KR102178789B1 - Motor Imagery Classification Apparatus and Method thereof using Adaptive Noise Cancellation and Correlation coefficient Optimization - Google Patents

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Abstract

운동심상 분류 방법이 개시된다. 상기 운동심상 분류 방법은 운동심상 분류 장치에 의해 수행되는 운동심상 분류 방법으로서, (a) 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 단계, (b) 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00038
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는 단계, (c) 상기 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00039
)별로 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하는 단계, (d) 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출하는 단계, (e) 상기 산출된 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻는 단계, (f) 상기 최적 상관계수들 중에서 상기 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출하는 단계, 및 (g) 상기 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습하는 단계를 포함한다. 여기서, n은 자연수임.A method of classifying a motor image is disclosed. The motor image classification method is a motor image classification method performed by a motor image classification device.(a) For each class to be classified, the noise of the EEG signals measured from a plurality of electrodes, respectively, is removed from the adaptive noise cancellation method. ) Applying an algorithm to remove and obtain preprocessed EEG signals, (b) rotation angle of the preprocessed EEG signals (
Figure 112018093416163-pat00038
Obtaining rotational EEG signals by rotating using a rotation matrix having ), (c) the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00039
) Calculating correlation coefficients between the rotational EEG signals, (d) calculating a Fisher`s ratio for correlation coefficients between the rotational EEG signals, (e) the calculated rotational EEG Optimizing correlation coefficients between signals to obtain optimal correlation coefficients, (f) extracting n optimal correlation coefficients as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio among the optimal correlation coefficients, and (g) the feature And learning the classifier using the vector. Where n is a natural number.

Description

능동소음제거와 상관관계 최적화를 이용한 운동심상 분류 장치 및 방법{Motor Imagery Classification Apparatus and Method thereof using Adaptive Noise Cancellation and Correlation coefficient Optimization}Motor Imagery Classification Apparatus and Method thereof using Adaptive Noise Cancellation and Correlation coefficient Optimization

본 발명은 뇌전도 신호를 이용한 운동심상 분류 장치 및 방법으로서, 보다 구체적으로 능동소음제거 기법을 통한 전처리와 뇌전도 신호들 간에 상관관계 최적화를 이용한 운동심상 분류 장치 및 방법에 대한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for classifying a motor image using an EEG signal, and more specifically, to an apparatus and method for classifying a motor image using preprocessing through an active noise reduction technique and optimizing a correlation between EEG signals.

뇌-기계 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)는 신경 신호를 이용하여 뇌의 활동과 컴퓨터를 중간 매개체인 근육 없이 직접적으로 연결시켜주는 기술로서, 특히 뇌의 활동으로 발생하는 전기적 신호를 피험자의 두피에 부착된 전극을 통하여 측정하는 뇌전도(electroencephalogram, EEG)는 비침습적인 방법으로 간편하게 측정할 수 있으며, 뇌의 활동을 시간의 지연 없이 바로 측정할 수 있는 높은 시간 분해능을 지니고 있다는 장점이 있다. 측정된 뇌전도 신호는 두피를 통해 측정되기 때문에 뇌에 직접적으로 연결하여 측정하는 방법과 달리 낮은 SNR(signal-to-noise ratio)을 지니고 있다.Brain-Computer Interface (BCI) is a technology that directly connects brain activity and computer without muscles, which is an intermediate medium, using neural signals.In particular, electrical signals generated by brain activity are transmitted to the subject's scalp. Electroencephalogram (EEG), which is measured through an electrode attached to the device, can be easily measured by a non-invasive method, and has the advantage of having a high time resolution capable of directly measuring brain activity without delay. Since the measured EEG signal is measured through the scalp, it has a low signal-to-noise ratio (SNR) unlike the method of measuring by connecting directly to the brain.

한편, 뇌전도 신호에는 측정하고자 하는 뇌의 활동 외에도 필연적으로 눈 깜빡임, 심장의 움직임, 다른 의도에 대한 생각 등과 같은 생물학적 간섭에 대한 정보가 포함되므로 뇌전도 신호에 포함된 잡음과 간섭을 제거하는 것이 SNR이 낮은 뇌전도 신호에서는 매우 중요한 과정이다. 이에 대하여 기존의 기술 중에서 상관관계를 이용하는 BSS(Blind Source Separation) 기법이 있다. 그러나, BSS 기법은 뇌 내부 신호원들의 역할에 대한 판단이 경험적으로 이루어지는 경우가 많기 때문에 정확한 간섭과 잡음에 대응하는 뇌 내부의 신호원을 선택할 수 없다는 문제점이 있다. 이에 따라, 뇌전도 신호만을 가지고 내부 신호원에 대한 추정 없이 간섭과 잡음을 제거할 수 있는 방안이 필요하다. 또한, 잡음에 강인한 상관관계를 특징으로 이용하는 방법이 있다. 그러나, 주어진 상관관계들을 변화시키지 않으므로 그 안에서 가장 분류 가능성이 높은 상관관계를 택하는 것은 한계가 있다.On the other hand, the EEG signal contains information on biological interference such as blinking of eyes, movement of the heart, and thinking about other intentions in addition to the brain activity to be measured. This is a very important process for low EEG signals. On the other hand, among the existing technologies, there is a blind source separation (BSS) technique that uses correlation. However, the BSS technique has a problem in that it is not possible to select a signal source inside the brain that responds to accurate interference and noise because it is often made empirically to determine the role of signal sources inside the brain. Accordingly, there is a need for a method capable of removing interference and noise without estimation of an internal signal source using only an EEG signal. In addition, there is a method of using a strong correlation to noise as a feature. However, since it does not change the given correlations, there is a limit to choosing the correlation that is most likely to be classified within it.

대한민국 등록특허 제1238780호Korean Registered Patent No.1238780 대한민국 등록특허 제1796768호Korean Registered Patent No. 1796768

본 발명의 목적은 능동소음제거 알고리즘을 이용하여 뇌전도 신호의 간섭과 잡음을 효과적으로 제거함과 동시에 잡음에 강인한 특성을 지니고 있는 상관관계를 특징으로 운동심상 분류에 이용함으로써 기존의 기법들보다 분류 정확도를 향상시키는데 있다.It is an object of the present invention to effectively remove interference and noise of EEG signals using an active noise reduction algorithm, and at the same time, improve classification accuracy compared to conventional techniques by using it for classification of motor images, characterized by a correlation that has robust characteristics against noise. It is in order.

본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 방법은 운동심상 분류 장치에 의해 수행되는 운동심상 분류 방법으로서, (a) 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 단계, (b) 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00001
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는 단계, (c) 상기 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00002
)별로 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하는 단계, (d) 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출하는 단계, (e) 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻는 단계, (f) 상기 최적 상관계수들 중에서 상기 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출하는 단계, 및 (g) 상기 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, n은 자연수일 수 있다.A motor image classification method according to an embodiment of the present invention is a motor image classification method performed by a motor image classification device, wherein (a) noise of EEG signals measured from a plurality of electrodes for each class to be classified Removing by applying an adaptive noise cancellation algorithm and obtaining preprocessed EEG signals, (b) rotating the preprocessed EEG signals (
Figure 112018093416163-pat00001
Obtaining rotational EEG signals by rotating using a rotation matrix having ), (c) the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00002
) Calculating correlation coefficients between the rotational EEG signals, (d) calculating Fisher`s ratio for correlation coefficients between the rotational EEG signals, (e) the rotational EEG signals Optimizing correlation coefficients between the two to obtain optimal correlation coefficients, (f) extracting n optimal correlation coefficients as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio among the optimal correlation coefficients, and (g) the feature vector It may include the step of learning the classifier using. Here, n may be a natural number.

본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 장치는 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 전처리부, 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00003
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는 회전부, 상기 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00004
)별로 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하고, 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출하는 산출부, 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻고, 상기 최적 상관계수들 중에서 상기 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출하는 특징 추출부, 및 상기 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습하는 분류부를 포함할 수 있다. 여기서, n은 자연수일 수 있다.The motor image classification apparatus according to an embodiment of the present invention removes noise of EEG signals measured from a plurality of electrodes for each class to be classified by applying an adaptive noise cancellation algorithm, and preprocessed EEG. A preprocessor for obtaining signals, the preprocessed EEG signals at a rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00003
A rotating part that obtains rotating EEG signals by rotating using a rotating matrix having ), the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00004
) By calculating the correlation coefficients between the rotational EEG signals, a calculation unit that calculates a Fisher's ratio to the correlation coefficients between the rotational EEG signals, by optimizing the correlation coefficients between the rotational EEG signals A feature extraction unit that obtains optimal correlation coefficients and extracts n optimal correlation coefficients as a feature vector in the order of the highest Fisher ratio among the optimal correlation coefficients, and a classification unit that learns a classifier using the feature vector. have. Here, n may be a natural number.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 뇌전도 신호의 간섭과 잡음을 효과적으로 제거할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, interference and noise of an EEG signal can be effectively removed.

또한, 뇌전도 신호들 간에 상관관계를 최적화시켜 분류 가능성이 보다 높은 상관관계를 운동심상 분류에 이용하여 분류 정확도를 향상 시킬 수 있다.In addition, it is possible to improve the classification accuracy by optimizing the correlation between EEG signals and using a correlation with a higher possibility of classification for classification of motor images.

도 1은 BSS(Blind Source Separation) 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 방법의 순서도이다.
도 4는 도 3에 포함된 전처리 단계의 순서도이다.
1 is a diagram for describing a blind source separation (BSS) technique.
2 is a block diagram of an apparatus for classifying a motion image according to an embodiment of the present invention.
3 is a flowchart of a method for classifying a motion image according to an embodiment of the present invention.
4 is a flowchart of a pre-processing step included in FIG. 3.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.Specific structural or functional descriptions of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification are exemplified only for the purpose of describing the embodiments according to the concept of the present invention, and embodiments according to the concept of the present invention They may be implemented in various forms and are not limited to the embodiments described herein.

본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.Since the embodiments according to the concept of the present invention can apply various changes and have various forms, the embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail herein. However, this is not intended to limit the embodiments according to the concept of the present invention to specific disclosed forms, and includes changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are only for the purpose of distinguishing one component from other components, for example, without departing from the scope of rights according to the concept of the present invention, the first component may be named as the second component, Similarly, the second component may also be referred to as a first component.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it is understood that it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. Should be. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle. Expressions describing the relationship between components, for example, "between" and "just between" or "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that the specified features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof exist, but one or more other features or numbers, It is to be understood that the presence or addition of steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude the possibility of preliminary exclusion.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this specification. Does not. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 BSS(Blind Source Separation) 기법을 설명하기 위한 도면이다.1 is a diagram for describing a blind source separation (BSS) technique.

도 1을 참조하면, BSS 기법은 뇌전도 신호가 내부 신호원의 다양한 의도들이 섞여서 들어오는 점을 해결하기 위해 등장한 기법이다. 보다 구체적으로, BSS 기법은 전극에서 측정된 뇌전도 신호들을 이용하여 역으로 뇌 내부 신호원들의 신호를 추정하여 눈 깜빡임이나 다른 의도 등과 같은 간섭에 대응하는 내부 신호원을 선택적으로 제거한다. 이에 따라, 운동심상 분류에 있어서 불필요한 내부 신호원의 신호를 추정 및 제거하여 피험자의 의도에 특화된 뇌전도 신호를 구성할 수 있다.Referring to FIG. 1, the BSS technique is a technique that has appeared to solve the point in which an EEG signal is mixed with various intentions of an internal signal source. More specifically, the BSS technique selectively removes internal signal sources corresponding to interference such as blinking or other intentions by inversely estimating signals of internal brain signal sources using EEG signals measured by electrodes. Accordingly, it is possible to construct an EEG signal specialized for the intention of the subject by estimating and removing signals of unnecessary internal signal sources in the classification of motor images.

그러나, 이러한 BSS 기법은 뇌 내부 신호원들의 역할에 대한 판단이 경험적으로 이루어지므로 정확한 간섭과 잡음에 대응하는 뇌 내부의 신호원을 선택하기 어렵다는 문제가 있다. 또한, 피험자의 두피에 부착된 전극을 통해 측정된 뇌전도 신호를 이용하므로 SNR이 낮다.However, this BSS technique has a problem in that it is difficult to select a signal source inside the brain that responds to accurate interference and noise because the judgment on the role of the signal sources inside the brain is made empirically. In addition, since the EEG signal measured through the electrode attached to the scalp of the subject is used, the SNR is low.

한편, 낮은 SNR로 인해 생기는 문제점을 해결하기 위하여 두 전극 사이의 뇌전도 신호의 상관관계를 이용한 연결성 방법이 있다. 상관관계는 서로 독립적으로 발생하는 잡음을 제거할 수 있어 잡음에 강인한 특성으로 알려져 있다.On the other hand, in order to solve the problem caused by the low SNR, there is a connectivity method using the correlation of EEG signals between two electrodes. Correlation is known to be robust against noise as it can remove noise that occurs independently of each other.

상관관계를 이용한 기존의 연결성 방법들은 주어진 연결성에서, 즉 주어진 뇌전극 신호들 사이의 상관관계들 중에서 의도 인식에 가장 효과적인 정보를 가지고 있는 상관관계를 선택하는 것에 초점을 두고 있다. 이러한 연결성 방법의 하나로서 주어진 상관관계들을 이용하여 통계적인 검증 방법인 t-statistic 방법을 이용하여 두 가지 의도에 대해 해당 상관관계의 구분 가능한 정도를 수치화화여 가장 높은 수치를 지니고 있는 상관관계를 선택하는 기법이 있다. 그러나, 주어진 상관관계들을 변화시키지 않으므로 그 안에서 가장 분류 가능성이 높은 상관관계를 선택하는 것에는 한계가 있다.Existing connectivity methods using correlation focus on selecting the correlation that has the most effective information for intention recognition from among the correlations between the given connectivity, that is, the brain electrode signals. As one of these connectivity methods, using the t-statistic method, which is a statistical verification method using the given correlations, the degree to which the correlation is distinguishable for two intentions is quantified and the correlation with the highest value is selected. There is a technique. However, since it does not change the given correlations, there is a limit to choosing the correlation that is most likely to be classified within it.

이에 따라, 본 발명은 의도 인식에 초점을 맞추어 분류 가능성이 가장 높도록 뇌전도 신호를 전처리(pre-processing)하고, 회전행렬을 통해 상관관계를 변화시켜 상술한 기존의 방법들보다 높은 분류 정확도를 얻고자 한다.Accordingly, the present invention focuses on recognition of intentions, pre-processing the EEG signal so that the classification probability is highest, and changing the correlation through a rotation matrix to obtain higher classification accuracy than the above-described conventional methods. Let's do it.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 장치의 블록도이다.2 is a block diagram of an apparatus for classifying a motion image according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 장치(10)는 전처리부(100), 회전부(200), 산출부(300), 특징 추출부(400) 및 분류부(500)를 포함한다.2, the motion image classification apparatus 10 according to an embodiment of the present invention includes a preprocessor 100, a rotation unit 200, a calculation unit 300, a feature extraction unit 400, and a classification unit 500. ).

전처리부(100)는 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘(이하, ANC 알고리즘)을 이용하여 피험자에 부착된 복수개의 전극들로부터 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 측정된 뇌전도 신호들을 전처리하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는다. 여기서, 피험자에 부착된 복수개의 전극들로부터 측정되는 뇌전도 신호는 분류하고자 하는 운동심상에 따라 발생하는 전기적 신호로서 예를 들면 C x T 크기를 갖는 행렬로 표현될 수 있다. 이때, C는 피험자에 부착된 뇌전도 신호의 전극의 개수, 즉 채널의 개수이고, T는 시간별 샘플의 개수이다(여기서, C와 T는 자연수임).The preprocessor 100 preprocesses the EEG signals measured for each class to be classified from a plurality of electrodes attached to the subject using an adaptive noise cancellation algorithm (hereinafter, ANC algorithm), and preprocesses EEG signals. Get the signals Here, the EEG signal measured from the plurality of electrodes attached to the subject is an electrical signal generated according to a motor image to be classified, and may be expressed as a matrix having a size of C x T, for example. At this time, C is the number of electrodes of the EEG signal attached to the subject, that is, the number of channels, and T is the number of samples per time (here, C and T are natural numbers).

전처리에 사용되는 ANC 알고리즘은 파동의 중첩의 원리를 이용하여 잡음이나 간섭 신호를 상쇄시키는 알고리즘이다. ANC 알고리즘은 신호처리가 특정한 기준하에서 최적이 되도록 계속적으로 시스템을 변화(또는 적응)시키는데, 이를 위하여 시스템의 특성을 변화시키는 기능을 갖춘 적응형 필터(Adaptive filter)를 이용한다.The ANC algorithm used in preprocessing is an algorithm that cancels noise or interference signals by using the principle of wave superposition. The ANC algorithm continuously changes (or adapts) the system so that the signal processing is optimal under a specific criterion, and to this end, an adaptive filter with a function of changing the characteristics of the system is used.

이러한 적응형 필터는 예를 들면 오차 신호를 최소화하기 위한 최소 자승 평균(LMS) 알고리즘, 필터링된-X LMS(FXLMS) 알고리즘 또는 필터링된-오차 LMS(FELMS) 알고리즘 등과 같은 다양한 기법들을 포함할 수 있다. 한편, 본 발명에 사용되는 적응형 필터는 바람직하게는 한 스텝당 계산량이 적고 안정적으로 수렴하는 특성을 지닌 LMS 알고리즘일 수 있다.Such an adaptive filter may include various techniques such as a least squares average (LMS) algorithm, a filtered-X LMS (FXLMS) algorithm, or a filtered-error LMS (FELMS) algorithm to minimize an error signal. . Meanwhile, the adaptive filter used in the present invention may preferably be an LMS algorithm having a small amount of calculation per step and stably converging.

이하에서는 전처리부(100)가 ANC 알고리즘을 이용하여 뇌전도 신호들을 전처리하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a process in which the preprocessor 100 preprocesses EEG signals using an ANC algorithm will be described in detail.

복수개의 전극들로부터 측정된 뇌전도 신호들은 원신호와 잡음신호가 섞여있는 신호로서, 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The EEG signals measured from the plurality of electrodes are signals in which the original signal and the noise signal are mixed, and can be expressed as Equation 1 below.

Figure 112018093416163-pat00005
Figure 112018093416163-pat00005

여기서, x는 뇌전도 신호이고, s는 원신호이고, n은 잡음신호이다.Here, x is the EEG signal, s is the original signal, and n is the noise signal.

잡음신호 n은 ANC 알고리즘에서 래퍼런스 신호(또는 참조 신호)로서, 추정 및 제거되어야 하는 신호이다. ANC 알고리즘에서는 래퍼런스 신호의 선택이 초기 설정이 알고리즘의 성능에 높은 영향을 미치므로, 래퍼런스 신호의 선택이 중요한 요소이다.The noise signal n is a reference signal (or reference signal) in the ANC algorithm and is a signal to be estimated and removed. In the ANC algorithm, the selection of the reference signal is an important factor because the initial setting has a high influence on the performance of the algorithm.

이를 위하여, 전처리부(100)는 설정부(미도시)를 더 포함할 수 있다.To this end, the preprocessor 100 may further include a setting unit (not shown).

설정부(미도시)는 상관계수를 기반으로 하여 래퍼런스 신호들을 선택한다. 보다 구체적으로, 설정부(미도시)는 우선 측정된 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출한다. 상관계수는 두 변수 간에 선형적 관계의 정도를 나타내는 단위로서, 스피어만 상관계수(Spearman correlation coefficient), 크론바흐 알파 계수(Cronbach's alpha) 및 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient) 등이 있다. 이하 본 명세서에서 사용되는 “상관계수”라는 용어는 상술한 의미를 갖는 용어를 지칭하는 것으로 이해되어야 한다.The setting unit (not shown) selects reference signals based on the correlation coefficient. More specifically, the setting unit (not shown) first calculates correlation coefficients between the measured EEG signals. The correlation coefficient is a unit representing the degree of a linear relationship between two variables, such as Spearman correlation coefficient, Cronbach's alpha, and Pearson correlation coefficient. Hereinafter, the term “correlation coefficient” used in the present specification should be understood to refer to a term having the above-described meaning.

일 예로서 피어슨 상관계수를 산출하고자 하는 경우, 설정부(미도시)는 아래의 수학식 2에 의하여 측정된 뇌전도 신호들 간에(보다 구체적으로, 복수개의 전극들 중에서 임의의 2개의 전극으로부터 측정된 뇌전도 신호들 간에) 상관계수를 산출한다.As an example, in the case of calculating the Pearson correlation coefficient, the setting unit (not shown) is used between the EEG signals measured by Equation 2 below (more specifically, measured from any two electrodes among a plurality of electrodes). The correlation coefficient between EEG signals) is calculated.

Figure 112018093416163-pat00006
Figure 112018093416163-pat00006

여기서,

Figure 112018093416163-pat00007
는 i번째 전극과 j번째 전극에 대한 피어슨 상관계수,
Figure 112018093416163-pat00008
는 i번째 전극과 j번째 전극의 뇌전도 신호들 간에 공분산,
Figure 112018093416163-pat00009
는 i번째 전극과 j번째 전극의 뇌전도 신호들의 표준편차의 곱이다.here,
Figure 112018093416163-pat00007
Is the Pearson correlation coefficient for the ith electrode and the jth electrode,
Figure 112018093416163-pat00008
Is the covariance between the EEG signals of the ith electrode and the jth electrode,
Figure 112018093416163-pat00009
Is the product of the standard deviation of the EEG signals of the ith electrode and the jth electrode.

피험자에 부착된 모든 전극들 간에 상관계수들이 산출되면, 설정부(미도시)는 산출된 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 기 설정된 임계값 이하의 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 갖는 뇌전도 신호들을 래퍼런스 신호들로 선택한다. 즉, 뇌전도 신호들 간에 상관계수가 낮으면 분류와 무관한 간섭이나 잡음 신호로 판단하여 이를 래퍼런스 신호로 설정하는 것이다. 여기서, 래퍼런스 신호 설정을 위한 임계값은 분류하고자 하는 운동심상의 유형이나 피험자에 따라 달리 설정될 수 있다.When the correlation coefficients are calculated between all the electrodes attached to the subject, the setting unit (not shown) selects the EEG signals having correlation coefficients between EEG signals less than a preset threshold among the correlation coefficients between the calculated EEG signals as a reference signal. Choose with That is, if the correlation coefficient between the EEG signals is low, it is determined as an interference or noise signal irrelevant to classification, and this is set as a reference signal. Here, the threshold value for setting the reference signal may be set differently according to the type of motion image to be classified or the subject.

이에 따라, 본 발명은 기존의 기법들과 같이 잡음을 경험적으로 설정하는 것이 아니라 설정부(미도시)를 통하여 상관계수가 낮은 뇌전도 신호들을 래퍼런스 신호로 설정함으로써 ANC 알고리즘의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.Accordingly, the present invention can further improve the performance of the ANC algorithm by setting EEG signals having a low correlation coefficient as a reference signal through a setting unit (not shown), rather than empirically setting noise like conventional techniques. .

래퍼런스 신호들이 선택되면, 전처리부(100)는 ANC 알고리즘을 이용하여 정확한 래퍼런스 신호를 추정하고 잡음을 제거한다. 래퍼런스 신호를 M개(M은 자연수임)의 이산신호 구간에 대하여 적응형 필터링을 수행하면, 필터링한 결과는 아래의 수학식 3과 같다.When the reference signals are selected, the preprocessor 100 estimates an accurate reference signal using the ANC algorithm and removes noise. When adaptive filtering is performed on M reference signals (M is a natural number) of discrete signal sections, the filtered result is as Equation 3 below.

Figure 112018093416163-pat00010
Figure 112018093416163-pat00010

여기서, y(t)는 필터링 결과값, n(t)는 래퍼런스 신호, w(t)는 필터계수이다.Here, y(t) is the filtering result value, n(t) is the reference signal, and w(t) is the filter coefficient.

따라서, ANC 알고리즘의 결과값은 아래의 수학식 4와 같다.Therefore, the result value of the ANC algorithm is shown in Equation 4 below.

Figure 112018093416163-pat00011
Figure 112018093416163-pat00011

여기서, e는 ANC 알고리즘의 결과값이다.Here, e is the result of the ANC algorithm.

ANC 알고리즘은 결과값 e에 따라 정확한 래퍼런스 신호 n을 추정할 때까지 필터의 계수 w를 지속적으로 업데이트한다. 업데이트는 상술한 적응형 필터에 대한 다양한 알고리즘이 사용될 수 있다.The ANC algorithm continuously updates the coefficient w of the filter until it estimates the correct reference signal n according to the result e. Various algorithms for the above-described adaptive filter can be used for updating.

일 예로서 LMS 알고리즘을 사용하는 경우, 필터계수 w의 업데이트는 아래의 수학식 5에 의해 수행될 수 있다.As an example, in the case of using the LMS algorithm, the update of the filter coefficient w may be performed by Equation 5 below.

Figure 112018093416163-pat00012
Figure 112018093416163-pat00012

여기서, α는 스텝의 크기이며, 알고리즘이 적절한 적응속도와 안정성을 갖도록 설정될 수 있다.Here, α is the size of the step, and the algorithm can be set to have an appropriate adaptation speed and stability.

LMS 알고리즘은 상기 수학식 5에 의하여 필터계수를 업데이트하되, ANC 알고리즘의 결과값(즉, 오차신호)인 e의 자승 평균치가 최소가 되도록 업데이트한다.The LMS algorithm updates the filter coefficient according to Equation 5 above, but updates the ANC algorithm so that the result value of the ANC algorithm (ie, the error signal) is the minimum squared mean value of e.

즉, 전처리부(100)는 뇌전도 신호들 및 래퍼런스 신호들에 대하여 적응형 필터를 업데이트하면서 잡음을 정확하게 추정 및 제거하여 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 다.That is, the preprocessor 100 obtains preprocessed EEG signals by accurately estimating and removing noise while updating the adaptive filter for EEG signals and reference signals.

회전부(200)는 전처리부(100)를 통하여 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00013
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는다. 회전행렬은 임의의 신호를 원점을 중심으로 회전시키며, 회전행렬에 의하여 회전된 회전 뇌전도 신호들은 아래의 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.The rotation unit 200 rotates the EEG signals preprocessed through the preprocessor 100 at a rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00013
Using a rotation matrix having ), rotation EEG signals are obtained. The rotation matrix rotates an arbitrary signal around the origin, and the rotational EEG signals rotated by the rotation matrix can be expressed as Equation 6 below.

Figure 112018093416163-pat00014
Figure 112018093416163-pat00014

여기서,

Figure 112018093416163-pat00015
는 회전 뇌전도 신호,
Figure 112018093416163-pat00016
는 뇌전도 신호이다. 한편, 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00017
)는 기 설정된 각도 구간을 일정 크기의 단위 각도로 쪼개었을 때의 각각의 경계에 해당하는 각도일 수 있다. 이에 따라, 후술할 산출부(300)에서 산출되는 상관계수들 및 피셔 비율은 상기 쪼개진 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00018
)별로 산출된다.here,
Figure 112018093416163-pat00015
Is a rotating EEG signal,
Figure 112018093416163-pat00016
Is an electroencephalogram signal. Meanwhile, the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00017
) May be an angle corresponding to each boundary when a preset angle section is divided into a unit angle of a predetermined size. Accordingly, the correlation coefficients and the Fisher ratio calculated by the calculation unit 300 to be described later are the split rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00018
) Is calculated by

회전행렬에 따라 상관계수들을 변화시킴으로써 기존의 기법들이 뇌전도 신호들에 대하여 고정된 상관계수들을 이용하는 것과 달리 본 발명은 회전 뇌전도 신호들의 상관계수까지 이용할 수 있다.Unlike conventional techniques using fixed correlation coefficients for EEG signals by changing the correlation coefficients according to the rotation matrix, the present invention can also use the correlation coefficient of the rotation EEG signals.

산출부(300)는 회전부(200)를 통하여 얻은 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00019
)별로 산출하고, 상기 산출된 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출한다. 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하는 것은 앞서 상술한 상관계수 산출에서 뇌전도 신호 대신 회전 뇌전도 신호를 기반으로 산출되는 것이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.The calculation unit 300 calculates the correlation coefficients between the rotational EEG signals obtained through the rotation unit 200 at a rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00019
), and a Fisher`s ratio for correlation coefficients between the calculated rotational EEG signals. Since the calculation of the correlation coefficients between the rotational EEG signals is calculated based on the rotational EEG signal instead of the EEG signal in the above-described correlation coefficient calculation, a detailed description thereof will be omitted.

피셔 비율(fisher`s ratio)은 차원수 감소를 위한 선형 판별 기법에서 분류를 위한 특징(feature)의 분류 능력을 평가할 때 사용되는 것으로서, 아래의 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Fisher's ratio is used when evaluating the classification ability of a feature for classification in a linear discrimination technique for reducing the number of dimensions, and can be expressed as Equation 7 below.

Figure 112018093416163-pat00020
Figure 112018093416163-pat00020

여기서, F는 피셔 비율, m1과 m2는 각각 분류하고자 하는 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 평균, v1과 v2는 각각 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 분산이다. 한편, 상관계수들의 평균과 분산은 각각의 전극들의 조합에 대하여 회차별로 측정된 뇌전도 신호들을 이용하여 계산된다. 상기 수학식 7을 이용하여, 산출부(300)는 회전행렬의 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00021
)별로 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율을 산출할 수 있다.Here, F is the Fisher ratio, m 1 and m 2 are the averages of the correlation coefficients for classes 1 and 2 to be classified, and v 1 and v 2 are the variances of the correlation coefficients for classes 1 and 2 respectively. Meanwhile, the average and variance of the correlation coefficients are calculated using the EEG signals measured for each cycle for each combination of electrodes. Using Equation 7, the calculation unit 300 is the rotation angle of the rotation matrix (
Figure 112018093416163-pat00021
), it is possible to calculate the Fisher ratio for the correlation coefficients between the rotating EEG signals.

위와 같이 산출부(300)를 통해 산출된 피셔 비율을 이용하여 특징으로 사용할 상관계수들의 분류 능력을 평가할 수 있다. 즉, 피셔 비율이 클수록 해당 상관계수는높은 분류가능성을 지니는 것으로 볼 수 있다.The classification ability of correlation coefficients to be used as features may be evaluated by using the Fisher ratio calculated through the calculation unit 300 as described above. In other words, it can be seen that the higher the Fisher ratio, the higher the classifiability of the correlation coefficient.

결국, 본 발명의 산출부(300)를 통하여 피험자에 부착된 복수개의 전극들 중에서 선택된 2개의 전극들의 상관계수를 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00022
)별로 산출하고, 산출된 상관계수들에 대한 피셔 비율을 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00023
)별로 산출할 수 있다.As a result, the correlation coefficient of the two electrodes selected from among the plurality of electrodes attached to the subject through the calculation unit 300 of the present invention is determined by the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00022
), and calculate the Fisher ratio for the calculated correlation coefficients by rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00023
) Can be calculated.

특징 추출부(400)는 산출부(300)를 통하여 산출된 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻고, 최적 상관계수들 중에서 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출한다.The feature extraction unit 400 optimizes the correlation coefficients between the rotational EEG signals calculated through the calculation unit 300 to obtain optimal correlation coefficients, and features n optimal correlation coefficients in the order of the highest Fisher ratio among the optimum correlation coefficients. Extract as a vector.

우선, 특징 추출부(400)는 특정 전극들의 조합들 각각에 대하여 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00024
)별로 산출된 상관계수들에 대한 피셔 비율들 중에서 가장 높은 피셔 비율일 때의 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00025
)와 그때의 상관계수를 최적 상관계수로서 추출한다. 이러한 과정을 모든 전극들의 조합들에 대하여 수행하여 상관계수들을 최적화시키고 최적 상관계수들을 얻는다.First, the feature extraction unit 400 has a rotation angle for each combination of specific electrodes (
Figure 112018093416163-pat00024
Rotation angle at the highest Fisher ratio among the Fisher ratios to the correlation coefficients calculated by) (
Figure 112018093416163-pat00025
) And the correlation coefficient at that time are extracted as the optimal correlation coefficient. This process is performed for all combinations of electrodes to optimize correlation coefficients and obtain optimal correlation coefficients.

다음으로, 추출된 최적 상관계수들 중에서 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 상관계수들을 특징벡터로서 추출한다(여기서, n은 자연수임).Next, among the extracted optimal correlation coefficients, n correlation coefficients are extracted as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio (where n is a natural number).

분류부(500)는 특징 추출부(400)에서 추출된 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습한다. 학습을 위한 훈련 데이터는 복수개의 전극들로부터 측정된 뇌전도 신호들이며, 이러한 훈련 데이터에 대하여 특징 추출부(400)에서 추출된 최적 상관계수들을 특징으로 하여 분류기를 학습한다. 이때, 분류기는 SVM(Support Vector Machine) 기반일 수 있다.The classification unit 500 learns a classifier using the feature vector extracted by the feature extraction unit 400. The training data for learning are EEG signals measured from a plurality of electrodes, and the classifier is trained by featuring optimal correlation coefficients extracted by the feature extraction unit 400 for the training data. In this case, the classifier may be based on a Support Vector Machine (SVM).

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 방법의 순서도이다. 이하에서는 앞서 설명한 부분과 중복되는 부분에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.3 is a flowchart of a method for classifying a motion image according to an embodiment of the present invention. Hereinafter, detailed descriptions of portions overlapping with the previously described portions will be omitted.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 운동심상 분류 방법은 전처리 단계(S610), 회전 단계(S620), 상관계수 산출 단계(S630), 피셔 비율 산출 단계(S640), 최적화 단계(S650), 특징벡터 추출 단계(S660) 및 학습 단계(S670)를 포함한다.3, a method for classifying a motion image according to an embodiment of the present invention includes a pre-processing step (S610), a rotation step (S620), a correlation coefficient calculation step (S630), a Fisher ratio calculation step (S640), and an optimization step ( S650), a feature vector extraction step (S660), and a learning step (S670).

S610 단계는 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 ANC 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는다.In step S610, noise of EEG signals measured from a plurality of electrodes for each class to be classified is removed by applying an ANC algorithm, and preprocessed EEG signals are obtained.

도 3에 포함된 전처리 단계의 순서도인 도 4를 참조하면, S610 단계는 전처리를 위하여 S611 단계 내지 S613 단계를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4, which is a flowchart of the pre-processing step included in FIG. 3, step S610 may further include steps S611 to S613 for pre-processing.

우선, S611 단계에서는 측정된 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출한다.First, in step S611, correlation coefficients are calculated between the measured EEG signals.

다음으로, S612 단계에서는 S611 단계를 통해 산출된 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 기 설정된 임계값 이하의 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 갖는 뇌전도 신호들을 ANC 알고리즘에서의 래퍼런스 신호들로 선택한다.Next, in step S612, among the correlation coefficients between the EEG signals calculated through step S611, EEG signals having correlation coefficients between EEG signals less than a preset threshold are selected as reference signals in the ANC algorithm.

마지막으로, S613 단계에서는 뇌전도 신호들 및 래퍼런스 신호들에 대하여 적응형 필터를 업데이트하면서 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는다. 여기서, 업데이트는 자승 평균치가 최소가 될 때까지 수행될 수 있다.Finally, in step S613, preprocessed EEG signals are obtained while updating the adaptive filter for EEG signals and reference signals. Here, the update may be performed until the squared average value is minimized.

S620 단계는 S610 단계를 통해 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00026
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는다. S620 단계는 기 설정된 각도 구간을 일정 크기의 단위 각도로 쪼개었을 때의 각각의 경계에 해당하는 모든 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00027
)에 대하여 수행될 수 있다.Step S620 is the rotation angle of the EEG signals preprocessed through step S610 (
Figure 112018093416163-pat00026
Using a rotation matrix having ), rotation EEG signals are obtained. In step S620, all rotation angles corresponding to each boundary when the preset angle section is divided into a unit angle of a certain size (
Figure 112018093416163-pat00027
) Can be performed.

S630 단계는 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00028
)별로 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출한다. S611 단계와 달리, S630 단계에서는 뇌전도 신호가 아닌 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출한다.Step S630 is the rotation angle (
Figure 112018093416163-pat00028
) Calculate correlation coefficients between the rotating EEG signals. Unlike in step S611, in step S630, correlation coefficients are calculated between rotating EEG signals, not EEG signals.

S640 단계는 S630 단계를 통해 산출된 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율을 산출한다. 피셔 비율은 상기 수학식 7에 의하여 산출된다.In step S640, a Fisher ratio for correlation coefficients between the rotating EEG signals calculated through step S630 is calculated. The Fisher ratio is calculated by Equation 7.

S650 단계는 S630 단계를 통해 산출된 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻는다. 보다 구체적으로, S650 단계는 특정 전극들의 조합들 각각에 대하여 회전각도(

Figure 112018093416163-pat00029
)별로 산출된 상관계수들에 대한 피셔 비율들 중에서 가장 높은 피셔 비율일 때의 회전각도(
Figure 112018093416163-pat00030
)와 그때의 상관계수를 최적 상관계수로서 추출하는 과정을 모든 전극들의 조합들에 대하여 수행함으로써 최적 상관계수들을 얻는다.In step S650, optimal correlation coefficients are obtained by optimizing correlation coefficients between the rotating EEG signals calculated through step S630. More specifically, step S650 is the rotation angle for each of the combinations of specific electrodes (
Figure 112018093416163-pat00029
Rotation angle at the highest Fisher ratio among the Fisher ratios to the correlation coefficients calculated by) (
Figure 112018093416163-pat00030
) And the correlation coefficient at that time as the optimum correlation coefficient are performed for all combinations of electrodes to obtain optimum correlation coefficients.

한편, 상술한 S620 단계 내지 S650 단계는 복수개의 전극들에서 선택된 2개의 전극들의 모든 조합에 대하여 수행될 수 있다.Meanwhile, steps S620 to S650 described above may be performed for all combinations of two electrodes selected from a plurality of electrodes.

S660 단계는 상기 최적 상관계수들 중에서 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출한다.In step S660, n optimal correlation coefficients are extracted as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio among the optimal correlation coefficients.

S670 단계는 S660 단계를 통해 추출된 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습한다. 여기서, 분류기는 SVM 기반의 분류기일 수 있다.In step S670, the classifier is trained using the feature vector extracted through step S660. Here, the classifier may be an SVM-based classifier.

<실시예><Example>

이하에서는 본 발명의 운동심상 분류 장치(10) 및 방법의 일 실시 예 및 그에 따른 운동심상 분류의 성능을 다른 기법과 비교하기로 한다. 일 실시 예에 따라, 운동심상 분류를 위해 사용된 뇌전도 신호 데이터는 BCI competition Ⅱ dataset IV와 Ib이다.Hereinafter, an exemplary embodiment of the apparatus 10 and method for classifying a motion image of the present invention and the performance of classifying a motion image according to the same will be compared with other techniques. According to an embodiment, the EEG signal data used for classification of motor images are BCI competition Ⅱ datasets IV and Ib.

먼저, dataset IV는 피험자가 스스로 정한 기준에 의해 앞으로 다가올 행동을 예측하고 입력한 데이터이다. dataset IV 데이터는 피험자에 부착된 28개의 전극으로부터 총 416회의 운동심상 신호 측정을 통해 수집되었으며, 316개는 훈련 신호로서 사용되고 100개는 테스트 신호로서 사용되었다. 분류기는 BCI 분류에 가장 많이 사용되는 LS-SVM 분류기를 사용하였다. 한편, 래퍼런스 신호 선택을 위한 임계값은 0.7로 설정하였다. 이때, 본 발명과 기존의 기법들 간에 분류 정확도는 아래의 표 1과 같다.First, dataset IV is data that the subject predicts and inputs future behavior according to the criteria set by himself. The dataset IV data was collected through a total of 416 motor image signal measurements from 28 electrodes attached to the subject, 316 as training signals and 100 as test signals. The classifier used the LS-SVM classifier, which is most commonly used for BCI classification. Meanwhile, the threshold for selecting the reference signal was set to 0.7. In this case, the classification accuracy between the present invention and the existing techniques is shown in Table 1 below.

분류 정확도[%]Classification accuracy[%] 본 발명The present invention 8888 연결성 기법Connectivity technique 8484 Winning 기법Winning technique 8484

상기 표 1을 참조하면, 기존의 기법들이 84[%]의 분류 정확도를 나타낸 것에 반하여, 본 발명은 88[%]의 분류 정확도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the present invention exhibits a classification accuracy of 88 [%], whereas the conventional techniques exhibit a classification accuracy of 84 [%].

다음으로, dataset Ib는 근위축성 측색 경화증(ALS)를 가지고 있는 피험자에 대한 인지 심상 데이터이다. dataset Ib 데이터는 피험자에 부착된 6개의 전극으로부터 총 300회의 운동심상 신호 측정을 통해 수집되었으며, 200개는 훈련 신호로서 사용되고 100개는 테스트 신호로서 사용되었다. 분류기와 임계값은 dataset IV와 동일하게 설정하였다. 이때, 본 발명과 기존의 기법들 간에 분류 정확도는 아래의 표 2와 같다.Next, dataset Ib is the cognitive image data of subjects with amyotrophic lateral sclerosis (ALS). The dataset Ib data was collected through a total of 300 motor image signal measurements from 6 electrodes attached to the subject, 200 were used as training signals and 100 were used as test signals. The classifier and threshold were set the same as for dataset IV. In this case, the classification accuracy between the present invention and the existing techniques is shown in Table 2 below.

분류 정확도[%]Classification accuracy[%] 본 발명The present invention 62.7862.78 연결성 기법Connectivity technique 57.2257.22 Winning 기법Winning technique 54.454.4

상기 표 2를 참조하면, 기존의 기법들이 각각 57.22[%], 54.4[%]의 분류 정확도를 나타낸 것에 반하여, 본 발명은 62.78[%]의 분류 정확도를 나타내는 것을 확인할 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the present invention exhibits a classification accuracy of 62.78 [%], whereas the conventional techniques show classification accuracy of 57.22 [%] and 54.4 [%], respectively.

상기 살펴본 바와 같이 본 발명의 운동심상 분류 장치(10) 및 방법은 능동소음제어를 이용하여 잡음에 강인한 상관관계를 얻을 수 있으며, 회전행렬을 이용하여 상관관계를 최적화시키고 이를 특징벡터로 이용함으로써 향상된 분류 정확도를 가질 수 있다.As described above, the motion image classification apparatus 10 and method of the present invention can obtain a strong correlation to noise by using active noise control, and the correlation is optimized using a rotation matrix and improved by using this as a feature vector. It can have classification accuracy.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. , Or may be permanently or temporarily embodyed in a transmitted signal wave. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the embodiment, and vice versa.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described by the limited drawings, various modifications and variations are possible from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (10)

운동심상 분류 장치에 의해 수행되는 운동심상 분류 방법으로서,
(a) 분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 단계;
(b) 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00031
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는 단계;
(c) 상기 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00032
)별로 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하는 단계;
(d) 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출하는 단계;
(e) 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻는 단계;
(f) 상기 최적 상관계수들 중에서 상기 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출하는 단계; 및
(g) 상기 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습하는 단계를 포함하고,
상기 (e) 단계는 상기 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00044
)별로 산출된 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 가장 높은 피셔 비율일 때의 상관계수를 최적 상관계수로서 추출하는,
운동심상 분류 방법.
여기서, n은 자연수임.
As a method for classifying a moving image performed by a moving image classification device,
(a) removing noise of EEG signals measured from a plurality of electrodes for each class to be classified by applying an adaptive noise cancellation algorithm and obtaining preprocessed EEG signals;
(b) rotation angle of the preprocessed EEG signals (
Figure 112020053507590-pat00031
Obtaining rotational EEG signals by rotating using a rotation matrix having );
(c) the rotation angle (
Figure 112020053507590-pat00032
) Calculating correlation coefficients between the rotational EEG signals;
(d) calculating a Fisher`s ratio for correlation coefficients between the rotating EEG signals;
(e) obtaining optimal correlation coefficients by optimizing correlation coefficients between the rotating EEG signals;
(f) extracting n optimal correlation coefficients as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio among the optimal correlation coefficients; And
(g) learning a classifier using the feature vector,
The (e) step is the rotation angle (
Figure 112020053507590-pat00044
Extracting a correlation coefficient at the highest Fisher ratio among the correlation coefficients between the rotational EEG signals calculated for each) as an optimal correlation coefficient,
How to classify motion images.
Where n is a natural number.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계는
(a-1) 상기 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하는 단계;
(a-2) 상기 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 기 설정된 임계값 이하의 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 갖는 뇌전도 신호들을 래퍼런스 신호들로 선택하는 단계; 및
(a-3) 상기 뇌전도 신호들 및 래퍼런스 신호들에 대하여 적응형 필터를 업데이트하면서 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 단계를 포함하는 운동심상 분류 방법.
The method of claim 1,
Step (a)
(a-1) calculating correlation coefficients between the EEG signals;
(a-2) selecting EEG signals having correlation coefficients between EEG signals less than a preset threshold among the correlation coefficients between the EEG signals as reference signals; And
(a-3) A motor image classification method comprising the step of obtaining the pre-processed EEG signals while updating an adaptive filter for the EEG signals and reference signals.
제1항에 있어서,
상기 상관계수는 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)인 운동심상 분류 방법.
The method of claim 1,
The correlation coefficient is a Pearson correlation coefficient.
제1항에 있어서,
상기 피셔 비율은 아래의 수학식 1에 의해 정의되는 운동심상 분류 방법.
[수학식 1]
Figure 112018093416163-pat00033

여기서, F는 피셔 비율, m1과 m2는 각각 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 평균, v1과 v2는 각각 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 분산.
The method of claim 1,
The Fisher ratio is a method of classifying motion images defined by Equation 1 below.
[Equation 1]
Figure 112018093416163-pat00033

Where F is the Fisher ratio, m 1 and m 2 are the averages of the correlation coefficients for class 1,2, respectively, and v 1 and v 2 are the variances of the correlation coefficients for class 1,2, respectively.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 (b) 내지 (e) 단계는 상기 복수개의 전극들에서 선택된 2개의 전극들의 모든 조합에 대하여 수행되는 운동심상 분류 방법.
The method of claim 1,
Steps (b) to (e) are performed on all combinations of two electrodes selected from the plurality of electrodes.
제1항에 있어서,
상기 (g) 단계의 분류기는 SVM(Support Vector Machine) 기반인 운동심상 분류 방법.
The method of claim 1,
The classifier of step (g) is a motion image classification method based on SVM (Support Vector Machine).
분류하고자 하는 각 클래스에 대하여 복수개의 전극들로부터 각각 측정된 뇌전도 신호들의 잡음을 능동소음제거(Adaptive Noise Cancellation) 알고리즘을 적용하여 제거하고 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 전처리부;
상기 전처리된 뇌전도 신호들을 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00035
)를 갖는 회전행렬을 이용하여 회전시켜 회전 뇌전도 신호들을 얻는 회전부;
상기 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00036
)별로 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하고, 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들에 대한 피셔 비율(Fisher`s ratio)을 산출하는 산출부;
상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 최적화시켜 최적 상관계수들을 얻고, 상기 최적 상관계수들 중에서 상기 피셔 비율이 높은 순서대로 n개의 최적 상관계수들을 특징벡터로서 추출하는 특징 추출부; 및
상기 특징벡터를 이용하여 분류기를 학습하는 분류부를 포함하고,
상기 특징 추출부는 상기 회전각도(
Figure 112020053507590-pat00045
)별로 산출된 상기 회전 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 가장 높은 피셔 비율일 때의 상관계수를 최적 상관계수로서 추출하는,
운동심상 분류 장치.
여기서, n은 자연수임.
A preprocessor for removing noise of EEG signals measured from a plurality of electrodes for each class to be classified by applying an adaptive noise cancellation algorithm and obtaining preprocessed EEG signals;
The preprocessed EEG signals are rotated at an angle (
Figure 112020053507590-pat00035
) By using a rotation matrix having a rotation unit to obtain rotation EEG signals;
The rotation angle (
Figure 112020053507590-pat00036
) A calculation unit that calculates correlation coefficients between the rotational EEG signals, and calculates a Fisher`s ratio with respect to the correlation coefficients between the rotational EEG signals;
A feature extraction unit for optimizing correlation coefficients between the rotational EEG signals to obtain optimum correlation coefficients, and extracting n optimum correlation coefficients as feature vectors in the order of the highest Fisher ratio among the optimum correlation coefficients; And
A classification unit for learning a classifier using the feature vector,
The feature extraction unit is the rotation angle (
Figure 112020053507590-pat00045
Extracting a correlation coefficient at the highest Fisher ratio among the correlation coefficients between the rotational EEG signals calculated for each) as an optimal correlation coefficient,
Movement image classification device.
Where n is a natural number.
제8항에 있어서,
상기 전처리부는
상기 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 산출하고, 상기 뇌전도 신호들 간에 상관계수들 중에서 기 설정된 임계값 이하의 뇌전도 신호들 간에 상관계수들을 갖는 뇌전도 신호들을 래퍼런스 신호들로 선택하는 설정부를 더 포함하고,
상기 뇌전도 신호들 및 래퍼런스 신호들에 대하여 적응형 필터를 업데이트하면서 상기 전처리된 뇌전도 신호들을 얻는 운동심상 분류 장치.
The method of claim 8,
The pretreatment unit
Further comprising a setting unit for calculating correlation coefficients between the EEG signals and selecting EEG signals having correlation coefficients between EEG signals less than a preset threshold among the correlation coefficients between the EEG signals as reference signals,
A motor image classification apparatus for obtaining the preprocessed EEG signals while updating an adaptive filter for the EEG signals and reference signals.
제8항에 있어서,
상기 피셔 비율은 아래의 수학식 1에 의해 정의되는 운동심상 분류 장치.
[수학식 1]
Figure 112018093416163-pat00037

여기서, F는 피셔 비율, m1과 m2는 각각 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 평균, v1과 v2는 각각 클래스 1,2에 대한 상관계수들의 분산.
The method of claim 8,
The Fisher ratio is a motion image classification device defined by Equation 1 below.
[Equation 1]
Figure 112018093416163-pat00037

Where F is the Fisher ratio, m 1 and m 2 are the averages of the correlation coefficients for class 1,2, respectively, and v 1 and v 2 are the variances of the correlation coefficients for class 1,2, respectively.
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