뇌-컴퓨터 인터페이스 개요와 특징

○  BCI는 인간의 뇌와 외부 시스템을 연결하여 정보 교환을 가능하게 하는 장치 및 소프트웨어를 총칭
 

• 뇌에서 발생하는 신경 전달 신호를 수집하고 해석하여 로봇 팔, 휠체어, 컴퓨터 화면 커서 등 다양한 외부 장치를 제어하는 차세대 융합 기술
  
   - ▲뇌 활동을 감지하고 측정하며 ▲뇌에서 발생하는 신경 전달 신호를 디지털 데이터로 변환하고 ▲외부 장치로 들어가는 신호에 따라 정확히 동작하고 제어하는 기술 등이 활용됨
   

○ 인간의 뇌 활동으로 발생하는 뇌파 또는 전기 신호, 혈류량 변화 등 의미 있는 정보를 수집하고 해석하여 다양한 분야에 활용하는 것이 BCI의 핵심
 

• 말초신경에서 느낀 감각을 뉴런(neuron)이 전류 형태로 전달하고, 뉴런을 연결하는 시냅스(synapse)가 활성화되어 뇌파가 발생
  
   - 인간의 뇌파를 측정한 것은 독일 신경과학자 한스 베르거가 1929년 두개골이 손상된 환자의 두피 아래 백금 전극 2개를 삽입해 전기 신호를 얻은 사례가 최초
  
  
• 뇌파는 뉴런에서 발생한 전기 신호가 합성되어 나타나는 뇌 표면의 미세한 신호를 측정하여 수집
  
   - 뇌의 활동, 상태, 기능에 따라 시공간적으로 변화하며, BCI에서 사용하기 위해서는 정밀한 해석이 필요

○ BCI는 뇌파나 뇌의 신호 정보를 측정하는 방식에 따라 침습형과 비침습형으로 나뉘며, 이동성과 편리성, 활용성 등으로 인해 뇌전도(EEG)¹를 이용한 비침습형이 가장 일반적으로 활용됨
 

• (침습형) 전극이나 마이크로칩을 두개골과 두피에 이식해 뇌 신호를 직접 측정하는 방법
  
   - 뇌의 피질이나 내부에서 직접 신경 전달 신호를 측정하기 때문에 센서의 생체 적합성이 중요하며, 신호의 질이 뛰어나 비교적 정확한 뇌파 측정이 가능
  
   - 이에 반해 외과적 시술 부담과 뇌에 이식하는 마이크로칩의 동작 안정성, 신경세포 손상 우려 등이 진입장벽으로 작용
  
  
• (비침습형) 뇌전도, 기능성 근적외선 분광법(fNIRS)² , 기능성 자기공명영상(fMRI)³ 등을 사용해 두피 외부에서 뇌 신경 전달 신호를 측정하는 방법
  
  - 인체에 무해하고 측정이 간편하다는 장점이 있으나, 잡음이 심하고 신호의 질이 떨어져 정확한 뇌파 분석이 어렵다는 단점도 있음

○  뇌전도 방법의 BCI 동작은 자극 인식 장치를 통해 측정한 뇌파를 디지털 데이터 변환과 신호처리 과정을 거쳐 분석하여 외부 장치에 동작 명령을 내리는 단계로 진행됨

• (뇌파 측정) 머리에 부착된 외부 기기나 전극을 통해 사용자가 생각하거나 인식하는 등의 뇌활동으로 발생하는 뇌파를 측정
  
   - 뇌에 뻗어 있는 수천만에서 수만 개의 뉴런이 활성화되며 발생하는 뇌파를 외부 장치를 통해 측정하여 수집한 아날로그 신호를 컴퓨터가 해석할 수 있는 디지털 신호로 변환
  
  
• (신호 처리 및 특징 추출) 측정 장치를 통해 수집한 뇌파에서 잡음을 제거하고 종류별로 분류하여 정보를 추출
   
  - 인식률을 높이기 위해 측정 장치로 수집한 뇌파 데이터를 변환하고, 사용자 의도나 상태를 예측하는 데 사용될 수 있는 정보를 추출
  
  
• (명령 출력) 최종적으로 출력된 정보가 로봇 팔, 컴퓨터, 헬스케어 기기 등 외부 기기를 제어할 수 있는 명령어로 바뀌어 사용됨
   
  - 컴퓨터 화면의 커서를 움직이거나 전자 장치를 켜거나 끄는 등 출력된 신호가 여러 장치에 응용됨

○ BCI 구현에 활용되는 뇌파의 특징은 특정 뇌파 출현을 유도하는 뇌파 유도 방식과 뇌파를 분석해 사용자 의도를 외부 기기에 전달하는 뇌파 인식 방식으로 나뉨
 

• (뇌파 유도 방식) 특정 뇌파를 생성하기 위해 훈련이 필요하며, 사전에 약속된 특정 뇌파 신호를 해당 패턴에 대응하는 구동 명령으로 전환해 외부 기기와 소통
  
  
• (뇌파 인식 방식) 특정 뇌파를 생성하는 훈련을 거치지 않고 사용할 수 있어 보다 직관적이고 신속한 방법으로 인식됨