뇌 컴퓨터 인터페이스 소개 (Components) (4)

두뇌 활동 (Brain activity)

신경계는 중추 신경계와 말초 신경계의 두 가지 주요 부분으로 구성된다. 뇌는 중추신경계의 주요 기관으로 약 1,000억 개의 뉴런과 신경교 (glia)라고 하는 수조 개의 세포가 있다. 뇌는 대뇌 (또는 피질), 소뇌 (또는 작은 뇌) 및 뇌간이라는 세 가지 주요 부분으로 구성된다.

대뇌 피질(또는 대뇌)은 엽이라고 하는 4개의 주요 부분으로 나뉜다 (전두엽, 두정엽, 측두엽 및 후두엽).

뇌는 끊임없이 전기 신호를 생성한다. 그러나 머리의 두개골과 피부는 매우 우수한 전기 절연체이므로 개별 뉴런에서 기록하기 어렵다. 그러나 많은 수의 뉴런이 동시에 같은 일을 하게 되면 두피 표면에 전극을 대고 활동하는 것을 볼 수 있다.

신경 세포 : 자극에 반응하고 장거리 정보 전송한다. 구성: 축삭 (Axons) : 전기 충격을 전달하는 긴 실린더로 척추동물의 경우 길이가 수미터에 이른다. 사람의 경우 밀리미터의 백분율에서 1미터 이상이다. 단백질 전달을 위한 축삭 수송 시스템이다. 수상돌기 (Dendrites) : 다른 세포의 축삭이나 수상돌기와 연결되어, 다른 신경에서 자극을 받거나 신호를 다른 신경으로 전달한다. 세포체 (Cell bodies) : 단일 핵으로 대부분의 신경세포 대사를 포함한다. Glia 세포 : 뉴런 사이에 위치

 

인간의 뇌에서 각 신경은 대부분 수지상 연결을 통해 약 10,000개의 다른 신경과 연결되어 있다.

뉴런이 통신할 때 전류가 발생한다. 전기 신호는 축삭이나 수상돌기를 따라 전송된다. 축삭 말단의 전기 신호는 화학 신호로 변환되고 축삭은 신경전달 물질이라는 화학 메신저를 방출한다. 신경 전달 물질은 시냅스를 통해 수상 돌기로 이동하고 다시 전기 신호로 변환된다.

전류가 나가는 곳에 양극이 있고 전류가 음극으로 들어가는 곳이 있다. 1차 전류라고 하는 이러한 전류는 뇌 조직과 뇌액에 묻혀 두개골과 두피에 도달한다. 두피의 전압 차이는 EEG 전극으로 포착할 수 있다. EEG에서 생성되는 주요 신호는 상부 피질층의 수상돌기를 따라 발생하는 전압 기울기이다. 측정 가능한 신호를 얻으려면 수천 개의 병렬 지향된 인접 수상돌기가 동기적으로 활성화되어야 한다. EEG를 통해 측정할 수 있는 신호는 다음과 같다.

1) 뉴런을 연결하는 축삭을 따라 활동전위 2) 축삭과 뉴런/수지상 돌기를 연결하는 시냅스 틈을 통한 전류 3) 시냅스에서 뉴런의 체세포까지 수상돌기를 따라 흐르는 전류

신호 획득 (Signal acquisition)

EEG-BCI의 경우 두피에 전극을 부착하여 뇌 활동의 전위를 측정한다. 전극은 International 10-20 시스템을 사용하여 측정한 위치의 피부에 위치한 금속 디스크이다.

전극에는 두 가지 주요 유형이 있다.

습식 (Wet) : 젤의 식염수 용액을 사용한다. 전기적 거리가 최소화되어 전도도가 증가한다. 대부분은 스테인리스 스틸, 주석, 금 또는 은으로 만들어지며 염화은 코팅으로 덮여 있다. 건조 (Dry) : 더 편리하고 사용하기 쉽지만 더 높은 주파수를 잃을 수 있다.

금으로 코팅된 EEG 전극

위치를 돕기 위해 많은 전극이 필요한 만큼 캡이 필요하다.

EEG는 1,000분의 1초마다 측정할 수 있으므로 실시간 애플리케이션에 신뢰할 수 있다. EEG 문제는 소음이다. 두피에 전극이 위치하기 때문에 그 사이에 층이 있고 배경 소음과 근육이 있다.

EEG는 뇌에서 일어나는 전기적 활동을 측정한다. 기록된 것은 최소 2개의 전극 사이의 전압 차이이다. EEG는 ERP를 해석하기 위해 여러 전극에서 동시에 기록되어야 한다. 뉴런에서 수상돌기의 시냅스 여기 동안 전류가 생성되고 EEG에 의해 포착된다. 감지된 신호가 좋지 않기 때문에 전극이 뉴런에서 멀리 떨어져 있고 신호가 뼈와 두개골을 통해 이동하여 전기 흐름을 기록하려면 증폭기가 필요하다.

전극 : 일반적으로 염화은으로 만들어졌다. 증폭기 A/D 변환기 녹음 장치

전극은 두피에서 신호를 수집하고 증폭기는 아날로그 신호를 처리하여 EEG 신호의 진폭을 확대하여 A/D 변환기가 신호를 보다 정확한 방식으로 디지털화할 수 있도록 한다. 마지막으로 개인용 컴퓨터 또는 이와 유사한 기록 장치가 데이터를 저장하고 표시한다.

1) 전극

일회용 (건식 또는 습식), 재사용 가능한 디스크 전극 (금, 은, 스테인리스 스틸 또는 주석), 머리띠 및 전극 캡 (소비자용 등)과 같은 다양한 유형의 전극을 EEG에 사용할 수 있다 (식염수 기반 전극, 바늘 전극). 1958년에는 헤드가 비례 거리로 분할되는 표준 전극 배치 시스템이 개발되었다 (Jasper, 1958).

EEG(뇌파검사) 기록을 위한 International 10-20 시스템의 전극 위치

최소 구성은 활성 전극, 기준 전극 및 접지 전극의 세 가지 전극으로 구성된다. EEG는 신호 또는 활성 전극과 기준 전극 사이의 시간 경과에 따른 전위차를 측정한다. 뇌의 전기적 활동이 없는 곳에서는 참조를 얻기가 매우 어렵다. 일반적으로 유양돌기, 귓불 또는 코끝에 위치한다. 접지 전극은 활성 지점과 기준 지점 간의 차동 전압을 측정하는 데 사용된다.

2) 증폭기

전극에 의해 포착된 신호는 멀리 떨어져 있고 이동해야 하는 다른 레이어에 의해 감쇠된다. 이러한 이유로 마이크로볼트를 디지털화할 수 있는 범위로 가져오려면 증폭기가 필요하다. 신호는 1-2미터 길이의 케이블을 통해 증폭기로 전송된다. 불행히도 케이블은 안테나 및 픽업 신호로 작동할 수 있으며, 이는 EEG 신호를 방해하고 노이즈를 증폭시킨다. 일부 "능동" 전극에는 이러한 노이즈 간섭을 피하기 위해 전극 내에 작은 전치 증폭기가 포함되어 있다. 불행히도 그것들은 상당히 크고 비싸며 어떤 상황에서는 적절하지 않을 수 있다.

3) A/D 변환기

A/D 변환기는 증폭된 신호를 아날로그에서 디지털 형식으로 변환한다. EEG 신호의 대역폭은 약 100Hz로 제한되어 EEG 신호를 샘플링하기에 200Hz로 충분하다.

4) 기록 장치

변환된 신호를 기록, 저장 및 표시하는 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치가 될 수 있다.

http://learn.neurotechedu.com/introtobci/

Intro to Brain Computer Interface