[논문]시선추적기법을 적용한 편측무시 측정 방법 및 개선 콘텐츠 개발

최정희; 신성욱; 문호상; 구세진; 정성택

doi:10.7236/jiibc.2018.18.5.187

시선추적기법을 적용한 편측무시 측정 방법 및 개선 콘텐츠 개발
Development of Measurement Method and Contents for Unilateral Neglect using Eye-tracking Technique 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.5, 2018년, pp.187 - 195

최정희 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과) , 신성욱 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과) , 문호상 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과) , 구세진 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과) , 정성택 (한국산업기술대학교, 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 실시간 시선 및 머리 추적 방식을 사용하여 기존의 지필검사의 실행증으로 인한 검사 오류를 최소화하고, 환자의 머리와 시선 방향의 틀어짐을 정량적으로 평가를 하고자 하였다. 이에 대한 결과로 시선 및 머리 움직임 정보를 정량적으로 측정할 수 있는 소프트웨어를 개발하고, 기존 지필검사로 많이 사용되고 있는 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하였다. 또한, 재활 훈련을 위해 Warren의 시지각 계층 모델 하위 수준의 시각적 기술에 해당하는 콘텐츠를 구현하여 반복적이고 독립적이게 수행될 수 있도록 하였다. 이를 통해 환자가 능동적으로 재활에 참여하도록 하고 개선된 정도를 정량적으로 비교할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, using real-time gaze tracking and head tracking method, we intended to quantitatively evaluate the deviation between the patient's head and gaze direction while minimizing inspection errors due to apraxia of conventional paper-based examination respectively. As a result, we developed a software that can quantitatively measure gaze and head movement information, and computerized the line bisection and star cancelation test, which are generally used as conventional paper test. In addition, for the rehabilitation training, contents corresponding to the visual technology of Warren's visual hierarchical model lower level are implemented and can be performed repetitively and independently. This allows the patient to actively participate in rehabilitation and quantitatively compare the degree of improvement.

주제어

표/그림 (11)

그림 그림 1. (a) 편측 무시 환자의 머리 방향과 시선 (b) Warren의 시지각 계층 모델 Fig. 1. (a) Head Direction and Gaze of Unilateral Neglect Patient (b) Warren's Hierarchy of Visual Perceptual Skill Model
그림 그림 2. tobii 사의 Eye-tracker 4C를 모니터에 부착 모양과 시선 추적을 이용한 머리 움직임 측정 소프트웨어 Fig. 2. tobii's Eye-tracker 4C and Head Movement Measurement Software using Eye-tracking
그림 그림 3. 거리와 얼굴 틀어짐에 따른 실험 결과 Fig. 3. Experimental results according to distance and facial distortion
그림 그림 4. 전산화된 선 나누기 검사 Fig. 4. Line Bisection Task Screen
그림 그림 5. 별지우기 검사 화면과 점수 템플릿 영역 분류 Fig. 5. Star Cancellation Test Screen and Score Template Area Classification
그림 그림 6. 쓱싹쓱싹 컬링 콘텐츠 화면 Fig. 6. Oculomotor Control Contents Screen
표 표 1. 시지각의 계층에 따른 콘텐츠 구성 Table 1. Content composition according to the visual hierarchical model
그림 그림 7. 꼬치 만들기 콘텐츠 화면 Fig. 7. Visual Attention Contents 1 Screen
그림 그림 8. 길 건너기 게임 콘텐츠 화면 Fig. 8. Visual Attention Contents 2 Screen
그림 그림 9. 팔딱팔딱 물고기 도감 콘텐츠 화면 Fig. 9. Visual Scanning Contents 1 Screen
그림 그림 10. 퍼즐 맞추기 콘텐츠 화면 Fig. 10. Visual Scanning Contents 2 Screen

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

그래서 본 연구에서는 기존의 지필검사의 문제점으로 지적하고 있는 실행증으로 인한 검사 오류를 최소화하고, 환자의 머리 방향과 시선 방향이 틀어진 정도를 정량적으로 평가하기 위하여 실시간 시선 추적을 적용하여 이를 해결 하고자 하였다. tobii 사의 Eye-tracker 4C를 사용하여 실시간으로 사용자의 시선 위치와 머리의 움직임정보(위치, 거리, 각도)를 정량적으로 측정하는 프로그램과 기존 지필검사로 많이 사용되고 있는 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하였다.
콘텐츠를 진행하는 동안 캐릭터가 유령에 닿으면 화면 좌측 상단의 하트가 줄어들며 총 3개의 목숨이 주어진다. 단계가 높아질수록 유령의 속도가 빨라지며 길의 형태와 유령의 종류를 다양하게 변경되게 하여 흥미를 지속적으로 유지시키고자 하였다. 전체적으로 콘텐츠를 수행하는 동안 사용자의 캐릭터 주위를 지속적으로 관찰하는 동작을 통해 시각적 주의력을 요구하는 과제 수행에 맞춰져 있다.
피검자의 시선이 스톤을 추적할 수 있는 위치까지 움직이는 내용으로 스톤이 좌측 하우스의 중앙에 가까울수록 높은 점수를 획득하게 된다. 단계가 상승함에 따라 직선으로 움직이는 스톤이 포물선 또는 지그재그 모양과 속도를 증가시켜 넓은 범위의 안구 운동이 가능하도록 하였고, 상대방 스톤 개수를 증가 시켜 게임의 집중도를 높이고자 하였다.
또한, 뇌의 주의력을 담당하는 부분의 신경 회로 손상회복을 위한 하위 수준의 시각적 주의력을 향상시키는 훈련들 중에 기초적인 시각적 기술 영역과 기능적 접근의 반복적인 훈련 및 독립적으로 수행하기 위한 콘텐츠를 구현하였다. 이에 대한 콘텐츠들은 편측무시의 치료법에서 기능적인 접근방법으로 반복적인 훈련과 환자의 독립적인 수행이 가능하도록 설계하였다.
본 연구에서는 편측무시 환자의 질환 정도 및 인식 범위를 측정하기 위하여 일반적으로 사용되고 있는 평가방법들을 전산화하고 측정 프로그램으로부터 얻어진 정량화 된 환자의 머리 위치와 얼굴의 틀어짐 정도를 기준 자세로 설정 한 후 편측무시 개선 콘텐츠에 적용할 수 있도록 하였다. 우선적으로 전산화 한 편측무시 검사는 가장 보편적으로 사용되고 있는 선 나누기(Line Bisection Task)와 별지우기 검사(Star Cancellation Test)이다.

제안 방법

그래서 본 연구에서는 기존의 지필검사의 문제점으로 지적하고 있는 실행증으로 인한 검사 오류를 최소화하고, 환자의 머리 방향과 시선 방향이 틀어진 정도를 정량적으로 평가하기 위하여 실시간 시선 추적을 적용하여 이를 해결 하고자 하였다. tobii 사의 Eye-tracker 4C를 사용하여 실시간으로 사용자의 시선 위치와 머리의 움직임정보(위치, 거리, 각도)를 정량적으로 측정하는 프로그램과 기존 지필검사로 많이 사용되고 있는 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하였다. 또한, 치료법의 기능적 접근 방법을 적용하여 Warren의 시지각 계층 모델의 하위 수준의 시각적 기술에 해당하는 콘텐츠를 구현함으로써 반복적인 훈련 및 독립적으로 수행할 수 있도록 하였다.
이에 대한 콘텐츠들은 편측무시의 치료법에서 기능적인 접근방법으로 반복적인 훈련과 환자의 독립적인 수행이 가능하도록 설계하였다. 개발된 훈련 콘텐츠는 3개의 영역에 대하여 5종류의 내용으로 편측무시의 회복에서 중요한 시각적 주의력을 향상시킬 수 있는 안구 운동 조절, 시각적 주의력, 시각적 탐색으로 구성하였다. 특히, 환자들의 자발적인 게임 참여와 재활 훈련 간의 흥미유발을 위해 내적 동기부여 요소인 개인적 동기, 즐거움, 만족감 등을 고려하였다.
그래서 본 논문에서는 실시간으로 사용자의 시선을 추적하고 97%의 정확도를 가지고 있는 tobii 사의 Eye-tracker 4C와 제공된 API를 사용하여 환자 시선의 화면좌표와 환자의 머리의 위치 및 회전 상태에 대한 정보를 획득하고 이를 시각적으로 보여주기 위한 소프트웨어를 그림 2와 같이 구현하였다. 제공된 API에서 Eye-tracker와 머리사이의 거리는 실제로는 머리를 추상화한 구의 중심이 기준이지만 본 논문에서는 편의상 머리로 표현하였다.
tobii 사의 Eye-tracker 4C를 사용하여 실시간으로 사용자의 시선 위치와 머리의 움직임정보(위치, 거리, 각도)를 정량적으로 측정하는 프로그램과 기존 지필검사로 많이 사용되고 있는 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하였다. 또한, 치료법의 기능적 접근 방법을 적용하여 Warren의 시지각 계층 모델의 하위 수준의 시각적 기술에 해당하는 콘텐츠를 구현함으로써 반복적인 훈련 및 독립적으로 수행할 수 있도록 하였다.
이것은 안구운동 조절훈련과 시각적 주의력, 시각적 탐색 순으로 계층의 하위 단계 내에서 순차적으로 훈련 할 수 있다. 모든 콘텐츠는 지루함을 없애고 흥미유발을 통한 능동적인 재활 훈련을 유도하기 위하여 게임적 요소로써 캐릭터에 즐거움과 기쁨, 슬픔 등의 감정과 동작 등을 표현하였다.
실제 검사에서는 작은 별을 모두 찾아서 줄을 긋지만, 시선 추적 방법에서는 작은 별을 3초간 응시하면 별이 어둡게 변하게 하여 별을 지우는 방법과 유사하게 구현하였다. 반응 결과 시트는 점수 템플릿을 6개의 영역으로 분류하여 영역별 정답률을 평가할 수 있도록 하였다^[17]. 지워진 별들의 모든 숫자를 기입하여 점수화하며 별의 총 개수는 56개(왼쪽 27개, 오른쪽 27개, 중간 2개) 중 중간 2개를 제외한 최고 점수는 54점이다.
본 논문에서의 훈련 콘텐츠는 Warren의 시지각의 계층 모델에서 하위 수준의 시각적 주의력 기술을 기반으로 안구운동 조절 훈련 1개, 시각적 주의력 2개, 시각적탐색 2개로 표 1과 같이 분류하여 구현하였다. 이것은 안구운동 조절훈련과 시각적 주의력, 시각적 탐색 순으로 계층의 하위 단계 내에서 순차적으로 훈련 할 수 있다.
본 논문은 기존의 지필검사의 문제점으로 지적하고 있는 실행증으로 인한 검사 오류를 최소화하고, 환자의 머리 방향과 시선 방향이 틀어진 정도를 정량적으로 평가하기 위하여 실시간 시선 추적 방식을 사용하였다. 이에 대한 결과로 실시간으로 머리 움직임과 시선 방향에 대한 정보를 정량적으로 측정할 수 있는 소프트웨어를 개발하고, 기존 지필검사 방법 중에서 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하여 손의 운동 변수를 최소화하였다.
화면 하단의 중앙에 사용자의 팩맨 캐릭터가 있고 도로에 유령들이 지나다니게 된다. 사용자는 팩맨 캐릭터의 좌우를 살피며 유령을 피하여 안전하게 길을 건너는 것을 목표로 하고 팩맨 캐릭터를 응시하면 앞으로 이동, 시선을 이동하면 멈추는 방식으로 진행된다. 평가 프로그램의 결과에 맞춰 유령의 방향과 속도가 환자에 맞춰 설정되고 심플한 디자인과 눈에 잘 띄는 색감으로 구성하여 유령을 빠르게 인식할 수 있도록 구성하였다.
시지각 탐색은 중요한 패턴을 인식하고 정보를 추출하기 위해 중요 정보와 불필요한 정보를 구분 하는 것으로 그림 9의 “팔딱팔딱 물고기 도감”과 그림 10의 “퍼즐 맞추기” 으로 구성하였다.
안구운동 조절은 눈의 움직임을 효과적으로 활용 가능하게 해주고 탐색 경로가 빠르고 정확하게 완료되도록 보장해줄 수 있도록 “쓱싹쓱싹 컬링”의 콘텐츠 제목으로 그림 6과 같이 컬링 스포츠를 응용하여 설계하였다.
본 논문은 기존의 지필검사의 문제점으로 지적하고 있는 실행증으로 인한 검사 오류를 최소화하고, 환자의 머리 방향과 시선 방향이 틀어진 정도를 정량적으로 평가하기 위하여 실시간 시선 추적 방식을 사용하였다. 이에 대한 결과로 실시간으로 머리 움직임과 시선 방향에 대한 정보를 정량적으로 측정할 수 있는 소프트웨어를 개발하고, 기존 지필검사 방법 중에서 선 나누기 검사와 별 지우기 검사를 전산화하여 손의 운동 변수를 최소화하였다.
또한, 뇌의 주의력을 담당하는 부분의 신경 회로 손상회복을 위한 하위 수준의 시각적 주의력을 향상시키는 훈련들 중에 기초적인 시각적 기술 영역과 기능적 접근의 반복적인 훈련 및 독립적으로 수행하기 위한 콘텐츠를 구현하였다. 이에 대한 콘텐츠들은 편측무시의 치료법에서 기능적인 접근방법으로 반복적인 훈련과 환자의 독립적인 수행이 가능하도록 설계하였다. 개발된 훈련 콘텐츠는 3개의 영역에 대하여 5종류의 내용으로 편측무시의 회복에서 중요한 시각적 주의력을 향상시킬 수 있는 안구 운동 조절, 시각적 주의력, 시각적 탐색으로 구성하였다.
개발된 훈련 콘텐츠는 3개의 영역에 대하여 5종류의 내용으로 편측무시의 회복에서 중요한 시각적 주의력을 향상시킬 수 있는 안구 운동 조절, 시각적 주의력, 시각적 탐색으로 구성하였다. 특히, 환자들의 자발적인 게임 참여와 재활 훈련 간의 흥미유발을 위해 내적 동기부여 요소인 개인적 동기, 즐거움, 만족감 등을 고려하였다. 환자들도 쉽게 적응할 수 있도록 콘텐츠를 2D 기반으로 쉽게 설계하였으며, 사용자가 콘텐츠 수행에 대한 성공 여부의 감정 표현을 캐릭터로 표현하여 몰입할 수 있게 하였다.
사용자는 팩맨 캐릭터의 좌우를 살피며 유령을 피하여 안전하게 길을 건너는 것을 목표로 하고 팩맨 캐릭터를 응시하면 앞으로 이동, 시선을 이동하면 멈추는 방식으로 진행된다. 평가 프로그램의 결과에 맞춰 유령의 방향과 속도가 환자에 맞춰 설정되고 심플한 디자인과 눈에 잘 띄는 색감으로 구성하여 유령을 빠르게 인식할 수 있도록 구성하였다. 콘텐츠를 진행하는 동안 캐릭터가 유령에 닿으면 화면 좌측 상단의 하트가 줄어들며 총 3개의 목숨이 주어진다.
특히, 환자들의 자발적인 게임 참여와 재활 훈련 간의 흥미유발을 위해 내적 동기부여 요소인 개인적 동기, 즐거움, 만족감 등을 고려하였다. 환자들도 쉽게 적응할 수 있도록 콘텐츠를 2D 기반으로 쉽게 설계하였으며, 사용자가 콘텐츠 수행에 대한 성공 여부의 감정 표현을 캐릭터로 표현하여 몰입할 수 있게 하였다. 그리고 난이도가 높아질수록 정답을 맞혀야 하는 시간이 점점 빨라지거나 클리어 조건을 점점 어렵게 하여 긴장감을 높이고, 높은 난이도를 해결했다는 만족감을 줄 수 있도록 하였다^[18].

성능/효과

이와 같은 콘텐츠 수행으로 기존의 단순 반복으로 구성된 치료 방법보다 환자에게 재미를 주고 능동적인 참여를 유도할 수 있는 치료 방법은 더욱 높은 효과를 가져다 줄 수 있다. 덧붙여서 콘텐츠를 사용한 재활 훈련의 개선 정도는 본 연구에서 개발된 소프트웨어를 사용하면 머리 움직임과 시선 방향을 측정하여 정량적으로 비교할 수 있는 장점이 있다.

후속연구

하지만 시선 추적 장치와 컴퓨터 모니터 환경의 한계 때문에 화면의 주변 공간에 대해서만 편측무시를 평가하는 문제로 환자의 전체 시야에 대한 공간적 평가와 훈련에 제약을 가지고 있다. 그래서 이에 대한 해결 방법으로 본 연구에서 제안한 시선 추적 방식의 정량적 측정방법과 공간적 평가가 가능한 VR과 연동한다면 감각성무시, 운동성 무시와 같은 행동적 평가와 훈련이 가능할 것이다.
위와 같은 연구 결과들을 바탕으로 뇌의 주의력을 담당하는 부분의 신경 회로 손상 회복을 위한 하위 수준의 시각적 주의력을 향상시키는 훈련들 중에 기초적인 시각적 기술 영역과 기능적 접근의 반복적인 훈련 및 독립적으로 수행할 수 있는 치료방법 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	편측 무시는 무엇인가?	편측 무시(Unilateral Neglect)는 시각적인 장애가 없음에도 불구하고 뇌 병변 환자에서 지각 손상으로 발생할 수 있는 것으로 뇌 손상 후 손상된 대뇌반구의 반대쪽공간에 주어지는 의미 있는 자극에 감지를 못하거나 적절하게 반응하지 않는 것을 의미한다[1].
	기존의 편측무시 치료법에는 무엇이 있는가?	기존의 편측무시 치료법 중 임상적인 방법으로는 시각 훑기(Visual Scanning), 프리즘 안경, 강제 유도 치료법, 진동 자극 치료법 등이 사용되며, 작업치료 방법으로는 책 읽기, 글쓰기, 주소 옮겨 적기, 같은 그림 찾기 등과같은 시각적 주의력을 요구하는 과제가 사용되고 있다[7-10]. 작업치료 방법에 제시된 과제들 대부분은 그림 1(b)와 같이 Warren[11]의 시지각의 계층적 모델 중 시각 인식(Visual Cognition), 시각 기억(Visual Memory), 패턴 인식(Pattern Recognition)과 같은 상위 수준의 시각적 기술이 요구되기 때문에 우선적으로 하위 수준의 시각적 주의력 훈련이 선행되어야 더욱 효과가 있다[12].
	기능적 접근의 장점은 무엇인가?	기능적 접근은 편측 무시 증상과 관련된 과제들을 반복적으로 연습시킴으로써 추후 환자가 이를 독립적으로 수행할 수 있도록 훈련하는 방법이다. 시각적 단서를 사용한 시각적인 피드백 훈련 프로그램들로써 환자의 집중과 흥미를 유발할 수 있고 반복적으로 수행 가능하기 때문에 더욱 효과적인 치료방법으로 사용되고 있다.

참고문헌 (18)

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Christian Eichhorn, David A. Plecher, Gudrun Klinker ,Martin Lurz, Nadja Leipold, Markus Bohm, Helmut Krcmar, Angela Ott, Dorothee Volkert, Atsushi Hiyama, "Innovative Game Concepts for Alzheimer Patients", International Conference on Human Aspects of IT for the Aged Population, Springer, Cham, pp. 526-545, 2018. DOI : https://doi.org/10.1007/978-3-319-92037-5_37

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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