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김재관, 전성찬 교수팀, 졸음운전 예측 기술 개발

-  뇌파와 뇌혈역학 신호 동시 측정으로 졸음 운전 예측

-  GIST 김재관, 전성찬 교수팀, 네이처 자매지 Scientific Reports 논문 게재

□ GIST(광주과학기술원, 총장 문승현)의 김재관(융합기술원 의생명공학과), 전성찬(전기전자컴퓨터공학부) 교수 연구팀이 뇌파와 뇌혈역학 신호 동시 측정으로 졸음운전을 예측할 수 있는 기술을 개발했다.

∘ 김재관, 전성찬 교수팀이 개발한 기술은 졸음으로 인해 눈이 감기는 현상을 미리 예측함으로써 졸음으로 인한 교통사고 발생률 감소에 크게 기여할 것으로 보인다.

□ 차량운행모니터링, 운전자 행동관찰, 운전자 생체신호측정 등의 방법으로 졸음운전 예방이 시도되어 왔으나 외부환경요인에 영향을 많이 받는 단점이 있었기에 생체신호측정을 통한 졸음운전 예측 방법이 더욱 효과적이라 할 수 있다.

∘ 생체신호측정기기 중에서는 높은 시간해상도, 휴대성, 적절한 비용 등의 장점으로 인해 뇌파를 측정하는 EEG가 보편적으로 사용되고 있으며, 뇌컴퓨터인터페이스, 간질 및 발작 감지에 있어 뇌혈역학 신호를 측정하는 fNIRS*와 같이 사용 시 더 효율적인 것으로 보고되어 왔다.

* fNIRS(functional near-infrared spectroscopy): 기능적 근적외선분광기법은  근적외선 (650~1,000nm) 파장대의 빛을 인체의 조직에 보내고 통과되어 나온 빛을 측정함으로써 조직의 산소포화도 및 혈액량 정보를 획득할 수 있다.

□ 연구팀은 뇌파를 측정하는 EEG와 뇌혈역학 신호를 측정하는 fNIRS를 통합한 시스템을 이용하여 운전 중 졸음이 발생하는 시점을 예측하는 실험을 진행하였다. 실험 결과, 졸음이 오기 전 뇌파 성분 중 베타 뇌파 신호의 감소 및 뇌혈역학 신호 중 산화헤모글로빈 농도의 증가 현상을 발견하였으며, 아래와 같은 졸음운전측정지수(DDI)를 이용하여 졸음운전으로 인한 눈의 깜박임보다 평균 3.6초 먼저 예측할 수 있음을 확인하였다.

* DDI: Drowsiness Detection Index

□ 김재관, 전성찬 교수는 “이번 연구는 뇌파와 뇌혈역학이라는 다른 형태의 뇌 신호를 동시에 측정 및 이용하여 졸음운전을 미리 예측함으로써 졸음운전으로 인한 교통사고를 예방할 수 있는 기반 기술을 확립한 것”이라며 “측정 시스템의 무선화 및 초소형화를 통해 실생활에 적용될 수 있도록 연구를 발전시켜나갈 것이다.”라고 밝혔다.

∘ 김재관, 전성찬 교수팀은 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업으로 수행중인 최적치매관리기술연구센터의 <다중생체정보 기반 치매중증도 모니터링 기술개발 사업> (총괄책임: 전기전자컴퓨터 공학부 송종인 교수)에도 같이 참여하고 있으며 EEG와 fNIRS를 이용한 환자 친화적 치매 중증도 모니터링 기술의 개발에 박차를 가하고 있다.

□ 이번 연구는 현대자동차 지원 사업, 한국연구재단의 SGER(Small Grant Exploratory Research)사업, 미래창조과학부 뇌과학원천기술개발사업의 지원을 받았으며, 네이처 자매지인 사이언티픽리포츠(Scientific Reports) 3월 7일자에 게재되었다.    <끝>

※ 논문 제목 : Utilization of a combined EEG/NIRS system to predict driver drowsiness

교신저자: 김재관 교수 (GIST 융합기술원 의생명공학과), 전성찬 교수 (GIST 전기전자컴퓨터공학부)

1저자 : Thien Nguyen (GIST 융합기술원 의생명공학과), 안상태 (Univ. of North Carolina at Chapel Hill)

그 림 설 명

[그림 1] (a) 운전 중 뇌파 및 뇌혈역학 신호 측정을 위한 실험 사진

(b) 뇌파 측정을 위한 전극과 뇌혈역학 신호 측정을 위한 LED 및 광다이오드가 부착된 모습

[그림 2] 운전 시 졸음 여부에 따라 주파수별 뇌파 신호 세기의 변화. 뇌전두엽 부위의 Beta 신호가 가장 크게 변화함을 관찰하였고, 이를 졸음운전 예측의 뇌파 신호로 사용하였음

[그림 3] 피험자 S3와 S4의 운전 중 Beta 뇌파와 산화헤모글로빈(HbO) 신호 변화를 보여줌. 붉은색 막대는 졸음으로 인해  운전자가 눈을 깜박인 시점을 나타내며 본 결과를 통해 운전 중 졸음이 오게 되면 beta 뇌파가 감소하고 HbO가 증가하는 것을 알 수 있음

[그림 4] 졸음운전측정지수(DDI)와 운전 시 졸음으로 인해 눈을 깜빡인 시점(빨강선)을 동시에 보여줌. 운전 중 졸음으로 인해 눈을 깜빡이는 시점보다 평균 3.6초 먼저 졸음운전측정지수를 예측할 수 있음

김재관 교수[공동교신저자] 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과

전 화 : 062-715-2220

e-mail : jaekim@gist.ac.kr

Homepage: http://biophotonics.gist.ac.kr

2. 학력사항

1989 - 1996  한양대학교 금속공학과 학사

1996 - 1998  한양대학교 금속공학과 석사

2000 - 2005  Univ. of Texas at Arlington and
Univ. of Texas Southwestern Medical Center at Dallas 의생명공학과 박사

3. 경력사항

2006 - 2010  Beckman Laser Institute and Medical Clinic 박사후연구원

2010 - 2011  Beckman Laser Institute and Medical Clinic 연구교수

2011 - 현재  광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과 조교수

4. 주요연구업적

[교신저자] “Monitoring cerebral oxygenation and local field potential with a variation of isoflurane concentration in a rat model”, Biomedical Optics Express, 7(10) pp.4114-24 (2016).

[교신저자] “Changes in thalamo-frontal interaction under different levels of anesthesia in rats”, Neuroscience Letters, 627, pp. 18-23 (2016).

[교신저자] “Exploring neuro-physiological correlates of drivers’ mental fatigue caused by sleep deprivation using simultaneous EEG, ECG, and fNIRS data”, Frontiers in Human Neuroscience, 10, Article 219, pp.1-14 (2016).

[교신저자] “Met-myoglobin formation, accumulation, degradation, and myoglobin oxygenation monitoring based on multiwavelength attenuance measurement in a porcine meat”, Journal of Biomedical Optics, 21(5), 057002 (2016).

[교신저자] “Simultaneous blood flow and blood oxygenation measurements using a combination of diffuse speckle contrast analysis and near-infrared spectroscopy”, Journal of Biomedical Optics, 21(2), 027001 (2016).

[교신저자] “A discrepancy of penile hemodynamics during visual sexual stimulation observed by near-infrared spectroscopy”, BMC Urology, 15(11), 1-7 (2015).

전성찬 교수[공동교신저자] 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 전기전자컴퓨터 공학부

전 화 : 062-715-2216

e-mail : scjun@gist.ac.kr

Homepage: http://biocomput.gist.ac.kr

2. 학력사항

1987 - 1991  카이스트 수학과 학사

1991 - 1998  카이스트 수학과 석사 (응용수학), 박사 (역문제)

3. 경력사항

1998 - 1999  카이스트 물리학과 박사후연구원

1999 - 2000  한국표준과학연구원 초전도그룹 박사후연구원

2000 – 2002  미국 University of New Mexico, Dept. of Computer Science, Post-doc.

2002 – 2007  미국 Los Alamos National Laboratory, Post-doc, Technical Staff Member

2007 - 현재  광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 조교수, 부교수

4. 주요연구업적

[교신저자] "Increasing Session-to-Session Transfer in Brain Computer Interface with On-site Background Noise Acquisition," Journal of Neural Engineering, 12, 066009, pp. 1-15, 2015.

[교신저자] "Steady-State Somatosensory Evoked Potential for Brain-Computer Interface–Present and Future," Frontiers in Human Neuroscience, 9, 716, pp. 001-006, 2016.

[교신저자] "Exploring neuro-physiological correlates of drivers’ mental fatigue caused by sleep deprivation using simultaneous EEG, ECG, and fNIRS data," Frontiers in Human Neuroscience, 10, 219, pp. 001-014, 2016.

[교신저자] "Effect of Anatomically Realistic Full Head Model on Activation of Cortical Neurons in Subdural Cortical Stimulation–A Computational Study," Scientific Reports, 6, 27353, pp. 001-012, 2016.

[교신저자] "The Effect of Transcranial Channel as Skull/Brain Interface in High-Definition Transcranial Direct Current Stimulation—A Computational Study," Scientific Reports, 7, 40612, pp. 001-014, 2017.

Thien Nguyen[공동 제1저자] 박사과정생 이력사항

1. 인적사항

소 속 : 광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과

전 화 : 062-715-2636

e-mail : thien@gist.ac.kr

2. 학력사항

2008 - 2013  베트남 Hanoi University of Science and Technology 의생명공학과 학사

2014 - 2016  광주과학기술원 의료시스템학과 석사

2016 – 현재  광주과학기술원 융합기술원 의생명공학과 박사 과정

안상태 [공동 제1저자] 박사 후 연구원 이력사항

1. 인적사항

소 속 : University of North Carolina at Chapel Hill

e-mail : sangtae_ahn@med.unc.edu

2. 학력사항

2006 – 2010  충남대학교 정보통신공학과 학사

2010 – 2012  광주과학기술원 정보통신공학부 석사

2012 – 2016  광주과학기술원 전기전자컴퓨터공학부 박사

2016 – 현재  University of North Carolina at Chapel Hill, Department of Psychiatry,  Postdoctoral Research Associate