KR102239984B1 - Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG - Google Patents

Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG Download PDF

Info

Publication number
KR102239984B1
KR102239984B1 KR1020190017896A KR20190017896A KR102239984B1 KR 102239984 B1 KR102239984 B1 KR 102239984B1 KR 1020190017896 A KR1020190017896 A KR 1020190017896A KR 20190017896 A KR20190017896 A KR 20190017896A KR 102239984 B1 KR102239984 B1 KR 102239984B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
eeg
graph theory
resting
theory analysis
patient
Prior art date
Application number
KR1020190017896A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20200099811A (en
KR102239984B9 (en
Inventor
박상현
김정빈
이광식
박건우
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 고려대학교 산학협력단 filed Critical 고려대학교 산학협력단
Priority to KR1020190017896A priority Critical patent/KR102239984B1/en
Publication of KR20200099811A publication Critical patent/KR20200099811A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102239984B1 publication Critical patent/KR102239984B1/en
Publication of KR102239984B9 publication Critical patent/KR102239984B9/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/24Detecting, measuring or recording bioelectric or biomagnetic signals of the body or parts thereof
    • A61B5/316Modalities, i.e. specific diagnostic methods
    • A61B5/369Electroencephalography [EEG]
    • A61B5/372Analysis of electroencephalograms
    • A61B5/374Detecting the frequency distribution of signals, e.g. detecting delta, theta, alpha, beta or gamma waves
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7246Details of waveform analysis using correlation, e.g. template matching or determination of similarity
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7264Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235Details of waveform analysis
    • A61B5/7264Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems
    • A61B5/7267Classification of physiological signals or data, e.g. using neural networks, statistical classifiers, expert systems or fuzzy systems involving training the classification device
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/74Details of notification to user or communication with user or patient ; user input means
    • A61B5/742Details of notification to user or communication with user or patient ; user input means using visual displays
    • A61B5/743Displaying an image simultaneously with additional graphical information, e.g. symbols, charts, function plots

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Fuzzy Systems (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

본 발명은 환자의 휴지기 뇌파를 이용하여 뇌전증 여부, 더 나아가서는 뇌 네트워크 변화정도를 진단할 수 있도록 하는 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법에 관한 것으로, 이는 기 저장된 의료 데이터로부터 다수의 휴지기 뇌파를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하는 뇌파 자료 수집부; 환자 뇌파를 측정한 후, 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출 및 제공하는 뇌파 측정부; 신경망 학습시에는 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하고, 환자 뇌파 분석시에는 상기 환자 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하는 기능적 연결성 매트릭스 생성부; 상기 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여, 그래프 이론 분석값을 파악하는 그래프 이론 분석부; 신경망 학습 시에, 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대응되는 그래프 이론 분석값은 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성한 후, 상기 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 반복 학습시키는 신경망 학습부; 및 환자 뇌파 분석 시에, 상기 신경망을 이용하여 상기 환자 뇌파로부터 도출된 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 파악 및 통보하는 뇌전증 분석부를 포함할 수 있다. The present invention relates to an apparatus and method for providing epilepsy diagnosis information for diagnosing whether or not there is epilepsy, and further, a degree of brain network change, using a patient's resting EEG, which is used to generate a plurality of resting EEG from pre-stored medical data. After obtaining, the brain wave data collection unit for classifying and storing according to the degree of change in the brain network; After measuring the patient's EEG, the EEG measurement unit for extracting and providing only the EEG corresponding to the resting period; A functional connectivity matrix generator for generating a functional connectivity matrix for each resting EEG stored in the EEG data collection unit when learning a neural network, and for generating a functional connectivity matrix for the patient EEG when analyzing a patient EEG; A graph theory analysis unit for grasping a graph theory analysis value by performing a graph theory analysis on the functional connectivity matrix; When learning a neural network, a graph theory analysis value corresponding to each resting EEG stored in the EEG data collection unit is taken as an input condition, and a plurality of learning data having a degree of brain network change as an output condition is generated, and then the plurality of learning. A neural network learning unit that repeatedly trains a neural network through data; And an epilepsy analyzer configured to grasp and report a degree of change in a brain network corresponding to a graph theory analysis value derived from the patient EEG using the neural network when analyzing the patient EEG.

Figure R1020190017896
Figure R1020190017896

Description

휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법{Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG}Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG}

본 발명은 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 환자의 휴지기 뇌파를 이용하여 뇌전증 여부, 더 나아가 뇌 네트워크 변화 정도를 진단할 수 있도록 하는 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for providing epilepsy diagnosis information using quiescent EEG, and in particular, an apparatus for providing epilepsy diagnosis information capable of diagnosing whether or not there is epilepsy, and furthermore, the degree of brain network change using a patient’s quiescent EEG, and It's about the method.

인간의 뇌는 분명히 복잡한 시스템이며, 시공간적 역학을 나타낸다. 인간의 뇌 역학을 조사하기 위한 기술들 중 EEG(electroencephalogram)는 millisecond 단위의 시간적 해상도와 대뇌 피질의 활동의 직접적인 측정을 제공한다. EEG 전위는 1929년 Berger에 의해 처음 기록 된 이후, EEG는 뇌 역학 연구 및 정신 분열증 진단과 같이 많은 임상 설정에 사용되어져 왔다. 또한 EEG 신호는 뇌 장애를 조사하기 위해 임상적으로 널리 사용되었다. 뇌전증 환자의 경우, EEG의 모니터링은 뇌전증 환자의 상태를 확인 할 수 있는 중요한 요소이다. 따라서 EEG를 사용하는 다양한 방법은 뇌전증을 감지하고 탐지하기 위해 제안되어져 왔다.The human brain is clearly a complex system and exhibits spatiotemporal dynamics. Among the techniques for investigating the human brain dynamics, the electroencephalogram (EEG) provides a temporal resolution in milliseconds and a direct measurement of cortical activity. Since EEG translocation was first recorded by Berger in 1929, EEG has been used in many clinical settings, such as brain epidemiology studies and schizophrenia diagnosis. In addition, EEG signals have been widely used clinically to investigate brain disorders. In the case of patients with epilepsy, monitoring of EEG is an important factor in confirming the condition of patients with epilepsy. Therefore, various methods using EEG have been proposed to detect and detect epilepsy.

뇌전증은 뇌질환 중에서 두 번째로 흔한 질병으로서 전 세계 인구의 1%가 이 질병으로 고통을 받고 있다. 뇌전증은 예측이 불가능하고 통제가 안 되는 발작의 발생에 의해 특징 지워지는 질병이다. 이러한 뇌전증발작을 미리 예측하고 통제하기 위해 많은 기법들이 연구되어 왔다. 이러한 대표적인 기법 중 하나는 F. Mormann 등에 의해 발표된 "On the predictability of epileptic seizures"로서 2005년도에 Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology에 게재된 것이다. Epilepsy is the second most common brain disease, and 1% of the world's population suffers from it. Epilepsy is a disease characterized by the occurrence of unpredictable and uncontrolled seizures. Many techniques have been studied to predict and control these epilepsy attacks in advance. One of these techniques is "On the predictability of epileptic seizures" published by F. Mormann et al., published in Clinical Neurophysiology: Official Journal of the International Federation of Clinical Neurophysiology in 2005.

이 논문에 따르면, 뇌전증 발작이 발생하기 전인 전조구간에서, 뇌전증 환자의 뇌에서 측정한 EEG 신호의 델타(delta) (0.5-4Hz) 대역 주파수 성분이 다른 모든 대역들의 주파수 성분들에 비해 상대적으로 감소함을 설명하고 있다. According to this paper, the delta (0.5-4 Hz) band frequency component of the EEG signal measured in the brain of a patient with epilepsy in the prognostic period before the onset of epileptic seizures is relative to the frequency components of all other bands. It is explained that it decreases to.

하지만 이 기법만으로는 모든 뇌전증 발작들에 대하여 전조구간을 명확히 탐지해내지 못하는 단점이 존재한다. 그리고 뇌전증발작 발생 빈도가 낮은 환자의 경우, 뇌전증 질환이 있음에도 진단이 매우 어려워지는 단점도 존재한다. However, this technique alone has the disadvantage of not being able to clearly detect the precursor section for all epileptic seizures. In addition, in the case of patients with low incidence of epilepsy seizures, there is also a disadvantage that diagnosis becomes very difficult even if they have epilepsy disease.

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 환자의 휴지기 뇌파를 이용하여 뇌전증 여부, 더 나아가서는 뇌 네트워크 변화정도를 진단할 수 있도록 하는 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법을 제공하고자 한다. In order to solve the above problems, the present invention is to provide an apparatus and method for providing epilepsy diagnosis information to diagnose whether or not there is epilepsy, and furthermore, the degree of change in the brain network by using a patient's resting EEG. .

또한 정상인과 뇌전증 질환자의 휴지기 뇌파에 대한 기능적 연결성 분석을 수행하고, 이를 딥러닝(또는 머신 러닝)하여 뇌전증 진단에 이용하도록 하는 뇌전증 진단 정보 제공 장치 및 방법도 제공하고자 한다. In addition, it is intended to provide an apparatus and method for providing epilepsy diagnosis information in which functional connectivity analysis is performed on the resting EEG of a normal person and a person with epilepsy, and deep-learning (or machine learning) the same for use in diagnosing epilepsy.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the above-mentioned object, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 기 저장된 의료 데이터로부터 다수의 휴지기 뇌파를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하는 뇌파 자료 수집부; 환자 뇌파를 측정한 후, 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출 및 제공하는 뇌파 측정부; 신경망 학습시에는 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하고, 환자 뇌파 분석시에는 상기 환자 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하는 기능적 연결성 매트릭스 생성부; 상기 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여, 그래프 이론 분석값을 파악하는 그래프 이론 분석부; 신경망 학습 시에, 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대응되는 그래프 이론 분석값은 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성한 후, 상기 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 반복 학습시키는 신경망 학습부; 및 환자 뇌파 분석 시에, 상기 신경망을 이용하여 상기 환자 뇌파로부터 도출된 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 파악 및 통보하는 뇌전증 분석부를 포함하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치를 제공할 수 있다. As a means for solving the above problems, according to an embodiment of the present invention, after obtaining a plurality of resting EEG from pre-stored medical data, the EEG data collection unit for classifying and storing according to the degree of change in the brain network; After measuring the patient's EEG, the EEG measurement unit for extracting and providing only the EEG corresponding to the resting period; A functional connectivity matrix generator for generating a functional connectivity matrix for each resting EEG stored in the EEG data collection unit when learning a neural network, and for generating a functional connectivity matrix for the patient EEG when analyzing a patient EEG; A graph theory analysis unit for grasping a graph theory analysis value by performing graph theory analysis on the functional connectivity matrix; When learning a neural network, a graph theory analysis value corresponding to each resting EEG stored in the EEG data collection unit is taken as an input condition, and a plurality of learning data having a degree of brain network change as an output condition is generated, and then the plurality of learning A neural network learning unit that repeatedly trains a neural network through data; And an epilepsy analysis unit for grasping and notifying a degree of change in a brain network corresponding to a graph theory analysis value derived from the patient EEG using the neural network when analyzing a patient EEG. Can provide.

상기 기능적 연결성 매트릭스 생성부는 상기 휴지기 뇌파 또는 상기 환자 뇌파가 입력되면, 입력 뇌파를 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파로 필터링한 후, 상기 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n(n는 전극의 채널수) 기능적 연결성 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 한다. When the functional connectivity matrix generator is input to the resting EEG or the patient EEG, it filters the input EEG with delta, theta, alpha, beta, and gamma bands, and then the delta, theta, alpha, beta, and gamma band EEG. It is characterized by generating a functional connectivity matrix for each n×n (n is the number of channels of the electrode).

상기 그래프 이론 분석부는 상기 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행함으로써, 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값을 획득하는 것을 특징으로 한다. The graph theory analysis unit is characterized in that to obtain a graph theory analysis value for each EEG band by performing a graph theory analysis on an n×n functional connectivity matrix for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma EEG bands. .

상기 그래프 이론 분석값은 군집 계수(clustering coefficient), 전반적 효율성(global efficiency), 평균 최단 경로 길이(characteristic path length), 및 모듈성(modularity)을 포함하는 것을 특징으로 한다. The graph theory analysis value is characterized by including a clustering coefficient, a global efficiency, a characteristic path length, and a modularity.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면 기 저장된 의료 데이터로부터 다수의 휴지기 뇌파를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하는 단계; 상기 휴지기 뇌파를 순차적으로 선택하면서, 상기 선택된 휴지기 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성한 후, 상기 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여 그래프 이론 분석값을 획득하는 단계; 상기 그래프 이론 분석값을 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성한 후, 상기 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 학습시키는 단계; 상기 신경망이 학습 완료된 상태에서, 환자 뇌파가 측정되면, 상기 환자 뇌파에서 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출하는 단계; 상기 환자 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성한 후 상기 그래프 이론 분석을 수행하여 환자 뇌파의 그래프 이론 분석값을 획득하는 단계; 및 상기 신경망을 이용하여 상기 환자 뇌파의 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 파악한 후, 상기 파악된 뇌 네트워크 변화 정도에 대한 정보를 가지는 진단 정보를 생성 및 출력하는 단계를 포함하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 방법을 제공할 수 있다. As a means for solving the above problem, according to another embodiment of the present invention, after acquiring a plurality of dormant brain waves from pre-stored medical data, classifying and storing according to the degree of brain network change; Sequentially selecting the resting brain waves, generating a functional connectivity matrix for the selected resting brain waves, and then performing a graph theory analysis on the functional connectivity matrix to obtain a graph theory analysis value; Generating a plurality of training data having the graph theory analysis value as an input condition and a brain network change degree as an output condition, and then training a neural network through the plurality of training data; Extracting only the EEG corresponding to the resting period from the patient EEG when the patient's EEG is measured while the neural network is completely trained; Generating a functional connectivity matrix for the patient's brain waves and then performing the graph theory analysis to obtain a graph theory analysis value of the patient's brain waves; And generating and outputting diagnostic information having information on the determined degree of change in the brain network after determining the degree of change in the brain network corresponding to the graph theory analysis value of the patient EEG using the neural network. A method of providing epilepsy diagnosis information using may be provided.

본 발명은 환자의 휴지기 뇌파를 이용하여 뇌전증 여부, 더 나아가서는 뇌 네트워크 변화정도까지 진단할 수 있도록 한다. The present invention makes it possible to diagnose whether or not there is epilepsy, and furthermore, the degree of brain network change using the patient's resting EEG.

또한 정상인과 뇌전증 질환자의 휴지기 뇌파에 대한 기능적 연결성 분석을 수행하고, 이를 딥러닝(또는 머신 러닝)하여 뇌전증 진단에 이용하도록 함으로써, 뇌전증 진단을 보다 신속, 정확하게 수행할 수 있도록 한다. In addition, by performing a functional connection analysis of the resting EEG of a normal person and a person with epilepsy disease, deep learning (or machine learning) and using it for epilepsy diagnosis, it is possible to perform epilepsy diagnosis more quickly and accurately.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치를 도시한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 측정부의 전극 배치법의 일예를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌전증 진단 정보 제공 장치에서 이용하고자 하는 그래프 이론 분석값을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌전증 진단을 위한 신경망 학습 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌전증 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a diagram illustrating an apparatus for providing diagnosis information for epilepsy using resting brain waves according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an example of an electrode arrangement method of an EEG measurement unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a graph theory analysis value to be used in the apparatus for providing diagnosis information for epilepsy according to an embodiment of the present invention.
4 and 6 are diagrams for explaining a neural network learning method for diagnosing epilepsy according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a method for diagnosing epilepsy according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Objects and effects of the present invention, and technical configurations for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various different forms. The present embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete, and to fully inform the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, and the present invention is defined by the scope of the claims. It just becomes. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the present specification.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치를 도시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating an apparatus for providing diagnosis information for epilepsy using resting brain waves according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참고하면, 본 발명의 뇌전증 진단 정보 제공 장치는 뇌파 자료 수집부(10), 뇌파 측정부(20), 기능적 연결성 매트릭스 생성부(30), 그래프 이론 분석부(40), 신경망 학습부(50), 및 뇌전증 분석부(60) 등을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, the apparatus for providing epilepsy diagnosis information of the present invention includes an EEG data collection unit 10, an EEG measurement unit 20, a functional connectivity matrix generation unit 30, a graph theory analysis unit 40, and a neural network learning. It may include a unit 50, and an epilepsy analysis unit 60, and the like.

뇌파 자료 수집부(10)는 의료 기관, 정부 기관 등에 의해 관리되는 의료 데이터 서버(즉, 외부 장치)에 접속하여, 의료 데이터 서버에 의해 저장 및 관리되는 의료 데이터로부터 신경망 학습에 필요한 휴지기 뇌파만을 획득한다. 그리고 획득된 휴지기 뇌파를 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 구분하여 수집 및 저장하도록 한다. The EEG data collection unit 10 connects to a medical data server (i.e., an external device) managed by a medical institution, a government institution, etc., and acquires only the resting EEG required for neural network learning from the medical data stored and managed by the medical data server. do. In addition, the acquired resting EEG is collected and stored according to the degree of change in the brain network.

예를 들어, 뇌 네트워크 변화 정도는 초기, 중기, 말기, 정상으로 나뉠 수 있으며, 뇌 네트워크 변화 정도별 휴지지 뇌파 개수는 모두 유사한 것이 가장 바람직할 것이다. For example, the degree of change in the brain network can be divided into early, middle, late, and normal, and it would be most preferable that the number of resting EEGs for each degree of brain network change are all similar.

뇌파 측정부(20)는 환자 뇌파를 일정 시간에 걸쳐 측정한 후, 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출 및 제공하도록 한다. 즉, 휴지기 뇌파를 이용하여 신경망 학습과 신경망 분석 모두를 수행할 수 있도록 한다. The EEG measurement unit 20 measures the patient's EEG over a certain period of time, and then extracts and provides only EEG corresponding to the resting period. In other words, it is possible to perform both neural network learning and neural network analysis using resting EEG.

더하여, 본 발명의 뇌파 측정부(20)는 공지된 기술에 따른 전극 배치법 모두를 이용하여 환자 뇌파를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 2에서와 같이 국제 10/20 시스템에 따라 배치된 19개 전극(Fp1, Fp2, F7, F8, F3, F4, FZ, T3, T4, C3, C4, CZ, T5, T6, P3, P4, PZ, O1, O2)와 2 개의 기준 전극 (FPZ, OZ)을 이용하여 환자 뇌파를 측정 가능하나, 이는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다. In addition, the EEG measurement unit 20 of the present invention may measure a patient EEG using all of the electrode arrangement methods according to known techniques. For example, as shown in Fig. 2, 19 electrodes (Fp1, Fp2, F7, F8, F3, F4, FZ, T3, T4, C3, C4, CZ, T5, T6, P3, P4, PZ, O1, O2) and two reference electrodes (FPZ, OZ) can be used to measure the patient's EEG, but this can be variously changed as needed.

또한 뇌파의 전체 신호 구간에서 극파(spikes) 및 잡음(artifacts)이 미포함된 구간의 신호만을 시계열 신호 형태로 추출 및 저장함으로써, 이후의 뇌파 분석 동작을 수행할 수 있도록 한다. In addition, by extracting and storing only the signal of the section in which spikes and artifacts are not included in the entire signal section of the EEG, it is possible to perform the subsequent EEG analysis operation.

기능적 연결성 매트릭스 생성부(30)는 신경망 학습시에는 뇌파 자료 수집부(10)에 저장된 휴지기 뇌파를 입력받고, 환자 뇌파 분석시에는 뇌파 측정부(20)를 통해 측정된 환자 뇌파를 입력받도록 한다. 그리고 입력 뇌파로부터 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파를 추출한 후, 이들 각각에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성 및 출력하도록 한다. The functional connectivity matrix generation unit 30 receives the resting EEG stored in the EEG data collection unit 10 when learning the neural network, and receives the patient EEG measured through the EEG measurement unit 20 when analyzing the patient EEG. Then, after extracting the EEG in the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands from the input EEG, a functional connectivity matrix is generated and output for each of them.

그래프 이론 분석부(40)는 기능적 연결성 매트릭스 각각에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여 군집 계수(clustering coefficient; CC), 전반적 효율성(global efficiency; GE), 평균 최단 경로 길이(characteristic path length), 및 모듈성(modularity)을 포함하는 그래프 이론 분석값을 파악하도록 한다. The graph theory analysis unit 40 performs a graph theory analysis on each functional connectivity matrix to provide a clustering coefficient (CC), global efficiency (GE), average characteristic path length, and modularity. The analysis value of graph theory including (modularity) should be identified.

이때, 군집 계수(clustering coefficient; CC)는 로컬 클러스터링 또는 네트워크의 복잡 정도를 의미하는 것으로, 이는 수학식1에서와 같이 한 노드에 대한 이웃 노드(연결된 노드)들 사이에 관측된 연결 수를 모든 가능한 연결수로 나눔으로써 산출 가능하다. At this time, the clustering coefficient (CC) refers to the degree of local clustering or the complexity of the network, and this means that the number of observed connections between neighboring nodes (connected nodes) for one node as shown in Equation 1 is all possible. It can be calculated by dividing by the number of connections.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019016220959-pat00001
Figure 112019016220959-pat00001

여기서, ki 는 i 번째 노드 강도(node degree), N은 연결망에 포함된 모든 노드의 수, wij 는 노드 i와 j 간의 연결성 강도, wih 는 노드 i와 h 간의 연결성 강도, wjh 는 노드 j와 h 간의 연결성 강도, ti 는 i 번째 노드를 포함하여 삼각형을 이루는 각 연결성들의 기하학적 평균을 나타낸다. 참고로, 노드 강도(node degree)는 한 노드와 다른 모든 노드간의 연결성의 합이다.Where k i is the ith node degree, N is the number of all nodes in the network, w ij is the strength of connectivity between nodes i and j, w ih is the strength of connectivity between nodes i and h, and w jh is The strength of the connectivity between nodes j and h, t i represents the geometric mean of each connectivity that forms a triangle including the i-th node. For reference, node degree is the sum of connectivity between one node and all other nodes.

전반적 효율성(global efficiency; GE)은 전체 네트워크에서의 정보 전파 효율성을 의미하는 것으로, 수학식 2에서와 같이 모든 노드 효율성(Node efficiency)의 평균으로 산출될 수 있다. Global efficiency (GE) refers to information propagation efficiency in the entire network, and may be calculated as an average of all node efficiencies as shown in Equation 2.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019016220959-pat00002
Figure 112019016220959-pat00002

여기서, Eglob는 전반적 효율성, Ei는 노드 효율성(Node efficiency), dij는 최소 경로 길이(Shortest path length), f는 가중치(weight)를 길이(length)로 변환하는 함수,

Figure 112019016220959-pat00003
는 노드 i 와 j 간의 가장 짧은 가중치 경로, wuv는 노드 u와 v간의 연결성 강도, auv는 A라는 인접 매트릭스(adjacent matrix)의 u행 v열을 의미한다. Here, E glob is the overall efficiency, E i is the node efficiency, d ij is the shortest path length, f is a function that converts weight to length,
Figure 112019016220959-pat00003
Is the shortest weight path between nodes i and j, w uv is the strength of connectivity between nodes u and v, and a uv is the u row v column of the adjacent matrix of A.

평균 최단 경로 길이(characteristic path length)은 네트워크의 전반적 라우팅 효율 정도를 나타내는 것으로, 모든 노드의 경로 길이(path length)를 평균함으로써 산출 가능하다. The average characteristic path length indicates the degree of overall routing efficiency of the network, and can be calculated by averaging the path lengths of all nodes.

모듈성(modularity)는 기능적 연결성 매트릭스의 계층적 모듈 구조를 의미하는 것으로, 수학식 3에 따라 산출 가능하다. Modularity refers to a hierarchical module structure of a functional connectivity matrix, and can be calculated according to Equation 3.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019016220959-pat00004
Figure 112019016220959-pat00004

여기서, l은 그래프에서의 노드 사이 연결선(edge)의 수, Aij는 인접 매트릭스, ki 는 i 번째 노드 강도(node degree),

Figure 112019016220959-pat00005
는 크로네커 델타(Kronecker delta)이다. Where l is the number of edges between nodes in the graph, A ij is the adjacency matrix, k i is the i-th node degree,
Figure 112019016220959-pat00005
Is the Kronecker delta.

참고로, 휴지기 뇌파에 대한 그래프 이론 분석을 수행하면, 도 3에서와 같은 여러 가지 변수(measure)가 획득되나, 본 발명에서는 이들 변수들 중 상기의 4개 변수만을 뇌전증 진단에 이용하도록 한다. For reference, when performing a graph theory analysis on the resting EEG, various measures as shown in FIG. 3 are obtained, but in the present invention, only the above four variables are used for the diagnosis of epilepsy.

이는 각 주파수 대역(즉, 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역)에서의 그래프 이론 분석을 수행한 결과, 모든 주파수 대역에서 공통적으로 0.05 미만의 유의 확률(p-value)을 가지며, 또한 뇌전증 발병 기전에 중요한 뇌 네트워크 이상을 반영해주는 변수들이기 때문이다. This is a result of performing graph theory analysis in each frequency band (i.e., delta, theta, alpha, beta, gamma band), and has a significance probability (p-value) of less than 0.05 in common in all frequency bands, and also epilepsy. This is because they are variables that reflect important brain network abnormalities in pathogenesis.

신경망 학습부(50)는 신경망 학습 시에 동작 활성화되며, 우선 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대응되는 그래프 이론 분석값을 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성하도록 한다. 그리고 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 반복 학습시킴으로써, 신경망에 그래프 이론 분석값과 뇌전증 환자의 네트워크 변화 정도에 대한 상관관계가 학습되도록 한다. The neural network learning unit 50 is activated when learning a neural network, and first, a plurality of learning having a graph theory analysis value corresponding to each resting EEG stored in the EEG data collection unit as an input condition, and the degree of brain network change as an output condition. Create the data. In addition, by repeatedly learning the neural network through a large number of learning data, the correlation between the graph theory analysis value and the degree of network change of epilepsy patients is learned in the neural network.

뇌전증 분석부(60)는 환자 뇌파 분석 시에 동작 활성화된다. 이는 환자 뇌파로부터 도출된 그래프 이론 분석값을 신경망에 제공함으로써, 신경망이 현재 입력된 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 획득 및 출력하도록 한다. 그리고 신경망을 통해 파악된 뇌 네트워크 변화 정도에 대한 정보를 포함하는 진단 정보를 생성하여 사용자에 시청각적으로 안내하거나, 기 설정된 장치유선 또는 무선 통신망을 통해 외부 장치에 제공한 시청각적으로 안내하기 위한 정보를 생성 및 제공하도록 한다. The epilepsy analysis unit 60 is activated when analyzing the patient's EEG. This provides the graph theory analysis value derived from the patient's brain waves to the neural network, so that the neural network acquires and outputs the degree of change in the brain network corresponding to the currently input graph theory analysis value. In addition, diagnostic information including information on the degree of change in the brain network identified through a neural network is generated to provide audio-visual guidance to the user, or information for audio-visual guidance provided to an external device through a preset device wired or wireless communication network. To create and provide.

이하, 도 4 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 방법을 상세히 살펴보기로 한다. Hereinafter, a method of providing diagnosis information for epilepsy using resting EEG according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 4 to 7.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌전증 진단을 위한 신경망 학습 방법을 설명하기 위한 도면이다. 4 is a diagram illustrating a neural network learning method for diagnosing epilepsy according to an embodiment of the present invention.

단계 S110에서는, 뇌전증 진단을 위한 신경망 학습이 요청되면, 뇌파 자료 수집부(10)가 이에 응답하여 기 설정된 의료 데이터 서버에 접속하여 다수의 휴지기 뇌파 신호를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하도록 한다. In step S110, when learning a neural network for diagnosing epilepsy is requested, the EEG data collection unit 10 accesses a preset medical data server in response thereto to obtain a plurality of dormant EEG signals, and then according to the degree of change in the brain network. Sort and save.

단계 S120에서는, 단계 S110을 통해 수집된 다수의 휴지기 뇌파 중 하나를 선택하여, 이에 대응되는 학습 데이터를 생성하도록 한다. 즉, 다수의 휴지기 뇌파를 순차적으로 선택하면서, 이에 대응되는 다수의 학습 데이터를 생성하도록 한다. In step S120, one of a plurality of resting brain waves collected through step S110 is selected to generate learning data corresponding thereto. That is, while sequentially selecting a plurality of resting brain waves, a plurality of learning data corresponding thereto is generated.

단계 S130에서는, 기능적 연결성 매트릭스 생성부(30)가 단계 S120를 통해 선택된 휴지기 뇌파를 기 등록된 델타 뇌파 필터(0~4 Hz), 세타 뇌파 필터(4~8 Hz), 알파 뇌파 필터(8~12 Hz), 베타 뇌파 필터(12~20 Hz), 감마 뇌파 필터(20~40 Hz)를 통해 필터링함으로써, 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파를 추출하도록 한다.In step S130, the functional connectivity matrix generation unit 30 uses the previously registered delta brain wave filter (0-4 Hz), theta brain wave filter (4-8 Hz), and alpha brain wave filter (8-Hz) for the resting brain wave selected through step S120. 12 Hz), beta EEG filter (12-20 Hz), and gamma EEG filter (20-40 Hz) to extract EEG in delta, theta, alpha, beta, and gamma bands.

단계 S140에서는, 기능적 연결성 매트릭스 생성부(30)가 도 5에서와 같은 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n(n는 전극 개수) 기능적 연결성 매트릭스를 생성하도록 한다. 이때, n×n 기능적 연결성 매트릭스는 서로 상이한 뇌 영역간 기능성 연결성을 19개의 뇌 영역 각각에 대해 측정 및 저장함으로써 획득 가능하다. 뇌 영역 간 기능적 연결성은 서로 상이한 2 개의 뇌 영역에서 측정한 2 개 뇌파의 동시성(coherence value)을 정량화한 값으로, 0에서 1 사이의 범위에 있으며, 동시성이 1인 경우에는 두 뇌파가 강하게 동기화되어 있다는 것을 의미하고 동시성이 0에 근접한다는 것은 두 뇌파의 상호 연관성이 적다는 것을 의미한다.In step S140, the functional connectivity matrix generation unit 30 generates a functional connectivity matrix n×n (n is the number of electrodes) for each of the brain waves in the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands as shown in FIG. 5. In this case, the n×n functional connectivity matrix can be obtained by measuring and storing functional connectivity between different brain regions for each of the 19 brain regions. Functional connectivity between brain regions is a quantification of the coherence value of two EEGs measured in two different brain regions, and is in the range of 0 to 1, and when the synchronization is 1, the two EEGs are strongly synchronized. It means that the two brain waves are not correlated with each other, and that the synchronicity is close to zero.

단계 S150에서는, 그래프 이론 분석부(40)가 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행함으로써, 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값(즉, 군집 계수(clustering coefficient; CC), 전반적 효율성(global efficiency; GE), 평균 최단 경로 길이(characteristic path length), 및 모듈성(modularity))을 추출하도록 한다.In step S150, the graph theory analysis unit 40 performs a graph theory analysis on the n×n functional connectivity matrix for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands of EEG, so that the graph theory analysis value for each EEG band ( That is, the clustering coefficient (CC), global efficiency (GE), average characteristic path length, and modularity) are extracted.

단계 S160에서는, 신경망 학습부(50)가 단계 S150를 통해 추출된 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값을 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 학습 데이터를 획득 및 저장하도록 한다. In step S160, the neural network learning unit 50 obtains and stores learning data having a graph theory analysis value for each EEG band extracted through step S150 as an input condition and a degree of brain network change as an output condition.

참고로, 정상인과 뇌전증 질환자의 그래프 이론 분석값은 도 6에 도시된 바와 같이 서로 상이한 발생 패턴을 가짐을 알 수 있다. 이에 본 발명의 정상인과 뇌전증 질환자의 휴지기 뇌파를 기반으로 그래프 이론 분석값과 뇌 네트워크 변화 정도(초기, 중기, 말기, 정상)간 상관관계를 반영하는 학습 데이터를 생성 및 신경망을 학습시킴으로써, 차후 신경망에 기반한 뇌 네트워크 변화 정도 산출 동작이 가능하도록 한다. For reference, it can be seen that the graph theory analysis values of the normal person and the epilepsy disease person have different occurrence patterns as shown in FIG. 6. Therefore, by generating learning data reflecting the correlation between the graph theory analysis value and the degree of brain network change (early, mid-term, late-stage, normal) based on the resting brain waves of the normal person and the epileptic disease patient of the present invention, and by learning the neural network, It enables the calculation of the degree of change in the brain network based on neural networks.

상기의 단계 S120 내지 단계 S160은 다수의 휴지기 뇌파 모두에 대한 학습 데이터가 생성될 때까지 반복 수행된다.The above steps S120 to S160 are repeatedly performed until learning data for all of the plurality of resting brain waves are generated.

즉, 단계 S170에서는 다수의 휴지기 뇌파 모두가 선택, 이에 대응되는 학습 데이터가 생성되었는지 확인한 후, 만약 그렇지 않으면 다시 단계 S120에 재진입하도록 한다. That is, in step S170, it is checked whether all of the plurality of resting brain waves are selected and learning data corresponding thereto is generated, and if not, the step S120 is re-entered.

반면, 다수의 휴지기 뇌파 모두가 선택 완료되었으면, 단계 S180로 진입하고, 신경망 학습부(50)는 현재까지 획득된 다수개의 학습 데이터를 통해 신경망을 반복 학습시킴으로써, 신경망에 그래프 이론 분석값과 뇌 네트워크 변화 정도의 상관관계가 학습되도록 한다. On the other hand, if all of the plurality of resting EEG are selected, the process proceeds to step S180, and the neural network learning unit 50 iteratively learns the neural network through a plurality of learning data acquired so far, so that the graph theory analysis value and the brain network are applied to the neural network. Let the correlation of the degree of change be learned.

이와 같이, 신경망이 학습 완료된 상태에서 사용자에 의해 뇌전증 진단이 요청되면, 도 7에서와 같이 신경망 기반으로 뇌전증 진단 동작이 수행되도록 한다. In this way, when the user requests the diagnosis of epilepsy in a state in which the neural network is completely trained, the epilepsy diagnosis operation is performed based on the neural network as shown in FIG. 7.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌전증 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다. 7 is a diagram illustrating a method for diagnosing epilepsy according to an embodiment of the present invention.

먼저, 단계 S210에서는, 환자에게 소리 및 전파 방해가 없는 환경에서 편안한 자세를 취하고, 입과 눈을 감기를 요청한 후, 뇌파 측정부(20)를 통해 환자 뇌파를 측정한다. 그리고 환자 뇌파에서 극파(spikes) 및 잡음(artifacts)이 미포함되며 휴지기 구간에 대응되는 뇌파만을 추출 및 출력하도록 한다. First, in step S210, after requesting the patient to take a comfortable posture in an environment where there is no sound and radio wave interference, close his mouth and eyes, the patient's EEG is measured through the EEG measurement unit 20. In addition, spikes and artifacts are not included in the patient's EEG, and only EEG corresponding to the resting period is extracted and output.

단계 S220에서는, 기능적 연결성 매트릭스 생성부(30)가 환자 뇌파를 델타 뇌파 필터, 세타 뇌파 필터, 알파 뇌파 필터, 베타 뇌파 필터, 감마 뇌파 필터를 통해 필터링하여 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파만을 추출한다(S220). In step S220, the functional connectivity matrix generation unit 30 filters the patient's EEG through a delta EEG filter, a theta EEG filter, an alpha EEG filter, a beta EEG filter, and a gamma EEG filter. Only brain waves are extracted (S220).

단계 S230에서는, 앞서 설명된 단계 S122와 동일한 방식으로 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n(n는 전극의 채널수) 기능적 연결성 매트릭스를 생성하도록 한다(S230). In step S230, n×n (n is the number of electrode channels) functional connectivity matrix for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma band EEG bands is generated in the same manner as in step S122 described above (S230).

단계 S240에서는, 그래프 이론 분석부(40)를 통해 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값을 추출하도록 한다. In step S240, graph theory analysis is performed on the n×n functional connectivity matrix for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands through the graph theory analysis unit 40 to obtain graph theory analysis values for each brain wave band. Let's extract it.

단계 S250에서는 단계 S240을 통해 추출된 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값을 학습 완료된 신경망에 입력함으로써, 신경망을 통해 환자 뇌파에 대응되는 네트워크 변화 정도(즉, 초기, 중기, 말기, 정상) 또는 뇌전증 여부(즉, 뇌 네트워크 변화 정도가 기 설정된 정도 이상인지)를 파악 및 통보하도록 한다(S250). In step S250, the graph theory analysis value for each EEG band extracted through step S240 is input to the learned neural network, and the degree of network change corresponding to the patient's EEG through the neural network (i.e., early, mid-stage, late-stage, normal) or epilepsy. (That is, whether the degree of change in the brain network is greater than or equal to a preset degree) is determined and notified (S250).

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

기 저장된 의료 데이터로부터 다수의 휴지기 뇌파를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하는 뇌파 자료 수집부;
환자 뇌파를 측정한 후, 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출 및 제공하는 뇌파 측정부;
신경망 학습시에는 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하고, 환자 뇌파 분석시에는 상기 환자 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성하는 기능적 연결성 매트릭스 생성부;
상기 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여, 그래프 이론 분석값을 파악하는 그래프 이론 분석부;
신경망 학습 시에, 상기 뇌파 자료 수집부에 저장된 휴지기 뇌파 각각에 대응되는 그래프 이론 분석값은 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도는 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성한 후, 상기 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 반복 학습시키는 신경망 학습부; 및
환자 뇌파 분석 시에, 상기 신경망을 이용하여 상기 환자 뇌파로부터 도출된 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 파악 및 통보하는 뇌전증 분석부를 포함하고,
상기 그래프 이론 분석값은 상기 기능적 연결성 매트릭스의 계층적 모듈 구조인 모듈성(modularity)을 포함하며,
상기 모듈성은 인접 매트릭스와 (노드 사이 연결선의 수 당 i 번째 및 j 번째 노드 강도의 곱)과의 차이와 크로네커 델타의 곱을 합산한 결과에 대하여 그래프에서의 노드 사이 연결선의 수로 나눈 값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치.
An EEG data collection unit for acquiring a plurality of resting EEG from pre-stored medical data and then classifying and storing the EEG according to the degree of change in the brain network;
After measuring the patient's EEG, the EEG measurement unit for extracting and providing only the EEG corresponding to the resting period;
A functional connectivity matrix generator for generating a functional connectivity matrix for each resting EEG stored in the EEG data collection unit when learning a neural network, and for generating a functional connectivity matrix for the patient EEG when analyzing a patient EEG;
A graph theory analysis unit for grasping a graph theory analysis value by performing a graph theory analysis on the functional connectivity matrix;
When learning a neural network, after generating a plurality of learning data having a graph theory analysis value corresponding to each resting EEG stored in the EEG data collection unit as an input condition, and the degree of brain network change as an output condition, the plurality of learning A neural network learning unit that repeatedly trains a neural network through data; And
When analyzing the patient's EEG, including an epilepsy analysis unit for grasping and notifying the degree of change in the brain network corresponding to the graph theory analysis value derived from the patient EEG using the neural network,
The graph theory analysis value includes modularity, which is a hierarchical module structure of the functional connectivity matrix,
The modularity is calculated by dividing the difference between the adjacent matrix and (the product of the i-th and j-th node strengths per number of connection lines between nodes) and the product of the Kronecker delta by the number of connection lines between nodes in the graph. An apparatus for providing epilepsy diagnosis information using resting brain waves, characterized in that.
제1항에 있어서, 상기 기능적 연결성 매트릭스 생성부는
상기 휴지기 뇌파 또는 상기 환자 뇌파가 입력되면, 입력 뇌파를 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파로 필터링한 후, 상기 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n(n는 전극의 채널수) 기능적 연결성 매트릭스를 생성하는 것을 특징으로 하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치.
The method of claim 1, wherein the functional connectivity matrix generation unit
When the resting EEG or the patient EEG is input, the input EEG is filtered with EEG in the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands, and then n×n for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands. (n is the number of channels of the electrode) A device for providing epilepsy diagnosis information using resting brain waves, characterized in that it generates a functional connectivity matrix.
제2항에 있어서, 상기 그래프 이론 분석부는
상기 델타, 세타, 알파, 베타, 감마 대역의 뇌파 각각에 대한 n×n 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행함으로써, 뇌파 대역별 그래프 이론 분석값을 획득하는 것을 특징으로 하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치.
The method of claim 2, wherein the graph theory analysis unit
EEG using a resting EEG, characterized in that by performing a graph theory analysis on the n×n functional connectivity matrix for each of the delta, theta, alpha, beta, and gamma bands of EEG, obtaining a graph theory analysis value for each EEG band. Device for providing diagnosis information.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 그래프 이론 분석값은
군집 계수(clustering coefficient), 전반적 효율성(global efficiency), 평균 최단 경로 길이(characteristic path length)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 장치.
The method of claim 1 or 3, wherein the graph theory analysis value is
An apparatus for providing epilepsy diagnosis information using a resting EEG, further comprising a clustering coefficient, a global efficiency, and a characteristic path length.
뇌파 자료 수집부가 기 저장된 의료 데이터로부터 다수의 휴지기 뇌파를 획득한 후, 뇌 네트워크 변화 정도에 따라 분류하여 저장하는 단계;
기능적 연결성 매트릭스 생성부가 상기 휴지기 뇌파를 순차적으로 선택하면서, 상기 선택된 휴지기 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성한 후, 상기 기능적 연결성 매트릭스에 대한 그래프 이론 분석을 수행하여 그래프 이론 분석값을 획득하는 단계;
신경망 학습부가 상기 그래프 이론 분석값을 입력 조건으로 가지고, 뇌 네트워크 변화 정도를 출력 조건으로 가지는 다수의 학습 데이터를 생성한 후, 상기 다수의 학습 데이터를 통해 신경망을 학습시키는 단계;
상기 신경망이 학습 완료된 상태에서, 환자 뇌파가 측정되면, 뇌파 측정부가 상기 환자 뇌파에서 휴지기 구간에 해당하는 뇌파만을 추출하는 단계;
상기 기능적 연결성 매트릭스 생성부가 상기 환자 뇌파에 대한 기능적 연결성 매트릭스를 생성한 후 그래프 이론 분석부가 상기 그래프 이론 분석을 수행하여 환자 뇌파의 그래프 이론 분석값을 획득하는 단계; 및
뇌전증 분석부가 상기 신경망을 이용하여 상기 환자 뇌파의 그래프 이론 분석값에 대응되는 뇌 네트워크 변화 정도를 파악한 후, 상기 파악된 뇌 네트워크 변화 정도에 대한 정보를 가지는 진단 정보를 생성 및 출력하는 단계를 포함하고,
상기 그래프 이론 분석값은 상기 기능적 연결성 매트릭스의 계층적 모듈 구조인 모듈성(modularity)을 포함하며,
상기 모듈성은 인접 매트릭스와 (노드 사이 연결선의 수 당 i 번째 및 j 번째 노드 강도의 곱)과의 차이와 크로네커 델타의 곱을 합산한 결과에 대하여 그래프에서의 노드 사이 연결선의 수로 나눈 값으로 산출되는 것을 특징으로 하는 휴지기 뇌파를 이용한 뇌전증 진단 정보 제공 방법.
Acquiring a plurality of resting EEG from the pre-stored medical data by the EEG data collection unit, and then classifying and storing them according to the degree of change in the brain network;
Generating a functional connectivity matrix for the selected resting EEG, while a functional connectivity matrix generator sequentially selecting the resting EEG, and then performing a graph theory analysis on the functional connectivity matrix to obtain a graph theory analysis value;
Generating a plurality of training data having the graph theory analysis value as an input condition and a brain network change degree as an output condition, and then training a neural network through the plurality of training data;
When the patient's EEG is measured while the neural network is trained, the EEG measuring unit extracts only the EEG corresponding to the resting period from the patient EEG;
Obtaining a graph theory analysis value of the patient EEG by the functional connectivity matrix generation unit generating a functional connectivity matrix for the patient EEG, and then performing the graph theory analysis by a graph theory analysis unit; And
Including the step of generating and outputting diagnostic information having information on the determined degree of change in the brain network after the epilepsy analysis unit determines the degree of change in the brain network corresponding to the graph theory analysis value of the patient's EEG by using the neural network. and,
The graph theory analysis value includes modularity, which is a hierarchical module structure of the functional connectivity matrix,
The modularity is calculated by dividing the difference between the adjacent matrix and (the product of the i-th and j-th node strengths per number of connection lines between nodes) and the product of the Kronecker delta by the number of connection lines between nodes in the graph. A method of providing diagnosis information for epilepsy using resting brain waves, characterized in that.
KR1020190017896A 2019-02-15 2019-02-15 Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG KR102239984B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190017896A KR102239984B1 (en) 2019-02-15 2019-02-15 Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190017896A KR102239984B1 (en) 2019-02-15 2019-02-15 Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG

Publications (3)

Publication Number Publication Date
KR20200099811A KR20200099811A (en) 2020-08-25
KR102239984B1 true KR102239984B1 (en) 2021-04-14
KR102239984B9 KR102239984B9 (en) 2021-10-27

Family

ID=72292782

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190017896A KR102239984B1 (en) 2019-02-15 2019-02-15 Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102239984B1 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102522342B1 (en) 2020-06-12 2023-04-18 고려대학교 산학협력단 Brain-computer interface apparatus and operating method of reducing burden of individual calibration process by clustering subjects based on brain activation
KR102418790B1 (en) 2020-08-10 2022-07-11 엘티소재주식회사 Heterocyclic compound and organic light emitting device including the same
KR102285546B1 (en) * 2021-01-13 2021-08-03 한밭대학교 산학협력단 Deep learning-based eeg feature normalization system and method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101653910B1 (en) 2015-02-27 2016-09-06 연세대학교 원주산학협력단 Apparatus and method for neurofeedback using brain network characteristic analysis based on electroencephalogram
KR101718293B1 (en) 2016-09-27 2017-03-20 인제대학교 산학협력단 PTSD diagnostic System through the brain network analysis
KR101881731B1 (en) 2018-02-27 2018-07-25 한국과학기술정보연구원 Apparatus and Method for Dementia Prediction using Machine Learning, and Storage Medium Storing the Same

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102075503B1 (en) * 2017-06-21 2020-02-10 주식회사 데이터사이언스랩 System of Predicting Dementia and Operating Method The Same

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101653910B1 (en) 2015-02-27 2016-09-06 연세대학교 원주산학협력단 Apparatus and method for neurofeedback using brain network characteristic analysis based on electroencephalogram
KR101718293B1 (en) 2016-09-27 2017-03-20 인제대학교 산학협력단 PTSD diagnostic System through the brain network analysis
KR101881731B1 (en) 2018-02-27 2018-07-25 한국과학기술정보연구원 Apparatus and Method for Dementia Prediction using Machine Learning, and Storage Medium Storing the Same

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Ali Emani 외 5인, "Seizure detection by convolutional neural network-based analysis of scalp electroencephalography plot images", NeuroImage: Clinical 22 (January 2019)*
Azeez Adebimpe 외 4인, "EEG Resting State Functional Connectivity Analysis in Children with Benign Epilepasy with Centrotemporal Spikes", Frontiers in Neuroscience, Vol.10, Article 143 (March 2016)*

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200099811A (en) 2020-08-25
KR102239984B9 (en) 2021-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bertrand Distributed signal processing for wireless EEG sensor networks
Mullen et al. Real-time neuroimaging and cognitive monitoring using wearable dry EEG
Hanslmayr et al. Prestimulus oscillatory phase at 7 Hz gates cortical information flow and visual perception
KR102239984B1 (en) Apparatus and method for providing information on epilepsy symptoms based on resting-state EEG
AU2005279954B2 (en) Biopotential waveform data fusion analysis and classification method
US20070066914A1 (en) Method and System for Detecting and Classifying Mental States
US10499823B2 (en) Selection of electroencephalography (EEG) channels valid for determining cognitive load of a subject
KR101768332B1 (en) Method and system for real-time depression detection
KR102075503B1 (en) System of Predicting Dementia and Operating Method The Same
Oosugi et al. A new method for quantifying the performance of EEG blind source separation algorithms by referencing a simultaneously recorded ECoG signal
CN104427932A (en) Method and device for multimodal neurological evaluation
CA3063321A1 (en) Method, command, device and program to determine at least one brain network involved in carrying out a given process
WO2017135492A1 (en) System for estimating degree of distraction on basis of unrestrained biometric information
Athanasiou et al. Functional brain connectivity during multiple motor imagery tasks in spinal cord injury
US20210255706A1 (en) Brain-machine interface based intention determination device and method using virtual environment
Khok et al. Deep multi-task learning for SSVEP detection and visual response mapping
CN113397482A (en) Human behavior analysis method and system
KR102376984B1 (en) Measurement apparatus of altered cortical region using functional network and method thereof
Kong et al. Estimation for driver fatigue with phase locking value
Houta et al. Machine learning methods for detection of Epileptic seizures with long-term wearable devices
Echtioui et al. Automated EEG artifact detection using independent component analysis
EP3643237B1 (en) Method and system for determining confidence level of a person using electroencephalogram
TWI582727B (en) Adaptive parameter prediction method and device for physiological reaction
US10667714B2 (en) Method and system for detecting information of brain-heart connectivity by using pupillary variation
Zhang et al. Optimal channel set selection for ssvep-based bci using spatial temporal correlation

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
G170 Re-publication after modification of scope of protection [patent]