[논문]졸음현상과 관련된 EEG신호의 주파수대역의 특성

장윤석; 이슬이; 류수아

doi:10.13067/jkiecs.2013.8.6.949

졸음현상과 관련된 EEG신호의 주파수대역의 특성
Characteristics of Frequency Band on EEG Signal Causing Human Drowsiness 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.8 no.6, 2013년, pp.949 - 954

장윤석 (부경대학교 전기공학과) , 이슬이 (부경대학교 전기공학과) , 류수아 (부경대학교 정보통신공학과)

초록
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본 논문에서는 인간의 졸음에 대한 특성을 관찰하기 위해 뇌파를 계측 및 분석하였다. 인간으로부터 발생되는 뇌파 즉 EEG신호를 계측하여 주파수 대역에 따라 분석하는 것을 기본적인 방법으로 한다. 흔히 각성, 폐안 및 수면에 접어들 때와 관련이 있는 뇌파는 알파파로 알려져 있다. 따라서 본 논문에서는 졸음과 관련된 분석 주파수대역을 알파파대역으로 한정하여, 알파파대역 중에서도 어떤 주파수성분이 졸음과 더 밀접한 관련이 있는지 파워 스펙트럼 분석법을 이용하여 관측한 결과를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

We measured and analyzed the brain waves to observe the characteristics of human drowsiness. The basic method is to analyze the EEG(Electroencephalography) signals from subjects according to the frequency bands. It has been reported that alpha waves are related to a wakefulness state, an eye closure state and a state that begins to sleep. In this study, therefore, we restricted the frequency band for analyzing to between 8 and 13Hz called brain's alpha waves. We observed which components had a stronger influence on human drowsiness among the restricted frequency band and represented the experimental results to analyze using the power spectrum method.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결과적으로 각성상태에서 졸음상태로 진입하는 과정에서 유발되는 뇌파성분에서는 알파파의 주파수대역을 둘로 나눌 때 높은 주파수대역에 해당하는 성분이 보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 본 논문에서는 피험자의 졸음구간의 순서에 따른 파워 스펙트럼의 크기를 비교하여 알파파 중에서 고주파대역(10∼13Hz)과 저주파대역(8∼10Hz)의 영향 및 그 중에서도 졸음상태에 가장 크게 영향을 미치는 주파수성분을 조사한 분석결과를 제시하였다.
본 논문에서는 인간의 졸음현상을 EEG신호로 분석하기 위하여 수행된 실험결과를 제시하였다. 그 결과 졸음현상을 파악하기 쉬운 EEG신호의 주파수대역을 분명히 확인할 수 있었다.
본 논문은 인간의 졸음에 대한 신호를 뇌파로부터 발견할 수 있는 가능성을 목표로 하여 진행된 뇌파실험 결과를 제시한 것이다. 우선 인간에게서 발생되는 뇌파 중에서 각성상태, 폐안상태 및 수면에 진입하는 상태와 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 알려진 뇌파 성분인 알파파를 분석 대상으로 하였다.

제안 방법

각각의 졸음구간에서 계측된 뇌파는 피험자의 두피에 부착하였던 6개의 전극위치를 채널로 구분하여 분석하였다. 아울러 각 채널에서 계측한 뇌파 즉 EEG 신호에서는 알파파의 주파수대역(8∼13Hz)을 분석대상으로 정하였다.
의 위치에 전극을 부착하여 측정하였다[9]. 뇌파계를 사용하여 뇌파를 계측하는 것과 동시에 피험자의 측면에는 캠코더를 설치하여 피험자의 졸음상태를 관찰할 수 있도록 하였다. 뇌파계측실험이 종료된 다음에는 피험자의 상태를 캠코더로 체크하여 분석할 피험자의 상태를 분류하였다.
다음에는 졸음현상에 영향을 미치는 뇌파성분을 보다 세밀하게 분석하기 위하여 알파파대역인 8∼13Hz 를 각각 1Hz간격의 폭으로 분석구간을 설정하여 각 대역에서의 파워 스펙트럼을 분석하였다. 이 때, 각 대역의 파워 스펙트럼은 P₁(8∼9Hz), P₂(9∼10Hz), P₃(10∼11Hz), P₄(11∼12Hz) 및 P₅(12∼13Hz)와 같이 나타내었다.
우선 인간에게서 발생되는 뇌파 중에서 각성상태, 폐안상태 및 수면에 진입하는 상태와 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 알려진 뇌파 성분인 알파파를 분석 대상으로 하였다. 또한 각성상태에서 졸음상태로 진행되는 과정에서 유발되는 뇌파를 관찰하며 파워 스펙트럼으로 분석한 결과를 비교해 보았다. 결과적으로 각성상태에서 졸음상태로 진입하는 과정에서 유발되는 뇌파성분에서는 알파파의 주파수대역을 둘로 나눌 때 높은 주파수대역에 해당하는 성분이 보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다.
본 논문에서는 피험자의 EEG신호를 졸음 및 각성 상태가 반복되는 과정에서 계측하여 5초 간격을 뇌파 분석 구간으로 설정하여 분석한 결과를 제시하였다.
본 연구에서는 각 피험자의 졸음 및 각성상태가 반복되는 과정의 뇌파를 30분 동안 계속해서 뇌파계를 이용하여 측정하면서 그 과정을 촬영한 동영상을 확인하여 분석구간을 설정하였다. 졸음상태는 졸음에 의해 피험자의 눈이 감기기 시작하는 순간을 기준으로 하였고, 각각 5초 단위로 뇌파분석 구간을 설정하였다.
실험 시에 피험자들에게는 졸음 유발 동영상을 30분 동안 보여주어 졸음을 유발하도록 하였고, 피험자의 뇌파는 10-20 국제 전극 배치법에 따라 정해진 위치의 채널 중에서 그림 1과 같이 F₃, F_Z, F₄, C₃, C_Z, C₄의 위치에 전극을 부착하여 측정하였다[9]. 뇌파계를 사용하여 뇌파를 계측하는 것과 동시에 피험자의 측면에는 캠코더를 설치하여 피험자의 졸음상태를 관찰할 수 있도록 하였다.
실험시간에 따른 피험자의 졸음횟수는 피험자마다 다르지만, 졸음상태마다의 분석구간을 동일시간으로 구분하였고, 졸음상태와 졸음상태 사이의 각성상태 구간도 확인하여 뇌파분석 구간을 구분하여 두었다. 아울러 분석구간은 5초 단위의 시간으로 설정하였다.

대상 데이터

EEG신호 중에서도 인간의 졸음과 가장 관련 있는 성분으로 알려진 알파파 대역을 분석대상으로 하였다. 먼저 알파파를 저대역(8∼10Hz)과 고대역(10∼13Hz) 으로 구분하여 파워 스펙트럼으로 분석한 결과, 알파파의 고대역 파워 P_HA가 저대역 파워 P_LA보다 크다는 사실을 관측하였다.
본 연구에 참가한 5명의 피험자들은 기본적으로 정신적 및 인지적 병력이 없는 만 21세에서 25세 사이의 건강한 남성들이다. 피험자들에게는 졸음에 대한 실험임을 미리 알려서, 실험 중에 졸기는 하지만 수면에 들지는 않으려는 의지를 가지도록 하였다.
각각의 졸음구간에서 계측된 뇌파는 피험자의 두피에 부착하였던 6개의 전극위치를 채널로 구분하여 분석하였다. 아울러 각 채널에서 계측한 뇌파 즉 EEG 신호에서는 알파파의 주파수대역(8∼13Hz)을 분석대상으로 정하였다. 또한 5Hz의 주파수대역폭을 가지고 있는 알파파를 저대역(8∼10Hz)과 고대역(10∼13Hz) 으로 구분하여 분석하였다.
본 논문은 인간의 졸음에 대한 신호를 뇌파로부터 발견할 수 있는 가능성을 목표로 하여 진행된 뇌파실험 결과를 제시한 것이다. 우선 인간에게서 발생되는 뇌파 중에서 각성상태, 폐안상태 및 수면에 진입하는 상태와 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 알려진 뇌파 성분인 알파파를 분석 대상으로 하였다. 또한 각성상태에서 졸음상태로 진행되는 과정에서 유발되는 뇌파를 관찰하며 파워 스펙트럼으로 분석한 결과를 비교해 보았다.

이론/모형

이것은 피험자의 졸음상태 구간을 시간적으로 구분 및 확인하고, 그에 따른 뇌파 분석 구간을 시간적으로 설정하기 위한 것이다. 최종적으로 뇌파분석 구간에서 측정된 뇌파 신호는 FFT 를 이용한 파워 스펙트럼(power spectrum)법으로 분석한다.

성능/효과

또한 각성상태에서 졸음상태로 진행되는 과정에서 유발되는 뇌파를 관찰하며 파워 스펙트럼으로 분석한 결과를 비교해 보았다. 결과적으로 각성상태에서 졸음상태로 진입하는 과정에서 유발되는 뇌파성분에서는 알파파의 주파수대역을 둘로 나눌 때 높은 주파수대역에 해당하는 성분이 보다 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 본 논문에서는 피험자의 졸음구간의 순서에 따른 파워 스펙트럼의 크기를 비교하여 알파파 중에서 고주파대역(10∼13Hz)과 저주파대역(8∼10Hz)의 영향 및 그 중에서도 졸음상태에 가장 크게 영향을 미치는 주파수성분을 조사한 분석결과를 제시하였다.
결과적으로 인간의 졸음현상과 관련된 EEG신호 중에서 알파파의 주파수대역에서 나타나는 특성으로 미루어 보아, 졸음현상을 판단하는 데에는 알파파의고대역을 분석하는 것이 저대역보다는 효율적일 것으로 판단된다. 아울러 알파파 대역 중에서도 11∼12Hz 의 주파수 성분이 인간의 졸음과 가장 상관성이 높은 EEG신호의 성분인 것으로 추정된다.
본 논문에서는 인간의 졸음현상을 EEG신호로 분석하기 위하여 수행된 실험결과를 제시하였다. 그 결과 졸음현상을 파악하기 쉬운 EEG신호의 주파수대역을 분명히 확인할 수 있었다. 피험자에 따라 EEG신호가 상이하게 유발될 수도 있으므로 본 논문에서 확인된 두 가지 결과인 알파파의 고대역 파워 및 11∼12Hz간의 파워는 동시에 관찰할 필요가 있다고 생각된다.
먼저 알파파를 저대역(8∼10Hz)과 고대역(10∼13Hz) 으로 구분하여 파워 스펙트럼으로 분석한 결과, 알파파의 고대역 파워 P_HA가 저대역 파워 P_LA보다 크다는 사실을 관측하였다. 또한 졸음현상에 영향을 미치는 보다 세밀한 주파수대역을 조사하기 위하여 알파파대역을 1Hz간격으로 나누어 각 대역의 파워 스펙트럼을 비교한 결과, 주파수대역 11∼12Hz의 파워성분 P₄가 가장 크게 나타난다는 사실을 확인할 수 있었다.
EEG신호 중에서도 인간의 졸음과 가장 관련 있는 성분으로 알려진 알파파 대역을 분석대상으로 하였다. 먼저 알파파를 저대역(8∼10Hz)과 고대역(10∼13Hz) 으로 구분하여 파워 스펙트럼으로 분석한 결과, 알파파의 고대역 파워 P_HA가 저대역 파워 P_LA보다 크다는 사실을 관측하였다. 또한 졸음현상에 영향을 미치는 보다 세밀한 주파수대역을 조사하기 위하여 알파파대역을 1Hz간격으로 나누어 각 대역의 파워 스펙트럼을 비교한 결과, 주파수대역 11∼12Hz의 파워성분 P₄가 가장 크게 나타난다는 사실을 확인할 수 있었다.
결과적으로 인간의 졸음현상과 관련된 EEG신호 중에서 알파파의 주파수대역에서 나타나는 특성으로 미루어 보아, 졸음현상을 판단하는 데에는 알파파의고대역을 분석하는 것이 저대역보다는 효율적일 것으로 판단된다. 아울러 알파파 대역 중에서도 11∼12Hz 의 주파수 성분이 인간의 졸음과 가장 상관성이 높은 EEG신호의 성분인 것으로 추정된다.

후속연구

피험자에 따라 EEG신호가 상이하게 유발될 수도 있으므로 본 논문에서 확인된 두 가지 결과인 알파파의 고대역 파워 및 11∼12Hz간의 파워는 동시에 관찰할 필요가 있다고 생각된다. 이와 같은 결과는 졸음을 방지할 수 있는 방법의 개발에 유효한 자료로서 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
그 결과 졸음현상을 파악하기 쉬운 EEG신호의 주파수대역을 분명히 확인할 수 있었다. 피험자에 따라 EEG신호가 상이하게 유발될 수도 있으므로 본 논문에서 확인된 두 가지 결과인 알파파의 고대역 파워 및 11∼12Hz간의 파워는 동시에 관찰할 필요가 있다고 생각된다. 이와 같은 결과는 졸음을 방지할 수 있는 방법의 개발에 유효한 자료로서 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알파파는 어떤 졸음단계와 관련이 있는 뇌파인가?	인간으로부터 발생되는 뇌파 즉 EEG신호를 계측하여 주파수 대역에 따라 분석하는 것을 기본적인 방법으로 한다. 흔히 각성, 폐안 및 수면에 접어들 때와 관련이 있는 뇌파는 알파파로 알려져 있다. 따라서 본 논문에서는 졸음과 관련된 분석 주파수대역을 알파파대역으로 한정하여, 알파파대역 중에서도 어떤 주파수성분이 졸음과 더 밀접한 관련이 있는지 파워 스펙트럼 분석법을 이용하여 관측한 결과를 제시하였다.
	본 논문에서 수행한, 피험자의 EEG신호를 졸음 및 각성 상태가 반복되는 과정에서 계측하여 5초 간격을 뇌파 분석 구간으로 설정하여 분석한 결과는 어떠한가?	EEG신호 중에서도 인간의 졸음과 가장 관련 있는 성분으로 알려진 알파파 대역을 분석대상으로 하였다. 먼저 알파파를 저대역(8∼10Hz)과 고대역(10∼13Hz) 으로 구분하여 파워 스펙트럼으로 분석한 결과, 알파 파의 고대역 파워 PHA가 저대역 파워 PLA보다 크다는 사실을 관측하였다. 또한 졸음현상에 영향을 미치는 보다 세밀한 주파수대역을 조사하기 위하여 알파파대역을 1Hz간격으로 나누어 각 대역의 파워 스펙트럼을 비교한 결과, 주파수대역 11∼12Hz의 파워성분 P4가 가장 크게 나타난다는 사실을 확인할 수 있었다. 결과적으로 인간의 졸음현상과 관련된 EEG신호 중에서 알파파의 주파수대역에서 나타나는 특성으로 미루어 보아, 졸음현상을 판단하는 데에는 알파파의고대역을 분석하는 것이 저대역보다는 효율적일 것으로 판단된다. 아울러 알파파 대역 중에서도 11∼12Hz 의 주파수 성분이 인간의 졸음과 가장 상관성이 높은 EEG신호의 성분인 것으로 추정된다.
	졸음운전이 위험한 이유는 무엇인가?	최근 교통사고의 원인으로 분석된 통계를 확인하면, 교통사고 원인의 가장 큰 이유는 졸음운전이라는 분석 결과가 나와 있다. 졸음운전이 위험한 이유는 자신에게 닥친 위험한 순간에 대하여 자각하지 못하기 때문이다. 한 조사 보고서에 의하면 24시간 수면을 취하지 않고 운전을 하게 되면, 운전면허가 취소될 수 있는 0.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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