WO2014189327A1 - Ultrasonic wave output system for treating brain-brain interface and method therefor - Google Patents
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- A61N2007/0026—Stimulation of nerve tissue
Definitions
- the present invention relates to an ultrasonic output system and method for processing nerve function control, and to an ultrasonic output system and method for processing brain-brain interface (BBI) using brain waves and ultrasound.
- BBI brain-brain interface
- the conventional drug administration method may have side effects of the drug, and there is a problem that the selective treatment of a specific region is anatomically impossible.
- invasive therapies may inevitably be exposed to infection risk by invasion and there is a risk of having to open the skull.
- non-invasive neurological therapies have emerged, but there are limitations on the permeability to effectively transmit the energy into the skull and the limitations of spatial resolution.
- a non-invasive, high-resolution focused ultrasound sound stimulation technique has emerged, and this technique has been proposed as an alternative to non-invasive and precise control of nerve function.
- focused ultrasound cranial nerve stimulation allows spatially accurate transmission of sound wave energy to the target point in mm (for example, in mm), and does not cause thermal or physical damage to cellular tissues by controlling the ultrasonic intensity.
- the above technique may be applied to the peripheral nervous system as well as the central nervous system, and thus may be used to treat various types of neurological diseases.
- various neural functions and cognitive functions may be adjusted, and the corresponding neural function may be adjusted in a desired direction by combining various ultrasound stimulation variables. That is, according to the combination of the ultrasonic stimulation parameters, the nerve function may be enhanced or alleviated.
- the ultrasonic stimulation parameters for controlling the ultrasonic stimulation are as follows.
- 1 and 2 are diagrams for explaining the ultrasonic stimulation parameters.
- Ultrasonic stimulation parameters that can control ultrasonic stimulation include the central frequency (CF), tone burst duration (TBD), pulse repetition frequency (PRF), duty factor (DF), acoustic intensity (AI), and TST (ultrasound).
- CF central frequency
- TBD tone burst duration
- PRF pulse repetition frequency
- DF duty factor
- AI acoustic intensity
- TST ultrasound
- the PRF represents the number of times the unit of which the ultrasonic stimulation has been advanced is repeated for one second, and the DF is the percentage of the ultrasonic wave split in the unit time, which is calculated as TBD x PRF.
- AI refers to the ultrasonic energy applied to the unit area of the site where the ultrasound is split, either 'space-peak pulse-averaged intensity' (Isppa) or 'space-peak time-average intensity (Ispta)'. spatial-peak temporal-averaged Intensity).
- Isppa 'space-peak pulse-averaged intensity'
- Ispta spatial-peak temporal-averaged Intensity
- the combination of the ultrasonic stimulation parameters Depending on the combination of the ultrasonic stimulation parameters, the type or degree of sensation caused by the nervous system to which the stimulus is transmitted is changed. Therefore, there is a need for an optimal combination of ultrasonic stimulation parameters to control various cognitive or neural functions in a desired direction (strengthening or relaxation) and to a desired degree, or to generate multiple sensations.
- Korean Patent Publication No. 2010-0004659 (name of the invention: ultrasonic stimulator and ultrasonic stimulation method) outputs a control signal by selecting an output period of ultrasonic waves, a frequency of ultrasonic waves, and a conductor to output ultrasonic waves according to a user signal. Then, a technique for outputting the ultrasonic wave of the output period and the frequency in response to a control signal in water is disclosed.
- EEG analysis can be divided into time axis analysis and frequency axis analysis.
- time-base analysis of EEG signals EEG signals related to stimulus presentation are measured repeatedly, and the unit EEG fragments are aligned based on the time point at which the stimulus is presented, and then the average EEG potential is calculated based on the presentation time point.
- an event-related potential EBP
- EEG event-related potential
- SSVEP Steady State Visual Evoked Potential
- the steady state visual induced potential (SSVEP) component is an EEG signal using an EEG in response to repetitive visual stimuli. For example, if a person sees a flickering stimulus, the brainwave with the same frequency as the blinking stimulus is physically induced, and the vibrating brainwave with the same frequency as the stimulus is induced by the blinking visual stimulus. Is SSVEP.
- Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0002590 name of the invention: a character input interface device and a character input method of QWERTY type using the steady state visual oil generation level
- a character display unit in which a plurality of characters are displayed in QWERTY style
- EEG signal measuring unit for measuring the EEG signal of the user during the steady state visual genetic development induced by the visual stimulus due to the displayed character
- EEG signal analysis unit for analyzing the measured EEG signal and the analyzed EEG signal
- a character input interface device including a character output unit for outputting a corresponding character is disclosed.
- such a conventional brain-machine interface device only checks the keys selected by the subject on the keyboard keyboard, and even higher levels of information are associated with the subject without thinking about the actual pupil movement. (That is, information reflecting intention) has a disadvantage of not being able to be confirmed.
- an embodiment of the present invention is the mapping (mapping) to the optimal ultrasonic stimulation parameters that can be controlled in each direction of the desired direction and degree (that is, intensity) for each nerve function ) And by providing a non-invasive ultrasonic energy to the corresponding nervous system based on the calculated mapping information, providing an ultrasonic output system and method that can easily and non-invasively control the user's nerve function.
- mapping mapping
- degree that is, intensity
- another embodiment of the present invention is to provide an apparatus and method for providing an interface between the brain and the brain using the electroencephalogram and ultrasound, the focused ultrasound with excellent spatial resolution while penetrating the non-invasive skull ) Is applied to a computer-brain interface that can stimulate brain nerves by irradiating ultrasonic energy to a spatially precise (eg mm unit) target point, and a brain-computer interface using an electroencephalogram.
- the present invention aims to provide a brain-brain interface based on electroencephalogram-ultrasound.
- the ultrasonic output system for controlling the nerve function for controlling the nerve function according to the first aspect of the present invention, the mapping information for the N ultrasound stimulation parameters for each nerve function based on a predetermined algorithm
- a coordinate matching unit for matching the virtual focal coordinates of the ultrasound with the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered in a three-dimensional space and an ultrasound output unit for outputting an ultrasound based on mapping information corresponding to the searched target position, wherein the ultrasound output is performed.
- the blowing unit is a non-flowable medium to deliver the output ultrasound to the user And a transmission portion formed ultrasound.
- the ultrasound output method for controlling nerve function may include calculating mapping information on a plurality of ultrasound stimulation variables preset for each nerve function based on a preset algorithm. Storing the neural function by neural function, retrieving mapping information corresponding to a target position for outputting ultrasound and neural function to be controlled based on a preset search condition, and administering the virtual focal coordinates of the ultrasound and the actual ultrasound Matching coordinates of a target to be performed in three-dimensional space and outputting ultrasonic waves onto a non-flowable medium for transmitting ultrasonic waves based on mapping information corresponding to the retrieved target positions.
- the ultrasound output system for brain-brain interface includes a shape inference unit for inferring a shape reminiscent of the intention recognition object based on an EEG signal of the intention recognition object;
- a neural function information storage unit in which a combination of reference shapes and ultrasonic stimulation parameters are stored and stored for each of a plurality of preset brain nerve functions and corresponding nerve parts matched with the brain nerve functions; And detecting the reference shape corresponding to the inferred shape and outputting focused ultrasound based on a combination of the brain nerve function matched with the detected reference shape, a corresponding nerve region, and an ultrasonic stimulation parameter. It includes an ultrasonic output unit.
- the ultrasonic output method for the brain-brain interface through the ultrasonic output device measuring the EEG signal of the intention recognition object; Inferring a shape associated with the intention recognition object based on the EEG signal; Detecting a reference shape corresponding to the inferred shape among reference shapes matched by a plurality of preset brain nerve functions; Detecting a combination of the ultrasonic stimulation parameters matched to the detected reference shape among the preset combinations of the plurality of brain nerve functions and corresponding nerve regions corresponding to the brain nerve functions; And outputting focused ultrasound based on the detected combination of ultrasound stimulation parameters, wherein outputting the focused ultrasound includes irradiating the focused ultrasound to the brain of an ultrasound irradiation target. Output through the non-flowable ultrasonic transmission medium whenever possible.
- any one of the above-described problem solving means of the present invention by calculating the optimum ultrasonic stimulation parameter and outputting the ultrasonic wave using the mapping information for this, it is possible to remotely control various cognitive and neural functions in a non-invasive manner. That is, in order to control the cognitive or neural function to a desired direction and to a certain degree, by focusing the ultrasound on the target position and delivering ultrasound energy using a specific combination of ultrasound stimulation variables, the user can control the cognitive and neural function intended. have.
- any one of the problem solving means of the present invention it is easy to form a shape reminiscent of the intention recognition object by only the EEG signal measured from the brain of the intention recognition object that observes the stimulus divided into a plurality of frequencies and blinks. There is an effect that can be reconstructed correctly.
- any one of the problem solving means of the present invention it is possible to control and control the specific brain neuron function of the brain neuron control target (ie, ultrasound irradiation target) according to the intended cognitive target, so that the interface between the brain and the brain Has the possible effect.
- the brain neuron control target ie, ultrasound irradiation target
- any one of the problem solving means of the present invention it is possible to apply a combination of the ultrasound stimulation parameters optimized for each brain nerve function, the direction of intention for various brain cognitive functions and nerve functions (neural excitation or nerve suppression) And there is an effect that can adjust the degree of control.
- the pulse in the form of ultrasound (pulse) at low intensity (intensity)
- the nerve region of the brain corresponding to each function of the brain is set, the exact brain to the target of the ultrasound irradiation through the brain imaging method such as fMRI (functional magnetic resonance imaging)
- the position of the magnetic pole on the image can be detected.
- an infrared marker to the ultrasound generator and tracking it through an infrared camera
- the focal coordinates of the ultrasound generator can be tracked and understood in a three-dimensional space, and the ultrasound target generated using the ultrasound focal coordinates and the brain image will be used.
- any one of the problem solving means of the present invention it is possible to express the mental function of the brain generated as a function of time by converting it into an objective indicator called an EEG signal, and converts the EEG signal into a digital or analog data signal. / Wireless transmission is possible. Furthermore, the information generated in the brain can be received and decoded by a transmitter ('ultrasound output unit' in the embodiment of the present invention) acting on another brain, so that the data according to the mental action of the brain in the future is different. This can be the basis for a shift in action, ultimately enabling 'mental data' transmission.
- 1 and 2 are diagrams for explaining the ultrasonic stimulation parameters.
- FIG. 3 is a block diagram of an ultrasonic output system according to an exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a view illustrating an ultrasonic transmitting unit and an ultrasonic output unit.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example in which an ultrasonic output system is applied.
- FIG. 6 is a flowchart illustrating an ultrasonic output method according to an exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 7 is a view for explaining the concept of the brain-brain interface applied to another embodiment of the present invention.
- FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasound output system for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
- FIG. 9 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a shape inference unit using an EEG according to another embodiment of the present invention.
- FIG. 10 is a view for explaining an example of the associative shape inference method using the control method and the light emitting device arrangement of the light emitting device arrangement according to another embodiment of the present invention.
- FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an ultrasound irradiation position for each brain nerve function in another embodiment of the present invention.
- FIG. 12 is a block diagram illustrating a detailed configuration of an ultrasonic output unit according to another exemplary embodiment of the present invention.
- FIG. 13 is a flowchart illustrating an ultrasound output method for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a block diagram of an ultrasonic output system 300 according to an embodiment of the present invention.
- the ultrasonic output system 300 includes a calculator 310, a storage 320, a searcher 330, a coordinate matching unit 340, and an ultrasonic output unit 350.
- components shown in FIG. 3 mean software components or hardware components such as a field programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC), and perform predetermined roles. .
- FPGA field programmable gate array
- ASIC application specific integrated circuit
- 'components' are not meant to be limited to software or hardware, and each component may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.
- a component may include components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, and processes, functions, properties, procedures, and subs. Routines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables.
- Components and the functionality provided within those components may be combined into a smaller number of components or further separated into additional components.
- the calculator 310 calculates mapping information about N ultrasound stimulation variables for each neural function based on a preset algorithm.
- the N ultrasonic stimulation variables include the center frequency (CF) of the ultrasonic waves, the unit time (TBD) applied without stopping the ultrasonic stimulus, the number of repetitions of the ultrasonic stimulation unit per unit time (PRF), and the duty factor (DF) that is a product of the TBD and the PRF. ),
- the percentage occupied by the ultrasonic time administered in unit time, the ultrasonic energy applied per unit area (AI), and the total administration time (TST) of the ultrasonic stimulus may be used.
- the mapping information on the optimal ultrasonic stimulation variable may be calculated based on a preset algorithm.
- a preset algorithm assuming that N ultrasound stimulation variables are assumed to be one axis, a point for optimally adjusting and controlling neural function is found through a function of all axes.
- the information is the optimal combination stimulation parameter information of the corresponding nerve function control.
- mapping information on the ultrasonic stimulation parameter that causes the optimal tactile sensation may be calculated as follows.
- the center frequency is 1MHz and the stimulus exposure time of the ultrasonic waves is 1 second in total
- three conditions can be made as follows using the remaining three ultrasonic stimulation variables TBD, PRF, and AI.
- ultrasonic energy intensity (Isppa) Three cases can be considered: 395, 792, 1500 mW / cm2. As a result of combining each of the three cases, a total of 27 ultrasonic stimulation parameter combinations may be formed. In such a situation, the optimal combination of ultrasonic stimulation parameters can be found as follows.
- ultrasonic stimulation is applied to a specific part of the user's body to determine the kind of stimuli that the user feels subjectively (eg, tactile, cold, warm, painful, numb) and the degree of stimulation. It can be calculated from the subjective reporting of the user as a numerical value from 0 to 10. That is, 10 times of measurement is repeated for each condition, and when the same stimulus is repeated more than 5 times, the response is adopted as a reliable response. I can make it.
- the optimal combination of the ultrasonic stimulation parameters can be calculated by other methods besides the preset algorithm. For example, by simultaneously measuring electroencephalogram (EEG) at the time of ultrasound stimulation, a 'normal tactile sensation-induced potential detected near the primary somatosensory cortex of the user undergoing ultrasound stimulation ( Steady-state somatosensory evoked potential (SSSEP) 'and the ultrasound stimulus parameters, for example, whether they match the PRF, are inferred and the objective correlation between ultrasound and EEG can be inferred. It can be used as one of the approaches to objectively find the optimal combination of parameters of neural function control.
- EEG electroencephalogram
- SSSEP Steady-state somatosensory evoked potential
- the neural control effect may be systematically mapped by adjusting the time variable of the ultrasound presented in the form of pulse at the corresponding frequency.
- the time difference between the presented ultrasonic pulses is also set as a parameter so that the ultrasonic core stimulation parameters can be systematically adjusted by obtaining a function involved in the neural control function. Accordingly, mapping information about the ultrasonic stimulation variables that cause optimal nerve function control can be obtained.
- the ultrasonic stimulation parameters for controlling the nerve function should be calculated in a range in which the safety of the human body is recognized.
- the safety of the human body is a concept that includes information that the cells are not necrotic or physically damaged, the damage on the genome (DNA) in the cell nucleus.
- biosafety is verified using histological methods.
- the H & E staining method can be used to determine whether the tissue has been physically damaged, and the TUNEL staining method can be used to examine whether there is any damage on the DNA.
- the storage unit 320 stores mapping information about the ultrasonic stimulation variables calculated by the calculator 310 by dividing each nerve function and the ultrasonic stimulation position. That is, the storage unit 320 separately stores mapping information about the ultrasonic stimulation variables calculated for each neural function for each of the neural function and the ultrasonic stimulation position.
- the storage unit 320 may be a nonvolatile memory device such as a cache, a read only memory (ROM), a programmable ROM (PROM), an erasable programmable ROM (EPROM), an electrically erasable programmable ROM (EEPROM), and a flash memory.
- ROM read only memory
- PROM programmable ROM
- EPROM erasable programmable ROM
- EEPROM electrically erasable programmable ROM
- the present invention may be implemented as at least one of a volatile memory device such as a random access memory (RAM), or a storage medium such as a hard disk drive (HDD) or a CD-ROM.
- the searcher 330 searches for mapping information corresponding to a target position for outputting an ultrasound and a nerve function to be controlled based on a preset search condition.
- a target position for imparting ultrasonic stimulation as a search condition and a neural function classified according to the target position may be set.
- the coordinate matching unit 340 matches the virtual focal coordinates of the ultrasound and the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered in a three-dimensional space. That is, the target coordinates and the ultrasonic focus coordinates in the three-dimensional space are matched so that the virtual focus of the ultrasonic waves is matched to the searched target position so that the ultrasonic energy can be concentrated and delivered to the target.
- the ultrasound output unit 350 outputs ultrasound based on the mapping information corresponding to the searched target position.
- the ultrasonic output unit 350 includes an ultrasonic transmission unit 355 formed of a non-flowable or flowable medium to deliver the output ultrasonic waves to the user.
- the ultrasonic transmission unit 355 will be described with reference to FIG. 4 as follows.
- FIG. 4 is a diagram illustrating the ultrasonic transmission unit 355 and the ultrasonic output unit 350.
- the ultrasonic transmission unit 355 allows the ultrasonic energy generated by the ultrasonic output unit 350 to be optimally transmitted.
- the ultrasonic wave transmission unit 355 is a medium to which ultrasonic waves are delivered, in consideration of the portability side or the rigidity side to be attached to the device, instead of the conventional de-gassed water, the gel or rubber type It can be formed with a non-flowable medium of.
- the non-flowable medium of the ultrasonic transmitting part 355 is not limited thereto, and the ultrasonic transmitting part 355 may be formed using another type of non-flowing medium.
- the ultrasonic transmission unit 355 may be formed in a spherical shape.
- the shape of the focused ultrasound transducer may be matched to and closely adhered to the shape of a focused ultrasound transducer, thereby forming a structure capable of receiving and transmitting all of the generated ultrasounds.
- ultrasonic energy can be transmitted to the position made into a target, without disperse
- the shape of the ultrasonic transmitting part 355 may be formed in a different shape as well as spherical.
- the ultrasound output system 300 may further include a correction unit 360.
- the correction unit 360 may calculate a standard error of the mapping information based on the deviation according to the user. By correcting the mapping information based on the standard error calculated as described above, the user can use the user by personally performing an initial calibration step for each individual before using the apparatus to which the ultrasound output system 300 is applied.
- FIG 5 is a diagram illustrating an example in which the ultrasound output system 300 is applied.
- the ultrasonic output system 300 may be mounted on a home appliance remote control, a computer mouse, a smartphone, or a portable device.
- an ultrasonic output system 300 may be mounted inside a computer mouse that is generally used.
- the spherical ultrasonic transmission part 355 protrudes from the part where the thumb of the mouse touches, and the ultrasonic energy is transmitted to the user. Therefore, during the mouse operation, the user can artificially induce a warm or cold sensation through the ultrasonic stimulation of the tip of the thumb.
- the neural function of the user can be controlled remotely.
- FIG. 6 is a flowchart illustrating an ultrasonic output method according to an exemplary embodiment of the present invention.
- mapping information about N ultrasound stimulation variables for each neural function is calculated based on a preset algorithm (S610).
- the N ultrasound stimulation variables include the center frequency (CF) of the ultrasound, the unit time (TBD) applied without stopping the ultrasound stimulus, the percentage of ultrasound stimuli administered during the unit time, the number of repetitions of the ultrasound stimulation per unit time (PRF), Ultrasonic energy applied per unit area (AI) and total administration time (TST) of ultrasonic stimulation may be used.
- Mapping information may be calculated according to a predetermined algorithm using the ultrasonic stimulation variable.
- a predetermined algorithm assuming that N ultrasound stimulation variables are assumed to be one axis, a point for optimally adjusting and controlling neural function is found through a function of all axes.
- the ultrasonic stimulation variable combination consisting of coordinate values of each dimension in N dimensions becomes the optimal combination stimulation parameter information of the corresponding nerve function control.
- mapping information on the ultrasonic stimulation variables may be calculated by various methods, which are omitted in the following description as described in FIG. 3.
- mapping information is classified and stored for each neural function (S620). That is, mapping information about ultrasonic stimulation variables calculated for each neural function is separately stored for each neural function.
- mapping information corresponding to the target position for outputting the ultrasound and the nerve function to be controlled is searched based on a preset search condition (S630).
- a target position for imparting ultrasonic stimulation as a search condition and a neural function classified according to the target position may be set.
- the virtual focal coordinates of the ultrasound and the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered are matched in three-dimensional space (S640).
- the position of the hippocampus responsible for the memory of the brain can be calculated using MRI to calculate three-dimensional position coordinates in any subject's brain, and based on the MRI three-dimensional image with the skull fixed. It is possible to know exactly the position of.
- the infrared marker is fixed and attached to the ultrasonic generator, the accurate position in the three-dimensional space of the ultrasonic generator can be tracked through the infrared camera.
- the coordinate values of the ultrasonic focal points in the three-dimensional space can also be confirmed.
- the ultrasound focus can be focused on the exact three-dimensional space desired by the user. Accordingly, ultrasonic energy can be concentrated and delivered.
- the ultrasonic wave is output on the flowable or non-flowing medium for transmitting the ultrasonic wave (S650).
- the non-flowable medium for transmitting the ultrasonic waves may be formed of a gel or rubber.
- the non-flowable medium may be formed into a spherical shape.
- the type and shape of the medium are not limited thereto, and may be formed in various media or shapes capable of optimally delivering ultrasonic energy.
- the ultrasonic output method for controlling neural function comprises the steps of calculating the standard error of the mapping information for the ultrasound stimulation variable based on the deviation according to the user and correcting the mapping information based on the standard error It may further include.
- a correction step it is possible to use the user personally after the initial correction step for each individual before using the device to which the ultrasonic output method is applied.
- the nerve function is controlled by outputting ultrasonic energy to be irradiated to various parts of the living body through the ultrasonic output system and method according to the exemplary embodiment of the present invention.
- the ultrasonic output system and method according to another exemplary embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 7 to 13.
- the ultrasonic output system and method according to another embodiment of the present invention while outputting the ultrasonic energy to be irradiated to a specific portion (ie, brain) of various biological parts, the electroencephalogram (electroencephalography) of another target that is not the target of the ultrasonic energy output
- the brain-brain interface (BBI) can be processed by outputting ultrasonic energy based on the subject's judgment intention recognized by.
- FIG. 7 is a view for explaining the concept of the brain-brain interface applied to another embodiment of the present invention.
- the ultrasound output system 100 for a brain-brain interface processes an interface between brains of different objects.
- the ultrasound output system 100 measures an EEG signal from a brain of an intention recognition object and recognizes an intention based on an electroencephalogram (EGE) according to the measured EEG signal. Infer a specific shape associated with the object.
- the ultrasound output system 100 detects and detects a combination of optimal ultrasound stimulation variables that will control a specific neural function of another brain (hereinafter referred to as a 'brain of an ultrasound object'), which is matched to the inferred shape. Based on the information, a focused ultrasound is outputted so as to be irradiated to a specific part of the brain of the ultrasound irradiation target.
- the nerve part corresponding to the specific nerve function among the brain parts of the brain to be irradiated is set as a target nerve part to be irradiated with ultrasound.
- the ultrasound output system 100 includes a brain-computer interface (BCI) based on an electroencephalogram and a computer-brain interface (CBI) based on an ultrasound.
- BCI brain-computer interface
- CBI computer-brain interface
- the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention, as shown in Figure 7, not only people (ie, intention recognition object) vs. people (ie, ultrasound irradiation target), but also human-to-animal and animal-to-animal It is possible to interface between brains of various organisms.
- FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasound output system for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
- the ultrasonic output system 100 may include a light emitting device arrangement 110, a shape inference unit 120, a neural function information storage unit 130, and an ultrasonic output unit. 140 and the MRI photographing unit 150 is configured.
- a plurality of light-emitting elements are arranged spaced apart from each other at regular intervals.
- intervals in which the plurality of light emitting elements are spaced apart may be psychophysically meaningful intervals, and may be set based on results of experiments in advance. That is, they are arranged to have sufficient visual separation resolution between each light emitting device array.
- the light emitting device arranging unit 110 includes a plurality of light emitting devices arranged in a matrix form, and two or more light emitting devices are disposed at positions where each row and column cross each other. Can be arranged. Accordingly, each row and column may be configured independently of each other without sharing the light emitting elements at the crossing positions, such that the rows and columns may blink (ie, blink) at their own independent frequencies.
- the light emitting devices of the light emitting device array 110 are blinked at different frequencies for each arrangement position.
- the object of recognition is to look at the light emitting device arrangement 110.
- the symbols of the light emitting devices RD1 to RD25 and the light emitting devices CD1 to CD25 of the columns are different from each other.
- the light emitting devices of the matrix may be easily distinguished from each other. It may be of the same kind.
- the light emitting device may be a light emitting diode (LED), and may be any one of red, green, and white light emitting diodes.
- the object to be viewed by the intention recognition object is described as an example of the light emitting element array unit 110 to generate an EEG signal according to the intention. It may also be an output device such as a display. In this case, the pixel line of the output device may be configured to be the same as or similar to the form in which the light emitting elements are arranged in the light emitting element array and a method of controlling the light emitting elements.
- the shape inference unit 120 infers the shape associated with the intention recognition object based on the EEG signal of the intention recognition object.
- the configuration and operation of the shape inference unit 120 will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.
- FIG. 9 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a shape inference unit according to another exemplary embodiment of the present invention.
- 10 is a view for explaining an example of an associative shape inference method using a control method and a light emitting device arrangement of a light emitting device arrangement according to another embodiment of the present invention.
- the shape inference unit 120 includes a light emitting device control module 121, an EEG measurement module 122, and a shape analysis module 123.
- the light emitting device control module 121 controls the plurality of light emitting devices arranged in the light emitting device array unit 110 to blink at different frequencies for each array position.
- the light emitting device control module 121 may control various blinking operation conditions such as the total time of blinking, the brightness of blinking, and the selection of the light emitting device to be blinked.
- the light emitting device control module 121 may classify the light emitting devices of the light emitting device array unit 110 into a plurality of groups, and control the light emitting devices to blink according to differently set frequencies for each group. For reference, the light emitting device control module 121 may reduce eye fatigue by setting the light emitting devices to be watched by the intention recognition object at high frequency.
- the light emitting device control module 121 divides and groups a plurality of light emitting devices into a plurality of preset array position ranges, and includes one row or all of the light emitting devices arranged in a matrix form as shown in FIG. A plurality of light emitting elements arranged on the arrangement position of the columns can be grouped into one group.
- the light emitting device control module 121 may set different frequencies for each of the plurality of groups, and control the light emitting devices in each group to flash at the same frequency. For example, in FIG. 10, 35 Hz, 15 Hz, 5 Hz, 25 Hz, and 45 Hz are set in five rows of the light emitting element array 110, and 49 Hz, 28 Hz, 7 Hz, 21 Hz, and 14 Hz are set in five columns, respectively. It was.
- the light emitting device control module 121 may set a bandwidth difference between frequencies for each row or column so that the difference is greater than or equal to a preset threshold. In addition, the light emitting device control module 121 may allocate a frequency to each row and column such that the frequency sum between two or more rows and / or columns is different from the frequency sum between two or more rows and / or columns.
- the intention recognition object gazes at the light emitting element array unit 110 in which all the matrices are blinking at their own frequencies while reminiscent of the letter “T” detection is performed.
- the expected SSVEP is 7 Hz (column), 35 Hz (row), and 42 Hz which is the sum of the two frequencies.
- the expected SSVEP is 7 Hz (column), 5 Hz (row), and 12 Hz, which is the sum of the two frequencies.
- the frequencies can be set in each row and column such that the sum of the frequencies corresponding to the different shapes (ie, 42 Hz and 12 Hz described above) are different from each other.
- the light emitting device arrangement 110 of FIG. 8 and the light emitting device control module 121 of FIG. 9 have been described in a separate configuration, yet another
- the light emitting device arranging unit 110 and the light emitting device control module 121 may be combined and implemented in one configuration.
- the combined light emitting device arrangement 110 and the light emitting device control module 121 are connected to the EEG measurement module 122 and the shape analysis module 123 which will be described below to control the frequency information and the light emitting device set for each light emitting device.
- Information e.g., information such as start and end of flashing control
- the EEG measurement module 122 measures an EEG signal of an intention recognition object that looks at the light emitting device arrangement 110.
- the EEG measurement module 122 may be connected to the EEG measurement device (not shown) to control to measure the EEG signal, EEG measurement module of the configuration of the ultrasonic output system 100 according to an embodiment of the present invention
- At least one configuration, including 122, may be included as a configuration in the EEG measurement device.
- a brain wave measuring device (not shown), such as a headset or a band type, which measures brain waves in a noninvasive manner may be applied for safety and convenience of an intention recognition object.
- the EEG measurement module 122 may measure the EEG signal in various ways.
- Steady state visually induced potential (SSVEP) can be measured.
- the shape analysis module 123 detects at least one frequency included in the measured EEG signal, and has a shape reminiscent of an intention recognition object based on an arrangement of light emitting devices that blink at a frequency corresponding to the detected at least one frequency. Infer
- the intention recognition object associates a specific shape (letters, numbers, symbols, etc.) according to the intention in the state of looking at the light emitting element of the light emitting element array unit 110
- the shape in which the intention recognition object is associated with A frequency equal to the frequency at which the light emitting element on the light emitting element array unit 110 is blinking is detected in the EEG signal.
- the frequency of the EEG signal detected by the shape analysis module 123 reflects the blinking frequency of the corresponding group of light emitting devices matching the shape (eg, geometry) of the specific shape intended by the subject. . That is, the frequency of the group of the group on the light emitting element array unit 110 corresponding to the shape association of the intended recognition object and the frequency of the corresponding group is detected.
- the shape analysis module 123 may select an accurate frequency based on a frequency that perfectly matches the frequency of each group set by the light emitting device control module 121 and its resonance frequency among the detected frequencies. .
- the shape analysis module 123 refers to a frequency related to the intention of the intention recognition target among the frequencies set on the light emitting element array unit 110 and the sum of the frequencies. The correct frequency can be selected.
- the shape analysis module 123 detects a group set to a frequency corresponding to the at least one detected frequency among the plurality of groups on the light emitting element array unit 110. In addition, the shape analysis module 123 infers a shape reminiscent of the intention recognition object based on the shape of the detected group of light emitting elements.
- the shape analysis module 123 recognizes the intention by combining the arrangement forms of the light emitting devices for each group of the light emitting device arrays 110 corresponding to the detected two or more frequencies. Infer the shape of the object.
- the shape analysis module 123 of the letter “T” in the row and column on the light emitting device array 110 may be used.
- a frequency of 35 Hz and 7 Hz corresponding to the shape and 42 Hz of 35 Hz and 7 Hz can be detected.
- the shape analysis module 123 determines the rows and columns on the light emitting element array 110 corresponding to 35 Hz, 7 Hz, and 42 Hz detected from the EEG signal, and according to the arrangement form of the light emitting elements corresponding to the determined rows and columns. Determine by inferring the shape (that is, the shape corresponding to the letter “T”).
- the shape analysis module 123 may calculate the similarity between the plurality of previously stored reference shapes and the shape by the detected group, and infer the shape having the highest similarity as the shape reminiscent of the intention recognition object.
- the shape analysis module 123 may include a reference shape including various types of shapes such as letters (letters), numbers, and symbols in advance, and a group of light emitting device groups on the light emitting device arrangement 110 corresponding to each reference shape. The information can be matched and stored.
- the shape analysis module 123 infers the shape calculated by the intention recognition object based on the frequency detected from the EEG signal and the sum of the corresponding frequencies.
- the shape analysis module 123 may decode the detected EEG signal through a predetermined method such as pattern recognition statistics and machine learning. have.
- the nerve function information storage unit 130 matches and stores a combination of reference shapes and ultrasonic stimulation parameters for each of a plurality of predetermined brain nerve functions and nerve parts corresponding to each brain nerve function.
- the combination of the ultrasonic stimulation parameters is a combination that can optimally control the brain nerve function, the calculator 310, the storage 320, the searcher 330 described with reference to FIGS. And the same or similar method as that of the operation of at least one configuration of the corrector 360, or may be set through experiments in advance.
- each portion of the nerve portion of the brain of the ultrasound irradiation target that is responsible for a specific nerve function (or cognitive function, etc.) is set, the reference shape that can determine the degree of division and control of each brain nerve function, and the brain
- a combination of ultrasound stimulation parameters that can control the output of ultrasound suitable for regulation of neural function is matched.
- both the central nervous system including the brain and the nervous system including the peripheral nervous system may be included.
- FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining an ultrasound irradiation position for each brain nerve function in another embodiment of the present invention.
- the Broca region is responsible for the generation of language
- the Wernicke region is responsible for understanding the language
- the frontal lobe among the various parts of the brain It is responsible for decision making
- the hippocampus is responsible for learning and memory
- the amygdala is responsible for emotion control.
- various sites such as extensive brain neural networks for attention concentration and suprachiasmatic nucleus for the biological clock can be preset.
- the nerve function region of the brain may be set as a position coordinate value in the three-dimensional space.
- the neural function information storage unit 130 may store a combination of two or more ultrasonic stimulation parameters according to any one brain neural function, and accordingly, one brain neural function is different for each combination of the ultrasonic stimulation parameters. Can be controlled.
- the ultrasonic stimulation parameter may include an ultrasonic center frequency for focused ultrasound output through the ultrasonic output unit 140 to be described below, a unit time for which the ultrasonic stimulation proceeds without interruption, and an ultrasonic stimulation unit (for example, pulse ') at least one of the number of repetitions per unit time (eg, 1 second), the percentage of ultrasonic time administered in the unit time, the ultrasonic intensity per unit area of ultrasonic irradiation, and the total ultrasonic irradiation time.
- the combination of parameters such as the intensity, frequency, and time of the focused ultrasound to be irradiated to the brain can be set to an optimal combination that can control the brain nerve function according to the purpose without damaging the biological tissue of the brain. have.
- the nerve function may be enhanced or weakened.
- irradiation with ultrasound according to a combination of specific ultrasound stimulation parameters may improve learning ability, or use ultrasound for a combination of different ultrasound stimulation parameters for the same brain region. Doing so can weaken your learning skills.
- cognitive or neural function can be controlled by controlling to a certain degree as desired.
- the ultrasound output unit 140 obtains the shape inferred by the shape inference unit 120 and corresponds to the inferred shape by referring to the plurality of reference shapes stored in the neural function information storage unit 130. Detected reference shape. In addition, the ultrasound output unit 140 refers to the combination of the ultrasound stimulation parameters for each reference shape stored in the nerve function information storage unit 130, and combines the brain nerve function and the ultrasound stimulation parameters matched to the detected reference shape. Is detected.
- the ultrasound output unit 140 performs a matching process between the ultrasound focus and the target (that is, the target region to which the ultrasound is to be irradiated) coordinates in the 3D space.
- the ultrasound output unit 140 applies the result of the matching process so that focused ultrasound according to the combination of the detected ultrasound stimulation parameters is irradiated to the brain of the ultrasound irradiation target non-invasively.
- the ultrasound output system 100 the brain-machine (or computer) interface device based on the electroencephalography and the machine (or computer) -brain interface device based on the ultrasound can be configured
- the two interface devices may further include a wireless transmitter / receiver (not shown) for transmitting and receiving information wirelessly with each other.
- the electroencephalogram-based brain-machine (or computer) interface device in the ultrasound output system 100 through the wireless communication to the information of the associative shape inferred through the shape inference unit 120
- the apparatus may further include a wireless transmitter (not shown) for transmitting to the ultrasonic output unit 140.
- the ultrasound-based machine (or computer) -brain interface device in the ultrasound output system 100 wirelessly receives the information of the associative shape from the wireless transmitter and transmits it to the ultrasound output unit 140.
- the apparatus may further include a wireless receiver (not shown). That is, in the ultrasonic output system 100 illustrated in FIG. 8, a wireless transmission / reception unit (not shown) may be further configured between the shape inference unit 120 and the ultrasonic output unit 140.
- the ultrasound output system 100 may wirelessly measure the brain waves of the intended recognition target, thereby greatly increasing the portability of the ultrasound output system 100 itself.
- the ultrasound output system 100 can quickly analyze the EEG information in real time and can be used for ongoing brain-machine (or computer) interface processing.
- FIG. 12 is a block diagram illustrating a detailed configuration of an ultrasonic output unit according to another exemplary embodiment of the present invention.
- the ultrasound output unit 140 includes a brain position coordinate storage module 141, a 3D position tracking module 142, a position coordinate matching module 143, and an ultrasound output control module 144. It is configured by.
- the brain position coordinate storage module 141 generates three-dimensional position coordinates by using a brain image obtained by photographing a magnetic resonance image of a brain of an ultrasound irradiation target, and stores a predetermined position on the brain for each of a plurality of brain nerve functions. The generated three-dimensional position coordinates are matched and stored.
- the brain ie, the brain of an ultrasound irradiation target
- the brain may be fixed and MRI or ultrasound focal coordinates may be set.
- the ultrasound output system 100 may include an MRI photographing unit 150 for MRI imaging a brain of an ultrasound irradiation target, and stores brain position coordinates.
- the module 141 may obtain a brain image from the MRI photographing unit 150.
- the MRI photographing unit 150 may be configured as an ultrasound output system 100 and an external device, and the MRI photographing unit 150 and the brain position coordinate storage module 141 interoperate with each other. It is also possible to obtain a brain image from the MRI imaging unit 150.
- the three-dimensional position tracking module 142 tracks coordinate values in three-dimensional space with respect to the focal point of the ultrasonic wave to be output from the ultrasonic transducer (not shown). That is, a virtual coordinate value for the ultrasound focus to be radiated on the 3D space of the ultrasound irradiation target brain is calculated.
- the ultrasound focal point By using the virtual coordinate values of the ultrasound focal point to track and confirm the position to which the ultrasound is to be irradiated, the ultrasound may be accurately irradiated to a specific position set among the regions of the ultrasound irradiation target brain.
- the ultrasonic output system 100 uses an infrared marker (not shown) and an integrated infrared tracking camera (not shown) fixedly installed to a holder portion (not shown) that supports the ultrasonic generator.
- the ultrasound generator may calculate a virtual coordinate value on the three-dimensional space with respect to the ultrasound focus to be output.
- the ultrasonic generator is a device for generating ultrasonic waves under the control of the ultrasonic output control module 144, which will be described later
- the infrared tracking camera is a position coordinate on the three-dimensional space of the infrared marker (that is, the position coordinate of the ultrasonic generator).
- at least one configuration of the ultrasonic generator and the infrared tracking camera may be integrally included in the ultrasonic output system 100, or may be separately included and interlocked with the ultrasonic output system 100.
- the 3D location tracking module 142 obtains a location coordinate on the 3D space of the infrared marker provided from the infrared tracking camera, and uses the location coordinate of the infrared marker and the relative distance information from the infrared marker to the ultrasound focus.
- the virtual coordinate value on the three-dimensional space of the focal point is calculated.
- the focal length of the focused ultrasound to be output by the ultrasound generator is set in advance.
- the position coordinate matching module 143 calculates output coordinates on the three-dimensional space of the ultrasound by aligning the three-dimensional position coordinates of the ultrasound irradiation target brain generated using the brain image and the virtual coordinates of the ultrasound focus. do. Accordingly, as the ultrasonic output position of the ultrasonic generator moves, the virtual position where the ultrasonic wave is to be output on the three-dimensional space inside the head of the ultrasonic irradiation target is interlocked and tracked in real time.
- the ultrasonic output control module 144 detects the brain nerve function to be controlled based on the shape inferred by the shape inference unit 120 of FIG. 8, and uses the brain image to generate three-dimensional position coordinates for each nerve region. The 3D position coordinates of the corresponding nerve region according to the detected brain nerve function are detected.
- the ultrasound output control module 144 sets the output coordinates of the ultrasound focus as target coordinates. Thereafter, the ultrasound output control module 144 controls the focused ultrasound to be output based on a combination of the ultrasound stimulation parameters matched to the detected brain nerve function at the position of the brain on the set target coordinate.
- the virtual coordinate value calculation method and the ultrasonic output method in the three-dimensional space with respect to the ultrasound focus of the ultrasonic output system 100 described above are the coordinate matching unit 340 and the ultrasonic output unit described with reference to FIGS.
- the configuration and operation of 350 may be set in the same or similar manner.
- the ultrasonic output unit 140 outputs focused ultrasound through an ultrasonic generator (not shown), but the non-flowable ultrasonic transmission medium (for example, gel type) at the output terminal of the ultrasonic generator. And special rubber materials).
- the output focused ultrasound may be delivered to a contact portion (surface) of an ultrasound irradiation target. Accordingly, the ultrasonic energy can be transmitted deeply in the brain nerve region non-invasively.
- 'degassed water' may be used as a medium for ultrasonic energy transfer, but a non-flowable ultrasonic medium may be used because a fluid is not suitable for a portable ultrasonic generator.
- FIG. 13 is a flowchart illustrating an ultrasound output method for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
- an EEG signal of an intention recognition object is measured (S710).
- the plurality of light emitting elements arranged in the light emitting element array unit 110 is controlled to blink at different frequencies for each arrangement position, and whether the intention is to watch the light emitting element array unit 110.
- At least one frequency included in the measured EEG signal is detected, and a shape reminiscent of the intention recognition object is inferred based on an arrangement form of the light emitting device which blinks at a frequency corresponding to the detected at least one frequency.
- the degree of similarity between any one of the predetermined reference shapes and the shape based on the arrangement of the light emitting elements may be calculated, and the shape having the highest similarity may be inferred as the shape reminiscent of the intention recognition object.
- a reference shape corresponding to the inferred shape is detected among reference shapes matched for each of a plurality of preset brain nerve functions (S730).
- the ultrasonic parameters include the ultrasonic center frequency, the minimum unit time for which the ultrasonic stimulus is maintained without interruption, the number of repetitions per unit time of the ultrasonic stimulation unit, the percentage of the ultrasonic time irradiated in the unit time, the ultrasonic intensity per unit area of the ultrasonic irradiation, and At least one of the total ultrasound irradiation time.
- a combination of two or more ultrasonic stimulation parameters may be matched and stored for each brain neuron function, and the brain neuron function may be differently controlled and controlled according to the combination of the ultrasonic parameters. .
- the focused ultrasound is output based on the detected combination of ultrasound parameters, and the focused ultrasound is output so as to irradiate the brain of the ultrasound irradiation target non-invasively (S750).
- step S750 may be processed by performing the following steps.
- three-dimensional position coordinates are generated by using a brain image obtained by MRI of a brain of an ultrasound irradiation target, and positions (ie, nerve regions) preset in the brain for each of a plurality of brain nerve functions and the generated three-dimensional position coordinates are obtained. Matches.
- the position coordinate information on the three-dimensional space of the infrared marker attached to the ultrasonic generator is obtained from the linked infrared tracking camera.
- the virtual position coordinate value on the three-dimensional space of the ultrasonic focus is calculated using the position information of the infrared marker and the relative distance information of the ultrasonic focus from the infrared marker.
- the target brain nerve function is detected based on the reference shape corresponding to the inference shape detected in step S730, and the three-dimensional position coordinates of the brain nerve region matched with the target brain nerve function are detected.
- ultrasound irradiation is performed by outputting focused ultrasound according to a combination of ultrasound stimulation parameters matched to a desired brain nerve function. Allow non-invasive irradiation of the subject's brain.
- Embodiments of the invention may also be implemented in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as a program module executed by the computer.
- Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media.
- Computer readable media may include both computer storage media and communication media.
- Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data.
- Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.
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Abstract
An ultrasonic wave output system for controlling neural functions according to the present invention includes: a calculation part for calculating the mapping information of each neural function for N ultrasonic wave stimulus parameters based on a prescribed algorithm; a storage part for storing the mapping information per neural function; a search part for searching out the position of a target to output an ultrasonic wave and the mapping information corresponding to a neural function to control, based on prescribed search conditions; a coordinate matching part for matching the virtual focus coordinates of the ultrasonic wave with the coordinates of the target to actually receive the ultrasonic wave in a three-dimensional space; and an ultrasonic wave output part for outputting the ultrasonic wave based on the mapping information corresponding to the searched target position, wherein the ultrasonic wave output part includes an ultrasonic wave transmission part consisting of a non-fluid medium in order to transfer the outputted ultrasonic wave to the user. Also, the system is linked with an intention recognition device so as to achieve a wireless brain-brain interface for enabling the mental activity of a person to remotely control the neural functions of another person.
Description
본 발명은 신경 기능 제어를 처리하기 위한 초음파 출력 시스템 및 방법과, 뇌파 및 초음파를 이용하여 뇌와 뇌 간의 인터페이스(Brain-Brain Interface, BBI)를 처리하는 초음파 출력 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an ultrasonic output system and method for processing nerve function control, and to an ultrasonic output system and method for processing brain-brain interface (BBI) using brain waves and ultrasound.
기존의 침습 혹은 비침습적인 방법으로 신경계 기능을 조절할 수 있다는 선행 연구 결과들은 다양하게 존재하고 있었으나, 뇌기능 장애 조절 및 뇌질환 치료 방법에 적용하기에는 제한사항이 많다는 문제점이 있었다.Previous researches on the neural function can be controlled by conventional invasive or non-invasive methods, but there are many limitations in applying it to the regulation of brain dysfunction and treatment of brain diseases.
우선, 기존의 약물 투여 방법은 약물의 부작용이 존재할 수 있으며, 해부학적으로 특정 지역에 대한 선택적 치료가 불가능하다는 문제가 있다. 그리고, 침습적 치료법은 침습에 의하여 불가피하게 감염 위험에 노출될 수 있으며, 두개골을 열어야만 하는 위험이 존재한다. 이후에, 일부 비침습적 뇌신경계 치료법이 등장하였지만, 해당 에너지를 효과적으로 두개골에 투과시킬 수 있는 투과력에 대한 제한이 있고, 공간 해상도도 좋지 않다는 제약점이 있었다.First, the conventional drug administration method may have side effects of the drug, and there is a problem that the selective treatment of a specific region is anatomically impossible. And invasive therapies may inevitably be exposed to infection risk by invasion and there is a risk of having to open the skull. Afterwards, some non-invasive neurological therapies have emerged, but there are limitations on the permeability to effectively transmit the energy into the skull and the limitations of spatial resolution.
이와 같은 상황에서, 비침습적이고 공간 해상도가 뛰어난 집속 초음파(Focused Ultrasound) 뇌 자극 기법이 등장하였으며, 이와 같은 기법은 신경 기능을 비침습적으로 정밀하게 제어하기 위한 대안으로 제시되고 있다. 즉, 집속 초음파 뇌신경 자극술을 이용하면 공간적으로 정밀하게 (예를 들어, mm 단위) 목표 지점으로 음파 에너지를 두개골에 투과하여 전달할 수 있으며, 초음파 강도를 조절함으로써 세포 조직에 열적으로나 물리적으로 손상을 주지 않는 상태에서 뇌기능을 가역적으로 조절할 수 있다. 나아가, 치료에 사용되는 초음파의 매개 변수 조합을 변경함으로써 다양한 뇌질환 치료 및 뇌기능 조절이 가능하게 된다. 이에 따라, 위 기법을 중추 신경계뿐만 아니라 말초 신경계에도 적용할 수 있어 다양한 종류의 신경계 질환 치료에 사용이 가능할 수 있다. In such a situation, a non-invasive, high-resolution focused ultrasound sound stimulation technique has emerged, and this technique has been proposed as an alternative to non-invasive and precise control of nerve function. In other words, focused ultrasound cranial nerve stimulation allows spatially accurate transmission of sound wave energy to the target point in mm (for example, in mm), and does not cause thermal or physical damage to cellular tissues by controlling the ultrasonic intensity. Can reversibly regulate brain function. Furthermore, by changing the combination of parameters of the ultrasound used in the treatment it is possible to treat various brain diseases and control the brain function. Accordingly, the above technique may be applied to the peripheral nervous system as well as the central nervous system, and thus may be used to treat various types of neurological diseases.
이와 같이, 초음파를 이용할 경우 여러 신경 기능 및 인지 기능을 조절할 수 있으며, 초음파 자극 변수를 다양하게 조합함으로써 사용자가 원하는 방향으로 해당 신경 기능을 조절할 수 있다. 즉, 초음파 자극 변수 조합에 따라서, 해당 신경 기능을 강화하거나 완화시킬 수 있다. 초음파 자극을 조절하기 위한 초음파 자극 변수를 설명하면 다음과 같다.As such, when the ultrasound is used, various neural functions and cognitive functions may be adjusted, and the corresponding neural function may be adjusted in a desired direction by combining various ultrasound stimulation variables. That is, according to the combination of the ultrasonic stimulation parameters, the nerve function may be enhanced or alleviated. The ultrasonic stimulation parameters for controlling the ultrasonic stimulation are as follows.
도 1 및 도 2는 초음파 자극 변수를 설명하기 위한 도면이다.1 and 2 are diagrams for explaining the ultrasonic stimulation parameters.
초음파 자극을 제어할 수 있는 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수(Central Frequency, CF), TBD(Tone Burst Duration), PRF(Pulse Repetition Frequency), DF(Duty Factor), AI(Acoustic Intensity) 및 TST(Total Sonication Time) 등이 있다. 먼저 초음파의 중심 주파수는 초음파 발생 장치인 트랜스듀서(Transducer)의 고유 중심 주파수로서, 초음파 주파수로 사용되며, 이때 400~770KHz범위의 초음파 주파수가 사람의 두개골을 상대적으로 잘 투과하는 것으로 알려져 있다. 다음으로, TBD는 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파가 끊이지 않고 진행된 하나의 초음파 자극의 단위 시간을 의미한다. PRF는 초음파 자극이 진행된 단위가 1초 동안 반복된 횟수를 나타내며, DF는 단위 시간에 쪼여진 초음파의 백분율로서, TBD×PRF로 계산된다. AI는 초음파가 쪼여진 해당 부위의 단위 면적에 가해진 초음파 에너지를 나타내며, ‘공간-피크 펄스-평균 강도(Isppa: spatial-peak pulse-averaged Intensity)’나 ‘공간-피크 시간-평균 강도(Ispta: spatial-peak temporal-averaged Intensity)’를 주로 사용한다. 해당 개념은 도 2에 도식적으로 나타내었다. 참고로 Ispta와Isppa의 관계는 Ispta=Isppa×DF로 나타낼 수 있다. TST는 해당 부위에 초음파를 쪼인 총 시간을 의미한다.Ultrasonic stimulation parameters that can control ultrasonic stimulation include the central frequency (CF), tone burst duration (TBD), pulse repetition frequency (PRF), duty factor (DF), acoustic intensity (AI), and TST (ultrasound). Total Sonication Time). First, the center frequency of the ultrasonic wave is an intrinsic center frequency of a transducer, which is an ultrasonic wave generator, and is used as an ultrasonic frequency. In this case, the ultrasonic frequency in the range of 400 to 770 KHz is relatively well transmitted through the human skull. Next, as shown in FIG. 1, TBD means unit time of one ultrasonic stimulus in which ultrasonic waves are continuously progressed. The PRF represents the number of times the unit of which the ultrasonic stimulation has been advanced is repeated for one second, and the DF is the percentage of the ultrasonic wave split in the unit time, which is calculated as TBD x PRF. AI refers to the ultrasonic energy applied to the unit area of the site where the ultrasound is split, either 'space-peak pulse-averaged intensity' (Isppa) or 'space-peak time-average intensity (Ispta)'. spatial-peak temporal-averaged Intensity). The concept is shown schematically in FIG. 2. For reference, the relationship between Ispta and Isppa can be expressed as Ispta = Isppa × DF. TST refers to the total time the ultrasound is applied to the site.
이와 같은 초음파 자극 변수들의 조합 양상에 따라서, 자극이 전달된 신경계가 일으키는 감각의 종류나 정도가 달라지게 된다. 따라서, 다양한 인지 기능이나 신경 기능을 원하는 방향(강화 혹은 완화) 및 원하는 정도로 제어하거나, 여러 감각을 발생시키기 위한 초음파 자극 변수의 최적 조합이 필요하다.Depending on the combination of the ultrasonic stimulation parameters, the type or degree of sensation caused by the nervous system to which the stimulus is transmitted is changed. Therefore, there is a need for an optimal combination of ultrasonic stimulation parameters to control various cognitive or neural functions in a desired direction (strengthening or relaxation) and to a desired degree, or to generate multiple sensations.
이와 관련하여, 한국공개특허 제2010-0004659호(발명의 명칭: 초음파 자극기 및 초음파 자극 방법)는 사용자 신호에 따라 초음파의 출력 주기, 초음파의 주파수 및 초음파를 출력할 도자를 선택하여 제어 신호를 출력하고, 제어 신호에 따른 상기 출력 주기 및 상기 주파수의 초음파를 수중에서 출력하는 기술을 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Publication No. 2010-0004659 (name of the invention: ultrasonic stimulator and ultrasonic stimulation method) outputs a control signal by selecting an output period of ultrasonic waves, a frequency of ultrasonic waves, and a conductor to output ultrasonic waves according to a user signal. Then, a technique for outputting the ultrasonic wave of the output period and the frequency in response to a control signal in water is disclosed.
한편, 종래에는 뇌파 신호를 이용하여 사람의 의도(intention)에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-computer Interface)를 제어하는 방식들에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.On the other hand, the conventional research on the way to control the brain-computer interface (Brain-computer Interface) according to the intention (intention) of the human using the EEG signal.
구체적으로, 뇌파의 인지적 속성(cognitive property)에 따른 매개 변수들을 분석하여 사용하는 방식이 제안되었다. 뇌파의 분석은 크게 시간축 분석과 주파수축 분석으로 나눌 수 있다. 뇌파 신호의 시간축 분석의 일례로, 자극 제시와 관련된 뇌파 신호를 반복적으로 측정하고, 단위 뇌파 조각들을 자극이 제시된 시점을 기준으로 정렬한 후 제시 시점을 기준으로하여 평균 뇌전위를 산출한다. 이에 따라, 제시된 자극이나 사건과 관련되어 평균값에서 누적되어 나타나는 뇌전위인 사건 관련 전위(ERP: event-related potential)를 산출할 수 있다. 이는, 자극과 관련된 뇌파 신호만이 평균값에서 유효하고, 자극과 무관한 임의의 뇌파 신호는 평균에 의해 상쇄된다는 원리를 이용한 것이다.Specifically, a method of analyzing and using parameters according to cognitive properties of EEG has been proposed. EEG analysis can be divided into time axis analysis and frequency axis analysis. As an example of time-base analysis of EEG signals, EEG signals related to stimulus presentation are measured repeatedly, and the unit EEG fragments are aligned based on the time point at which the stimulus is presented, and then the average EEG potential is calculated based on the presentation time point. Accordingly, an event-related potential (ERP), which is a cumulative brain potential that appears at an average value associated with a given stimulus or event, can be calculated. This is based on the principle that only the EEG signals associated with the stimulus are valid at the mean value, and any EEG signals irrelevant to the stimulus are canceled by the mean.
이와 같은, 뇌파의 시간축 분석에 의해서 얻어진 성분으로는 대표적인 뇌파 성분인 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)가 있다. 정상상태 시각유발 전위(SSVEP) 성분은 반복적인 시각 자극에 반응하는 뇌파를 이용한 뇌파 신호이다. 예를 들어, 사람이 깜빡이는(flickering) 자극을 보고 있으면 그 자극이 깜빡이는 주파수와 동일한 주파수를 가진 뇌파가 물리적으로 유도되며, 깜빡이는 시각 자극에 의해 유도되되, 자극과 동일한 주파수를 갖는 진동 뇌파가 SSVEP이다.Such components obtained by time-base analysis of EEG include Steady State Visual Evoked Potential (SSVEP), which is a representative EEG component. The steady state visual induced potential (SSVEP) component is an EEG signal using an EEG in response to repetitive visual stimuli. For example, if a person sees a flickering stimulus, the brainwave with the same frequency as the blinking stimulus is physically induced, and the vibrating brainwave with the same frequency as the stimulus is induced by the blinking visual stimulus. Is SSVEP.
이와 관련하여, 대한민국 공개특허 제2013-0002590호(발명의 명칭: 안정상태 시각유발전위를 이용한 QWERTY 타입의 문자 입력 인터페이스 장치 및 문자 입력 방법)에서는, 복수개의 문자가 QWERTY 스타일로 표시되는 문자 표시부, 표시되는 문자로 인한 시각 자극에 의해 안정상태 시각유발전위가 유발 되는 동안의 사용자의 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 신호 측정부, 및 측정된 뇌파 신호를 분석하는 뇌파 신호 분석부 및 상기 분석된 뇌파 신호에 해당하는 문자를 출력하는 문자 출력부를 포함하는 문자 입력 인터페이스 장치를 개시하고 있다.In this regard, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2013-0002590 (name of the invention: a character input interface device and a character input method of QWERTY type using the steady state visual oil generation level), a character display unit in which a plurality of characters are displayed in QWERTY style, EEG signal measuring unit for measuring the EEG signal of the user during the steady state visual genetic development induced by the visual stimulus due to the displayed character, EEG signal analysis unit for analyzing the measured EEG signal and the analyzed EEG signal A character input interface device including a character output unit for outputting a corresponding character is disclosed.
그런데, 이러한 기존의 두뇌-기계 간 인터페이스 장치는 키보드 자판 상에서 피측정자가 공개적으로(overtly) 선택한 키를 확인할 뿐, 이보다 더 고차원적으로 피측정자가 실제 눈동자 움직임이 없이 생각만으로(covertly) 연상한 정보(즉, 의도를 반영한 정보)를 확인할 수 없다는 단점이 있다.By the way, such a conventional brain-machine interface device only checks the keys selected by the subject on the keyboard keyboard, and even higher levels of information are associated with the subject without thinking about the actual pupil movement. (That is, information reflecting intention) has a disadvantage of not being able to be confirmed.
또한, 종래에는 뇌-컴퓨터(또는 기계) 간 인터페이스를 처리하거나, 컴퓨터(기계)-뇌 간 인터페이스를 처리하는 기술들은 제안되었으나, 뇌와 뇌 간의 인터페이스(BBI)를 처리하는 기술에 대한 연구는 미비한 실정이다. 더욱이, 컴퓨터(기계)-뇌 간 인터페이스 기술은 침습적인 방법의 위험성으로 인해서, 비침습적이면서 정확성이 높은 기술이 요구되고 있는 상황이다.In addition, in the past, techniques for processing a brain-computer (or machine) interface or processing a computer (machine) -brain interface have been proposed, but studies on techniques for processing a brain-brain interface (BBI) have been insufficient. It is true. Moreover, computer (brain) -brain interface technology requires a non-invasive and accurate technology due to the risk of invasive methods.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일 실시예는 각 신경 기능별로 원하는 방향 및 정도(즉, 세기)로 제어할 수 있는 최적의 초음파 자극 변수에 대한 매핑(mapping) 정보를 산출하고, 산출된 매핑 정보에 기초하여 초음파 에너지를 해당 신경계 부위에 비침습적으로 전달함으로써, 용이하고 비침습적으로 사용자의 신경 기능을 제어할 수 있는 초음파 출력 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention is to solve the above-described problems of the prior art, an embodiment of the present invention is the mapping (mapping) to the optimal ultrasonic stimulation parameters that can be controlled in each direction of the desired direction and degree (that is, intensity) for each nerve function ) And by providing a non-invasive ultrasonic energy to the corresponding nervous system based on the calculated mapping information, providing an ultrasonic output system and method that can easily and non-invasively control the user's nerve function. The purpose.
또한, 본 발명의 다른 실시예는 뇌전도 및 초음파를 이용하여 뇌와 뇌 간의 인터페이스를 제공하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 하되, 비침습적으로 두개골을 투과하면서도 공간 해상도가 뛰어난 집속 초음파(focused ultrasound)를 이용하여, 공간적으로 정밀한(예를 들어, mm 단위) 목표 지점에 초음파 에너지를 조사하여 뇌 신경을 자극시킬 수 있는 기술을 컴퓨터-두뇌 인터페이스에 적용하고, 뇌전도를 사용한 두뇌-컴퓨터 인터페이스를 이에 융합하여 뇌전도-초음파 기반의 두뇌-두뇌 인터페이스를 제공하고자 한다.In addition, another embodiment of the present invention is to provide an apparatus and method for providing an interface between the brain and the brain using the electroencephalogram and ultrasound, the focused ultrasound with excellent spatial resolution while penetrating the non-invasive skull ) Is applied to a computer-brain interface that can stimulate brain nerves by irradiating ultrasonic energy to a spatially precise (eg mm unit) target point, and a brain-computer interface using an electroencephalogram. The present invention aims to provide a brain-brain interface based on electroencephalogram-ultrasound.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.However, the technical problem to be achieved by the embodiment of the present invention is not limited to the technical problem as described above, there may be another technical problem.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 시스템은, 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 산출부, 각 신경 기능별로 구분하여 상기 매핑 정보가 저장된 저장부, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 검색부, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 좌표 정합부 및 상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되, 상기 초음파 출력부는 상기 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 매질로 형성된 초음파 투과부를 포함한다.As a technical means for achieving the above-described technical problem, the ultrasonic output system for controlling the nerve function according to the first aspect of the present invention, the mapping information for the N ultrasound stimulation parameters for each nerve function based on a predetermined algorithm A calculation unit for calculating a neural function, a storage unit storing the mapping information for each neural function, a retrieval unit for retrieving mapping information corresponding to a target position for outputting ultrasound and a neural function to be controlled based on a preset search condition; A coordinate matching unit for matching the virtual focal coordinates of the ultrasound with the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered in a three-dimensional space and an ultrasound output unit for outputting an ultrasound based on mapping information corresponding to the searched target position, wherein the ultrasound output is performed. The blowing unit is a non-flowable medium to deliver the output ultrasound to the user And a transmission portion formed ultrasound.
그리고, 본 발명의 제 2 측면에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 방법은, 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 미리 설정된 복수의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 단계, 상기 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장하는 단계, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 단계, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 단계 및 상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질 상으로 초음파를 출력하는 단계를 포함한다.The ultrasound output method for controlling nerve function according to the second aspect of the present invention may include calculating mapping information on a plurality of ultrasound stimulation variables preset for each nerve function based on a preset algorithm. Storing the neural function by neural function, retrieving mapping information corresponding to a target position for outputting ultrasound and neural function to be controlled based on a preset search condition, and administering the virtual focal coordinates of the ultrasound and the actual ultrasound Matching coordinates of a target to be performed in three-dimensional space and outputting ultrasonic waves onto a non-flowable medium for transmitting ultrasonic waves based on mapping information corresponding to the retrieved target positions.
또한, 본 발명의 제 3 측면에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 시스템은, 의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 추론부; 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 매칭된 해당 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장된 신경 기능 정보 저장부; 및 상기 추론한 형상에 대응하는 상기 기준 형상을 검출하고, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 상기 뇌 신경 기능, 해당 신경 부위 및 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 집속 초음파(focused ultrasound)를 출력하는 초음파 출력부를 포함한다.The ultrasound output system for brain-brain interface according to the third aspect of the present invention includes a shape inference unit for inferring a shape reminiscent of the intention recognition object based on an EEG signal of the intention recognition object; A neural function information storage unit in which a combination of reference shapes and ultrasonic stimulation parameters are stored and stored for each of a plurality of preset brain nerve functions and corresponding nerve parts matched with the brain nerve functions; And detecting the reference shape corresponding to the inferred shape and outputting focused ultrasound based on a combination of the brain nerve function matched with the detected reference shape, a corresponding nerve region, and an ultrasonic stimulation parameter. It includes an ultrasonic output unit.
또한, 본 발명의 제 4 측면에 따른 초음파 출력 장치를 통한 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 방법은, 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계; 상기 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계; 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하는 단계; 기설정된 상기 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 대응된 해당 신경 부위 별로 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합 중 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하는 단계; 및 상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 집속 초음파(focused ultrasound)를 출력하는 단계를 포함하되, 상기 집속 초음파를 출력하는 단계는, 상기 집속 초음파를 초음파 조사 대상의 뇌에 조사(照射)되도록 비유동성의 초음파 투과 매질을 통해 출력한다.In addition, the ultrasonic output method for the brain-brain interface through the ultrasonic output device according to the fourth aspect of the present invention, measuring the EEG signal of the intention recognition object; Inferring a shape associated with the intention recognition object based on the EEG signal; Detecting a reference shape corresponding to the inferred shape among reference shapes matched by a plurality of preset brain nerve functions; Detecting a combination of the ultrasonic stimulation parameters matched to the detected reference shape among the preset combinations of the plurality of brain nerve functions and corresponding nerve regions corresponding to the brain nerve functions; And outputting focused ultrasound based on the detected combination of ultrasound stimulation parameters, wherein outputting the focused ultrasound includes irradiating the focused ultrasound to the brain of an ultrasound irradiation target. Output through the non-flowable ultrasonic transmission medium whenever possible.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 최적의 초음파 자극 변수를 산출하고 이에 대한 매핑 정보를 이용하여 초음파를 출력함으로써 비침습적으로 다양한 인지 기능 및 신경 기능을 원격으로 제어할 수 있다. 즉, 인지 혹은 신경 기능을 원하는 방향 및 특정한 정도로 제어하기 위해서, 타겟 위치에 초음파 초점을 맞추고, 특정한 초음파 자극 변수 조합을 사용하여 초음파 에너지를 전달함으로써 사용자가 의도하는 인지 기능 및 신경 기능을 제어할 수 있다.According to any one of the above-described problem solving means of the present invention, by calculating the optimum ultrasonic stimulation parameter and outputting the ultrasonic wave using the mapping information for this, it is possible to remotely control various cognitive and neural functions in a non-invasive manner. That is, in order to control the cognitive or neural function to a desired direction and to a certain degree, by focusing the ultrasound on the target position and delivering ultrasound energy using a specific combination of ultrasound stimulation variables, the user can control the cognitive and neural function intended. have.
그리고, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 따르면, 복수의 주파수로 나뉘어 점멸(點滅)하는 자극을 주시하는 의도 인지 대상의 뇌로부터 측정된 뇌파 신호만으로 의도 인지 대상이 연상한 형상을 간편하고 정확하게 재구성할 수 있는 효과가 있다.Further, according to any one of the problem solving means of the present invention, it is easy to form a shape reminiscent of the intention recognition object by only the EEG signal measured from the brain of the intention recognition object that observes the stimulus divided into a plurality of frequencies and blinks. There is an effect that can be reconstructed correctly.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 의도 인지 대상이 의도한 바에 따라 뇌 신경 제어 대상(즉, 초음파 조사 대상)의 특정 뇌 신경 기능을 조절 및 제어할 수 있어 뇌와 뇌 간의 인터페이스가 가능한 효과가 있다.In addition, according to any one of the problem solving means of the present invention, it is possible to control and control the specific brain neuron function of the brain neuron control target (ie, ultrasound irradiation target) according to the intended cognitive target, so that the interface between the brain and the brain Has the possible effect.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 뇌 신경 기능 별로 최적화된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 적용할 수 있어, 다양한 뇌 인지 기능 및 신경 기능에 대한 의도 방향(신경 흥분 혹은 신경 억제) 및 그 제어 정도를 조절할 수 있는 효과가 있다. 또한, 낮은 강도(intensity)에서 펄스(pulse) 형태의 초음파를 조사함으로써, 세포 조직에 열적으로나 물리적으로 손상을 주지 않는 상태에서 뇌 신경 기능을 가역적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to any one of the problem solving means of the present invention, it is possible to apply a combination of the ultrasound stimulation parameters optimized for each brain nerve function, the direction of intention for various brain cognitive functions and nerve functions (neural excitation or nerve suppression) And there is an effect that can adjust the degree of control. In addition, by irradiating the pulse in the form of ultrasound (pulse) at low intensity (intensity), there is an effect that can reversibly regulate the brain nerve function in a state that does not thermally or physically damage the tissue.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 뇌 신경 기능 별로 해당하는 뇌의 신경 부위가 설정되고, fMRI(기능성 자기공명영상)와 같은 뇌영상법을 통해서 초음파 조사의 타겟에 대한 정확한 뇌 상의 자극 위치를 검출할 수 있다. 그리고 초음파 발생기에 적외선 마커(marker)를 부착하여 적외선 카메라를 통해 추적함으로써, 3차원 공간 상에서 초음파 발생기의 초점 좌표를 추적하여 파악할 수 있고, 초음파 초점 좌표와 뇌 이미지를 이용하여 생성한 초음파 타겟이 될 생체 부위에 대한 위치 좌표를 정합(align)함으로써, 초음파 출력 시 목표하는 뇌의 위치에 대한 출력 정확도 및 정밀도를 높일 수 있는 효과가 있다.In addition, according to any one of the problem solving means of the present invention, the nerve region of the brain corresponding to each function of the brain is set, the exact brain to the target of the ultrasound irradiation through the brain imaging method such as fMRI (functional magnetic resonance imaging) The position of the magnetic pole on the image can be detected. In addition, by attaching an infrared marker to the ultrasound generator and tracking it through an infrared camera, the focal coordinates of the ultrasound generator can be tracked and understood in a three-dimensional space, and the ultrasound target generated using the ultrasound focal coordinates and the brain image will be used. By aligning the position coordinates with respect to the living body, there is an effect of increasing the output accuracy and precision of the target brain position during ultrasound output.
또한, 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 시간의 함수로 발생되는 뇌의 정신 작용을 뇌파 신호라는 객관적 지표로 바꾸어 표현할 수 있어, 뇌파 신호를 디지털 또는 아날로그 형태의 데이터 신호로 변환하여 유/무선으로 송출이 가능하다. 더 나아가, 뇌에서 발생된 정보를 다른 뇌에 작용하는 송신기(본 발명의 실시예에서는 ‘초음파 출력부’)가 수신하여 디코딩할 수 있음으로써, 향후 뇌의 정신 작용에 따른 데이터가 다른 뇌의 정신 작용으로 전환되어 궁극적으로 ‘정신 데이터’ 전송이 성립할 수 있도록 하는 근간이 될 수 있다.In addition, according to any one of the problem solving means of the present invention, it is possible to express the mental function of the brain generated as a function of time by converting it into an objective indicator called an EEG signal, and converts the EEG signal into a digital or analog data signal. / Wireless transmission is possible. Furthermore, the information generated in the brain can be received and decoded by a transmitter ('ultrasound output unit' in the embodiment of the present invention) acting on another brain, so that the data according to the mental action of the brain in the future is different. This can be the basis for a shift in action, ultimately enabling 'mental data' transmission.
도 1 및 도 2는 초음파 자극 변수를 설명하기 위한 도면이다.1 and 2 are diagrams for explaining the ultrasonic stimulation parameters.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템의 블록도이다.3 is a block diagram of an ultrasonic output system according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 4는 초음파 투과부 및 초음파 출력부를 도시한 도면이다.4 is a view illustrating an ultrasonic transmitting unit and an ultrasonic output unit.
도 5는 초음파 출력 시스템이 적용된 일 예시를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an example in which an ultrasonic output system is applied.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 방법을 도시한 순서도이다.6 is a flowchart illustrating an ultrasonic output method according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 뇌-뇌 인터페이스의 개념을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the concept of the brain-brain interface applied to another embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.8 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasound output system for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌파를 사용한 형상 추론부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.9 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a shape inference unit using an EEG according to another embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 배열부의 제어 방식 및 발광 소자 배열부를 이용한 연상 형상 추론 방식의 일례를 설명하기 위한 도면이다.10 is a view for explaining an example of the associative shape inference method using the control method and the light emitting device arrangement of the light emitting device arrangement according to another embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에서 뇌 신경 기능 별 초음파 조사 위치를 설명하기 위한 개념도이다.FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating an ultrasound irradiation position for each brain nerve function in another embodiment of the present invention. FIG.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.12 is a block diagram illustrating a detailed configuration of an ultrasonic output unit according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 방법을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 13 is a flowchart illustrating an ultrasound output method for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention. FIG.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.Throughout the specification, when a part is "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. . In addition, when a part is said to "include" a certain component, which means that it may further include other components, except to exclude other components unless otherwise stated. As used throughout this specification, the term "step to" or "step of" does not mean "step for."
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(300)의 블록도이다.3 is a block diagram of an ultrasonic output system 300 according to an embodiment of the present invention.
본 발명에 따른 초음파 출력 시스템(300)은 산출부(310), 저장부(320), 검색부(330), 좌표 정합부(340) 및 초음파 출력부(350)를 포함한다.The ultrasonic output system 300 according to the present invention includes a calculator 310, a storage 320, a searcher 330, a coordinate matching unit 340, and an ultrasonic output unit 350.
참고로, 본 발명의 실시예에 따른 도 3에 도시된 구성 요소들은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 구성 요소를 의미하며, 소정의 역할들을 수행한다.For reference, components shown in FIG. 3 according to an embodiment of the present invention mean software components or hardware components such as a field programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC), and perform predetermined roles. .
그렇지만 '구성 요소들'은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니며, 각 구성 요소는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.However, 'components' are not meant to be limited to software or hardware, and each component may be configured to be in an addressable storage medium or may be configured to reproduce one or more processors.
따라서, 일 예로서 구성 요소는 소프트웨어 구성 요소들, 객체지향 소프트웨어 구성 요소들, 클래스 구성 요소들 및 태스크 구성 요소들과 같은 구성 요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다.Thus, as an example, a component may include components such as software components, object-oriented software components, class components, and task components, and processes, functions, properties, procedures, and subs. Routines, segments of program code, drivers, firmware, microcode, circuits, data, databases, data structures, tables, arrays, and variables.
구성 요소들과 해당 구성 요소들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성 요소들로 결합되거나 추가적인 구성 요소들로 더 분리될 수 있다.Components and the functionality provided within those components may be combined into a smaller number of components or further separated into additional components.
산출부(310)는 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출한다. 이때, N개의 초음파 자극 변수로 초음파의 중심 주파수(CF), 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간(TBD), 단위 시간당 초음파 자극 단위의 반복 횟수(PRF), TBD와 PRF의 곱인 duty factor(DF)로 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지(AI) 및 초음파 자극의 총 투여 시간(TST) 등을 이용할 수 있다.The calculator 310 calculates mapping information about N ultrasound stimulation variables for each neural function based on a preset algorithm. In this case, the N ultrasonic stimulation variables include the center frequency (CF) of the ultrasonic waves, the unit time (TBD) applied without stopping the ultrasonic stimulus, the number of repetitions of the ultrasonic stimulation unit per unit time (PRF), and the duty factor (DF) that is a product of the TBD and the PRF. ), The percentage occupied by the ultrasonic time administered in unit time, the ultrasonic energy applied per unit area (AI), and the total administration time (TST) of the ultrasonic stimulus may be used.
예를 들어, 특정 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 자극 변수 조합을 CF=690KHz, TBD=0.5ms, PRF=100Hz, Ispta=130mW/cm2, TST=180s으로 설정하여, 뇌전증(간질) 증상이 다른 초음파 자극 변수 조합과 비교하여 최적으로 완화되었다면, 이와 같은 초음파 자극 변수의 조합이 최적의 뇌전증 제어 정보가 된다.For example, the combination of ultrasound stimulation parameters to control specific nerve function is set to CF = 690KHz, TBD = 0.5ms, PRF = 100Hz, Ispta = 130mW / cm2, TST = 180s, so that epilepsy (epilepsy) symptoms are different. If it is optimally relaxed compared to the ultrasonic stimulation parameter combination, such a combination of the ultrasonic stimulation parameters becomes the optimal epilepsy control information.
이와 같은 최적의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보는 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 산출할 수 있다. 이때, 미리 설정된 알고리즘의 일 예로, N개의 초음파 자극 변수를 하나의 축으로 가정하였을 때, 모든 축의 함수를 통해서 신경 기능의 조절 및 제어를 최적으로 일으킬 수 있는 지점을 찾는다. 이때 N개의 차원에서 각 차원의 좌표 값으로 이루어진 특정한 초음파 자극 변수 조합이 최적의 신경 기능 제어 현상을 일으켰다면, 해당 신경 기능 조절의 최적 조합 자극 변수 정보가 된다. 이를 각 신경 기능마다 각각 산출함으로써 각 신경 기능별로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다.The mapping information on the optimal ultrasonic stimulation variable may be calculated based on a preset algorithm. In this case, as an example of a preset algorithm, assuming that N ultrasound stimulation variables are assumed to be one axis, a point for optimally adjusting and controlling neural function is found through a function of all axes. At this time, if a specific ultrasonic stimulation variable combination consisting of coordinate values of each dimension in N dimensions has caused an optimal nerve function control phenomenon, the information is the optimal combination stimulation parameter information of the corresponding nerve function control. By calculating this for each nerve function, it is possible to obtain mapping information on the ultrasound stimulation parameters for each nerve function.
또 다른 예로, 최적의 촉감각을 유발하는 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보는 다음과 같이 산출할 수 있다. 중심 주파수가 1MHz이고, 초음파의 자극 노출 시간이 총 1초인 경우, 남은 3개의 초음파 자극 변수인 TBD, PRF, AI를 이용하여 다음과 같이 각각 3개의 조건을 만들 수 있다.As another example, mapping information on the ultrasonic stimulation parameter that causes the optimal tactile sensation may be calculated as follows. When the center frequency is 1MHz and the stimulus exposure time of the ultrasonic waves is 1 second in total, three conditions can be made as follows using the remaining three ultrasonic stimulation variables TBD, PRF, and AI.
첫째로 TBD 즉, DF가 30, 50, 70%인 3가지의 경우를 고려할 수 있고, 둘째로PRF가 10, 100, 1000Hz인 3가지 경우를 고려할 수 있으며, 마지막으로 초음파 에너지 강도(Isppa)가 395, 792, 1500mW/cm2인 3가지 경우를 고려할 수 있다. 이와 같이 각각의 3가지 경우를 조합하면 총 27가지의 초음파 자극 변수 조합이 형성될 수 있다. 이와 같은 상황에서, 다음과 같이 초음파 자극 변수의 최적 조합을 찾아낼 수 있다. First, we can consider three cases where TBD, DF is 30, 50, 70%, and secondly, we can consider three cases where PRF is 10, 100, 1000 Hz. Finally, ultrasonic energy intensity (Isppa) Three cases can be considered: 395, 792, 1500 mW / cm2. As a result of combining each of the three cases, a total of 27 ultrasonic stimulation parameter combinations may be formed. In such a situation, the optimal combination of ultrasonic stimulation parameters can be found as follows.
예를 들어, 사용자의 신체의 특정부분에 초음파 자극을 주어 사용자가 주관적으로 느끼는 자극의 종류(예를 들어, 촉감각, 냉감각, 온감각, 통증감각, 무감각)와 그 정도를 0부터 5 또는 0부터 10의 수치로 나타내어 사용자의 주관적 보고를 통해 산출할 수 있다. 즉, 각각의 조건에 대하여 10회 반복 측정하고, 5회 이상 같은 자극을 반복 응답할 경우만을 신뢰할 수 있는 응답으로 채택하여 각각의 감각별로 최고의 감각 정도 수치를 나타내는 조합을 초음파 자극 변수의 조합으로 찾아낼 수 있다.For example, ultrasonic stimulation is applied to a specific part of the user's body to determine the kind of stimuli that the user feels subjectively (eg, tactile, cold, warm, painful, numb) and the degree of stimulation. It can be calculated from the subjective reporting of the user as a numerical value from 0 to 10. That is, 10 times of measurement is repeated for each condition, and when the same stimulus is repeated more than 5 times, the response is adopted as a reliable response. I can make it.
이와 같은 실험을 통해서 PRF가 100Hz인 경우에 다른 두 경우(10, 1000Hz)의 PRF 조건에 비하여 상대적으로 따뜻한 감각을 일으키는 것을 확인할 수 있다. 초음파 자극 변수의 단계를 더욱 세밀하게 구분하면, 더욱 최적의 자극 변수 조합을 얻을 수 있다.Through this experiment, it can be seen that when the PRF is 100 Hz, it causes relatively warm sensation compared to the PRF conditions of the other two cases (10, 1000 Hz). By further dividing the steps of the ultrasonic stimulation parameters, a more optimal combination of stimulation parameters can be obtained.
이와 더불어, 초음파 자극 변수의 최적 조합은 미리 설정된 알고리즘 외 다른 방법으로도 산출할 수 있다. 예를 들어, 초음파 자극 시에 뇌전도(EEG)를 동시에 측정함으로써, 초음파 자극을 받고 있는 사용자의 제1차 체성감각 피질 (primary somatosensory cortex) 부근에서의 검출되는 ‘정상(定常) 촉감각 유발 전위(steady-state somatosensory evoked potential: SSSEP)’의 주파수와, 초음파 자극 변수들 중에서, 예를 들면, PRF와 일치하는지 등을 파악하여, 초음파와 뇌파의 객관적인 상호 관계를 유추하고, 이와 같은 상관 관계가 초음파의 신경 기능 제어의 최적 변수 조합을 객관적으로 찾아내는 접근법 중의 하나로 사용될 수 있다.In addition, the optimal combination of the ultrasonic stimulation parameters can be calculated by other methods besides the preset algorithm. For example, by simultaneously measuring electroencephalogram (EEG) at the time of ultrasound stimulation, a 'normal tactile sensation-induced potential detected near the primary somatosensory cortex of the user undergoing ultrasound stimulation ( Steady-state somatosensory evoked potential (SSSEP) 'and the ultrasound stimulus parameters, for example, whether they match the PRF, are inferred and the objective correlation between ultrasound and EEG can be inferred. It can be used as one of the approaches to objectively find the optimal combination of parameters of neural function control.
이와 같이, 다양한 주파수를 사용하여, 해당 주파수에서 펄스 형태로 제시되는 초음파의 시간 변수를 조정하여 효율적으로 신경 제어 효과를 체계적으로 매핑할 수 있다. 동시에, 제시된 초음파 펄스 사이의 시간 차이도 매개 변수로 설정하여, 신경 제어 기능에 관여하는 함수를 구하는 방법으로 초음파 핵심 자극 변수를 체계적으로 조정할 수 있다. 이에 따라, 최적의 신경 기능 제어를 유발하는 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다.As such, by using various frequencies, the neural control effect may be systematically mapped by adjusting the time variable of the ultrasound presented in the form of pulse at the corresponding frequency. At the same time, the time difference between the presented ultrasonic pulses is also set as a parameter so that the ultrasonic core stimulation parameters can be systematically adjusted by obtaining a function involved in the neural control function. Accordingly, mapping information about the ultrasonic stimulation variables that cause optimal nerve function control can be obtained.
한편, 해당 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 자극 변수는 인체의 안전성이 인정되는 범위에서 산출되어야 한다. 이때, 인체의 안전성이란 세포가 괴사하거나, 물리적으로 손상을 받지 않고, 세포핵 속의 유전체(DNA) 상의 손상을 받지 않는 정보를 포함하는 개념이다. 또한, 생체 안전성은 조직학 방법을 사용하여 검증한다. 즉, H&E 염색법을 통해서, 세포 조직이 물리적 손상을 받았는지 여부를 확인하고, TUNEL 염색법을 이용하여 DNA상의 손상이 있는지를 살펴볼 수 있다.On the other hand, the ultrasonic stimulation parameters for controlling the nerve function should be calculated in a range in which the safety of the human body is recognized. At this time, the safety of the human body is a concept that includes information that the cells are not necrotic or physically damaged, the damage on the genome (DNA) in the cell nucleus. In addition, biosafety is verified using histological methods. In other words, the H & E staining method can be used to determine whether the tissue has been physically damaged, and the TUNEL staining method can be used to examine whether there is any damage on the DNA.
저장부(320)에는 각 신경 기능과 초음파 자극 위치별로 구분하여 산출부(310)에서 산출한 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보가 저장된다. 즉, 저장부(320)는 각 신경 기능별로 산출된 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 신경 기능과 초음파 자극 위치별로 각각 구분하여 저장한다.The storage unit 320 stores mapping information about the ultrasonic stimulation variables calculated by the calculator 310 by dividing each nerve function and the ultrasonic stimulation position. That is, the storage unit 320 separately stores mapping information about the ultrasonic stimulation variables calculated for each neural function for each of the neural function and the ultrasonic stimulation position.
한편, 저장부(320)는 캐쉬, ROM(Read Only Memory), PROM(Programmable ROM), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 및 플래쉬 메모리(Flash memory)와 같은 비휘발성 메모리 소자 또는 RAM(Random Access Memory)과 같은 휘발성 메모리 소자 또는 하드디스크 드라이브(HDD, Hard Disk Drive), CD-ROM과 같은 저장 매체 중 적어도 하나로 구현될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.The storage unit 320 may be a nonvolatile memory device such as a cache, a read only memory (ROM), a programmable ROM (PROM), an erasable programmable ROM (EPROM), an electrically erasable programmable ROM (EEPROM), and a flash memory. Alternatively, the present invention may be implemented as at least one of a volatile memory device such as a random access memory (RAM), or a storage medium such as a hard disk drive (HDD) or a CD-ROM.
검색부(330)는 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색한다. 이때, 검색 조건으로 초음파 자극을 부여하기 위한 타겟 위치 및 타겟 위치에 따라 구분되는 신경 기능을 설정할 수 있다.The searcher 330 searches for mapping information corresponding to a target position for outputting an ultrasound and a nerve function to be controlled based on a preset search condition. In this case, a target position for imparting ultrasonic stimulation as a search condition and a neural function classified according to the target position may be set.
좌표 정합부(340)는 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합한다. 즉, 검색된 타겟 위치에 초음파의 가상 초점을 일치시켜서 초음파 에너지를 타겟에 집중 전달할 수 있도록, 3차원 공간상의 타겟 좌표와 초음파 초점 좌표를 정합시킨다.The coordinate matching unit 340 matches the virtual focal coordinates of the ultrasound and the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered in a three-dimensional space. That is, the target coordinates and the ultrasonic focus coordinates in the three-dimensional space are matched so that the virtual focus of the ultrasonic waves is matched to the searched target position so that the ultrasonic energy can be concentrated and delivered to the target.
초음파 출력부(350)는 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력한다. 초음파 출력부(350)는 출력된 초음파를 사용자에게 전달하기 위하여 비유동성 혹은 유동성 매질로 형성된 초음파 투과부(355)를 포함하고 있다. 초음파 투과부(355)에 대하여 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.The ultrasound output unit 350 outputs ultrasound based on the mapping information corresponding to the searched target position. The ultrasonic output unit 350 includes an ultrasonic transmission unit 355 formed of a non-flowable or flowable medium to deliver the output ultrasonic waves to the user. The ultrasonic transmission unit 355 will be described with reference to FIG. 4 as follows.
도 4는 초음파 투과부(355) 및 초음파 출력부(350)를 도시한 도면이다.4 is a diagram illustrating the ultrasonic transmission unit 355 and the ultrasonic output unit 350.
초음파 투과부(355)는 초음파 출력부(350)에서 발생한 초음파 에너지가 최적으로 투과될 수 있도록 한다. 초음파 투과부(355)에서 초음파가 전달될 매질로, 휴대성 측면이나 기기에 부착될 견고성 측면을 고려하여, 기존의 탈-기체 물(de-gassed water)과 같은 유동 매질 대신에, 젤 또는 고무 타입의 비유동성 매질로 형성될 수 있다. 다만, 초음파 투과부(355)의 비유동성 매질은 이에 한정되는 것은 아니며, 다른 형태의 비유동성 매질을 이용하여 초음파 투과부(355)를 형성할 수 있다. The ultrasonic transmission unit 355 allows the ultrasonic energy generated by the ultrasonic output unit 350 to be optimally transmitted. The ultrasonic wave transmission unit 355 is a medium to which ultrasonic waves are delivered, in consideration of the portability side or the rigidity side to be attached to the device, instead of the conventional de-gassed water, the gel or rubber type It can be formed with a non-flowable medium of. However, the non-flowable medium of the ultrasonic transmitting part 355 is not limited thereto, and the ultrasonic transmitting part 355 may be formed using another type of non-flowing medium.
한편, 초음파 투과부(355)는 구형으로 형성될 수 있다. 구형으로 형성될 경우, 집속 초음파 발생기(focused ultrasound transducer)의 형태에 정합되고 밀착되어 최적의 매질 모양이 될 수 있으며, 이로 인해 발생되는 초음파를 모두 받아서 전달할 수 있는 구조가 될 수 있다. 이에 따라, 초음파를 분산시키지 않고, 타겟으로 하는 위치에 초음파 에너지를 전달할 수 있다. 다만, 초음파 투과부(355)의 형상은 구형뿐만 아니라 다른 형상으로 형성될 수 있다.On the other hand, the ultrasonic transmission unit 355 may be formed in a spherical shape. When formed in a spherical shape, the shape of the focused ultrasound transducer may be matched to and closely adhered to the shape of a focused ultrasound transducer, thereby forming a structure capable of receiving and transmitting all of the generated ultrasounds. Thereby, ultrasonic energy can be transmitted to the position made into a target, without disperse | distributing an ultrasonic wave. However, the shape of the ultrasonic transmitting part 355 may be formed in a different shape as well as spherical.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 초음파 출력 시스템(300)은 보정부(360)를 더 포함할 수 있다. 보정부(360)는 사용자에 따른 편차에 기초하여 매핑 정보의 표준 오차를 산출할 수 있다. 이와 같이 산출된 표준 오차에 기초하여 매핑 정보를 보정함으로써 초음파 출력 시스템(300)이 적용된 기기의 사용 전에 개인별로 초기 보정 단계를 거쳐 사용자 맞춤형으로 사용할 수 있다.Referring back to FIG. 3, the ultrasound output system 300 according to the present invention may further include a correction unit 360. The correction unit 360 may calculate a standard error of the mapping information based on the deviation according to the user. By correcting the mapping information based on the standard error calculated as described above, the user can use the user by personally performing an initial calibration step for each individual before using the apparatus to which the ultrasound output system 300 is applied.
도 5는 초음파 출력 시스템(300)이 적용된 일 예시를 도시한 도면이다.5 is a diagram illustrating an example in which the ultrasound output system 300 is applied.
실제 기기에 소형의 초음파 출력 시스템(300)을 장착함으로써 인위적이고 의도적으로 사용자에게 가상의 감각을 전달할 수 있다. 즉, 가전제품 리모컨, 컴퓨터 마우스, 스마트폰 또는 휴대용 장치에 초음파 출력 시스템(300)을 장착할 수 있다. 예를 들어 도 5를 참조하면, 일반적으로 사용하는 컴퓨터 마우스의 내부에 초음파 출력 시스템(300)을 장착할 수 있다. 오른손잡이 기준으로 마우스를 잡을 때, 마우스의 엄지손가락이 닿는 부분에 구형의 초음파 투과부(355)가 돌출되어 있으며, 이를 통해 초음파 에너지가 사용자에게 전달된다. 따라서, 마우스 작업 중에, 엄지 손가락 끝 부분의 초음파 자극을 통해서, 사용자에게 따뜻한 감각이나 차가운 감각을 인위적으로 유발할 수 있다.By mounting a small ultrasonic output system 300 in a real device can artificially and intentionally deliver a virtual sense to the user. That is, the ultrasonic output system 300 may be mounted on a home appliance remote control, a computer mouse, a smartphone, or a portable device. For example, referring to FIG. 5, an ultrasonic output system 300 may be mounted inside a computer mouse that is generally used. When holding the mouse on the right-handed basis, the spherical ultrasonic transmission part 355 protrudes from the part where the thumb of the mouse touches, and the ultrasonic energy is transmitted to the user. Therefore, during the mouse operation, the user can artificially induce a warm or cold sensation through the ultrasonic stimulation of the tip of the thumb.
이와 같이, 컴퓨터용 마우스뿐만 아니라 리모컨, 스마트 폰 등 각종 IT 기기를 이용함으로써 원격으로 사용자의 신경 기능을 제어할 수 있게 된다.As such, by using not only a computer mouse but also various IT devices such as a remote controller and a smart phone, the neural function of the user can be controlled remotely.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 방법을 도시한 순서도이다.6 is a flowchart illustrating an ultrasonic output method according to an exemplary embodiment of the present invention.
먼저, 미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출한다(S610). 이때, N개의 초음파 자극 변수로 초음파의 중심 주파수(CF), 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간(TBD), 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수(PRF), 단위 면적당 가해진 초음파 에너지(AI) 및 초음파 자극의 총 투여 시간(TST) 등을 이용할 수 있다.First, mapping information about N ultrasound stimulation variables for each neural function is calculated based on a preset algorithm (S610). In this case, the N ultrasound stimulation variables include the center frequency (CF) of the ultrasound, the unit time (TBD) applied without stopping the ultrasound stimulus, the percentage of ultrasound stimuli administered during the unit time, the number of repetitions of the ultrasound stimulation per unit time (PRF), Ultrasonic energy applied per unit area (AI) and total administration time (TST) of ultrasonic stimulation may be used.
이와 같은 초음파 자극 변수를 이용하여 미리 설정된 알고리즘에 따라 매핑 정보를 산출할 수 있다. 이때, 미리 설정된 알고리즘의 일 예로, N개의 초음파 자극 변수를 하나의 축으로 가정하였을 때, 모든 축의 함수를 통해서 신경 기능의 조절 및 제어를 최적으로 일으킬 수 있는 지점을 찾는다. 이때 N개의 차원에서 각 차원의 좌표 값으로 이루어진 초음파 자극 변수 조합이 해당 신경 기능 조절의 최적 조합 자극 변수 정보가 된다. 이를 각 신경 기능마다 각각 산출함으로써 각 신경 기능별로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 획득할 수 있다. 그 밖에도 다양한 방법으로 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출할 수 있으며, 이는 도 3에서 설명하였으므로 이하에서는 생략하도록 한다.Mapping information may be calculated according to a predetermined algorithm using the ultrasonic stimulation variable. In this case, as an example of a preset algorithm, assuming that N ultrasound stimulation variables are assumed to be one axis, a point for optimally adjusting and controlling neural function is found through a function of all axes. At this time, the ultrasonic stimulation variable combination consisting of coordinate values of each dimension in N dimensions becomes the optimal combination stimulation parameter information of the corresponding nerve function control. By calculating this for each nerve function, it is possible to obtain mapping information on the ultrasound stimulation parameters for each nerve function. In addition, mapping information on the ultrasonic stimulation variables may be calculated by various methods, which are omitted in the following description as described in FIG. 3.
다음으로, 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장한다(S620). 즉, 각 신경 기능별로 산출된 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 신경 기능별로 각각 구분하여 저장한다.Next, the mapping information is classified and stored for each neural function (S620). That is, mapping information about ultrasonic stimulation variables calculated for each neural function is separately stored for each neural function.
다음으로, 미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색한다(S630). 이때, 검색 조건으로 초음파 자극을 부여하기 위한 타겟 위치 및 타겟 위치에 따라 구분되는 신경 기능을 설정할 수 있다.Next, the mapping information corresponding to the target position for outputting the ultrasound and the nerve function to be controlled is searched based on a preset search condition (S630). In this case, a target position for imparting ultrasonic stimulation as a search condition and a neural function classified according to the target position may be set.
다음으로, 초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합한다(S640). 예를 들면, 뇌의 기억을 담당하는 해마체(hippocampus)의 위치는 MRI를 이용하여 임의의 피험자 두뇌 안의 3차원적인 위치 좌표를 산출할 수 있고, 두개골을 고정한 상태에서 MRI 3차원 영상에 기초하여 해마체의 위치를 정확하게 알 수 있다. 이와 동시에, 초음파 발생기에 적외선 마커를 고정하여 부착하면, 적외선 카메라를 통해서 초음파 발생기의 3차원 공간상에서의 정확한 위치를 추적할 수 있다. 그리고, 이와 같은 위치 정보에 이미 알고 있는 초음파 발생기의 초점 거리를 연동하여 합산할 경우, 3차원 공간상에서의 초음파 초점의 좌표값도 확인할 수 있다. Next, the virtual focal coordinates of the ultrasound and the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered are matched in three-dimensional space (S640). For example, the position of the hippocampus responsible for the memory of the brain can be calculated using MRI to calculate three-dimensional position coordinates in any subject's brain, and based on the MRI three-dimensional image with the skull fixed. It is possible to know exactly the position of. At the same time, if the infrared marker is fixed and attached to the ultrasonic generator, the accurate position in the three-dimensional space of the ultrasonic generator can be tracked through the infrared camera. In addition, when the sum of the focal lengths of the ultrasonic generators already known to the position information is combined, the coordinate values of the ultrasonic focal points in the three-dimensional space can also be confirmed.
이와 같이, 컴퓨터를 사용하여, 획득한 해마체의 위치 정보에 적외선 카메라의 실시간 영상을 보며 초음파 초점의 좌표값 정보를 정합시킬 경우, 사용자가 원하는 정확한 3차원 공간상의 위치에 초음파 초점을 맞출 수 있고, 이에 따라 초음파 에너지를 집중시켜 전달할 수 있게 된다.As described above, when the coordinate information of the ultrasound focus is matched while viewing the real-time image of the infrared camera with the acquired position information of the hippocampus, the ultrasound focus can be focused on the exact three-dimensional space desired by the user. Accordingly, ultrasonic energy can be concentrated and delivered.
다음으로, 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 투과하기 위한 유동성 혹은 비유동성 매질 상으로 초음파를 출력한다(S650). 이때, 초음파를 투과하기 위한 비유동성 매질의 일 실시예로 젤 또는 고무로 형성될 수 있다. 또한, 비유동성 매질은 구형의 모양으로 형성될 수 있다. 이와 같은 매질의 종류 및 형상을 이용할 경우, 출력된 초음파를 최대로 받아서 분산시키지 않고 타겟 위치에 초음파를 전달할 수 있게 된다. 한편, 매질의 종류 및 형상의 종류는 이에 한정되는 것이 아니며, 초음파 에너지를 최적으로 전달할 수 있는 다양한 매질 또는 형상으로 형성될 수 있다.Next, based on the mapping information corresponding to the searched target position, the ultrasonic wave is output on the flowable or non-flowing medium for transmitting the ultrasonic wave (S650). At this time, as an embodiment of the non-flowable medium for transmitting the ultrasonic waves may be formed of a gel or rubber. In addition, the non-flowable medium may be formed into a spherical shape. When using such a type and shape of the medium, it is possible to deliver the ultrasonic waves to the target position without receiving and dispersing the ultrasonic waves to the maximum. Meanwhile, the type and shape of the medium are not limited thereto, and may be formed in various media or shapes capable of optimally delivering ultrasonic energy.
이와 더불어, 본 발명에 따른 신경 기능을 제어하기 위한 초음파 출력 방법은 사용자에 따른 편차에 기초하여 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보의 표준 오차를 산출하는 단계 및 표준 오차에 기초하여 매핑 정보를 보정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 보정 단계를 적용함으로써 초음파 출력 방법이 적용된 기기의 사용 전에 개인별로 초기 보정 단계를 거쳐 사용자 맞춤형으로 사용할 수 있다.In addition, the ultrasonic output method for controlling neural function according to the present invention comprises the steps of calculating the standard error of the mapping information for the ultrasound stimulation variable based on the deviation according to the user and correcting the mapping information based on the standard error It may further include. By applying such a correction step, it is possible to use the user personally after the initial correction step for each individual before using the device to which the ultrasonic output method is applied.
이상에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템 및 방법을 통해 초음파 에너지를 생체의 다양한 부위에 대해 조사되도록 출력함으로써 신경 기능을 제어하는 것을 설명하였다.In the above, it has been described that the nerve function is controlled by outputting ultrasonic energy to be irradiated to various parts of the living body through the ultrasonic output system and method according to the exemplary embodiment of the present invention.
한편, 이하에서는 도 7 내지 도 13을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템 및 방법을 설명하도록 한다. 이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템 및 방법은, 다양한 생체 부위 중 특정 부위(즉, 뇌)에 조사되도록 초음파 에너지를 출력하되, 초음파 에너지 출력의 대상이 아닌 다른 대상의 뇌전도(뇌파)에 의해 인식된 피험자의 판단 의도(intention)에 기초하여 초음파 에너지를 출력함으로써, 뇌와 뇌 간의 인터페이스(Brain-Brain Interface, BBI)를 처리할 수 있다.Meanwhile, the ultrasonic output system and method according to another exemplary embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 7 to 13. The ultrasonic output system and method according to another embodiment of the present invention, while outputting the ultrasonic energy to be irradiated to a specific portion (ie, brain) of various biological parts, the electroencephalogram (electroencephalography) of another target that is not the target of the ultrasonic energy output The brain-brain interface (BBI) can be processed by outputting ultrasonic energy based on the subject's judgment intention recognized by.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 뇌-뇌 인터페이스의 개념을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining the concept of the brain-brain interface applied to another embodiment of the present invention.
도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 시스템(100)은 상이한 대상의 두뇌 간의 인터페이스를 처리한다.As shown in FIG. 7, the ultrasound output system 100 for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention processes an interface between brains of different objects.
구체적으로, 도 7에 도시한 바와 같이, 초음파 출력 시스템(100)은 의도(intention) 인지 대상의 뇌로부터 뇌파 신호를 측정하고, 측정된 뇌파 신호에 따른 뇌전도(electroencephalogram, EEG)에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 특정 형상을 추론한다. 그리고, 초음파 출력 시스템(100)은 추론한 형상에 매칭된, 다른 뇌(이하, ‘초음파 조사 대상의 뇌’라고 지칭함)의 특정 신경 기능을 제어할 최적의 초음파 자극 변수의 조합을 검출하고, 검출한 정보에 기초하여 초음파 조사 대상의 뇌의 특정 부위에 조사되도록 집속 초음파(focused ultrasound)를 출력한다. 이에 따라 초음파 조사 대상 뇌의 특정 부위가 자극됨으로써, 해당 신경 기능의 조절을 제어한다. 이때, 초음파 조사 대상의 뇌의 부위 중 상기 특정 신경 기능에 해당하는 신경 부위가 초음파를 조사할 타겟 신경 부위로 설정된다.Specifically, as shown in FIG. 7, the ultrasound output system 100 measures an EEG signal from a brain of an intention recognition object and recognizes an intention based on an electroencephalogram (EGE) according to the measured EEG signal. Infer a specific shape associated with the object. In addition, the ultrasound output system 100 detects and detects a combination of optimal ultrasound stimulation variables that will control a specific neural function of another brain (hereinafter referred to as a 'brain of an ultrasound object'), which is matched to the inferred shape. Based on the information, a focused ultrasound is outputted so as to be irradiated to a specific part of the brain of the ultrasound irradiation target. Accordingly, by stimulating a specific part of the brain to be irradiated with ultrasound, the regulation of the nerve function is controlled. In this case, the nerve part corresponding to the specific nerve function among the brain parts of the brain to be irradiated is set as a target nerve part to be irradiated with ultrasound.
이처럼, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)은, 뇌전도에 기반한 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)와, 초음파에 기반한 컴퓨터-뇌 인터페이스(Computer-Brain Interface, CBI)를 융합한 뇌전도-초음파 기반의 뇌-뇌 인터페이스(Brain-Brain Interface, BBI)를 처리한다.As such, the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention includes a brain-computer interface (BCI) based on an electroencephalogram and a computer-brain interface (CBI) based on an ultrasound. Process the brain-brain interface (BBI) based on the electroencephalogram-ultrasound fusion.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)은, 도 7에서와 같이 사람(즉, 의도 인지 대상) 대 사람(즉, 초음파 조사 대상) 뿐만 아니라, 사람 대 동물 및 동물 대 동물 등 다양한 생물체의 뇌 간에 인터페이스 처리가 가능하다.On the other hand, the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention, as shown in Figure 7, not only people (ie, intention recognition object) vs. people (ie, ultrasound irradiation target), but also human-to-animal and animal-to-animal It is possible to interface between brains of various organisms.
이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 다른 초음파 출력 시스템(100)에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, another ultrasonic output system 100 according to another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 8.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.8 is a block diagram illustrating a configuration of an ultrasound output system for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention.
도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)은 발광 소자 배열부(110), 형상 추론부(120), 신경 기능 정보 저장부(130), 초음파 출력부(140) 및 MRI 촬영부(150)를 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 8, the ultrasonic output system 100 according to another exemplary embodiment of the present invention may include a light emitting device arrangement 110, a shape inference unit 120, a neural function information storage unit 130, and an ultrasonic output unit. 140 and the MRI photographing unit 150 is configured.
발광 소자 배열부(110)는 복수의 발광 소자(light-emitting element)가 일정 간격 서로 이격되어 배열되어 있다. 참고로, 복수의 발광 소자가 이격된 간격은 정신물리학적으로 의미가 있는 간격으로서, 사전에 실험을 통한 결과에 기초하여 설정될 수 있다. 즉, 각 발광 소자 배열 간에 충분한 시각적 구분 분해능을 가질 수 있도록 배열된다.In the light emitting device array 110, a plurality of light-emitting elements are arranged spaced apart from each other at regular intervals. For reference, intervals in which the plurality of light emitting elements are spaced apart may be psychophysically meaningful intervals, and may be set based on results of experiments in advance. That is, they are arranged to have sufficient visual separation resolution between each light emitting device array.
하기에서 설명할 도 10에서와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 발광 소자 배열부(110)는 복수의 발광 소자가 행렬 형태로 배열되되, 각 행 및 열이 교차하는 위치마다 둘 이상의 발광 소자가 배치될 수 있다. 이에 따라, 각 행 및 열은 교차 위치에서 발광 소자를 공유하지 않고 각각 독립적으로 발광 소자가 구성됨으로써, 행과 열이 각각 고유의 독립적인 주파수로 깜박(즉, 점멸)일 수 있다.As shown in FIG. 10 to be described below, the light emitting device arranging unit 110 according to an embodiment of the present invention includes a plurality of light emitting devices arranged in a matrix form, and two or more light emitting devices are disposed at positions where each row and column cross each other. Can be arranged. Accordingly, each row and column may be configured independently of each other without sharing the light emitting elements at the crossing positions, such that the rows and columns may blink (ie, blink) at their own independent frequencies.
이때, 하기에서 설명할 형상 추론부(120)에 포함된 발광 소자 제어 모듈(121)의 제어에 따라, 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자들은 각각 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하게 되고, 의도 인지 대상이 이러한 발광 소자 배열부(110)를 주시하게 된다.At this time, under the control of the light emitting device control module 121 included in the shape inference unit 120 to be described below, the light emitting devices of the light emitting device array 110 are blinked at different frequencies for each arrangement position. The object of recognition is to look at the light emitting device arrangement 110.
참고로, 하기 도 10에서는 행의 발광 소자(RD1 내지 RD25)와 열의 발광 소자(CD1 내지 CD25)의 기호를 상이하게 나타내었으나, 이는 행과 열의 구별을 용이하게 하기 위한 것으로, 행렬의 발광 소자들은 동일한 종류로 구성될 수 있다. 참고로 본 발명의 실시예에서 발광 소자는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)일 수 있으며, 발광 다이오드 중 적색, 녹색 및 백색 등의 발광 다이오드 중 어느 하나일 수 있다.For reference, in FIG. 10, the symbols of the light emitting devices RD1 to RD25 and the light emitting devices CD1 to CD25 of the columns are different from each other. However, the light emitting devices of the matrix may be easily distinguished from each other. It may be of the same kind. For reference, in the exemplary embodiment of the present invention, the light emitting device may be a light emitting diode (LED), and may be any one of red, green, and white light emitting diodes.
한편, 본 발명의 실시예에서는 의도에 따른 뇌파 신호를 생성하기 위해 의도 인지 대상이 주시하는 대상을 발광 소자 배열부(110)로 예를 들어 설명하고 있으나, 이외에도 연속적인 픽셀 라인이 구성된 모니터나 액정 디스플레이 등의 출력 장치인 것도 가능하다. 이때, 상기 출력 장치의 픽셀 라인은 상기 발광 소자 배열부에 발광 소자가 배열된 형태 및 발광 소자들을 제어하는 방식과 동일 또는 유사하도록 구성될 수 있다.Meanwhile, in the exemplary embodiment of the present invention, the object to be viewed by the intention recognition object is described as an example of the light emitting element array unit 110 to generate an EEG signal according to the intention. It may also be an output device such as a display. In this case, the pixel line of the output device may be configured to be the same as or similar to the form in which the light emitting elements are arranged in the light emitting element array and a method of controlling the light emitting elements.
다시 도 8로 돌아가서, 형상 추론부(120)는 의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.8, the shape inference unit 120 infers the shape associated with the intention recognition object based on the EEG signal of the intention recognition object.
구체적으로, 도 9 및 도 10을 참조하여 형상 추론부(120)의 구성 및 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Specifically, the configuration and operation of the shape inference unit 120 will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 형상 추론부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다. 그리고, 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발광 소자 배열부의 제어 방식 및 발광 소자 배열부를 이용한 연상 형상 추론 방식의 일례를 설명하기 위한 도면이다.9 is a block diagram illustrating a detailed configuration of a shape inference unit according to another exemplary embodiment of the present invention. 10 is a view for explaining an example of an associative shape inference method using a control method and a light emitting device arrangement of a light emitting device arrangement according to another embodiment of the present invention.
먼저, 도 9에 도시한 바와 같이, 형상 추론부(120)는 발광 소자 제어 모듈(121), 뇌파 측정 모듈(122) 및 형상 분석 모듈(123)을 포함하여 구성된다.First, as shown in FIG. 9, the shape inference unit 120 includes a light emitting device control module 121, an EEG measurement module 122, and a shape analysis module 123.
발광 소자 제어 모듈(121)은 발광 소자 배열부(110)에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어한다. 또한, 발광 소자 제어 모듈(121)은 점멸하는 총 시간이나 점멸의 밝기, 점멸의 대상이 되는 발광 소자 선택 등의 다양한 점멸 동작 조건을 제어할 수 있다.The light emitting device control module 121 controls the plurality of light emitting devices arranged in the light emitting device array unit 110 to blink at different frequencies for each array position. In addition, the light emitting device control module 121 may control various blinking operation conditions such as the total time of blinking, the brightness of blinking, and the selection of the light emitting device to be blinked.
이때, 발광 소자 제어 모듈(121)은 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자들을 복수의 그룹으로 구분하고, 각 그룹 별로 상이하게 설정한 주파수에 따라 발광 소자가 점멸하도록 제어할 수 있다. 참고로, 발광 소자 제어 모듈(121)은 의도 인지 대상이 주시할 발광 소자들이 고주파로 점멸하도록 설정함으로써 눈의 피로를 감소시킬 수 있다.In this case, the light emitting device control module 121 may classify the light emitting devices of the light emitting device array unit 110 into a plurality of groups, and control the light emitting devices to blink according to differently set frequencies for each group. For reference, the light emitting device control module 121 may reduce eye fatigue by setting the light emitting devices to be watched by the intention recognition object at high frequency.
구체적으로, 발광 소자 제어 모듈(121)은 복수의 발광 소자를 기설정된 복수의 배열 위치 범위 별로 나누어 그룹화하되, 도 10의 (a)에서와 같이 행렬 형태로 배열된 전체 발광 소자 중 하나의 행 또는 열의 배열 위치 상에 배치된 복수의 발광 소자를 하나의 그룹으로 그룹화할 수 있다.In detail, the light emitting device control module 121 divides and groups a plurality of light emitting devices into a plurality of preset array position ranges, and includes one row or all of the light emitting devices arranged in a matrix form as shown in FIG. A plurality of light emitting elements arranged on the arrangement position of the columns can be grouped into one group.
그리고, 발광 소자 제어 모듈(121)은 복수의 그룹 별로 상이한 주파수를 설정하고, 각 그룹에 속한 발광 소자들이 동일한 주파수로 점멸하도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 도 10에서는 발광 소자 배열부(110)의 5개의 행에 각각 35Hz, 15Hz, 5Hz, 25Hz 및 45Hz가 설정되고, 5개의 열에 각각 49Hz, 28Hz, 7Hz, 21Hz 및 14Hz가 설정된 것을 나타내었다.The light emitting device control module 121 may set different frequencies for each of the plurality of groups, and control the light emitting devices in each group to flash at the same frequency. For example, in FIG. 10, 35 Hz, 15 Hz, 5 Hz, 25 Hz, and 45 Hz are set in five rows of the light emitting element array 110, and 49 Hz, 28 Hz, 7 Hz, 21 Hz, and 14 Hz are set in five columns, respectively. It was.
발광 소자 제어 모듈(121)은 행 별 또는 열 별로 주파수 간의 대역폭 차를 기설정된 임계값 이상 차이가 나도록 설정할 수 있다. 그리고, 발광 소자 제어 모듈(121)은 둘 이상의 행 및/또는 열 간의 주파수 합이 다른 둘 이상의 행 및/또는 열 간의 주파수 합과 상이하도록 각 행 및 열에 주파수를 할당할 수 있다.The light emitting device control module 121 may set a bandwidth difference between frequencies for each row or column so that the difference is greater than or equal to a preset threshold. In addition, the light emitting device control module 121 may allocate a frequency to each row and column such that the frequency sum between two or more rows and / or columns is different from the frequency sum between two or more rows and / or columns.
이는, 이후 설명할 뇌파 측정 모듈(122)을 통해 측정된 의도 인지 대상의 뇌파 신호로부터 주파수 검출시 측정 값의 분해능과 신뢰도를 높이기 위해서이다. 또한, 하기 뇌파 측정 모듈(122)이 측정한 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)를 통해 검출되는 뇌파 신호 중에는 특정 행 및 열 간의 점멸 주파수의 조합 성분도 검출되므로, 이것을 역추론하는데 용이하게 이용하기 위함이다.This is to increase the resolution and reliability of the measured value when detecting the frequency from the EEG signal of the intention recognition object measured through the EEG measurement module 122 which will be described later. In addition, in the EEG signal detected through the Steady State Visual Evoked Potential (SSVEP) measured by the EEG measurement module 122, a combination component of a blinking frequency between a specific row and a column is also detected. This is for ease of use.
예를 들어, 도 10의 (b)를 참조하면, 의도 인지 대상이 문자 “T”를 연상하면서 상기 모든 행렬이 각각 고유의 주파수로 점멸하고 있는 발광 소자 배열부(110)를 응시할 경우, 검출이 예상되는 SSVEP는 7Hz(열), 35Hz(행), 및 상기 두 주파수의 합인 42Hz이다. 이와 비교하여, 의도 인지 대상이 문자 “+”를 연상하면서 상기 점멸하고 있는 발광 소자 배열부를 응시할 경우, 검출이 예상되는 SSVEP는 7Hz(열), 5Hz(행), 및상기 두 주파수의 합인 12Hz이다. 이처럼, 각각 상이한 형상에 대응하는 주파수들의 합(즉, 앞서 설명한 42Hz 및 12Hz)이 서로 상이하도록 각각의 행과 열에 주파수를 설정할 수 있다.For example, referring to FIG. 10 (b), when the intention recognition object gazes at the light emitting element array unit 110 in which all the matrices are blinking at their own frequencies while reminiscent of the letter “T”, detection is performed. The expected SSVEP is 7 Hz (column), 35 Hz (row), and 42 Hz which is the sum of the two frequencies. In comparison, when the intention recognition object gazes at the blinking light emitting element array, reminiscent of the character “+”, the expected SSVEP is 7 Hz (column), 5 Hz (row), and 12 Hz, which is the sum of the two frequencies. . As such, the frequencies can be set in each row and column such that the sum of the frequencies corresponding to the different shapes (ie, 42 Hz and 12 Hz described above) are different from each other.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)에서, 도 8의 발광 소자 배열부(110)와 도 9의 발광 소자 제어 모듈(121)을 별도의 구성으로 구분하여 설명하였으나, 또 다른 예로서 발광 소자 배열부(110) 및 발광 소자 제어 모듈(121)은 하나의 구성으로 결합되어 구현될 수 있다. 이때, 결합된 발광 소자 배열부(110) 및 발광 소자 제어 모듈(121)은 하기 설명할 뇌파 측정 모듈(122) 및 형상 분석 모듈(123)과 연결되어 발광 소자 별로 설정된 주파수 정보 및 발광 소자의 제어 정보(예를 들어, 점멸 제어의 시작 및 종료 등의 정보)를 제공할 수 있다.On the other hand, in the ultrasonic output system 100 according to an embodiment of the present invention, the light emitting device arrangement 110 of FIG. 8 and the light emitting device control module 121 of FIG. 9 have been described in a separate configuration, yet another For example, the light emitting device arranging unit 110 and the light emitting device control module 121 may be combined and implemented in one configuration. In this case, the combined light emitting device arrangement 110 and the light emitting device control module 121 are connected to the EEG measurement module 122 and the shape analysis module 123 which will be described below to control the frequency information and the light emitting device set for each light emitting device. Information (e.g., information such as start and end of flashing control) can be provided.
뇌파 측정 모듈(122)은 발광 소자 배열부(110)를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다. 참고로, 뇌파 측정 모듈(122)은 뇌파 측정 장비(미도시)와 연결되어 뇌파 신호를 측정하도록 제어할 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)의 구성 중 뇌파 측정 모듈(122)을 포함한 적어도 하나의 구성이 뇌파 측정 장비 내 일구성으로서 포함될 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에서는 의도 인지 대상의 안전 및 편의를 위해 비침습적(noninvasive)으로 뇌파를 측정하는 헤드셋이나 밴드 형태 등의 뇌파 측정 장비(미도시)를 적용할 수 있다.The EEG measurement module 122 measures an EEG signal of an intention recognition object that looks at the light emitting device arrangement 110. For reference, the EEG measurement module 122 may be connected to the EEG measurement device (not shown) to control to measure the EEG signal, EEG measurement module of the configuration of the ultrasonic output system 100 according to an embodiment of the present invention At least one configuration, including 122, may be included as a configuration in the EEG measurement device. For example, in an embodiment of the present invention, a brain wave measuring device (not shown), such as a headset or a band type, which measures brain waves in a noninvasive manner may be applied for safety and convenience of an intention recognition object.
이때, 뇌파 측정 모듈(122)은 다양한 방식으로 뇌파 신호를 측정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 점멸하고 있는 발광 소자 배열부(110)를 응시한 의도 인지 대상의 인지적 주의(cognitive attention)에 따라 후두엽(occipital lobe)의 시각 피질(visual cortex)에서 물리적으로 유도되는 정상상태 시각유발 전위(SSVEP)를 측정할 수 있다.In this case, the EEG measurement module 122 may measure the EEG signal in various ways. In an embodiment of the present invention, physically induced in the visual cortex of the occipital lobe in accordance with the cognitive attention of the intended recognition object staring at the blinking light emitting device array 110. Steady state visually induced potential (SSVEP) can be measured.
형상 분석 모듈(123)은 측정된 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.The shape analysis module 123 detects at least one frequency included in the measured EEG signal, and has a shape reminiscent of an intention recognition object based on an arrangement of light emitting devices that blink at a frequency corresponding to the detected at least one frequency. Infer
구체적으로, 의도 인지 대상이 발광 소자 배열부(110)의 발광 소자를 주시한 상태에서 특정한 형상(문자, 숫자 및 기호 등)을 의도(intention)에 따라 연상할 경우, 의도 인지 대상이 연상한 형상에 매칭된 발광 소자 배열부(110) 상의 발광 소자가 점멸하는 주파수와 동일한 주파수가 뇌파 신호에서 검출된다. Specifically, when the intention recognition object associates a specific shape (letters, numbers, symbols, etc.) according to the intention in the state of looking at the light emitting element of the light emitting element array unit 110, the shape in which the intention recognition object is associated with A frequency equal to the frequency at which the light emitting element on the light emitting element array unit 110 is blinking is detected in the EEG signal.
이때, 형상 분석 모듈(123)을 통해 검출된 뇌파 신호의 주파수는 피측정자가 의도한 특정한 형상의 모양(예를 들어, 기하학 구조(geometry))에 매칭되는 해당 발광 소자 그룹의 점멸 주파수를 반영한다. 즉, 발광 소자 배열부(110) 상의 그룹 중 의도 인지 대상의 형상 연상에 대응하는 그룹의 주파수와, 상기 대응하는 그룹 별 주파수를 합한 주파수가 검출된다.In this case, the frequency of the EEG signal detected by the shape analysis module 123 reflects the blinking frequency of the corresponding group of light emitting devices matching the shape (eg, geometry) of the specific shape intended by the subject. . That is, the frequency of the group of the group on the light emitting element array unit 110 corresponding to the shape association of the intended recognition object and the frequency of the corresponding group is detected.
예를 들어, 형상 분석 모듈(123)은 검출한 주파수 중 발광 소자 제어 모듈(121)을 통해 설정된 그룹 별 주파수와 완벽히 일치하는 주파수와 그 공진 주파수(harmonic frequency)에 기초하여 정확한 주파수를 선택할 수 있다. 또한, 형상 분석 모듈(123)은 검출된 주파수 주변의 유사 주파수가 포함된 경우, 발광 소자 배열부(110) 상에 설정된 주파수 중 의도 인지 대상자의 의도와 관련된 주파수 및 그 주파수들을 합한 주파수를 참고하여 정확한 주파수를 선택할 수 있다.For example, the shape analysis module 123 may select an accurate frequency based on a frequency that perfectly matches the frequency of each group set by the light emitting device control module 121 and its resonance frequency among the detected frequencies. . In addition, when the similarity frequency around the detected frequency is included, the shape analysis module 123 refers to a frequency related to the intention of the intention recognition target among the frequencies set on the light emitting element array unit 110 and the sum of the frequencies. The correct frequency can be selected.
그런 다음, 형상 분석 모듈(123)은 발광 소자 배열부(110) 상의 복수의 그룹 중 상기 검출한 적어도 하나의 주파수와 대응하는 주파수로 설정된 그룹을 검출한다. 그리고, 형상 분석 모듈(123)은 상기 검출한 그룹의 발광 소자들의 배열 형태에 의한 형상에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다.Then, the shape analysis module 123 detects a group set to a frequency corresponding to the at least one detected frequency among the plurality of groups on the light emitting element array unit 110. In addition, the shape analysis module 123 infers a shape reminiscent of the intention recognition object based on the shape of the detected group of light emitting elements.
이때, 형상 분석 모듈(123)은 측정된 뇌파 신호로부터 둘 이상의 주파수가 검출된 경우, 검출된 둘 이상의 주파수에 대응되는 발광 소자 배열부(110)의 그룹 별 발광 소자의 배열 형태를 조합하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론할 수 있다.In this case, when two or more frequencies are detected from the measured EEG signal, the shape analysis module 123 recognizes the intention by combining the arrangement forms of the light emitting devices for each group of the light emitting device arrays 110 corresponding to the detected two or more frequencies. Infer the shape of the object.
예를 들어, 의도 인지 대상이 문자 “T”를 연상한 경우, 도 10의 (b)에서와 같이 형상 분석 모듈(123)은 발광 소자 배열부(110) 상의 행 및 열 중 문자 “T”의 형상에 대응되는 35Hz 및 7Hz의 주파수와, 35Hz 및 7Hz를 합한 42Hz를 검출할 수 있다.For example, when the intention recognition object is associated with the letter “T”, as shown in FIG. 10B, the shape analysis module 123 of the letter “T” in the row and column on the light emitting device array 110 may be used. A frequency of 35 Hz and 7 Hz corresponding to the shape and 42 Hz of 35 Hz and 7 Hz can be detected.
이때, 형상 분석 모듈(123)은 뇌파 신호로부터 검출된 35Hz 및 7Hz 및 42Hz에 대응하는 발광 소자 배열부(110) 상의 행 및 열을 판단하고, 판단한 행 및 열에 해당하는 발광 소자의 배열 형태에 따른 형상(즉, 문자 “T”에 대응하는 형상)을 추론하여 판단한다.In this case, the shape analysis module 123 determines the rows and columns on the light emitting element array 110 corresponding to 35 Hz, 7 Hz, and 42 Hz detected from the EEG signal, and according to the arrangement form of the light emitting elements corresponding to the determined rows and columns. Determine by inferring the shape (that is, the shape corresponding to the letter “T”).
형상 분석 모듈(123)은 기저장된 복수의 기준 형상과 상기 검출한 그룹에 의한 형상 간의 유사도를 산출하여, 유사도가 가장 높은 형상을 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 것도 가능하다. 이때, 형상 분석 모듈(123)은 사전에 글자(문자), 숫자, 및 기호 등의 다양한 종류의 형상을 포함하는 기준 형상과 각 기준 형상에 대응되는 발광 소자 배열부(110) 상의 발광 소자 그룹들의 정보를 매칭하여 저장해둘 수 있다.The shape analysis module 123 may calculate the similarity between the plurality of previously stored reference shapes and the shape by the detected group, and infer the shape having the highest similarity as the shape reminiscent of the intention recognition object. In this case, the shape analysis module 123 may include a reference shape including various types of shapes such as letters (letters), numbers, and symbols in advance, and a group of light emitting device groups on the light emitting device arrangement 110 corresponding to each reference shape. The information can be matched and stored.
한편, 이상에서는 형상 분석 모듈(123)이 뇌파 신호로부터 검출된 주파수 및 해당 주파수들의 합에 기초하여 의도 인지 대상이 연산한 형상을 추론하는 것을 설명하였다. 이외에도 형상 분석 모듈(123)은 검출된 뇌파 신호를 패턴 인식(pattern recognition) 통계법 및 기계 학습(machine learning) 방법 등의 기설정된 방식을 통해서 의도 인지 대상이 주시하고 있는 형상을 해독(decoding)할 수 있다.On the other hand, it has been described above that the shape analysis module 123 infers the shape calculated by the intention recognition object based on the frequency detected from the EEG signal and the sum of the corresponding frequencies. In addition, the shape analysis module 123 may decode the detected EEG signal through a predetermined method such as pattern recognition statistics and machine learning. have.
다시 도 8로 돌아가서, 신경 기능 정보 저장부(130)는 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 각 뇌 신경 기능에 해당하는 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장되어 있다. 이때, 초음파 자극 매개 변수의 조합은 해당 뇌 신경 기능을 최적으로 제어할 수 있도록 하는 조합으로서, 상기 도 1 내지 도 6을 통해 설명한 산출부(310), 저장부(320), 검색부(330) 및 보정부(360) 중 적어도 하나의 구성의 동작과 동일 또는 유사한 방식을 적용하여 설정하거나, 사전에 실험 등을 통해 설정할 수 있다.8, the nerve function information storage unit 130 matches and stores a combination of reference shapes and ultrasonic stimulation parameters for each of a plurality of predetermined brain nerve functions and nerve parts corresponding to each brain nerve function. In this case, the combination of the ultrasonic stimulation parameters is a combination that can optimally control the brain nerve function, the calculator 310, the storage 320, the searcher 330 described with reference to FIGS. And the same or similar method as that of the operation of at least one configuration of the corrector 360, or may be set through experiments in advance.
구체적으로, 초음파 조사 대상의 뇌의 신경 부위 중 특정 신경 기능(또는 인지 기능 등)을 담당하는 각각의 부위가 설정되며, 각 뇌 신경 기능의 구분 및 조절 정도를 결정할 수 있는 기준 형상과, 해당 뇌 신경 기능의 조절에 적합한 초음파의 출력을 제어할 수 있는 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭된다. 참고로, 초음파를 조사할 부위로서 뇌를 포함한 중추 신경계 및 말초 신경계를 포괄하는 신경계 모두가 포함될 수 있다.Specifically, each portion of the nerve portion of the brain of the ultrasound irradiation target that is responsible for a specific nerve function (or cognitive function, etc.) is set, the reference shape that can determine the degree of division and control of each brain nerve function, and the brain A combination of ultrasound stimulation parameters that can control the output of ultrasound suitable for regulation of neural function is matched. For reference, as an area to be irradiated with ultrasound, both the central nervous system including the brain and the nervous system including the peripheral nervous system may be included.
구체적으로, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에서 뇌 신경 기능 별 초음파 조사 위치를 설명하기 위한 개념도이다.Specifically, FIG. 11 is a conceptual diagram for explaining an ultrasound irradiation position for each brain nerve function in another embodiment of the present invention.
예를 들어, 도 11에 도시한 바와 같이, 두뇌의 여러 부위 중 브로카(Broca) 영역은 언어의 생성을 담당하고, 베르니케(Wernicke) 영역은 언어의 이해를 담당하고, 전두엽(frontal lobe)은 의사 결정을 담당하며, 해마체(hippocampus)는 학습과 기억을 담당하고, 편도체(amygdala)는 감정 조절을 담당한다. 그 외에도, 주의 집중력을 담당하는 광범위한 뇌 신경망과 생체 시계를 담당하는 시교차상핵(suprachiasmatic nucleus) 등 여러 부위가 사전에 설정될 수 있다. 참고로, 두뇌의 신경 기능 별 부위는 3차원 공간 상의 위치 좌표 값으로서 설정될 수 있다.For example, as shown in FIG. 11, the Broca region is responsible for the generation of language, the Wernicke region is responsible for understanding the language, and the frontal lobe among the various parts of the brain. It is responsible for decision making, the hippocampus is responsible for learning and memory, and the amygdala is responsible for emotion control. In addition, various sites such as extensive brain neural networks for attention concentration and suprachiasmatic nucleus for the biological clock can be preset. For reference, the nerve function region of the brain may be set as a position coordinate value in the three-dimensional space.
이에 따라, 도 8에서 설명할 초음파 출력부(140)를 통해 초음파 초점을 원하는 뇌의 특정 부위에 조사하게 되면, 그 부위와 관련이 있는 신경 기능(또는 인지 기능 등)의 변화가 발생한다.Accordingly, when irradiating a specific part of the brain to be focused on the ultrasound through the ultrasound output unit 140 to be described with reference to FIG. 8, a change in nerve function (or cognitive function, etc.) related to the part occurs.
한편, 신경 기능 정보 저장부(130)에는 어느 하나의 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장될 수 있으며, 이에 따라 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어될 수 있다.Meanwhile, the neural function information storage unit 130 may store a combination of two or more ultrasonic stimulation parameters according to any one brain neural function, and accordingly, one brain neural function is different for each combination of the ultrasonic stimulation parameters. Can be controlled.
참고로, 초음파 자극 매개 변수는, 하기에서 설명할 초음파 출력부(140)를 통해 출력되는 집속 초음파에 대한 초음파 중심 주파수, 초음파 자극이 중단없이 진행되는 단위 시간, 초음파 자극 단위(예를 들어, ‘pulse’)의 단위 시간당(예를 들어, 1초) 반복 횟수, 단위 시간에 투여된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함한다. 이때, 뇌에 조사될 집속 초음파의 강도, 횟수, 시간 등의 매개 변수의 조합은 뇌의 생체 조직에 손상을 입히지 않으면서도, 해당 뇌 신경 기능을 목적에 따라 조절할 수 있는 최적의 조합으로 설정될 수 있다.For reference, the ultrasonic stimulation parameter may include an ultrasonic center frequency for focused ultrasound output through the ultrasonic output unit 140 to be described below, a unit time for which the ultrasonic stimulation proceeds without interruption, and an ultrasonic stimulation unit (for example, pulse ') at least one of the number of repetitions per unit time (eg, 1 second), the percentage of ultrasonic time administered in the unit time, the ultrasonic intensity per unit area of ultrasonic irradiation, and the total ultrasonic irradiation time. At this time, the combination of parameters such as the intensity, frequency, and time of the focused ultrasound to be irradiated to the brain can be set to an optimal combination that can control the brain nerve function according to the purpose without damaging the biological tissue of the brain. have.
이러한, 초음파 자극 매개 변수를 조절하면 해당 신경 기능을 강화 또는 약화시킬 수 있다.By adjusting the ultrasonic stimulation parameters, the nerve function may be enhanced or weakened.
예를 들어, 특정 뇌 신경 기능을 선택한 후, 특정 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 초음파를 조사할 경우 학습 능력을 향상시킬 수도 있고, 동일 뇌 부위에 대해 다른 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 초음파를 조사할 경우 학습 능력을 약화 시킬 수 있다. 이처럼, 인지 혹은 신경 기능을 목적하는 바에 따라 특정한 정도로 조절하여 제어할 수 있다.For example, after selecting a specific brain neuron function, irradiation with ultrasound according to a combination of specific ultrasound stimulation parameters may improve learning ability, or use ultrasound for a combination of different ultrasound stimulation parameters for the same brain region. Doing so can weaken your learning skills. As such, cognitive or neural function can be controlled by controlling to a certain degree as desired.
이외에도, 뇌의 중추 신경 기능을 자극하여 초음파 조사 대상이 따뜻함, 차가움, 통증 등의 촉감각(tactile sensation, proprioception, thermal sensation, pain perception, sensation of movement)을 가상으로 느낄 수 있게 하는 것도 가능하며, 뇌의 특정 신경 기능을 자극하여 말초 신경 제어를 통한 운동 능력의 조절도 가능하다.In addition, it is possible to stimulate the central nervous system function of the brain so that the subjects of the ultrasound can feel tactile sensation, proprioception, thermal sensation, pain perception, sensation of movement, etc. By stimulating the specific nerve function of the brain, it is also possible to control motor skills through peripheral nerve control.
다시 도 8로 돌아가서, 초음파 출력부(140)는 형상 추론부(120)가 추론한 형상을 획득하고, 신경 기능 정보 저장부(130)에 저장된 복수의 기준 형상을 참조하여 상기 추론한 형상과 대응된 기준 형상을 검출한다. 그리고, 초음파 출력부(140)는 신경 기능 정보 저장부(130)에 저장된 기준 형상 별 초음파 자극 매개 변수의 조합을 참조하여, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 뇌 신경 기능 및 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출한다.8, the ultrasound output unit 140 obtains the shape inferred by the shape inference unit 120 and corresponds to the inferred shape by referring to the plurality of reference shapes stored in the neural function information storage unit 130. Detected reference shape. In addition, the ultrasound output unit 140 refers to the combination of the ultrasound stimulation parameters for each reference shape stored in the nerve function information storage unit 130, and combines the brain nerve function and the ultrasound stimulation parameters matched to the detected reference shape. Is detected.
그런 후, 초음파 출력부(140)는 3차원 공간 상에서 초음파 초점과 타겟(즉, 초음파를 조사할 타겟 부위) 좌표 간의 정합 처리를 수행한다. 그리고, 초음파 출력부(140)는 상기 정합 처리의 결과를 적용하여, 상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파(focused ultrasound)를 초음파 조사 대상의 뇌에 비침습적으로 조사(照射)되도록 출력한다.Thereafter, the ultrasound output unit 140 performs a matching process between the ultrasound focus and the target (that is, the target region to which the ultrasound is to be irradiated) coordinates in the 3D space. In addition, the ultrasound output unit 140 applies the result of the matching process so that focused ultrasound according to the combination of the detected ultrasound stimulation parameters is irradiated to the brain of the ultrasound irradiation target non-invasively. Output
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)은, 뇌전도에 기반한 두뇌-기계(또는 컴퓨터) 인터페이스 장치와 초음파에 기반한 기계(또는 컴퓨터)-두뇌 인터페이스 장치로 분리되어 구성될 수 있으며, 상기 두 인터페이스 장치는 각각 서로 간에 무선으로 정보를 송수신하는 무선 송/수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention, the brain-machine (or computer) interface device based on the electroencephalography and the machine (or computer) -brain interface device based on the ultrasound can be configured The two interface devices may further include a wireless transmitter / receiver (not shown) for transmitting and receiving information wirelessly with each other.
구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)에서 뇌전도 기반 두뇌-기계(또는 컴퓨터) 인터페이스 장치는, 형상 추론부(120)를 통해 추론된 연상 형상의 정보를 무선 통신을 통해 초음파 출력부(140) 측으로 전송하는 무선 송신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)에서 초음파 기반 기계(또는 컴퓨터)-두뇌 인터페이스 장치는, 상기 무선 송신부로부터 연상 형상의 정보를 무선 수신하여 초음파 출력부(140)로 전달하는 무선 수신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 즉, 상기 도 8에서 나타낸 초음파 출력 시스템(100)에서 형상 추론부(120)와 초음파 출력부(140) 사이에 무선 송/수신부(미도시)가 더 추가 구성될 수 있다.Specifically, the electroencephalogram-based brain-machine (or computer) interface device in the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention, through the wireless communication to the information of the associative shape inferred through the shape inference unit 120 The apparatus may further include a wireless transmitter (not shown) for transmitting to the ultrasonic output unit 140. In addition, the ultrasound-based machine (or computer) -brain interface device in the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention, wirelessly receives the information of the associative shape from the wireless transmitter and transmits it to the ultrasound output unit 140. The apparatus may further include a wireless receiver (not shown). That is, in the ultrasonic output system 100 illustrated in FIG. 8, a wireless transmission / reception unit (not shown) may be further configured between the shape inference unit 120 and the ultrasonic output unit 140.
이처럼, 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력 시스템(100)은 의도 인지 대상의 뇌파를 무선으로 측정할 수 있어 초음파 출력 시스템(100) 자체의 이동성(portability)를 크게 높여 편리하다. 또한, 초음파 출력 시스템(100)은 실시간으로 뇌파 정보를 신속하게 분석할 수 있어 진행 중인(ongoing) 두뇌-기계(또는 컴퓨터) 인터페이스 처리에 사용할 수 있다.As such, the ultrasound output system 100 according to another embodiment of the present invention may wirelessly measure the brain waves of the intended recognition target, thereby greatly increasing the portability of the ultrasound output system 100 itself. In addition, the ultrasound output system 100 can quickly analyze the EEG information in real time and can be used for ongoing brain-machine (or computer) interface processing.
이하, 도 12를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 출력부의 구성 및 동작에 대해서 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the configuration and operation of the ultrasonic output unit according to the exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 12.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 출력부의 상세 구성을 설명하기 위한 블록도이다.12 is a block diagram illustrating a detailed configuration of an ultrasonic output unit according to another exemplary embodiment of the present invention.
도 12에 도시한 바와 같이, 초음파 출력부(140)는 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141), 3차원 위치 추적 모듈(142), 위치 좌표 정합 모듈(143) 및 초음파 출력 제어 모듈(144)을 포함하여 구성된다.As shown in FIG. 12, the ultrasound output unit 140 includes a brain position coordinate storage module 141, a 3D position tracking module 142, a position coordinate matching module 143, and an ultrasound output control module 144. It is configured by.
뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)은 초음파 조사 대상의 뇌를 자기공명영상(Magnetic Resonance Image) 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 뇌 상의 위치와 상기 생성된 3차원 위치 좌표를 매칭하여 저장한다. 참고로, 정확한 3차원 좌표 추적 및 접근을 위해 해당 뇌(즉, 초음파 조사 대상의 뇌)를 고정시킨 후 MRI촬영 또는 초음파 초점 좌표 설정을 수행할 수 있다.The brain position coordinate storage module 141 generates three-dimensional position coordinates by using a brain image obtained by photographing a magnetic resonance image of a brain of an ultrasound irradiation target, and stores a predetermined position on the brain for each of a plurality of brain nerve functions. The generated three-dimensional position coordinates are matched and stored. For reference, in order to accurately track and access 3D coordinates, the brain (ie, the brain of an ultrasound irradiation target) may be fixed and MRI or ultrasound focal coordinates may be set.
이때, 상기 도 8에서와 같이, 본 발명의 일 실시예에서 초음파 출력 시스템(100)은 초음파 조사 대상의 뇌를 MRI 촬영하는 MRI 촬영부(150)를 자체적으로 포함할 수 있으며, 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)은 MRI 촬영부(150)로부터 뇌 이미지를 획득할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 MRI 촬영부(150)가 초음파 출력 시스템(100)와 별도의 외부 장비로 구성될 수 있으며, MRI 촬영부(150)와 뇌 위치 좌표 저장 모듈(141)이 서로 연동되어 MRI 촬영부(150)로부터 뇌 이미지를 획득하는 것도 가능하다.At this time, as shown in FIG. 8, in one embodiment of the present invention, the ultrasound output system 100 may include an MRI photographing unit 150 for MRI imaging a brain of an ultrasound irradiation target, and stores brain position coordinates. The module 141 may obtain a brain image from the MRI photographing unit 150. Meanwhile, in the exemplary embodiment of the present invention, the MRI photographing unit 150 may be configured as an ultrasound output system 100 and an external device, and the MRI photographing unit 150 and the brain position coordinate storage module 141 interoperate with each other. It is also possible to obtain a brain image from the MRI imaging unit 150.
다시 도 12로 돌아가서, 3차원 위치 추적 모듈(142)은 초음파 발생기(transducer)(미도시)로부터 출력될 초음파의 초점에 대한 3차원 공간 상의 좌표 값을 추적한다. 즉, 초음파 조사 대상 뇌의 3차원 공간 상에 조사될 초음파 초점에 대한 가상 좌표 값을 산출한다. 이러한 초음파 초점의 가상 좌표 값을 이용하여 초음파가 조사될 위치를 추적 및 확인함으로써, 초음파 조사 대상 뇌의 부위 중 설정된 특정 위치에 초음파를 정확하게 조사할 수 있다.12, the three-dimensional position tracking module 142 tracks coordinate values in three-dimensional space with respect to the focal point of the ultrasonic wave to be output from the ultrasonic transducer (not shown). That is, a virtual coordinate value for the ultrasound focus to be radiated on the 3D space of the ultrasound irradiation target brain is calculated. By using the virtual coordinate values of the ultrasound focal point to track and confirm the position to which the ultrasound is to be irradiated, the ultrasound may be accurately irradiated to a specific position set among the regions of the ultrasound irradiation target brain.
예를 들어, 초음파 출력 시스템(100)은 초음파 발생기를 지지하는 홀더(holder)부(미도시)에 고정 설치된 적외선 마커(marker)(미도시) 및 연동된 적외선 추적 카메라(미도시)를 사용하여 초음파 발생기가 출력할 초음파 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표 값을 산출할 수 있다. 참고로, 초음파 발생기는 하기에서 설명할 초음파 출력 제어 모듈(144)의 제어에 따라 초음파를 발생시키는 기기이고, 적외선 추적 카메라는 적외선 마커의 3차원 공간 상의 위치 좌표(즉, 초음파 출력기의 위치 좌표)를 추적하여 제공한다. 또한, 초음파 발생기 및 적외선 추적 카메라 중 적어도 하나의 구성은 초음파 출력 시스템(100)에 일체형으로 포함되거나, 별개로 분리되어 포함되되 초음파 출력 시스템(100)와 연동될 수 있다.For example, the ultrasonic output system 100 uses an infrared marker (not shown) and an integrated infrared tracking camera (not shown) fixedly installed to a holder portion (not shown) that supports the ultrasonic generator. The ultrasound generator may calculate a virtual coordinate value on the three-dimensional space with respect to the ultrasound focus to be output. For reference, the ultrasonic generator is a device for generating ultrasonic waves under the control of the ultrasonic output control module 144, which will be described later, and the infrared tracking camera is a position coordinate on the three-dimensional space of the infrared marker (that is, the position coordinate of the ultrasonic generator). Provide tracking. In addition, at least one configuration of the ultrasonic generator and the infrared tracking camera may be integrally included in the ultrasonic output system 100, or may be separately included and interlocked with the ultrasonic output system 100.
구체적으로, 3차원 위치 추적 모듈(142)은 적외선 추적 카메라로부터 제공된 적외선 마커의 3차원 공간 상 위치 좌표를 획득하고, 적외선 마커의 위치 좌표 및 적외선 마커로부터 초음파 초점까지의 상대적 거리 정보를 이용하여 초음파 초점의 3차원 공간 상의 가상 좌표 값을 산출한다. 참고로, 초음파 발생기가 출력할 집속 초음파의 초점 거리는 사전에 설정되어 있는 상태이다.In detail, the 3D location tracking module 142 obtains a location coordinate on the 3D space of the infrared marker provided from the infrared tracking camera, and uses the location coordinate of the infrared marker and the relative distance information from the infrared marker to the ultrasound focus. The virtual coordinate value on the three-dimensional space of the focal point is calculated. For reference, the focal length of the focused ultrasound to be output by the ultrasound generator is set in advance.
위치 좌표 정합 모듈(143)은 상기 뇌 이미지를 이용하여 생성한 초음파 조사 대상의 뇌에 대한 3차원 위치 좌표와 상기 초음파 초점의 가상 좌표를 정합(align)하여 초음파의 3차원 공간 상의 출력 좌표를 산출한다. 이에 따라, 초음파 발생기의 초음파 출력 위치가 이동함에 따라 초음파 조사 대상의 두부(頭部) 내부의 3차원 공간 상에 초음파가 출력될 가상 위치가 실시간으로 연동되어 추적된다.The position coordinate matching module 143 calculates output coordinates on the three-dimensional space of the ultrasound by aligning the three-dimensional position coordinates of the ultrasound irradiation target brain generated using the brain image and the virtual coordinates of the ultrasound focus. do. Accordingly, as the ultrasonic output position of the ultrasonic generator moves, the virtual position where the ultrasonic wave is to be output on the three-dimensional space inside the head of the ultrasonic irradiation target is interlocked and tracked in real time.
초음파 출력 제어 모듈(144)은 상기 도 8의 형상 추론부(120)가 추론한 형상에 기초하여 제어하고자 하는 뇌 신경 기능을 검출하고, 상기 뇌 이미지를 이용하여 생성된 신경 부위 별 3차원 위치 좌표 중 상기 검출된 뇌 신경 기능에 따른 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표를 검출한다.The ultrasonic output control module 144 detects the brain nerve function to be controlled based on the shape inferred by the shape inference unit 120 of FIG. 8, and uses the brain image to generate three-dimensional position coordinates for each nerve region. The 3D position coordinates of the corresponding nerve region according to the detected brain nerve function are detected.
그리고, 초음파 출력 제어 모듈(144)은 실시간으로 산출된 초음파 초점의 출력 좌표가 상기 검출된 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표에 대응되면, 해당 초음파 초점의 출력 좌표를 목표 좌표로 설정한다. 그런 후, 초음파 출력 제어 모듈(144)은 설정된 목표 좌표 상의 뇌의 위치에 상기 검출한 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파가 출력되도록 제어한다.When the output coordinates of the ultrasound focus calculated in real time correspond to the detected three-dimensional position coordinates of the corresponding nerve region, the ultrasound output control module 144 sets the output coordinates of the ultrasound focus as target coordinates. Thereafter, the ultrasound output control module 144 controls the focused ultrasound to be output based on a combination of the ultrasound stimulation parameters matched to the detected brain nerve function at the position of the brain on the set target coordinate.
참고로, 이상에서 설명한 초음파 출력 시스템(100)의 초음파 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표 값 산출 방식 및 초음파 출력 방식은 상기 도 1 내지 도 6을 통해 설명한 좌표 정합부(340) 및 초음파 출력부(350)의 구성 및 동작과 동일 또는 유사한 방식으로 설정될 수 있다.For reference, the virtual coordinate value calculation method and the ultrasonic output method in the three-dimensional space with respect to the ultrasound focus of the ultrasonic output system 100 described above are the coordinate matching unit 340 and the ultrasonic output unit described with reference to FIGS. The configuration and operation of 350 may be set in the same or similar manner.
또한, 본 발명의 실시예에서 초음파 출력부(140)는 초음파 발생기(미도시)를 통해 집속 초음파를 출력하되, 초음파 발생기의 출력단에 비유동성의 초음파 투과 매질(예를 들어, 젤(gel) 타입 및 특수 고무 재질)을 장착할 수 있다. 이러한 비유동성의 매질을 통해 상기 출력된 집속 초음파를 초음파 조사 대상의 접촉 부위(표면)에 전달시킬 수 있다. 이에 따라, 비침습적으로 초음파 에너지를 뇌 신경 부위 깊숙이 전달할 수 있다. 참고로, 초음파 에너지 전달의 매질로서 ‘탈-기체 물(degassed water)’을 사용할 수도 있으나, 휴대용 초음파 발생기 등에는 유동성 액체가 적합하지 않아 비유동성 초음파 매질을 사용할 수 있다.In addition, in the embodiment of the present invention, the ultrasonic output unit 140 outputs focused ultrasound through an ultrasonic generator (not shown), but the non-flowable ultrasonic transmission medium (for example, gel type) at the output terminal of the ultrasonic generator. And special rubber materials). Through such a non-flowable medium, the output focused ultrasound may be delivered to a contact portion (surface) of an ultrasound irradiation target. Accordingly, the ultrasonic energy can be transmitted deeply in the brain nerve region non-invasively. For reference, 'degassed water' may be used as a medium for ultrasonic energy transfer, but a non-flowable ultrasonic medium may be used because a fluid is not suitable for a portable ultrasonic generator.
이하, 도 13을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 방법을 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, an ultrasonic output method for a brain-brain interface according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 13.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 뇌-뇌 인터페이스를 위한 초음파 출력 방법을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 13 is a flowchart illustrating an ultrasound output method for a brain-brain interface according to another embodiment of the present invention. FIG.
먼저, 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다(S710).First, an EEG signal of an intention recognition object is measured (S710).
이때, 상기 단계 (S710) 이전에, 발광 소자 배열부(110)에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하고, 이와 같은 발광 소자 배열부(110)를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정한다. 이에 따라, 의도 인지 대상의 의도에 따른 주의 집중 형상을 반영하는 정상상태 시각유발 전위(SSVEP)가 측정될 수 있다.At this time, before the step S710, the plurality of light emitting elements arranged in the light emitting element array unit 110 is controlled to blink at different frequencies for each arrangement position, and whether the intention is to watch the light emitting element array unit 110. Measure the EEG signal of the subject. Accordingly, the steady state visual induced potential SSVEP reflecting the attentional shape according to the intention of the intention recognition object may be measured.
다음으로, 측정된 뇌파 신호에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다(S720).Next, on the basis of the measured EEG signal to infer the shape associated with the intention recognition object (S720).
구체적으로, 측정된 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론한다. 이때, 기설정된 기준 형상 중 어느 하나와 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 유사도가 가장 높은 형상을 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론할 수 있다.Specifically, at least one frequency included in the measured EEG signal is detected, and a shape reminiscent of the intention recognition object is inferred based on an arrangement form of the light emitting device which blinks at a frequency corresponding to the detected at least one frequency. In this case, the degree of similarity between any one of the predetermined reference shapes and the shape based on the arrangement of the light emitting elements may be calculated, and the shape having the highest similarity may be inferred as the shape reminiscent of the intention recognition object.
그런 후, 기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론된 형상에 대응하는 기준 형상을 검출한다(S730).Thereafter, a reference shape corresponding to the inferred shape is detected among reference shapes matched for each of a plurality of preset brain nerve functions (S730).
그리고, 검출된 기준 형상에 매칭된 제어 대상 뇌 신경 기능의 종류 및 해당 신경 부위의 3차원 위치 좌표 정보와, 해당 신경 기능의 최적 제어 조건으로서 매칭된 초음파 매개 변수의 조합을 검출한다(S740).Then, a combination of the type of controlled brain nerve function matched with the detected reference shape, three-dimensional position coordinate information of the corresponding nerve region, and the ultrasound parameter matched as an optimal control condition of the nerve function is detected (S740).
이때, 초음파 매개 변수는 초음파 중심 주파수, 초음파 자극이 중단없이 지속된 최소 단위 시간, 초음파 자극 단위의 단위 시간당 반복 횟수, 단위 시간에 조사된 초음파 시간이 차지하는 백분율, 초음파 조사 단위 면적 당 초음파 강도, 및 초음파 총 조사 시간 중 적어도 하나를 포함한다. 또한, 상기 단계 (S740) 이전에 어느 하나의 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합을 매칭하여 저장할 수 있으며, 초음파 매개 변수의 조합에 따라 뇌 신경 기능이 상이하게 조절 및 제어될 수 있다.In this case, the ultrasonic parameters include the ultrasonic center frequency, the minimum unit time for which the ultrasonic stimulus is maintained without interruption, the number of repetitions per unit time of the ultrasonic stimulation unit, the percentage of the ultrasonic time irradiated in the unit time, the ultrasonic intensity per unit area of the ultrasonic irradiation, and At least one of the total ultrasound irradiation time. In addition, before the step (S740), a combination of two or more ultrasonic stimulation parameters may be matched and stored for each brain neuron function, and the brain neuron function may be differently controlled and controlled according to the combination of the ultrasonic parameters. .
그런 후, 검출된 초음파 매개 변수의 조합에 기초하여 집속 초음파를 출력하되, 집속 초음파가 초음파 조사 대상의 뇌에 비침습적으로 조사되도록 출력한다(S750).Thereafter, the focused ultrasound is output based on the detected combination of ultrasound parameters, and the focused ultrasound is output so as to irradiate the brain of the ultrasound irradiation target non-invasively (S750).
구체적으로, 상기 단계 (S750)는 다음과 같은 단계들을 수행하여 처리될 수 있다.Specifically, step S750 may be processed by performing the following steps.
먼저, 초음파 조사 대상의 뇌를 MRI 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 뇌 상의 위치(즉, 신경 부위)와 상기 생성된 3차원 위치 좌표를 매칭한다.First, three-dimensional position coordinates are generated by using a brain image obtained by MRI of a brain of an ultrasound irradiation target, and positions (ie, nerve regions) preset in the brain for each of a plurality of brain nerve functions and the generated three-dimensional position coordinates are obtained. Matches.
그런 다음, 초음파 발생기에 부착된 적외선 마커의 3차원 공간 상의 위치 좌표 정보를 연동된 적외선 추적 카메라로부터 획득한다.Then, the position coordinate information on the three-dimensional space of the infrared marker attached to the ultrasonic generator is obtained from the linked infrared tracking camera.
그리고, 적외선 마커의 위치 정보 및 적외선 마커로부터의 초음파 초점의 상대적 거리 정보를 이용하여 초음파 초점의 3차원 공간 상의 가상 위치 좌표 값을 산출한다.The virtual position coordinate value on the three-dimensional space of the ultrasonic focus is calculated using the position information of the infrared marker and the relative distance information of the ultrasonic focus from the infrared marker.
그런 후, 뇌 이미지를 이용하여 생성한 뇌 신경 기능 별 신경 부위의 3차원 위치 좌표와 상기 초음파 초점의 가상 위치 좌표를 정합(align)하여 초음파 초점의 3차원 공간(즉, 초음파 조사 대상의 뇌) 상 출력 좌표를 산출한다.Then, by aligning the three-dimensional position coordinates of the neural region of each brain nerve function generated by using the brain image and the virtual position coordinates of the ultrasound focus (ie the brain of the ultrasound irradiation target) Calculate the phase output coordinates.
다음으로, 상기 단계 (S730)에서 검출된 추론 형상에 대응된 기준 형상에 기초하여 목적하는 뇌 신경 기능을 검출하고, 목적하는 뇌 신경 기능에 매칭된 뇌 신경 부위의 3차원 위치 좌표를 검출한다.Next, the target brain nerve function is detected based on the reference shape corresponding to the inference shape detected in step S730, and the three-dimensional position coordinates of the brain nerve region matched with the target brain nerve function are detected.
그런 후, 상기 산출된 초음파 초점의 출력 좌표가 상기 검출한 뇌 신경 부위의 3차원 위치 좌표에 대응되면, 목적하는 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 집속 초음파를 출력하여 초음파 조사 대상의 뇌에 비침습적으로 조사되도록 한다.Then, when the calculated output coordinates of the ultrasound focal point correspond to the detected three-dimensional position coordinates of the brain nerve region, ultrasound irradiation is performed by outputting focused ultrasound according to a combination of ultrasound stimulation parameters matched to a desired brain nerve function. Allow non-invasive irradiation of the subject's brain.
본 발명의 실시예들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다. Embodiments of the invention may also be implemented in the form of a recording medium containing instructions executable by a computer, such as a program module executed by the computer. Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. In addition, computer readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
Claims (22)
- 초음파 출력 시스템에 있어서,In the ultrasonic output system,미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 N개의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 산출부,A calculator configured to calculate mapping information of N ultrasound stimulation variables for each neural function based on a preset algorithm;각 신경 기능별로 구분하여 상기 매핑 정보가 저장된 저장부,A storage unit storing the mapping information by dividing each nerve function;미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 검색부,A search unit for searching for mapping information corresponding to a target position for outputting an ultrasound and a nerve function to be controlled based on a preset search condition;초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 좌표 정합부 및A coordinate matching unit for matching the virtual focal coordinates of the ultrasonic waves with the coordinates of the target to which the actual ultrasonic waves are to be administered in three-dimensional space;상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되,And an ultrasonic output unit configured to output ultrasonic waves based on the mapping information corresponding to the searched target position.상기 초음파 출력부는 상기 출력된 초음파를 사용자에게 전달하는매질로 형성된 초음파 투과부를 포함하는 초음파 출력 시스템.The ultrasonic output unit includes an ultrasonic transmission unit formed of a medium for transmitting the output ultrasonic waves to the user.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수, 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간, 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지의 강도 및 초음파 자극의 총 투여 시간인 초음파 출력 시스템.The ultrasonic stimulation parameters include the center frequency of ultrasonic waves, the unit time applied without interruption of the ultrasonic stimulus, the percentage of ultrasonic stimuli administered during the unit time, the number of repetitions of ultrasonic stimuli per unit time, the intensity of ultrasonic energy applied per unit area, and the total of ultrasonic stimuli. Ultrasound output system which is the time of administration.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 초음파 투과부의 매질은 젤 또는 고무인 것인 초음파 출력 시스템.And the medium of the ultrasonic transmitting part is gel or rubber.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 초음파 투과부는 구형으로 형성된 것인 초음파 출력 시스템.The ultrasonic wave transmission system is formed in a sphere.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,사용자별 편차에 기초하여 상기 매핑 정보의 표준 오차를 산출하고, 상기 표준 오차에 기초하여 상기 매핑 정보를 보정하는 보정부를 더 포함하는 초음파 출력 시스템.And a correction unit configured to calculate a standard error of the mapping information based on the deviation of each user, and to correct the mapping information based on the standard error.
- 제 1 항에 있어서,The method of claim 1,상기 검색 조건은 타겟 위치 및 상기 타겟 위치에 따라 구분되는 신경 기능인 것인 초음파 출력 시스템.The search condition is an ultrasound output system that is a neural function divided according to the target position and the target position.
- 초음파 출력 시스템을 통한 초음파 출력 방법에 있어서,In the ultrasonic output method through the ultrasonic output system,미리 설정된 알고리즘에 기초하여 각 신경 기능마다 미리 설정된 복수의 초음파 자극 변수에 대한 매핑 정보를 산출하는 단계,Calculating mapping information for a plurality of ultrasound stimulation variables preset for each nerve function based on a preset algorithm;상기 매핑 정보를 각 신경 기능별로 구분하여 저장하는 단계,Storing the mapping information for each neural function and storing the mapping information;미리 설정된 검색 조건에 기초하여 초음파를 출력하기 위한 타겟 위치와 제어할 신경 기능에 대응되는 매핑 정보를 검색하는 단계,Searching for mapping information corresponding to a target position for outputting an ultrasound and a nerve function to be controlled based on a preset search condition;초음파의 가상 초점 좌표와 실제 초음파가 투여될 타겟의 좌표를 3차원 공간상에서 정합하는 단계 및Matching the virtual focal coordinates of the ultrasound with the coordinates of the target to which the actual ultrasound is to be administered in three-dimensional space; and상기 검색된 타겟 위치에 대응되는 매핑 정보에 기초하여 초음파를 투과하는 매질 상으로 초음파를 출력하는 단계를 포함하는 초음파 출력 방법.And outputting ultrasonic waves onto a medium that transmits ultrasonic waves based on the mapping information corresponding to the retrieved target positions.
- 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein상기 초음파 자극 변수는 초음파의 중심 주파수, 초음파 자극이 중단되지 않고 가해진 단위 시간, 단위 시간 동안 투여된 초음파 자극 시간의 백분율, 단위 시간당 초음파 자극의 반복 횟수, 단위 면적당 가해진 초음파 에너지의 강도 및 초음파 자극의 총 투여 시간인 초음파 출력 방법.The ultrasonic stimulation parameters include the center frequency of ultrasonic waves, the unit time applied without interruption of the ultrasonic stimulus, the percentage of ultrasonic stimulation time administered during the unit time, the number of repetitions of ultrasonic stimuli per unit time, the intensity of ultrasonic energy applied per unit area, and the Ultrasound output method which is the total administration time.
- 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein사용자별 편차에 기초하여 상기 매핑 정보의 표준 오차를 산출하는 단계 및 Calculating a standard error of the mapping information based on the deviation of each user; and상기 표준 오차에 기초하여 상기 매핑 정보를 보정하는 단계를 더 포함하는 초음파 출력 방법.And correcting the mapping information based on the standard error.
- 제 7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein상기 초음파를 투과하는 매질은 구형으로 형성된 것인 초음파 출력 방법.Ultrasound output method is a medium that transmits the ultrasonic wave is formed in a spherical shape.
- 뇌-뇌 인터페이스를 처리하는 초음파 출력 시스템에 있어서,In the ultrasonic output system for processing the brain-brain interface,의도 인지 대상의 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 추론부;A shape inference unit that infers a shape reminiscent of the intention recognition object based on an EEG signal of the intention recognition object;기설정된 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 매칭된 해당 신경 부위 별로 기준 형상 및 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되어 저장된 신경 기능 정보 저장부; 및A neural function information storage unit in which a combination of reference shapes and ultrasonic stimulation parameters are stored and stored for each of a plurality of preset brain nerve functions and corresponding nerve parts matched with the brain nerve functions; And상기 추론한 형상에 대응하는 상기 기준 형상을 검출하고, 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 상기 뇌 신경 기능, 해당 신경 부위 및 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 집속 초음파(focused ultrasound)를 출력하는 초음파 출력부를 포함하되,An ultrasonic wave that detects the reference shape corresponding to the inferred shape and outputs focused ultrasound based on a combination of the brain nerve function matched with the detected reference shape, a corresponding nerve region, and an ultrasonic stimulation parameter Including an output,상기 초음파 출력부는,The ultrasonic output unit,상기 집속 초음파가 초음파 조사 대상의 뇌에 조사(照射)되도록 초음파 투과 매질을 통해 출력하는 초음파 출력 시스템.Ultrasonic output system for outputting through the ultrasonic transmission medium so that the focused ultrasound is irradiated to the brain of the ultrasound irradiation target.
- 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,상기 초음파 출력부는,The ultrasonic output unit,상기 초음파 조사 대상의 뇌를 자기공명영상(Magnetic Resonance Image) 촬영한 뇌 이미지를 이용하여 3차원 위치 좌표를 생성하고, 상기 복수의 뇌 신경 기능 별로 기설정된 상기 해당 신경 부위의 위치와 상기 3차원 위치 좌표를 매칭하여 저장하는 뇌 위치 좌표 저장 모듈;Generating a three-dimensional position coordinates using a brain image of the brain of the ultrasound irradiation target magnetic resonance image (Magnetic Resonance Image), and the position and the three-dimensional position of the corresponding nerve region predetermined for each of the plurality of brain nerve functions Brain position coordinate storage module for matching and storing the coordinates;연동된 적외선 카메라로부터 상기 집속 초음파를 출력하는 초음파 발생기에 부착된 적외선 마커의 위치를 추적한 초음파 출력 위치 좌표를 획득하고, 상기 초음파 출력 위치 좌표와 기설정된 상기 집속 초음파의 출력 거리에 기초하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 3차원 공간 상의 가상 좌표를 산출하는 3차원 위치 추적 모듈;Acquiring an ultrasound output position coordinate that tracks the position of the infrared marker attached to the ultrasound generator for outputting the focused ultrasound from the linked infrared camera, and based on the ultrasound output position coordinates and the output distance of the preset focused ultrasound A three-dimensional position tracking module for calculating virtual coordinates in three-dimensional space with respect to the focal point of the ultrasonic wave;상기 뇌 이미지를 이용하여 생성한 3차원 위치 좌표와 상기 집속 초음파의 초점에 대한 가상 좌표를 정합(align)하여 상기 집속 초음파의 초점에 대한 출력 좌표를 산출하는 위치 좌표 정합 모듈; 및A position coordinate matching module configured to calculate an output coordinate for the focus of the focused ultrasound by aligning a three-dimensional position coordinate generated using the brain image with a virtual coordinate for the focus of the focused ultrasound; And상기 검출한 기준 형상에 매칭된 뇌 신경 기능에 대응하는 상기 3차원 위치 좌표를 검출하고, 상기 출력 좌표가 상기 검출한 3차원 위치 좌표에 대응되면 상기 검출한 뇌 신경 기능에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합에 따른 상기 집속 초음파를 출력하도록 제어하는 초음파 출력 제어 모듈을 포함하는 초음파 출력 시스템.Detecting the three-dimensional position coordinate corresponding to the brain nerve function matched to the detected reference shape, and if the output coordinate corresponds to the detected three-dimensional position coordinate, the ultrasonic stimulation parameter matched to the detected brain nerve function And an ultrasonic output control module for controlling to output the focused ultrasonic waves according to a combination of the two.
- 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,상기 형상 추론부는,The shape inference unit,발광 소자 배열부에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하는 발광 소자 제어 모듈;A light emitting element control module configured to control a plurality of light emitting elements arranged in the light emitting element array unit to blink at different frequencies for each array position;상기 발광 소자 배열부를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 뇌파 측정 모듈; 및An EEG measuring module for measuring an EEG signal of an intention recognition object that observes the light emitting device array; And상기 측정한 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 상기 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 형상 분석 모듈을 포함하는 초음파 출력 시스템.Detecting at least one frequency included in the measured EEG signal, and inferring a shape reminiscent of the intention recognition object based on an arrangement of the light emitting devices that blink at a frequency corresponding to the detected at least one frequency. Ultrasonic output system comprising a shape analysis module.
- 제 13 항에 있어서,The method of claim 13,상기 형상 분석 모듈은,The shape analysis module,상기 기준 형상 중 어느 하나와 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 상기 유사도가 가장 높은 형상을 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 초음파 출력 시스템.And calculating a similarity between any one of the reference shapes and a shape based on the arrangement of the light emitting elements, and infers the shape having the highest similarity into a shape reminiscent of the intention recognition object.
- 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,상기 신경 기능 정보 저장부는,The nerve function information storage unit,어느 하나의 상기 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합이 매칭되고,A combination of two or more ultrasonic stimulation parameters is matched for any one of the brain neuron functions,상기 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 상기 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어되는 초음파 출력 시스템.And one brain neuron function differently controlled for each combination of the ultrasonic stimulation parameters.
- 제 11 항에 있어서,The method of claim 11,상기 형상 추론부는,The shape inference unit,상기 의도 인지 대상의 정상상태 시각유발 전위(Steady State Visual Evoked Potential, SSVEP)를 측정하고, 상기 정상상태 시각 유발 전위에 기초하여 상기 형상을 추론하는 초음파 출력 시스템.And a steady state visual induced potential (SSVEP) of the intended recognition object, and inferring the shape based on the steady state visual induced potential.
- 초음파 출력 시스템을 통한 뇌-뇌 인터페이스를 처리하기 위한 초음파 출력 방법에 있어서,In the ultrasonic output method for processing the brain-brain interface through the ultrasonic output system,의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계;Measuring an EEG signal of the intention recognition object;상기 뇌파 신호에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계;Inferring a shape associated with the intention recognition object based on the EEG signal;기설정된 복수의 뇌 신경 기능 별로 매칭된 기준 형상 중 상기 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하는 단계;Detecting a reference shape corresponding to the inferred shape among reference shapes matched by a plurality of preset brain nerve functions;기설정된 상기 복수의 뇌 신경 기능 및 상기 뇌 신경 기능에 대응된 해당 신경 부위 별로 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합 중 상기 검출한 기준 형상에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하는 단계; 및Detecting a combination of the ultrasonic stimulation parameters matched to the detected reference shape among the preset combinations of the plurality of brain nerve functions and corresponding nerve regions corresponding to the brain nerve functions; And상기 검출한 초음파 자극 매개 변수의 조합에 기초하여 집속 초음파(focused ultrasound)를 출력하는 단계를 포함하되,Outputting focused ultrasound based on the detected combination of ultrasonic stimulation parameters,상기 집속 초음파를 출력하는 단계는,Outputting the focused ultrasound,상기 집속 초음파를 초음파 조사 대상의 뇌에 조사(照射)되도록 초음파 투과 매질을 통해 출력하는 초음파 출력 방법.And outputting the focused ultrasound through an ultrasound transmission medium to irradiate the brain of an ultrasound irradiation target.
- 제 17 항에 있어서,The method of claim 17,상기 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계 이전에,Before measuring the EEG signal of the intention recognition object,발광 소자 배열부에 배열된 복수의 발광 소자를 배열 위치 별로 상이한 주파수로 점멸하도록 제어하는 단계를 더 포함하되,The method may further include controlling the plurality of light emitting elements arranged in the light emitting element array to blink at different frequencies for each arrangement position.상기 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 단계는,Measuring the brain wave signal of the intention recognition object,상기 발광 소자 배열부를 주시하는 의도 인지 대상의 뇌파 신호를 측정하는 초음파 출력 방법.Ultrasonic output method for measuring the EEG signal of the intention recognition object looking at the light emitting element array.
- 제 17 항에 있어서,The method of claim 17,상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계는,Inferring the shape reminiscent of the intention recognition object,상기 측정한 뇌파 신호에 포함된 적어도 하나의 주파수를 검출하고, 상기 검출한 적어도 하나의 주파수에 대응된 주파수로 점멸하는 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초하여 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 초음파 출력 방법.Detecting at least one frequency included in the measured EEG signal, and inferring a shape reminiscent of the intention recognition object based on an arrangement of the light emitting devices that blink at a frequency corresponding to the detected at least one frequency. Ultrasonic output method.
- 제 19 항에 있어서,The method of claim 19,상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계는,Inferring the shape reminiscent of the intention recognition object,상기 기준 형상 중 어느 하나와 상기 발광 소자의 배열 형태에 기초한 형상 간의 유사도를 산출하여, 상기 유사도가 가장 높은 형상을 상기 의도 인지 대상이 연상한 형상으로 추론하는 초음파 출력 방법.And calculating a similarity between any one of the reference shapes and a shape based on the arrangement of the light emitting elements, and inferring the shape having the highest similarity into a shape reminiscent of the intention recognition object.
- 제 17 항에 있어서,The method of claim 17,상기 검출한 기준 형상에 매칭된 초음파 자극 매개 변수의 조합을 검출하는 단계 이전에,Prior to the step of detecting a combination of ultrasonic stimulation parameters matched to the detected reference shape,어느 하나의 상기 뇌 신경 기능 별로 둘 이상의 초음파 자극 매개 변수의 조합을 매칭하여 저장하는 단계를 더 포함하되,The method may further include matching and storing a combination of two or more ultrasonic stimulation parameters for each one of the brain nerve functions.상기 초음파 자극 매개 변수의 조합 별로 상기 하나의 뇌 신경 기능이 상이하게 제어되는 초음파 출력 방법.And one brain nerve function are controlled differently for each combination of the ultrasonic stimulation parameters.
- 제 17 항에 있어서,The method of claim 17,상기 의도 인지 대상이 연상한 형상을 추론하는 단계 및 상기 추론한 형상에 대응하는 기준 형상을 검출하는 단계 사이에,Between the step of inferring the shape associated with the intention recognition object and the step of detecting the reference shape corresponding to the inferred shape,상기 의도 인지 대상이 연상한 형상의 추론을 처리하는 뇌-컴퓨터 인터페이스 장치로부터 상기 기준 형상을 검출하는 컴퓨터-뇌 인터페이스 장치가 상기 추론한 형상에 대한 정보를 무선 수신하는 단계를 더 포함하는 초음파 출력 방법.And wirelessly receiving information about the inferred shape by the computer-brain interface device detecting the reference shape from the brain-computer interface device processing the inference of the shape reminiscent of the intention recognition object. .
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