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문제 정의
- 관한 연구가 이루어 졌다[1]. 그러나 전자의 경우는 엄밀히 정상인과 환자간의 구분과 치료를 목적으로 하고 있으며, 후자의 경우는 뇌 기능 자체를 파악하고자함을 목적으로 하고 있다. 따라서 정상인을 대상으로 하는 의식집중에 대한 평가가 필요하다.
- 본 논문에서는 피험자에게 연산작업을 부가하여 지속적으로 집중도를 감소시켜가며 동시에 생리신호와 주관량, 행동량을 측정하여 보다 객관적인 평가를 도모하였다.
제안 방법
- 평가를 실시하였다. 그때 뇌파와 자율신경계의 생리신호, 주관평가, 작업수행도를 측정하였다. 집중도는 실험 절차에 따라 점차적으로 감소하였으며 이것은 정신피로가 증가하였기 때문이라 사료된다.
- 이를 종말효과라고 하며, 피험자에게 전체 작업횟수를 12회라고 하여 종말 효과를 피하도록 하였다. 또한, 휴식 없이 작업을 반복함으로서 정신피로의 증가에 따라 집중감이 감소하도록 설계하였다. 본 실험 부분은 초기안정화구간(REST 0, Ro), 작업 수행구간(TASK 1-TASK 10 : Ti~Tio)으로 구성되 었다.
- II법올 사용하여 측정하였다. 맥파와 피부 온도는 각각 왼손 검지와 중지 손가락에서 측정하였고, 호흡 간격은 코밑에 sensor를 부착하여 측정하였다.
- 활동을 파악하는데 유용하다. 본 연구에서는 Fast Fourier Transform을 사용하여 심 박 변화율의 전력스펙트럼의 저주파성분 (LF : 0.01-0.08 Hz), 중간주파성분 (MF : 0.08-0.15 Hz), 고주파성분(HF : 0.15-0.5 Hz)을 구했다.
- FFT나 AR model을 적용하기 위해서는 측정된 뇌전도 신호를 보다 짧은 구간으로 분할하여야 한다. 본 연구에서는 측정된 뇌전도 신호를 2초 간격의 크기 프레임(frame)을 1초 간격으로 이동시켜가며 분할하여 분석에 사용하였다(그림 2).
- 생리신 호는 뇌전도(electroencephalogram, EEG), 심전도(electrocardiogram, ECG), 맥파 (photoplethysmogram, PPG), 피부온도 (skin-temperature, SKT), 호홉 (respiration, RSP)을 Biopac사의 MP-100(16bit A/D 변환)을사용하여 샘플링 주파수 512Hz로 획득하였다.
- 설문지는 긴장, 편안함, 전반적 활성, 의욕감퇴, 주의집중곤란, 각성저하, 권태감의 7인자에해당되는 14가지 설문항목으로 구성되어 있다.
- 또한 팔의 움직임을 적게 하기 위해 키보드 입력시 오른손 검지와 중지만 사용하도록 지시하여 잡음 발생을 최소화하였다. 실험에 사용된 난이도는 예비실험을 통하여 집중이 제일 유발된다고 하는 3단계(한자리수숫자 4개의 덧셈)를 사용하였다.
- 심리량 계측을 위한 설문지는 정신피로를 평가하기 위하여 일본 인체 감각측정기술개발연구에서 개발된 일과성 스트레스평가 척도( Phasic Stress Scale, PSS)와 피로/각성 주관평가척도(Roken Arousal Scale, RAS)를 한국의 실정에 맞도록 수정 보완한 설문지를 사용하였다. 설문지는 긴장, 편안함, 전반적 활성, 의욕감퇴, 주의집중곤란, 각성저하, 권태감의 7인자에해당되는 14가지 설문항목으로 구성되어 있다.
- 이렇게 구해진 IBI에 spline보간을 취하고 4 Hz로 resample하여 전력스펙트럼분석에 사용하였다.
- 피험자가 실험 절차를 숙지하고 있기 때문에 실험 종료에 다가갈수록 실험이 빨리 끝났으면 하는 피험자의 욕구가 부정적인 영향으로 나타난다. 이를 종말효과라고 하며, 피험자에게 전체 작업횟수를 12회라고 하여 종말 효과를 피하도록 하였다. 또한, 휴식 없이 작업을 반복함으로서 정신피로의 증가에 따라 집중감이 감소하도록 설계하였다.
- 정보통신기기의 발전과 더불어 각 가정까지 보급된 초고속 정보통신망을 기반으로 하여 인간의 업무공간을 사무공간으로 제한하지 않고 주거공간으로까지 확장하였다. 또한 과학기술의 발달은 인간이 환경에 순응하는 피동적인 관계에서 보다 인간 중심적인 쾌적한 환경을 제공해주는 기반이 되고 있다.
- 집중도가 감소하는 실험절차를 개발하고 기초 평가를 실시하였다. 그때 뇌파와 자율신경계의 생리신호, 주관평가, 작업수행도를 측정하였다.
- 평가용 task는 본 저자들이 개발한 연산 task를 사용하여 피험자에게 정신작업부하를 부가하였다. 그림 1은 연산 작업화면의 예이다.
대상 데이터
- 또한, 휴식 없이 작업을 반복함으로서 정신피로의 증가에 따라 집중감이 감소하도록 설계하였다. 본 실험 부분은 초기안정화구간(REST 0, Ro), 작업 수행구간(TASK 1-TASK 10 : Ti~Tio)으로 구성되 었다.
- 실험은 한국표준과학원 주거/사무환경 감성측정평가시설 내 사무환경 챔버(조도 700 lx, 색온도 4000K, 암소음 25 dB이호].)에서 실시하였다. 실험 당시 온 .
- 피험자는 과거 정신적 병력이 없고 건강한 남성 2명을 대상으로 실험을 실시하였으며 실험 전일 8시간 이상의 수면과 실험 시작 2시간 이전부터는 음식을 섭취하지 않도록 미리 요구하였다.
데이터처리
- 다른 생리신호들은 획득된 데이터의 session 당 평균값을 구하고 Ro일 때의 평균데이터 값을 기준으로 정규화 하였다.
- 심전도 신호의 분석은 Biopac사의 Software AcqKnowledge ver35를 사용하여 R-peak를검출하여 Inter beats Interval(IBI)을 구했다. 이렇게 구해진 IBI에 spline보간을 취하고 4 Hz로 resample하여 전력스펙트럼분석에 사용하였다.
이론/모형
- 뇌전도는 국제 10-20 전극 배치 법에 따라 Fpl, Fp2의 두 곳에서 측정하였으며, 심전도는 Lead II법올 사용하여 측정하였다. 맥파와 피부 온도는 각각 왼손 검지와 중지 손가락에서 측정하였고, 호흡 간격은 코밑에 sensor를 부착하여 측정하였다.
성능/효과
- 동시에 호홉간격과 Fpl에서의뇌전도 beta대역의 전력이 집중도 변화를 잘 반영하였다. 더욱 자세한 분석이 이루어져야 하겠지만 이들 생리신호와 집중도의 상관관계가 높은 것으로 생각되며 집중도 평가시 정신피로 항목을 함께 고려해야함을 알 수 있었다. 추후더 많은 실험을 실시하여 데이터를 수집 하면보다 정확한 평가가 이루어 질 것이라 생각된다.
- 연산 작업 결과가 화면에 제시된 숫자와 같으면 5초 내에 컴퓨터 숫자키보드의 ①을, 다르면 ②를 누른다. 또한 팔의 움직임을 적게 하기 위해 키보드 입력시 오른손 검지와 중지만 사용하도록 지시하여 잡음 발생을 최소화하였다. 실험에 사용된 난이도는 예비실험을 통하여 집중이 제일 유발된다고 하는 3단계(한자리수숫자 4개의 덧셈)를 사용하였다.
- 생리신호 중 호홉간격은 휴식에 비하여 작업수행 시 약 50%감소하였으나 집중이 제일 잘되는 T3에서 최고 값을 기록하였으며 T3 이후 감소하였다. IBI도 T3에서 제일 짧게 나타났으나 뚜렷한 경향이 나타나지 않았다.
후속연구
- 더욱 자세한 분석이 이루어져야 하겠지만 이들 생리신호와 집중도의 상관관계가 높은 것으로 생각되며 집중도 평가시 정신피로 항목을 함께 고려해야함을 알 수 있었다. 추후더 많은 실험을 실시하여 데이터를 수집 하면보다 정확한 평가가 이루어 질 것이라 생각된다.
- 좌뇌의 beta 파는 작업수행시 T3를 최소 값으로 하여 점차로 증가하였다. 특히 주관평가항목 중 집중곤란 항목과 그 경향이 잘 일치하고 있어 추후 이 대역에 대하여 더욱 자세한 분석을 실시할 필요가 있다.
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