[KCI] Design of User Concentration Classification Model by EEG Analysis Based on Visual SCPT

Design of User Concentration Classification Model by EEG Analysis Based on Visual SCPT

Paper & Journal Info.

Title	Design of User Concentration Classification Model by EEG Analysis Based on Visual SCPT
Author	Jinhyeok Park, Seokhwan Kang, Byungmun Lee, Ungu Kang, Youngho Lee
Journal / Conf.	Journal of The Korea Society of Computer and Information
Journal Grade	KCI

ABSTRACT

In this study, we designed a model that can measure the level of user's concentration by measuring and analyzing EEG data of the subjects who are performing Continuous Performance Test based on visual stimulus . This study focused on alpha and beta waves, which are closely related to concentration in various brain waves. There are a lot of research and services to enhance not only concentration but also brain activity. However, there are formidable barriers to ordinary people for using routinely because of high cost and complex procedures. Therefore, this study designed the model using the portable EEG measurement device with reasonable cost and Visual Continuous Performance Test which we developed as a simplified version of the existing CPT. This study aims to measure the concentration level of the subject objectively through simple and affordable way, EEG analysis. Concentration is also closely related to various brain diseases such as dementia, depression, and ADHD. Therefore, we believe that our proposed model can be useful not only for improving concentration but also brain disease prediction and monitoring research. In addition, the combination of this model and the Brain Computer Interface technology can create greater synergy in various fields. 

METHOD

본 연구에서 진행된 실험 총 20명을 대상으로 교내 실험실에서 진행되었으며, 실험실의 온도 및 조도는 실험을 진행하는 동안 동일하게 유지하였다. 헤드밴드 형태로 제작된 뇌파 측정 장비를 착용한 상태로 의자에 착석하여 책상 위의 모니터 쪽을 바라보는 상태로 실험이 진행되었다.

실험의 진행 절차는 모든 피험자에게 동일하게 적용하였다. 피험자는 실험실에 입실하여 의자에 편히 앉은 상태에서 사전 설문지를 작성하였다. 사전 설문지에는 피험자의 간단한 인적 정보를 파악할 수 있는 질문들과 현재 기분 상태, 수면 시간 등 뇌파에 영향을 줄 수 있는 일반적 특성 질문으로 구성하였다. 

뇌파 측정은 기존의 복잡하고 부착하기 힘든 기존의 침습형 뇌파 장비와 달리 간단하고 빠르게 측정할 수 있도록 Fig. 1과 같이 헤드밴드 형태로 제작된 InteraXon 사의 4채널 EEG 장비 인 ‘Muse 2017'을 사용하여 측정하였다. 'Muse 2017'은 측정할 수 있는 기기로 전두엽의 2채널 (AF8, AF9)과 측두엽 2채널(Tp9, Tp10) 총 4채널에서 발생 하는 뇌파 데이터 수집할 수 있다. Muse 2017은 다양한 시중 의 뇌파 측정 장비들에 비해 비교적 저렴한 가격대를 형성하고 있으며, 간소화된 휴대용 뇌파 측정 장비로서 그 기능을 검증받았다.

주의력과 충동성을 검사하기 위해 개발된 검사인 CPT(Continuous Performance Test)는 컴퓨터를 이용하여 실 험자가 집중 상태를 얼마나 잘 유지할 수 있는지를 평가하기 위한 검사이다[12,13]. 단순한 도형이나 알파벳의 낱자 등의 표적 자극과 비표적 자극이 1초에서 4초 간격으로 화면에 0.1 에서 0.2초 간 무작위로 표시된다. 실험은 특정한 표적 자극이 제시된 경우에만 실험대상자가 반응하도록 하는 형태로 구성되 어 있다.

이는 그 유용성이 이미 인정되어 널리 쓰이고는 있지만, 2~3시간씩 소요되어 평가 시간이 너무 길고, 숫자나 문자를 자 극으로 사용할 경우에는 언어 능력이나 숫자 능력이 모자라는 아동에게 실시할 수 없다는 한계점을 가지고 있다. 따라서, 앞 서언급된한계점들을보완및개선하기위해본연구진이자 체 개발한 SCPT(Simplified Continuous Performance Test)를 수행하였다.

본 실험에서 사용한 Visual SCPT 콘텐츠는 Unity 3D로 개 발된 프로그램을 컴퓨터 모니터를 통해 제시하였으며, 자극의 제시 프로토콜은 ‘Oddball Paradigm'에 따라 시행되었다. 'Oddball Paradigm'은 피험자로 하여금 빈번한 비표적 자극과 표적 자극을 분별하게 하는 것으로, SCPT 콘텐츠를 구성하는 데 있어서 중요한 역할을 수행하였다[14].

SCPT는 원, 삼각형, 사각형, 오각형, 별 모양 등 간단한 도 형 및 모양으로 구성하여 보다 다양한 연령대에 적용할 수 있 도록 하였다. 또한, 자극이 시각 자극으로만 제한되는 것이 아닌, 청각, 후각과 같이 다감각적으로 사용자에게 적용될 수 있 다. 또한 기존의 CPT가 2~3시간씩 검사를 진행했다면, SCPT 는 10~15분 사이로 진행하여 사용자의 검사 부담을 최소화 하였다.

자극은 10분간 제시되며 표적 자극과 비표적 자극은 2:8의 비율로 제시된다. 피험자는 의자에 편히 앉아 모니터의 정면을 응시하여 표적 자극이 제시될 때에만 마우스의 왼쪽 버튼을 눌 러 반응하도록 하였다. 제시되는 자극의 종류는 정사각형, 원, 삼각형 등으로 구성된 Fig. 3의 6개의 도형이며, 그 중 표적 자 극은 Visual SCPT 수행 전 피험자 본인이 선호하는 표적 자극 을 선택할 수 있도록 하였다. 

데이터 분석은 크게 EEG 주의집중도와 SCPT 주의집중도로 나누어 분석하였다. EEG 주의집중도는 뇌파를 측정할 때에 발생하는 데이터를 기준으로, SCPT 주의집중도는 SCPT 평가 결과에 따른 주의집중도로 정의할 수 있다. EEG 주의집중도는 집중도와 관련이 있는 3개의 데이터(알파파, 베타파, 세타파)를 사용하였고, SCPT 주의집중도는 정반응비율, 반응시간 평균, 반응시간 표준편차 3가지 기준에 따라 산출하였다.

동일 집단의 명상할 때와 Visual SCPT를 할 때의 주의집중도 차이를 비교분석하기 위해 Paired T-Test와 Pearson's product-moment correlation 기법을 사용하였다.

RESULT

명상할 때에 비해 Visual SCPT 콘텐츠를 진행할 때의 주의집중도가 유의하게 증가함을 확인할 수 있었다. 또한, EEG 주의집중도와 SCPT 주의집중도 간의 상관성을 확인할 수 있었다.