안정 상태 시각 유발 전위에 기반한 QWERTY 스타일의 정신적 타자기 시스템 구현

Abstract

뇌-컴퓨터(기계) 인터페이스 (brain-computer interface: BCI)는 뇌신경계로부터의 신호를 측정, 분석하여 컴퓨터 또는 외부기기를 제어하거나 사용자의 의사, 의도를 외부에 전달하기 위한 기술을 통칭하며, 기존의 연구를 통해 많은 BCI 어플리케이션이 발표 되었다. 그중에서도 사지 마비 환자들이 응시하고 있는 문자를 출력하여 그들의 생각을 표현하는 정신적 타자기 시스템은 대표적인 BCI 어플리케이션 중 하나이다. 이러한 정신적 타자기 시스템에서 시스템의 성능에 영향을 미칠 수 있는 요소 중 하나인 visual scanning time은 사용자가 출력하고자 하는 문자를 찾는데 소모되는 시간을 의미한다. 그런데 대부분의 정신적 타자기 연구들은 사용자가 문자를 응시하는 시간에만 초점을 맞추고 있어 visual scanning time에 대한 연구가 부족한 실정이다.본 연구에서는 사용자에게 친숙한 문자 배열을 사용하여 사용자가 출력하고자 하는 문자를 빠르게 찾을 수 있는 정신적 타자기 시스템을 구현하였다. 이를 위하여 QWERTY 키보드와 비슷한 문자 배열, 깜박임 자극을 제시해주는 LED 채널, LED 채널의 깜박임 주파수를 조절하는 컨트롤러 등을 제작 및 통합하여 안정 상태 시각 유발 전위(steady-state visual evoked potential: SSVEP)를 기반으로 하는 정신적 타자기 시스템을 개발 하였다. 본 시스템의 검증을 위해 총 7명의 피험자가 연구에 참여하였으며, 기존 연구에서 많이 사용되던 행렬 형태의 문자 배열과 본 연구에서 제시한 QWERTY 문자 배열에서 동일한 영어단어를 눈으로 찾을 때의 시간을 비교하여 QWERTY 문자 배열에서 visual scanning time이 감소하는 것을 증명하였다. 그리고 모든 사람마다 SSVEP 반응을 유도하는 최적의 LED 깜박임 주파수를 찾기 위해 50개의 깜박임 주파수 후보에서 각 피험자마다 SSVEP 반응을 강하게 유도하는 30개의 주파수를 선택하였다. 또한, 본 시스템의 적합성을 알아보기 위해 5명의 피험자를 대상으로 시스템의 서로 다른 주파수로 깜박이는 30개의 문자를 응시하는 동안 측정된 뇌파를 분류하여 각 피험자의 분류 정확도를 계산하는 오프라인 실험을 수행하였다. 이때, 각 개인마다 뇌파 측정에 사용되는 전극의 위치, 시스템과 피험자간의 거리, 분류에 사용되는 특징 벡터, 문자를 응시하는 시간 등을 고려하였다. 그 결과, 최적의 전극 위치가 피험자마다 다르며, 출력하고자 하는 문자를 오래 응시한 데이터를 자극 주파수와 하모닉 주파수의 SSVEP 파워 값을 합한 값을 특징 벡터로 사용하여 분류할 때, 분류 정확도가 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 근거로 하여 3명의 피험자를 대상으로 주어지는 단어를 직접 출력하는 온라인 실험을 수행하였으며, 그 결과 한 문자를 6초간 응시하였을 때의 평균 분류 정확도는 86.27%로 본 시스템이 실제적인 응용분야들에 사용 가능한 수준의 시스템임을 검증하였다.