음악과 자연의 소리를 이용한 청각정상상태반응 기반의 뇌-컴퓨터 인터페이스

Abstract

완전 감금증후군(Total locked-in syndrome) 환자와 같이 의식은 있으나 시각을 비롯한 온 몸의 근육이 마비된 환자들은 자신의 의사를 외부에 표현할 수 있는 방법이 없다. 이런 환자들의 남아있는 감각과 생체 신호를 이용하여 최소한의 의사표현을 보조함으로써 삶의 질을 높이는 시스템의 필요성이 증가하고 있다. 청각 정상상태반응이란 일정한 주파수로 진폭 변조된 소리 자극을 들었을 때 뇌파에서 자극 주파수와 일치하는 파가 강하게 나타나는 현상을 의미한다. 최근 양쪽 귀에 서로 다른 청각 자극을 들려주고 한쪽 방향의 소리에만 선택적으로 집중할 경우, 그에 따라 청각 정상상태반응이 조절되는 현상이 발표되었고, 이를 활용하여 선택적 집중을 통해 왼쪽이나 오른쪽을 선택할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스 패러다임이 제안되었다. 하지만 선행 연구들에서 사용된 청각자극은 단일 톤의 캐리어(carrier)를 진폭 변조시켜 만들어진 소리로, 사용자가 오래 듣는데 불편함을 유발한다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이와 같은 사용자의 불편함을 줄이기 위하여 단일 톤의 캐리어를 사용자에게 익숙한 음악이나 자연의 소리로 대체함으로써, 사용자의 피로도를 최소화하고 집중력을 향상시키는 방법을 제안하고 있다. 총 세 명의 피험자가 실험에 참여하였고 뇌파는 Cz, Oz, T7, T8에서 512Hz의 sampling rate로 측정되었다. 한 트라이얼(trial)은 5초간의 음성 안내와 20초간의 청각자극으로 구성되었다. 50번의 트라이얼이 한 세션(session)으로 이루어졌고 50번의 trial 중 40번의 trial을 분류기의 트레이닝 데이터로, 10번의 trial을 테스트 데이터로 사용하여 오프라인 분석을 진행하였다. 선형판별분석(linear discriminant analysis: LDA) 분류기를 사용하였고 분류에 사용된 feature는 뇌파측정에 사용된 각 전극에서의 38Hz, 42Hz(각 자극의 메시지 주파수)의 주파수 파워를 사용하였다. 서로 다른 두 음악을 자극으로 사용하여 각각 다른 귀에 들려주었을 때 평균 87.3%의 분류 정확도를 얻을 수 있었고, 한쪽 귀에는 물 흐르는 소리, 반대 쪽 귀에는 매미소리를 자극으로 들려주었을 경우 평균 90%의 분류 정확도를 얻을 수 있었다. 또한 실험 후 피험자들에게 설문한 결과, 본 연구에서 사용된 자극이 선행 연구들에서 사용된 자극보다 훨씬 듣기 편했다는 결과를 얻을 수 있었다.