포스트의 운동에서의 변동을 생성하기 위하여 상기 포스트를 이동시키는 신호에 임의의 노이즈가 부가되었다. 그 결과는 상기 잔털의 감응성이 증가되는 것을 보여주었고, 확률공명 현상을 나타내었다.
확률공명이 의료과학 분야 및 구체적으로 인간의 신경시스템(신경계)에 실제 적용되는 것을 상기 논문에서 더 제시되었다. 동일한 방식에 있어서, L. M. Ward 등에 의해 "Stochastic Resonance in Psychophysics and in Animal Behavior"라는 명칭으로 2002년에 Biological Cybernetics, 87, 91-1001에 발표된 논문은 신경시스템을 포함하고 있기 때문에 청각, 시각, 및 촉각의 감각시스템을 통해 인간의 수 행능력을 향상시키는데 확률공명(SR)이 이용될 수 있는 것을 나타낸다.
Hirose Satoro에 의해 "Display Device for Vehicle"이라는 명칭으로 2003년에 공표된 일본특허출원 JP2003048453 A2와 관련해서, 주위환경에 대한 운전자의 인식을 증가시키고 도로에 집중된 사람의 주의력을 유지시키기 위해 운전자의 차량에 장치가 제공된다. 이를 위해, 시각, 청각, 또는 진동의 자극과 같은 상이한 감각적 자극을 이용하는, 다수의 구현화된 장치가 개발되었다. 이러한 별개의 구현화된 장치는 차량의 사이드 미러, 스티어링 휠 등에 설치된다. 각각의 구현화된 장치는 확률공명 현상에 따라 운전자의 지각을 향상시키는데 필요한 노이즈를 발생시키기 위한 노이즈 발생기를 포함한다. 그러나, 이러한 장치는 차량의 운전에만 이용하는데 도모된다.
J. D. Harry 등에 의해 "Method and System for Neurophysiologic Performance"라는 명칭으로 2004년에 공표된 미국특허출원 제2004/0073271 A1에는, 신경생리학적 수행을 향상시키기 위한 시스템이 제안되어 있다. 상기 시스템은 의류(garment)를 구성하고, 상기 의류는 의류의 상이한 위치에 위치될 수 있는 적어도 하나의 입력 신호 장치 및 하나의 신호 발생기를 포함한다. 전극 또는 근육 자극기와 같은 상기 입력 신호 장치는 신체의 활동 동안에 기능을 향상시키기 위해 감각 세포에 바이어스 신호를 입력시킨다. 상기 바이어스 신호는 신호 발생기에 의해 발생된다. 이러한 시스템은 피부를 통한 접촉 자극(contact stimulation)에 주로 집중한다.
J. D. Harry 등에 의해 "Method and System for improving Human Balance and Gait and Preventing Foot Injury"라는 명칭으로 2004년에 공표된 미국특허출원 제2004/0173220 A1에는, 슈즈를 위한 깔창(sock) 또는 슈즈 삽입물(shoe insert)을 위한 착용장치가 제안되어 있다. 상기 착용장치는 개인의 발이나 발목을 자극하기 위하여 진동을 생성하기 위한 전극 및 진동 액츄에이터를 포함한다. 또한, 상기 착용장치는 진동에 부가될 임의의 노이즈를 생성하기 위한 신호 발생기도 포함한다. 확률공명 원리를 이용하여, 상기 착용장치는 개인의 보행(gait) 및 밸런스를 향상시킨다. 이러한 장치는 발의 자극을 위해서만 이용된다.
지금까지, 확률공명의 원리가, 신호 및 노이즈의 모두가 동일한 감각기관에 가해질 수 있는 것을 의미하는 단일-모달(uni-modal)에 적용될 수 있는 것을 나타낸다. 예를 들어, 촉각 감응성을 향상시키기 위하여 촉각 자극 및 촉각 노이즈가 촉각 기전에 가해지고, 시각 감응성을 향상시키기 위하여 시각 자극 및 관련 노이즈가 시각 기전에 가해진다.
그러나, 지금까지, 동일한 대상체의 다른 감각, 반사, 및/또는 운동 기전에 영향을 주기 위하여 하나의 대상체의 감각 기전을 노이즈로 자극하는 방법, 및 상기 노이즈가 다수 감각의 통합 시스템에 작용하는 방법을 전혀 보여주지 못했다.
따라서, 전술한 문제점을 극복하고, 행동에 관한 확롤공명의 연구를 완료하기 위하여, 본 발명은 또 다른 상이한 감각 기전을 자극하여 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성의 향상 및 다수 감각의 통합 시스템에서의 노이즈의 작용을 나타내기 위한 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 청각, 촉각, 또는 시각적 자극을 통해 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 향상시키는 방법 및 시스템을 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.
보다 구체적으로, 본 발명은, 대상체의 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위한 방법으로서, 상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것을 포함한다. 상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는(적용하는) 것을 포함하고, 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 크로스-모달(cross-modal) 확률공명(SR) 상호작용으로 인하여 상기 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 대상체의 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위한 시스템으로서, 자극 신호의 공급원, 및 상기 자극 신호에 반응해서, 상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 가해진 노이즈를 생성하고 상기 자극 신호에 반응하는 자극기를 포함한다. 상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하면(적용하면) 크로스-모달 확률공명(SR) 상호작용으로 인하여 대상체의 상기 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시킨다.
전술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이고, 본 발명은 주어진 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 제한되지 않은 예시적인 실시예에 따른 대상체를 자극하기 위한 시스템을 예시한 개략적인 블럭도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 시스템의 하나의 채널/자극 모듈을 예시한 개략적인 블럭도이다.
도 3은 대상체의 감각 기전을 자극하기 위한 물리적 시스템의 예를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 4a는 도 1에 나타낸 시스템을 이용하여 두개의 동시적 감각 자극의 영향을 받는 대상체를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 도 1에 나타낸 시스템을 이용하여 두개의 동시적 감각 자극의 영향을 받는 대상체를 개략적으로 나타낸 다른 도면이다.
도 6a, 도 6b, 및 도 6c는 노이즈의 상관관계로서 3개 대상체의 상대적 감응성을 나타낸 그래프이고, 0 db*는 0.218mv 피크와 같다.
도 7은 노이즈의 상관관계로서 14개 대상체의 상대적 감응성을 나타낸 다른 그래프이다.
도 8은 도 1에 나타낸 시스템을 이용하여 두개의 동시적 자극의 영향을 받는 대상체를 개략적으로 나타낸 또 다른 도면이다.
도 9a, 도 9b, 도 9c, 및 도 9d는 노이즈의 상관관계로서 4개 대상체의 상대 적인 EMG(근전 기록 장치, 근전도검사) 감응성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 상이한 노이즈 레벨에 대해, 주파수의 상관관계로서 EMG 파워 스펙트럼 밀도의 진폭을 나타낸 그래프이다.
도 11a, 도 11b, 및 도 11c는 노이즈의 상관관계로서 3개 대상체의 상대적 스윕 영역을 나타낸 그래프이고, 상기 영역은 스태빌로그램(stabilogram)에서 95%신뢰의 타원영역으로부터 계산된다.
도 12는 스태빌로그램에서의 95%신뢰 타원영역을 나타낸 그래프이다.
도 13은 시각적 각의 디그리당 1사이클(cpd)의 중앙 공간 주파수(f), 1디그리의 표준편차, 랜덤화된 상 및 수평격자를 갖는 게이버 패치(Gabor patch)의 예를 시각적으로 나타낸 도면이다.
도 14는 0에 집중된 가우스 분포의 예를 시각적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 가우스 노이즈를 갖는 수평의 발광-변조(luminance-modulated) 자극(LM) 격자의 예를 시각적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 가우스 노이즈를 갖는 수평의 대비-변조(contrast-modulated) 자극(CM) 격자의 예를 시각적으로 나타낸 도면이다.
도 17a, 도 17b, 및 도 17c는 대상체를 자극하기 위해 시스템의 제5응용예에 관련된 결과를 나타낸 그래프이다.
도 18a, 도 18b, 및 도 18c는 대상체를 자극하기 위해 시스템의 제5응용예에 관련된 결과를 역시 나타낸 그래프이다.
도 1의 블럭도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 제한적이지 않은 실시예는 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전, 구체적으로 상기 대상체의 일반적 감응성 및 자세 밸런스를 향상시키기 위하여 확률공명(SR)의 개념을 이용한다.
확률공명(SR)이 비선형 시스템에서 발생하기 위하여, 상기 비선형 시스템은 3개의 변수인 (i) 역치, (ii) 노이즈, 및 (iii) 서브역치 정보(subthreshold information)가 필요하고, 상기 서브역치 정보는 감각 기전에 가해지는 신호나 자극에 관한 것이고, 상기 감각 기전이 상기 자극에 반응하도록 (역치 아래의) 작은 크기를 갖는다. 실제, 확률공명(SR)은 비선형 현상이어서, 노이즈의 부가, 예를 들면 백색 노이즈는 정보 컨텐츠를 고양시킴으로써 서브역치 정보의 검출을 향상시킬 수 있다. 그러나, 최적 양이 부가된 노이즈만이 최적의 검출 정보를 산출할 수 있다. 실제, 너무 작은 노이즈가 부가되는 경우, 상기 서브역치 정보는 여전히 역치 아래에 있게 되고 검출될 수 없다. 너무 강한 노이즈가 자극에 부가되는 경우, 상기 노이즈가 자극의 정보 컨텐츠에 대해 너무 강하게 되어, 이러한 너무 강한 노이즈는 자극에 응하여 상기 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전의 반응을 램덤화시킬 것이다.
본 발명의 제한적이지 않은 예시적인 실시예의 제한되지 않은 관점은 대상체의 특정 타입의 감각 기전을 자극하는 것과 관계되어, 동일한 대상체의 다른 타입의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 향상시킨다. 대상체의 귀(들)에 청각 노이즈를 가하면 사람의 집게 손가락(index finger)의 촉각을 변화시키고, 사람의 다리 근육의 EMG(electromyography; 근전 기록 장치, 근전도검사) 활동성(활동도)을 변화시키고, 및/또는 자세를 유지하는 동안에 스태빌로그램 스윕 영역(stabilogram sweep area)을 변화시키는 것을 실험이 보여준다. 따라서, 이러한 실험은, 인간의 피질 내부에서의 상호작용이 다수 감각 통합 시스템을 형성하는 상호작용에 기초한 크로스-모달 확률공명인 것을 보여준다. 상기 다수 감각의 통합 시스템에서 노이즈의 영향을 받으면, 자세밸런스를 포함하는 대상체의 개괄적인 상태가 고양될 수 있다.
청각 또는 시각 자극을 통해 대상체의 감각 및 밸런스 기전을 향상시키기 위한 본 발명의 제한적이지 않은 예시적인 실시예에 따른 시스템을 먼저 설명한다. 그리고나서, 예시들은 상세하게 제공되며 후술될 것이다.
[청각, 촉각, 또는 시각 자극을 통해 감각 및 밸런스 기전을 향상시키기 위한 시스템의 설명]
도 1에 나타낸 바와 같이, 대상체에 가해질 하나 또는 복수의 자극을 생성하기 위한 시스템(10)을 도 1에 나타낸다. 상기 시스템(10)은 서로 접속가능한 복수의 유닛을 포함하고, 이러한 유닛은 고정된 상태이거나 이동가능할 수 있다.
먼저, 상기 시스템(10)은 도면부호 14와 같은 복수의 채널/자극 모듈을 구비한 중앙유닛(CU)(12)을 포함한다. 상기 복수의 채널/자극 모듈(14)은 유니버설 버스(16)를 통해 서로 연결되고, 상기 유니버설 버스는 또한 인터페이스(18)에 연결되고, 도면부호 20과 같은 컴퓨터는 상기 인터페이스를 통해 중앙유닛(CU)(12)을 액세스하고 관리할 수 있다. 또한, 각 채널/자극 모듈(14)에는 하나 또는 수개의 자극 장치(24)를 연결시키기 위한 하나 또는 수개 쌍의 입-출력 포트(21, 22)가 제공된다. 상기 자극 장치(24)는 진동기, 헤드폰, 디스플레이 등과 같은 상이한 타입일 수 있다.
상기 중앙유닛(12)에는 데이터 획득 성능이 제공되어, 상기 중앙유닛(12)은 채널/자극 모듈(14)에서 발생된 데이터를 처리할 수 있다. 또한, 상기 데이터의 더 많은 처리를 위하여, 상기 중앙유닛(12)은 인터페이스(18)를 통해 컴퓨터(20)에 접속될 수 있다. 예를 들면, 상기 컴퓨터(20)는 해석을 더 하기 위한 자극 과정의 변수 및/또는 결과를 수집하고 저장할 것이다. 상기 중앙유닛(12)은 (전기로 제한되지 않고, 광학 또는 생물학일 수 있는) 일반적인 마이크로프로세서일 수 있고, 작고, 가벼우며 휴대할 수 있는 것이 유리하다. 한편, 중앙유닛은 본 기술분야에 속하는 통상의 숙련자에게 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 상세하게 설명하지 않을 것이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 각 채널/자극 모듈(14)은, 실제로 신호 공급원이고, 예를 들어 상기 자극 과정에서 이용하기 위한 신호를 생성하는 증폭기나 발생기(40)를 포함한다. 상기 증폭기나 발생기(40)는 상기 공급원(40)으로부터 원하는 타입의 자극과 관련된 구체적 특성을 갖는 자극 신호로 변환하기 위한 신호 조절기(42)에 연결되고, 상기 출력 포트(22)에 공급된다. 적어도 하나의 자극 장치(자극기)(24)는 입-출력 포트(21, 22)를 통해 모든 채널/자극 모듈(14)에 연결된다. 또한, 각 채널/자극 모듈(14)은 상기 대응하는 자극 장치(24)로부터 입력 포트(21)를 통해 신호를 받기 위한 수신기(44)를 포함한다. 한편, 신호 발생기, 신호 증폭 기, 신호 조절기, 및 수신기는 본 기술분야에 속하는 통상의 숙련자에게 잘 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 더 이상 상세하게 설명하지 않을 것이다.
신호 조절기의 비제한적인 예의 신호 조절기는 변조, 아날로그 신호의 디지털 신호로의 변환, 진폭의 변화, 주파수, 신호의 상이나 형상 등을 포함한다(주; 전기 시스템이 보편적이지만, 이 경우에서는 기계, 빛, 유체 또는 기능을 달성하기 위한 여러 다른 물리적 수단을 이용할 수도 있다.).
자극 과정의 복잡성에 따라, 상이한 타입의 채널/자극 모듈(14)이 제공될 수 있다. 제한적이지 않은 예로서, 도 1에 나타낸 바와 같이, 3개의 다른 타입의 채널/자극 모듈(14)이 제공된다.
제1타입은 채널/자극모듈(14a)이 직접 자극에 제공되고, 상기 채널/자극 모듈(14)의 입-출력 포트(21, 22)는 대상체 몸체의 특정 영역을 자극하기 위해 적용되어 상기 대상체에 제공된 센서장치를 자극하는 하나의 자극 장치(24)에 연결된다.
제2타입은 채널/자극 모듈(14b)은 다른 자극으로 제공되고, 대상체 몸체의 다른 두개의 영역은 두 몸체 영역 사이의 부위를 자극하도록 이용되어 상기 대상체에 제공된 센서장치를 자극한다.
따라서, 상기 채널/자극 모듈(14b)은 두 쌍의 입-출력 포트(21a, 22a, 21b, 22b)를 포함하고, 상기 두쌍의 입-출력 포트는 각각 두개의 자극 장치(24a)에 연결된다. 상기 두개의 자극 장치(24a, 24b)는 각각 자극 장치(24a, 24b)에 대응되는 두개의 몸체 영역 사이의 상기 부위에 동일한 패밀리의 자극을 가하도록 형성된다. 자극기의 패밀리 및 그 결과는 이후에 설명한다.
상기 제3타입은 채널/자극모듈(14c)이 자극을 분포하도록 제공되고, 상기 대상체 몸체의 수개의 영역은 영역에 의해 커버된 대상체 몸체의 부위를 자극하기 위해 이용되어, 대상체에 제공된 센서장치를 자극한다. 분포된 자극은 자극결과를 강화시킨다. 이 경우, 상기 채널/자극 모듈(14c)은 자극의 모든 같은 패밀리를 제공하기 위해 형성된 복수의 자극 장치(24c 내지 24n)에 연결된다. 상기 채널/자극 모듈(14c)은 복수 쌍의 입-출력 포트(21c,21c 내지 21n,22n)를 포함한다. 상기 다른 입-출력 포트(21c,21c 내지 21n,22n)에서 상기 채널/자극 모듈(14c)에 의해 발생된 다른 신호는 예를 들어 강도 및 동시성과 같은 특성을 조절함으로써, 요구되는 자극을 얻을 수 있도록 조절될 수 있다.
예시된 것에 한정되지 않고, 상기 채널/자극 모듈(14c)은 근육의 영역을 자극하기 위해 형성될 수 있다.
대상체를 자극하기 위해 가해지는 자극 장치(24)의 구조는 이후에 설명한다. 보다 구체적으로, 각각의 자극 장치(24)는 일반적으로 동일한 기본 요소를 포함한다. 도 1의 예시에서, 상기 자극 장치(24)는 채널/자극 모듈(14)의 출력 포트(22)에 연결되고, 활성기 인터페이스(28)에 연결되는 활성기(26)를 포함한다.
상기 활성기 인터페이스(28) 또는 상기 센서 인터페이스(32)는 연결장치의 일부 또는 다른 타입으로 될 수 있고, 전송되는 수신 신호를 증폭하기 위한 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 활성기(26)는 예를 들어(전기적 시스템이 보다 일반적이나 이 경우 상 기의 기능을 달성하기 위한 기계식, 빛, 유체 또는 여러 다른 물리적 수단), 상기 활성기가 공급하도록 형성된 자극의 타입 예를 들어, 열, 빛, 진동, 음향 등에 대응하여 인터페이스(28)를 통해 자극으로 수신된 전기적 신호를 변환하기 위한 변환기(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 변환기는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려진 것으로서, 더 이상 구체적으로 설명하지 않는다.
센서(30)는 다른 변수를 검출하고 측정한다. 센서는 전기적, 전자적 또는 다른 타입으로 될 수 있다. 상기 센서는 예를 들어 전기 신호, 음향, 자장, 진동 열 등과 같은 다른 카테고리의 신호를 검출하도록 형성될 수 있다. 센서는 본 발명의 기술분야에서 잘 알려진 것으로서, 더 이상 구체적으로 설명하지 않는다.
상기 시스템(10)은 많은 타입의 자극을 형성할 수 있기 때문에, 상기 자극 장치(24)에 의해 제공되는 자극의 타입에 따라 상기 복수의 자극 장치(24)는 다른 패밀리 또는 카테고리의 자극으로 분류될 수 있다.
도 3은 자극 장치(24)의 다른 패밀리를 나타낸 것이다. 각각의 자극 장치(24)는 상기 채널/자극 모듈(14)의 복수의 포트(21, 22)를 통해 상기 CU(12)에 연결된다.
한정되지 않는 자극 장치(24)의 패밀리에 대한 제1예시는 시각 자극 장치(24-1, 24-6)로 제공된다. 상기 시각 자극 장치(24-1, 24-6)는 적어도 하나의 대상체의 눈에 시각 자극을 제공한다. 상기 시각 자극은 상기 대상체의 눈을 자극할 수 있는 깜박이는 빛, 강도가 변화하는 소정의 빛 스팟, 또는 다른 시각신호로 될 수 있다. 상기 시각 자극 신호의 크기에 따라, 상기 대상체는 신호를 검출하거나 검출하지 못한다. 상기 시각 자극 장치(24-1,24,6)는 활성기(26)와 같이 자극 장치(24-1)의 경우 한쌍의 안경을 포함하거나, 시각 자극 장치(24-6)의 경우 디스플레이를 포함하고, 각각은 상기 센서(30)와 통합된다. 상기 시각 자극의 크기는 상기 센서(30)에 의해 측정된다.
한정되지 않는 자극 장치(24)의 패밀리에 대한 제2예시는 진동 자극 장치(24-2)로 제공된다. 상기 진동 자극 장치(24-2)는 대상체 몸체의 영역에 진동을 자극하도록 가해져서(적용되어) 대상체에 제공된 센서장치를 자극한다. 상기 진동 자극 신호의 크기에 따라, 개별적으로 신호를 검출하거나 검출하지 못한다. 상기 자극 장치(24-2)는 활성기(26)와 같이 어떤 타입의 진동기를 포함할 수 있고, 센서(30)와 통합될 수 있다. 상기 진동 자극의 크기는 상기 센서(30)에 의해 측정된다.
한정되지 않는 자극 장치(24)의 패밀리에 대한 제3예시는 전자기 자극 장치(24-3)에 의해 제공된다. 상기 전자기 자극 장치(24-3)는 전자기장, 제어된 전류 또는 전압을 생산하고, 대상체의 몸체의 영역에 공급하여, 대상체에게 제공된 센서장치를 자극한다. 상기 전자기 자극에 따라 대상체는 자극을 검출하거나 검출하지 못한다. 상기 자극 장치(24-3)는 활성기(26)와 같이 전자기 방사물을 방출하는 코일 또는 안테나를 포함할 수 있고, 또한 센서와 통합될 수 있다. 상기 전자기장의 크기는 상기 센서(30)에 의해 측정된다.
한정되지 않는 자극 장치(24)의 패밀리에 대한 제4예시는 열 자극 장치(24-4)로 제공된다. 상기 열 자극 장치(24-4)는 열을 생산하고, 대상체의 몸체의 영역 에 자극으로서 열을 공급하여 대상체에게 제공된 센서장치를 자극한다. 대상체에 제공되는 상기 열자극 신호의 크기에 따라 대상체는 상기 신호를 검출하거나 검출하지 못한다. 상기 자극 장치(24-4)는 활성기(26)와 같이 전기적 히터를 포함할 수 있고, 또한 센서와 통합될 수 있다. 상기 열 자극의 크기는 상기 센서(30)에 의해 측정된다.
한정되지 않는 자극 장치(24)의 패밀리에 대한 제5예시는 청각 자극 장치(24-5)로 제공된다. 상기 청각 자극 장치(24-5)는 예를 들어 대상체의 적어도 하나의 귀에 진동 에너지 스펙트럼 및/또는 청각 에너지 스펙트럼을 대상체의 몸체에 제공한다. 청각 스펙트럼의 크기에 따라 대상체는 상기 신호를 검출하거나 검출하지 못한다. 상기 자극 장치(24-5)는 활성기(26)의 예시에 한정되지 않고, 센서(30)와 통합된 스피커, 헤드폰을 포함할 수 있다. 상기 청각 자극의 크기는 상기 센서(30)에 의해 측정된다.
일반적인 시스템(10)의 작동을 도 1을 참조하여 설명한다. 단순 및 명확하게 나타내기 위하여 상기 시스템(10)의 작동은 하나의 자극 및 자극을 수행하는 채널/자극 모듈(14)에 관련하여 설명한다. 본 발명의 기술분야의 일반적인 기술에 따라, 복수의 채널/자극 모듈(14) 및 자극 장치(24)를 이용하여 상기 시스템(10)의 작동을 수개의 동시의 자극에 대해 확장할 수 있다.
조작자는, 먼저 예를 들어 시각 자극, 청각 자극, 진동 자극 등과 같은 원하는 타입의 자극을 선택한다. 그리고 상기 조작자는 선택된 자극의 타입에 따라 입-출력 포트(21, 22)에 의해 자극 장치(24)를 상기 CU(12)에 연결한다. 이렇게 함으 로써, 상기 CU(12)는 자동적으로 상기 자극 장치(24) 및 대응되는 채널/자극 모듈(14) 사이에 링크된다.
상기 조작자는 예를 들어, 푸시버튼 또는 키를 눌러 상기 CU(12)가 버스(16)를 통해 상기 신호 발생기(40)(도 2에 나타냄)가 자극 신호를 발생하도록 지시하도록 조작한다. 상기 발생기(40)로부터의 자극 신호는 상기 신호 조절기(42)를 통해 처리되고, 상기 출력 포트(22)를 통해 상기 자극 장치(24)에 제공된다.
상기 자극 장치(24)에 의해 수신된 자극 신호는 상기 활성기 인터페이스(28)를 통해 상기 활성기(26)에 공급된다. 일단 상기 활성기(26)가 자극 신호를 수신하면, 상기 활성기는 자극을 빛, 진동, 소리 등과 같은 자극으로 변환한다. 상기 자극 신호는 자극으로 변환되고, 대상체의 센서장치에 공급되고, 동시에 상기 센서(30)에 의해 검출되고 측정된다.
일단 상기 자극 신호가 검출되면, 변환기에 의해 형성된 상기 센서(30)는 검출된 자극 신호를 다시 전기 신호로 변환하고, 전기 신호는 상기 센서 인터페이스(32) 및 입력 포트(21)를 통해 상기 채널/자극 모듈(14)로 다시 전송된다. 상기 전기 신호는 상기 수신기(44)에 의해 수신되고, 상기 CU(12)에 의해 분석된다. 예를 들어, 상기 수신된 신호의 크기가 검색된다. 동일한 푸시버튼 또는 키를 누름으로써, 상기 조작기는 상기 CU(12)가 상기 자극 과정을 반복하기 위해 신호발생기(40)가 다른 특성의 동일함을 갖는 다른 자극 신호를 발생하도록 버스(16)를 통해 다른 명령을 제공하고 전달하도록 지시할 수 있다.
이와 같은 루프는 폐-루프 제어기가 강도 및 자극 신호의 다른 특성을 연속 적으로 평가하도록 한다.
상기 시스템(10)은 도 4에 나타낸 바와 같이 자극의 수에 대하여 매우 유연하다. 이는 조작이 쉽고, 사람에 의해 쉽게 전달될 수 있다.
보다 구체적으로, 시스템(10)의 예는 도 4에 나타낸 바와같이, 동시에 다른 자극을 발생한다. 대상체(36)는 중앙유닛(12)을 그의 허리둘레에 고정된 벨트에 착용한다. 청각 자극 장치로 형성되는 제1자극 장치(24-5), 전자기 자극 장치로 형성되는 제2자극 장치(24-3) 및 진동기로 형성되는 제3자극 장치(24-2)는 상기 중앙유닛(12)에 연결된다. 상기 장치(24-5)는 예를 들어 안경에 장착되는 한 쌍의 이어폰을 포함한다. 도 4a에 보다 명확히 나타낸 바와 같이, 상기 진동기(24-2)는 안경(100)의 귀걸이의 단부 및 코 패드(104)에 장착될 수 있다. 도 4의 상기 시스템(10)은 대상체의 촉각의 감응성이 청각 자극을 통해 증가될 수 있음을 설명하는데 이용될 수 있다. 도 4의 시스템(10)은 대상체의 촉각의 감응성이 진동자(24-2)를 통한 대상체의 자극을 통해 증가될 수 있음을 설명하는데 이용될 수 있다.
도 5에 따른 다른 예시에 있어서, 상기 대상체(36)는 청각 자극 장치(24-5) 및 상기 진동 자극 장치(24-2)에 의해 동시에 제공되는 두개의 자극의 영향을 받는다. 예를 들어 도 5는 한단계 더 대상체(36)의 촉각 감응성이 청각 자극을 통해 증가될 수 있음을 설명하는데 이용될 수 있다.
물론, 두개 또는 그 이상의 자극이 동시에 제공되는 많은 다른 자극의 조합이 가능하다.
크로스-모달 SR의 원리를 제공하기 위하여 상기 대상체(36)가 복수의 자극의 영향하에 있을 경우, 다른 자극의 감응성을 증가시키기 위해 노이즈를 제공한다. 예를 들어, 도 5에 나타낸 바와 같이, 촉각 감응성을 증가시키기 위해 상기 대상체(36)는 청각 노이즈를 제공받고, 상기 청각 노이즈의 강도는 대상체(36)에 의해 조절될 수 있다. 상기 청각 노이즈를 조절함으로써, 촉각 감응성의 증가의 최적 레벨을 찾을 수 있다. 상기의 과정은 이하에서 보다 자세히 기술한다.
따라서, 상기 시스템(10)은 일반적인 감응성 및 자세 밸런스를 증가시키는데 도움을 주고, 신경근 회복 및 재활을 위한 사람, 화상 입은 사람, 자세문제 또는 피부 감응성 문제를 갖는 사람, 스포츠 선수, 당뇨병 환자, 노인에 도움을 줄 수 있다.
다른 예시로서 상기 시스템(10)은 나이에 동반하여 감각 처리가 감소함에도 불구하고, 다중 센서 채널을 이용하여 단일 감각 결핍을 극복하기 위한 효과적인 보정을 나타낼 수 있어 노인들에게 도움을 줄 수 있다. 그러나, 알츠하이머(Alzheimer), 파킨슨(Parkinson)병, 자폐증과 같은 신경 생물학 변형 및 뇌손상을 갖은 사람들이 상기와 같은 접근을 통해 유용하다고 판단할 수 있다.
SR이 인간의 피부 상호작용에서 발생하는 크로스 모달 현상임을 나타내는 상술된 실험을 이하에서 설명한다.
[제1예시]
제1예시는 도 5를 참조하여 설명한다. 보다 구체적으로, 특히 제1예시는 예를 들어 대상체의 촉각 감응성에 대한 청각 노이즈의 영향을 조사하고 이에 관계된다. 이를 위해 S7, S8 및 S15라 명기된 3개의 대상체는 청각 노이즈의 출현에 촉 각 감응성의 역치 패턴을 결정하고 측정하도록 선택된다.
도 5에 나타낸 대상체(36)는 자극하에 있다, 상기 3명의 대상체의 나이는 35 내지 50세의 범위이다. 상기 시스템(10)은 두 개의 동시적 자극인 (ⅰ) 진동 자극 장치(24-2)에 의해 제공되는 촉각 진동 자극, 및 (ⅱ) 헤드폰에 의해 형성되는 상기 청각 자극 장치(24-5)에 의해 제공되는 청각 자극을 형성하기 위해 이용된다.
상기 진동 자극 장치(24-2)는 상기 CU(12)에 의해 제어되고 모니터되고, 안정된 상태에서 0.1 내지 130 미크론의 크기로 진동된다. 보다 구체적으로, 상기 진동 자극 신호는 100Hz의 정도로 대상체의 오른손 집게손가락의 단부에 적용된다.
제1단계로서, 대상체(36)와 같은 상기 3명의 대상체는 단지 감응성의 역치하에 상기 진동 자극으로부터 진동의 크기를 조절하도록 요구된다. 이와 같이 함으로써, 초기에는 강한 진동 자극이 대상체의 집게손가락에 제공되고, 상기 자극을 대상체가 느끼게 된다. 따라서 진동 자극 신호의 강도는 상기 대상체가 진동을 더이상 감지하지 못할 때까지 천천히 감소된다. 따라서 상기 진동의 정도는 자극의 서브역치 레벨이 된다. 일단 상기 서브역치 레벨이 결정되면 상기 진동 자극 신호의 크기는 상기 실험의 정지레벨로 세팅된다.
제2단계에서, 대상체(36)와 같은 상기 3명의 대상체는 상기 헤드폰(24-5)을 통해 청각 노이즈의 영향을 받는다. 상기 대상체(36)는 사람이 상기 헤드폰(24-4)을 통해 청각 노이즈를 듣는 동안 상기 서브역치 진동 자극이 감지되는지를 예 또는 아니오로 나타내도록 한다. 상기 청각 노이즈를 들으면 비록 그들의 촉각 역치보다 상기 진동의 크기가 작더라 하더라도 대상체(36)에게 서브역치 진동을 감지하 도록 한다. 상기 청각 자극은 예를 들어 적합한 노이즈 발생기를 통해 전기적으로증촉된 디지털 노이즈다.
제1예시에서, 상기 대상체(36)의 촉각 감응성는 6개의 다른 노이즈 조건으로 측정된다. 첫번째 노이즈 조건은 단순히 노이즈가 없고, 이하 4개의 노이즈 조건은 노이즈의 레벨이 증가되고, 노이즈는 헤드폰(24-5)을 통해 제공된다.
도 6a, 6b 및 6c에 나타낸 결과는 참조한 바와 같이 이용되는 노이즈가 없는 조건을 갖는 노이즈(db*)의 기능으로서 촉각 감응성에 관한 그래프이다. 도 6a, 6b 및 6c의 그래프의 3개의 곡선은 3명의 대상체에 각각 대응되고, 일반적으로 유사한 거동을 나타낸다. 노이즈의 레벨이 증가됨에 따라, 상기 대상체의 연관된 촉각 감응성은 최대에 이를 때까지 증가되고, 이후 비록 노이즈의 레벨이 더 증가된다 하더라도, 기준점까지 상대적인 촉각 감응성은 감소하거나, 더 낮아진다. 도면에서 알 수 있듯이, 3개의 곡선은 SR 현상의 전형적인 시그너처(signature)를 나타낸다.
도 6a, 6b 및 6c에서 알 수 있듯이, 상기 3명의 대상체(36)의 상대적 촉각 감응성의 최대는 노이즈의 동일한 레벨에 의해 주어지지 않는다. 따라서, 상기 촉각 감응성의 최대값에서 진동은 SR 현상으로부터 최대 효과를 얻을 수 있는 노이즈의 최적 레벨은 각 개인에 따라 특유하다는 것을 나타낸다. 이는 각 대상체가 예를 들어 나이, 건강 또는 다른 체질과 같은 요인에 따라 다른 청각 및 촉각 역치를 갖는다는 것을 나타낸다.
[제2예시]
제2예시에서, 25에서 51세의 나이를 갖는 14명의 대상체가 선택되었다. 상기 설정은 도 5에서 도시된 제1예시와 동일하다. 상기 14명의 대상체는 백색 노이즈와 같은 청각 노이즈의 영향하에서 서브역치(subthreshold)의 진동성 자극에 대한 감지가 요구된다. 하지만 이 제2예시는 단지 두 개의 노이즈 조건, 즉 무 노이즈 조건과 일정 노이즈 조건, 만이 사용되었다. 더욱 상세하게는, 상기 일정 노이즈 조건은 33db로 설정되었다.
이 제2예시와 관련된 결과는 도 7의 그래프에 나타내어 진다. 더욱 상세하게는, 이 그래프는 기준으로 사용된 상기 무 노이즈 조건과 33db의 상기 일정 노이즈 조건의 함수로써 대상체 14명의 상대 촉각 감응성을 보여준다. 도 7에서 대상체의 71%인, 14명 중 10명의 대상체가 청각적 노이즈의 존재하에서 그들의 상대 촉각 감응성이 증가하는 것을 보여준다. 비록 4명의 대상체는 청각적 노이즈의 존재하에서 그들의 상대 촉각 감응성이 감소하지만, 도 7은 이들 특별한 경우에 대해서는 오차 범위 이내인 것을 보여준다(기준선을 가로지르는 수직선 참조); 이것은 이들 4명의 대상체에 대한 상기 결과는 통계상 상기 기준과 동일화시킬 수 있는 것을 의미한다. 하지만, 이들 대상체 4명이 상기 기준선보다 그들의 상대 촉각 감응성이 현저히 증가하는 것을 보이지 못했다는 것은 이들 4명의 대상체에 대해 상기 노이즈 레벨이 최적화되지 못했다는 사실에 기인한다. 상기 제1예시에서 설명된 것처럼, 청각 노이즈의 최적 레벨은 각 대상체에 의해 찾아 질 수 있고 이 청각 노이즈의 최적 레벨은 나이, 건강조건,등의 요인에 의해 대상별로 다를 수 있다.
[제3예시]
SR(확률공명) 현상을 보인 제3예시는 지각 현상에 의해 일반화되어진다. 상 기 제3예시는 각각의 대상체가 청각 노이즈에 의해 자극되는 동시에 자세 유지를 하는 동안 상기 대상체의 다리 근육의 EMG(근전도검사, 근전 기록 장치)반응과 관계가 있다.
상기 제3예시의 설정은 도 8에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 도 8의 상기 설정은 상기 제1 및 제2예시에 사용된 설정과 유사하다. 도 8을 참조하여, CU(12)는 청각 자극 장치(24-5), 전자기 자극 장치(24-3)(도 8에서는 보이지 않으나 도 4에 도시됨), EMG 기준전극(reference)(52), 위치 센서(54) 및 EMG 센서(56) 와 연결되어 있다. 대상체(36) 처럼 4명의 대상체 그룹, 즉 S3, S6, S7 및 S8이 선택된다. 상기 EMG 반응은 상기 대상체 4명에 상기 전자기적 자극 장치로부터 상기 대상체의 발이나 종아리에 촉각 전자기적 자극을 사용함으로써 측정된다.
상기 제1예시와 관련되어 위에서 설명된 것처럼 같은 방법으로, EMG 서브역치 크기는 도 8에서 도시된 것처럼 상기 시스템(10)을 사용함으로써 처음 결정된다. 그때, 백색 노이즈와 같은 청각 노이즈가 발생하고 상기 EMG가 기록되는 동안 헤드폰(24-5)을 통해 상기 대상체에 공급된다. 몇 개의 노이즈 조건(강도)이 테스트 되어진다.
상기 3번째 실험과 관계된 결과는 도 9a, 9b, 9c 및 9d에 기록되어 있고,여기서 무 노이즈 조건을 기준으로 하였다. 더욱 상세하게는, 상기 도 9a, 9b, 9c 및 9d는 노이즈 레벨의 함수로서 상대적인 EMG 감응성을 보여준다. 상기 상대적 EMG 감응성는 대상체 S3의 오른쪽 발의 발바닥 및 대상체 S6, S7 및 S8의 오른쪽 종아리의 EMG 활동도의 파워 스펙트럼 밀도로부터 추론된다. 도 9a, 9b, 9c 및 9d에서 보여지는 것처럼, 전형적인 SR 시그너처(signature) 상기 4명의 대상체에 대한 결과에 존재한다. 실제로, EMG 감응성은 최대값에 도달하기까지는 노이즈가 증가함으로써 같이 증가하나, 그 이후부터는 비록 노이즈 레벨이 계속 증가하더라도 감소한다. 하지만 대상체 8(도 9d)이 주목되어지고, 상기 노이즈(45dB)의 최종 값은 오차 범위(수직선을 참조)가 매우 넓기 때문에 믿을 수 없다.
도 10은 낮은 주파수 하에서, 더욱 상세하게 상이한 청각 노이즈 레벨을 갖는 0부터 2Hz, 대상체 S7의 EMG 활동도의 파워 스펙트럼 밀도를 보여준다.
모든 예시에서, 상기 노이즈는 노이즈 발생기에 의해 생성된 백색 노이즈이고 상기 청각 스펙트럼보다 더 큰 스펙트럼 너비를 갖는다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 하지만 기계적 및 전기적 공명 때문에, 헤드폰 내부의 음향 변환기는 상기 백색 노이즈의 스펙트럼을 변화시킨다. 또한, 상기 헤드폰은 백색 노이즈의 모든 스펙트럼을 재생할 수 없다.
그러므로, 상기 백색 노이즈의 스펙트럼은 상기 대상체의 피질에 이 노이즈가 도착할 때까지 변경되고, 상기 대상체의 피질에 도착한 백색 노이즈의 스펙트럼은 본래 백색 노이즈의 스펙트럼과 상이하다. 그러므로 상기 대상체의 피질은 5에서 10KHz 사이의 제한된 노이즈 대역폭을 완전한 백색 노이즈 스펙트럼(유효 노이즈)으로 해석한다.
하나의 감각 기관, 예를 들어 청각 기관을 노이즈로 자극하는 것을 보이도록 한 상기 제3예시는 다른 기관의 감응성 뿐만 아니라 자세의 균형과 사람의 일반적인 상태에 영향을 주고 향상시킬 수 있다. 그러므로, 상기 SR 현상을 통해 감각 기 관들, 신경의 조정, 시각적 인식 및 대상체의 자세 균형에 대한 전체적인 기능이 향상될 수 있다.
게다가, 인간에게 SR 현상은 전술된 것처럼 상기 대상체의 어떤 감각, 반사, 및/또는 운동 기전에서 집중되는 국부적 처리가 아니라, 크로스-모달 및 중앙 처리인 것을 보여준다. 실제로, 상기 제3예시에서 얻은 결과는 다른 특성의 생체 신호가 인간 피질의 공통된 곳에서 SR 이 일어날 것을 의미하는 같은 조건하에서 확률적으로 공명한다는 것을 포함한다.
제1, 제2 및 제3예시에서 얻은 상기 결과에 따라, 상기 시스템 (10)은 2개의 작용 모드로 나타날 수 있다.
상기 시스템(10)의 제1작용 모드는 상기 대상체에 적용될 미리 정하여진 노이즈 레벨로 구성된다. 특히 이 경우, 각 대상체는 같은 레벨의 노이즈의 영향하에 있다. 이 사례는 동일하고, 미리 정하여진 레벨의 청각적 노이즈가 다른 대상체에 적용된 상기 제2예시의 설정과 대응한다. 예를 들어, 상기 미리 설정된 레벨의 청각적 노이즈는 시스템(10)의 CPU(12)내에 프로그램될 수 있다.
다수의 대상체에 사용될 적당한 미리 설정된 레벨의 청각적 노이즈를 결정하기 위해, 노이즈의 최적 레벨의 평균을 반영한 노이즈 레벨의 최상의 값을 찾기 위해 많은 수의 테스트가 행하여 질 수 있다. 이처럼 미리 설정된 레벨의 노이즈는 더 개량되어 질 수 있고 미리 설정된 노이즈 레벨은 대상체의 나이, 성별, 육체적 조건 등과 관계되어 결정된 대상체 자신들의 다른 그룹으로 설정될 수 있다. 물론, 미리 설정된 노이즈 레벨을 갖는 것의 단점은 이 레벨이 각 특정 대상체들에 대해 최적의 노이즈 레벨에 항상 상응하는 것은 아니라는 것이다. 그러므로, 대상체들의 어떤 부분에 대하여, 도 7에서 보인 14명 중 4명의 대상체에 대한 예에서처럼, 미리 설정된 레벨의 노이즈가 대상체의 감각, 반사, 및/또는 운동 기전을 향상시키지 못한다.
상기 제2작용 모드는 각 대상체가 사람의 특별한 요구에 따라 노이즈의 레벨을 조정할 수 있는 커스터마이즈된(customize) 시스템(10)으로 구성된다.상기 노이즈 레벨의 조정은 예를 들어 나이, 육체적 조건, 자극된 감각 기전의 특징, 일반 건강 조건 등에 따라 각 대상체별로 다양하다. 커스터마이즈 시스템(10)에서, 각 대상체는 사람 자신의 각 특별한 상황에서 자극된 감각 기전에 적용될 최적의 노이즈 레벨을 결정할 수 있다.
[제4예시]
이 제4예시는 노이즈 함수로서 3명의 대상체에 대한 상대적 스윕 영역의 그래프를 보여주는 도 11a, 11b, 11c를 참조하여 설명될 것이다. 상기 영역은 도 12에서 보여지듯이, 스태빌로그램에서 95% 신뢰의 타원 영역으로부터 계산되었다.
이 제4예시는 상기 제3예시 다음에 수행된다. 이 제4예시에서, 상기 상대적 스윕 영역(relative sweep area)은 대상체 S6, S7, 및 S8에 대한 상기 노이즈 레벨로 측정된다. 이미 나타낸 바와 같이, 상기 영역은 스태빌로그램에서의 95% 신뢰의 타원 영역으로부터 계산된다. 스태빌로그램은 1, 2, 또는 3 방향에서 진폭의 움직음을 측정한다. 예를 들어, 1개 차원은 길이를, 2개 차원은 영역을 제공한다. 자기 위치 센서(54)는 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 대상체들의 왼쪽 어깨에 부착된 다. 상기 스태빌로그램은 x-y평면에서 측정된다(도 8 참조). 다시, 무 노이즈 상태는 기준으로 취해진다. 모든 실험에서, 대상체는 양발이 팽팽한 상태가 되는 위치가 되도록 접촉하면서 똑바로 서 있도록 요구받았다. 마지막으로, 3개의 다른 노이즈 레벨이 사용되었다.
[제5예시]
제5예시는 상기 대상체의 시각 감응성에 대하여, 청각 노이즈의 효과에 대한 조사와 관련되어 있다. 이를 위해서, 7명의 대상체들이 청각 노이즈가 있는 상태에서 그들 각자의 시각 역치의 패턴을 측정하고 결정하기 위해 선택되었다.
7명의 대상체의 나이는 22세에서 38세의 범위이다. 시스템(10)(도 3 참조)은 다음의 2개의 동시 자극인 (i) 상기 시각 자극 장치(24-6)에 의해 제공되는 시각 자극, 및 (ii) 헤드폰에 의해 형성되어 상기 청각 자극 장치(24-5)에 의해 제공되는 청각 자극을 수행하는데 사용된다.
상기 시각 자극 장치(24-6)는 상기 CU(12)에 의해 감시와 제어가 되었고, 43 cd/m2 의 평균 발광(mean luminance)과 100Hz의 재생비율(refresh rate)을 동시에 모두 제공할 수 있는 1024 그레이 레벨을 발생시킬 수 있다. 상기 시각 자극 장치(24-6)는 상기 룸에서 유일한 광원이었다. 광도계의 형상인 센서가 그것의 출력을 측정하기 위해 상기 시각 자극 장치(24-6)에 통합되었다. 2.20m의 시거리(viewing distance)에서, 상기 시각 자극 장치(24-6)에 의해 표시되는 각 화소(pixel)의 폭과 높이는 시각적 각의 1/64디그리(degree)이었다.
이번 실험에서 사용된 모든 시각 자극은 다음과 같이 나타낸 2개 항인 발광 변조(luminance modulation) LLM(x,y)와 대비 변조(contrast modulation) LCM(x,y)의 합이고,
LLM(x,y)=L0[M(x,y)+N(x,y)] 식 1
LCM(x,y)=L0[1+M(x,y)·N(x,y)] 식 2
여기서, L0는 자극 발광 평균과 배경 발광(background luminance)을 나타내고, N(x,y)는 외부 매개 함수(external carrier function) 이다.
상기 함수 M(x,y)는 다음과 같이 정의되고,
M(x,y) = 1 + S(x,y) 식 3
여기서, S(x,y)는 신호이다.
상기 신호 함수(S(x,y))는 시각적 각의 디그리(degree)당 1사이클(cpd)의 중앙 공간 주파수(f)와 1디그리인 표준편차(ρ), 각각의 자극 제공에서 무작위 추출되는 위상(p) 및 상기 과제에 따라 변하는 마이컬슨 대비(C)(변조 타입에 좌우되는 CLM 또는 CCM)를 갖는 게이버 패치이며, S(x,y)는 다음과 같이 주어지고,
여기서, r1은 방향 x 또는 y 일 수 있다. 도 13은 수평 격자를 가지는 신호함수 S(x,y)의 예를 보여준다.
상기 매개 함수(N(x, y))는 도 14에 나타냈듯이, 320 x 320 화소의 행렬(5 x 5디그리)를 발생시켰으며, 가우스 분포로부터 무작위적으로 선택된 각 요소는 0으로 집중되었다.
2-택일-강제-선택(2-alternative-forced-choice) 방법이 사용되었고, 각각의 제공은 신호에 의해 조절되는 매개체를 포함했으나, 상기 게이버 패치(Gabor patch)는 수평이거나 수직이었다. 상기 과제는 식 1에 의해 특징되는, 수직 또는 수평 발광-변조 자극(LM)과 식 2에 의해 특징되는 대비-변조 자극(CM)을 구별하는 것이었다. 도 15와 16은 각각 가우스 노이즈를 갖는 수평 LM 격자와 CM 격자의 예를 보여준다.
주어진 과제, 예를 들면 LM 또는 CM 신호의 검출에 대해, 상기 신호와 매개 변조 형태는 상기 대상체에게 알려지고 고정되어 있다. 상기 자극은 동일한 기간의 자극 간격으로 500ms 동안 제공되었다. 상기 공간 창문(spatial window)은 0.25도의 표준편차가 있는 가우스 분포를 따르는 소프트 에지(soft edges)와 4디그리 폭의 전체 대비 고점을 가지고 순환된다.
제1단계에서, 상기 7개의 대상체(미도시)는 시각 자극 장치(24-6)로부터 2.20m의 거리에 앉아 있었고, 상기 표시되는 격자가 상기 LM 과 CM 자극의 각각에 대해 수평 또는 수직에 있도록 요청되었다. 각각의 실험 후에, 피드백 음향은 사람의 반응이 정확하다면 상기 대상체를 가리킨다. 상기 LM 과 CM 역치를 평가하기 위해, 2-하강-1-상승(2-down-1-up) 절차가 사용되었다. 다시 말해, 2개의 연속적인 정확한 반응들 후에는, 상기 과제에 의존해서 변화는 상기 종속변수가 10% 감소(또 는 상기 종속변수가 노이즈 대비였을 때는 증가) 되었고, 70.7%의 역치 기준으로 결정되는 각각의 부정확한 반응 후에는 같은 비율로 증가(또는 감소) 되었다. 상기 역치는 상기 종속변수 값들의 마지막 6번째의 전도((inversion), 피크(peak))인 기하학적인 의미로 정의된다. 어떠한 청각 노이즈도 없이, 이러한 제1단계는 제어로써 사용되었다.
제2단계에서, 상기 7명의 대상체들은 상기 헤드폰(24-5)을 통해 청각 노이즈에 대해 영향을 받는다. 상기 대상체는, 상기 헤드폰(24-5)(15kHz의 컷오프(cut-off)를 갖음)을 통해 발생되는 상기 청각 노이즈를 듣는 동안, 상기 표시되는 격자가 상기 LM 과 CM 자극 각각에 대해 수평 또는 수직에 있도록 요청되었다. 상기 LM 과 CM 역치는, 상기 제1단계에서 설명한 것과 같은 2-하강-1-상승 절차를 사용하여, 5개 청각 레벨을 위해 측정되었다.
따라서, 6개의 청각 상태(제어 + 5개 노이즈 레벨들)가 측정되었고, 5개 역치(5개의 분리된 계단들)가 각 상태에 대해 안정되고, 평균화되었다.
CM 자극에 대한 결과들이 도 18a, 18b 및 18c에서 보여진 반면, LM자극에 대한 결과는 도 17a, 17b 및 17c에서 보여진다. 이러한 실험들에서 SPL(음압레벨) 표준에 맞춰진 비율 상태에 있는 눈금이 조정된 기구들을 사용했으며, 0 dBSPL은 20μP(마이크로 파스칼)로 맞춰졌다. 도 17a-17c와 18a-18c는 일반적으로 여전히 전형적인 SR 시그너처를 나타내고, 보여주며, 상기 노이즈가 증가할 때 또한 최소치에 도달할 때까지 상기 시각 역치는 (더 나은 감응성에 상당할 정도로)감소한다. 그 후, 비록 노이즈 레벨이 계속 증가하더라도 감소한다. 이러한 그래프에서, 더 나은 감응성 수단은 데이터가 역치로써 제공되기 때문에 값들을 낮추게 한다. 이러한 데이터는 시각 처리의 근본적인 기능인 대비 감응성(contrast sensivity)이 다른 감각을 위해 수행되는 것과 동일한 기전에 의해 향상되는 것으로 나타난다. 상기 데이터는 또한 이것이 다른 레벨의 형태 지각, 즉, 1번째와 2번째 순서의 시각 처리에도 맞다는 것을 나타낸다.
[멜니코프 이론(The Melnikov theory)]
멜니코프의 전통적인 이론은 전이를 보여주는 시스템을 이해하고 분석하는 데 사용된다. 인간 피질은 또 다른 감각에 적용되는 신호의 에너지를 사용함으로써 한 감각의 전이(향상)을 유발하기 때문에, 멜니코프 이론은 인간 피질에서 발생하는 크로스-모달 상호작용(cross-modal interaction)을 설명하기에 위해 사용될 수 있다.
더욱 자세하게, 멜니코프 이론은 SR 현상이 카오스적이고, 신호대 노이즈비(SNR)의 향상에서의 노이즈의 주파수 스펙트럼의 역할을 설명한다는 것을 보여준다. 이 이론은 단지 노이즈뿐 만 아니라, 조화된 또는 결정론적인 자극도 더해서, SNR의 향상 쪽으로 더 연장될 수 있다.
먼저, 멜니코프 이론은 상기 전이가 늘 카오스적이라는 것을 가정한다.
그 다음에, 시스템에서 카오스를 유발하는 데 필요한 조건이 다음의 식으로 주어지고,
여기서, Fd는 소산 에너지와 관련되고, 상기 두개의 다른 항은 여자 에너지와 관련된다. 상기 여자 에너지는 결정론적(deterministic)(2번째 항)이거나 확률론적(stochastic)(3번째 항) 일 수 있다. 상기의 결정론적인 여자는 보통 다른 주파수에서는 조화적인 신호이고 상기 확률론적인 여자는 백색 노이즈이다.
촉각 감각이 시험될 때, 시각 또는 청각 신호의 존재 속에서, 전이의 발생을 위한 멜니코프 필요 조건(MNC)은 다음의 식으로 주어지고,
여기서, 첫 번째 합은 촉각 신호 속에서의 결정론적인 조화(deterministic harmonic)를 나타내고, 두 번째 합은 시각 또는 청각 신호 속에서의 조화된 여자(harmonic excitation)이다. 전이를 발생하기 위한 최상의 주파수는 상기 MSF(멜니코프 팩터; Melnikov Scale Factor)의 최대치에 가까운 대역에 포함된 것이다. 상기 MSF는 전이를 유도하는데 있어서 가장 효과적인 주파수 요소를 주는 주파수 함수이다. 이러한 주파수의 진폭은 촉각 기전의 수행능력을 향상시킨다.
따라서, 상기 멜니코프 이론은 백색 노이즈 대신에, 결정론적인 신호가 상관성의 향상된 상태를 만드는데 복합센서 융합 기전으로 작용할 수 있음을 보여준다. 이러한 현상은 결정론적인 동기화형 현상이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
Claims (25)
- 대상체의 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위한 방법으로서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것을 포함하고;상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것을 포함하고;상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 크로스-모달 확률공명(SR) 상호작용으로 인하여 상기 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키는기전의 감응성을 향상시키기 위한 방법.
- 제1항에 있어서,상기 노이즈는 유효한 노이즈인방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체의 적어도 하나의 귀에 청각 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체의 적어도 하나의 눈에 시각 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체 몸체의 적어도 일부분에 촉각 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체 몸체의 적어도 하나의 영역에 전자기 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체 몸체의 적어도 하나의 영역에 열적 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체의 적어도 하나의 귀에 청각 노이즈를 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 상기 대상체 몸체의 특정 영역에 직접적 자극을 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 상기 대상체 몸체의 두 상이한 영역 사이의 상기 대상체 몸체의 부위를 자극하기 위하여 상기 대상체 몸체의 두 상이한 영역을 자극함으로써 차별적 자극을 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 상기 대상체 몸체의 수개의 영역으로 커버된 상기 대상체 몸체의 부위를 자극하기 위하여 상기 대상체 몸체의 수개의 영역을 자극함으로써 분포 자극을 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전을 자극하는 것은 복수의 상이한 자극을 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 소정의 노이즈 레벨을 가하는 것을 포함하는방법.
- 제1항에 있어서,상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하는 것은 상기 대상체의 요구에 커스터마이즈화된 레벨에 대한 노이즈를 조정하는 것을 포함하는방법.
- 대상체의 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키기 위한 시스템으로서,자극 신호의 공급원; 및상기 자극 신호에 반응해서, 상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 가해진 노이즈를 생성하고 상기 자극 신호에 반응하는 자극기를 포함하고,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 노이즈를 가하면 크로스-모달 확률공명(SR) 상호작용으로 인하여 대상체의 상기 제1자극, 반사, 및/또는 운동 기전의 감응성을 향상시키는기전의 감응성을 향상시키기 위한 시스템.
- 제15항에 있어서,상기 공급원은 자극 신호의 조절기를 포함하고, 상기 자극 신호는 자극기에 공급되기에 앞서 조절되는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 대상체의 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 가해지는 노이즈를 측정하기 위한 센서를 상기 자극기가 포함하는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 자극기 장치는 시각 자극 장치, 진동 자극 장치, 전자기 자극 장치, 열적 자극 장치, 촉각 자극 장치, 및 청각 자극 장치로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 자극기는 대상체 몸체의 특정 영역에 직접적 자극을 가하는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 대상체 몸체의 두 상이한 영역 사이의 상기 대상체 몸체의 부위를 자극하기 위하여 상기 대상체 몸체의 두 상이한 영역을 자극함으로써 차별적 자극을 가하기 위한 두개의 자극기를 포함하는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 대상체 몸체의 수개의 영역으로 커버된 상기 대상체 몸체의 부위를 자 극하기 위하여 상기 대상체 몸체의 수개의 영역을 자극함으로써 분포 자극을 가하기 위한 복수의 자극기를 포함하는시스템.
- 제15항에 있어서,환자의 몸체에 복수의 상이한 자극을 가하기 위한 상이한 타입의 복수의 자극기를 포함하는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 공급원 및 자극기는 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 소정의 노이즈 레벨을 가하도록 구성되는시스템.
- 제15항에 있어서,상기 공급원은 상기 제2자극, 반사, 및/또는 운동 기전에 가해진 노이즈를 상기 대상체의 요구에 커스터마이즈화된 레벨에 대해 조정하도록 구성되는시스템.
- 제15항에 있어서,자극 과정에 대한 정보를 컴퓨터로 전달하기 위하여 시스템을 컴퓨터에 접속시키기 위한 인터페이스를 더 포함하는시스템.
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