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KR20190127490A - 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(bci) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(bci) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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KR20190127490A
KR20190127490A KR1020180052160A KR20180052160A KR20190127490A KR 20190127490 A KR20190127490 A KR 20190127490A KR 1020180052160 A KR1020180052160 A KR 1020180052160A KR 20180052160 A KR20180052160 A KR 20180052160A KR 20190127490 A KR20190127490 A KR 20190127490A
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구정훈
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계명대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 재활 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템으로서, 게임영상을 표시하는 표시 장치, 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 주는 뇌 자극 장치, 상기 표시 장치에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 뇌파 획득 장치, 상기 뇌파 획득 장치에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 뇌파 분석 장치 및 상기 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는, 상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 제어할 수 있고, 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 뇌파 획득 장치 및 뇌파 분석 장치를 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어할 수 있으며, 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 재활 시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법으로서, (1) 표시 장치가, 게임영상을 표시하는 단계, (2) 뇌 자극 장치가, 사용자의 뇌에 자극을 주는 단계, (3) 뇌파 획득 장치가, 상기 단계 (1)에서 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 단계, (4) 뇌파 분석 장치가, 상기 단계 (3)에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 단계, 및 (5) 제어 장치가, 상기 단계 (4)에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 상기 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 단게를 포함하되, 상기 단계 (1)에서는, 상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 상기 게임영상을 표시하고, 상기 단계 (5)에서는, 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 단계 (2) 및 (3)을 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어하며, 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 기존의 SSVEP를 이용한 시스템은 깜빡이는 빛을 이용하였던 것과는 달리, SSVEP의 특정 주파수로 깜빡이는 객체의 신체부위를 표시하고, 사용자가 주시하는 객체의 신체부위가 움직이게 되는 게임영상을 통하여, 거울신경세포를 활성화시킬 수 있으며, 사용자의 흥미를 유도하여 영상을 주시하는 집중력을 높일 수 있고, 이와 동시에, 사용자의 능동적인 재활 훈련이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 줌으로써 거울신경세포의 활성화를 극대화시켜 재활 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있다.

Description

거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법{GAME-BASED REHABILITATION SYSTEM THAT COMBINES BRAIN STIMULATION AND BRAIN-COMPUTER INTERFACE TECHNIQUES TO MAXIMIZE ACTIVATION OF MIRROR NERVE CELLS AND ITS CONTROL METHOD}
본 발명은 재활 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 운동 능력의 결손을 가지는 뇌질환 환자는, 마비된 근육을 자신의 의지로는 조절할 수 없는 경우가 대부분이며, 이러한 환자의 재활을 돕는 방법으로는 물리치료, 약물치료, 수술 등이 있다. 특히, 물리치료를 이용한 재활 훈련에 있어서, 환자의 의지에 의해 능동적으로 치료를 하는 경우가 재활 훈련의 효과가 높은 것으로 보고되었으나, 근육 마비로 인해 동작에 제한이 있는 환자들에게, 이러한 재활 훈련은 물리치료사에 의하여 수동적으로 이루어질 수밖에 없는 문제점이 있다.
한편, 재활 훈련의 효과를 높이기 위하여, 환자의 거울신경세포의 자극을 이용하는 치료방법이 있다. 이는 물리치료사에 의한 수동적인 치료가 아닌, 환자가 특정한 대상을 주시하고 행동을 통하여 이루어지는 능동적인 재활 훈련이라는 점에서 의미가 있다. 거울신경세포는, 자신이 직접 경험한 것이 아니라 타인의 행동을 보기만 해도, 관찰자가 실제로 행동하는 것과 같이, 관찰자의 신체에서 동일한 반응을 일으키게 하는 세포를 의미한다. 이를 응용한 재활 훈련으로서, 환자의 거울신경세포를 활성화시키기 위하여, 특정 대상의 움직임이 포함된 비디오를 보여주는 방법이 있으며, 이러한 방법은, 뇌손상으로 인하여 자신의 의지로는 동작을 할 수 없는 환자에게, 타인의 행동을 보는 것만으로도 환자 자신이 스스로 행동하는 것처럼 환자의 신체 시스템에 영향을 미치게 된다.
또한, 최근에는 환자의 뇌파를 이용한 재활과 관련된 연구가 진행되고 있으며, 특히 BCI(Brain-Computer Interface)는 뇌파를 컴퓨터에 전달하는 장치를 의미하는 것으로서, 이러한 BCI 기술을 이용하여, 사람과 컴퓨터의 소통을 이용한 재활 시스템 분야의 개발이 활발해지고 있다.
BCI 기법으로 소개되고 있는 SSVEP(Steady-State Visually Evoked Potentials)는, ‘정상상태시각유발전위’라고 하며, 이는 사용자가 깜빡이는 빛을 주시할 때 사용자의 뇌파에서 발생되는 것으로, 주시하는 빛의 깜빡임과 같은 주파수를 갖는 뇌파를 가리킨다. 즉, SSVEP를 이용한 BCI 기술은, 사용자가 특정 주파수로 깜빡거리는 빛을 보면, 사용자의 뇌 뒤쪽에서 SSVEP가 발생하게 되며, 사용자의 머리에 설치된 뇌파 측정 장치를 통하여 측정된 SSVEP가, 컴퓨터에 입력됨으로써, 뇌파를 컴퓨터에 전달할 수 있게 되는 것이다.
도 1은 기존의 SSVEP를 이용한 시스템의 일예를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화면에서 특정 주파수를 깜빡이는 빛을 이용하여, 사용자의 뇌파에서 SSVEP를 검출하고, 검출된 뇌파를 컴퓨터에 전달하게 된다. 이 경우 깜빡이는 빛은 하나 이상일 수 있고, 각각 특정 주파수가 상이하여, 사용자의 뇌파에서 검출된 SSVEP의 주파수의 분석을 통하여, 사용자가 주시하는 빛이 무엇인지 알 수 있다. 각각의 깜빡이는 빛에는 미리 정하여진 신호가 있으며, 사용자가 주시하는 빛의 신호에 대응되는 장치를 원격으로 제어할 수 있는 시스템이다. 이러한 깜빡이는 빛을 이용하는 시스템은, 단지 깜빡이는 빛을 이용하는 것이므로, 사용자가 이에 흥미를 갖기 어렵고, 집중도가 떨어지는 문제점이 있다. 이와 같은 SSVEP를 이용한 시트템과 관련된 선행기술로는, 공개특허 제10-2014-0075049호(발명의 명칭: 집중력 평가 방법 및 이를 적용하는 장치), 등록특허 제10-1431203호(발명의 명칭: 뇌파를 이용한 의도 인식용 두뇌 기계 인터페이스 장치 및 방법) 등이 있다.
상기한 바와 같이, 종래의 SSVEP를 이용한 시스템은, 사용자가 흥미를 갖지 않게 되어, 집중도가 낮을 수밖에 없으므로, 사용자의 집중력을 높일 수 있는 해결책이 필요하며, 이에 더 하여, 기능성 전기 자극(Functional Electrical Stimulation)를 통해 재활 훈련의 효과를 높일 수 있는, 거울신경세포의 활성화 방법의 개발의 필요성이 높아지고 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존의 SSVEP를 이용한 시스템은 깜빡이는 빛을 이용하였던 것과는 달리, SSVEP의 특정 주파수로 깜빡이는 객체의 신체부위를 표시하고, 사용자가 주시하는 객체의 신체부위가 움직이게 되는 게임영상을 통하여, 거울신경세포를 활성화시킬 수 있으며, 사용자의 흥미를 유도하여 영상을 주시하는 집중력을 높일 수 있고, 이와 동시에, 사용자의 능동적인 재활 훈련이 가능하도록 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 줌으로써 거울신경세포의 활성화를 극대화시켜 재활 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템은,
재활 시스템으로서,
게임영상을 표시하는 표시 장치;
사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 주는 뇌 자극 장치;
상기 표시 장치에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 뇌파 획득 장치;
상기 표시 장치에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 분석하는 뇌파 분석 장치;
상기 뇌파 분석 장치에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 상기 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 제어 장치를 포함하되,
상기 제어 장치는,
상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 제어할 수 있고, 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 뇌파 획득 장치 및 뇌파 분석 장치를 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어할 수 있으며,
사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표시 장치는,
상기 게임영상의 진행을 위한 안내콘텐츠를 더 포함하여 표시하는 표시 장치일 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 표시 장치는,
상기 안내콘텐츠에 해당되는 음성콘텐츠를 출력하는 음성출력 장치를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 비-침습적 자극은,
사용자의 뇌에 자기 또는 전기를 이용하여 수술 치료 없이 뇌의 특정 부위를 국소적으로 자극함으로써, 거울신경세포의 활성화를 극대화할 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌 자극 장치는,
tDCS, tACS, tMS를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌 자극 장치는,
자극 신호를 실시간으로 생성하는 자극 생성부; 및
자극 생성부로부터 상기 자극 신호를 전달받아, 상기 자극 신호에 따른 자극을 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행하는 자극부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌파 분석 장치는,
사용자가 선별적으로 객체의 특정 신체부위를 주시할 때의 뇌파를 검출하는 뇌파검출부; 및
상기 뇌파검출부에서 검출된 뇌파의 주파수를 분석하는 뇌파분석부를 포함할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 뇌파검출부는,
사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서, SSVEP를 검출할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 뇌파분석부는,
상기 뇌파검출부에서 검출된 SSVEP의 주파수를 분석할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는,
뇌파분석부가 분석한 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 객체의 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
상기 제어신호 생성부에서 생성된 제어신호를 이용하여 상기 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 게임 방식의 재활 시스템은,
객체의 하나 이상의 신체부위가 깜빡이는 특정 주파수는, 신체부위에 관계없이 동일한 주파수이거나, 신체부위마다 서로 다른 주파수일 수 있다.
바람직하게는, 상기 게임 방식의 재활 시스템은,
신체부위가 미리 설정된 방식으로 움직이는 게임영상은, 사용자의 재활에 도움이 되는 움직임을 포함할 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따른, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법은,
재활 시스템의 제어방법으로서,
(1) 표시 장치가, 게임영상을 표시하는 단계;
(2) 뇌 자극 장치가 사용자의 뇌에 자극을 주는 단계;
(3) 뇌파 획득 장치가, 상기 단계 (1)에서 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 단계;
(4) 뇌파 분석 장치가, 상기 단계 (2)에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 단계; 및
(5) 제어 장치가, 상기 단계 (3)에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 단계를 포함하되,
상기 단계 (1)에서는,
상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 상기 게임영상을 표시하고,
상기 단계 (5)에서는,
사용자가 상기 게임영상에 표시되는 객체의 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 단계 (3) 및 단계 (4)을 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어하며,
사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 표시 장치는,
상기 게임영상의 진행을 위한 안내콘텐츠를 더 포함하여 표시하는 표시 장치일 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌 자극 장치는,
tDCS, tACS, tMS를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌 자극 장치는,
자극 신호를 실시간으로 생성하는 자극 생성부; 및
자극 생성부로부터 상기 자극 신호를 전달받아, 상기 자극 신호에 따른 자극을 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행하는 자극부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 뇌파 분석 장치는,
사용자가 선별적으로 객체의 특정 신체부위를 주시할 때의 뇌파를 검출하는 뇌파검출부; 및
상기 뇌파검출부에서 검출된 뇌파의 주파수를 분석하는 뇌파분석부를 포함할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 뇌파검출부는,
사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서, SSVEP를 검출할 수 있다.
더 바람직하게는, 상기 뇌파분석부는,
상기 뇌파검출부에서 검출된 SSVEP의 주파수를 분석할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 장치는,
뇌파분석부가 분석한 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 객체의 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
상기 제어신호 생성부에서 생성된 제어신호를 이용하여 상기 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치를 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법에 따르면, 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 기존의 SSVEP를 이용한 시스템은 깜빡이는 빛을 이용하였던 것과는 달리, SSVEP의 특정 주파수로 깜빡이는 객체의 신체부위를 표시하고, 사용자가 주시하는 객체의 신체부위가 움직이게 되는 게임영상을 통하여, 거울신경세포를 활성화시킬 수 있으며, 사용자의 흥미를 유도하여 영상을 주시하는 집중력을 높일 수 있고, 이와 동시에, 사용자의 능동적인 재활 훈련이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 줌으로써 거울신경세포의 활성화를 극대화시켜 재활 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있다.
도 1은 기존의 SSVEP를 이용한 시스템의 일예를 도시하는 도면.
도 2는 기존의 SSVEP를 이용한 시스템을 통하여 출력된 뇌파의 주파수 분석 결과를 도시하는 도면.
도 3은 타인의 동작을 관찰하는 관찰자의 뇌의 일정 영역이 활성화된 것을 나타내는 사진.
도 4는 현재 임상에서 사용되고 있는 비-침습적 뇌 자극인 (a) 자기를 이용한 반복 경두개 자기 자극, (b) 직류 전기를 이용한 경두개 직류 전기 자극의 모습을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 사용자가 재활 훈련을 하는 모습을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에서, 사용자가 주시하는 게임 영상의 객체의 신체부위가 움직이는 모습을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 블럭도를 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 게임영상의 일부를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 그 제어방법의 흐름도를 도시한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일 또는 유사한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 기존의 SSVEP를 이용한 시스템의 일예를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 화면에서 특정 주파수로 깜빡이는 빛을 이용하여, 사용자의 뇌파에서 SSVEP를 검출하고, 검출된 뇌파를 컴퓨터에 전달하게 된다. 이 경우 깜빡이는 빛은 하나 이상일 수 있고, 각각 특정 주파수가 상이하여, 사용자의 뇌파에서 검출된 SSVEP의 주파수의 분석을 통하여, 사용자가 주시하는 빛이 무엇인지 알 수 있다. 각각의 깜빡이는 빛에는 미리 정하여진 신호가 있으며, 사용자가 주시하는 빛의 신호에 대응되는 장치를 원격으로 제어할 수 있는 시스템이다.
도 2는 기존의 SSVEP를 이용한 시스템을 통하여 출력된 뇌파의 주파수 분석결과를 도시하는 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 깜빡이는 빛을 주시하는 사용자의 뇌파에서는, 사용자가 주시한 깜빡이는 빛이 갖는 주파수와 동일한 주파수의 SSVEP가 검출될 수 있으며, 각각 해당 주파수에서 피크가 표시된 것을 확인할 수 있다.
도 3은 타인의 동작을 관찰하는 관찰자의 뇌의 일정 영역이 활성화된 것을 나타내는 사진이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 연구결과에서는, 관찰자가 이행적 동작과 흉내 내기 동작을 관찰할 때는, 같은 동작을 정적인 그림으로 관찰할 때와는 달리 뇌의 특정 영역에서 각기 다른 활성을 보였으며, 이는 관찰한 동작에 참여하는 효과기에 달려있다고 발표되었다. 이로부터, 동작 관찰을 통해 관찰자의 뇌의 일정 영역이 활성화되는 것을 확인할 수 있고, 활성화된 거울신경세포는 관찰된 동작을 관찰자가 실제로 실행하는데 관여하는 운동회로를 강화시킴으로써, 관찰자의 실질적인 운동이 없이도 재활 훈련을 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
비-침습적 뇌 자극은 자기 또는 전기 등을 이용하여 수술 치료 없이 뇌의 특정 부위를 국소적으로 안전하게 자극하여 신경 조절을 구현하는 방법이다. 도 4는 현재 임상에서 사용되고 있는 비-침습적 뇌 자극인 (a) 자기를 이용한 반복 경두개 자기 자극, (b) 직류 전기를 이용한 경두개 직류 전기 자극의 모습을 도시한 도면이다. 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 반복 경두개 자기자극은 코일을 통해 형성된 자기장이 조직 내에서 전기장으로 변하여 적당한 강도와 시간에 도달하면 일반적으로 전기 자극처럼 신격의 탈분극을 일으키는 원리를 이용할 수 있다. 또한 자기 자극은 두개골이나 두피와 같은 저항이 큰 물체에 의해 세기가 약화되지 않고 두피에서 강한 전류 밀도를 형성하지 않아 통증이 적게 발생하게 되어 비침습적으로 대뇌를 안전하고 효과적으로 조절할 수 있다. 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 경두개 직류 전기 자극은 0.5~2㎃ 정도의 아주 약한 전기 자극으로 사각형 모양의 전극판을 직접적으로 두피에 부착하여 부착된 부위의 아래쪽 대뇌피질 세포막 잠재성을 인위적으로 변화시켜 피질의 민감성을 높이거나 감소시킬 수 있다. 전기 자극을 통해 유도된 변화는 전극의 성질에 따라 흥분성 또는 억제성을 가지는데 일반적으로 양극 자극판이 부착된 부위는 피질의 민감성을 높이고 음극 자극판이 부착된 피질은 민감성이 감소될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 구성을 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템은, 재활시스템으로서, 게임영상을 표시하는 표시장치(100), 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 주는 뇌 자극 장치(200), 표시 장치(100)에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 뇌파 획득 장치(300), 뇌파 획득 장치(300)에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 뇌파 분석 장치(400). 및 뇌파 분석 장치(400)에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 표시 장치(100)에서 표시되는 게임영상을 제어하는 제어 장치(500)를 포함하여 구성될 수 있다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 제어 장치(500)는, 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 제어할 수 있고, 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 뇌파 획득 장치(300) 및 뇌파 분석 장치(400)를 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어할 수 있으며, 그 결과 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에서는, 사용자가 게임영상을 표시하는 표시 장치(100)를 주시하고, 동시에 사용자의 머리에 부착된 뇌 자극 장치(200)를 이용하여 사용자의 뇌를 비-침습적으로 자극하고, 사용자의 머리에 부착된 뇌파 획득 장치(300)를 이용하여 게임영상에 표시되는, 객체의 신체부위의 깜빡이는 주파수와 동일한 주파수를 갖는 SSVEP를 획득하며, 뇌파 분석 장치(400)는 뇌파 획득 장치(300)에서 획득된 SSVEP의 해당 주파수를 분석하고, 이렇게 분석된 주파수를 이용하여 제어 장치(500)의 제어신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호에 따라 제어부(520)가 객체의 신체부위의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어함으로써, 개체의 특정 신체부위의 움직임을 이용하여 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화시키는 것과 동시에 사용자의 반응으로 진행되는 게임을 통하여, 사용자는 적극적인 자세로 재활 훈련을 할 수 있게 된다.
실시예에 따라서는, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 표시 장치(100)는, 게임과 관련된 콘텐츠로서, 사용자가 참여하는 방법 등의 내용을 포함하는 안내콘텐츠를 표시할 수 있으며, 안내콘텐츠에 해당되는 콘텐츠, 및 그 외의 다양한 콘텐츠에 대하여 음성으로 출력할 수 있는 음성출력 장치(110)를 포함할 수도 있다. 이하 도 6에서는 안내콘텐츠와 음성출력 장치(110)에 대하여 설명하도록 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 사용자가 재활 훈련을 하는 모습을 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 표시 장치(100)는, 게임영상의 진행을 위한 안내콘텐츠를 더 포함하여 표시할 수 있다. 안내콘텐츠는 이하에서 설명되는, 미리 지정된 움직임 모드와 대응되는 콘텐츠로 구성될 수 있다. 객체의 신체부위가 안내콘텐츠가 제시하는 움직임을 동작하게 하기 위하여, 사용자가 객체의 특정 신체부위를 주시하게 되면, 안내콘텐츠의 대응되는 미리 지정된 움직임 모드로, 객체의 신체부위가 움직이게 된다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, ‘칼을 휘두르고 싶으시면, 깜빡거리는 왼팔을 주시하시오’라는 안내콘텐츠를 표시 장치(100)에 표시함으로써, 사용자는 칼을 휘두르기 위하여, 필요한 움직임의 동작이 무엇인지를 알 수 있게 되며, 사용자는 객체의 왼팔을 움직이게 하기 위하여, 깜빡이고 있는 객체의 왼팔을 주시하게 될 것이다. 이 경우, 안내콘텐츠와 대응되는 미리 지정된 움직임은 ‘왼팔의 움직임, 및 칼을 휘두르는 움직임’이 될 수 있다. 물론, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 미리 지정된 움직임 모드와 대응되는 안내콘텐츠는 상기에 제시된 안내콘텐츠로만 한정되는 것은 아니다. 도 6에서는 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)을 펜싱 동작에 적용하여 설명하였으나, 이것으로 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 얼굴의 각 부위를 움직이는 동작에 적용하여 설명할 수도 있다. 즉, 게임영상 안에서 객체로서 얼굴 영상이 제공되고, 사용자가 얼굴 영상 내의 깜빡거리는 눈을 주시하면, 눈을 움직여 윙크하는 동작이 실시되는 형태의 게임영상이 제공될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 표시 장치(100)는, 안내콘텐츠에 해당되는 음성콘텐츠를 출력하는 음성출력 장치(110)를 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 표시 장치(100)는 음성콘텐츠를 출력할 수 있는 음성출력 장치(110)로서 스피커를 포함할 수 있으며, 헤드셋을 연결할 수 있는 장치를 포함할 수도 있다. 물론, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 음성출력 장치(110)는 상기에 제시된 스피커, 헤드셋을 연결할 수 있는 장치로만 한정되는 것은 아니며, 다른 실시예에 따라서는, 음성출력 장치(110)는 표시 장치(100)와 별개로 구성되어질 수도 있다. 또한, 음성콘텐츠는 안내콘텐츠에 해당되는 음성콘텐츠 뿐만 아니라, 게임진행에서 필요한 다양한 콘텐츠로 구성될 수 있다.
비-침습적 자극은, 사용자의 뇌에 자기 또는 전기를 이용하여 수술 치료 없이 뇌의 특정 부위를 국소적으로 자극할 수 있다. 뇌 자극 장치(200)는, 자극 신호를 실시간으로 생성하는 자극 생성부(210), 및 자극 생성부로부터 자극 신호를 전달받아, 자극 신호에 따라 자극을 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행하는 자극부를 포함할 수 있다.
자극 생성부(210)는, 전기 자극 신호를 실시간으로 생성할 수 있다. 자극 생성부는 이하에서 상세히 설명할 자극부를 제어하는 구성으로서, 사용자의 머리에 전기 자극이 시행되도록 자극부를 제어하는 전기 자극 신호를 실시간으로 생성할 수 있다.
자극부(220)는, 자극 생성부로부터 전기 자극 신호를 전달받아, 전기 자극 신호에 따른 전기 신호를 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행할 수 있다. 이때, 자극부는 신경 조절을 하고자 하는 대뇌피질 위치에 양극 혹은 음극의 표면전극이 부착되어 전기 자극을 줄 수 있으며, 부착된 부위의 아래쪽 대뇌피질 세포막 잠재성을 인위적으로 변화시켜 피질의 민감성을 높이거나 감소시킬 수 있다. 이때, 전기 자극을 통해 유도된 변화는 전극의 성질에 따라 흥분성 또는 억제성을 가질 수 있는데 양극 자극판이 부착된 부위는 피질의 민감성이 높아지고 음극 자극판이 부착된 부위는 피질의 민감성이 감소할 수 있다.
뇌 자극 장치로는, 직류로 뇌에 자극을 주는 tDCS, 교류로 뇌에 자극을 주는 tACS 및 자기장으로 뇌에 자극을 주는 tMS중 적어도 어느 하나의 장치가 될 수 있으나, 상기에 나열된 것으로 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 뇌파 획득 장치(300)는, 도 6에서 확인할 수 있듯이, 뇌파를 측정하는 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 하나 이상의 전극을 사용자의 머리를 감싸는 형태의 장치로 구성할 수 있으며, 또는 모자에 전극을 결합시킴으로써, 모자 자체가 뇌파 획득 장치(300)가 될 수도 있다. 뿐만 아니라, 전극에는 전해질 젤을 발라서 사용할 수도 있는데, 이는 전해질 젤이 두피로부터 검출되는 뇌파를 전극에 잘 전달할 수 있도록 해주는 역할을 하기 때문이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 사용자가 주시하는 객체의 신체부위가 움직이는 게임영상을 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 블럭도를 도시한 도면이다. 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 뇌파 획득 장치(300)에서 획득된 뇌파는, 뇌파검출부(410)와 뇌파분석부(420)를 포함하는 뇌파 분석 장치(400)와 연결될 수 있다. 또한, 뇌파 분석 장치(400)는, 제어신호 생성부(510), 및 제어부(520)를 포함하여 구성되는 제어 장치(500)와 연결되어, 뇌파 분석 장치(400)에서 분석한 뇌파를 제어 장치(500)로 전달할 수 있으며, 제어 장치(500)는 제어신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호를 이용하여, 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 뇌파 분석 장치(400)는, 사용자가 선별적으로 객체의 특정 신체부위를 주시할 때의 뇌파를 검출하는 뇌파검출부(410), 및 뇌파검출부(410)에서 검출된 뇌파의 주파수를 분석하는 뇌파분석부(420)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 뇌파검출부(410)는, 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서, SSVEP를 검출할 수 있다. 사용자가 표시 장치(100)의 게임영상에 표시되는 객체에 대하여 특정 주파수로 깜빡이고 있는 신체부위를 주시할 경우, 해당 신체부위의 주파수와 동일한 주파수를 갖는 뇌파가 사용자의 후두엽의 시각 피질에서 물리적으로 유도되는데, 뇌파검출부(410)에서는 깜빡이는 신체부위의 특정주파수와 동일한 주파수를 갖는 SSVEP를 사용자의 뇌파에서 검출할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 뇌파분석부(420)는, 뇌파검출부(410)에서 검출된, 사용자에 의하여 선별된 특정 주파수를 갖는 SSVEP의 주파수를 분석할 수 있다. SSVEP의 주파수를 분석하는 것은, 표시 장치(100)에서 표시되는 깜빡이는 객체의 신체부위의 주파수와 동일한 주파수를 갖는 SSVEP가 사용자의 뇌파에서 검출되었는지 여부를 확인하기 위함이다. 해당 주파수를 갖는 SSVEP가 사용자의 뇌파에서 검출되면, 제어 장치(500)에서는 객체의 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 제어 장치(500)는, 제어신호 생성부(510), 및 제어부(520)를 포함하여 구성될 수 있는데, 이에 대해서는, 이하에서 도 9를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 게임영상의 일부를 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어 장치(500)는, 뇌파분석부(420)가 분석한 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 객체의 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부(510), 및 제어신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호를 이용하여 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어하는 제어부(520)를 포함할 수 있다. 즉 제어 장치(500)는 제어신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호를 제어부(520)로 전송하도록 하여, 제어 신호를 전송받은 제어부(520)가 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어할 수 있다.
실시예에 따라서는, 사용자가 특정 주파수로 깜빡이는 객체의 신체부위를 주시하여 발생된, 동일한 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 신호로서, 게임영상을 제어할 수 있는 제어신호는 사용자에 의하여 미리 지정된 객체의 움직임 모드를 포함할 수 있다. 움직임 모드란, 사용자가 게임영상을 진행하기 위하여 필요한 객체의 움직임과 관련된 콘텐츠로서, 객체의 특정 신체부위가 움직이는 구성을 포함할 수 있다. 즉, 움직임 모드란, 사용자가 객체의 깜빡이는 신체부위를 주시하는 경우, 사용자가 주시한 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 의미한다.
예를 들어, 도 9에 도시된 바와 같이, 해당 게임화면에서 게임영상의 다음 단계로 이동하기 위하여 필요한 객체의 움직임은 오른쪽 길로 걸어가는 것이며, 게임화면에서 제시된 안내콘텐츠는, ‘오른쪽 길로 가려면 오른팔을 올렸다가 내리시오’이므로, 사용자는 객체의 오른팔을 올렸다가 내려야 한다. 게임의 진행을 위하여, 사용자가 게임화면에서 40㎐로 깜빡이고 있는 객체의 오른팔을 주시하게 되면, 사용자의 뇌파에서는 객체의 오른팔과 동일한 주파수인 40㎐의 SSVEP가 검출, 분석되고, 제어신호 생성부(510)에서는 제어신호를 생성하게 된다. 이 경우, 미리 지정된 움직임 모드는, 객체의 오른팔이 올렸다가 내리는 움직임, 및 객체가 오른쪽 길로 걸어가는 움직임 등이 될 수 있다. 물론, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 제어신호는 상기에 제시된 제어신호로만 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)의 제어부(520)는, 상기와 같이 제어신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호에 따라 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어하여 게임이 진행되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 신체부위가 미리 설정된 방식으로 움직이는 게임영상은, 사용자의 재활에 도움이 되는 움직임을 포함할 수 있다. 실시예에 따라서는, 신체부위의 움직임은 손, 발 , 머리, 팔, 다리 등을 포함하며 심체의 일부를 움직이는 구성일 수 있으며, 그 외에도 허리를 굽히는 동작, 다리를 꼬는 동작 등을 포함할 수도 있다. 이러한 동작은, 사용자가 표시 장치(100)에 표시되는 객체의 깜빡이는 신체부위를 주시함으로써, 객체의 해당 신체부위가 움직이도록 하여, 사용자의 거울신경세포를 활성화시키기 위함이다. 물론, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 미리 설정된 방식으로 움직이는 영상의 움직임은 상기에 제시된 움직임으로만 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 8에서는, 객체의 다리부위가 미리 설정된 방식으로 움직이는 것을 확인할 수 있으며, 사용자는 객체의 다리부위의 깜빡거림을 주시하여, 객체의 다리가 움직이도록 할 수 있고, 이러한 객체의 다리부위의 움직임을 주시하는 것을 통하여 거울신경세포의 활성화를 통한 다리부위의 재활의 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템(10)에 있어서, 객체의 하나 이상의 신체부위가 깜빡이는 특정 주파수는, 신체부위와 관계없이 동일한 주파수이건, 신체부위마다 서로 다른 주파수일 수 있다. 객체에서 움직임이 가능한 신체부위로서, 예를 들어 손, 발, 목, 팔, 다리, 허리 등이 깜빡거리는 주파수가 동일한 경우는, 신체부위마다 서로 다른 주파수인 경우에 비하여 본 발명의 하드웨어를 구성함에 있어서 편리하다는 장점이 있다. 한편, 바람직한 것은 각각의 신체부위마다 다른 주파수로 깜빡이는 것인데, 이는 각각의 상이한 신체부위마다 상이한 주파수가 설정되어 있으므로, 사용자의 뇌파에서 검출되는 특정 주파수의 SSVEP만 판단하면 사용자가 주시하는 신체부위가 어느 부위에 해당하는지를 용이하게 판단할 수 있기 때문이다. 실시예에 따라서는, 객체의 팔, 다리 등 신체부위가 모두 30㎐로 깜빡일 수 있으며, 객체의 팔은 35㎐, 다리는 40㎐로 신체부위 별로 다른 주파수로 깜빡일 수도 있고, 객체의 오른팔과 관련된 A동작은 30㎐, 객체의 오른팔과 관련된 B동작은 40㎐로, 같은 신체부위라 하더라도 관련된 동작이나 상황에 따라 각각 다른 주파수로 깜빡일 수도 있을 것이다. 또한, 동일한 신체부위인 경우에도, 표시 장치(100)에 표시되는 첫 번째 장면과, 두 번째 장면에서 각각 다른 주파수를 갖는 경우도 있을 수 있다.
실시예에 따라서는, 신체부위가 깜빡이는 특정 주파수는 7㎐~20㎐의 주파수 영역을 이용할 수 있으나, 일반적으로 7㎐~20㎐의 주파수 영역의 경우에는 사용자가 깜빡임을 인식할 수 있기 때문에, 사용자가 눈의 피로감을 쉽게 느끼게 되므로, 사용자가 깜빡임을 인식할 수 없는 30㎐ 이상의 주파수를 사용하여 사용자의 눈의 피로감을 줄일 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 표시 장치(100)에 표시되는 객체는 하나 이상일 수 있으며, 한명 이상의 사용자가 함께 게임을 진행하며 재활 훈련을 할 수도 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템에 있어서, 그 제어방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법은, 표시 장치가, 게임영상을 표시하는 단계(S100), 뇌 자극 장치가 사용자의 뇌에 자극을 주는 단계(S200), 뇌파 획득 장치가, 단계 S100에서 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 단계(S300), 뇌파 분석 장치가, 단계 S300에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 단계(S400), 및 제어 장치가, 단계 S400에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 단계(S500)를 포함할 수 있다. 즉, 단계 S100에서는 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 게임영상을 표시하고, 단계 S500에서는 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 단계 S300 및 단계 S400을 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 표시 장치에 표시되는 객체의 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어하여, 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화 시켜 재활 훈련을 하는 것을 도울 수 있다.
실시예에 따라서는, 단계 S400은, 뇌파검출부(410)가 사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서 SSVEP를 검출하는 단계, 및 뇌파분석부(420)가 뇌파검출부(410)에서 검출된, 사용자에 의하여 선별된 특정 주파수를 갖는 SSVEP의 주파수를 분석하는 단계를 더 포함할 수 있다. 또한, 단계 S500은, 제어신호 생성부(510)가 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 제어신호를 생성하는 단계, 및 제어부(520)가 제어 신호 생성부(510)에서 생성된 제어신호를 이용하여 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치(100)를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법은, 기존의 SSVEP를 이용한 시스템은 깜빡이는 빛을 이용하였던 것과는 달리, SSVEP의 특정 주파수로 깜빡이는 객체의 신체부위를 표시하고, 사용자가 주시하는 객체의 신체부위가 움직이게 되는 게임영상을 통하여, 거울신경세포를 활성화시킬 수 있으며, 사용자의 흥미를 유도하여 영상을 주시하는 집중력을 높일 수 있고, 이와 동시에, 사용자의 능동적인 재활 훈련이 가능하도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 줌으로써 거울신경세포의 활성화를 극대화시켜 재활 훈련의 효과를 더욱 높일 수 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 본 발명의 일실시예에 따른 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템
100: 표시 장치
110: 음성출력 장치
200: 뇌 자극 장치
210: 자극 생성부
220: 자극부
300: 뇌파 획득 장치
400: 뇌파 분석 장치
410: 뇌파검출부
420: 뇌파분석부
500: 제어 장치
510: 제어신호 생성부
520: 제어부

Claims (20)

  1. 재활 시스템으로서,
    게임영상을 표시하는 표시 장치;
    사용자의 뇌에 비-침습적 자극을 주는 뇌 자극 장치;
    상기 표시 장치에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 뇌파 획득 장치;
    상기 표시 장치에 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 분석하는 뇌파 분석 장치; 및
    상기 뇌파 분석 장치에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 상기 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 제어 장치를 포함하되,
    상기 제어 장치는,
    상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 제어할 수 있고, 사용자가 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 뇌파 획득 장치 및 뇌파 분석 장치를 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어할 수 있으며,
    사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 표시 장치는,
    상기 게임영상의 진행을 위한 안내콘텐츠를 더 포함하여 표시하는 표시 장치인 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 표시 장치는,
    상기 안내콘텐츠에 해당되는 음성콘텐츠를 출력하는 음성출력 장치를 포함 하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비-침습적 자극은,
    사용자의 뇌에 자기 또는 전기를 이용하여 수술 치료 없이 뇌의 특정 부위를 국소적으로 자극함으로써, 거울신경세포의 활성화를 극대화할 수 있는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 뇌 자극 장치는,
    tDCS, tACS, tMS를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 뇌 자극 장치는,
    자극 신호를 실시간으로 생성하는 자극 생성부; 및
    상기 자극 생성부로부터 상기 자극 신호를 전달받아, 상기 자극 신호에 따른 자극을 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행하는 자극부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 뇌파 분석 장치는,
    사용자가 선별적으로 객체의 특정 신체부위를 주시할 때의 뇌파를 검출하는 뇌파검출부; 및
    상기 뇌파검출부에서 검출된 뇌파의 주파수를 분석하는 뇌파분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 뇌파검출부는,
    사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서, SSVEP를 검출하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  9. 제7항에 있어서, 상기 뇌파분석부는,
    상기 뇌파검출부에서 검출된 SSVEP의 주파수를 분석하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어 장치는,
    뇌파분석부가 분석한 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 객체의 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
    상기 제어신호 생성부에서 생성된 제어신호를 이용하여 상기 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 게임 방식의 재활 시스템은,
    객체의 하나 이상의 신체부위가 깜빡이는 특정 주파수는, 신체부위에 관계없이 동일한 주파수이거나, 신체부위마다 서로 다른 주파수인 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 게임 방식의 재활 시스템은,
    신체부위가 미리 설정된 방식으로 움직이는 게임영상은, 사용자의 재활에 도움이 되는 움직임을 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템.
  13. 재활 시스템의 제어방법으로서,
    (1) 표시 장치가, 게임영상을 표시하는 단계;
    (2) 뇌 자극 장치가 사용자의 뇌에 자극을 주는 단계;
    (3) 뇌파 획득 장치가, 상기 단계 (1)에서 표시되는 게임영상에 대응되는 사용자의 뇌파를 획득하는 단계;
    (4) 뇌파 분석 장치가, 상기 단계 (2)에서 획득된 사용자의 뇌파를 분석하는 단계; 및
    (5) 제어 장치가, 상기 단계 (3)에서 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 표시 장치에서 표시되는 게임영상을 제어하는 단계를 포함하되,
    상기 단계 (1)에서는,
    상기 게임영상에 표시되는 객체의 하나 이상의 신체부위가 특정 주파수로 깜빡이도록 상기 게임영상을 표시하고,
    상기 단계 (5)에서는,
    사용자가 상기 게임영상에 표시되는 객체의 해당 신체부위를 주시할 경우, 상기 단계 (3) 및 단계 (4)을 통해 획득하고 분석된 뇌파에 대응되는 결과에 따라, 해당 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이도록 제어하며,
    사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 신체부위의 움직임에 따른, 사용자의 거울신경세포의 활성화를 극대화하여 재활 훈련을 하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 표시 장치는,
    상기 게임영상의 진행을 위한 안내콘텐츠를 더 포함하여 표시하는 표시 장치인 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 뇌 자극 장치는,
    tDCS, tACS, tMS를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 뇌 자극 장치는,
    자극 신호를 실시간으로 생성하는 자극 생성부; 및
    자극 생성부로부터 상기 자극 신호를 전달받아, 상기 자극 신호에 따른 자극을 사용자의 머리에 인가하여 전기 자극을 시행하는 자극부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 뇌파 분석 장치는,
    사용자가 선별적으로 객체의 특정 신체부위를 주시할 때의 뇌파를 검출하는 뇌파검출부; 및
    상기 뇌파검출부에서 검출된 뇌파의 주파수를 분석하는 뇌파분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 뇌파검출부는,
    사용자가 선별적으로 주시하는 객체의 특정 신체부위에 대응되는 사용자의 뇌파 신호에서, SSVEP를 검출하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 뇌파분석부는,
    상기 뇌파검출부에서 검출된 SSVEP의 주파수를 분석하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 제어 장치는,
    뇌파분석부가 분석한 특정 주파수를 갖는 SSVEP에 대응되는 객체의 신체부위를 미리 설정된 방식으로 움직이게 하는 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부; 및
    상기 제어신호 생성부에서 생성된 제어신호를 이용하여 상기 객체의 움직임을 표시하는 표시 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템의 제어방법.
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