[논문]조도 변화에 따른 뇌파 기반 생체신호 변화에 관한 연구

김명호

doi:10.5370/kieep.2012.61.1.055

조도 변화에 따른 뇌파 기반 생체신호 변화에 관한 연구
The Study about Variation of Physiology Signal based on EEG due to Variation of Illumination 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.61 no.1, 2012년, pp.55 - 58

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By using EEG and HRV, subjects were estimated on their psychological and physiological reaction when reading psychrometric chart in 7 point century font, in an environmental test room in the condition of temperature 25[$^{\circ}C$], relative humidity 50[RH%], air current speed 0.02[m/sec], giving variation in illuminance to 0.1, 300, 600, 1000, 1300 and 1600[lux]. As a result, it was at 1300[lux] that absolute ${\alpha}$ wave, SMR, SDNN were most vitalized, and also both sides ${\alpha}$ wave asymmetry index, SEF50, HRT, stress and fatigue degree were at the lowest. It was found that a certain illuminance which minimizes psychological stress and fatigue degree while enhancing concentration and task achievement stably does exist.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

외부 자극의 변화에 따라 인간의 정신생리상태의 변화를 관찰 및 측정하는 방법에는 1942년 Beger가 사용한 대뇌피질의 전기적 활동을 측정하여 뇌기능의 변화를 관찰하는 뇌파측정법(Electroencephalography, 이하 EEG) 이 있으며, 외부 자극의 변화에 따라 인간의 자율신경계의 변화를 관찰 및 측정하는 방법에는 심박동 변이도 검사(Heart Rate Variability, 이하 HRV)가 있다. 따라서 본 논문에서는 EEG와 HRV를 사용하여 조도 변화에 따른 피험자들의 심리적 및 생리적인 반응의 차이를 분석함으로써 근무자가 가장 높은 생산성을 발휘할 수 있는 조도를 찾고자 한다.

제안 방법

HRV측정은 뇌파 측정과 동시에 SA-3000P(Medi-core. co)를 사용하여 좌측 손목, 우측 손목 및 좌측 발목에 각각 전극을 부착시킨 후 안정상태에서 5분간 측정하였다.
뇌파신호획득은 아날로그필터(0.6∼46[Hz])를 통과한 아날로그신호를 표본화주파수 256[Hz], 분해능 16Bit로 디지털 변환하여 이루어졌다.
6∼46[Hz])를 통과한 아날로그신호를 표본화주파수 256[Hz], 분해능 16Bit로 디지털 변환하여 이루어졌다. 신호획득과정에서의 장비의 제어와 획득후의 데이터분석은 본 실험실에서 자체 기획하여 프로그래밍언어 C++로 제작한 소프트웨어 (Neurometric HMI)를 이용하여 수행하였다.
온도 25[°C], 상대습도 50[RH%] 및 기류속도 0.02[m/sec]의 인공기후실에서 조도를 암전(0.1[lux]), 300, 600, 1000, 1300 및 1600[lux]로 변화시키면서 피험자들이 7포인트 신명조체의 습공기선도표를 읽을 때 심리적 및 생리적 반응을 EEG와 HRV를 사용하여 측정하였다.
원반형 전극과 두피의 접촉력을 높이기 위하여 알코올로 두피의 이물질을 닦아 낸 후, 전극풀을 사용하여 두피에 고정하였으며, 실험 중에 전극풀이 굳지 않고 두피에 잘 붙어 있도록 거즈를 전극의 상부에 덮었다.
인공기후실의 조건은 미국 공기조화냉동공학회의 쾌적 범위[6]를 만족하는 온도 25[°C], 상대습도 50[RH%] 및 기류 속도 0.02[m/sec]로 유지되도록 하였으며, 조도를 암전(0.1[lux]), 300, 600, 1000, 1300 및 1600[lux]로 변화되는 공간에서 20분 이상 안정을 시킨 후 피험자들에게 신명조체(7포인트)의 습공기선도표(Psychrometric chart)를 읽게 할 때의 EEG와 HRV를 각각 5분간 측정하였다.

대상 데이터

피실험자 집단은 건강 상태를 점검하여 25명의 남자 대학생으로 선정하였으며, 기본적인 신체 조건은 표 2와 같다.

이론/모형

EEG측정은 PolyG-I (LAXTHA Inc.)를 활용하여 측정하였고, 국제 전극 배치법인 International 10-20 System(그림 4)에 의해 전전두엽(Fp1, Fp2), 전두엽(F3, F4), 측두엽(T3, T4), 두정엽(P3, P4)에 뇌파 측정 전극을 부착하였다. 오른쪽 귓불 뒤에 기준전극을 부착하였고, 왼쪽 귓불 뒤에 접지 전극을 부착하였다.

성능/효과

[1] 핀란드에서 조명공장의 근로자들을 대상으로 실험한 결과 1,000∼1,200[lux] 주변에서 생산성이 최대로 되었으며, 일본의 와세다 대학의 학생들을 대상으로 Task 조명의 조도를 제어할 수 있도록 한 결과 제어할 수 없는 경우보다 세자리수 곱셈 성능이 11%가 개선되었다.
[1] 핀란드에서 조명공장의 근로자들을 대상으로 실험한 결과 1,000∼1,200[lux] 주변에서 생산성이 최대로 되었으며, 일본의 와세다 대학의 학생들을 대상으로 Task 조명의 조도를 제어할 수 있도록 한 결과 제어할 수 없는 경우보다 세자리수 곱셈 성능이 11%가 개선되었다.[2] 하루의 80% 이상의 시간을 실내 공간에서 생활해야만 하는 근무자들에게 적절 하지 못한 조도는 작업 능률 저하에 따른 생산성을 감소시킬 뿐만 아니라 각종 질병의 원인이 되고 있다.[3]
그 결과 1,300[lux]에서 절대 α파, SMR 및 SDNN이 가장 활성화되었으며 좌우뇌의 α파 비대칭지수, SEF50, HRT, 스트레스 및 피로도 지수는 가장 낮았다.
그 결과 1,300[lux]에서 절대 α파, SMR 및 SDNN이 가장 활성화되었으며 좌우뇌의 α파 비대칭지수, SEF50, HRT, 스트레스 및 피로도 지수는 가장 낮았다. 심리적으로 가장 스트레스를 적게 받으면서 피로도를 최소화하며 안정적으로 집중력과 업무성취도를 높일 수 있는 조도가 있다는 것을 알 수 있었다.

후속연구

본 실험에서는 7포인트의 신명조체를 읽을 때 1,300[lux] 의 조도가 가장 효과적이었지만, 글자체나 글자의 크기가 바뀌게 되면 이 조도 단계도 함께 바뀔 것으로 사료되는 바, 향후 업무생산성을 향상시킬 수 있는 조도와 글자형태의 조건을 확립하는 것이 과제라고 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근무자들에게 적절 하지 못한 조도가 적용되면 어떤 문제가 발생할 수 있는가?	[1] 핀란드에서 조명공장의 근로자들을 대상으로 실험한 결과 1,000∼1,200[lux] 주변에서 생산성이 최대로 되었으며, 일본의 와세다 대학의 학생들을 대상으로 Task 조명의 조도를 제어할 수 있도록 한 결과 제어할 수 없는 경우보다 세자리수 곱셈 성능이 11%가 개선되었다.[2] 하루의 80% 이상의 시간을 실내 공간에서 생활해야만 하는 근무자들에게 적절 하지 못한 조도는 작업 능률 저하에 따른 생산성을 감소시킬 뿐만 아니라 각종 질병의 원인이 되고 있다.[3]
	빛의 밝기는 신체에 어떤 영향을 미치는가?	실내 환경 인자 중에서 빛의 밝기는 신체, 감성 및 지성의 생체리듬 시스템(Circadian system)을 변화시켜서 체온, 수면 패턴, 호르몬 분비 및 혈압 등의 생리학적 리듬을 조절한다.[1] 핀란드에서 조명공장의 근로자들을 대상으로 실험한 결과 1,000∼1,200[lux] 주변에서 생산성이 최대로 되었으며, 일본의 와세다 대학의 학생들을 대상으로 Task 조명의 조도를 제어할 수 있도록 한 결과 제어할 수 없는 경우보다 세자리수 곱셈 성능이 11%가 개선되었다.
	핀란드에서의 실험 결과 생산성이 최대가 되는 빛의 밝기는 몇 룩스인가?	실내 환경 인자 중에서 빛의 밝기는 신체, 감성 및 지성의 생체리듬 시스템(Circadian system)을 변화시켜서 체온, 수면 패턴, 호르몬 분비 및 혈압 등의 생리학적 리듬을 조절한다.[1] 핀란드에서 조명공장의 근로자들을 대상으로 실험한 결과 1,000∼1,200[lux] 주변에서 생산성이 최대로 되었으며, 일본의 와세다 대학의 학생들을 대상으로 Task 조명의 조도를 제어할 수 있도록 한 결과 제어할 수 없는 경우보다 세자리수 곱셈 성능이 11%가 개선되었다.[2] 하루의 80% 이상의 시간을 실내 공간에서 생활해야만 하는 근무자들에게 적절 하지 못한 조도는 작업 능률 저하에 따른 생산성을 감소시킬 뿐만 아니라 각종 질병의 원인이 되고 있다.

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Anderson etal, "An examination of perceived control, humor, irrational beliefs and positive stress as moderators of the relation between negative stress and health", Basic and Applied Social Psychology, Vol.10, No.2, pp.110-117, 1989.
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