우리는 눈을 제외한 거의 모든 자발적 근육이 마비된 근위축측삭경화증(locked-in syndrome, LIS) 환자를 위해 간단하고 사용하기 쉬운 눈 깜박임 검출 안경을 기반으로 한 깜박임 온라인 스펠러를 제안하였다. 전안구전기생리도(electrooculogram, EOG)는 Ag/AgCl 전극을 사용해 안구 운동 또는 깜박임을 측정하는 황금 표준 방법이다. 그러나 이 방법은 피부 자극과 도전성 젤의 탈수 등 여러 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 우리는 전기용량성 투명 결합 전극에 기반한 깜박임 검출 시스템, 즉 도전성 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO) 박막을 사용하였다. 이 박막은 직접적인 피부 접촉 없이, 시야를 차단하지 않으면서 눈 깜박임을 측정할 수 있게 해준다. 우리는 마침내 해당 깜박임 검출 시스템을 갖춘 사용자 친화적인 깜박임 기반 온라인 스펠러를 개발하였다. 스펠러의 명령을 위한 자발적 깜박임과 비자발적 깜박임을 구분하기 위해 이중 깜박임(double blink)을 사용하였다. 여섯 명의 건강한 피험자를 대상으로 한 온라인 스펠러 실험 결과, 평균 정확도는 98.96%였고 분당 글자 수(letter per minute, LPM)는 4.73으로, 기존 P300 또는 청각 뇌-컴퓨터 인터페이스(brain-computer interface, BCI) 패러다임과 비교할 때 더 나은 결과를 보였다. 본 실험 결과는 제안된 시스템을 LIS 환자를 위한 의사소통 방법으로 적용할 수 있음을 보여준다.

근위축성 측삭경화증(ALS) 환자는 자발적으로 깜박이거나 눈을 움직일 수 있는 잔여 능력을 통해 의사소통할 수 있다. 통상적으로 전기안검도(electrooculography)와 비디오 카메라를 사용하여 깜박임을 감지해 왔다. 그러나 이러한 방법들은 ALS 환자에게 적용할 때 몇 가지 한계가 있다. 이러한 약점을 극복하기 위해 인듐 주석 산화물(indium tin oxide, ITO)의 투명 도전성 필름을 활용하는 새로운 깜박임 감지 시스템을 제안한다. 기존 안경의 렌즈에 부착된 ITO 필름은 착용자의 시야를 가리지 않으면서 깜박임을 감지한다. 이 시스템은 6명의 피험자를 대상으로 수행한 이진(binary) 통신 실험을 통해 검증되었다. 그 결과, 피험자들이 제공한 깜박임의 100%가 의도한 답을 정확히 나타내는 것으로 확인되었다.

웨어러블 의료기기는 최근 몇 년간 기술의 발전과 스마트폰의 보급에 힘입어 관심이 다시 증가하고 있다. 다양한 유형의 웨어러블 기기가 소개되어 시장에서 이용 가능하다. 천(의복) 위에서 심전도(electrocardiogram)를 측정하는 정전용량 결합(capacitive coupled) 전극은 웨어러블 기기에 적용될 수 있다. 그러나 정전용량 전극에 대한 기존 접근법에서는 전극과 인체 표면 간의 안정적인 접촉을 위해 적절한 압력이 필요하다. 하지만 체표면에 압력을 가하는 웨어러블 기기는 장기 모니터링에는 적합하지 않다. 본 연구에서는 패치형 웨어러블 심전도(ECG) 모니터링 장치를 위한 접착성 폴리우레탄 기반 정전용량 전극을 제안하였다. 자가접착 폴리우레탄은 전극 및 전체 시스템이 어떠한 압력 없이 피부 표면에 부착되도록 한다. 패치형 시스템은 아날로그 필터, 아날로그-디지털 변환기, 무선 전송 모듈로 구성되며, 패치 형태로 신체에 부착되도록 설계되었다. 개발된 시스템의 타당성을 검증하기 위해, 안정 상태 및 활동 상태에서 ECG 신호를 측정하고 심박수를 추출하였다. 이를 통해 접착성 폴리우레탄의 생체적합성과 접착 강도에 대해 장시간 부착 후 피부의 반응을 관찰하였다. 그 결과, 실제 환경에서 ECG 모니터링에 개발된 시스템을 적용할 수 있는 가능성이 있음을 보여주었다.

우리는 12개의 정전용량 결합 전극과 도전성 섬유 시트를 사용하여, 제약되지 않은 심전도(ECG) 신호 측정으로 침대 위에서의 신체 자세를 추정하는 시스템을 개발하고 검증하였다. 실험에는 13명의 건강한 피험자가 참여하였다. 12개의 전극 중 신체와 접촉하고 있는 채널을 검출한 후, ECG의 QRS(ECG의 Q파, R파, S파) 복합체의 형태학에 기초하여 세 가지 주요 단계로 특징을 추출하였다. 추출한 특징은 각각 선형 판별분석, 선형 및 방사기저함수(RBF) 커널을 사용하는 지지벡터머신, 그리고 인공신경망(1층 및 2층)에 적용하였다. RBF 커널을 사용하는 SVM이 가장 높은 성능을 보였으며, 침대에서의 네 가지 자세(앙와위, 우측 측와위, 복와위, 좌측 측와위) 추정에서 정확도 98.4%를 달성하였다. 전반적으로, ECG 데이터는 소수의 센서를 제약 없이 획득했음에도 불구하고, 성능은 현재까지 보고된 결과들보다 더 우수하였다. 개발된 시스템과 알고리즘은 폐쇄성 수면무호흡 검출 및 수면의 질 또는 수면 단계 분석뿐 아니라 욕창 관리를 위한 신체 자세 감지에도 적용될 수 있다.

목표: 뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 기술은 신경근 활동과 완전히 무관한 대체 소통 도구를 제공하기 위해 집중적으로 연구되어 왔다. 현재의 BCI 기술은 불쾌한 젤 주입, 비현실적인 준비 과정, 정리 절차를 필요로 하는 뇌파(EEG) 획득 방법을 사용한다. 차세대 BCI 기술은 실험실 작업을 실제 환경에서 적용하기 쉽도록 하기 위해 실용적이고 사용자 친화적이며 비침습적인 EEG 플랫폼이 요구된다. 접근: 전해질 젤이나 전극-두피의 직접 접촉이 필요 없는 용량성 전극은 향후 BCI 시스템에서 기존의 습식 전극(wet electrode)의 잠재적 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 전극 성능을 향상시키는 도전성 폴리머 감지 표면을 포함하는 새로운 용량성 EEG 전극을 제안하였다. 본 논문은 이러한 새로운 용량성 전극을 사용한 BCI에서 시각 또는 청각 정상상태반응(steady-state response)을 보인 5명의 피험자로부터 얻은 결과를 제시한다. 정상상태 시각 유발전위(SSVEP) 철자(spelling) 시스템과 청각 정상상태반응(ASSR) 이진 의사결정(binary decision) 시스템을 사용하였다. 주요 결과: 오프라인 검사에서 BCI 성능이 BCI 시스템으로 사용하기에 충분히 높은 것으로 나타났다(정확도: SSVEP BCI의 경우 6초에서 95.2%, ITR: 19.91 bpm; ASSR BCI의 경우 14초에서 정확도 82.6%, ITR: 1.48 bpm). 분석 시간은 동일한 BCI 시스템에서 습식 전극을 사용했을 때보다 약간 더 길었으며(정확도: SSVEP BCI의 경우 4초에서 91.2%, ITR: 25.79 bpm; ASSR BCI의 경우 12초에서 정확도 81.3%, ITR: 1.57 bpm), 온라인 BCI는 SSVEP 패러다임에서는 복사 철자(copy spelling) 모드로, ASSR 패러다임에서는 선택적 주의(selective attention) 모드로 수행하였다. 평균 정보전달률(ITR)은 각각 17.78 ± 2.08 bpm 및 0.7 ± 0.24 bpm이었다. 의의: 본 실험들의 결과는 BCI 시스템에서 본 연구의 용량성 EEG 전극을 사용하는 것이 가능함을 보여준다. 이러한 용량성 전극은 차세대 BCI 기술의 다양한 응용에 적합한 유연하고 비침습적인 도구가 될 수 있다.

본 논문에서는 병원 외 환경에서 비침습적 EEG 측정을 위한 정전용량(capacitive) EEG 전극으로 사용할 새로운 도전성 고분자 발포체 표면 전극을 제안하였다. 현재의 정전용량 전극은 강성이 높은 표면을 가지고 있어, 그 강성으로 인해 정의되지 않은 접촉 면적이 발생하며, 두상 곡률에 밀착하지 못하고 전극 표면과 두피 피부 사이에서 모발을 국소적으로 절연시켜 모발을 통한 EEG 측정이 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해 도전성 고분자 발포체를 정전용량 전극 표면에 적용하여 완충(cushioning) 효과를 제공하였다. 그 결과, 맨두피 피부와의 도전성 접촉 없이도 모발을 통과하여 EEG를 측정할 수 있었다. 실험 결과, 새 전극은 기존 정전용량 전극에 비해 도전성 전극-피부 임피던스가 더 낮고, 전압 이득, 신호대잡음비, 신호대오류비, 그리고 정전용량 및 기존 저항(resistive) 방식으로 측정한 EEG 간 상관계수가 더 높게 나타났다. 또한 새 전극은 EEG 신호를 측정할 수 있었으나, 기존 정전용량 전극은 측정하지 못하였다. 본 연구에서 제시한 새 전극은 모자 또는 헬멧에 쉽게 장착하여, 실제 환경에서의 EEG 응용 시 사용자가 어색해 보이지 않으면서도 비침습적 웨어러블 EEG 장치를 구현할 수 있을 것으로 기대된다.