일시적 시각유발전위를 이용한 뇌 스위치 시스템 개발

Abstract

근위축성 측색 경화증(Amyotrophic Lateral Sclerosis: ALS)과 같은 중증 근신경계 질환 환자들을 위한 다양한 뇌-컴퓨터 접속(Brain-Computer Interface: BCI) 연구가 활발히 진행되고 있다. BCI연구는 크게 두 가지로 분류되어 진행되고 있다. 첫째는 동기화 BCI 시스템 (synchronous BCI system)으로 정해진 실험 환경에서만 사용이 가능한 제약이 있다. 반면에 비동기화 BCI 시스템(asynchronous BCI system)은 사용자가 시간제약이 없이 자신이 원할 때 BCI시스템을 사용 가능한 시스템을 의미한다. 따라서 환자들의 독립적인 BCI 사용을 위해서 동기화 BCI 시스템 보다는 비동기화 BCI 시스템 개발이 요구되고 있다. 하지만 비동기화 BCI 시스템은 기본적으로 동기화 BCI 시스템보다 낮은 성능을 지니며, 사용자가 원치 않을 때 작동하는 오경보확률(false positive rate)을 처리하는데 어려운 문제점이 있다. 비동기화 BCI 시스템의 대안으로 뇌-스위치(brain switch) 시스템 연구가 개발되고 있다. 뇌-스위치 시스템은 운동 심상(motor imagery), 정상상태유발전위(SSVEP), P300등의 다양한 패러다임으로 개발되고 있다. 하지만 사지마비환자가 운동심상을 이용한 뇌-스위치 시스템을 이용하기 위해서는 움직임을 상상해야 하는 어려운 훈련을 필요로 하는 단점이 있다. 또한 빠르게 깜박거리는 시각자극을 주시해야 하는 SSVEP를 이용한 뇌-스위치 시스템은 사지마비 환자들이 사용하는데 눈의 피로감을 초래하며, 심지어 발작을 일으킬 수도 있다는 연구결과가 보고되고 있다. 본 연구에서는, 이러한 기존 뇌-스위치 시스템의 문제점을 극복하기 위해서 비교적 낮은 주파수로 깜박이는 (<1 Hz) 색체 시각 자극을 응시할 때 발생하는 일시적 시각 유발 전위(transient visual evoked potential: tVEP)에 기반을 둔 새로운 패러다임의 뇌-스위치 시스템을 개발하였다. 제안된 자극과 기존의 SSVEP 패러다임에서 많이 사용되는 채커보드 패턴 자극의 피로도를 비교하기 위한 설문조사를 진행하였고, 제안된 자극이 덜 피로하다는 설문결과를 확인하였다. 환자에게 실험하기 앞서 정상인을 대상으로 개발된 뇌-스위치 시스템의 유용성을 검증하기 위한 실험을 진행하였다. 스위치를 작동시킬 때와 스위치를 작동시키지 않으려고 할 때 두 가지를 구분하여, 각각 스위치가 작동할 때 걸리는 시간을 측정하였다. 스위치를 작동시키지 않으려고 할 때는 2가지로 구분하여, 고정점을 응시하게 하거나 영상을 보게 하였다. 온라인 실험결과 스위치를 켜는데 평균 13.69 초가 걸렸으며, 스위치를 작동 시키지 않으려고 할 때는 평균 122.65초가 걸린 것을 확인하였고, 이는 시각유발전위를 이용한 뇌-스위치 시스템이 사지마비 환자에게 실용적으로 적용 가능함을 확인하였다. |Brain-computer interface (BCI) has been suggested as a communication tool for motor-disabled who are not able to move themselves. BCI has been studied in largely two categories of timing control of BCI systems: synchronous and asynchronous BCI system. In synchronized BCI system, users are able to control the BCI system at given specific time which is determined by the experiment set-up. On the other hand, an asynchronous BCI system (also called a self-paced BCI system) allows BCI users to conduct intentional control anytime whenever they want. Development of asynchronous BCI system is indispensable for independent BCI control of the paralyzed patients. However, poor performance of the asynchronous system and dealing with false positive rate in idle state are still of great issues. As an alternative of asynchronous brain computer interface (BCI) systems, brain switch systems have been implemented using various paradigms such as motor imagery, steady-state visual evoked potential (SSVEP), and P300. However, Motor-imagery-based brain switch requires exhaustive training before each use of the brain switch system. Thus it is thought to be less practical than other dependent BCI paradigms. Brain switch based on steady-state visual evoked potential (SSVEP) or P300 have issues that users have to stare at high–frequency modulated flickering visual stimulation, which make them become fatigued and have possibility to get epileptic seizure. To circumvent this, we proposed a new transient VEP (tVEP)-based brain switch system by using a chromatic stimulus flickering at less than 1 Hz. Most subjects felt that the new stimulus was much more comfortable than the conventional checkerboard stimulus. Online experiments showed that the average time to turn on the brain switch system was 13.69 s, whereas the switch stayed in ‘off’ state for 122.65 s while the users watched a movie clip played at a different monitor, demonstrating the feasibility and usability of our brain switch system in practical scenarios.; Brain-computer interface (BCI) has been suggested as a communication tool for motor-disabled who are not able to move themselves. BCI has been studied in largely two categories of timing control of BCI systems: synchronous and asynchronous BCI system. In synchronized BCI system, users are able to control the BCI system at given specific time which is determined by the experiment set-up. On the other hand, an asynchronous BCI system (also called a self-paced BCI system) allows BCI users to conduct intentional control anytime whenever they want. Development of asynchronous BCI system is indispensable for independent BCI control of the paralyzed patients. However, poor performance of the asynchronous system and dealing with false positive rate in idle state are still of great issues. As an alternative of asynchronous brain computer interface (BCI) systems, brain switch systems have been implemented using various paradigms such as motor imagery, steady-state visual evoked potential (SSVEP), and P300. However, Motor-imagery-based brain switch requires exhaustive training before each use of the brain switch system. Thus it is thought to be less practical than other dependent BCI paradigms. Brain switch based on steady-state visual evoked potential (SSVEP) or P300 have issues that users have to stare at high–frequency modulated flickering visual stimulation, which make them become fatigued and have possibility to get epileptic seizure. To circumvent this, we proposed a new transient VEP (tVEP)-based brain switch system by using a chromatic stimulus flickering at less than 1 Hz. Most subjects felt that the new stimulus was much more comfortable than the conventional checkerboard stimulus. Online experiments showed that the average time to turn on the brain switch system was 13.69 s, whereas the switch stayed in ‘off’ state for 122.65 s while the users watched a movie clip played at a different monitor, demonstrating the feasibility and usability of our brain switch system in practical scenarios.