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WO2019212150A1 - 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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Publication number
WO2019212150A1
WO2019212150A1 PCT/KR2019/003828 KR2019003828W WO2019212150A1 WO 2019212150 A1 WO2019212150 A1 WO 2019212150A1 KR 2019003828 W KR2019003828 W KR 2019003828W WO 2019212150 A1 WO2019212150 A1 WO 2019212150A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
brain
eeg
user
game
bci
Prior art date
Application number
PCT/KR2019/003828
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
구정훈
Original Assignee
계명대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 계명대학교 산학협력단 filed Critical 계명대학교 산학협력단
Publication of WO2019212150A1 publication Critical patent/WO2019212150A1/ko

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    • G06F2203/01—Indexing scheme relating to G06F3/01
    • G06F2203/011—Emotion or mood input determined on the basis of sensed human body parameters such as pulse, heart rate or beat, temperature of skin, facial expressions, iris, voice pitch, brain activity patterns

Definitions

  • the present invention relates to a rehabilitation system and a control method thereof, and more particularly, to a game-type rehabilitation system and a control method combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology that maximize activation of mirror neurons. .
  • BCI brain-computer interface
  • a brain disease patient having a deficiency of exercise ability is not able to control the paralyzed muscles with his or her will, and the methods of assisting the rehabilitation of such patients include physical therapy, drug therapy, and surgery.
  • rehabilitation training using physical therapy active treatment by the patient's will has been reported to have a high effect of rehabilitation training, but in patients who have limited movement due to muscle paralysis, such rehabilitation training There is a problem that can only be made manually by the physical therapist.
  • a mirror nerve cell is a cell that causes the same reaction in the observer's body as if the observer actually acted, not just experiencing it directly, but by seeing another person's behavior.
  • this method As a rehabilitation training using this method, there is a method of showing a video including the movement of a specific subject in order to activate the patient's mirror nerve cells, this method, a patient who can not operate by his will due to brain injury For example, just watching someone else's actions affects the patient's physical system as if the patient himself was acting on his own.
  • the BCI Brain-Computer Interface
  • development of rehabilitation system using communication is getting active.
  • SSVEP Steady-State Visually Evoked Potentials
  • the steady state visual oil potential level which is generated by the user's brain waves when the user watches the blinking light.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system using a conventional SSVEP.
  • SSVEP is detected from an EEG of a user using light blinking a specific frequency on a screen, and the detected EEG is transmitted to a computer.
  • Each blinking light has a predetermined signal, and the system can remotely control the device corresponding to the light signal that the user watches. Since the system using the blinking light is only using the blinking light, it is difficult for the user to be interested in it, and there is a problem of low concentration.
  • Patent Publication No. 10-2014-0075049 name of the invention: a method for evaluating concentration and apparatus for applying the same
  • Patent No. 10-1431203 name of the invention: Brain machine interface device and method for intention recognition using EEG
  • the system using the conventional SSVEP is not interested in the user, the concentration must be low, there is a need for a solution that can increase the concentration of the user, in addition, functional electrical stimulation (Functional Electrical Stimulation) ), The necessity of developing a method of activating the mirror nerve cells that can increase the effectiveness of rehabilitation training is increasing.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems of the conventionally proposed methods. Unlike the conventional SSVEP system, which uses flickering light, the body part of the object flickering at a specific frequency of the SSVEP is displayed. In addition, through the game image that the body part of the object that the user watches, the mirror nerve cell can be activated, and the user's attention can be increased to increase the concentration of the eye to watch the image, and at the same time, the user's active
  • the object of the present invention is to provide a game-type rehabilitation system and control method combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology that maximize activation of mirror nerve cells, which enables rehabilitation training.
  • BCI brain-computer interface
  • the object of the present invention is to provide a game-type rehabilitation system and control method incorporating (BCI) technology.
  • a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells
  • Brain stimulation devices for giving non-invasive stimulation to the brain of a user
  • An EEG acquisition device for acquiring an EEG of a user corresponding to a game image displayed on the display device
  • An EEG analyzing apparatus for analyzing the EEG of the user corresponding to the game image displayed on the display device
  • a control device for controlling a game image displayed on the display device according to a result corresponding to the brain wave analyzed by the brain wave analysis device.
  • the control device controls the driving device
  • One or more body parts of the object displayed on the game image may be controlled to blink at a specific frequency, and when the user observes the corresponding body parts, the brain waves obtained by the brain wave acquisition device and the brain wave analysis device correspond to the analyzed brain waves. Depending on the result, the body part can be controlled to move in a preset manner.
  • the configuration features that the rehabilitation training by maximizing the activation of the mirror nerve cells of the user according to the movement of the body part of the object that the user selectively watches.
  • the display device Preferably, the display device, the display device, and
  • the display device may further include a guide content for the progress of the game image.
  • the display device More preferably, the display device,
  • It may include a voice output device for outputting the voice content corresponding to the guide content.
  • the non-invasive stimulus is N-invasive
  • the brain stimulation device Preferably, the brain stimulation device, the brain stimulation device, and
  • the brain stimulation device Preferably, the brain stimulation device, the brain stimulation device, and
  • a stimulus generator for generating a stimulus signal in real time
  • Receiving the stimulus signal from the stimulus generating unit may include a stimulator for applying electrical stimulation according to the stimulus signal to the user's head to perform an electrical stimulation.
  • the EEG analysis device Preferably, the EEG analysis device, the EEG analysis device, and
  • An EEG detecting unit for detecting EEG when the user selectively looks at a specific body part of the object
  • It may include an EEG analyzer for analyzing the frequency of the EEG detected by the EEG detector.
  • the EEG detection unit More preferably, the EEG detection unit,
  • SSVEP may be detected from the EEG signal of the user corresponding to a specific body part of the object that the user selectively watches.
  • the EEG analysis unit More preferably, the EEG analysis unit,
  • the frequency of the SSVEP detected by the EEG detector may be analyzed.
  • control device Preferably, the control device,
  • a control signal generator configured to generate a control signal for moving the body part of the object corresponding to the SSVEP having a specific frequency analyzed by the EEG analyzer in a preset manner
  • the controller may include a controller configured to control a display device displaying the movement of the object by using the control signal generated by the control signal generator.
  • the game rehabilitation system Preferably, the game rehabilitation system, the game rehabilitation system, and
  • the specific frequency at which one or more body parts of the object blinks may be the same frequency regardless of body parts, or may be different frequencies for each body part.
  • the game rehabilitation system Preferably, the game rehabilitation system, the game rehabilitation system, and
  • the game image in which the body part moves in a preset manner may include a movement to help the user's rehabilitation.
  • control method of the game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells
  • step (1)
  • the body part is set in a preset manner according to the result corresponding to the brain wave acquired through the steps (3) and (4). Controls to move,
  • the configuration features that the rehabilitation training by maximizing the activation of the mirror nerve cells of the user according to the movement of the body part of the object that the user selectively watches.
  • the display device Preferably, the display device, the display device, and
  • the display device may further include a guide content for the progress of the game image.
  • the brain stimulation device Preferably, the brain stimulation device, the brain stimulation device, and
  • the brain stimulation device Preferably, the brain stimulation device, the brain stimulation device, and
  • a stimulus generator for generating a stimulus signal in real time
  • Receiving the stimulus signal from the stimulus generating unit may include a stimulator for applying electrical stimulation according to the stimulus signal to the user's head to perform an electrical stimulation.
  • the EEG analysis device Preferably, the EEG analysis device, the EEG analysis device, and
  • An EEG detecting unit for detecting EEG when the user selectively looks at a specific body part of the object
  • It may include an EEG analyzer for analyzing the frequency of the EEG detected by the EEG detector.
  • the EEG detection unit More preferably, the EEG detection unit,
  • SSVEP may be detected from the EEG signal of the user corresponding to a specific body part of the object that the user selectively watches.
  • the EEG analysis unit More preferably, the EEG analysis unit,
  • the frequency of the SSVEP detected by the EEG detector may be analyzed.
  • control device Preferably, the control device,
  • a control signal generator configured to generate a control signal for moving the body part of the object corresponding to the SSVEP having a specific frequency analyzed by the EEG analyzer in a preset manner
  • the controller may include a controller configured to control a display device displaying the movement of the object by using the control signal generated by the control signal generator.
  • the game-based rehabilitation system and control method combining the brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells proposed in the present invention, the above problems of the proposed methods
  • the conventional SSVEP-based system uses a flashing light, and the body part of the object blinks at a specific frequency of the SSVEP, and the body part of the object that the user watches is moved. Through the image, it is possible to activate the mirror nerve cells, to increase the concentration of attention to the image by inducing the interest of the user, and at the same time, it is possible to enable the active rehabilitation training of the user.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system using a conventional SSVEP.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a frequency analysis result of brain waves output through a conventional system using SSVEP.
  • Figure 3 is a photograph showing that a certain area of the brain of the observer observing the movement of others is activated.
  • Figure 4 is a view showing the appearance of (a) magnetic repeat pedagogical magnetic stimulation using magnetic, (b) transcranial DC electrical stimulation using a non-invasive brain stimulation currently being used in the clinic.
  • FIG. 5 is a view showing the configuration of a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 6 is a view illustrating a user performing rehabilitation training in a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention. drawing.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 7 illustrates a body part of an object of a game image observed by a user in a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention. Drawing showing how it moves.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 8 is a block diagram of a game-based rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells in accordance with one embodiment of the present invention.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a part of a game image in a game type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a control method of a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • BCI brain-computer interface
  • a game-based rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a system using a conventional SSVEP.
  • SSVEP is detected from an EEG of a user by using light blinking at a specific frequency on a screen, and the detected EEG is transmitted to a computer.
  • Each blinking light has a predetermined signal, and the system can remotely control the device corresponding to the light signal that the user watches.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a frequency analysis result of brain waves output through a conventional system using SSVEP.
  • SSVEP of the same frequency as that of the blinking light gazed by the user may be detected, and peaks are displayed at respective frequencies. You can check it.
  • FIG. 3 is a photograph showing that a certain region of the brain of an observer observing the motion of another person is activated.
  • the observer observed the transitional motion and the mimicking motion, the observer showed different activities in specific regions of the brain, unlike when observing the same motion in a static picture. It is reported that this depends on the effector participating in the observed behavior. From this, motion observation can confirm that a certain region of the observer's brain is activated, and activated mirror neurons enhance the exercise circuits involved in the observer's actual execution of the observed movement, without the observer's actual movement. You can see that you can do rehabilitation training.
  • Non-invasive brain stimulation is a method of locally and safely stimulating specific areas of the brain using magnetic or electric, without surgical treatment to implement nerve regulation.
  • 4 is a diagram illustrating the appearance of (a) recurrent transcranial magnetic stimulation using magnetism, and (b) transcranial DC electric stimulation using direct current, which are non-invasive brain stimuli currently used in the clinic.
  • the repeated transcranial magnetic stimulation can be used to generate the depolarization of the nervous system like an electrical stimulus when the magnetic field formed through the coil turns into an electric field in the tissue and reaches an appropriate intensity and time. Can be.
  • the transcranial DC electrical stimulation is a very weak electrical stimulation of about 0.5 to 2 ⁇ s, and the lower cortical cell membrane potential of the attached site is attached by directly attaching a rectangular electrode plate to the scalp.
  • Artificially changing sex can increase or decrease the sensitivity of the cortex. Changes induced through electrical stimulation may be excitatory or inhibitory depending on the nature of the electrode. In general, the area where the positive pole plate is attached may increase the sensitivity of the cortex and the negative electrode pole plate may decrease the sensitivity.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of a game-based rehabilitation system 10 combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • a game-based rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention is a rehabilitation system, and a game image Display device 100 for displaying the brain stimulation apparatus 200 for giving non-invasive stimulation to the user's brain, brain wave acquisition device 300 for acquiring the brain waves of the user corresponding to the game image displayed on the display device 100 ), An EEG analysis device 400 for analyzing the EEG of the user acquired by the EEG acquisition device 300.
  • a control device 500 for controlling a game image displayed on the display device 100 according to a result corresponding to the brain waves analyzed by the brain wave analyzing apparatus 400 a control device 500 for controlling a game image displayed on the display device 100 according to a result corresponding to the brain waves analyzed by the brain wave analyzing apparatus 400.
  • the control device 500 of the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention, displayed on the game image
  • One or more body parts of the object may be controlled to blink at a specific frequency, and when the user observes the corresponding body part, the brain wave acquiring device 300 and the brain wave analyzing apparatus 400 correspond to the brain waves acquired and analyzed.
  • the body part can be controlled to move in a predetermined manner, and as a result, the rehabilitation training by maximizing the activation of the mirror nerve cells of the user according to the movement of the body part of the object selectively observed by the user It is characterized by its configuration.
  • the display device 100 for displaying a game image by the user ) And at the same time non-invasive stimulation of the user's brain using the brain stimulation device 200 attached to the user's head, using the brain wave acquisition device 300 attached to the user's head to the game image
  • the SSVEP having the same frequency as the blinking frequency of the body part of the object to be displayed is obtained, and the EEG analyzing apparatus 400 analyzes the corresponding frequency of the SSVEP acquired by the EEG obtaining apparatus 300, and analyzes the frequency thus analyzed.
  • control unit 520 controls the display device 100 to display the movement of the body part of the object.
  • the display device 100 of the game-type rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • a content related to a game may display guide content including contents such as a method in which a user participates, and a voice output device capable of outputting a voice for content corresponding to the guide content and various other contents ( 110).
  • guide content and the voice output device 110 will be described.
  • FIG. 6 is a view illustrating a user performing rehabilitation training in a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • the display device 100 of the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • the guide content may be composed of content corresponding to a predetermined movement mode, which will be described below.
  • the body part of the object In order for the body part of the object to operate the movement suggested by the guide content, when the user looks at the specific body part of the object, the body part of the object moves in a corresponding predetermined movement mode of the guide content. For example, as shown in FIG. 6, by displaying the guide content on the display device 100, 'If you want to swing the knife, look at the blinking left arm', the user needs to move the knife to swing the knife. You will know what it is, and the user will watch the left arm of the blinking object to move the left arm of the object.
  • the predetermined movement corresponding to the guide content may be 'movement of the left arm and the movement of the sword.
  • the guide content corresponding to the predetermined movement mode is provided only as the guide content presented above. It is not limited.
  • a game-based rehabilitation system 10 combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention has been described in the fencing operation. It is not limited to, for example, may be described by applying to the movement of each part of the face. That is, a face image is provided as an object in the game image, and when the user watches the blinking eye in the face image, a game image of a form in which a winking operation by moving the eyes is performed may be provided.
  • the display device 100 of the game-type rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention, corresponding to the guidance content It may include a voice output device 110 for outputting voice content.
  • the display device 100 may include a speaker as the voice output device 110 capable of outputting voice content, or may include a device capable of connecting a headset.
  • the voice output device 110 may connect the speaker and the headset presented above.
  • the voice output device 110 may be configured separately from the display device 100 according to another exemplary embodiment.
  • the voice content may be composed of not only the voice content corresponding to the guide content, but also various contents required for game progress.
  • Non-invasive stimulation may use magnetic or electrical power to the user's brain to locally stimulate certain areas of the brain without surgical treatment.
  • the brain stimulation apparatus 200 receives the stimulus signal from the stimulus generator 210 and the stimulus generator, which generates the stimulus signal in real time, and applies the stimulus to the head of the user according to the stimulus signal to perform electrical stimulation. It may include a magnetic pole.
  • the stimulus generator 210 may generate an electrical stimulus signal in real time.
  • the stimulus generating unit may be configured to control the stimulation unit to be described in detail below, and may generate an electrical stimulation signal controlling the stimulation unit in real time so that the electrical stimulation is applied to the head of the user.
  • the stimulator 220 may receive the electrical stimulation signal from the stimulus generator and apply electrical signals according to the electrical stimulation signal to the head of the user to perform electrical stimulation.
  • the stimulation part may attach the surface electrode of the anode or the cathode to the cerebral cortex where the nerve is to be controlled and give electrical stimulation, and artificially change the cortical cell membrane potential of the lower part of the attached area to increase the sensitivity of the cortex. Can be reduced.
  • the change induced by the electrical stimulation may have excitability or suppression according to the properties of the electrode.
  • the portion where the positive electrode stimulation plate is attached may have high sensitivity of the cortex, and the portion where the negative electrode stimulation plate may be attached may decrease the sensitivity of the cortex. .
  • the brain stimulation device may be at least one of tDCS that stimulates the brain with a direct current, tACS that stimulates the brain with an alternating current, and tMS that stimulates the brain with a magnetic field, but is not limited thereto. no.
  • the EEG acquisition apparatus 300 of the game type rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention, as shown in Figure 6
  • it can include one or more electrodes for measuring brain waves.
  • one or more electrodes may be configured as a device that wraps around the user's head, or by coupling the electrodes to the hat, the hat itself may be the EEG acquisition device 300.
  • the electrode can also be used by applying an electrolyte gel, since the electrolyte gel plays a role in delivering the EEG detected from the scalp to the electrode well.
  • Figure 7 is a game-based rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • the body part of the object that the user watches 8 is a block diagram of a game rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells
  • the obtained EEG may be connected to an EEG analyzing apparatus 400 including an EEG detecting unit 410 and an EEG analyzing unit 420.
  • the brain wave analyzing apparatus 400 is connected to a control device 500 including a control signal generator 510 and a controller 520, and controls the brain waves analyzed by the brain wave analyzing apparatus 400.
  • the controller 500 may control the display apparatus 100 displaying the movement of an object by using the control signal generated by the control signal generator 510.
  • an EEG analysis device of a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention ( 400, an EEG detector 410 for detecting EEG when the user selectively looks at a specific body part of the object, and an EEG analyzer 420 for analyzing the frequency of EEG detected by the EEG detector 410. It may include.
  • the brain wave detection unit 410 of the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • the user selectively The SSVEP may be detected from the EEG signal of the user corresponding to the specific body part of the object to be watched.
  • an EEG having the same frequency as that of the body part is physically in the visual cortex of the user's occipital lobe.
  • the EEG detection unit 410 is able to detect the SSVEP having the same frequency as the specific frequency of the blinking body part in the EEG of the user.
  • the brain wave analysis unit 420 of the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • the brain wave detection unit 410 Can be analyzed for the frequency of the SSVEP having a particular frequency selected by the user.
  • the frequency of the SSVEP is analyzed to determine whether the SSVEP having the same frequency as the frequency of the body part of the blinking object displayed on the display device 100 is detected in the EEG of the user.
  • the control device 500 When the SSVEP having the corresponding frequency is detected in the EEG of the user, the control device 500 generates a control signal for moving the corresponding body part of the object in a preset manner.
  • Control device 500 of game-type rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention according to an embodiment of the present invention ) May include a control signal generator 510 and a controller 520, which will be described in detail below with reference to FIG. 9.
  • BCI brain-computer interface
  • FIG. 9 is a game type rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention in accordance with an embodiment of the present invention , A diagram showing a part of a game image.
  • the control device 500 of the game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention
  • the control signal generator 510 and the control signal generator 510 for generating a control signal for moving the body part of the object corresponding to the SSVEP having a specific frequency analyzed by the EEG analyzer 420 in a preset manner.
  • the controller 520 may control the display device 100 displaying the movement of the object by using the generated control signal. That is, the control apparatus 500 transmits the control signal generated by the control signal generator 510 to the controller 520 so that the controller 520 receiving the control signal displays the movement of the object. Can be controlled.
  • a signal corresponding to an SSVEP having the same frequency generated by a user watching a body part of an object blinking at a specific frequency, and a control signal for controlling a game image is an object previously designated by a user. It may include the movement mode of.
  • the movement mode is content related to the movement of an object necessary for the user to play a game image and may include a configuration in which a specific body part of the object moves. That is, the movement mode refers to a control signal for moving the corresponding body part observed by the user in a preset manner when the user watches the blinking body part of the object.
  • the movement of the object required to move to the next step of the game image on the game screen is walking on the right road
  • the guide content presented on the game screen 'to move the right arm to go to the right road Raise and lower ', so the user must raise and lower the right arm of the object.
  • the user's brain wave detects and analyzes the SSVEP of 40 kHz, which is the same frequency as the right arm of the object, and the control signal generator In 510, a control signal is generated.
  • the predetermined movement mode may be a movement in which the right arm of the object moves up and down, a movement in which the object walks on the right road, and the like.
  • the control signal corresponding to SSVEP having a specific frequency is limited only to the control signal presented above. It is not.
  • control unit 520 of the game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention, the control as described above The game may be controlled by controlling the display device 100 displaying the movement of the object according to the control signal generated by the signal generator 510.
  • BCI brain-computer interface
  • the body part is a game image moving in a predetermined manner May include movements that help rehabilitation of the user.
  • the movement of the body part may include a hand, a foot, a head, an arm, a leg, and the like, and may move a part of the core.
  • the movement of the body part may include bending a waist, twisting a leg, and the like. have. This operation is for activating the user's mirror nerve cell by moving the corresponding body part of the object by watching the blinking body part of the object displayed on the display device 100.
  • a game-based rehabilitation system 10 that combines brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology that maximizes the activation of mirror nerve cells
  • the movement of the image moving in a predetermined manner is limited to only the movements presented above. It doesn't happen.
  • FIG. 8 it can be seen that the leg portion of the object moves in a preset manner, and the user can watch the flickering of the leg portion of the object so that the leg of the object moves.
  • By monitoring the movement of the site can be obtained the effect of rehabilitation of the leg area through the activation of the mirror nerve cells.
  • one or more body parts of the object are blinking.
  • the frequency may be the same frequency regardless of the body part, or may be a different frequency for each body part.
  • the hardware of the present invention is constructed as compared to the case where the body parts have different frequencies. It has the advantage of being convenient. On the other hand, it is preferable that each body part blinks at a different frequency.
  • the body part that the user watches is determined by judging only the SSVEP of a specific frequency detected by the user's brain waves. This is because it can be easily determined to which part.
  • the body parts such as the arms and legs of the object may all blink at 30 Hz
  • the arm of the object may be flickered at different frequencies according to the body region at 35 Hz
  • the legs at 40 Hz.
  • the motion of A related to 30Hz and the motion of B related to the right arm of the object is 40Hz, even though the same body part may be flickered at different frequencies depending on the related motion or situation.
  • the first scene displayed on the display device 100 and the second scene have different frequencies.
  • the specific frequency at which the body part blinks may use a frequency range of 7 Hz to 20 Hz, but in general, in the frequency region of 7 Hz to 20 Hz, the user may recognize the blinking. Since the user may easily feel eye fatigue, the user may reduce eye fatigue by using a frequency of 30 Hz or more that the user cannot recognize blinking.
  • the object displayed on the display device 100 of the game-type rehabilitation system combined with brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention may be one or more, More than one user may play a game together to practice rehabilitation.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a control method of a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention.
  • a control method of a game-type rehabilitation system combining brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology for maximizing activation of mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention may include: Displaying the game image (S100), stimulating the brain of the user by the brain stimulation apparatus (S200), and acquiring the brainwave of the user corresponding to the game image displayed by the brainwave obtaining apparatus (S100) S300), the brain wave analyzing apparatus, analyzing the brain waves of the user acquired in step S300 (S400), and the control device, according to the result corresponding to the brain waves analyzed in step S400, the game image displayed on the display device Control may include a step (S500).
  • step S100 the game image is displayed such that one or more body parts of the object displayed on the game image flicker at a specific frequency.
  • step S500 when the user watches the corresponding body part, the user acquires it through steps S300 and S400. According to the result corresponding to the analyzed EEG, the corresponding body part of the object displayed on the display device is controlled to move in a preset manner, so that the user's mirror nerve according to the movement of the body part of the object selectively monitored by the user Maximizing cell activation can help with rehabilitation training.
  • step S400 the EEG detection unit 410 detects the SSVEP from the EEG signal of the user corresponding to the specific body part of the object that the user selectively monitors, and the EEG analysis unit 420
  • the method may further include analyzing a frequency of the SSVEP having a specific frequency selected by the user, detected by the EEG detector 410.
  • the control signal generator 510 generates a control signal corresponding to the SSVEP having a specific frequency
  • the controller 520 uses the control signal generated by the control signal generator 510.
  • the method may further include controlling the display device 100 displaying the movement of the object.
  • the game-based rehabilitation system and control method combining the brain stimulation and brain-computer interface (BCI) technology to maximize the activation of the mirror nerve cells according to an embodiment of the present invention, using a conventional SSVEP Unlike the flashing light, the system displays the body part of the blinking object at a certain frequency of SSVEP, and activates the mirror nerve cell through the game image where the body part of the object that the user watches is moved.
  • the user's interest can be enhanced by focusing attention on the image, and at the same time, the active rehabilitation training of the user can be enabled.
  • by stimulating the non-invasive stimulation of the user's brain can maximize the activation of the mirror neurons can further enhance the effect of rehabilitation training.

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Abstract

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.

Description

거울신경세포의 활성화를 극대화하는 뇌 자극과 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술을 결합한 게임 방식의 재활 시스템 및 그 제어방법
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.
<부호의 설명>
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
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.

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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