[논문]운전자 졸음시 냉풍 자극이 뇌파 및 심전도 반응에 미치는 영향

김민수; 김동규; 박종일; 금종수

doi:10.6110/kjacr.2017.29.3.134

[국내논문] 운전자 졸음시 냉풍 자극이 뇌파 및 심전도 반응에 미치는 영향
The Effect of Cold Air Stimulation on Electroencephalogram and Electrocardiogram during the Driver's Drowsiness 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.29 no.3, 2017년, pp.134 - 141

김민수 (부경대학교 대학원 냉동공조공학과) , 김동규 (부경대학교 기계조선융합공학과) , 박종일 (동의대학교 건축설비공학과) , 금종수 (부경대학교 냉동공조공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study was to analyze physiological changes via a cold air reaction experiment to generate basic data that are useful for the development of an automobile active air conditioning system to prevent drowsiness. The $CO_2$ concentration causing drowsiness in vehicle operation was kept below a certain level. Air was blown to the driver's face by using an indoor air cooling apparatus. Sleepiness and the arousal state of the driver in cold wind were measured by physiological signals. It was evident in the EEG that alpha waves decreased and beta waves increased, caused by cold air stimulation. The ${\alpha}/{\beta}$ ratio was reduced by about 52.9% and an alert state confirmed. In the electrocardiogram analysis, the efficiency of cold air stimulation was confirmed by the mean heart rate interval change. The R-R interval had a delay time of about one minute compared to the EEG response. The findings confirmed an arousal effect from sleepiness due to cold air stimulation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 졸음운전의 원인이 되는 CO2 농도를 일정 수준 이하로 유지시키고 실내 냉풍장치를 이용하여 운전자의 안면부로 송풍시킴으로써, 송풍 시 콜드 드래프트 효과로 인한 운전자의 졸음 및 각성 상태를 뇌파와 심전도를 이용하여 확인하고자 하였다. 냉풍에 따른 감성 반응 실험을 통해 생리변화를 분석하여 졸음방지를 위한 자동차 능동형 공조시스템 개발의 기초자료로 활용하고자 한다.
본 연구는 운전자 졸음시 안면부로 송풍시키는 감성 반응 실험을 통해 냉풍 자극 시 생리반응을 뇌파와 심전도 생리신호를 근거로 분석하여 인체 생리반응과 냉풍 효과를 확인 한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
본 연구는 운전자가 졸음시 냉풍자극에 대한 반응 효과를 살펴보기 위하여 실험 중 측정된 생리신호 데이터를 이용해 관찰하였다. 운전자의 시각, 청각, 촉각에 의한 직접적인 졸음방지 장치에 비하여 냉풍 자극은 운전자의 놀람으로 인한 급격한 행동변화를 최소화하여 2차 사고를 예방할 수 있다.
본 연구에서는 졸음운전의 원인이 되는 CO2 농도를 일정 수준 이하로 유지시키고 실내 냉풍장치를 이용하여 운전자의 안면부로 송풍시킴으로써, 송풍 시 콜드 드래프트 효과로 인한 운전자의 졸음 및 각성 상태를 뇌파와 심전도를 이용하여 확인하고자 하였다. 냉풍에 따른 감성 반응 실험을 통해 생리변화를 분석하여 졸음방지를 위한 자동차 능동형 공조시스템 개발의 기초자료로 활용하고자 한다.

가설 설정

자율신경계 변화에서도 평균 심박 간격과 같이 무풍 조건에서는 일정한 값을 유지하였으며, 냉풍 자극 시 스트레스와 연관된 LF의 감소와 신체이완과 관련 있는 HF의 증가로 인해 전체 LF/HF를 감소시켰다. 교감 신경계의 억제와 부교감 신경계의 활성화로 인한 자율 신경계 변화로부터 졸음시 냉풍은 피험자의 졸음 각성에 대한 스트레스를 줄일 뿐 만 아니라 공조 시스템에서 송풍으로 인한 냉풍 자극 효과를 극대화 시킬 수 있다고 사료된다.

제안 방법

냉풍 자극 시 피험자들의 뇌파 반응에서는 알파파와 베타파의 비, 세타파를 통해 피험자의 졸음 상태를 살펴보았다. α/β로부터 무풍 조건에서는 변화를 확인 할 수 없었으나, 냉풍 자극 후 1분 동안 알파파의 감소와 베타파의 증가로 α/β는 약 52.
본 연구에서 실험환경은 피험자가 쾌적하게 느끼는 25℃, 50%(RH)의 온․습도 조건에서 진행되었으며, 졸음 유발이 우려되는 CO2 농도 2,000 ppm 이하인 1,400ppm의 실내 환경에서 수행되어, 피험자의 쾌적 조건을 만족시켰다.
실험은 냉풍 자극 유무에 따라 구분하였으며, 총 90분간의 본실험 시간 중 졸음시간(0:00)을 기준으로 전․후 5분 동안 1분 간격의 데이터를 비교하였다. Fig.
본 연구에서는 측정된 데이터를 기반으로 심장 주기 사이의 간격 변화를 나타내는 시간역 분석영역에서는 R-R 간격의 평균과 R-R간격의 표준 편차를 이용해 분석하였다. 심장의 방실결절 리듬에서의 다양한 주파수와 진동으로 분해 한 심장 박동 신호의 주기적인 진동을 나타내는 주파수 분석영역에서는 저주파(LF)와 고주파(HF)의 비를 분석하여 자율신경계 변화를 분석하였다.
심전도 분석에서는 시계열 분석과 주파수 영역 분석을 통해 졸림 상태, 스트레스 지수 등 생리적 반응 결과를 얻었고, 뇌파의 생리신호와 비교․대조하여 고찰하였다.
주파수 영역 분석은 데이터 분석 시 필요한 충분한 샘플링 주기를 확보하기 위하여 졸음 전․후 각 5분 동안의 LF와 HF의 비로 자율신경계 변화를 살펴보았다. 자율신경계 변화에서도 평균 심박 간격과 같이 무풍 조건에서는 일정한 값을 유지하였으며, 냉풍 자극 시 스트레스와 연관된 LF의 감소와 신체이완과 관련 있는 HF의 증가로 인해 전체 LF/HF를 감소시켰다.

대상 데이터

신체․정신적으로 가장 건강한 연령대인 20대의 성인 남성과 여성을 대상으로 운전면허증을 보유하고, 운전경험이 있는 대상자를 우선 모집하여 피험자를 선별하였다. 지원 대상자는 나이, 신장, 몸무게, 맥박, 혈압 등 기본적인 신체검사를 실시하였으며, 간단한 생리신호 검사도 동시에 수행하였다.
실험장소는 부산광역시 소재 부경대학교 친환경 공조시스템 연구실 내 항온항습실에서 진행되었으며, 항온항습실은 전실과 본실로 구분되어있다. 피험자가 도착하면 먼저 실험복장으로 갈아입고, 실내온도 25℃,상대습도 50%인 전실에 입실한다.
지원 대상자는 나이, 신장, 몸무게, 맥박, 혈압 등 기본적인 신체검사를 실시하였으며, 간단한 생리신호 검사도 동시에 수행하였다. 지원자 중 신체․정신적으로 건강한 남․여 각 10명, 총 20명의 피험자를 선별하여 실험에 참여시켰다.

데이터처리

심전도는 신체표면에서 측정 가능한 심장의 전기적 활성단계를 반영하는 전위차 신호이다. 본 연구에서는 측정된 데이터를 기반으로 심장 주기 사이의 간격 변화를 나타내는 시간역 분석영역에서는 R-R 간격의 평균과 R-R간격의 표준 편차를 이용해 분석하였다. 심장의 방실결절 리듬에서의 다양한 주파수와 진동으로 분해 한 심장 박동 신호의 주기적인 진동을 나타내는 주파수 분석영역에서는 저주파(LF)와 고주파(HF)의 비를 분석하여 자율신경계 변화를 분석하였다.

이론/모형

본 실험에서 얻어진 생리신호 데이터는 생체신호를 포함하여 화상신호, 음성신호, 통신신호 등의 많은 분야에서 널리 사용되고 있는 분석방법인 파워 스펙트럼(Power Spectrum) 분석법을 활용하였다.
본 연구에서는 졸음 및 각성과 연관된 알파파, 베타파, 세타파를 파워 스펙트럼 분석법과 통계 기법을 이용하여 분석하였다.
생리신호 측정에서 뇌파는 피험자의 전두엽 머리 표면 위에 4 ch(Fp1, Fp2, F3, F4, REF’, GND’)을 부착하는 방법으로 국제적으로 명명된 10-20 전극 배치법⁽⁹⁾을 이용하여 뇌파를 측정하였고, 심전도는 왼쪽 팔목(LA), 오른쪽 팔목(RA), 왼쪽 발목(LL), 오른쪽 발목(RL)에 측정전극을 부착하는 방법으로 표준사지 유도법(10)에 의해 3 ch 신호를 측정하였다.
파워 스펙트럼 분석법은 시간에 따라 변화하는 시계열 신호를 주파수영역으로 변환하여 주파수 변화에 따른 신호의 양상을 판단하기 위해 사용하였다.

성능/효과

(1) 냉풍 자극으로 인한 뇌파 반응에서 알파파가 감소되고, 베타파가 증가하는 경향이 뚜렷이 나타났고, α/β의 비율이 약 52.9% 감소됨으로써 졸음을 억제시키는 효과를 확인하였다.
(2) 수면 상태와 관련이 깊은 뇌파 파형 중 세타파에서는 냉풍 유․무에 상관없이 유사한 측정값과 경향이 나타났으며, 특징적인 변화나 통계분석 t-test에서 유의미한 차이를 확인할 수 없었다.
(3) 심전도 분석 시 평균 심박 간격 변화로부터 냉풍 자극에 대한 유효성을 확인하였으며, 인체에서 심전도 반응은 뇌파 생리반응에 비해 최대 1분 정도의 반응 시간에 대한 지연 현상을 발견하였다.
(4) 자율신경계 변화에서도 냉풍 자극 시 졸음 각성 효과를 확인하였고, 냉풍 자극은 인체에 생리적 변화를 동반하나, 이 생리변화는 긍정적인 효과 반응임을 확인하였다.
이러한 경향은 심전도 관련 선행 연구들에서 확인되었던, 졸음의 영향으로 심박동수가 줄어든다는 사실과 일치한다. 각성을 위한 냉풍자극 시 R-R interval은 1분 동안 계속 증가하는 상태가 지속되다가 이후 감소하는 경향이 나타남으로써, 심전도에 의한 자극 반응은 뇌파에서 나타나는 반응보다 대략 1분 내로 지연된다는 사실을 확인할 수 있다.
3msec 감소한 후 무풍 조건과 같은 심박 간격 변화 경향이 나타났다. 결과적으로 이러한 변화를 뇌파 신호와 비교하면 냉풍자극 시 심전도 반응은 뇌파 반응 보다 1분 이내 지연된다는 사실을 발견하였다.
5% 낮게 나타났다. 결과적으로 졸음을 깨우기 위한 냉풍 자극은 피험자들에게 스트레스 요인으로 작용하지는 않고, 교감신경계를 억제하고 부교감신경계를 증가시켜 편안함을 유도하였다고 판단된다. 자율 신경계 변화에 대한 분산분석에서도 냉풍 자극 유․무에 의한 유의미한 차이를 확인할 수 있었다.
시간영역 분석인 평균 심박 간격에서 무풍 조건에서는 특징적으로 큰 변화가 없는 양상이 나타났고, 냉풍 조건에서 자극으로 인한 변화를 관찰할 수 있었다. 졸음 전 1분부터 졸음 후 1분 사이 2분 동안 49.
피험자는 졸음직후 20초간 냉풍자극을 받으면서 개안으로 인한 알파파 감소와 졸음상태를 스스로 인지하고 집중하고자 하는 행동을 보였으며, 이러한 영향으로 베타파가 우세한 경향이 뇌파 신호에서 나타났다. 이러한 결과로 졸음시 냉풍에 의한 자극이 피험자들에게 유효한 반응을 일으킨다는 사실을 확인하였다. 냉풍자극 후 1분에서 2분 사이 알파파가 다시 우세하게 나타나는 현상은 졸음을 완전히 억제시키지는 못하고, 피험자의 눈깜빡임 행동이 반복됨으로써 나타나는 결과로 판단된다.

후속연구

(6) 자동차 실내 환경에서 가장 큰 변수는 일사량에 따른 실내온도 상승이므로, 본 연구를 바탕으로 차후 연구에서는 실내온도와 송풍온도 변화를 고려한 실내 환경에서 졸음과 각성상태에 미치는 인체 생리반응에 관한 연구를 각 연령대 별로 추가 진행하고자 한다.
결론적으로 본 연구 수행 결과는 졸음 방지를 위한 자동차용 능동형 공조시스템 개발에 기여할 수 있다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 실험에서 개인의 실험일정을 미리 공지해 그 기간동안 피험자에게 권유한 사항들은 무엇입니까?	본 실험 전 피험자들에게는 개인의 실험일정을 미리 공지하였다. 전체 실험일정 기간 중에는 무리한 운동이나 과로, 과식, 음주, 흡연, 약물복용 등을 금지하도록 시켰고, 규칙적인 생활을 유지하도록 권유하였다. 또한, 본 실험에 참여하기 전날에는 최근의 개인 생활패턴을 조사하고, 실험참가 여부를 판별하였다.
	차선이탈 경고시스템이란?	이에 국내외 관련 회사들은 졸음운전 시 사고방지를 위한 장치 등을 개발하고 일부 적용되었다. 현재 주종을 이루는 기술은 운전자가 졸음으로 차선을 이탈하면 경고해주는 차선이탈 경고시스템(LDWS : Lane Departure Warning System)과 운전자의 동공 등을 포착하여 경보를 주거나 차량을 제어, 운전자와 밀착된 시트 등을 진동시켜 졸음운전을 방지하는 기술 등이 있다.
	자동채 실내 이산화탄소 농도가 높아지면 발생하는 현상은?	자동차의 경우 좁은 공간에서 장시간 운전이 지속되는 경우 자동차 실내 이산화탄소 농도가 높아지게 되고, 인체의 폐에서는 산소를 흡수하고 이산화탄소를 배출시키는데 인체 외부의 이산화탄소의 농도가 높아지면 체내의 이산화탄소 배출이 어려워져, 졸음 유발과 집중력 저하로 인한 교통사고 발생 빈도를 높이게 된다.2015년 교통안전공단에서 발표한 보도자료(2)에 의하면 최근 3년간(2012년~2014년) 고속도로 사고통계를 분석한 결과 전체 사망자(942명) 중 10.

참고문헌 (11)

Kim, S. H. and Chang, H. J., 2000, History of Automotive Air Conditioning, Magazine of the SAREK, Vol. 29, No. 10, pp. 9-13.
Korea Transportation Safety Authority.
Lee, S. H., 2003, Drowsy Driving and Traffic Accidents, Int. Journal of Sleep Medicine and Psychophysiology, Vol. 10, No. 2, pp. 84-87.
Han, H. S. and Chong, U. P., 2012, Electroencephalogram-based Driver Drowsiness Detection System Using AR Coefficients and SVM, Int. Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 22, No. 6, pp. 768-773.

원문보기 상세보기
Han, H. S. and Song, K. Y., 2015, Improvement of EEG-Based Drowsiness Detection System Using Discrete Wavelet Transform, Int. Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, Vol. 40, No. 9, pp. 1731-1733.

원문보기 상세보기
Kim, M. S., Kim, Y. N., and Heo, Y. S., 2014, Characteristics of Heart Rate Variability Derived from ECG during the Driver's Wake and Sleep States, Transactions of KSAE, Vol. 22, No. 3, pp. 136-142.

원문보기 상세보기
Lee, G. D., Kum, J. S., Kim, D. G., Oh, J. H., Kim, M. S. and Yu, S. J., 2012, A Study on Drowsiness Prevention using Blowing to Face during Driving, Proceeding of KSAE, pp. 1880-1884.
Kang, S. M., Huh, K. M. and Lee, S. H., 2016, Development of a Drowsiness Detection System using Retinex Theory and Edge Information, Int. Journal of Institute of Control, Robotics and Systems, Vol. 22, No. 9, pp. 699-704.

원문보기 상세보기
10/20 System Positioning Manual, Trans Cranial Technologies.
Kim, K. S., Shin, S. W., Lee, J. W., and Choi, H. J., 2008, The Assessment of Dynamic Mental Stress with Wearable Heart Activity Monitoring System, Int. Journal of The Transactions of The Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 57, No. 6, pp. 1109-1115.
Jin, B. H., Bae, H. J., Song, S. O., and Kim, Y. O. 1999, Clinical Physiology, Daihak Publishing Company, pp. 24-33.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증