청각 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 구현을 위한 골전도 이어폰의 혁신적 활용 가능성
청각 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 구현을 위한 골전도 이어폰의 혁신적 활용 가능성
서론
뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)는 인간의 뇌 신호를 해석하여 기기 제어, 의사소통, 재활 치료 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 차세대 기술이다.
특히 청각 기반 BCI(Auditory-based BCI)는 시각적 집중이 어려운 환경이나, 이동성이 필요한 상황에서 유용하게 활용될 수 있는 방식으로 주목받고 있다.
그러나 기존 청각 자극 전달 방식에는 한계가 있다.
일반 이어폰은 외이도를 막아 주변 소리를 차단함으로써 환경음 인지가 어려워지고, 스피커는 휴대성과 개인화 측면에서 불리하다.
이러한 한계를 해결할 수 있는 대안으로 골전도 이어폰(Bone Conduction Earphone)이 부상하고 있다.
골전도 이어폰은 외이도를 막지 않고 두개골 진동을 통해 소리를 내이로 전달하기 때문에, 주변 환경음을 유지하면서도 명확한 청각 자극 전달이 가능하다.
본 포스팅에서는 전남대학교 의공학과 연구팀(이주옥, 주경호, 김도원)의 논문 「청각 기반 뇌-컴퓨터 인터페이스 구현을 위한 골전도 이어폰의 활용 가능성」 연구 결과를 기반으로, 골전도 이어폰이 EEG 기반 청각 BCI에서 얼마나 실용적인지 심층 분석한다.
골전도 이어폰과 청각 BCI: 기술적 배경
1. EEG와 청각 자극
뇌전도(EEG)는 뇌의 전기생리학적 활동을 비침습적으로 측정할 수 있는 대표적인 신경과학 도구다. 청각 기반 실험에서 EEG는 특정 음향 자극에 대한 사건 유발 전위(Event-Related Potential, ERP)나 청성 안정 유발 반응(Auditory Steady-State Response, ASSR)을 측정하는 데 활용된다.
특히 ERP의 N100 성분은 청각 자극 후 약 100ms 전후에 발생하는 뚜렷한 음성 전위로, 자극 인식과 청각 처리의 중요한 지표로 사용된다.
2. 기존 청각 BCI의 한계
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이어폰 기반: 외부 소리를 차단하여 환경 인지 저하
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스피커 기반: 휴대성과 개인화 부족
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시각 기반 BCI 대비 장점: 이동성과 상황 유연성 높음
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그러나 지속적 청각 자극 필요성으로 인해 실생활 적용에는 제약 존재
연구 개요
연구팀은 골전도 이어폰이 청각 기반 BCI에서 일반 이어폰만큼 유효한가를 검증하기 위해 ERP(N100), ERSP, ITC 등 신경 반응 지표를 비교 실험하였다.
참가자
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총 10명 (평균 나이 23.7 ± 4.8세, 여성 4명)
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청각 및 신경정신과 질환이 없는 자발적 참여자
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연구윤리 승인: 전남대학교병원 IRB (CNUH-2019-131)
실험 장비
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일반 이어폰: HSS-F630 (LG Electronics, Korea)
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골전도 이어폰: Sportz Titanium (AfterShokz, USA, 유선 모델)
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EEG 측정: ActiveTwo 시스템 (BioSEMI, Netherlands), 32채널 10-20 국제 전극배치법
실험 방법
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음량 보정
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1000Hz 순음을 번갈아 제시하며 주관적 동일 음량으로 보정
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음량 조건: 50, 60, 70, 80 dB
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자극 특성
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1000Hz 순음을 40Hz로 진폭 변조한 ASSR 자극
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각 음량당 150회, 총 600회 무작위 제시
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EEG 분석
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ERP: N100 전위값 및 지연시간 분석
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ERSP: 39–41Hz 대역 ASSR 반응
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ITC: 자극 시 위상 동기화 정도 분석
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통계 처리
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Wilcoxon signed rank-sum test
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유의수준 p > 0.05 → 통계적 차이 없음
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주요 결과
1. ERP 분석 (그림 1)
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모든 조건에서 N100 파형 관찰
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일부 조건(80dB, 50dB)에서 골전도 이어폰의 N100 크기가 다소 작았으나, 통계적으로 유의한 차이는 없었음 (p > 0.05)
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| 그림 1. 청각 전달 방식(검은 점선: 일반 이어폰, 붉은 실선: 골전도 이어폰)에 따른 자극 음량별 ERP 평균 파형 |
2. ERSP 분석 (그림 2)
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80dB 조건에서 가장 강한 ASSR 반응
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50dB 조건에서는 두 방식 모두 반응 미약
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전달 방식 간 유의한 차이 없음
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| 그림 2. 청각 전달 방식(좌: 일반 이어폰, 우: 골전도 이어폰)에 따른 음량별 시간-주파수 반응 |
3. ITC 분석 (그림 3)
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80dB 골전도 이어폰 조건에서 가장 높은 위상 동기화
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ERSP보다 더 뚜렷한 반응 경향
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전달 방식 간 유의한 차이 없음
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| 그림 3. 청각 전달 방식(좌: 일반 이어폰, 우: 골전도 이어폰)에 따른 음량별 시행 간 위상 동기화 |
고찰
1. 실생활 적용성
연구 결과는 골전도 이어폰이 청각 기반 BCI에 실용적으로 적용 가능함을 시사한다. 특히 주변 소리 인지가 필요한 환경(예: 재활 훈련, 작업 현장, 교통 상황)에서 큰 장점을 가진다.
2. 한계 및 향후 연구
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표본 크기(10명) 한정
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음량 보정이 주관적 인지에 의존
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다양한 주파수·자극 유형에 대한 확장 실험 필요
3. 응용 가능성
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휴대용 뇌파 기기 + 골전도 이어폰 결합 → 이동 중에도 BCI 활용 가능
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의료·재활 분야: 청각 재활, 마취 깊이 모니터링, 신경정신질환 평가
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산업 안전 분야: 작업자 상태 모니터링과 의사소통 병행 가능
결론
본 연구는 골전도 이어폰이 일반 이어폰과 비교해 청각 자극에 대한 뇌파 반응에서 통계적으로 유의한 차이가 없음을 입증했다. 이는 청각 기반 BCI의 실생활 적용 범위를 확장할 수 있는 중요한 근거이며, 향후 다양한 환경과 인구 집단에서의 검증이 이어진다면 BCI의 대중화와 상용화에 크게 기여할 것이다.
참고문헌
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