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문제 정의
- 8의 소프트필터링 테이터는 LabView(national instrument사)의 프로그램을 사용하여 개발하였다. 개발된 프로그램은 휴대가능한 뇌파 측정 및 실시간 피드백시스템의 안정성을 확보하기 위하여 제작하였다. 제작된 프로그램의 알고리즘은 실제 시스템에 사용하기 위하여 32 K 메모리를 시스템에 확보하였으나, 측정된 뇌파를 기록할 수 있는 메모리는 장착하지 못하였으므로, 실제 피검자들의 뇌파를 기록하고 가공, 분석 등을 하기 위해서는 컴퓨터에 연결하였다.
- 뇌파는 인체주변에서 관측되는 잡음에 비해 매우 미약한 신호로 측정이 매우 곤란하다. 그래서저잡음 특성과 고이득을 갖는 증폭회로를 설계해야 하며, 높은 공통선 잡음제거 능력을 갖춘 고정밀 증폭기를 제작하여야 한다*m 본 연구에서는 뇌파를 측정할 수 있는 고정밀도의 뇌파측정시스템을 제작하고, 그 특성을 조사하였다. 일반적으로 뇌파측정기는 증폭기에서 출력되는 아날로그 신호를 그대로 갈바노미터 (gal.
- 본 연구에서는 저잡음 특성과 고이득을 갖는 고정밀도의 뇌파측정시스템을 제작하였다. 피검자를 대상으로 실시간으로 측정된 데이터를 8-Bit의 해상도, 4 ms 샘플링 시간을 갖도록 AA) 변환하여 피검자의 심리상태를 시각과 청각 자극을 통해 피드백 함으로써 피검자의 감성 상태변화를 관찰하였다.
- 시간 및 주파수 영역으로 분석하였다. 특이한 생체신호들의 정보량을 정량화 할 수 있는 시스템을 구축하고, 피드백 신호를 제방출하여 생체 신호처리 및 그에 관한적절한 알고리즘의 개발을 이루는데 목적이 있다.
제안 방법
- 두 개의 전극을 사용하여 제작된 휴대용 측정기는 8-bit. 4 ms 샘플링 시간을 가짐으로 그 데이터가 크지 않기 때문에 측정된 데이터를 컴퓨터로 전송하기에 RS-232C 직렬 데이터 전송 프로토콜을 사용하였다.
- 7의 전체시스템은 처리속도가 빠르며, 실시간으로 뇌 정보를 수집하여 피드백 할 수 있는 시스템의 모식도를 나타낸 것이다. 개인별 특성과 생체리듬의 변화를 피드백 할 수 있는 기능의 장치를 개발하고, 운영프로그램을 연구하였다. 이러한 시스템은 사용자의 심리상태와 외부적인 요인에 반응하여 안정상태를 유지할 수 있도록 뇌를 연속적으로 자극할 수 있는 신호방출 시스템으로 구성되어 있다.
- 5처럼 전극으로 입력된 EEG신호를 임피던스 변환기를 거쳐 저출력 저항값을 갖는 신호로 변환하여 차동증폭기로 입력하였다. 공통 입력임피던스가 1014 Q이상인 연산 증폭기를 사용함으로써 입력신호에 미치는 영향을 최소화 되도록 하였다.
- 본 측정장비는마이 크로프로세스를 활용하여 미 세한 뇌 파가 소프트 필터링 될 수 있게 했으며, 실시간 LCD 표시장치를 활용하여 시각적으로 뇌파 변화를 관찰할 수 있게 하였다. 그러나 실험실에서는 PC와 연결하여 DB를 효율적으로 분석 관리할 수 있도록 제작하였다.
- 뇌파를 효과적으로 검출전달하기 위해 센서에 최대한 가까이 EEG 신호를 증폭할 수 있는 구조로 센서 모듈을 설계하였다. 본 연구에서는 Fig.
- R-C 부정합은 C 에 의한 보정을 궤환하는 방식이 적용되며, 동시에 정확한 R값이 정합된 계측용 증폭기를 사용하였다. 능동 필터 단에는 피검자의 안전을 위해 수십 uV이하의 전류만이 전극에 유기 되도록 분리 증폭기를 설치하여 주 증폭기와 전단 증폭기 사이에 신호전달이 되도록 하였다.
- 5 V인 반면 EEG 신호의 전위는 50 로 EEG신호의 30, 000배 이상이다. 반전지전위는 미세한 신호전압에 대해서 큰 DC성분을 형성하기 때문에 반전지전위 오프셋을 없애기 위한 방법으로 DC 차동증폭기를 사용하였다.
- 본 연구에서 시각과 청각 자극에 의한 정서상태의 변화를 시간 및 주파수 영역으로 분석하였다. 특이한 생체신호들의 정보량을 정량화 할 수 있는 시스템을 구축하고, 피드백 신호를 제방출하여 생체 신호처리 및 그에 관한적절한 알고리즘의 개발을 이루는데 목적이 있다.
- 이러한 경우 기록속도(paper-speed)는 30 mm/s이상 진행 시켜 야만해독이 가능하다. 본 연구에서는 8 bit 의 해상도를 가지며, 샘플링 시간을 4 ms로 A/D변환하여 디지털 신호처리를 이용하여 실시간으로 뇌파를 FFT로 처리하고 연속적인 값을 취하도록 시스템을 구성하였다.
- 그 결과 뇌파의 발생을 유도하여 심신을 안정시키고 피로의 회복이나 스트레스 해소를 도와줄 수 있는 역할의 수행도 가능할 것이다. 본 연구에서는 EEG 신호 측정을 위한 고성능의 전치증폭기를 제작하고, 증폭기로부터 발생한 아날로그 신호파형을 알파, 베타, 세타파로 자동으로 분류한 후 실시간으로 그 구성비율을 판독하여 피검자에게 적절한 자극을 피드백 할 수 있는 시스템을 구성하였다.
- 활용하여 분석하고 조절하여야 한다. 본 측정장비는마이 크로프로세스를 활용하여 미 세한 뇌 파가 소프트 필터링 될 수 있게 했으며, 실시간 LCD 표시장치를 활용하여 시각적으로 뇌파 변화를 관찰할 수 있게 하였다. 그러나 실험실에서는 PC와 연결하여 DB를 효율적으로 분석 관리할 수 있도록 제작하였다.
- 센서모듈의 모식도는 Fig. 4와 같이 전극의 높은 소스임피던스를 낮은 소스임피던스로 변환하여 입력시킬 수 있는 임피던스 변환기를 두어 차동증폭기의 CMRR (common mode rejection ratio)오차를 최소화 할 수 있게 하였다. 차동증폭기는 공통선 신호를 최대한 억제하면서 임피던스 변환기를 거친 신호를 20-30배 정도 증폭하며, 최대한 CMRR값을 얻도록 하였다.
- 소스임피던스가 10 K2이상을 갖는 전극의 영향을 줄이기 위해서 Fig. 5처럼 전극으로 입력된 EEG신호를 임피던스 변환기를 거쳐 저출력 저항값을 갖는 신호로 변환하여 차동증폭기로 입력하였다. 공통 입력임피던스가 1014 Q이상인 연산 증폭기를 사용함으로써 입력신호에 미치는 영향을 최소화 되도록 하였다.
- 외부의 물리적인 자극이 뇌파에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 현재 시판되고 있는 학습보조기구로 사용되고 있는 MS제품을 이용하여 빛과 소리의 자극을 주고, 뇌파의 성분비 변화를 실시간 분석하였다. 자극의 종류와 강도에 따른 개인별 반응을 분석함으로서 외부의 물리적 변화에 따른 뇌파의 반응변화를 관찰하였다.
- 외부의 물리적인 자극이 뇌파에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 현재 시판되고 있는 학습보조기구로 사용되고 있는 MS제품을 이용하여 빛과 소리의 자극을 주고, 뇌파의 성분비 변화를 실시간 분석하였다. 자극의 종류와 강도에 따른 개인별 반응을 분석함으로서 외부의 물리적 변화에 따른 뇌파의 반응변화를 관찰하였다.
- 1과 같은 형태로 제작하고, 전극고정용 핀은 용접이 아닌 융합 형태로 제작한 결과 안정된 특성과 균일성은 확보할 수 있었다. 전기 접촉도를 좋게 하기 위한 접착제 사용을 최소로 하여 이마부분에 3-4개의 전극만으로 실험을 하였다.
- 개발된 프로그램은 휴대가능한 뇌파 측정 및 실시간 피드백시스템의 안정성을 확보하기 위하여 제작하였다. 제작된 프로그램의 알고리즘은 실제 시스템에 사용하기 위하여 32 K 메모리를 시스템에 확보하였으나, 측정된 뇌파를 기록할 수 있는 메모리는 장착하지 못하였으므로, 실제 피검자들의 뇌파를 기록하고 가공, 분석 등을 하기 위해서는 컴퓨터에 연결하였다. 두 개의 전극을 사용하여 제작된 휴대용 측정기는 8-bit.
- 4와 같이 전극의 높은 소스임피던스를 낮은 소스임피던스로 변환하여 입력시킬 수 있는 임피던스 변환기를 두어 차동증폭기의 CMRR (common mode rejection ratio)오차를 최소화 할 수 있게 하였다. 차동증폭기는 공통선 신호를 최대한 억제하면서 임피던스 변환기를 거친 신호를 20-30배 정도 증폭하며, 최대한 CMRR값을 얻도록 하였다. R-C 부정합은 C 에 의한 보정을 궤환하는 방식이 적용되며, 동시에 정확한 R값이 정합된 계측용 증폭기를 사용하였다.
- 뇌파측정시스템을 제작하였다. 피검자를 대상으로 실시간으로 측정된 데이터를 8-Bit의 해상도, 4 ms 샘플링 시간을 갖도록 AA) 변환하여 피검자의 심리상태를 시각과 청각 자극을 통해 피드백 함으로써 피검자의 감성 상태변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 두피와 화학작용이 거의 없는 완전비분극(perfectly nonpolarizable) 전극에 가까운 특성을 가지는 은-염화은(Ag-AgCl) 전극을 사용하였다.
- 임상실험은 현재 병력이 없고 건강 상태가 양호한 만 20세에서 26세까지의 학생을 대상으로 실시하였다. 외부의 물리적인 자극이 뇌파에 미치는 영향을 조사하기 위하여, 현재 시판되고 있는 학습보조기구로 사용되고 있는 MS제품을 이용하여 빛과 소리의 자극을 주고, 뇌파의 성분비 변화를 실시간 분석하였다.
성능/효과
- 그리고 빛과 소리의 자극으로 피드백 한 경우 자극에 대하여 알파파의 증가와 베타파의 감소를 실험으로 확인하였다. 외부의 물리적인 자극에 따라 개인별 감성 특성과 생체리듬의 변화는 다소 다르게 반응하였으며, 그 반응 결과를 피드백 함으로써 개인별 특성과 생체리듬의 변화에 맞는 뇌파 안정화 장치와 운용프로그램을 개발할 수 있을 것이다.
- 감소로 이어지고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 베타파는 전 시간영역에 걸쳐 30%이상 감소한 것을 알 수 있으며, 세타파의 경우도 전체적으로 증가한 것을 알 수 있다. 이 결과로 비춰볼 때 심리상태가 주변 자극의 영향에 많이 좌우되는 것을 알 수 있으며, 빛과 같은 자극으로 심리적 변화를 줄 수 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서는 고정용 핀과 접촉 판이 용접됨으로 인한임피던스 변화의 왜곡을 방지하기 위해서 전극은 Fig. 1과 같은 형태로 제작하고, 전극고정용 핀은 용접이 아닌 융합 형태로 제작한 결과 안정된 특성과 균일성은 확보할 수 있었다. 전기 접촉도를 좋게 하기 위한 접착제 사용을 최소로 하여 이마부분에 3-4개의 전극만으로 실험을 하였다.
- 연구결과 제작한 저잡음 고정밀도의 뇌파측정시스템이 극히 미약한 뇌파의 분석과 해석장비로서 유효함을 확인하였다. 그리고 빛과 소리의 자극으로 피드백 한 경우 자극에 대하여 알파파의 증가와 베타파의 감소를 실험으로 확인하였다.
- 또한 베타파는 전 시간영역에 걸쳐 30%이상 감소한 것을 알 수 있으며, 세타파의 경우도 전체적으로 증가한 것을 알 수 있다. 이 결과로 비춰볼 때 심리상태가 주변 자극의 영향에 많이 좌우되는 것을 알 수 있으며, 빛과 같은 자극으로 심리적 변화를 줄 수 있음을 확인하였다. 이러한 시스템은 감성의 평가방법 중 하나인 뇌파측정기로서의 역할뿐만 아니라, 인간의 감성을 자극하여 심리적 안정성을 줄 수 있는 장비로의 발전이 기대된다고 할 수 있을 것이다.
- 측정결과 알파파 의성 비가 이전 그래프에 비해 10-20%이상 강하게 나타났으며, 세타파 역시 증가했음을 알 수 있다. 즉 뇌파 유발전위에 의해 발생하는 뇌전위는 청각과 시각자극에 의해 크게 변화됨을 알 수 있었다.
- (c) 는 청각 자극을 강하게 하였을 경우 알파, 베타, 세타파의 뇌파를 백분율로 표시한 그래프이다. 측정결과 알파파 의성 비가 이전 그래프에 비해 10-20%이상 강하게 나타났으며, 세타파 역시 증가했음을 알 수 있다. 즉 뇌파 유발전위에 의해 발생하는 뇌전위는 청각과 시각자극에 의해 크게 변화됨을 알 수 있었다.
- 측정결과는 피드백 된 자극에 대하여 약 6-7분까지 유의할 만한 알파파의 증가를 보이고 있으며, 그 값이 베타파의 감소로 이어지고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 베타파는 전 시간영역에 걸쳐 30%이상 감소한 것을 알 수 있으며, 세타파의 경우도 전체적으로 증가한 것을 알 수 있다.
후속연구
- 수 있을 것이다. 그 결과 뇌파의 발생을 유도하여 심신을 안정시키고 피로의 회복이나 스트레스 해소를 도와줄 수 있는 역할의 수행도 가능할 것이다. 본 연구에서는 EEG 신호 측정을 위한 고성능의 전치증폭기를 제작하고, 증폭기로부터 발생한 아날로그 신호파형을 알파, 베타, 세타파로 자동으로 분류한 후 실시간으로 그 구성비율을 판독하여 피검자에게 적절한 자극을 피드백 할 수 있는 시스템을 구성하였다.
- 본 연구에서 제작한 뇌파측정시스템의 알고리즘은 향후 두뇌 개발과 학습보조기기로 활용하여 뇌에 감성 자극을 가하고, 실시간 발생하는 뇌파를 관측하여 피드백으로 뇌파 변화를 제어하는데 필요한 기초자료로 할용될 수 있을 것이다.
- 그리고 빛과 소리의 자극으로 피드백 한 경우 자극에 대하여 알파파의 증가와 베타파의 감소를 실험으로 확인하였다. 외부의 물리적인 자극에 따라 개인별 감성 특성과 생체리듬의 변화는 다소 다르게 반응하였으며, 그 반응 결과를 피드백 함으로써 개인별 특성과 생체리듬의 변화에 맞는 뇌파 안정화 장치와 운용프로그램을 개발할 수 있을 것이다.
- 향후 두뇌 개발과 학습보조기기로 활용하여 뇌에 감성 자극을 가하고, 실시간 발생하는 뇌파를 관측하여 피드백으로 뇌파변화를 제어하는데 사용될 수 있다.
- 향후 인체내의 미세한 변화와 생체정보를 모두 포함하고 있는 뇌파를 정량화하여 인간의 다양한 감성을 평가하는 종합적인 감성평가시스템 등이 연구될 것이며, 본 연구의 결과들은 기초자료로 활용될 수 있을 것이다,
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