전신마비환자의 운동조절 및 재활을 위한 SSVEP기반의 BMI로 제어되는 기능적 전기자극에 관한 연구

Abstract

[한글]뇌-기계 인터페이스(Brain Machine Interface, BMI)는 뇌와 기계 장치를 접속하여 그 신체의 일환으로 기계 장치를 제어하는 것을 말한다. 이 기술은 신경재활 기구인 신경보철(neuroprosthetics)과 같은 보조기술(assistive technology)에 활용 가능하다. BMI의 목적은 감각 및 운동 기관이 손상된 사람들의 뇌를 이용하여 인공 장치를 제어하고 장치를 통해 잃었던 능력을 복원하는 것이다.기능적 전기자극(functional electrical stimulation, FES)에 의한 전기치료는 기능이 손상된 신체부위에 낮은 전류를 가하여 기능 증진 및 회복을 유도하는 방법으로, 재활분야에서 널리 이용되어 왔다. 안정상태 시각유발전위(steady state visually evoked potentials, SSVEP)는 BMI 기술에 사용되는 방법 중의 하나로 특정 주파수를 가진 시각자극에 대한 자연반응 신호이며 3.5Hz에서 75Hz의 주파수 범위를 갖는 시각자극과 같은 주파수로 뇌의 후두엽 영역에서 전기적 활동을 발생시킨다.본 연구에서는 척수손상 환자들이 능동적인 재활훈련을 할 수 있도록 SSVEP를 기반으로 하여 원격으로 제어하는 FES 재활훈련 시스템을 개발 하였고 상하지 관절운동 유도에 적용하였다. 반복 시각자극(Repetitive visual stimulus, RVS)을 위해 체스 무늬 2개를 특정 주파수로 깜박이도록 하는 윈도우 프로그램을 C#을 이용하여 개발하였다. 뇌전도 계측을 위해 6개의 전극을 국제 10-20 전극 배치법에 따라 피실험자 두피의 POZ, PO3, PO4, OZ, O1, O2에 부착하였고, 기준 전극은 A1, A2에 부착하였다. 뇌전도(electroencephalogram, EEG) 신호는 BIOPAC Systems(MP150, EEG100C, USA)을 이용하여 256Hz 표본 추출 비율(sampling rate)로 계측하였다. 획득된 EEG 신호는 실시간으로 국소 푸리에 변환(short time fourier transform, STFT)을 통한 주파수계열(frequency series) 파워스펙트럼(power spectrum) 평가 방법을 적용하여 주파수 분석을 하였다. 이 분석을 바탕으로 FES 시스템을 제어하였으며, FES 시스템 제어 신호는 디지털화되어 개인용 컴퓨터(personal computer, PC)에서 FES를 제어하는 마이크로컨트롤 유닛(micro control unit, MCU, MSP430, USA)으로 블루투스(Bluetooth) 통신을 이용하여 원격으로 전송되었다. 피실험자가 7Hz, 9Hz 그리고 12Hz로 깜박이는 RVS 중 한 표적에 초점을 두었을 때 의도를 파악하여 Bluetooth 통신을 통해 원격으로 FES 시스템을 제어하여 손가락의 2~5번째 끝마디뼈의 굽힘 작용을 하는 심지굴근(flexor digitorum profundus)과 손목의 폄, 벌림 작용을 하는 장요측수근신근(extensor carpi radialis longus)의 운동점(motor point) 그리고 발목의 굽힘 작용을 하는 전경골근(tibialis anterior)의 운동점 (motor point)에 전기자극을 가하여 손목의 굽힘과 폄 운동과 및 발목의 굽힘 운동을 수행하였으며, FES 시스템의 전류제어 범위는 10~20mA, 주파수폭은 200us, 치료주파수 10~20Hz의 범위로 설정하였다.본 연구를 통해 SSVEP를 이용한 BMI기술 기반의 재활훈련 시스템을 개발하였다. SSVEP를 이용하여 원격으로 FES 시스템을 제어하여 정상인 실험 참가자들의 상하지 근육 수축을 통해 손목의 굴곡(flexion), 신전(extension) 운동과 발목의 발목굽힘(dorsiflexion) 운동을 성공적으로 유도할 수 있었다.

[영문]