뇌에서 졸음의 징후를 감지할 수 있는 이어버드

직장에서는 누구나 가끔 졸리다. 하지만 운전이나 중장비 작업을 하는 직업을 가진 사람들에게 졸음은 매우 위험할 수 있다. 치명적이지는 않더라도 말이다.

졸음운전은 매년 미국에서 수백 건의 치명적인 교통사고를 유발하고, 국가안전위원회는 졸음을 건설 및 광산의 중대한 위험으로 언급했다.

캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스의 엔지니어들은 운전자와 기계 운전자를 졸음의 위험으로부터 보호하기 위해 뇌에서 졸음의 징후를 감지할 수 있는 프로토타입 이어버드를 만들었다.

이어버드는 의사가 뇌의 전기적 활동을 측정하는 데 사용하는 검사인 뇌파도(EEG)와 같은 방식으로 뇌파를 감지한다. 대부분의 EEG는 머리에 부착된 일련의 전극을 사용하여 뇌파를 감지하는 반면, 이어버드는 귀의 통로와 접촉하도록 설계된 내장 전극을 사용하여 뇌파를 감지한다.

이어버드에서 감지되는 전기 신호는 기존 EEG에서 수집되는 신호보다 작다. 하지만 새로운 연구에서 연구자들은 그들의 Ear EEG 플랫폼이 눈을 감거나 잠들기 시작할 때 증가하는 뇌 활동 패턴인 알파파를 감지할 만큼 민감하다는 것을 보여주었다.

UC 버클리의 전기공학 및 컴퓨터 과학과 조교수이자 연구의 수석 저자인 리키 뮬러는 "2017년에 처음으로 Apple의 AirPods를 샀을 때 영감을 받았다. 나는 즉시 '신경 기록을 위한 놀라운 플랫폼이구나'라고 생각했다."라고 말했다. "우리는 이 기술이 많은 잠재적 용도가 있다고 믿으며, 졸음을 분류하는 것은 이 기술이 수면을 분류하고 수면 장애를 진단하는 데 사용될 수 있다는 좋은 지표라고 생각한다."

이어버드를 EEG 전극으로 사용하는 데는 다양한 실질적인 과제가 있다. 정확한 EEG를 얻으려면 전극이 피부와 잘 접촉해야 한다. 이는 두피에 붙인 평평한 금속 전극을 사용하는 기존 EEG에서는 비교적 쉽게 달성할 수 있다. 그러나 다양한 크기와 모양의 귀에 꼭 맞고 편안한 이어버드를 디자인하는 것은 훨씬 더 까다롭다.

뮬러의 팀이 프로젝트를 시작했을 때, Ear EEG 플랫폼을 개발하는 다른 그룹은 이어버드와 귀관 사이에 좋은 밀봉을 보장하기 위해 습식 전극 젤을 사용하거나 각 사용자에 맞게 맞춤 제작된 이어피스를 만들었다. 그녀와 그녀의 팀은 누구나 귀에 꽂아서 신뢰할 수 있는 판독 값을 얻을 수 있도록 건조하고 사용자 친화적인 모델을 디자인하고 싶었다.

UC 버클리 박사후 연구원이자 이 연구의 공동 1저자인 라이언 카베(Ryan Kaveh)는 "나의 개인적인 목표는 실제로 이로부터 이익을 얻을 사람이 매일 사용할 수 있는 장치를 만드는 것이었다."라고 말한다. "그렇게 하려면 재사용이 가능하고 다양한 사람에게 적합하며 제조하기 쉬워야 한다는 것을 알았다."

카베는 대학원생 캐롤린 슈웬데만과 공동으로 연구를 이끌었고, UC 버클리의 아나 아리아스 연구실과 협력하여 소형, 중형, 대형의 세 가지 크기로 최종 이어피스를 설계했다. 이어피스는 외이도에 부드러운 외부 압력을 가하는 지지대 설계에 여러 전극을 통합하고 유연한 전자 장치를 사용하여 편안한 착용감을 보장한다. 신호는 맞춤형 저전력 무선 전자 인터페이스를 통해 읽힌다.

2020년 논문에서 연구자들은 이러한 이어피스가 눈 깜박임, 알파 뇌파, 청각 정상 상태 반응(일정한 피치를 듣는 것에 대한 뇌의 반응)을 포함한 여러 가지 생리적 신호를 감지할 수 있음을 보여주었다. 새로운 연구에서 그들은 이어피스 디자인을 개선하고 머신러닝을 통합하여 이어피스를 실제 응용 프로그램에서 어떻게 사용할 수 있는지 보여주었다.

실험의 일환으로 그들은 9명의 자원봉사자에게 어두운 방에서 지루한 작업을 하는 동안 이어피스를 착용하도록 요청했다. 자원봉사자들에게 졸음 수준을 평가해 달라고 요청했고, 반응 시간을 측정했다.

"이어피스의 신호 품질이 나빠 보여도 훨씬 더 복잡하고 부피가 큰 시스템과 동일한 수준의 정확도로 졸음의 시작을 분류할 수 있었다."라고 카베가 말했다. 이어피스는 또한 완전히 새로운 사용자의 졸음을 분류할 때 정확도를 유지하는데, 이는 "상자에서 꺼내자마자" 작동할 수 있는 장치의 특징이다.

바카르 펠로십과 바카르 상의 지원을 받아 Ear EEG를 개발한 뮐러는 계속해서 설계를 개선하고 장치의 다른 잠재적인 응용 분야를 탐색하고 있으며, 이 장치는 심장 박동, 눈의 움직임, 턱을 꽉 다물기 등 EEG를 넘어서는 신호를 기록할 수도 있다.

뮬러는 "무선 이어버드는 우리가 이미 항상 착용하는 것이다."라고 말했다. "그것이 Ear EEG를 웨어러블에 대한 매력적인 접근 방식으로 만드는 것이다. 추가적으로 아무것도 필요하지 않다."

이 연구는 Nature Communications에 게재되었다.

출처: UC Berkeley