[논문]뇌-컴퓨터 융합기술 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템

손량희; 손종상; 황한정; 임창환; 김영호

문제 정의

본 연구에서는 마비 환자의 능동적인 관절 운동과 근육 수축 운동을 위해 뇌파 신호를 이용한 BCI 기반의 재활 훈련 시스템을 개발하였다.
재활의 가장 우선적인 목적은 다양한 운동능력 및 감각 기관의 손상을 파악하고 물리적, 정신적 회복과 사회 활동으로의 복귀 및 삶의 질 향상에 있다. 재활 치료에는 약리학적 방법부터 물리적 운동까지 다양한 치료 방법이 있지만, 본 논문에서는 최근 활발히 연구가 진행되고 있는 신경망 융합 기술 또는 신경보철학(neuroprosthetics)으로 불리는 신경신호의 전기적 또는 전자기를 이용한 직접적인 상호작용 기술을 활용한 뇌-컴퓨터 융합기술 기반의 재활 훈련 시스템에 중점을 두고자 한다.

제안 방법

SSVEP 를 이용한 시각적 뇌 반응 기반의 재활 훈련 시스템을 구성하였으며 그림 1 과 같이 시각적 자극을 위해 체스 무늬 2 개를 특정 주파수로 깜박이도록 하는 윈도우 프로그램을 개발하였다.
안정상태 시각적 유발전위를 기반으로 하여 원격으로 제어하는 기능적 전기 자극 재활 훈련 시스템을 개발 하였고 상지 관절운동 유도에 적용하였다. 뇌전도 신호는 후두엽 영역에서 계측하였으며, 6 개의 전극을 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자 두피의 PO_Z, PO₃, PO₄, O_Z, O₁, O₂에 부착하였고, 기준 전극은 A₁, A₂에 부착하였다. 획득된 뇌전도 신호는 식(1)과 같이 실시간으로 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, STFT)을 통한 주파수계열(frequency series) 파워스펙트럼(power spectrum) 평가 방법을 적용하여 주파수 분석을 하였다.
본 연구에서는 손가락의 2~5 번째 끝마디뼈의 굽힘 작용을 하는 심지굴근(flexor digitorum profundus)과 손목의 폄, 벌림 작용을 하는 장요측수근신근(extensor carpi radialis longus)의 운동점(motor point)에 전기 자극을 가하여 손목의 굽힘과 폄 운동을 수행하였다. 마비된 운동근육 수축을 위해 미리 선정한 근육 부위에 표면 전극을 부착하여 기능적 전기 자극 시스템(Walking-Man Ⅱ, CyberMedic, KR)을 이용하여 손목 관절 운동을 수행하였으며, 전기 자극은 피검자에 따라 주파수와 펄스폭을 일정하게 고정하고 자극강도를 변화시키는 자극강도 변조체제를 사용하였으며, 자극 강도는 10~20mA, 진폭은 200usec, 주파수는 15~50Hz 사이로 설정하였다.
본 연구에서는 사지마비 환자들이 능동적인 재활훈련을 할 수 있도록 SSVEP 를 이용한 뇌-컴퓨터 융합 기술을 기반으로 하여 원격으로 제어하는 기능적 전기자극 재활 훈련 시스템을 개발 하였고, 상지 관절운동 유도에 적용하였다.
본 연구에서는 손가락의 2~5 번째 끝마디뼈의 굽힘 작용을 하는 심지굴근(flexor digitorum profundus)과 손목의 폄, 벌림 작용을 하는 장요측수근신근(extensor carpi radialis longus)의 운동점(motor point)에 전기 자극을 가하여 손목의 굽힘과 폄 운동을 수행하였다. 마비된 운동근육 수축을 위해 미리 선정한 근육 부위에 표면 전극을 부착하여 기능적 전기 자극 시스템(Walking-Man Ⅱ, CyberMedic, KR)을 이용하여 손목 관절 운동을 수행하였으며, 전기 자극은 피검자에 따라 주파수와 펄스폭을 일정하게 고정하고 자극강도를 변화시키는 자극강도 변조체제를 사용하였으며, 자극 강도는 10~20mA, 진폭은 200usec, 주파수는 15~50Hz 사이로 설정하였다.
안정상태 시각적 유발전위를 기반으로 하여 원격으로 제어하는 기능적 전기 자극 재활 훈련 시스템을 개발 하였고 상지 관절운동 유도에 적용하였다. 뇌전도 신호는 후두엽 영역에서 계측하였으며, 6 개의 전극을 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자 두피의 PO_Z, PO₃, PO₄, O_Z, O₁, O₂에 부착하였고, 기준 전극은 A₁, A₂에 부착하였다.
획득된 뇌전도 신호는 식(1)과 같이 실시간으로 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, STFT)을 통한 주파수계열(frequency series) 파워스펙트럼(power spectrum) 평가 방법을 적용하여 주파수 분석을 하였다. 이 분석을 바탕으로 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES) 시스템을 제어하였으며, 기능적 전기 자극 시스템 제어 신호는 디지털화되어 개인용 컴퓨터(Personal Computer, PC)에서 기능적 전기자극 시스템을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(Micro Control Unit, MCU, MSP430, USA)으로 블루투스(Bluetooth) 통신을 이용하여 원격으로 전송되었다.
이와 같이 파워스펙트럼(Power Spectrum) 분석을 통해 피실험자가 9Hz 와 12Hz 로 깜박이는 체스 무늬 표적 중 한표적에 초점을 두었을 때 의도를 파악하여 블루투스 통신을 통해 원격으로 기능적 전기자극 시스템을 제어하여 전기자극을 인가하였다. 따라서, 본 연구를 통해 피실험자는 뇌전도 반응 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 제어하였고, 자신의 의지를 반영한 관절 운동과 근육 운동이 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.

이론/모형

뇌전도 신호는 후두엽 영역에서 계측하였으며, 6 개의 전극을 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피검자 두피의 PO_Z, PO₃, PO₄, O_Z, O₁, O₂에 부착하였고, 기준 전극은 A₁, A₂에 부착하였다. 획득된 뇌전도 신호는 식(1)과 같이 실시간으로 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, STFT)을 통한 주파수계열(frequency series) 파워스펙트럼(power spectrum) 평가 방법을 적용하여 주파수 분석을 하였다. 이 분석을 바탕으로 기능적 전기자극(Functional Electrical Stimulation, FES) 시스템을 제어하였으며, 기능적 전기 자극 시스템 제어 신호는 디지털화되어 개인용 컴퓨터(Personal Computer, PC)에서 기능적 전기자극 시스템을 제어하는 마이크로 컨트롤 유닛(Micro Control Unit, MCU, MSP430, USA)으로 블루투스(Bluetooth) 통신을 이용하여 원격으로 전송되었다.

성능/효과

5Hz 에서 75Hz 의 주파수 범위에 반응한다고 하였지만 실험결과 피실험자에 따라 반응이 잘 나타나는 특정 주파수가 존재한다는 것을 알 수 있었다. 9Hz 와 12Hz 의 결과에서 피실험자들은 50~80%의 성공률을 보였지만 각 피실험자에 따라 반응을 잘 보이는 자극 주파수 대역이 존재하였으며, 그 주파수로 체스 무늬 표적을 깜박였을 때 더 높은 성공률을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 실험 전 시스템 정확도를 높이기 위해 먼저 피실험자에 따라 반응이 잘 나타나는 최적 주파수를 찾는 선행 작업이 수행한다면 시스템의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
이와 같이 파워스펙트럼(Power Spectrum) 분석을 통해 피실험자가 9Hz 와 12Hz 로 깜박이는 체스 무늬 표적 중 한표적에 초점을 두었을 때 의도를 파악하여 블루투스 통신을 통해 원격으로 기능적 전기자극 시스템을 제어하여 전기자극을 인가하였다. 따라서, 본 연구를 통해 피실험자는 뇌전도 반응 기반의 기능적 전기자극 재활훈련 시스템을 제어하였고, 자신의 의지를 반영한 관절 운동과 근육 운동이 가능하다는 것을 확인 할 수 있었다.

후속연구

개발된 시스템을 통해 피실험자는 제한적이지만 자신의 의지를 통해 상지 관절 운동과 근육 운동이 가능하였으며, 기능적 전기자극 치료를 통한 말초신경계 훈련과 함께 자기 의지에 따른 뇌 반응 기반의 훈련은 상지 기능 회복에 큰 변화를 가져올 것으로 기대된다.
9Hz 와 12Hz 의 결과에서 피실험자들은 50~80%의 성공률을 보였지만 각 피실험자에 따라 반응을 잘 보이는 자극 주파수 대역이 존재하였으며, 그 주파수로 체스 무늬 표적을 깜박였을 때 더 높은 성공률을 보이는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 실험 전 시스템 정확도를 높이기 위해 먼저 피실험자에 따라 반응이 잘 나타나는 최적 주파수를 찾는 선행 작업이 수행한다면 시스템의 신뢰도를 높일 수 있을 것으로 판단된다.

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