KR101566788B1 - 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 모니터의 하지 및 보행의 훈련 영상을 보면서, 환자가 집중하여 동일한 훈련을 하게 하되, 이때 환자의 EEG를 검출하여, 검출된 EEG에서 뇌파집중지표를 검출하고, 뇌파집중지표에 따라 FES부가 구동되게 하여, 환자의 의지에 따른 하지 및 보행의 훈련을 하게 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기에 관한 것이다.
본원발명은, 하지, 발 및 보행 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부가 장착되며, 제어부가 상기 뇌파로부터 뇌파 집중지표를 검출하여 뇌파 집중지표가 기설정된 문턱치보다 크거나 같을때 하지에 장착된 FES부를 구동시키는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법에 있어서, 메모리로부터 하지 및 보행의 훈련 영상을 읽어들여 모니터부으로 출력하는, 영상출력단계; EEG전극부에서 검출된 뇌파신호를 신호수집부를 통해 수신하여, 수신된 뇌파신호를 디지털 필터링을 통해 SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 주파수 구간별 뇌파를 검출하는, 주파수 구간별 뇌파 검출단계; 상기 주파수 구간별 뇌파 검출단계에서 구한, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 각 주파수 구간별 뇌파의 파워스펙트럼을 구하여 뇌파 집중지표를 연산하는, 뇌파 집중지표 검출단계; 상기 뇌파 집중지표 검출단계에서 구한 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같은지 여부를 판단하는 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계; 상기 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같다면, FES 자극신호를 생성하여, FES구동부로 출력하는 FES 자극신호 생성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본원발명은, 하지, 발 및 보행 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부가 장착되며, 제어부가 상기 뇌파로부터 뇌파 집중지표를 검출하여 뇌파 집중지표가 기설정된 문턱치보다 크거나 같을때 하지에 장착된 FES부를 구동시키는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법에 있어서, 메모리로부터 하지 및 보행의 훈련 영상을 읽어들여 모니터부으로 출력하는, 영상출력단계; EEG전극부에서 검출된 뇌파신호를 신호수집부를 통해 수신하여, 수신된 뇌파신호를 디지털 필터링을 통해 SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 주파수 구간별 뇌파를 검출하는, 주파수 구간별 뇌파 검출단계; 상기 주파수 구간별 뇌파 검출단계에서 구한, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 각 주파수 구간별 뇌파의 파워스펙트럼을 구하여 뇌파 집중지표를 연산하는, 뇌파 집중지표 검출단계; 상기 뇌파 집중지표 검출단계에서 구한 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같은지 여부를 판단하는 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계; 상기 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같다면, FES 자극신호를 생성하여, FES구동부로 출력하는 FES 자극신호 생성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 모니터의 하지 및 보행의 훈련 영상을 보면서, 환자가 집중하여 동일한 훈련을 하게 하되, 이때 환자의 EEG를 검출하여, 검출된 EEG에서 뇌파집중지표를 검출하고, 뇌파집중지표에 따라 FES부가 구동되게 하여, 환자의 의지에 따른 하지 및 보행의 훈련을 하게 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기에 관한 것이다.
뇌졸중은 뇌로 전달되는 혈액 공급이 차단되거나 혹은 뇌 조직으로 출혈이 발생하여 뇌의 혈액 공급의 장애가 나타나는 뇌혈관 질환으로, 뇌졸중 장애양상은 손상된 부위와 정도에 따라 다르나 일반적으로 편마비, 운동 손상, 감각 손상, 인지 장애, 언어 장애, 시지각 장애, 연하 장애 등의 문제를 보인다. 또한 뇌졸중 환자들은 근력의 불균형, 선 자세에서 환측 하지에 체중의 43% 이하의 부하만을 지지함으로 비대칭적인 자세로 인하여 균형능력의 문제가 발생되고, 이러한 균형능력의 저하는 보행 시 마비측에 체중지지를 할 수 있는 능력이 감소하여 비정상적인 보행이 나타나게 된다.
뇌졸중 환자의 보행 특징 중 하나인 족하수(foot drop)는 배측굴근(dorsi flexor)의 부분적 또는 완전한 운동 소실로 족하수를 가진 뇌졸중 환자들은 유각기 시 지면에서의 발끌림을 방지하기 위해 고관절을 회선(circumducting gait)하거나 하지를 과도하게 들어올려 보행하게 된다. 이러한 보행 방식은 에너지 소모가 많아 쉽게 지치고, 걷는 속도를 느리게 할 뿐만 아니라, 안전하지 못하며, 낙상을 일으키는 원인이 되기도 한다. 족하수를 가진 뇌졸중 환자의 보행 능력의 손실을 회복시키기 위한 발목의 임상적 중재방법 중 하나로, 기능적 전기자극치료를 적용할 수 있다.
기능적 전기자극치료(Functional Electrical Stimulation, FES)는 뇌졸중, 다발성경화증, 척추손상 등의 중추신경장애 환자의 정상적인 신경지배를 받지 못하는 근육에 전기자극으로 근수축을 유도하여 기능적인 동작을 할 수 있도록 하는 방법으로, 전경골근(tibial muscle)에 전기자극을 주어 보행주기 시 협응능력을 증진시키고, 족하수를 갖고 있는 환자에게 보행속도, 발목관절의 각도 증가 등의 보행의 질을 향상시킬 수 있다. 그러나 기능적 전기자극치료는 단순 반복적인 형태로 환자의 능동적 의지가 개입되지 않아 뇌졸중 환자회복의 중요한 요인인 운동 재학습의 효과가 떨어지는 단점이 있다.
이를 위해, 본 발명은 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface; BCI)를 기반한 기능적 전기자극치료기를 제안한다.
뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface; BCI)는 인간과 컴퓨터 상호작용을 연구하는 인간 컴퓨터 상호작용(Human Computer Interaction, HCI)의 한 분야로써, 뇌파기를 통해 특정 상태의 뇌파 신호를 측정하여 특이점이나 특징을 추출하고 이를 분류한 후 일반적인 제어 신호로 변환하여 컴퓨터나 기기 등을 제어하는 시스템 관련 기술이다. 다시 말하면 뇌의 활동과정에서 나오는 뇌파를 실시간으로 분석하여 어떤 임의의 장치를 제어하는 기술을 말한다.
현재로는, 뇌졸중 환자의 의지에 따라, 발목의 움직임을 자극하여 하지기능 및 보행기능을 치료하는 뇌-컴퓨터 인터페이스관련 연구는 아직 미비한 실정이다.
뇌파란 뇌의 전기적활동을 머리 표면에 부착한 전극을 이용하여 측정하는 전기신호이다. 다음 표와 같이, 일반적으로 뇌파는 진동하는 주파수의 범위에 따라 델타파(0.5~4.99Hz), 세타파(5~7.99Hz), 알파파(8~11.99Hz), 베타파(12~35Hz), 감마파(30~50Hz)로 구분된다.
| 뇌파종류 | Eyes | 진폭 | 뇌의 상태 |
| Delta (0.5-4.99Hz) |
Closed | High | 깊은 수면상태 (외부에 대한 감각과 각성이 완전히 차단) |
| Low | 직관적인 통찰력으로 이어지기도 한다. | ||
| Open | High | 정상적인 사고를 방해, 뇌 손상이 있을 경우에 활성화된다. | |
| Low | 정상적인 상태 | ||
| Theta (5-7.99Hz) |
Closed | High | 수면상태 (외부에 대한 감각이나 각성이 차단된 상태) |
| Low | 명상상태 (영적인 일체감이 증가하고 창조적인 영감이 증가) | ||
| Open | High | 감정을 불러 일으키는 기억, 공상, 졸린 상태에서 증가하며, 주의력 결핍, 집중력 저하 등을 유발 | |
| Low | 정상적인 상태 | ||
| Alpha (8-11.99Hz) |
Closed | High | 외부에 대한 각성 수준이 매우 높은 상태 |
| Low | 편안한 상태, 의식과 잠재의식을 연결하는 가교 역할을 수행 | ||
| Open | High | 느슨해지거나, 동기 부족, 집중력 저하, 우울증 등을 유발. | |
| Low | 정상적인 상태 |
알파파는 긴장이완과 같은 편안한 상태에서 주로 나타나는데, 안정되고 편안한 상태일수록 진폭이 증가한다. 안정된 알파파가 나타나는 때는 눈을 감고 진정한 상태에 있을 때 나타나고, 눈을 뜨고 물체를 주시하거나 정신적으로 흥분하게 되면 알파파는 억제된다.
쎄타파는 졸리거나 의식이 흐릿할 때 나타나는 뇌파로, "졸음파" 또는 "서파수면파(徐波睡眠波)"라고 불리며, 잠에 빠져들 때 나타나는 뇌파이다.
베타파는 의식이 깨어 있을 때의 뇌파로, 스트레스파라고도 하며 불안, 긴장 등의 활동파이다. 다음 표와 같이, 베타파는 SMR 베타파, Mid 베타파, Hign베타파로 나뉜다.
| 뇌파종류 | Eyes | 진폭 | 뇌의 상태 |
| SMR Beta (12-15Hz) |
Closed | - | 통상은 낮게 나타나며, 높게 나타나면 과잉각성 상태 |
| Open | Low | 발달장애 등 뇌 기능 저하 상태 | |
| Mid | 움직이지 않으면서 편안하게 외부에 집중하는 상태. 충동성, 과잉행동을 조절하며, 불필요한 반응을 억제시킴. |
||
| High | 지나치게 높으면 과잉각성 상태를 의미 | ||
| Mid Beta (16-20Hz) |
Closed | - | 통상은 낮게 나타나며, 높에 나타나면 과잉각성 상태 |
| Open | Low | 발달장애 등 뇌 기능 저하상태 | |
| Mid | 적극적으로 외부에 집중하는 상태. 인지 과정을 활성화시키며, 수면상태 개선, 집중력 향상 |
||
| High | 지나치게 높으면 과잉각성 상태를 의미 | ||
| High Beta (21-35Hz) |
Closed | - | 통상은 낮게 나타나며, 높에 나타나면 과잉각성 상태 |
| Open | - | 통상은 낮거나 안정적으로 나타난다. | |
| High | 긴장, 불안한 상태. 각성 수준이 매우 높아 쉽게 흥분하거나, 불안, 고도의 스트레스, 경직 상태를 나타낸다. 제반 중독 증상에서도 활성화된다. |
SMR 베타파(sensory motor Rhythm, low beta)는 12~15Hz이며, 주의 상태로 외부정보에 대한 집중력이 강화될 때 나타나는 뇌파이다.
Mid(미드) 베타파는 16~20Hz이며, 집중, 활동상태로 각성상태이며, 과제 수행시의 상태이다.
High 베타파는 21~35Hz이며, 긴장, 흥분 상태, 스트레스 상태로, 억제와 관련있다.
측정된 뇌파속에서 각 진동성분이 얼마만큼의 비중을 차지하고 있는지를 정량적으로 파악하는 것이 필요하며, 이를 위해 주로 파워스펙트럼에 의해 분석한다. 파워 스펙트럼이란 자기상관함수를 프리에변환하는 것으로, 일반적으로는 뇌파신호를 FFT(패스트 프리에 트랜스펌)을 행하여, log 스케일의 power(단위는 dB)로 나타낸 것을 말한다.
일반적으로 뇌파집중지표를 수학식 1과 같이 나타낸다.
즉, 뇌파 집중지표는 SMR 베타파의 파워스팩트럼과 Mid 베타파의 파워스팩트럼을 더한 값을 세타파 파워스팩트럼으로 나눈 값이 뇌파 집중지표이다.
본 발명에서는, 모니터의 하지 및 보행의 훈련 영상을 보면서, 환자가 집중하여 동일한 훈련을 하게 하되, 이때 환자의 EEG를 검출하여, 검출된 EEG에서 뇌파집중지표를 검출하고, 뇌파집중지표에 따라 FES부가 구동되게 하여, 환자의 의지에 따른 하지 및 보행의 훈련을 하게 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 제공하고자 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 모니터의 하지 및 보행의 훈련 영상을 보면서, 환자가 집중하여 동일한 훈련을 하게 하되, 이때 환자의 EEG를 검출하여, 검출된 EEG에서 뇌파집중지표를 검출하고, 뇌파집중지표에 따라, 하지에 장착된 FES부가 구동되게 하여, 환자의 의지에 따른 하지 및 보행의 훈련을 하게 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료에 있어서, 뇌파집중지표가 문턱치의 이상이 될때 FES부가 구동되며, 사용자에 따라 문턱치 및 자극강도를 맞춤 조정가능하며, 저장하여 다음 치료에 적용하도록 이루어진, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제를 해결하기위해, 본 발명의 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기는 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 좌측 전전두부(Fp1)과 우측 전전두부(Fp2)에 장착되는 2개의 신호전극을 포함하여 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부; EEG전극부로부터 수신된 뇌파에서 잡음을 제거하고 증폭하는 EEG신호전처리부; EEG신호전처리부에서 수신된 뇌파를 디지탈신호로 변환하는 신호수집부; 신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출하고, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파로부터 뇌파 집중지표를 구하며, 뇌파 집중지표가 문턱치보다 크거나 같으면 FES구동신호를 생성하는 제어부; 제어부로부터 수신된 FES(기능적 전기자극) 구동신호에 따라 FES전극부로 미세전류를 출력하는 FES부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기는, 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 장착되어 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부; EEG전극부로부터 수신된 뇌파에서 잡음을 제거하고 증폭하는 EEG신호전처리부; EEG신호전처리부에서 수신된 뇌파를 디지탈신호로 변환하는 신호수집부; 신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출하고, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파로부터 뇌파 집중지표를 구하며, 뇌파 집중지표가 문턱치보다 크거나 같으면 FES구동신호를 생성하는 제어부; 족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부 및 원위부에 장착되는 2개의 자극전극을 구비하여, 제어부로부터 수신된 FES(기능적 전기자극) 구동신호에 따라 FES전극부로 미세전류를 출력하는 FES부;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로한다.
상기 기능적 전기자극치료기는 FES전극부가 장착된 환자 발의 운동 영상을 촬상하여 제어부로 전송하는 카메라를 더 구비하며, 제어부는 상기 환자 발의 운동 영상을 모니터로 출력하게 한다.
상기 FES전극부는 2개의 자극전극으로 이루어지되, 2개의 자극전극은 족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부 및 원위부에 장착되며, EEG전극부는, 좌측 전전두부(Fp1)와 우측 전전두부(Fp2)에 장착되는 2개의 신호전극과, 우측 귓불 뒤에 장착되는 기준전극(reference electrode)과, 좌측 귓불에 장착되는 접지전극(ground electrode)으로 이루어진다.
뇌파 집중지표는, SMR 베타파의 파워스팩트럼과 Mid 베타파의 파워스팩트럼을 더한 값을, 세타파 파워스팩트럼으로 나눈 것이다.
신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, 알파파, 베타파를 더 구하며, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 더 구한다.
신호수집부로부터 수신되되 디지털 필터링을 거치지 않은 뇌파의 파워스펙트럼인 절대 파워스펙트럼을 구하고, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 절대 파워스펙트럼으로 각각 정규화한 상대 파워스펙트럼을 더 구한다.
절대 파워스펙트럼, 상대 알파파 파워스펙트럼, 상대 베타파 파워스펙트럼, 뇌파 집중지표 중 하나이상을 모니터부로 출력한다.
디지털필터링시, 알파파는 8~12Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출되며, SMR 베타파는 12~15Hz의 밴드패스 필터링을 행하여 검출되며, Mid 베타파는 16~20Hz의 밴드패스 필터링을 행하여 검출되며, 쎄타파는 5~8Hz 의 밴드패스 필터링을 행하여 검출된다.
문턱치는, 치료전, 환자에게 10번의 집중 검사를 실시하여 얻어진, 10회의 집중지표의 평균을 구하여 문턱치로 하며, FES전극부로 미세전류의 크기는, 치료전, 환자의 전경골근에 자극 전류의 강도를 1mA에서 50mA까지 변화하면서 흘렸을때 족관절반응이 일어나기 시작한 전류 크기로 한다.
시작키, 종료키를 구비하며, 주파수, 수축시간, 이완시간, 자극 시간(pulse width), 자극 강도를 설정할 수 있는 키입력부; 환자별 문턱치 및 자극강도를 저장하는 메모리부;를 더 포함한다.
EEG신호전처리부는, EEG전극부에서 출력된 뇌파신호를 차동증폭하는 전치증폭기; 전치증폭기로부터 수신된 뇌파에서 50Hz 또는 60Hz의 전원 노이즈를 제거하는 노치필터; 노치필터에서 출력된 뇌파신호로부터 5Hz 주파수 이상의 뇌파신호를 통과시키는 고역필터; 고역필터에서 출력된 뇌파신호를 증폭하는 제1증폭기; 제1증폭기에서 출력된 뇌파신호로부터 50Hz 이하의 신호를 통과키는 저역필터; 저역필터에서 출력된 뇌파신호를 증폭하는 제2증폭기;를 포함한다.
EEG전극부가 장착된 밴드를 전두부를 감도록 이루어지되, 상기 밴드의 양단에 벨크로어를 구비한다.
또한, 본발명은 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부가 장착되며, 제어부가 상기 뇌파로부터 뇌파 집중지표를 검출하여 뇌파 집중지표가 기설정된 문턱치보다 크거나 같을때 하지에 장착된 FES부를 구동시키는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법에 있어서, 메모리로부터 하지 및 보행의 훈련 영상을 읽어들여 모니터부으로 출력하는, 영상출력단계; EEG전극부에서 검출된 뇌파신호를 신호수집부를 통해 수신하여, 수신된 뇌파신호를 디지털 필터링을 통해 SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 주파수 구간별 뇌파를 검출하는, 주파수 구간별 뇌파 검출단계; 상기 주파수 구간별 뇌파 검출단계에서 구한, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 각 주파수 구간별 뇌파의 파워스펙트럼을 구하여 뇌파 집중지표를 연산하는, 뇌파 집중지표 검출단계; 상기 뇌파 집중지표 검출단계에서 구한 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같은지 여부를 판단하는 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계; 상기 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같다면, FES 자극신호를 생성하여, FES구동부로 출력하는 FES 자극신호 생성단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
상기 FES 자극신호 생성단계 후, 키입력부의 종료키가 온되거나, 타이머가 설정시간이 완료되었다면, 종료하고, 그렇지않다면, 주파수 구간별 뇌파 검출단계로 되돌아가는 종료여부판단계;를 더 포함한다.
주파수 구간별 뇌파 검출단계는, 신호수집부를 통해 수신된 뇌파신호로부터 디지털 필터링을 통해 알파파, 베타파를 더 검출하며, 디지털 필터링을 거치지 않은 뇌파, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 구하여, 상대 알파파 파워스펙트럼와 상대 베타파 파워스펙트럼을 구한다.
뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서, 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 작다면, 제어부는 FES 자극신호를 출력하지않고 종료여부판단계로 간다.
본 발명의 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기에 의하면, 환자가 모니터의 하지 및 보행의 훈련 영상을 보면서, 집중하여 동일한 훈련을 하게 하되, 이때 환자의 EEG를 검출하여, 검출된 EEG에서 뇌파집중지표를 검출하고, 뇌파집중지표에 따라 FES부가 구동되게 하여, 환자의 의지에 따른 하지 및 보행의 훈련을 하게 한다.
또한, 본 발명은, 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료에 있어서, 뇌파집중지표가 문턱치의 이상이 될때 FES부가 구동되며, 사용자 및 상황에 따라 문턱치를 조정가능하며, 저장하여 다음 치료에 적용하도록 이루어져, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 이용한 맞춤 치료가 가능하다.
도 1은 본 발명의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 설명하기위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 뇌파측정을 위한 전극부착부위를 설명하는 설명도이다.
도 4는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 일예를 설명하는 블럭도이다.
도 5는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 다른 일예를 설명하는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 EEG전극부의 일예이다.
도 7은 도 2의 디스플레이부로 제시된 제시영상의 일예이다.
도 8은 다양한 배측굴곡 각도로 발목운동하는 제시영상의 예이다.
도 9는 도 2의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 제어부의 구동방법을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 뇌파측정을 위한 전극부착부위를 설명하는 설명도이다.
도 4는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 일예를 설명하는 블럭도이다.
도 5는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 다른 일예를 설명하는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 EEG전극부의 일예이다.
도 7은 도 2의 디스플레이부로 제시된 제시영상의 일예이다.
도 8은 다양한 배측굴곡 각도로 발목운동하는 제시영상의 예이다.
도 9는 도 2의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 제어부의 구동방법을 나타낸다.
이하, 본 발명의 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기를 설명하기위한 개념도이다.
본 발명의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기에서, 환자는 의자에 앉아서, 모니터부(310)의 모니터 상의 일측에 제시된, 제시 영상을 보면서, 제시 영상 속의 발과 동일하게 자신의 발을 움직이도록 노력하면, 환자의 머리에 장착된 EEG전극부(110)에서 뇌파를 검출하여 EEG신호전처리부(150)와 신호수집부(250)를 통해, 제어부(300)로 전송한다.
제어부(300)는 수신된 뇌파로부터 집중지표를 구하고, 집중지표에 따라 FES 구동신호를 생성하여 FES구동부(450)로 전송하며, FES구동부(450)는 FES 구동신호신호에 따라 환자의 다리에 장착된 FES 전극부(410)에 미세 전류를 흘려 환자의 다리의 근육을 자극하며, 이에 따라 환자의 다리가 움직이게 된다. 이때 카메라부(500)는 환자의 다리의 움직임을 촬영하여, 제어부(300)로 전송하고, 제어부(300)는 모니터부(310)으로 환자 발의 움직임 영상을 전송하고, 모니터부(310)는 모니터상의 다른 일측에 환자의 다리의 움직임에 대한 영상을 출력하게 한다.
이를 통해 환자는 자신의 의지에 의해 발을 움직이되, FES(기능적 전기자극)의 도움으로 발을 움직이는 재활훈련을 하게 되며, 환자가 본인 발의 움직이는 영상을 봄으로써 바이오피드백의 효과를 가져온다.
경우에 따라서는 카메라부(500)를 생략할 수 있으며, 이 경우에는 모니터부(310)에는 제시영상만 출력된다. 도 1에서는 뇌파전송 및 FES 구동신호전송을 유선으로 나타내고 있으나, 경우에 따라서는 이들을 무선으로 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 개략적인 구성도이며, 도 3은 본 발명에서 뇌파측정을 위한 전극부착부위를 설명하는 설명도이다.
도 2에서와 같이, 본 발명의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기는 EEG 검출부(100), 신호수집부(250), 제어부(300), 모니터부(310), 키입력부(320), 메모리부(330), D/A변환부(350), FES부(400), 카메라부(500)를 포함하여 이루어진다.
EEG 검출부(100)는 EEG신호를 검출하여, 베타파와 세타파를 검출하기위한 수단으로, EEG전극부(110), EEG신호전처리부(150)를 포함한다.
EEG전극부(110)는 2개의 신호전극을 구비하며, 또한 기준전극(reference electrode)과 접지전극(ground electrode)을 구비한다(도 3참조). 2개의 신호전극은 정중부를 기준으로 좌우 양측의 전두엽부에 장착된다. 즉, 뇌파 전극 부착은 머리 표면의 2개 부위에서 단극유도(monopolar derivation) 방식으로 적용되며, 전극의 부착 위치는 10~20 국제 전극배치법에 따라 좌측 전전두부(Frontopolar 1, Fp1), 우측 전전두부(Frontopolar, Fp2)에 전극을 부착되고, 기준전극(reference electrode)은 우측 귓불 뒤, 접지전극(ground electrode)은 좌측 귓불에 부착된다. EEG전극부(110)는 AgCl 전극을 사용할 수 있다.
EEG신호전처리부(150)는 전원 잡음을 제거하고, 증폭을 하며, 알파파와 베타파와 세타파를 포함하는 EEG신호를 검출한다.
EEG신호전처리부(150)는 5Hz ~ 50Hz의 EEG 신호를 통과시키고, 증폭시킨 후, 신호수집부(250)를 통해 디지탈신호로 변환하여 제어부(300)로 전달하며, 제어부(300)는 디지털 필터링을 통해, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출한다.
신호수집부(250)는 EEG신호전처리부(150)의 출력을 디지탈신호로 변환하여 제어부(300)로 전달한다. 신호수집부(250)의 대신에 A/D변환기를 사용할 수 있다.
제어부(300)는 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 전반적인 제어를 행한다. 제어부(300)는 키입력부(320)에서 시작신호를 수신하면, 메모리부(330)에 저장되어 있는 하지 및 보행을 위한 영상을 읽어들여 모니터부(310)로 출력하고, 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파 등을 검출하고, 검출된 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파를 각각 FFT를 행하여 파워스펙트럼을 구하고, 수학식 1에 의해 뇌파 집중지표를 구한다. 즉, SMR 베타파의 파워스팩트럼과 Mid 베타파의 파워스팩트럼을 더한 값을 세타파 파워스팩트럼으로 나눈 값인 뇌파 집중지표를 구한다.
또한, 제어부(300)는 뇌파집중지표가 문턱치보다 높거나 같으면, FES자극신호를 생성하여, FES구동부(450)로 출력한다. 또한 제어부(300)는, 카메라부(500)로부터, 환자의 다리의 움직임에 대한 촬영영상을 수신하고, 수신된 촬영영상을 모니터부(310)로 전송하여 출력하게 한다. 또한 제어부(300)는, 키입력부에서 종료신호를 수신하면(즉, 종료 플레그가 세트되면), 종료한다.
특히, 제어부(300)는 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출하기위해, 수신된 EEG 신호에서 디지탈필터링을 통해 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출한다. 이 경우, 알파파는 8~12Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출된 출력이며, SMR 베타파는 12~15Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출된 출력이며, Mid 베타파는 16~20Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출된 출력이며, 쎄타파는 5~8Hz 의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출된 출력이다.
경우에 따라서는 제어부(300)에서 디지탈필터링을 통해 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파를 검출하지 않고, EEG신호전처리부(150)에서 아날로그 필터링을 통해 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파를 검출하며, 이렇게 검출된 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파의 뇌파를 신호수집부(250)를 통해 제어부(300)가 수신할 수도 있다.
뇌파측정에 있어 집중지표는 수학식1로 정량화 되며, 집중상태에서 쎄타 리듬은 줄어들면서 주변상황을 경계하는 주의(unfocused attention) 능력을 의미하는 SMR(12-15)과 주의를 기울이는 능력(focused attention)을 의미하는 Mid-Beta리듬(16-20)이 증가하게 된다.
제어부(300)는 마이크로콘트롤러(MCU), 마이크로프로세서 또는 컴퓨터로 이루어질 수 있다.
본 발명에서는 치료초기(훈련 전)에 환자(피험자)의 전경골근에 1mA에서 50mA까지 전류를 수동적으로 조절하여 흘리고, 환자(피험자)의 족관절 반응이 일어나기 시작한 전류크기를 검출하여 자극강도로하며, 환자(피험자)의 10번의 집중 검사를 실시하여 10회의 집중지표의 평균을 구하여 문턱치(역치)로 한다.
또한, 본 발명은 치료시에 환자(피험자)에게 모니터 화면을 보며 발목 움직임에 집중을 하도록 한 후, 집중지표의 수치가 문턱치를 넘었을 경우 제어부(300)가 FES 구동신호를 생성하여 FES부(400)의 FES구동부로 출력하게 되어, 결과적으로 환자의 집중에 따라 뇌의 변화(EEG신호)에 따라 기능적 전기자극이 유발 된다.
본 발명의 뇌-컴퓨터 인터페이스 기반 기능적 전기자극 훈련의 적용기간은 1회 30분간 적용하며 1일 1회, 주3회 5주간 실시할 수 있다.
모니터부(310)는 하지 및 보행의 훈련 영상, 다양한 발목훈련 관련 영상을 제시영상으로서 디스플레이한다. 발목훈련 관련 영상으로, 전경골근(tibial muscle) 등을 단련시키는 훈련 영상이 제공될 수 있으며, 발목훈련 관련 영상의 일예로서, 발목의 배측굴곡운동 관련 영상을 디스플레이할 수 있다. 또한 모니터부(310)는 뇌파집중지표, 뇌파의 각 파워스펙트럼 등을 표시하여 환자로 하여금 자신의 집중정도를 알 수 있게 한다. 또한 모니터부(310)는 제어부(300)로부터 수신된 환자의 발운동 영상을 출력한다.
키입력부(320)는 시작키, 종료키를 구비하며, 주파수, 수축시간, 이완시간, 자극 시간(pulse width), 자극 강도를 설정할 수 있다.
메모리부(330)는 각 환자별 문턱치 및 자극강도를 저장하고 있으며, 또한 모니터부(310)로 디스플레이하기위한 하지 및 보행의 훈련 영상 등을 저장하고 있다.
D/A변환부(350)는 제어부(300)가 FES구동신호를 아날로그신호로 변환하여 FES부(400)의 FES구동부(450)로 전송한다.
FES부(400)는 제어부(300)로부터의 FES구동신호를 D/A변환부(350)를 통해 수신하여 미세전류를 출력하여 기능적 전기자극을 출력한다. FES부(400)는 FES전극부(410)와 FES구동부(450)로 이루어진다.
FES전극부(410)는 자극전극으로, 훈련하고자 하는 기능과 관련된 근육에 장착된다. FES전극부(410)는 50 × 50 ㎜ 크기의 표면 전극 1쌍으로 이루어질 수 있다.
FES전극의 부착 부위는 족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부(비골두 하방 5㎝)에 비활성 전극을 배치하고, 활성전극은 원위부(비골 외과 상방 5㎝)에 각각 배치할 수 있다. 자극 전류의 강도는 자극에 대한 족관절의 반응에 따라 1mA에서 50mA까지 수동적으로 조절가능하다. FES의 적용기간은 1회 30분간 적용하였으며 1일 1회, 주3회 5주간 실시 할 수 있다.
FES구동부(450)는 제어부(300)로부터의 FES구동신호를 D/A변환부(350)를 통해 수신하여, FES구동신호에 따라 FES전극부(410)를 통해 미세전류를 출력하여 기능적 전기자극을 한다.
카메라부(500)는 환자의 다리의 움직임을 촬영하여, 제어부(300)로 전송한다. 카메라부(500)는 1개만 구비되어 환자의 일측 발 영상을 촬영할 수도 있고, 또는 환자의 좌우에 구비되어 환자의 양측발 영상을 촬영할 수도 있고, 또는 환자의 좌우 및 전면에 구비될 수도 있다.
본 발명에서 제어부(300)는 뇌파를 5∼50 ㎐ 구간만을 추출하여 분석하도록 이루어져 있으며, 알파파, 베타파, 쎄타파 등등의 각 파워스펙트럼을 구할 뿐만아니라, 뇌파 전체의 파워스펙트럼인 절대 파워스펙트럼을 구하고, 알파파, 베타파의 각 파워스펙트럼을 절대 파워스펙트럼으로 정규화한 상대 파워스펙트럼을 구하여, 이들 결과를 모니터부(310)로 출력한다. 즉, 검출된 뇌파(EEG) 신호는 주파수로 변환하기 위한 필터링 방법인 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 실시한다. FFT는 주파수 공간에 주파수 성분별로 기여도를 나타내는 것으로 X축은 주파수를 나타내고, Y축은 파워값을 나타내며 특정 주파수에 따른 진폭량인 뇌전위 파워 스펙트럼(power spectral analysis)으로 나타내게 한다. 이때에 산출된 값은 절대 파워(absolute band power)로, 신호의 진폭을 제곱한 값이다. 상대 파워(relative band power)는 절대파워에 특정 주파수 대역의 절대 파워비율을 뜻하고 0에서 1사이 값을 가지며 백분율(0~100%)로 표시하며, 상대 파워 분석은 피험자 별로 차이가 날 수 있는 두개골 두께 차이나 측정 당시 긴장도 차이 등의 개인 간 뇌파 차이를 보정하기 위해 이용한다. 특히, 본 발명에서는 상대 알파파(8~12 /5~50 )과 상대 베타파(12~20 /5~50 )를 분석한다.
도 4는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 일예를 설명하는 블럭도이다.
EEG 검출부(100)는 EEG전극부(110), EEG신호전처리부(150)를 포함하되, EEG신호전처리부(150)는 전치증폭기(160), 노치필터(170), 고역필터(180), 제1증폭기(190), 저역필터(210), 제2증폭기(220)를 포함한다.
전치증폭기(160)는 EEG전극부(110)의 2개의 신호전극에서 출력된 뇌파신호를 차동증폭한다.
노치필터(170)는 대역저지필터로 50Hz 또는 60Hz의 전원 노이즈를 제거한다.
고역필터(180)는 노치필터(170)에서 출력된 뇌파신호로부터 5Hz 주파수 이상의 뇌파신호를 통과시킨다.
제1증폭기(190)는 고역필터(180)에서 출력된 뇌파신호를 증폭한다.
저역필터(210)는 제1증폭기(190)에서 출력된 뇌파신호로부터 50Hz 이하의 신호를 통과시킨다.
제2증폭기(220)는 저역필터(210)에서 출력된 뇌파신호를 증폭한다. 제2증폭기(220)의 출력신호는 신호수집부(250)를 통해 제어부(300)로 전송된다.
고역필터(180)와 저역필터(210)를 통해 5∼50 ㎐의 뇌파만 검출하게된다.
도 5는 도 2의 EEG 검출부의 구성의 다른 일예를 설명하는 블럭도이다.
EEG 검출부(100)는 EEG전극부(110), EEG신호전처리부(150)를 포함하되, EEG신호전처리부(150)는 전치증폭기(160), 노치필터(170), 파형별 신호전처리부(230)을 포함하며, EEG전극부(110), 전치증폭기(160), 노치필터(170)는 도 4와 같다.
파형별 신호전처리부(230)는 세타파 신호전처리부(260), SMR베타파 신호전처리부(270), Mid베타파 신호전처리부(280), 알파파 신호전처리부(290)을 포함한다.
세타파 신호전처리부(260)는 세타파 밴드패스필터(263), 세타파 증폭기(267)를 포함하며, 세타파 밴드패스필터(263)는 5~8Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하고, 이렇게 필터링되어 검출된 세타파 신호를 세타파 증폭기(267)는 증폭한다.
SMR베타파 신호전처리부(270)는 SMR베타파 밴드패스필터(273), SMR베타파 증폭기(277)를 포함하며, SMR베타파 밴드패스필터(273)는 12~15Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하고, 이렇게 필터링되어 검출된 SMR베타파 신호를 SMR베타파 증폭기(277)는 증폭한다.
Mid베타파 신호전처리부(280)는 Mid베타파 밴드패스필터(283), Mid베타파 증폭기(287)를 포함하며, Mid베타파 밴드패스필터(283)는 16~20Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하고, 이렇게 필터링되어 검출된 Mid베타파 신호를 Mid베타파 증폭기(287)는 증폭한다.
알파파 신호전처리부(290)는 알파파 밴드패스필터(293), 알파파 증폭기(297)를 포함하며, 알파파 밴드패스필터(293)는 8~12Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하고, 이렇게 필터링되어 검출된 알파파 신호를 알파파 증폭기(297)는 증폭한다.
도 6은 본 발명의 EEG전극부의 일예이다.
도 6과같이, EEG전극부(110)는 밴드타입으로 양단에 벨크로어를 구비하여 머리에 장착시 둘레를 조절하여 머리에 고정되게 하였다.
도 7은 도 2의 디스플레이부로 제시된 제시영상의 일예이고, 도 8은 다양한 배측굴곡 각도로 발목운동하는 제시영상의 예이다.
도 7에서와 같이, 앞발을 위아래로 올리는 발목의 배측굴곡운동을 하는 영상을 환자에게 제시할 수 있다. 이 경우, 환자의 상태에 따라, 도 8에서와 같이, 다양한 배측굴곡 각도로 발목운동하는 제시영상을 디스플레이부(310)로 출력할 수 있다. 도 8의 (a)는 배측굴곡 10도인 제시영상이며, 도 8의 (b)는 배측굴곡 15도인 제시영상이며, 도 8의 (c)는 배측굴곡 20도인 제시영상이며, 도 8의 (d)는 배측굴곡 25도인 제시영상이다.
도 9는 도 2의 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 제어부의 구동방법을 나타낸다.
시작여부판단계로, 키입력부(320)의 시작키가 온(ON)됨에 따라 제어부(300)의 시작플레그가 세트(set)되며, 시작플레그가 세트되지 않았다면 시작플레그가 세트될때 까지 기다린다(S105).
초기화단계로, 설정모드, 문턱치값 등을 읽어들이며, 타이머 등을 클리어한다(S110).
영상출력단계로, 메모리(330)으로부터 읽어들인 하지 및 보행의 훈련 영상을 모니터부(310)으로 출력한다(S115).
주파수 구간별 뇌파 검출단계로, 신호수집부(250)으로부터 수신된 뇌파신호를 디지털 필터링을 통해 알파파, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파, 베타파 등의 주파수 구간별 뇌파를 검출한다(S120).
파워스펙트럼 연산단계로, 주파수 구간별 뇌파 검출단계에서 구한, 각 주파수 구간별 뇌파의 파워스펙트럼과, 상대 알파파 파워스펙트럼와 상대 베타파 파워스펙트럼을 구한다(S125).
뇌파 집중지표 검출단계로, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 파워스펙트럼을 이용하여 뇌파 집중지표를 연산한다(S130).
뇌파집중지표와 문턱치 비교단계로, 뇌파 집중지표 검출단계에서 구한 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같은지 여부를 판단하며(S140), 문턱치보다 작다면, FES 자극신호를 출력하지않고(S145), 종료여부판단계(S160)로 간다.
FES 자극신호 생성단계로, 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같다면, FES 자극신호를 생성하여, FES구동부(450)으로 출력한다(S150).
종료여부판단계로, 키입력부(320)의 종료키가 온(ON)되거나, 타이머가 설정시간이 되면, 제어부(300)의 종료플레그가 세트(set)되며, 종료플레그가 세트되었는지 여부를 판단하여(S160), 종료플레그가 세트되지 않았다면, 주파수 구간별 뇌파 검출단계(S120)으로 되돌아가며, 종료플레그가 세트되었다면 종료한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100 : EEG 검출부 110 : EEG전극부
150 : EEG신호전처리부 160 : 전치증폭기
170 : 노치필터 180 : 고역필터
190 : 제1증폭기 210 : 저역필터
220 : 제2증폭기 250 : 신호수집부
300 : 제어부 310 : 모니터부
320 : 키입력부 330 : 메모리부
350 : D/A변환부 400 : FES부
410 : FES전극부 450 : FES구동부
150 : EEG신호전처리부 160 : 전치증폭기
170 : 노치필터 180 : 고역필터
190 : 제1증폭기 210 : 저역필터
220 : 제2증폭기 250 : 신호수집부
300 : 제어부 310 : 모니터부
320 : 키입력부 330 : 메모리부
350 : D/A변환부 400 : FES부
410 : FES전극부 450 : FES구동부
Claims (22)
- 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 좌측 전전두부(Fp1)과 우측 전전두부(Fp2)에 장착되는 2개의 신호전극을 포함하여 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부;
EEG전극부로부터 수신된 뇌파에서 잡음을 제거하고 증폭하는 EEG신호전처리부;
EEG신호전처리부에서 수신된 뇌파를 디지탈신호로 변환하는 신호수집부;
신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출하고, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파로부터 뇌파 집중지표를 구하며, 뇌파 집중지표가 문턱치보다 크거나 같으면 FES구동신호를 생성하는 제어부;
제어부로부터 수신된 FES(기능적 전기자극) 구동신호에 따라 FES전극부로 미세전류를 출력하는 FES부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제1항에 있어서,
FES전극부가 장착된 환자 발의 운동 영상을 촬상하여 제어부로 전송하는 카메라를 더 구비하며, 제어부는 상기 환자 발의 운동 영상을 모니터로 출력하게 하는 것을 특징으로하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 장착되어 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부;
EEG전극부로부터 수신된 뇌파에서 잡음을 제거하고 증폭하는 EEG신호전처리부;
EEG신호전처리부에서 수신된 뇌파를 디지탈신호로 변환하는 신호수집부;
신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파를 검출하고, SMR 베타파, Mid 베타파, 쎄타파로부터 뇌파 집중지표를 구하며, 뇌파 집중지표가 문턱치보다 크거나 같으면 FES구동신호를 생성하는 제어부;
족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부 및 원위부에 장착되는 2개의 자극전극을 구비하여, 제어부로부터 수신된 FES(기능적 전기자극) 구동신호에 따라 FES전극부로 미세전류를 출력하는 FES부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제3항에 있어서,
FES전극부가 장착된 환자 발의 운동 영상을 촬상하여 제어부로 전송하는 카메라를 더 구비하며, 제어부는 상기 환자 발의 운동 영상을 모니터로 출력하게 하는 것을 특징으로하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 FES전극부는 2개의 자극전극으로 이루어지되, 2개의 자극전극은 족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부 및 원위부에 장착되는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
EEG전극부는, 좌측 전전두부(Fp1)와 우측 전전두부(Fp2)에 장착되는 2개의 신호전극과, 우측 귓불 뒤에 장착되는 기준전극(reference electrode)과, 좌측 귓불에 장착되는 접지전극(ground electrode)으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
뇌파 집중지표는, SMR 베타파의 파워스팩트럼과 Mid 베타파의 파워스팩트럼을 더한 값을, 세타파 파워스팩트럼으로 나눈인 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
신호수집부로부터 수신된 뇌파로부터 디지털 필터링을 통해, 알파파, 베타파를 더 구하며, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 더 구하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제8항에 있어서,
신호수집부로부터 수신되되 디지털 필터링을 거치지 않은 뇌파의 파워스펙트럼인 절대 파워스펙트럼을 구하고, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 절대 파워스펙트럼으로 각각 정규화한 상대 파워스펙트럼을 더 구하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제9항에 있어서,
절대 파워스펙트럼, 상대 알파파 파워스펙트럼, 상대 베타파 파워스펙트럼, 뇌파 집중지표 중 하나이상을 모니터부로 출력하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제8항에 있어서,
디지털필터링시,
알파파는 8~12Hz의 밴드패스 필터(대역통과필터)링을 행하여 검출되며,
SMR 베타파는 12~15Hz의 밴드패스 필터링을 행하여 검출되며,
Mid 베타파는 16~20Hz의 밴드패스 필터링을 행하여 검출되며,
쎄타파는 5~8Hz 의 밴드패스 필터링을 행하여 검출된 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
문턱치는, 치료전, 환자에게 10번의 집중 검사를 실시하여 얻어진, 10회의 집중지표의 평균을 구하여 문턱치로 하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
FES전극부로 미세전류의 크기는, 치료전, 환자의 전경골근에 자극 전류의 강도를 1mA에서 50mA까지 변화하면서 흘렸을때 족관절반응이 일어나기 시작한 전류 크기로 하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
시작키, 종료키를 구비하며, 주파수, 수축시간, 이완시간, 자극 시간(pulse width), 자극 강도를 설정할 수 있는 키입력부;
환자별 문턱치 및 자극강도를 저장하는 메모리부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
EEG신호전처리부는,
EEG전극부에서 출력된 뇌파신호를 차동증폭하는 전치증폭기;
전치증폭기로부터 수신된 뇌파에서 50Hz 또는 60Hz의 전원 노이즈를 제거하는 노치필터;
노치필터에서 출력된 뇌파신호로부터 5Hz 주파수 이상의 뇌파신호를 통과시키는 고역필터;
고역필터에서 출력된 뇌파신호를 증폭하는 제1증폭기;
제1증폭기에서 출력된 뇌파신호로부터 50Hz 이하의 신호를 통과키는 저역필터;
저역필터에서 출력된 뇌파신호를 증폭하는 제2증폭기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 제7항에 있어서,
EEG전극부가 장착된 밴드를 전두부를 감도록 이루어지되, 상기 밴드의 양단에 벨크로어를 구비하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기. - 하지 또는 발 훈련영상을 모니터를 통해 보는 환자의 전두부에 뇌파(EEG)를 검출하는 EEG전극부가 장착되며, 제어부가 상기 뇌파로부터 뇌파 집중지표를 검출하여 뇌파 집중지표가 기설정된 문턱치보다 크거나 같을때 하지에 장착된 FES부를 구동시키는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법에 있어서,
메모리로부터 하지 또는 발의 훈련 영상을 읽어들여 모니터부으로 출력하는, 영상출력단계;
EEG전극부에서 검출된 뇌파신호를 신호수집부를 통해 수신하여, 수신된 뇌파신호를 디지털 필터링을 통해 SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 주파수 구간별 뇌파를 검출하는, 주파수 구간별 뇌파 검출단계;
상기 주파수 구간별 뇌파 검출단계에서 구한, SMR 베타파, Mid 베타파, 세타파의 각 주파수 구간별 뇌파의 파워스펙트럼을 구하여 뇌파 집중지표를 연산하는, 뇌파 집중지표 검출단계;
상기 뇌파 집중지표 검출단계에서 구한 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같은지 여부를 판단하는 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계;
상기 뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 크거나 같다면, FES 자극신호를 생성하여, FES구동부로 출력하는 FES 자극신호 생성단계;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법. - 제17항에 있어서,
상기 FES 자극신호 생성단계 후, 키입력부의 종료키가 온되거나, 타이머가 설정시간이 완료되었다면, 종료하고, 그렇지않다면, 주파수 구간별 뇌파 검출단계로 되돌아가는 종료여부판단계;
를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법. - 제17항에 있어서,
주파수 구간별 뇌파 검출단계는, 신호수집부를 통해 수신된 뇌파신호로부터 디지털 필터링을 통해 알파파, 베타파를 더 검출하며, 디지털 필터링을 거치지 않은 뇌파, 알파파, 베타파의 파워스펙트럼을 구하여, 상대 알파파 파워스펙트럼와 상대 베타파 파워스펙트럼을 구하는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법. - 제18항에 있어서,
뇌파집중지표와 문턱치 비교단계에서, 뇌파집중지표가 기 설정된 문턱치보다 작다면, 제어부는 FES 자극신호를 출력하지않고 종료여부판단계로 가는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법. - 제17항에 있어서,
FES부의 FES전극부는 2개의 자극전극으로 이루어지되, 2개의 자극전극은 족저굴곡근의 길항근인 전경골근의 근위부 및 원위부에 장착되는 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법. - 제17항에 있어서,
EEG전극부는, 좌측 전전두부(Fp1)와 우측 전전두부(Fp2)에 장착되는 2개의 신호전극과, 우측 귓불 뒤에 장착되는 기준전극(reference electrode)과, 좌측 귓불에 장착되는 접지전극(ground electrode)으로 이루어진 것을 특징으로 하는, 하지기능 및 보행기능을 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스를 기반한 기능적 전기자극치료기의 구동방법.
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