KR20060007335A - A method and device of generating adaptive brainwave inducing signals which can be changed adaptively according to physiological status - Google Patents
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Abstract
본 발명은 바이오피드백을 기반으로 하는 뇌파유도 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 인체의 정신적, 육체적 상태를 먼저 여러 가지 생체 신호 증폭기를 이용하여 측정하고, 측정된 간을 확률 통계적 알고리즘을 통해서 수치화된 지수로 만들고, 이 지수 값을 기준으로 인체에 적합한 바이노럴 비트음과 광 자극 등의 뇌파유도 자극 신호를 가변적으로 발생시키고, 이 신호에 의해 유기된 뇌파 및 기타 생체 신호를 다시 실시간으로 측정하고 피드백(Feedback) 해줌으로써 인체가 연속적이고 자동적으로 최적의 뇌파 상태로 유도, 유지될 수 있도록 실시간으로 가변될 수 있는 뇌파유도 장치를 제공하는데 있다.The present invention relates to a biofeedback-based brain wave guide device and a method thereof, wherein the mental and physical state of the human body is first measured using various biosignal amplifiers, and the measured liver is numerically indexed using a probabilistic statistical algorithm. Based on this index value, EEG signals such as binaural beats and light stimuli suitable for the human body are variably generated, and EEG and other biological signals induced by the signals are measured and fed back in real time. The present invention provides a brain wave guide device that can be changed in real time so that the human body can be guided and maintained in an optimal brain wave state continuously and automatically.
뇌파, 바이오피드백EEG, Biofeedback
Description
도 1은 본 발명의 전체적인 하드웨어 블록선도1 is an overall hardware block diagram of the present invention.
도 2는 본 발명의 전체적인 알고리즘 블록선도2 is a block diagram of the overall algorithm of the present invention.
도 3은 본 발명의 인체 적응적 바이노럴 비트음 합성 원리를 나타낸 블록선도Figure 3 is a block diagram showing the principle of human adaptive binaural beat sound synthesis of the present invention
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the code | symbol about the principal part of drawing>
10 : 입력부 16 : A/D 컨버터10: input unit 16: A / D converter
17 : 제어부 18 : 메모리부17
19 : 디스플레이부 20 : 출력부19: display unit 20: output unit
22 : 사운드 출력회로 23 : 광자극 발생회로22: sound output circuit 23: photo-stimulation generating circuit
24 : 진동자극 발생회로 25 : 향 발생장치24: vibration stimulation generating circuit 25: fragrance generating device
본 발명은 뇌파유도 장치에 관한 것으로, 특히 인체 적응적 바이노럴 비트(Binaural Beat)와 광자극을 포괄하는 바이오피드백 원리를 이용하여 생체신호를 이용한 인체 적응적 뇌파유도 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an EEG-guided device, and more particularly, to a human-adaptive EEG-guided device and a method using a bio-signal using a biofeedback principle that includes a human-adaptive binaural beat and photo-stimulation .
기존의 많은 바이오피드백 장치는 대체로 일방적이고, 직접적인 방법으로 사용하고자 하는 피검자(Subject)의 상태에 상관없이 주입되는 방식을 취하고 있다. 이는 인간의 많은 생리적, 심리적, 인지적 부분이 개별적인 차이를 두고 있다는 부분을 간과하고 모든 인간의 생리적, 심리적, 인지적 사항이 비슷하거나, 유사하거나 혹은 같다는 전제 하에 사용되어지는 것이므로 실제적인 피검자들에게는 긍정적, 또는 부정적인 부분이 모두 발생되고 있는 것이다.Many existing biofeedback devices take a method of injecting irrespective of the condition of a subject to be used in a unilateral and direct manner. This is because it is used under the premise that many human physiological, psychological, and cognitive parts have individual differences, and that all human physiological, psychological, and cognitive matters are similar, similar, or the same. Both positive and negative parts are occurring.
종래의 상용화된 뇌파유도 장치 등에서 사용하고 있는 바이노럴 비트음의 원리는 두 개의 큰 차이가 나지 않는 주파수 성분을 갖는 두 개의 소리 음원을 좌우 각각의 귀에 스테레오 헤드폰, 혹은 스피커를 통해서 들려주면, 인간의 뇌는 이 두개의 신호를 각각 개별적인 것으로 받아들이는 것이 아니라 하나의 새로운 통합된 신호로서 받아들이게 된다. 이 새로운 소리를 바이노럴 비트라 하며 여러 가지 바이노럴 비트음의 종류에 상응하여 유도되는 뇌파가 존재하게 된다.The principle of the binaural beat sound used in the conventional commercialized EEG is that if two sound sources having frequency components that do not differ greatly from each other are heard through stereo headphones or speakers in each of the left and right ears, 'S brain does not accept these two signals as separate ones, but as a new unified signal. This new sound is called binaural beat, and there are brain waves induced corresponding to various kinds of binaural beats.
바이노럴 비트음을 이용하는 종래의 뇌파 유도 바이오피드백 장치들은 사전에 이미 기기 내부에 구현되어 있고, 일정하게 고정된 주파수 차이를 이용한 차동주파수를 음원으로 하여 그것을 가청 주파수 대역으로 변조하여 청각 자극을 통해 일방적으로 인체에 적용하는 방법으로 진행되어 졌다. 개개인의 특성을 고려하지 않고 어떤 사용자의 경우에도 모두 같은 방식으로 제공하기 때문에 그 특정한 바이노럴 비트 사운드에 부합되는 특정한 군은 어느 정도 실효성 및 효과를 얻을 수 있 으나, 일방적으로 제공되는 특정한 바이노럴 비트 음원에 부합되지 않는 불특정 다수에게는 아무런 효과가 없거나 때론 심각한 부작용이 발생할 수 있다.Conventional EEG-derived biofeedback devices that use binaural beats are already implemented in the device in advance, and have a differential frequency using a fixed frequency difference as a sound source and modulate it into an audible frequency band through auditory stimulation. It has been progressed to unilaterally apply to the human body. Since any user is provided in the same way without considering individual characteristics, a certain group that matches the particular binaural beat sound may have some effectiveness and effect, but a certain one-sided bino will be provided. An unspecified number of people who do not match the sound beat source may have no effect or sometimes serious side effects.
인간의 뇌파는 인간의 지문보다 휠씬 복잡할 뿐만 아니라 그 해석의 범주가 아직까지는 협소하기 때문에, 특정한 또는 일방적인 주입식 접근방식은 심대한 우려를 낳는 결과를 초래할 수 있다.Since human brain waves are far more complex than human fingerprints, and the scope of their interpretation is still narrow, specific or unilateral injection approaches can cause significant concerns.
현재 뇌파를 유도하여 학습효과, 긴장이완, 수면 유도등의 효과를 가져올 수 있다는 전제하에 제품화되고 있는 여러 바이오피드백 장치들은 상기 기술한 문제점들을 근원적으로 가지고 있으며, 뇌파를 유도하려는 목적으로 선택된 바이노럴 비트음과 광자극 바이오 피드백의 원리는 경우에 따라 심각한 정신적 장애를 일으킬 수도 있다. 특히, 간질발작이나 뇌 신경계가 민감하고 뇌 자체에 장애가 있는 경우, 그 피검자의 구체적이거나, 실질적인 기준을 정하지 못하고, 일방적으로 인체에 강제적인 바이노럴 비트음 또는 광자극을 제공하게 되면 경우에 따라서는 위험을 초래할 여지가 많고, 따라서 현재까지 병원이 아닌 일반 사용자에게 무차별적으로 보급되고 있는 바이오피드백 장치들은 생태적으로 상대적 위험성을 잠재하고 있다.Many biofeedback devices that are commercially manufactured under the premise that they can induce brain waves and have effects of learning, relaxation, and sleep induction have fundamental problems as described above, and the binaural beat selected for the purpose of inducing brain waves The principle of sound and photostimulation biofeedback can, in some cases, cause serious mental disorders. In particular, when epileptic seizures or brain nervous systems are sensitive and the brain itself is impaired, specific or substantive criteria of the subject cannot be determined, and if one-sided binaural beat or photostimulation is provided to the human body in some cases, There is a lot of risks, and biofeedback devices that have been indiscriminately distributed to non-hospital users to date are potentially ecologically dangerous.
상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은 인체의 정신적, 육체적 상태를 먼저 여러 가지 생체 신호 증폭기를 이용하여 측정하고, 측정된 값을 확률 통계적 알고리즘을 통해서 수치화된 지수로 만들고, 이 지수 값을 기준으로 인체에 적합한 바이노럴 비트음과 광 자극 등의 뇌파 유도 자극 신호 를 가변적으로 발생시키고, 이 신호에 의해 유기된 뇌파 및 기타 생체 신호를 다시 실시간으로 측정하고 피드백 해줌으로써 인체가 연속적이고 자동적으로 최적의 뇌파 상태로 유도, 유지될 수 있도록 실시간으로 가변 될 수 있는 뇌파유도 자극 신호발생 장치 또는 뇌파 유도 바이오피드백 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention devised to solve the conventional problems as described above is to first measure the mental and physical state of the human body using a variety of bio-signal amplifier, and to make the measured value into a numerical index through a probabilistic statistical algorithm Based on this index value, EEG-induced stimulus signals such as binaural beats and light stimuli suitable for the human body are variably generated, and EEG and other biological signals induced by the signals are measured and fed back in real time. An object of the present invention is to provide an EEG-induced stimulus signaling device or EEG-induced biofeedback device that can be varied in real time so that the human body can continuously and automatically induce and maintain an optimal EEG state.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 생체신호를 이용한 뇌파유도장치는 아날로그 회로로 구성되어 생체신호를 측정하는 입력부와, 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터와, 시스템 전체를 제어하는 제어부와, 측 정된 생체신호 데이터를 저장하는 메모리부와, 측정된 데이터 값을 표시하고 분석된 결과와 상태를 표시해 주는 디스플레이부, 및 제어부에서 처리된 데이터를 출력하는 출력부로 구성됨을 특징으로 한다.EEG using the bio-signal of the present invention for achieving the above object is composed of an analog circuit input unit for measuring the bio-signal, A / D converter for converting the analog signal to a digital signal, and controls the whole system A control unit, a memory unit for storing measured biosignal data, a display unit for displaying measured data values, an analysis result and a state, and an output unit for outputting the processed data. .
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 생체신호를 이용한 뇌파유도 방법은 생체신호를 디지털 필터링을 통해 특징점을 추출하는 제1단계와, 추출된 특징점 자료를 확률 통계적 방법으로 분류, 통합, 분석하여 전체적인 생체 지수(Physiological Index)를 산출하여 개인별 인체 정보를 데이터 베이스(Data Base)에 저장하는 제2단계와, 데이터 베이스에 저장된 정보와 바이오피트백 시스템을 통해 연속적으로 측정한 생체 신호를 합성하여 바이노럴 비트음을 차동 주파수로 가변시켜 뇌파를 유도시키는 제3단계로 이루어짐을 특징으로 한다.In addition, the EEG method using a bio-signal of the present invention for achieving the above object is the first step of extracting the feature point through the digital filtering of the bio-signal, and classifying, integrating, Analyze the second step of storing the individual body information in the database by calculating the overall physiological index, and synthesize the information stored in the database and the bio signals continuously measured through the biofeedback system. And a third step of inducing an EEG by varying the binaural beat to a differential frequency.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 자세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 전체적인 하드웨어 블록선도를 나타낸 것이다.Figure 1 shows the overall hardware block diagram of the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 인체의 정신적, 육체적, 생리적 상태를 측정하기 위해서는 여러 가지 생체 신호의 측정이 필요하다. 본 발명의 뇌파유도 장치는 뇌파, 심전도, 근전도, 체온, 피부 저항 등을 각각 측정할 수 있는 EEG, EKG, EMG, 체온, 피부저항 검출 아날로그 회로(11, 12, 13, 14, 15)로 구성된 입력부(10)와, 아날로그 신호들을 디지털 신호로 변환시키는 A/D 컨버터(16)와, 시스템 전체를 제어하는 제어부(17)와, 데이터를 저장하는 메모리부(18)와, 측정된 데이터 값을 표시하고 분석된 결과와 기타 여러 가지 상태를 표시해 주는 디스플레이부(19)와, 제어부(17)에서 합성 처리된 바이노럴 비트를 가청 주파수 대역(20Hz~20kHs)의 신호로 변환하여 스피커나 이어폰 등으로 출력시키는 사운드 출력회로(22), 제어부(17)에서 처리된 데이터를 광 자극으로 변환하는 광자극 발생회로(23), 제어부(17)에서 발생시킨 진동 자극 신호를 물리적 진동으로 전환하는 진동자극 발생회로(24), 향기(Aroma)를 선택적으로 연소시키는 향 발생장치(25), 및 근전도 유발 전위(Evoked Potential)를 측정할 수 있는 유발전위(Evoked Potential) 발생회로(21)로 이루어진 출력부(20)고 구성되어 있다.Referring to FIG. 2, first, in order to measure a mental, physical, and physiological state of a human body, measurement of various biological signals is required. The EEG of the present invention is composed of EEG, EKG, EMG, body temperature, skin resistance detection analog circuit (11, 12, 13, 14, 15) that can measure EEG, electrocardiogram, electrocardiogram, body temperature, skin resistance, etc., respectively.
도 2는 본 발명의 전체적인 알고리즘 블록선도를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the overall algorithm block diagram of the present invention.
도 2를 참조하면, 먼저 디지털로 변환된 뇌파(EEG, 11) 신호를 디지털 필터링부에서 주파수 대역별(델타, 쎄타, 알파, 베타, 감마)로 분류(30)하고, 분류된 주파수 대역별 신호를 가지고 인체의 의식, 감정, 집중력, 각성 상태, 이완 정도등을 나타내는 뇌파 특징점(41)을 산출한다.Referring to FIG. 2, first, a digitally-converted brain wave (EEG) 11 signal is classified (30) by frequency band (delta, theta, alpha, beta, gamma) in the digital filtering unit, and the classified frequency band signal Calculate the
또한, 뇌파(11)의 사건 유발 전위(Event Related Potential, 32)를 이용하여 인지 능력, 인지 속도, 좌-우뇌 활성도, 작업 부하도 등의 특징점을 산출(42)한다.In addition, a feature point such as cognitive ability, cognitive speed, left-right brain activity, workload, etc. may be calculated 42 using the Event
심전도(EKG, 12)의 경우 디지털 필터링부에서 R파 간격(R-R Interval), QRS 복합파(QRS Complex), P파의 진폭(Ampltude)과 첨도(Sharpness)와 지속시간(Duration), T파의 진폭(Amplitude)과 첨도(Sharpness)와 지속시간(Duration), S파-T파 부분(S-T Segment), P파-R파 부분(P-R Segment) 등을 추출(33)한다. 추출된 데이터를 가지고 자동 진단부에서 좌심방, 우심방, 그리고 각 심실의 비대 정도, 심근 허혈, 심근 경색, 저-고 칼륨혈증, 저-고 칼슘혈증, 부정맥 등의 육체적 특성을 반영하는 생리적 파라미터 특징점(43)을 산출한다.In the case of ECG (EKG), the digital filtering unit uses the R wave interval, the QRS complex, the amplitude of the P wave, the sharpness, the duration, and the T wave. Amplitude, kurtness, duration, S wave-T wave part (ST segment), P wave-R wave part (PR segment), and the like are extracted 33. Using the extracted data, physiological parameter features that reflect physical characteristics such as left atrium, right atrium, and hypertrophy of each ventricle, myocardial ischemia, myocardial infarction, hypo-hypokalemia, hypo-hypercalcemia, and arrhythmia ( 43).
근전도(EMG, 13)의 경우 유발 전위(Evoked Potential)를 측정(34)하여 육체적 긴장 이완 정도, 스트레스 지수 등을 산출하여 특징점(44)을 구한다.In the case of electromyography (EMG) 13, the Evoked Potential is measured (34) to calculate physical stress relaxation degree, stress index, etc. to obtain the feature point (44).
체온(14)과 피부 저항(15)의 경우 측정된 체온과 피부 저항 데이터를 1차적으로 디지털 필터링하여 심리적 안정도, 불안도, 스트레스 정도 등의 특징점을 산출한다.In the case of the
상기 뇌파(EEG), 심전도(EKG), 근전도(EMG), 체온 및 피부저항 검출을 통해 추출된 특징점(41, 42, 43, 44)들은 다시 확률 통계적 방법으로 분석, 분류, 조합, 통합하여 실시간(Real Time)으로 현재 각 개인의 깊은 수면 상태, 얕은 수면 상태, 긴장 이완 상태, 명상 상태, 집중 상태, 각성 상태, 긴장 상태 등의 몇 가지 유형으로 분류(45)된 전체적인 유체적, 정신적 상태를 반영하는 생체 지수(Physiological Index)를 계산한다.The
분류된 개인별 특징점, 진단 사항, 생체 지수(Physiological Index) 등의 인 체 정보를 데이터 베이스(Data Base)로 만들어서 메모리(18)에 저장하고 처리(40)한다.Human information such as personalized feature points, diagnostic matters, and physical indexes, which are classified, is made into a database, stored in the
도 3은 본 발명의 인체 적응적 바이노럴 비트음 합성 원리를 나타낸 블록선도로서, 청각 자극 방법으로 바이노럴 비트음을 합성하는 알고리즘(50)을 나타낸 것이다. 인간의 신체가 편안하고 안정될 때 어느 특정한 뇌파가 대체로 우세한 경향을 나타낸다는 임상적 결과를 근거로, 사용자가 편안하고 안정된 상태를 유지하고자 하는데 측정된 생체 지수 값(51)이 알파파가 아닌 다른 뇌파영역이 유도된 상태에서 나타날 수 있는 육체적 심리적 상태 일 때, 이를 유도하고자 하는 특정한 뇌파의 상태로 만들기 위해서 무조건적으로 그 특정한 뇌파의 상태를 유도하는 바이노럴 비트를 제공하는 것이 아니라 비 휘발성 메모리(18)에 저장되어 있는 이전 값(52)과 현재 인체(55)에서 측정하여 산출된 생체 지수(Physiological Index)값(51)을 비교하여 그 차이만큼을 보상할 수 있는 차동 주파수(53)를 만들어 바이노럴 비트음(Binaural Beat, 54)을 통해 가청 주파수 대역(20Hz~20kHz)의 신호로 변환하여 사운드 출력회로(11)의 스피커나 이어폰을 통해 청각을 자극한다. 예를 들어, 생체 신호 측정, 분석 결과 생체 지수(Physiological Index)가 긴장 상태에 있는 것으로 판별되었으면 긴장 이완이 유도 될 수 있도록 차동 주파수가 알고리즘에서 자동적으로 계산되고 이것이 가청 주파수 대역으로 변복조되어 이어폰이나 스피커를 통하여 뇌파 유도 장치 혹은 바이오피드백 기기 사용자에게 전달된다. 여기서, 차동 주파수 대신에 위상 또는 전압 차동을 사용하거나 혼용하여 사용할 수 있다.3 is a block diagram showing the principle of the human-adaptive binaural beat sound synthesis according to the present invention, and shows an
바이노럴 비트에 따라서 긴장 이완이 된 사용자가 이번에는 너무 긴장 이완이 되어서 수면 상태로 떨어질 수 있는 조건으로 생체 지수(51)가 판별되면, 이번에는 알고리즘(50)에서 자동적으로 이를 감지하여 약간 긴장 상태가 유기될 수 있는 차동 주파수(53)를 계산하여 바이노럴 비트음(54)으로 합성하여 다시 인체에 가청 주파수 신호로 넣어주게 된다. 즉, 인체의 상태에 따라서 실시간으로 자동적으로 바이노럴 비트음(54)을 가변시켜 줌으로써 인체의 정신적 육체적 상태를 항상 최적의 상태로 만들 수 있는 것이다.If the user who is relaxed according to the binaural beat is determined to be in a condition that this time, the user is too relaxed to fall to sleep, this time, the
광 자극과 진동 자극, 향기 자극 등 다른 뇌파 유도 자극에 있어서도 마찬가지로 적용될 수 있다. 즉, 생체 지수 값에 따라서 광 자극에 사용되는 주파수를 가변시키고, 빛의 광도를 가변시키고, 진동 주파수와 진동 강도, 그리고 향기의 종류를 인체의 상태에 따라서 변화시킬 수 있다.The same can be applied to other brain wave induced stimuli such as light stimulation, vibration stimulation, and fragrance stimulation. That is, the frequency used for the optical stimulation can be varied according to the bio-index value, the brightness of the light can be varied, and the vibration frequency, the vibration intensity, and the type of fragrance can be changed according to the state of the human body.
산출된 생체 지수(Physiological Index)를 가지고 현재 뇌파 유도 기기 혹은 바이오피드백 장비를 사용하고 있는 사용자가 부족하다고 판단된 뇌파 상태를 증가시켜 주는 방향으로 뇌파 유도 신호를 합성하여 인체에 적용하고, 과하다고 판단된 뇌파 상태를 감소시켜주는 방향으로 뇌파를 유도시켜 줄 수 있는 뇌파 유도 신호를 합성하여 청각 자극, 광 자극, 진동 자극과 같은 여러 가지 방식의 직접 혹은 간접적인 인체 자극 신호로 전환하여 인체에 제공한다.With the calculated Physiological Index, the EEG-induced signal is synthesized and applied to the human body in a direction to increase the EEG state determined to be insufficient by the user who is currently using EEG or biofeedback equipment. Synthesizes EEG-induced signals that can induce EEG in the direction of reducing the EEG state and converts them into various direct or indirect human stimulation signals such as auditory stimulation, light stimulation, and vibration stimulation and provides them to the human body. .
뇌파를 유도하기 위해 인체에 적용되는 인체 자극 신호로는 인간이 인지할 수 있는 감각기(청각, 시각, 촉각, 후각 등등)를 통하여 인체에 직접 혹은 간접적으로 자극할 수 있는 신호를 사용한다. 즉, 소리 자극, 광 자극, 진동 자극, 향기(Aroma) 자극을 사용하되 미리 지정되어 가변할 수 없는 자극이 아니라 생체 지수(Physiological Index) 값에 따라 정(+), 혹은 부(-)의 방향으로 인체에 맞게 적응될 수 있는 자극 신호를 만들어 준다.As a human stimulus signal applied to the human body to induce an EEG, a signal that can be stimulated directly or indirectly through the human body through a sensory sensory (audible, visual, tactile, olfactory, etc.) that can be perceived by humans. In other words, use a sound stimulus, an optical stimulus, a vibration stimulus, or an aroma stimulus, but it is not a stimulus that cannot be designated and changed in advance, but is positive or negative according to a physiological index value. This creates a stimulus signal that can be adapted to the human body.
상기와 같은 본 발명은 개인별 사용자 특성에 적합하도륵 인체의 상태를 여러 가지 방법으로 측정, 분석, 분류하고 분류된 지표를 근거로 하여 바이오피드백 훈련의 수단으로 활용되어 오던 여러 가지 인체의 공감각기(시각, 청각, 후각, 미각, 촉각 등)를 이용한 간접 자극 즉, 청각 자극이나 광 자극, 기타 진동 자극 등을 실시간으로 가변 시켜줌으로써, 각 개인별 특성을 무시한 채, 외부에서 일방적이고 고정적으로 자극을 제시함에 따른 부작용과 문제점들을 보완하고 인체에 가장 적합한 상태로 바이오피드백 훈련을 실시할 수 있는 장점이 있다.As described above, the present invention is suitable for individual user characteristics, and the various conditions of the human body have been utilized as a means of biofeedback training based on the indicators measured, analyzed, classified, and classified in various ways ( Indirect stimuli using visual, auditory, olfactory, taste, and tactile senses (ie, auditory stimuli, optical stimuli, and other vibrational stimuli) can be varied in real time. Compensation for side effects and problems caused by the hamyeo has the advantage that can be carried out biofeedback training in the most suitable state.
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