ALS 환자를 위한 HCI 및 BCI 기반의 주변환경 제어 시스템 개발

Abstract

근위축성 측색 경화증 (Amyotrophic lateral sclerosis; ALS)는 발병원인이 명확하게 밝혀지지 않은 질병 중 하나로써, 근육의 약화와 위축, 경련의 증상을 보이면서 환자의 언어능력 감소, 호흡장애 및 사망에 이르게 하는 질병이다. 이 질병의 특징으로는 일반적인 척수손상 등으로 인한 사지마비 환자들과는 다르게 점진적으로 증상이 심각해진다는 점과, 간병인이 필요하게 되며 정상인을 대상으로 제작된 거의 모든 도구들의 사용이 불가능하고 자유의사에 따른 행동이 점진적으로 불편해진다는 점에 있어서 점차 환자 삶의 질이 악화된다는 점이다. 위와 같은 불편함을 해소하고 생애 연명기간 동안의 삶의 질 향상을 위하여 Human-computer interface(HCI) 및 Brain-computer interface(HCI)와 같은 의사소통 및 활동 보조를 위한 연구들이 진행되어 왔다. 그러나 기존 연구들의 적은 제어가능 개수, 낮은 정확도 및 실생활에 활용되는 기기제어들이 불가능 했다는 점에서 실용성이 떨어진다는 단점을 가지고 있었으며, 기술적으로 익숙하지 않은 사용자층이 이용하기에 구축 및 사용환경이 어렵고 비용이 많이 든다는 단점이 있었다. 본 연구에서는 이러한 단점들을 극복하고 실생활에 사용가능한 향상된 주변환경 기기제어 시스템을 개발하고자 첫째로 설문과정을 통한 사용자별 최적의 HCI 및 BCI 패러다임을 제시하고 사용자의 수요를 파악하며, 두번째로 혼합형 HCI/BCI 시스템을 이용하여 False positive rate(FPR)의 감소와 정확도 상승 및 넓은 사용자층에 다양하게 적용할 수 있도록 하고, 마지막으로 IoT를 기반으로 한 주변환경 기기제어 시스템을 이용하여 기존 상용제품 및 사용자의 일반 장비를 최대한 활용하면서도 저렴하고 확장성이 매우 넓은 장비시스템을 구축하였다. 결과적으로 설문을 통하여 사용자별 최적화의 필요성을 확인할 수 있었으며, 소프트웨어 측면에서 기존 BCI 및 HCI 시스템에 준하는 성능과 단일 BCI 시스템에 비해 굉장히 낮은 수준의 FPR을 이룩하였으며, 다양한 실생활 기기들을 실제로 여러 정상인 및 ALS 환자들이 실제로 이용할 수 있도록 시스템을 구축하고 사용해보는 기회를 줄 수 있었다.; Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is an unexplained disease that causes symptoms of weakness, atrophy, and seizures of the muscles, resulting in decreased language ability of the patient, respiratory disorders and diseases that lead to death. The characteristics of this disease are different from those of patients with limb paralysis caused by general spinal cord injuries. The symptoms gradually become more serious, and caregivers are needed. Almost none of the tools made for normal persons can be used. The patient's quality of life gradually worsens as movement becomes progressively more uncomfortable. Studies have been conducted on communication and activity aids such as human-computer interface (HCI) and brain-computer interface (BCI) to improve quality of life. However, existing studies have shown that these have disadvantages in that they have low practicality with low controllability and low accuracy. In addition, there are the disadvantages that they are difficult and expensive to construct and use because the user group is not technically knowledgeable. In this study, we tried to overcome these drawbacks and develop an improved peripheral environment control system that can be used in real life. First, we presented the optimal HCI and BCI paradigm for each user through the survey process. Second, by using a hybrid HCI/BCI system, it was possible to reduce the false positive rate (FPR). Finally, an IOT-based peripheral equipment control system was used to build a cheap and highly scalable equipment system while making maximum use of existing commercial products and users' general equipment. As a result, we could confirm the necessity of user-specific optimization with the questionnaire. In terms of software, we achieved performance comparable to that of existing BCI and HCI systems and a very low FPR compared to a single BCI system. We were able to give patients an opportunity to build the system for real use.