KR20190111570A - A system of detecting epileptic seizure waveform based on coefficient in multi-frequency bands from electroencephalogram signals, using feature extraction method with probabilistic model and machine learning - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 뇌전증(간질)에 의한 뇌전도 신호의 발작파를 모니터링하기 위하여, 뇌전도 측정 장치로부터 획득되어지는 뇌전도 신호를 기반으로 효율적인 특징추출방법과 최적의 기계학습, 혹은 확률모델을 이용하여, 자동으로 간질 발작파를 검출하고 진단하는, 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 관한 것이다.The present invention uses an efficient feature extraction method, an optimal machine learning or a probability model based on the electroencephalogram signal obtained from the electroencephalogram measurement device to monitor the seizure wave of the electroencephalogram signal due to epilepsy (epilepsy). The present invention relates to a multi-frequency band coefficient-based epileptic seizure detection system for detecting and diagnosing epileptic seizure waves.
또한, 본 발명은 뇌전도 신호의 발작파를 모니터링하여, 발작 시점 및 발작 횟수에 대한 뇌전증 환자의 정보를 제공하고, 실시간으로 발작파를 검출하는, 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 관한 것이다.In addition, the present invention monitors the seizure wave of the electroencephalogram signal, provides epilepsy patient information on the timing and number of seizures, and detects seizure waves in real time, multi-frequency band coefficient based epilepsy seizure detection It's about the system.
뇌전증은 전 세계 인구의 약 1-2%가 겪고 있는 질병으로, 뇌전증에 의한 발작은 예측이 불가능하고, 일상생활에서 관리하는데 큰 어려움이 따른다. 특히, 뇌전증 환자 중, 산소 호흡기를 착용하거나, 혹은 약물을 투여 중인 중증환자의 경우, 뇌전증에 의한 발작(이하, 간질 발작이라 지칭한다)이 일어나면, 통제하기가 힘들다. 또한, 이로 인해 치명적인 피해를 입을 수 있으므로, 간질 발작를 검출하거나 예측하는 시스템이 필요하다.Epilepsy is a disease that affects about 1-2% of the world's population. Seizures caused by epilepsy are unpredictable and have great difficulty managing in everyday life. In particular, in epilepsy patients, when wearing an oxygen respirator or a serious patient receiving medication, seizures due to epilepsy (hereinafter referred to as epileptic seizures) are difficult to control. In addition, this can be catastrophic, requiring a system for detecting or predicting epileptic seizures.
특히, 간질 발작은 뇌전도, 환자의 과거 병력, 갑작스러운 기절 등에 의해, 환자가 스스로 자각하는 방법을 이용하여 역추적하여 진단되고 있다. 뇌전증이 의심되는 경우, 임상의나 전문의는 장시간 뇌전도 신호를 기록하여 발작 시점 및 횟수 등을 확인함으로써, 수동적으로 확인할 수 있다. 이러한 뇌전도 신호를 이용한 뇌전증 진단 방법은 많은 시간과 인력이 요구된다. 따라서 검사의 유용성에도 불구하고 많은 병원에서 보편적으로 사용되기에 제한이 있다.In particular, epileptic seizures are diagnosed by backtracking using a method of self-awareness by a patient due to an electroencephalogram, a history of the patient, a sudden faint, or the like. If epilepsy is suspected, the clinician or specialist can confirm manually by recording the long-term EEG signal and confirming the time and number of seizures. Epilepsy diagnosis method using such an electroencephalogram requires a lot of time and manpower. Thus, despite the usefulness of the test, there is a limit to its universal use in many hospitals.
따라서, 장시간 뇌전도 신호를 이용한 뇌전증 진단 방법을 위해, 자동 발작파 검출을 위한 종래 기술들이 많이 소개되고 있다[특허문헌 1, 2].Therefore, many conventional techniques for detecting seizure waves have been introduced for epilepsy diagnosis methods using long-time electroencephalogram signals [
종래의 기술들에 따르면, 발작파 모니터링을 위해 적용되는 특징추출방법과 검출 분류 기법은 자동 발작파 검출 시스템의 정확도를 향상시키고, 시스템의 효율성을 증대시킬 수 있다. 또한, 뇌전도 신호를 분할하여 사용하는데 필요한 윈도우 크기는, 검출 정확도와 검출 속도에 중요한 요소 중 하나이며, 윈도우 크기에 따라 간질 발작 검출 시스템의 성능이 달라질 수 있다. According to the conventional techniques, the feature extraction method and detection classification technique applied for seizure wave monitoring can improve the accuracy of the seizure detection system and increase the efficiency of the system. In addition, the window size required for dividing and using the EEG signal is one of important factors for the detection accuracy and the detection speed, and the performance of the epileptic seizure detection system may vary depending on the window size.
특허 문헌 1에 기재된 종래 기술은, 뇌전도 신호 기반 간질발작을 예측하는 알고리즘에 있어서, 간질 발작 발생 이전에 간질발작을 미리 예측하는 방법을 제공한다. 상기 종래 기술에 따른 간질발작 예측 방법은 간질 발작이 일어나기 전에 미리 그 발작의 발생을 예측함으로써 의료 시스템이나 헬스케어 시스템에 실질적으로 적용되는데 긍정적인 효과를 줄 수 있다.The prior art described in
그러나 이러한 종래기술에 따른 간질 발작 예측 알고리즘 방법은 실시간 예측을 고려하지 않고 있으며, 장시간 기록된 뇌전도 신호를 해석하는데 한계가 있다. 또한, 뇌전도 신호를 분할하여 사용하는, 윈도우 크기에 대해 고려하지 않고 있다.However, the epilepsy seizure prediction algorithm method according to the prior art does not consider the real-time prediction, and there is a limit in interpreting the EEG signal recorded for a long time. In addition, the window size, which is used by dividing the EEG signal, is not considered.
또한, 특허 문헌 2에 기재된 종래 기술은 이동통신 단말기를 이용한 뇌전증 환자 모니터링 기술을 제시하고 있다, 상기 종래 기술에 따른 뇌전증 환자 모니터링 시스템은 환자의 정보를 실시간으로 모니터링하고 응급 상황을 감지하고 판단한다. 그래서 신속한 조치를 취할 수 있도록 하는 점에서 헬스케어 분야에 적용할 수 있는 효과적인 시스템이다. In addition, the prior art described in
그러나 이러한 종래기술에 따른 간질 발작 모니터링 시스템은 시스템의 정확도나 효율성의 극대화를 위한 특징추출방법 및 검출 분류 모델의 최적화에 대해서는 고려하지 않고 있다.However, the epileptic seizure monitoring system according to the prior art does not consider optimization of feature extraction methods and detection classification models for maximizing the accuracy or efficiency of the system.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 사용자로부터 획득한 뇌전도 신호에서, 뇌전도 신호의 주파수 대역을 분해하여 계수를 추출하며, 반복적인 연산방법을 통해 정교한 특징값을 추출하고, 다양한 기계학습과 확률 모델을 기반으로 성능 평가를 수행하고, 이를 통해 간질 발작파를 효율적으로 모니터링 하면서 정확하고 빠르게 검출할 수 있는, 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to solve the problems described above, from the electroencephalogram signal obtained from the user, by extracting the coefficient by decomposing the frequency band of the electroencephalogram signal, extracting the sophisticated feature value through an iterative calculation method, Performance evaluation based on various machine learning and probabilistic models, through which the epilepsy seizure detection system based on the multi-frequency band coefficient of the electroencephalogram signal can be detected accurately and quickly. .
또한, 특징추출 모듈에 포함되는 주파수 대역 분해부와 특징벡터 추출부는 뇌전도를 다양한 멀티 주파수 대역으로 분해하여, 보다 정교하게 발작파를 검출해내기 위한 방법으로, 멀티 주파수 대역에서, 웨이브렛변환을 통해 웨이브렛계수를 산출해내고, 각 주파수 대역마다 웨이브렛 계수의 주파수 변동의 특성을 살려 특징값으로 추출해내며, 반복적인 연산을 통해 기존 방법보다 정확도를 개선하는 목적을 지닌 멀티 주파수 대역 계수를 이용한 특징추출방법을 포함한다. In addition, the frequency band decomposing unit and the feature vector extracting unit included in the feature extraction module decompose the electroencephalogram into various multi-frequency bands to detect seizure waves more precisely. Calculate the wavelet coefficient, extract the feature value by taking advantage of the characteristic of the frequency variation of the wavelet coefficient for each frequency band, and use the multi-frequency band coefficient with the aim of improving the accuracy than the conventional method through iterative operation. Extraction method is included.
또한, 분류모듈에 포함되는 발작파 검출부에는 기계학습 및 확률모델을 기반으로 발작파, 발작파 시점, 발작파 횟수, 휴지기-발작간기-발작기 등을 예측 및 검출해낼 수 있도록, 다양한 기계학습 방법과 확률모델을 선택적, 적응적으로 결정할 수 있다. In addition, the seizure wave detection unit included in the classification module includes various machine learning methods for predicting and detecting seizure waves, seizure wave timings, seizure wave counts, pause-intermediate seizure units, etc. based on machine learning and probability models. And probabilistic models can be selectively and adaptively determined.
또한, 출력모듈에 포함되는 발작파 검출 시점 및 횟수 출력부는, 사용자 및 의사가 환자의 일상생활에서, 장시간 측정된 뇌전도 신호를 보다 효율적이고 빠르게 분석하고 관찰하기 위한 출력 방법으로, 기록된 결과를 기반으로 발작파 시점 및 횟수를 제공받을 수 있으며, 또한, 실시간 발작파 결과부에서는 사용자나 의사가 환자의 현재 상태에 따른 실시간 발작파 검출에 대한 정보를 제공받을 수 있다.In addition, the seizure wave detection time and frequency output unit included in the output module is an output method for the user and doctor to analyze and observe the EEG signals measured for a long time in the daily life of the patient more efficiently and based on the recorded results. The seizure wave time and the number of times may be provided, and in addition, the real-time seizure wave result unit may receive information on real-time seizure wave detection according to the current state of the patient.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 관한 것으로서, 뇌전도 신호를 입력받는 뇌전도 입력부; 상기 뇌전도 신호에 대하여 노이즈를 제거하고 분할하는 신호 전처리부; 분할된 뇌전도 신호에 대하여 주파수 대역을 다수로 분해하여 대역별 신호계수를 추출하고, 추출된 대역별 신호계수를 이용하여 대역별 특징을 추출하여 특징벡터를 생성하는 특징추출부; 뇌전도 신호의 트레이닝 데이터를 이용하여 코드북을 생성하되, 트레이닝 데이터의 특징벡터의 각 대역과 발작상태의 종류에 따라 클러스터링하여 군집을 생성하고, 각 군집 마다 인덱스를 부여하여 코드북을 생성하는 코드북 생성부; 뇌전도 신호의 트레이닝 데이터를 이용하여 기계학습에 의한 분류모델을 적어도 1개를 생성하고, 생성된 코드북을 이용하는 확률에 의한 분류모델을 적어도 1개를 생성하는 분류모델 생성부; 및, 상기 적어도 1개의 기계학습에 의한 분류모델과, 상기 적어도 1개의 확률에 의한 분류모델을 이용하여, 입력되는 뇌전도 신호에 대하여 발작상태를 분류하는 분류부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, EEG input unit for receiving an electroencephalogram signal; A signal preprocessor for removing and dividing noise with respect to the electroencephalogram signal; A feature extractor for extracting a signal coefficient for each band by decomposing a plurality of frequency bands for the divided EEG signals, and extracting a feature for each band using the extracted band-specific signal coefficients; A codebook generator for generating a codebook using training data of an electroencephalogram signal, clustering according to each band of the feature vector of the training data and the type of seizure state, and generating a codebook by assigning an index to each cluster; A classification model generator for generating at least one classification model by machine learning using training data of an electroencephalogram signal, and generating at least one classification model by probability using the generated codebook; And a classification unit classifying the seizure state with respect to the input EEG signal by using the classification model by the at least one machine learning and the classification model by the at least one probability.
또, 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 있어서, 상기 특징추출부는, 뇌전도 신호에 이산웨이브릿변환을 적용하여 다수의 주파수 대역으로 분해하고, 각 대역별로 레벨에 따른 임계치를 생성하여 상기 레벨별 임계치 이상인 대역별 신호계수를 카운팅하고, 레벨이 사전에 정해진 특정 레벨에 만족하는지를 판단하여, 만족하지 않으면 레벨을 1을 증가시키고 레벨별 임계치를 생성하여 카운팅하는 것을 반복하고, 레벨이 특정 레벨에 만족하면, 모든 레벨의 카운팅 값들의 변화율을 산출하여 각 대역의 대역별 특징을 추출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, wherein the feature extractor, by applying a discrete wavelet transform to the electroencephalogram signal is decomposed into a plurality of frequency bands, according to the level for each band Generate a threshold to count signal coefficients for each band that is greater than the threshold for each level, and determine whether the level satisfies a predetermined specific level.If not, increase the level by 1 and generate and count the threshold for each level. When the level satisfies a specific level, the rate of change of counting values of all levels is calculated to extract features of each band.
또, 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 있어서, 상기 레벨별 임계치를 다음 [수식 1]에 의해 산출하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is characterized in that in the multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, the threshold for each level is calculated by the following [Equation 1].
[수식 1][Equation 1]
단, t는 레벨을 의미하고, γ0는 사전에 정해진 초기 임계치이고, L은 특정 레벨을 나타냄.T denotes a level, γ 0 is a predetermined initial threshold, and L denotes a specific level.
또, 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 있어서, 모든 레벨의 카운팅 값들을 회귀분석하여 기울기 또는 변화율을 산출하고 산출된 기울기 또는 변화율을 각 대역의 대역별 특징을 설정하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention, in the multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, regression analysis of counting values of all levels to calculate the slope or rate of change and set the calculated slope or rate of change for each band of the band Characterized in that.
또, 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 있어서, 상기 기계학습에 의한 분류모델은 SVM(Support vector machine), LDA(Linear discriminant analysis), QDA(Quadratic discriminant analysis), K-NN(K-nearest neighbor), K-means 중 어느 하나를 사용하고, 상기 확률에 의한 분류모델은 은닉 마르코프 모델(HMM, Hidden Markov model)을 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, the classification model by the machine learning is SVM (Support vector machine), LDA (Linear discriminant analysis), QDA (Quadratic discriminant analysis), Any one of K-NN (K-nearest neighbor) and K-means is used, and the classification model based on the probability is characterized by using a Hidden Markov model (HMM).
또, 본 발명은 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 있어서, 상기 시스템은 입력되는 뇌전도 신호에 대한 발작상태의 검출 결과를 출력 또는 기록하거나, 발작상태의 검출시점과 검출 횟수를 제공하는 결과제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the present invention is a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal, the system outputs or records the detection result of the seizure state with respect to the input electroencephalogram signal, or the detection time and the frequency of detection of the seizure state It further comprises a result providing unit for providing.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 의하면, 장시간 기록된 뇌전도 신호를 분석 및 해석하는데, 물리적인 시간과 인력에 따른 문제를 해소시킬 수 있으며, 기존 기술 보다 빠르고 정확하게 검출할 수 있고, 이를 통해 보다 효율적인 발작파 모니터링 시스템을 제공할 수 있는 효과가 얻어진다.As described above, according to the multi-frequency band coefficient-based epileptic seizure detection system of the electroencephalogram signal according to the present invention, it is possible to solve the problem of physical time and manpower in analyzing and interpreting the electroencephalogram signal recorded for a long time, It is possible to detect faster and more accurately than the existing technology, and the effect is to provide a more efficient seizure monitoring system.
또한, 본 발명에 따른 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템에 의하면, 간질 발작파의 발생 시점 및 발생 횟수, 검출결과를 출력하는 기능을 제공함으로써, 전문의, 보호자, 환자 등에게 환자의 건강관리 시스템으로 제공할 수 있고, 이를 통해, 발작 예방, 치료 방법, 응급 처치 방법 등에 효과적인 정보로서 지원할 수 있는 효과가 얻어진다.In addition, according to the multi-frequency band coefficient-based epileptic seizure detection system of the electroencephalogram signal according to the present invention, by providing a function of outputting the timing and frequency of occurrence of the epileptic seizure wave, the detection result, to a specialist, guardian, patient, etc. It can be provided to the patient's health care system, through which the effect that can support effective information, such as seizure prevention, treatment methods, first aid methods and the like is obtained.
도 1은 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 정상인의 뇌전도 신호 출력에 대한 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌전증 환자의 뇌전도 신호 출력에 대한 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 주파수 대역 분해를 위해 사용되는 모웨이브렛 함수들로서, (a) Daubechies 3차 함수, (b) Daubechies 4차 함수, (c) Coiflet 3차 함수, (d) Coiflet 4차 함수, (e) Symlet 4차 함수를 나타내고, (f)는 발작파 일부분을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 특징추출 방법을 설명하는 흐름도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 (a) 정상인과 (b) 뇌전증 환자의 뇌전도 신호를 이산웨이브렛변환을 이용하여 주파수 대역을 분해한 결과를 예시한 그래프.1 is a block diagram of a configuration of an entire system for implementing the present invention.
Figure 2 is a block diagram of the configuration of a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of the electroencephalogram signal according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a graph of the EEG signal output of a normal person according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph of the electroencephalogram signal output of epilepsy patients according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows MoWavelet functions used for frequency band decomposition according to an embodiment of the present invention, (a) Daubechies third-order function, (b) Daubechies fourth-order function, (c) Coiflet third-order function, (d ) Coiflet fourth-order function, (e) Symlet fourth-order function, (f) is a graph showing a part of the seizure wave.
6 is a flowchart illustrating a feature extraction method according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph illustrating a result of decomposing a frequency band using a discrete wavelet transform of an electroencephalogram signal of (a) a normal person and (b) an epilepsy patient according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, specific contents for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In addition, in describing this invention, the same code | symbol is attached | subjected and the repeated description is abbreviate | omitted.
먼저, 본 발명을 실시하기 위한 전체 시스템의 구성의 예들에 대하여 도 1을 참조하여 설명한다.First, examples of the configuration of the entire system for implementing the present invention will be described with reference to FIG.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템 또는 방법은 뇌전도 측정장치(10)에서 측정된 뇌전도 신호(80)를 입력받아 간질 발작파를 검출하는 컴퓨터 단말(20) 상의 프로그램 시스템으로 실시될 수 있다. 즉, 상기 간질 발작파 방법 또는 시스템은 프로그램으로 구성되어 컴퓨터 단말(20)에 설치되어 실행될 수 있다. 컴퓨터 단말(20)에 설치된 프로그램은 하나의 프로그램 시스템(30)과 같이 동작할 수 있다.As shown in FIG. 1, a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system or method of an electroencephalogram signal according to the present invention receives an
이때, 뇌전도 신호(80)는 뇌전도를 측정한 신호로서, 뇌전도 파형(waveform)에 대한 디지털 신호이다.At this time, the
한편, 다른 실시예로서, 상기 간질 발작파 검출 시스템은 프로그램으로 구성되어 범용 컴퓨터에서 동작하는 것 외에 ASIC(주문형 반도체) 등 하나의 전자회로로 구성되어 실시될 수 있다. 또는 뇌전도 신호를 입력받아 간질 발작파를 검출하는 작업만을 전용으로 처리하는 전용 단말(30)이나 전용 장치(30)로 개발될 수도 있다. 이를 간질 발작파 검출 시스템이라 부르기로 한다. 그 외 가능한 다른 형태도 실시될 수 있다.On the other hand, as another embodiment, the epileptic seizure wave detection system may be implemented as a program and operate in a general-purpose computer, in addition to an electronic circuit such as an ASIC (custom semiconductor). Alternatively, the present invention may be developed as a
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템의 구성에 대하여 도 2를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, a configuration of a multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system of an electroencephalogram signal according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG. 2.
도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 간질 발작파 검출 시스템(30)은 뇌전도 측정장치(10)에서 측정된 뇌전도 신호(80)를 입력받는 뇌전도 입력부(31), 뇌전도 신호(80)에 대하여 노이즈를 제거하고 신호 데이터를 분할하는 신호 전처리부(32), 주파수 대역을 분해하여 신호계수를 추출하고 이로부터 특징을 추출하는 특징추출부(33), 특징벡터를 클러스터링하여 각 군집마다 인덱스를 부여하는 코드북 생성부(34), 기계학습 또는 확률에 의한 분류모델을 생성하는 분류모델 생성부(35), 및, 특징벡터로 발작파 검출 여부를 분류하는 분류부(36)로 구성된다. 추가적으로, 검출된 결과를 출력/기록하거나 분석하는 결과제공부(37)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 데이터를 저장하는 저장부(38)를 더 포함하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 2, the epileptic seizure
먼저, 뇌전도 입력부(31)는 뇌전도 측정장치(10)에서 측정된 뇌전도 신호를 입력받는다.First, the
뇌전도 신호는 뇌전도 측정장치(10)에 측정되는 신호로서, 뇌의 표면에 비침습적으로 측정되는 신호이다.The electroencephalogram signal is a signal measured by the
뇌전도 입력부(31)는 단기 또는 장기 동안 측정하여 기록된 뇌전도 신호를 일괄적으로 입력받아 저장하거나, 실시간으로 측정된 뇌전도 신호를 실시간으로 입력받을 수 있다. 즉, 뇌전도 측정장치(10)는 뇌전도 신호를 단기 또는 장기 동안 측정하여 저장하고, 뇌전도 입력부(31)가 이와 같이 저장된 장단기 뇌전도 신호를 일괄적으로 입력받을 수 있다. 또는, 뇌전도 측정장치(10)가 실시간으로 뇌전도를 측정하고, 뇌전도 입력부(31)가 실시간 측정된 뇌전도 신호를 실시간으로 입력받을 수 있다.The
도 3은 뇌전도 측정장치(10)에서 측정된 정상인의 뇌전도 신호의 그래프를 나타내고, 도 4는 뇌전도 측정장치(10)에서 측정된 뇌전증 환자의 뇌전도 신호의 그래프를 나타낸다.3 shows a graph of an EEG signal of a normal person measured by the
한편, 뇌전도 측정장치(10)는 뇌의 표면에서 비침습적으로 뇌전도를 측정하는 비침습적인 방법을 이용하여 뇌전도 신호를 측정한다.On the other hand, the
또한, 뇌전도 측정장치(10)는 복수의 채널로 구성된 뇌전도 신호 센서를 포함할 수 있다. 복수의 뇌전도 신호 센서는 뇌전도 신호 측정을 위한 국제 표준법에 따라 사용자의 머리 표면에 개별적으로 부착되며, 사용하는 목적에 따라 부착의 위치 및 전극 개수가 달라질 수 있다.In addition, the
뇌전도 기록을 위한 전극 배치 방법은, 국제 뇌과학회연합표준배치법인 10-20 시스템에 따라 전두부, 중신부, 두정부, 후두부, 측두부 등에 부착될 수 있으며, 전극의 접지로 양 이개(Ear lobe)를 포함할 수 있다. 또한, 부가적인 생체 정보를 획득하기 위해 안구전도(EOG, electrooculogram)와 심전도(ECG, electrocardiogram), 근전도(EMG, electromygoram)를 포함할 수 있다. Electrode placement method for electroencephalogram recording can be attached to the frontal head, central body, head, laryngeal head, temporal head, etc. according to 10-20 system of the International Association of Brain Science Standards. It may include. In addition, in order to acquire additional biometric information, the eye may include an eye electrocardiogram (EOG), an electrocardiogram (ECG), and an electromygoram (EMG).
다음으로, 신호 전처리부(32)는 뇌전도 신호에 대하여 노이즈를 제거하고 신호 데이터를 분할한다.Next, the
즉, 신호 전처리부(32)는 상기 뇌전도 신호에 신호 필터를 적용함으로써, 뇌전도 신호에서 전원 노이즈나 움직임에 의한 노이즈를 제거한다. 사용되는 신호 필터는 로우패스필터, 하이패스필터, 밴드패스 필터, 노치필터 등을 포함한다.That is, the
또한, 신호처리부(32)는 사전에 정해지는 윈도우 크기에 따라 뇌전도 신호의 데이터를 분할한다. 즉, 뇌전도 신호는 연속적인 신호 파형이므로, 분석을 위해 이를 윈도우 크기로 일정한 크기로 분할한다.In addition, the
분할된 뇌전도 신호는 특징추출부(33)에 의해 주파수 대역이 분해되고 이로부터 특징벡터가 생성된다. 즉, 뇌전도 신호는 연속된 신호이고, 이를 분할하면 다수의 연속된 분할 뇌전도 신호가 생성된다. 예를 들어, S1, S2, ..., Sn 등 분할된 신호가 생성되는데, 각 분할된 신호에 대하여 특징벡터가 추출된다.The divided EEG signal is decomposed in the frequency band by the
다음으로, 특징추출부(33)는 분할된 뇌전도 신호에 대하여 주파수 대역을 분해하여 분해된 대역의 대역별 신호계수를 추출하고, 추출된 대역별 신호계수를 이용하여 특징을 추출한다. 특히, 특징추출부(33)는 뇌전도 신호를 다수의 레벨로 특징을 추출하고, 이들 레벨별 특징들로부터 특징벡터를 생성한다.Next, the
먼저, 특징추출부(33)는 다양한 주파수 대역을 해석하기 위하여, 뇌전도 신호의 주파수 대역을 분해한다.First, the
바람직하게는, 특징추출부(33)는 분할된 뇌전도 신호에 이산웨이브렛변환(DWT, Discrete wavelet transform)을 적용하여, 상기 뇌전도 신호를 여러 개의 주파수 대역으로 분해한다. 이산웨이브렛변환을 사용한 뇌전도 신호의 분석에서 분해 레벨과 적절한 모웨이브렛 함수(Mother wavelet function)를 선택하는 것이 상당히 중요하다. Preferably, the
도 5에 도시한 바와 같이, 주파수 대역 분해를 위해 사용하는 모웨이브렛 함수는 도브쉬(Daubechies), 코이플레트(Coiflet), 심레트(Symlet), 하르(Haar) 등의 웨이브렛 함수를 포함한다. 또한, 그것의 분해능에 따른 차수를 선택할 수 있다.As shown in FIG. 5, the MoWavelet function used for frequency band decomposition includes wavelet functions such as Dobechies, Coiflet, Symlet, and Harar. do. Also, the order according to its resolution can be selected.
도 5를 참조하면, 도 5(f)는 간질 발작파를 나타내는 뇌전도 신호의 일부분의 그래프이다. 그리고 도 5(f)의 뇌전도 신호와 도 5(a)-(e)까지 예시로 들은 다양한 모웨이브렛 함수와의 상관성(correlation)을 확인하여, 사용할 모웨이브렛 함수를 선택할 수 있다. 특히, 도 5에서, (a) Daubechies 3차 함수, (b) Daubechies 4차 함수, (c) Coiflet 3차 함수, (d) Coiflet 4차 함수, (e) Symlet 4차 함수를 나타내고 있다.Referring to FIG. 5, FIG. 5 (f) is a graph of a portion of an electroencephalogram signal representing an epileptic seizure wave. In addition, by checking the correlation between the electroencephalogram signal of FIG. 5 (f) and various Mowaveret functions, which have been exemplified to FIGS. 5 (a)-(e), a mowaveret function to be used may be selected. In particular, in Figure 5, (a) Daubechies cubic function, (b) Daubechies cubic function, (c) Coiflet cubic function, (d) Coiflet cubic function, (e) Symlet quaternary function.
특징추출부(33)는 모웨이브렛 함수를 이용하여 뇌전도 신호의 주파수 대역을 분해하여 상세계수와 근사계수를 추출한다.The
또한, 특징추출부(33)는 추출된 대역별 신호계수에 대한 대역별 특징을 추출한다. 즉, 분해된 대역의 개수가 K이면, K개의 각 대역의 신호계수들로부터 각각 특징(대역별 특징)을 추출한다. 따라서 K개의 대역별 특징들이 추출되고, 이들 K개의 특징들로 구성된 특징벡터를 생성한다.In addition, the
특히, 특징추출부(33)는 주어진 n개의 뇌전도 신호들로부터 웨이브렛 계수를 추출하고, 추출된 웨이브렛 계수를 이용하여 반복적인 연산을 수행하여 특징벡터를 추출한다.In particular, the
특징추출부(33)에 의해 수행되는 구체적인 방법은 이하에서 설명될 것이다.The specific method performed by the
다음으로, 코드북 생성부(34)는 트레이닝 데이터(학습 데이터)의 특징벡터를 클러스터링하여 각 군집마다 인덱스를 부여한다.Next, the
코드북은 확률모델기반의 분류모델을 위해 사용된다.Codebooks are used for classification models based on probability models.
트레이닝 데이터는 뇌전도 신호와 그 결과(간질 발작 상태)에 대한 데이터이다. 트레이닝 데이터의 뇌전도 신호의 특징벡터를 그 결과에 따라 클러스터링을 수행한다. 클러스터링은 유사한 값을 지닌 특징값들을 서로 군집화 하는 것을 말하며, 이 군집된 그룹에 번호(인덱스)를 부여하여, 코드북을 생성한다.Training data is data on the electroencephalogram signal and its consequences (epileptic seizure status). The feature vectors of the EEG signals of the training data are clustered according to the result. Clustering refers to clustering feature values having similar values with each other, and assigning a number (index) to the group to generate a codebook.
즉, 코드북 생성부(34)는 트레이닝 데이터의 특징벡터의 각 대역과 발작상태의 종류에 따라 클러스터링하여 군집을 생성하고, 각 군집마다 인덱스를 부여 코드북을 생성한다.That is, the
다음으로, 분류모델 생성부(35)는 간질 발작파를 검출하기 위한 분류모델을 학습하여 생성한다. 즉, 분류모델 생성부(35)는 발작파를 검출하고 발작간기/발작기를 분류하기 위한 분류모델을 생성한다. 이때, 분류모델은 기계학습에 의한 분류모델과 확률에 의한 분류모델을 모두 포함한다.Next, the
기계학습이라 함은, 학습 단계에서 획득한 데이터를 이용하여 정보를 학습하고, 학습된 정보를 효율적으로 사용하기 위해, 작업을 반복적으로 수행함으로써 결과를 얻어내는 기술의 개선 과정이다. 기계학습에 의한 분류모델 또는 분류기는 SVM(Support vector machine), LDA(Linear discriminant analysis), QDA(Quadratic discriminant analysis), K-NN(K-nearest neighbor), K-means 등의 방법이 존재한다. 본 발명은 적어도 하나 이상의 기계학습 방법을 포함한다.Machine learning is a process of improving technology that obtains results by repeatedly performing tasks in order to learn information using data acquired in the learning stage and to efficiently use the learned information. The classification model or classifier by machine learning includes methods such as support vector machine (SVM), linear discriminant analysis (LDA), quadratic discriminant analysis (QDA), K-nearest neighbor (K-NN), and K-means. The present invention includes at least one machine learning method.
기계학습에 의한 분류모델은 트레이닝 데이터에 의해 학습된다. 앞서 설명한 바와 같이, 트레이닝 데이터는 뇌전도 신호와 그 결과(간질 발작 상태)에 대한 데이터이다. 기계학습의 트레이닝 데이터와, 앞서 코딩북 생성시의 트레이닝 데이터는 동일할 수 있다.The classification model by machine learning is learned by training data. As described above, the training data is data on the electroencephalogram signal and its result (epilepsy seizure state). The training data of the machine learning and the training data at the time of generating the coding book may be the same.
한편, 분할된 뇌전도 신호를 이용하여 트레이닝을 한다. 즉, 분류 학습을 위한 트레이닝 데이터로서, 다수의 연속된 분할 뇌전도 신호가 100개가 생성되면, 특징벡터는 100 × K (K = 분할되는 주파수 대역의 분할 수준, 만일 5차 수준으로 웨이브렛 변환 시, 5개의 주파수 대역으로 분할된다)로 생성된다. 이후에 분류학습을 위한 테스트 데이터로, 다수의 연속된 분할 뇌전도 신호가 100개가 생성되면, 이전 분류학습 단계와 동일하게, 100 × K 만큼의 특징 값이 산출되며, 트레이닝과 테스트 데이터의 특징 값을 이용하여 최종 분류를 하게 된다.On the other hand, training is performed using the divided EEG signals. That is, as training data for classification learning, if 100 consecutively divided EEG signals are generated, the feature vector is 100 × K (K = a split level of the frequency band to be divided, if the wavelet is transformed to the fifth order level, Divided into five frequency bands). Later, as test data for classification learning, if 100 consecutively divided EEG signals are generated, as in the previous classification learning step, feature values of 100 × K are calculated, and feature values of training and test data are calculated. The final classification.
또한, 확률에 의한 분류모델(또는 확률모델)이라 함은, 우연하게 생성되는 현상을 수식화한 것으로, 통계적인 확률 분포에 따라 새로 입력되는 데이터를 학습시키는 모델이다, 바람직하게는, HMM(Hidden Markov model) 등 적어도 한 개 이상의 확률모델을 포함한다.In addition, a classification model (or a probability model) based on probability is a model in which a phenomenon generated by chance is formulated and a new input data is trained according to a statistical probability distribution. Preferably, HMM (Hidden Markov) and at least one or more probabilistic models.
한편, 분류모델 생성부(35)는 기계학습 및 확률모델 생성에서 검출해낸 발작파, 발작시점, 발작 횟수 등의 정확도, 정밀도, 특이도 등을 평가할 수 있다. 이를 통해 생성된 다수의 분류모델(또는 분류기) 중 최적의 분류모델을 선택할 수 있다.On the other hand, the
만일, A라는 분류기를 이용하여 학습된 데이터를 기반으로 입력된 테스트 데이터로 분류 정확도를 산출했을 때, A 분류기에 대한 검출 정확도와, 같은 방법으로 B라는 분류기를 사용했을 때의 검출 정확도, 또한, 이외에 다른 분류기를 사용했을 때의 정확도를 모두 산출한 후, 가장 높은 정확도를 보이는 분류기를 선택하여 사용한다. 이는, 사용하는 대상마다, 발작파의 종류마다, 발작파를 검출하는 내용에 따라 적합한 분류기를 사용하는 것이 중요하다. 따라서, 사용자의 뇌전도 신호를 기반으로 트레이닝 데이터를 획득하여 다양한 기계학습 및 확률모델 기법으로 미리 학습을 시킨 뒤, 오프라인 혹은 온라인 (실시간)에서 획득되어지는 테스트 데이터로 발작 시점, 발작 횟수, 발작 여부, 발작파 예측을 시행하게 된다.If the classification accuracy is calculated from the test data input based on the learned data using the classifier A, the detection accuracy of the classifier A is the same as the detection accuracy when the classifier B is used in the same manner. After calculating all the accuracy of using other classifier, select the classifier with the highest accuracy. It is important to use a classifier suitable for each object to be used and for each type of seizure wave according to the content of detecting the seizure wave. Therefore, the training data is acquired based on the electroencephalogram signal of the user and pre-learned by various machine learning and probability model techniques, and the test data obtained offline or online (real time) can be used to capture seizure timing, seizure frequency, seizure status, Seizure prediction is to be made.
다음으로, 분류부(36)는 특징벡터와 코드북을 이용하여, 다양한 기계학습, 확률 기반의 분류모델을 이용하여 간질 발작파를 검출한다.Next, the
바람직하게는, 사용되는 분류모델은 기계학습의 분류모델과 확률에 의한 분류모델을 적어도 한 개 이상을 포함할 수 있다.Preferably, the classification model used may include at least one classification model of machine learning and a classification model based on probability.
본 발명에 따르면, 기계학습에 의한 분류모델 및 확률에 의한 분류모델 등 두 가지의 방법을 사용하는 이유는 다음과 같다. 단순히 뇌전도 신호의 배경파와 다르게 이상적인 징후를 나타내는 발작파를 검출해내는 이진분류는 기계학습이 더 효율적이며, 시간영역에 따라 발작 휴지기, 발작 간기, 발작파가 순차적으로 발생할 때 이를 시계열에 따른 예측 및 검출에는 확률 모델이 더 유리하기 때문이다.According to the present invention, the reason for using two methods, the classification model by machine learning and the classification model by probability, is as follows. Binary classification, which detects seizure waves that show ideal signs unlike background waves of EEG signals, is more efficient in machine learning and predicts time-dependent predictions of seizure pauses, seizure intervals, and seizure waves over time. Probability models are more advantageous for detection.
따라서, 본 발명에서는 기계학습 및 확률 방식의 분류모델을 선택적으로, 적응적으로 택하여 사용할 수 있다.Therefore, in the present invention, a classification model of machine learning and probability method can be selectively and adaptively used.
본 발명에서 제공되는 결과는, 발작 시점, 발작 횟수, 실시간 발작 예측이 있다. 여기서 발작 시점이나 횟수는 장시간 뇌전도 신호를 기록한 후, 오프라인 상태에서 발작파를 검출해내는 것이기 때문에 기계학습 방법을 사용할 수 있다. 반면에 실시간 발작 예측은 이전에 기록된 기존의 신호를 학습시킨 뒤, 실시간으로 입력되는 뇌전도 신호의 발작파를 예측하는 용도로 확률모델을 사용한다. 확률모델은 이전 상태, 현재 상태, 다음 상태를 예측하는 모델이므로, 실시간으로 입력되는 뇌전도 신호는 휴지기, 발작간기, 발작기의 순으로 상태가 이전됨에 따라 확률모델이 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.The results provided by the present invention include seizure timing, seizure frequency, and real-time seizure prediction. In this case, since the seizure time and the number of times are to record seizure waves after recording an EEG signal for a long time, the machine learning method can be used. On the other hand, real-time seizure prediction uses a probabilistic model for predicting seizure waves of EEG signals input in real time after learning previously recorded signals. Since the probability model is a model for predicting the previous state, the current state, and the next state, the probability model can obtain more accurate results as the EEG signals input in real time are transferred in the order of the resting period, the seizure period, and the seizure.
다음으로, 결과제공부(37)는 입력되는 뇌전도 신호에 대한 발작파 검출 결과를 출력/기록하거나 분석하여 출력한다.Next, the
특히, 뇌전도 측정장치(10)에서 뇌전도 신호를 실시간으로 측정하여 입력하면, 실시간으로 측정된 뇌전도 신호가 분류부(36)에 의해 분류된다. 결과제공부(37)는 분류부(36)의 분류 결과에 따라 실시간으로 발작파를 검출하여 그 결과를 출력한다.In particular, when the electroencephalogram signal is measured and input in real time by the
또한, 측정된 뇌전도 신호가 일괄적인 과거 측정 데이터인 경우, 결과제공부(37)는 전체 측정 데이터에 대한 발작파 검출 결과를 출력할 수 있다. 바람직하게는, 발작파 검출 시점, 검출 횟수 등 발작파 검출에 대한 기록이나 검출 통계 등을 출력할 수 있다. 또는, 최종적으로 발작파 시점 및 횟수 등의 검출 결과를 제공하여, 뇌전증을 진단해 낼 수 있다.In addition, when the measured electroencephalogram signal is a batch of past measurement data, the
또한, 결과제공부(37)는 실시간으로 발작파를 검출하여 출력하는 경우, 사용자에게 간질 발작 발생의 유무 및 정도에 대한 정보를 알람 등으로 제공할 수 있다. 특히, 알람이나 위급 상황을 보호자의 휴대폰, 가까운 의료기관, 재난관리센터 등에 전송하도록 구성될 수 있다.In addition, when the
결과제공부(37)에서 제공된 결과를 기반으로, 환자, 전문의, 보호자 등에게 뇌전증 진단 및 치료를 위한 피드백 자료로서 제공할 수 있다.Based on the results provided by the
결과제공부(37)에서 제공된 결과는 발작 시점 및 횟수를 포함할 수 있다. 즉, 장시간 기록된 뇌전도 신호에서 검출된 발작이 일어난 시점(ex. 20xx년-xx월-xx일, 오전 xx시 xx분 xx초에 발작 1회 발생), 발작 횟수(ex. 하루, 일주일, 한달 간 x회 발작)에 대한 정보를 제공할 수 있다. 전문의가 환자의 상태를 파악하고 환자에게 약물 또는 치료법을 처치하고, 그 결과로서 발작파의 검출결과를 피드백 받아서 처치된 약물 혹은 치료법을 완화 또는 강화할 수 있다.The result provided by the
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 특징추출부(34)에 의해 특징벡터를 추출하는 방법을 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, a method of extracting a feature vector by the
도 6에서 보는 바와 같이, 특징추출부(34)는 뇌전도 신호에 이산웨이브렛변환을 적용하여 주파수 대역 밴드를 분해한다(S31). 뇌전도 신호를 다수의 대역으로 분해하면, 분해된 주파수 대역마다 웨이브렛 계수(이하 대역별 웨이브릿 계수)를 가지게 된다. 이때 대역의 개수를 K라 정하기로 한다.As shown in FIG. 6, the
이때, 대역별 웨이브릿 계수를 이용하여 특징값을 구한다. 즉, 임계치를 변화시키면서 반복적으로 카운팅 값을 구하고, 구한 카운팅 값의 변화율로 특징값을 구한다. 이때 반복하는 각 과정을 레벨로 부르기로 한다. 최초의 레벨은 1로 설정하고, 1씩 증가시켜 레벨 L까지 반복한다. 즉, 임계치를 달리하여 카운팅 값을 구하는데 L회 반복한다.At this time, the feature value is obtained using the wavelet coefficient for each band. That is, the counting value is repeatedly obtained while changing the threshold value, and the feature value is obtained by the rate of change of the counting value. At this time, each process is repeated as a level. The first level is set to 1, incremented by 1, and repeated up to level L. That is, it repeats L times to obtain the counting value by changing the threshold.
이하에서 반복하는 단계들(S32~S35)을 설명한다. 이하의 각 단계들은 각 대역별 웨이브릿 계수에 대하여 각각 수행된다.Hereinafter, the repeated steps S32 to S35 will be described. Each of the following steps is performed for each wavelet coefficient for each band.
먼저, 각 레벨별 임계치를 생성한다(S32). 여기서 말하는 임계치(Threshold) γt를 구하는 식은 다음과 같다.First, a threshold for each level is generated (S32). The equation for obtaining the threshold γ t here is as follows.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, t는 계수하는 레벨을 의미하며, γ0는 초기 임계치를 의미한다.Here, t means the level of counting, and γ 0 means the initial threshold value.
바람직하게는, 초기 임계치는 주파수 대역 분해를 하여 추출한 웨이브렛계수의 최대값으로 지정하게 된다.Preferably, the initial threshold value is designated as the maximum value of the wavelet coefficient extracted by frequency band decomposition.
즉, 레벨별 임계치는, 입력되는 신호의 크기의 1/2, 1/4, 1/8, ... (1/2)t 씩 감소하여 생성된다.That is, the threshold for each level is generated by decreasing by 1/2, 1/4, 1/8, ... (1/2) t of the magnitude of the input signal.
임계치는, 입력되는 신호의 주파수 변동을 관찰하기 위한 것으로, 즉, 입력되는 신호들 중에 특정 기준점을 넘는 신호들의 개수를 계수함으로써 입력되는 신호의 주파수 변동을 시계열 축에서 분석하기 위한 것이다. 여기서 언급한 특정 기준점은 입력된 신호들 중 가장 큰 값을 기준으로 1/h 배로 지정할 수 있으며, 본 발명에서는 h를 2로 지정하여, 임계치를 1/2배씩 감소 시켰다.The threshold is for observing the frequency variation of the input signal, that is, for analyzing the frequency variation of the input signal on the time series axis by counting the number of signals exceeding a specific reference point among the input signals. The specific reference point mentioned herein may be designated as 1 / h times based on the largest value among the input signals, and in the present invention, h is designated as 2 to reduce the threshold by 1/2 times.
다음으로, 레벨별 임계치를 이용하여 대역별 신호계수를 카운팅한다(S33).Next, the signal coefficient for each band is counted using the threshold for each level (S33).
즉, 웨이브렛계수에서 레벨 별 임계치보다 큰 웨이브렛 계수의 값들을 카운팅하여 카운팅 값을 구한다. 이때, 분해된 대역 마다 신호계수를 카운팅한다.That is, a counting value is obtained by counting wavelet coefficient values larger than the threshold for each level in the wavelet coefficient. At this time, the signal coefficient is counted for each decomposed band.
한편, 카운팅한 값을 카운팅 값, δ라 지칭한다. 즉, 특정 임계치를 기준으로, 입력되는 신호의 주파수 변동에 따른 변화를 추출해내는 특징추출 방법이다. On the other hand, the counted value is referred to as the counting value, δ. That is, it is a feature extraction method for extracting a change according to a frequency variation of an input signal based on a specific threshold value.
위에서 언급한, 웨이브렛계수에서 레벨 별 임계치보다 큰 웨이브렛 계수의 값들을 카운팅하는 방법은 하기 식과 같다. 즉, 카운팅 값 (δ)을 생성하는 수식이다.As mentioned above, a method of counting the values of wavelet coefficients larger than the threshold for each level in the wavelet coefficient is as follows. That is, it is a formula for generating the counting value (δ).
[수학식 2][Equation 2]
여기서, N은 샘플 개수를 의미한다. 즉, N은 대역별 웨이브릿 계수의 개수를 의미한다. 또한, t는 레벨을 나타내고, ai는 입력된 신호(여기서는 웨이브렛계수를 의미한다), γt는 레벨 t의 임계치를 의미한다.Here, N means the number of samples. That is, N means the number of wavelet coefficients for each band. In addition, t denotes a level, a i denotes an input signal (here wavelet coefficient), and γ t denotes a threshold of the level t.
한편, 카운팅 값 δ(t)는 각 대역별로 구한다. 대역의 개수가 K개이므로, 카운팅 값은 K개가 산출된다.On the other hand, the counting value δ (t) is obtained for each band. Since the number of bands is K, K counting values are calculated.
다음으로, 레벨이 사전에 정해진 특정 레벨(또는 사전에 정해진 임계 레벨)에 만족하는지를 판단한다(S34). 특정 레벨을 만족하지 않으면, 레벨을 1을 증가시키고(S35), 카운팅하는 단계(S32 내지 S33)를 반복한다.Next, it is determined whether the level satisfies a predetermined specific level (or a predetermined threshold level) (S34). If the specific level is not satisfied, the level is increased to 1 (S35), and the steps of counting (S32 to S33) are repeated.
따라서 각 레벨 별로 카운팅 값이 추출된다. 최초 레벨에서 특정 레벨까지 모든 레벨에서 카운팅 값이 추출된다. 또한, 각 레벨에서는 대역별로 각각의 카운팅 값을 구한다.Therefore, the counting value is extracted for each level. Counting values are extracted at all levels, from the initial level to a specific level. In addition, at each level, each counting value is obtained for each band.
또한, 특정 레벨에 도달하면, 반복 구조가 종료된다. 이때, 특정 레벨은 사전에 임의로 지정할 수 있다. 특정 레벨이 L인 경우, L개의 카운팅 값이 추출된다. 그리고 각 레벨에서 K개의 대역 각각의 카운팅 값이 계산된다.In addition, when the specific level is reached, the repeating structure ends. In this case, the specific level may be arbitrarily designated in advance. If the particular level is L, L counting values are extracted. The counting value of each of the K bands at each level is calculated.
다음으로, 각 대역에 대한 모든 레벨의 카운팅 값들의 변화율(또는 기울기)을 산출한다(S36). 그리고 각 대역의 카운팅 값 변화율(또는 기울기)을 해당 대역의 특징값으로 설정하고, 각 대역의 특징값들로 특징벡터를 생성한다(S37).Next, a rate of change (or slope) of counting values of all levels for each band is calculated (S36). The counting value change rate (or slope) of each band is set as a feature value of the corresponding band, and a feature vector is generated from feature values of each band (S37).
즉, 특징 값은 레벨에 따른 카운팅한 값, δ의 변화율로 계산되어 진다. 구체적으로, k번째 대역의 신호계수들(샘플 크기 N개)에 대하여 레벨별로 카운팅하여L개의 카운팅 값을 구한다. L개의 카운팅 값들의 변화율을 구하여, 해당 변화율을 k번째 대역의 특징값으로 정한다. 바람직하게는, L개의 카운팅 값을 회귀분석하여 기울기 또는 변화율을 구한다.That is, the feature value is calculated by counting the value according to the level, the rate of change of δ. Specifically, L counting values are obtained by counting the signal coefficients (N sample sizes) of the k-th band for each level. The rate of change of the L counting values is obtained, and the rate of change is defined as a feature value of the k-th band. Preferably, the L counting values are regressed to obtain the slope or rate of change.
이와 같이 각 대역에 대하여 특징값(또는 변화율)을 구하면, 대역의 개수가 K개이므로 K개의 변화율 또는 특징값이 구해진다. K개의 변화율이 각각 특징값이고, 이들을 벡터로 표시하면 특징 벡터가 된다. 따라서 특징벡터의 크기는 대역의 개수인 K이다.In this way, when the feature value (or change rate) is obtained for each band, since the number of bands is K, K change rate or feature values are obtained. Each of the K change rates is a feature value, and these are represented by vectors to form feature vectors. Therefore, the size of the feature vector is K, the number of bands.
즉, 특징 벡터는, 주파수 대역으로 분해되어 추출되며, 각 특징 값은 레벨에 따른 카운팅한 값, δ의 변화율로 계산되어 진다.That is, the feature vectors are decomposed into frequency bands and extracted, and each feature value is calculated as a counted value corresponding to a level, a change rate of δ.
요약하면, 뇌전도 장치(10)로부터 획득한 뇌전도 신호는 n개의 분할 뇌전도 신호로 분할되어, 웨이브릿 변환을 통해 K개의 주파수 대역으로 분할된다. 각 K개의 주파수 대역에서는 각 N개의 웨이브릿 계수를 생성하게 된다. 이때, 각 K개의 주파수 대역에 해당하는 N개의 웨이브릿 계수에 대하여, 특징추출방법을 통해 K개의 각 주파수 대역에서 1개씩, 즉, 최종적으로 특징추출 알고리즘이 1회 수행될 때마다 K개만큼의 특징 벡터를 (K×1) 산출된다. 알고리즘 수행 횟수가 P씩 증가할 때마다 이 특징 벡터는 (K×P)로 생성하게 됩니다. In summary, the EEG signal obtained from the
특징벡터는 특징추출 단계에서 구하게 되는데, 각 레벨의 카운팅한 값의 변화율을 나타낸다. 즉, 레벨이 증가하면서 카운팅한 값이 선형적으로 변하게 되는데, 이러한 특징을 이용하여 특징값을 구하는 것이다. 예를 들면, 어떤 뇌전도 신호의 어떤 웨이브릿 계수가 레벨 1에서 카운팅한 값이 10, 레벨 2에서 카운팅한 값이 20, .., 레벨 5에서 카운팅한 값이 50이라면, 최종적으로 레벨 1에서 레벨 5까지 증가할 때 카운팅한 값의 변화률을 최종 특징 값으로 산출된다. The feature vector is obtained in the feature extraction step, and represents the rate of change of the counted value of each level. In other words, as the level increases, the counted value changes linearly. The feature value is obtained using this feature. For example, if any wavelet coefficient of an EEG signal is counted at
도 7은 (a) 정상인과 (b) 뇌전증 환자의 뇌전도 신호를 이산웨이브렛변환을 이용하여 주파수 대역을 분해한 결과를 예시하고 있다.FIG. 7 illustrates the results of resolving frequency bands of the electroencephalogram signals of (a) normal persons and (b) epilepsy patients using a discrete wavelet transform.
도 7에 표기된 S는 원 데이터인 뇌전도 신호이다. 또한, D는 상세계수(detail coefficient), A는 근사계수(approximately coefficient)로서, 뇌전도 신호를 웨이브릿 변환하여 얻어진 웨이브릿 계수를 의미한다. 또한, D와 A에 표기된 숫자는 웨이브릿 변환의 레벨을 의미한다. 즉, 1은 레벨 1, 2는 레벨 2, 5는 레벨 5로 분해된 주파수 대역이 레벨을 의미한다.S shown in FIG. 7 is an electroencephalogram signal that is raw data. In addition, D is a detail coefficient, A is an approximate coefficient, and means a wavelet coefficient obtained by wavelet transforming an electroencephalogram signal. In addition, the numbers in D and A represent the level of wavelet transform. That is, 1 means
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 코드북 생성부(34)의 코드 생성 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, the code generation method of the
코드북 생성부(34)는 다수의 트레이닝 데이터들을 이용한다. 트레이닝 데이터는 뇌전도 신호와, 발작 상태에 대한 결과로 구성된다. 트레이닝 데이터의 뇌전도 신호에 대하여 특징벡터를 구하여, 구한 특징벡터와, 트레이닝 데이터의 발작 상태로 클러스터링을 수행한다.The
특징벡터의 크기는 K이고, 발작상태의 종류 개수가 M이면, K×M개의 클러스터링을 생성하게 된다. 특징벡터 기반 클러스터링은 생성된 특징벡터의 특징 값들을 군집화하는 것이다. 따라서 K개의 밴드로 분해하였고 M개의 발작 상태를 분류하고자 하면, K×M개의 클러스터링을 생성하게 된다.If the size of the feature vector is K and the number of types of seizure states is M, then K × M clustering is generated. Feature vector based clustering clusters feature values of the generated feature vectors. Therefore, if K is decomposed into bands and the M seizure states are classified, K × M clustering is generated.
구체적인 예를 들자면, 앞서 6개의 주파수 대역으로 분해하였고, 발작기 및 발작 간기 상태로 발작 상태를 두 가지 상태로 분류하는 경우를 설명한다. 이때, 총 6×2인 12가지의 클래스를 클러스터링 한다. 이는 각 발작 상태별 주파수 대역 밴드에 따른 특징 값들을 클러스터링 한 결과이다.As a specific example, a case in which the seizure state is classified into two states, which has been decomposed into six frequency bands and is seizure and seizure intermittent states, will be described. At this time, 12 classes of 6x2 in total are clustered. This is a result of clustering feature values according to frequency band bands for each seizure state.
특징벡터를 기반으로 클러스터링 하여 군집 번호(index)를 생성한다. 만일, K×M개의 클러스터링이 생성되면, 1부터 K×M개까지 번호를 부여한다. 번호는 순차적으로, 임의적으로 부여된다.Clustering is performed on the basis of feature vectors to generate cluster numbers. If K × M clustering is generated, numbers are assigned from 1 to K × M. Numbers are assigned sequentially, randomly.
상기와 같이 생성된 코드북은 확률에 의한 분류모델 생성시 활용된다.The codebook generated as described above is used when generating a classification model based on probability.
즉, 확률모델을 학습시킬 때 특징벡터들을 미리 클러스터링해주어야 한다. 그 이유는, 확률모델은 기계학습 방법처럼 특징벡터들이 다차원 공간에서 확산된 상태에서 기준점을 기준으로 분류를 하는 것이 아니라, 어떤 A라는 상태에서 B라는 상태로 이전될 때, 이전되는 확률을 구하는 것이기 때문에 특징벡터 값을 그대로 사용할 수 없다.In other words, feature vectors should be clustered before training the probability model. The reason is that the probabilistic model does not classify the feature vectors based on the reference point in the state where the feature vectors are diffused in the multidimensional space, like the machine learning method. Therefore, the feature vector value cannot be used as it is.
예를 들면, 오늘 날씨가 맑으면 내일 비가 올 확률을 0.2, 오늘 날씨가 맑으면 내일 날씨가 맑을 확률이 0.8, 오늘 날씨가 비가 오면 내일 날씨가 맑을 확률이 0.1, 오늘 날씨가 비가 오면 내일 비가 올 확률이 0.9 라고 가정할 수 있다. 이 때, 어제 날씨가 비가 오고 오늘 날씨가 맑다면, 내일 날씨가 비가 올 확률을 구할 때, 이전 상태에서 현재 상태, 다음 상태로 이전될 때의 특징벡터의 실제 값이 존재하는 것이 아니라 특징벡터들의 실제 값들로 생성된 확률 데이터를 이용하여 최종 확률을 구한다. 그리고 가장 확률이 높은 상태를 검출해내는 것이 확률모델의 기본 개념이다.For example, if the weather is sunny today, the probability of rain tomorrow is 0.2, if the weather is sunny today, the probability is sunny tomorrow, if the weather is rain 0.8, the probability is sunny tomorrow. 0.9 can be assumed. At this time, if yesterday's weather rains and today's weather is clear, when the probability of tomorrow's weather rain is calculated, the actual value of the feature vectors when the state is transferred from the previous state to the current state and the next state does not exist. The final probability is obtained using the probability data generated from the actual values. And detecting the most probable state is the basic concept of probability model.
따라서, 어제 날씨가 비가 오고 오늘 날씨가 맑다면 내일 날씨가 비가 올 확률을 구할 경우, 어제 날씨가 어떠했는지만 알면 내일 날씨를 예측할 수 있다. 여기서, 어제 날씨가 비가 오는지 맑은지를 아는 방법에서 클러스터링 기법을 사용할 수 있다. 습도라는 특징값이 있다고 가정한다면, 비가 오는 날의 습도를 관찰하니, 습도가 80% 이상이고, 맑은 날은 습도가 30%미만이라는 분석결과가 나왔다. 이때, 어제 날씨에서 지속적으로 습도가 80, 81, 92, 42... 등의 값을 보이면, 이 값들을 클러스터링하게 되면 비가 오는 군집으로 모이게 된다. 이 군집의 번호를 1이라고 지정했을 때, 코드북 1이 생성되게 된다. Therefore, if yesterday's weather is rainy and today's weather is clear, if you can find the probability of tomorrow's weather, you can predict tomorrow's weather just by knowing what the weather was yesterday. Here, the clustering technique may be used in a method of knowing whether the weather is rainy or clear yesterday. Assuming that there is a characteristic value of humidity, observing the humidity of the rainy day, the analysis results that the humidity is more than 80%, the sunny day is less than 30%. At this time, if the humidity continuously shows values such as 80, 81, 92, 42, etc. in yesterday's weather, clustering these values causes the rainy clusters to gather. When this cluster is designated as 1,
바람직하게는, 코드북 생성부(34)는 휴지기, 발작 간기, 발작기 상태로 이전될 때 발작기를 예측하기 위해 은닉 마르코프 모델(HMM, Hidden Markov model)을 분류모델로 사용한다. 예를 들면, 발작 상태가 어떤 상태인지 모르는 경우에, 어떤 상태에서의 뇌전도 신호를 입력받아 특징벡터를 생성하고, 이 특징벡터를 군집화 하였더니, 코드북 K에 해당이 되었다. 그리고 이 코드북 K를 은닉 마르코프 모델(Hidden Markov model)에 입력하여 사전 확률을 기반으로 사후확률을 계산하여, 사후 확률에서 가장 높은 확률을 나타내는 휴지기 HMM, 발작간기 HMM, 발작기 HMM의 모델을 선택하여 최종적으로 휴지기, 발작간기, 발작기를 분류한다.Preferably, the
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.As mentioned above, although the invention made by this inventor was demonstrated concretely according to the said Example, this invention is not limited to the said Example and can be variously changed in the range which does not deviate from the summary.
10 : 뇌전도 측정장치 20 : 컴퓨터 단말
30 : 프로그램 시스템 80 : 뇌전도 신호
31 : 뇌전도 입력부 32 : 신호 전처리부
33 : 특징추출부 34 : 코드북 생성부
35 : 분류모델 생성부 36 : 분류부
37 : 결과제공부 38 : 저장부10: EEG measuring device 20: Computer terminal
30: program system 80: electroencephalogram signal
31: EEG input unit 32: Signal preprocessor
33: feature extraction unit 34: codebook generation unit
35: classification model generation unit 36: classification unit
37: result provider 38: storage unit
Claims (6)
뇌전도 신호를 입력받는 뇌전도 입력부;
상기 뇌전도 신호에 대하여 노이즈를 제거하고 분할하는 신호 전처리부;
분할된 뇌전도 신호에 대하여 주파수 대역을 다수로 분해하여 대역별 신호계수를 추출하고, 추출된 대역별 신호계수를 이용하여 대역별 특징을 추출하여 특징벡터를 생성하는 특징추출부;
뇌전도 신호의 트레이닝 데이터를 이용하여 코드북을 생성하되, 트레이닝 데이터의 특징벡터의 각 대역과 발작상태의 종류에 따라 클러스터링하여 군집을 생성하고, 각 군집 마다 인덱스를 부여하여 코드북을 생성하는 코드북 생성부;
뇌전도 신호의 트레이닝 데이터를 이용하여 기계학습에 의한 분류모델을 적어도 1개를 생성하고, 생성된 코드북을 이용하는 확률에 의한 분류모델을 적어도 1개를 생성하는 분류모델 생성부; 및,
상기 적어도 1개의 기계학습에 의한 분류모델과, 상기 적어도 1개의 확률에 의한 분류모델 중 적어도 1개를 이용하여, 입력되는 뇌전도 신호에 대하여 발작상태를 분류하는 분류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
In the epilepsy seizure detection system based on the multi-frequency band coefficient of the electroencephalogram signal,
An electroencephalogram input unit for receiving an electroencephalogram signal;
A signal preprocessor for removing and dividing noise with respect to the electroencephalogram signal;
A feature extractor for extracting a signal coefficient for each band by decomposing a plurality of frequency bands for the divided EEG signals, and extracting a feature for each band using the extracted band-specific signal coefficients;
A codebook generator for generating a codebook using training data of an electroencephalogram signal, clustering according to each band of the feature vector of the training data and the type of seizure state, and generating a codebook by assigning an index to each cluster;
A classification model generator for generating at least one classification model by machine learning using training data of an electroencephalogram signal, and generating at least one classification model by probability using the generated codebook; And,
An electroencephalogram signal comprising a classification unit for classifying seizure states with respect to an input electroencephalogram signal using at least one of the classification model by the at least one machine learning and the classification model by the at least one probability Multi-frequency band coefficient based epileptic seismic detection system.
상기 특징추출부는, 뇌전도 신호에 이산웨이브릿변환을 적용하여 다수의 주파수 대역으로 분해하고, 각 대역별로 레벨에 따른 임계치를 생성하여 상기 레벨별 임계치 이상인 대역별 신호계수를 카운팅하고, 레벨이 사전에 정해진 특정 레벨에 만족하는지를 판단하여, 만족하지 않으면 레벨을 1을 증가시키고 레벨별 임계치를 생성하여 카운팅하는 것을 반복하고, 레벨이 특정 레벨에 만족하면, 모든 레벨의 카운팅 값들의 변화율을 산출하여 각 대역의 대역별 특징을 추출하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
The method of claim 1,
The feature extracting unit applies a discrete wavelet transform to an electroencephalogram signal, decomposes it into a plurality of frequency bands, generates a threshold value according to a level for each band, and counts a signal coefficient for each band that is greater than or equal to the threshold value for each level, and the level is previously If it is not satisfied, it is determined whether the level is satisfied, and if it is not satisfied, the level is increased by 1 and a threshold value for each level is generated and counted, and when the level is satisfied, the rate of change of counting values of all levels is calculated to calculate each band. An interstitial seizure detection system based on multi-frequency band coefficients of an electroencephalogram signal, characterized by extracting the band-specific features.
상기 레벨별 임계치를 다음 [수식 1]에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
[수식 1]
단, t는 레벨을 의미하고, γ0는 사전에 정해진 초기 임계치이고, L은 특정 레벨을 나타냄.
The method of claim 2,
An epilepsy seizure detection system based on multi-frequency band coefficients of an electroencephalogram signal, characterized in that the threshold for each level is calculated by the following [Equation 1].
[Equation 1]
T denotes a level, γ 0 is a predetermined initial threshold, and L denotes a specific level.
모든 레벨의 카운팅 값들을 회귀분석하여 기울기 또는 변화율을 산출하고 산출된 기울기 또는 변화율을 각 대역의 대역별 특징을 설정하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
The method of claim 2,
A multi-frequency band coefficient-based epileptic seizure detection system of an electroencephalogram signal, characterized by regression analysis of counting values of all levels to calculate a slope or rate of change and to set the calculated slope or rate of change for each band of each band.
상기 기계학습에 의한 분류모델은 SVM(Support vector machine), LDA(Linear discriminant analysis), QDA(Quadratic discriminant analysis), K-NN(K-nearest neighbor), K-means 중 어느 하나를 사용하고, 상기 확률에 의한 분류모델은 은닉 마르코프 모델(HMM, Hidden Markov model)을 사용하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
The method of claim 1,
The classification model by machine learning uses any one of a support vector machine (SVM), linear discriminant analysis (LDA), quadratic discriminant analysis (QDA), K-nearest neighbor (K-NN), and K-means. Probability classification model using a hidden Markov model (HMM, Hidden Markov model) multi-frequency band coefficient-based epilepsy seizure detection system characterized in that the EEG signal.
상기 시스템은 입력되는 뇌전도 신호에 대한 발작상태의 검출 결과를 출력 또는 기록하거나, 발작상태의 검출시점과 검출 횟수를 제공하는 결과제공부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템.
The method of claim 1,
The system may further include a result providing unit for outputting or recording a detection result of a seizure state with respect to an input EEG signal, or providing a time and number of detections of the seizure state. Seizure detection system.
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