[논문]뇌파 신호 분석에 의한 좌우 방향 제어 방법

김홍기; 김기홍; 김종성; 손욱호

뇌파 신호 분석에 의한 좌우 방향 제어 방법
A Control method of Left-Right directions by analyzing EEG Signals 원문보기

한국HCI학회 2006년도 학술대회 1부, 2006 Feb. 13, 2006년, pp.1005 - 1010

김홍기 (한국전자통신연구원 가상현실연구팀) , 김기홍 (한국전자통신연구원 가상현실연구팀) , 김종성 (한국전자통신연구원 가상현실연구팀) , 손욱호 (한국전자통신연구원 가상현실연구팀)

초록
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인체에서 발생하는 생체신호 중에서 뇌파는 신호가 복잡하고 재현이 어려움에도 불구하고 BCI(Brain Computer Interface) 분야에서는 선진국 선두 그룹을 중심으로 획기적인 기술을 개발하고 있다. 또한 BCI 에 대한 개발의 필요성도 손발을 사용하지 못하는 중증 장애인을 중심으로 확대되고 있다. BCI2000 시스템은 이러한 노력으로 탄생하였으며 BCI 선두 그룹을 중심으로 개발 발전되고 있다. 이 시스템 내부에서는 순수 상상에 의한 방향 인식과 가상키보드 등의 작업이 가능하도록 수정 보완 작업이 계속되고 있으며 정기적인 모임을 통해 그 기술을 공유하고 있다. BCI 에서의 선진그룹과 국내 연구 결과에는 많은 기술적 차이가 있지만 본 연구에서는 BCI 에서의 기술 발전에 자극되어 좌우 방향의 이벤트에 대한 뇌파 신호 분석과 이를 통하여 모니터 상의 방향을 제어하는 실험을 실시하였고 그 방법과 결과를 논의한다.

AI 본문요약
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문제 정의

BCI2000 은 이러한 일환으로 만들어진 시스템으로 뇌파 신호를 받아 방향을 제어하는 시스템이다. 본 논문에서는 BCI2000 시스템과는 차이가 있지만 좌우 혹은 상하 방향을 제어하는 실험과 결과에 대하여 논의한다.

제안 방법

그림에서 왼쪽 혹은 오른쪽 상단에서 임의로 계란 이미지가 떨어지면 사용자는 중앙에 위치한 사발을 좌우로 움직이도록 상상을 하게 되고 시스템은 이때 발생하는 사용자의 뇌파를 분석하여 사발을 좌우로 움직이게 하여 계란이 떨어져 깨어지지 않도록 하는 방식으로 프로그램이 운용된다. 동작 원리는 채널 C3 와 C4 의 α밴드에서의 파워 값을 비교하여 좌우 방향의 움직임으로 사용하였다. 본 실험에서 좌우 방향 인식은 평균적으로 70%의 인식률을 얻을 수 있었다.
따라서 구별되는 패턴을 얻기 위하여 채널의 선택과 뇌파 구간의 선택 및 잡음을 줄이고 신뢰성 있는 뇌파 신호를 얻기 위한 실험자의 태도 등 여러 요소가 부합될 때 올바른 실험 결과를 얻을 수 있다. 본 실험에서는 집중력에 의한 좌우 방향 제어를 다루고 이어서 운동영역에 의한 좌우 방향 제어와 P300 원리에 의해 좌우 방향과 같은 개념의 상하 방향 제어를 다룬다.
이상과 같은 실험에서의 P300 은 앞 절의 그림 2(d) P300 스펠러와 차이가 있다. 스펠러는 36 회의 이벤트 제시 후 평균값을 취해 36개의 글자(숫자포함) 중에서 제일 크게 차이가 나는 글자를 선택하게 하는 방식이지만 본 실험에서는 수 차례의 실행 후 평균값을 구하기 보다는 시시각각으로 베이스라인과 비교하여 P300 인지 아닌지를 구별하게 하는 방식으로 공이 목적지에 갈 때까지 반복 수행하게 하였다. 결국에는 위나 아래의 목적지에서 바라보면 중간 경로에서 공이 아래 위로의 여러 번의 시도를 평균한 것과 같으며 효율성 평가는 사용자의 의도에 맞게 공이 가는지와 함께 수행시간으로 평가할 수 있다.
즉 앞의 식에서와 같이 현재 상태의 파워 값이 베이스라인에서의 파워 값과 비슷하면 공을 아래의 방향으로 조금 움직이게 하고 차이가 많이 나면 P300 의 상태로 간주하여 공을 위 방향으로 조금 움직이게 하는 방식으로 실험하였다. 이 때 사용자의 의도대로 공을 위나 아래로 움직이게 하기 위해서는 경험적인 criterion 설정이 필요하다.

성능/효과

따라서 뇌파의 신호를 특징 짓는 패턴을 어떻게 만들고 선택하느냐가 관건이 된다. 따라서 구별되는 패턴을 얻기 위하여 채널의 선택과 뇌파 구간의 선택 및 잡음을 줄이고 신뢰성 있는 뇌파 신호를 얻기 위한 실험자의 태도 등 여러 요소가 부합될 때 올바른 실험 결과를 얻을 수 있다. 본 실험에서는 집중력에 의한 좌우 방향 제어를 다루고 이어서 운동영역에 의한 좌우 방향 제어와 P300 원리에 의해 좌우 방향과 같은 개념의 상하 방향 제어를 다룬다.
동작 원리는 채널 C3 와 C4 의 α밴드에서의 파워 값을 비교하여 좌우 방향의 움직임으로 사용하였다. 본 실험에서 좌우 방향 인식은 평균적으로 70%의 인식률을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 뇌파 신호 분석을 통하여 패턴을 구별한 후 이를 방향에 적용하는 실험을 하였고 결과적으로 좌우 혹은 상하 2 방향에 대한 제어가 가능함을 확인하였다. 본 실험 결과는 BCI2000 시스템과 같은 선진 연구 결과에 비교하여 미진한 점이 많지만 이를 계기로 더욱 심도 깊은 연구와 실험을 수행하면 2 방향뿐만 아니라 4 방향 모두에서 좋은 결과를 얻을 것으로 기대한다.
즉 한 사람의 이완할 때의 뇌파 신호의 파워 값과 집중할 때의 파워 값을 구하여 좌우 제어 동작에 매칭하여 운용할 수 있다. 실험 결과로 집중력을 방향제어로서의 이용할 수는 있으나 즉각적인 상태 변화를 유도하기에는 비효율적임이 확인 되었다.

후속연구

본 연구에서는 뇌파 신호 분석을 통하여 패턴을 구별한 후 이를 방향에 적용하는 실험을 하였고 결과적으로 좌우 혹은 상하 2 방향에 대한 제어가 가능함을 확인하였다. 본 실험 결과는 BCI2000 시스템과 같은 선진 연구 결과에 비교하여 미진한 점이 많지만 이를 계기로 더욱 심도 깊은 연구와 실험을 수행하면 2 방향뿐만 아니라 4 방향 모두에서 좋은 결과를 얻을 것으로 기대한다.
실험에서는 두 사람의 집중력을 비교함으로 좌우 방향을 제어하였으나 한 사람으로의 응용이 가능하다. 즉 한 사람의 이완할 때의 뇌파 신호의 파워 값과 집중할 때의 파워 값을 구하여 좌우 제어 동작에 매칭하여 운용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뇌파의 특징은?	인체에서 발생하는 생체신호 중에서 뇌파는 신호가 복잡하고 재현이 어려움에도 불구하고 BCI(Brain Computer Interface) 분야에서는 선진국 선두 그룹을 중심으로 획기적인 기술을 개발하고 있다. 또한 BCI 에 대한 개발의 필요성도 손발을 사용하지 못하는 중증 장애인을 중심으로 확대되고 있다.
	BCI 에 대한 개발의 필요성은 누구를 중심으로 확대되고 있나?	인체에서 발생하는 생체신호 중에서 뇌파는 신호가 복잡하고 재현이 어려움에도 불구하고 BCI(Brain Computer Interface) 분야에서는 선진국 선두 그룹을 중심으로 획기적인 기술을 개발하고 있다. 또한 BCI 에 대한 개발의 필요성도 손발을 사용하지 못하는 중증 장애인을 중심으로 확대되고 있다. BCI2000 시스템은 이러한 노력으로 탄생하였으며 BCI 선두 그룹을 중심으로 개발 발전되고 있다.
	BCI2000 시스템의 실정은?	BCI2000 시스템은 이러한 노력으로 탄생하였으며 BCI 선두 그룹을 중심으로 개발 발전되고 있다. 이 시스템 내부에서는 순수 상상에 의한 방향 인식과 가상키보드 등의 작업이 가능하도록 수정 보완 작업이 계속되고 있으며 정기적인 모임을 통해 그 기술을 공유하고 있다. BCI 에서의 선진그룹과 국내 연구 결과에는 많은 기술적 차이가 있지만 본 연구에서는 BCI 에서의 기술 발전에 자극되어 좌우 방향의 이벤트에 대한 뇌파 신호 분석과 이를 통하여 모니터 상의 방향을 제어하는 실험을 실시하였고 그 방법과 결과를 논의한다.

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