KR102285546B1 - Deep learning-based eeg feature normalization system and method - Google Patents

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KR102285546B1 KR1020210004723A KR20210004723A KR102285546B1 KR 102285546 B1 KR102285546 B1 KR 102285546B1 KR 1020210004723 A KR1020210004723 A KR 1020210004723A KR 20210004723 A KR20210004723 A KR 20210004723A KR 102285546 B1 KR102285546 B1 KR 102285546B1
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김성은
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한밭대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a deep learning-based EEG feature normalization system and a method thereof. The present invention learns a measured EEG from a user and detects an EEG feature using an EEG feature detection unit, removes EEG in the resting state from an EEG feature in which the EEG in the resting state is detected, and includes an EEG feature normalization unit that normalizes the EEG feature from which the EEG in the resting state has been removed to improve analysis efficiency by providing a customized EEG analysis for an EEG signal of an individual user.

Description

딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 및 방법{DEEP LEARNING-BASED EEG FEATURE NORMALIZATION SYSTEM AND METHOD}DEEP LEARNING-BASED EEG FEATURE NORMALIZATION SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 개별 사용자에 대해 뇌파를 분석할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for normalizing EEG features based on deep learning, and to a technology that enables EEG analysis for individual users.

뇌파에 반영되는 뇌의 전기적 활동은 신경세포(Neurons), 교세포(Glia cells), 혈뇌장벽(Blood-brain barrier)에 의해 결정되는데 주로 신경세포에 의해 발생한다. 뇌 무게의 반을 차지하는 교세포들은 신경세포가 연접해 있는 부위인 시냅스에서 이온, 분자의 흐름을 조정하고 신경세포들 간의 구조 유지, 지탱, 보수 역할을 한다. 교세포와 혈뇌장벽에 의한 뇌파의 변화는 조금씩 천천히 일어나며 이에 비해 신경세포의 활동에 의한 뇌파의 변화는 크고, 빠르며 다양하게 발생한다.The electrical activity of the brain reflected in EEG is determined by neurons, glia cells, and blood-brain barrier, and mainly occurs by neurons. Glia cells, which account for half of the brain's weight, control the flow of ions and molecules at the synapse, the area where neurons are connected, and play a role in maintaining, supporting, and repairing structures between neurons. EEG changes due to glial cells and blood-brain barrier occur little by little and slowly, whereas EEG changes due to neuronal activity are large, rapid, and diverse.

뇌파는 매우 복잡한 패턴으로 진동하는 파형형태를 보인다. 일반적으로 뇌파를 관찰할 때 주파수에 따라 분류하는 파워 스펙트럼을 이용하는데 파워 스펙트럼 분석은 뇌파가 특정 주파수로 진동하는 단순 진동들의 선형적 결합이라고 가정하고, 이 신호에서 각각의 주파수 성분을 분해하여 그 크기를 표시한 것이다.EEG shows a waveform that vibrates in a very complex pattern. In general, when observing EEG, a power spectrum classified according to frequency is used. Power spectrum analysis assumes that EEG is a linear combination of simple vibrations that vibrate at a specific frequency, and decomposes each frequency component in this signal to determine the size will be displayed

일반적으로 주파수의 형태에 따라 델타파, 쎄타파, 알파파, 베타파, 및 감마파라고 불리며, Low 알파파, Middle 알파파, High 알파파로 세분화하기도 한다.In general, they are called delta waves, theta waves, alpha waves, beta waves, and gamma waves depending on the shape of the frequency, and are also subdivided into low alpha waves, middle alpha waves, and high alpha waves.

이러한 뇌파를 기반으로 인간의 핵심기관이 뇌를 연구하여 뇌종양, 뇌졸증, 간질, 치매 등의 여러가지 뇌관련 질환부터 정신분열, 다중인격, 정서장애 등의 각종 정신질환, 마취, 통증, 지각, 인지, 두뇌계발, 교육, 감정, 명상, 의식 등에 관련한 연구를 진행하기도 한다.Based on these brain waves, core human organs study the brain, from various brain-related diseases such as brain tumors, stroke, epilepsy, and dementia to various mental diseases such as schizophrenia, multiple personality and emotional disorders, anesthesia, pain, perception, cognition, He also conducts research related to brain development, education, emotions, meditation, and consciousness.

그러나, 뇌에 대한 연구는 특정상태에 대한 이론적인 추정이 힘들어 직접적인 임상실험과 분석을 통해서만 의미부여 및 해석이 가능하다.However, research on the brain is difficult to estimate theoretically on a specific state, so it is possible to give meaning and interpret it only through direct clinical trials and analysis.

이를 해결하기 위해 최근 딥러닝 기술이 발전함에 따라 특정 상태에 대한 이론적인 추정을 기계가 대신 도출함으로써 뇌 공학 연구에서도 발전을 이루고 있다. 뇌파를 분석하여 다양한 피드백에 대한 정확한 결과를 도출하고 사람의 의도를 판단하거나 정신질환의 종류를 도출하는 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.In order to solve this problem, with the recent development of deep learning technology, a machine is making a development in brain engineering research by deriving theoretical estimations for a specific state instead. It is being used in various fields, such as deriving accurate results for various feedbacks by analyzing brain waves, judging people's intentions, and deriving types of mental disorders.

그러나, 사람의 뇌파는 개개인이 각기 다른 특성을 보유하고 있으므로 특정 대상을 중심으로 이루어지는 딥러닝으로 각각의 사람의 뇌파를 분석하여 의도한 결과를 도출하기에는 다소 어려움이 있다.However, since each person's brain waves have different characteristics, it is somewhat difficult to derive the intended results by analyzing each person's brain waves using deep learning focused on a specific target.

따라서, 이를 해결하기 위한 개인 맞춤형 뇌파 분석 시스템의 개발이 시급하다.Therefore, it is urgent to develop a personalized EEG analysis system to solve this problem.

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대한민국 등록특허공보 제10-1724939호(2017.04.07.)Republic of Korea Patent Publication No. 10-1724939 (2017.04.07.)

본 발명의 일 측면에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템은 사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 뇌파의 특징량을 검출하는 뇌파 특징량 검출부; 상기 검출된 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파를 제거하는 휴식기 뇌파 제거부; 및 상기 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량을 정규화하는 뇌파 특징량 정규화부를 포함할 수 있다.A deep learning-based EEG feature normalization system according to an aspect of the present invention includes: an EEG feature detecting unit for detecting EEG features by learning EEG measured from a user based on deep learning; a resting EEG removing unit for removing the EEG in the resting state from the detected EEG characteristic amount; and an EEG feature normalization unit for normalizing a feature amount of the EEG from which the EEG in the resting state is removed.

바람직하게는, 상기 정규화된 뇌파의 특징량으로 입력된 뇌파의 특징량에 내포된 사용자의 의도를 파악하여 분류하는 뇌파 분류부를 더 포함할 수 있다.Preferably, it may further include an EEG classification unit for classifying the user's intention contained in the EEG feature amount input as the normalized EEG feature amount.

바람직하게는, 상기 뇌파의 특징량은 사용자의 의도에 의해 나타나는 뇌파일 수 있다.Preferably, the characteristic quantity of the EEG may be an EEG indicated by the user's intention.

바람직하게는, 상기 휴식기 뇌파 제거부는 추가로 측정된 사용자의 휴식기 뇌파를 사용할 수 있다. Preferably, the resting EEG removing unit may use the additionally measured resting EEG of the user.

바람직하게는, 상기 뇌파 특징량 정규화부는 휴식기 상태의 뇌파를 기반으로 정규화된 뇌파의 특징량을 생성할 수 있다.Preferably, the EEG feature normalization unit may generate the normalized EEG feature amount based on the EEG in a resting state.

바람직하게는, 상기 뇌파 특징량 정규화부는 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량을 역전파(Backpropagation) 알고리즘으로 학습할 수 있다.Preferably, the EEG feature normalization unit may learn the EEG feature amount from which the EEG in the resting state is removed using a backpropagation algorithm.

바람직하게는, 상기 뇌파 분류부는 다수의 사용자의 의도 중에 하나로 분류하고 이를 확률값으로 출력할 수 있다.Preferably, the EEG classification unit may classify one of a plurality of user intentions and output it as a probability value.

본 발명의 다른 측면에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법은 사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 뇌파의 특징량이 검출되는 정규화 특징량 검출 단계; 상기 검출된 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파가 제거되는 휴식기 뇌파 제거 단계; 상기 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량이 정규화되는 뇌파 특징량 정규화 단계; 및 상기 정규화된 뇌파의 특징량으로 입력된 뇌파의 특징량에 내포된 사용자의 의도가 파악하여 분류되는 뇌파 분류 단계를 포함할 수 있다.A deep learning-based EEG feature normalization method according to another aspect of the present invention includes: a normalized feature amount detection step of learning EEG measured from a user based on deep learning to detect EEG feature amounts; a resting EEG removing step in which the EEG in the resting state is removed from the detected EEG characteristic amount; an EEG feature amount normalization step in which the EEG feature amount from which the EEG in the resting state is removed is normalized; and an EEG classification step in which a user's intention contained in the input EEG feature amount is recognized and classified as the normalized EEG feature amount.

본 발명에 따르면, 뇌파 특징량을 정규화함으로써, 개별 사용자의 뇌파 편차를 최소화 할 수 있고, 기존의 딥러닝 구조의 한계였던 학습하지 않은 개별 사용자의 뇌파 신호에 대해 맞춤형 뇌파 분석을 제공하여 분석 효율을 향상시킬 수 있다.According to the present invention, the EEG deviation of individual users can be minimized by normalizing the EEG feature quantity, and the analysis efficiency can be improved by providing customized EEG analysis for the EEG signals of individual users who have not been trained, which was a limitation of the existing deep learning structure. can be improved

도 1는 일 실시예에 따른 뇌파 분석을 위한 딥러닝 환경을 나타낸 모식도이다.
도 2은 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 장치의 구성도이다.
도 3는 일 실시예에 따른 뇌파 특징량을 정규화 하는 학습 과정을 설명한 블록도이다.
도 4은 일 실시예에 따른 뇌파 특징량 정규화 과정을 설명한 블록도이다.
도 5은 일 실시예에 따른 사용자에 대한 뇌파를 분석하는 과정을 설명한 블록도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법을 나타낸 순서도이다.
1 is a schematic diagram showing a deep learning environment for brain wave analysis according to an embodiment.
2 is a configuration diagram of a deep learning-based EEG feature normalization system apparatus according to an embodiment.
3 is a block diagram illustrating a learning process for normalizing EEG feature quantities according to an embodiment.
4 is a block diagram illustrating a process of normalizing EEG feature quantities according to an embodiment.
5 is a block diagram illustrating a process of analyzing an EEG for a user according to an exemplary embodiment.
6 is a flowchart illustrating a deep learning-based EEG feature quantity normalization method according to an embodiment.

이하에서는 본 발명에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 및 방법을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.Hereinafter, a deep learning-based EEG feature normalization system and method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, the thickness of the lines or the size of the components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of explanation. 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 the operator. Therefore, definitions of these terms should be made based on the content throughout this specification.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.Objects and effects of the present invention can be naturally understood or made clearer by the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1는 일 실시예에 따른 뇌파 분석을 위한 딥러닝 환경을 나타낸 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a deep learning environment for brain wave analysis according to an embodiment.

도 1에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 뇌파 분석을 위한 딥러닝 환경은 사용자의 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 특징량을 검출하고, 검출된 특징량에서 휴식기 뇌파를 제거하여 휴식기 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량을 정규화할 수 있다. 이때, 정규화된 뇌파의 특징량으로 개별 사용자에 대해 뇌파 분석을 진행할 수 있다.As shown in Figure 1, the deep learning environment for EEG analysis according to an embodiment detects a feature by learning the user's EEG based on deep learning, and removes the resting EEG from the detected feature to generate a resting EEG. The feature quantity of the removed EEG can be normalized. In this case, EEG analysis may be performed for individual users with the normalized EEG feature amount.

이때, 검출되는 뇌파의 특징량은 LSTM(Long short-term memory)을 통하여 검출될 수 있다. 여기서, LSTM은 다음 단계의 네트워크에서 이전 단계의 정보를 받는 Recurrent neural network(RNN)의 변형 형태로, 각 단계에서 입력되는 값을 게이트(Gate)를 통해 추가적으로 연산을 수행하여 최적의 뇌파의 특징량을 도출할 수 있다.In this case, the detected EEG feature amount may be detected through a long short-term memory (LSTM). Here, the LSTM is a modified form of a recurrent neural network (RNN) that receives information from the previous stage from the network of the next stage. can be derived.

더욱 상세하게는, 딥러닝 기반의 뇌파 분석을 위한 뇌파 특징량 정규화 시스템 장치의 구성과 함께 설명하고자 한다.In more detail, it will be described along with the configuration of the EEG feature normalization system device for deep learning-based EEG analysis.

도 2은 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 장치의 구성도이다.2 is a block diagram of a deep learning-based EEG feature normalization system apparatus according to an embodiment.

도 2에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템 장치의 구성은 정규화 특징량 검출부(100), 휴식기 뇌파 제거부(300), 및 뇌파 특징량 정규화부(500)를 포함하고, 뇌파 분류부(700)를 더 포함할 수 있다.As shown in FIG. 2 , the configuration of the deep learning-based EEG feature normalization system device according to an embodiment includes a normalized feature detector 100 , a resting EEG remover 300 , and an EEG feature normalization unit 500 . and may further include an EEG classification unit 700 .

정규화 특징량 검출부(100)는 사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 뇌파의 특징량을 검출할 수 있다. 뇌파의 특징량은 사용자의 의도에 의해 나타나는 뇌파이다. 이때, 측정되는 뇌파의 특징량은 사용자의 의도와 휴식 상태의 뇌파를 동시에 내포할 수 있다.The normalized feature amount detection unit 100 may detect the feature amount of the EEG by learning the EEG measured from the user based on deep learning. The characteristic quantity of the EEG is the EEG indicated by the user's intention. In this case, the measured characteristic quantity of the EEG may include the user's intention and the EEG in a resting state at the same time.

휴식기 뇌파 제거부(300)는 검출된 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파를 제거할 수 있다. 여기서, 휴식기 상태의 뇌파는 사용자의 생각 및 의도가 미내재된 상태의 뇌파일 수 있다. 즉, 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파를 제거하면 사용자의 움직임 또는 생각에 의해 나타나는 뇌파만을 검출할 수 있다. 또한, 휴식기 뇌파 제거부(300)는 추가로 측정된 사용자의 휴식기 뇌파를 사용할 수 있다. The resting EEG removing unit 300 may remove the EEG in the resting state from the characteristic amount of the detected EEG. Here, the brain wave in the resting state may be the brain wave in a state in which the user's thoughts and intentions are not embedded. That is, if the EEG in the resting state is removed from the EEG feature, only the EEG displayed by the user's movement or thoughts can be detected. Also, the resting EEG removing unit 300 may use the additionally measured resting EEG of the user.

뇌파 특징량 정규화부(500)는 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량을 정규화할 수 있다. 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량은 동일한 의도에 대한 뇌파 특징 분포를 나타낼 수 있으므로, 사용자의 의도에 따라 나타나는 뇌파에서 중복된 의도를 최소화하여 특정 영역에서의 의도를 보다 명확하게 도출할 수 있다. 또한, 휴식기 상태의 뇌파를 기반으로 정규화된 뇌파의 특징량을 생성할 수 있다.The EEG feature normalization unit 500 may normalize the EEG feature amount from which the EEG in the resting state is removed. Since the EEG feature quantity from which the EEG in the resting state is removed can represent the EEG feature distribution for the same intention, the intention in a specific area can be more clearly derived by minimizing the overlapping intention in the EEG appearing according to the user's intention. there is. Also, it is possible to generate a characteristic quantity of the normalized EEG based on the EEG in the resting state.

뇌파 분류부(700)는 정규화된 뇌파의 특징량으로 입력된 뇌파의 특징량에 내포된 사용자의 의도를 파악하여 분류할 수 있다. 여기서, 입력된 뇌파의 특징량은 새로운 사용자로부터 검출된 휴식기 상태의 뇌파 특징량일 수 있다. 즉, 입력된 뇌파의 특징량으로부터 휴식기 상태의 뇌파를 검출함에 따라 사용자의 의도에 따른 뇌파의 특징량을 도출할 수 있다. 다수의 사용자의 의도 중에 하나로 분류하고 이를 확률값으로 출력할 수 있다.The EEG classification unit 700 may classify the user's intention contained in the input EEG characteristic quantity as the normalized EEG characteristic quantity. Here, the input EEG characteristic quantity may be a resting state EEG characteristic quantity detected from a new user. That is, by detecting the EEG in the resting state from the input EEG feature amount, it is possible to derive the EEG feature amount according to the user's intention. It is possible to classify one of a plurality of user intentions and output this as a probability value.

이를 이용하여 개별 사용자에 대해 맞춤형 뇌파 분석을 제공할 수 있다. 이때, 정규화된 뇌파의 특징량을 역전파(Backpropagation) 알고리즘을 통해 학습할 수 있다.Using this, it is possible to provide customized EEG analysis for individual users. In this case, the normalized EEG feature amount can be learned through a backpropagation algorithm.

여기서, 역전파 알고리즘은 딥러닝 함수 중 하나로 오차를 최소화 하는 알고리즘으로 두 개의 입력층(

Figure 112021004542260-pat00001
,
Figure 112021004542260-pat00002
), 두 개의 은닉층(
Figure 112021004542260-pat00003
,
Figure 112021004542260-pat00004
), 및 두 개의 출력층(
Figure 112021004542260-pat00005
,
Figure 112021004542260-pat00006
)으로 구성된 2-2-2 다층 퍼셉트론이 존재할 때, 입력층을 I라고 가정하면 I층의 i번째 노드와 I+1층의 j번째 노드를 연결하는 가중치 w를
Figure 112021004542260-pat00007
으로 정의할 수 있다.Here, the backpropagation algorithm is one of the deep learning functions, and it is an algorithm that minimizes the error with two input layers (
Figure 112021004542260-pat00001
,
Figure 112021004542260-pat00002
), two hidden layers (
Figure 112021004542260-pat00003
,
Figure 112021004542260-pat00004
), and two output layers (
Figure 112021004542260-pat00005
,
Figure 112021004542260-pat00006
), assuming that the input layer is I, the weight w connecting the i-th node of the I-layer and the j-th node of the I+1 layer exists.
Figure 112021004542260-pat00007
can be defined as

이때, 적용되는 활성 함수인 시그모이드 함수(

Figure 112021004542260-pat00008
)는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.At this time, the sigmoid function that is the applied active function (
Figure 112021004542260-pat00008
) can be expressed by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021004542260-pat00009
Figure 112021004542260-pat00009

수학식 1에서, z는 은닉층에 사용되는 입력함수일 수 있다.In Equation 1, z may be an input function used for the hidden layer.

입력층과 은닉층 사이의 입력함수(z)는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The input function z between the input layer and the hidden layer can be expressed by the following equation.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021004542260-pat00010
Figure 112021004542260-pat00010

Figure 112021004542260-pat00011
Figure 112021004542260-pat00011

수학식 2에서, 첫번째 은닉층(

Figure 112021004542260-pat00012
)에 대한 시그모이드 활성 함수는
Figure 112021004542260-pat00013
이고, 두번째 은닉층(
Figure 112021004542260-pat00014
)에 대한 시그모이드 활성 함수는
Figure 112021004542260-pat00015
일 수 있다.In Equation 2, the first hidden layer (
Figure 112021004542260-pat00012
) is the sigmoid activation function for
Figure 112021004542260-pat00013
, and the second hidden layer (
Figure 112021004542260-pat00014
) is the sigmoid activation function for
Figure 112021004542260-pat00015
can be

은닉층과 출력층 사이의 입력함수(z)는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The input function z between the hidden layer and the output layer can be expressed by the following equation.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112021004542260-pat00016
Figure 112021004542260-pat00016

Figure 112021004542260-pat00017
Figure 112021004542260-pat00017

수학식 3에서, 첫번째 출력층(

Figure 112021004542260-pat00018
)에 대한 시그모이드 활성 함수는
Figure 112021004542260-pat00019
이고, 두번째 출력층(
Figure 112021004542260-pat00020
)에 대한 시그모이드 활성 함수는
Figure 112021004542260-pat00021
일 수 있다.In Equation 3, the first output layer (
Figure 112021004542260-pat00018
) is the sigmoid activation function for
Figure 112021004542260-pat00019
, and the second output layer (
Figure 112021004542260-pat00020
) is the sigmoid activation function for
Figure 112021004542260-pat00021
can be

이때, 출력값의 비용함수인 오차(J)는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.In this case, the error (J), which is a cost function of the output value, may be expressed by the following equation.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112021004542260-pat00022
Figure 112021004542260-pat00022

Figure 112021004542260-pat00023
Figure 112021004542260-pat00023

수학식 4에서, y1과 y2는 트레이닝 데이터에 대한 각 노드에 대응되는 실제값이다. 이때, 입력값

Figure 112021004542260-pat00024
,
Figure 112021004542260-pat00025
과 실제값 y1, y2는 고정된 값이므로 J1과 J2는 가중치
Figure 112021004542260-pat00026
Figure 112021004542260-pat00027
를 변수로 가지는 함수가 된다.In Equation 4, y 1 and y 2 are actual values corresponding to each node for training data. At this time, the input value
Figure 112021004542260-pat00024
,
Figure 112021004542260-pat00025
and the actual values y 1 and y 2 are fixed values, so J 1 and J 2 are weights
Figure 112021004542260-pat00026
Wow
Figure 112021004542260-pat00027
becomes a function with as a variable.

주어진 가중치 값을 이용해 출력층의 출력값을 계산함에 따라 오차를 도출할 수 있고, 도출된 오차에 대해 각 가중치로 미분한 값을 기존 가중치에서 제외함으로써 학습 횟수만큼 또는 주어진 허용 오차 범위의 값에 도달할 때까지 반복하여 오차를 최소화할 수 있다.An error can be derived by calculating the output value of the output layer using the given weight value, and by excluding the value differentiated by each weight for the derived error from the existing weight, the number of learning times or when a value within the given tolerance range is reached Iteratively, the error can be minimized.

여기서, 가중치를 변경하는 수식은 다음 수학식으로 표현될 수 있다.Here, the equation for changing the weight may be expressed as the following equation.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112021004542260-pat00028
Figure 112021004542260-pat00028

수학식 5에서, Jtotoal은 해당 노드가 영향을 미치는 오차의 총합이다.In equation 5, J is the sum of the error totoal the node influence.

즉, 출력증과 은닉층 사이의 입력함수(z)는 미분의 연쇄법칙에 의해 다음 수힉식으로 표현될 수 있다.In other words, the input function (z) between the output increase and the hidden layer can be expressed as the following equation by the chain rule of differentiation.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112021004542260-pat00029
Figure 112021004542260-pat00029

수학식 6에서, 역전파의 출발 노드인

Figure 112021004542260-pat00030
에서 Jtotal 의 값은 J1이다. 따라서, Jtotal은 다음 수학식으로 계산될 수 있다.In Equation 6, the starting node of backpropagation is
Figure 112021004542260-pat00030
In , the value of J total is J1. Accordingly, J total can be calculated by the following equation.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112021004542260-pat00031
Figure 112021004542260-pat00031

Figure 112021004542260-pat00032
Figure 112021004542260-pat00032

Figure 112021004542260-pat00033
Figure 112021004542260-pat00033

역전파에서 가중치 변경을 위해 사용되는 오차의 가중치에 대한 미분값이 역전파의 출발 노드의 활성 함수 값과 도착 노드의 활성 함수 값, 그리고 실제값만으로 표현될 수 있고, 이는 다음 수학식으로 표현될 수 있다.The differential value for the weight of the error used for weight change in backpropagation can be expressed only with the active function value of the starting node of the backpropagation, the active function value of the arrival node, and the actual value, which can be expressed by the following equation can

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112021004542260-pat00034
Figure 112021004542260-pat00034

수학식 8에서,

Figure 112021004542260-pat00035
Figure 112021004542260-pat00036
로 변형하면, 역전파에 의해 변경되는
Figure 112021004542260-pat00037
는 다음 수학식으로 표현될 수 있고, 동일한 방법으로
Figure 112021004542260-pat00038
를 구할 수 있다.In Equation 8,
Figure 112021004542260-pat00035
cast
Figure 112021004542260-pat00036
, which is changed by backpropagation
Figure 112021004542260-pat00037
can be expressed by the following equation, and in the same way
Figure 112021004542260-pat00038
can be obtained

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112021004542260-pat00039
Figure 112021004542260-pat00039

Figure 112021004542260-pat00040
Figure 112021004542260-pat00040

따라서, 역전파 알고리즘에 의해 오차를 최소한으로 줄일 수 있다.Therefore, the error can be reduced to a minimum by the backpropagation algorithm.

상술한 역전파 알고리즘은 일 실시예를 설명하기 위해 임의의 노드를 설정하여 설명한 것으로, 반드시 상술한 노드 개수, 입력층, 은닉층, 및 출력층으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 상술한 역전파 알고리즘은 하나의 실시 예로써 설명한 것으로, 상술한 알고리즘에 한정되어서는 안된다.The above-described backpropagation algorithm is described by setting arbitrary nodes to describe an embodiment, and is not necessarily limited to the above-described number of nodes, input layer, hidden layer, and output layer. In addition, the above-described backpropagation algorithm has been described as an embodiment, and should not be limited to the above-described algorithm.

도 3과 도 4는 일 실시예에 따른 뇌파 특징량을 정규화 하기 위해 학습 과정을 설명한 도이다.3 and 4 are diagrams illustrating a learning process for normalizing EEG feature quantities according to an embodiment.

도 3는 일 실시예에 따른 뇌파 특징량을 정규화 하는 학습 과정을 설명한 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a learning process for normalizing EEG feature quantities according to an embodiment.

도 3에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 뇌파 특징량을 정규화하는 학습 과정은 정규화 특징량 검출부(100)에 뇌파 특징량 검출 모듈(110)과 사용자 의도 식별 모듈(120)을 포함할 수 있으며, 사용자의 의도가 예측된 결과에 대해 라벨 데이터를 생성하여 사용자 의도가 예측된 결과를 학습할 수 있다. 학습에는 역전파(Backpropagation) 알고리즘이 사용될 수 있다.As shown in FIG. 3 , the learning process for normalizing EEG features according to an embodiment may include an EEG feature detecting module 110 and a user intention identification module 120 in the normalized feature detecting unit 100 , , it is possible to learn the result from which the user's intention is predicted by generating label data for the predicted result of the user's intention. A backpropagation algorithm may be used for learning.

도 4은 일 실시예에 따른 뇌파 특징량 정규화 과정을 설명한 블록도이다.4 is a block diagram illustrating a process of normalizing EEG feature quantities according to an embodiment.

도 4에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 뇌파 특징량 정규화 과정은 뇌파 특징량 검출 모듈(110)에서 딥러닝을 기반으로 뇌파의 특징량을 검출할 수 있다. 이때, 검출된 뇌파의 특징량은 사용자의 의도가 내포된 뇌파일 수 있다.As shown in FIG. 4 , in the EEG feature quantity normalization process according to an embodiment, the EEG feature quantity detection module 110 may detect the EEG feature quantity based on deep learning. In this case, the characteristic amount of the detected EEG may be an EEG in which the user's intention is implied.

사용자 의도 식별 모듈(120)은 뇌파의 특징량에 내포된 사용자의 의도를 식별할 수 있으며, 식별된 뇌파에 따라 뇌파의 특징량을 정규화할 수 있다.The user intention identification module 120 may identify the user's intention contained in the EEG feature amount, and may normalize the EEG feature amount according to the identified EEG.

도 5은 일 실시예에 따른 사용자에 대한 뇌파를 분석하는 과정을 설명한 블록도이다.5 is a block diagram illustrating a process of analyzing an EEG for a user according to an exemplary embodiment.

도 5에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 사용자에 대한 뇌파를 분석하는 과정은 뇌파 분류부에 휴식기 뇌파 특징량 검출 모듈(710)과 사용자 의도 예측 모듈(720)을 포함할 수 있다. As shown in FIG. 5 , the process of analyzing EEG for a user according to an embodiment may include a resting EEG feature amount detection module 710 and a user intention prediction module 720 in the EEG classification unit.

휴식기 뇌파 특징량 검출 모듈(710)은 다수의 사용자로부터 뇌파를 측정하여 측정된 뇌파에 대한 특징량을 검출하되, 검출된 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파를 제거하여 사용자의 의도가 내포된 뇌파를 검출할 수 있다. 이는 사용자 개개인마다 뇌파의 진동수, 크기, 및 패턴이 각각 다르게 나타나기 때문에 안정상태를 취한 사용자의 뇌파의 특징량을 검출함으로써 개별 사용자에 대해 의도가 내포된 뇌파의 특징량을 도출할 수 있다.The resting EEG feature detection module 710 measures EEG from a plurality of users to detect the measured EEG, but removes the EEG in the resting state from the detected EEG characteristic amount to include the user's intention. can be detected. This is because the frequency, size, and pattern of brainwaves appear differently for each individual user, so by detecting the characteristic quantity of the user's brainwave in a stable state, it is possible to derive the characteristic quantity of the brainwave with the intention of the individual user.

사용자 의도 예측 모듈(720)은 개별 사용자에 대해 검출된 뇌파의 특징량으로부터 휴식기 상태의 뇌파를 검출함에 따라 사용자의 의도에 따른 뇌파의 특징량을 도출할 수 있다.The user intention prediction module 720 may derive the EEG characteristic quantity according to the user's intention by detecting the EEG in the resting state from the EEG characteristic quantity detected for an individual user.

또한, 정규화된 뇌파의 특징량이 제외된 뇌파의 특징량을 역전파(Backpropagation) 알고리즘을 통해 학습하고, 정규화된 뇌파의 특징량으로 분류를 수행할 수 있다. 이는 사용자 각각에 대해 휴식기의 뇌파 특징을 제거하고 의도와 관련된 뇌파를 내포한 정규화된 뇌파로 분류를 수행하기 때문에 새로운 사용자의 뇌파를 분석하는데 용이하도록 할 수 있다. 즉, 새로운 사용자의 정규화된 뇌파 특징량이 학습에 사용된 뇌파의 정규화된 특징량과 유사하게 나타날 수 있으므로 유사한 정규화된 뇌파 특징량을 분류하여 새로운 사용자에 대해 신속한 뇌파 분석을 제공할 수 있다.In addition, it is possible to learn the EEG feature amount from which the normalized EEG feature amount is excluded through a backpropagation algorithm, and classify the EEG feature amount into the normalized EEG feature amount. This can facilitate the analysis of the EEG of a new user because the EEG characteristic of the resting period is removed for each user and classification is performed as a normalized EEG containing an intention-related EEG. That is, since the normalized EEG feature amount of a new user may appear similar to the normalized EEG feature amount used for learning, it is possible to provide a rapid EEG analysis for a new user by classifying the similar normalized EEG feature amount.

도 6은 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법를 나타낸 순서도이다.6 is a flowchart illustrating a deep learning-based EEG feature quantity normalization method according to an embodiment.

도 6에서 나타낸 바와 같이, 일 실시예에 따른 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법은 정규화 특징량 검출 단계(S100), 휴식기 뇌파 제거 단계(S300), 뇌파 특징량 정규화 단계(S500), 및 뇌파 분류 단계(S700)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 6 , the deep learning-based EEG feature normalization method according to an embodiment includes a normalized feature amount detection step (S100), a resting EEG removal step (S300), an EEG feature amount normalization step (S500), and an EEG It may include a classification step (S700).

정규화 특징량 검출 단계(S100)는 사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 뇌파의 특징량이 검출될 수 있다.In the normalized feature amount detection step ( S100 ), the EEG measured from the user may be learned based on deep learning, and the EEG feature amount may be detected.

휴식기 뇌파 제거 단계(S300)는 검출된 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파가 제거될 수 있다.In the resting EEG removing step ( S300 ), the EEG in the resting state may be removed from the detected EEG feature amount.

뇌파 특징량 정규화 단계(S500)는 휴식기 상태의 뇌파가 제거된 뇌파의 특징량이 정규화될 수 있다.In the EEG feature amount normalization step ( S500 ), the EEG feature amount from which the EEG in the resting state is removed may be normalized.

뇌파 분류 단계(S700)는 정규화된 뇌파의 특징량으로 입력된 뇌파의 특징량에 내포된 사용자의 의도가 파악될 수 있다.In the EEG classification step ( S700 ), the user's intention contained in the input EEG characteristic quantity as the normalized EEG characteristic quantity may be grasped.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through representative embodiments above, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that various modifications are possible within the limits without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments and should be defined by all changes or modifications derived from the claims and equivalent concepts as well as the claims to be described later.

100: 정규화 특징량 검출부 300: 휴식기 뇌파 제거부
500: 뇌파 특징량 정규화부 700: 뇌파 분류부
110: 뇌파 특징량 검출 모듈 120: 사용자 의도 식별 모듈
710: 휴식기 뇌파 특징량 검출 모듈 720: 사용자 의도 예측 모듈
100: normalized feature detection unit 300: resting EEG removal unit
500: EEG feature normalization unit 700: EEG classification unit
110: EEG feature detection module 120: User intention identification module
710: resting EEG feature amount detection module 720: user intention prediction module

Claims (8)

사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 사용자의 의도가 내재된 사용자 의도의 뇌파 특징량 및 사용자의 의도가 미내재된 휴식기 상태의 뇌파 특징량을 검출하는 뇌파 특징량 검출부;
상기 검출된 사용자 의도의 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파 특징량을 제거하여 사용자 의도만을 나타내는 사용자 의도의 뇌파 특징량을 도출하는 휴식기 뇌파 제거부(여기서, 뇌파 특징량은 뇌파의 진동수 및 크기임);
상기 도출된 사용자 의도의 뇌파 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파 특징량 제거로 발생하는 뇌파의 크기를 정규화하는 뇌파 특징량 정규화부; 및
상기 정규화된 사용자 의도의 뇌파 특징량으로 측정된 뇌파에서 사용자 의도를 분류하는 뇌파 분류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템.
an EEG feature detecting unit that learns EEG measured from a user based on deep learning to detect EEG features of a user's intention in which the user's intention is embedded and EEG features in a resting state in which the user's intention is not embedded;
A resting EEG removing unit for deriving the EEG feature of the user intention representing only the user intention by removing the EEG feature of the resting state from the detected EEG feature of the user's intention (here, the EEG is the frequency and size of the EEG );
an EEG feature normalization unit for normalizing the size of an EEG generated by removing the EEG feature amount in a resting state from the derived EEG feature amount of the user's intention; and
Deep learning-based brain wave feature normalization system, characterized in that it comprises an EEG classifying unit for classifying user intention from the EEG measured as the EEG feature of the normalized user intention.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 뇌파 특징량 정규화부는 뇌파의 크기 차이에 따른 사용자의 중복된 의도를 최소화하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템.
According to claim 1,
The EEG feature normalization unit is a deep learning-based EEG feature normalization system, characterized in that it minimizes the overlapping intention of the user according to the difference in the size of the EEG.
제1항에 있어서,
상기 뇌파 특징량 정규화부는 휴식기 상태의 뇌파 특징량이 제거된 뇌파의 특징량을 역전파(Backpropagation) 알고리즘으로 학습하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템.
According to claim 1,
The EEG feature normalization unit is a deep learning-based EEG feature normalization system, characterized in that it learns the EEG feature amount from which the EEG feature amount in the resting state is removed with a backpropagation algorithm.
제1항에 있어서,
상기 뇌파 분류부는 다수의 사용자의 의도를 분류하되, 분류된 사용자의 의도를 확률값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템.
According to claim 1,
The EEG classification unit classifies the intentions of a plurality of users, and a deep learning-based EEG feature normalization system, characterized in that outputting the classified user intentions as a probability value.
제1항의 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 시스템에서 수행되는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법에 있어서,
사용자로부터 측정된 뇌파를 딥러닝을 기반으로 학습하여 사용자의 의도가 내재된 사용자 의도의 뇌파 특징량 및 사용자의 의도가 미내재된 휴식기 상태의 뇌파 특징량이 검출되는 뇌파 특징량 검출 단계;
상기 검출된 사용자 의도의 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태 뇌파를 제거하여 사용자 의도만을 나타내는 사용자 의도의 뇌파 특징량을 도출하는 휴식기 뇌파 제거 단계(여기서, 뇌파 특징량은 뇌파의 진동수 및 크기임);
상기 휴식기 상태 뇌파가 제거된 각각의 뇌파의 특징량에서 휴식기 상태의 뇌파 특징량의 제거로 발생하는 뇌파의 크기를 정규화하는 뇌파 특징량 정규화 단계; 및
상기 정규화된 사용자 의도의 뇌파 특징량으로 측정된 뇌파의 의도를 분류하되, 상기 사용자 의도를 확률값으로 출력하는 뇌파 분류 단계를 포함하는 딥러닝 기반의 뇌파 특징량 정규화 방법.
In the deep learning-based EEG feature normalization method performed in the deep learning-based EEG feature normalization system of claim 1,
An EEG feature detecting step of learning EEG measured from the user based on deep learning to detect the EEG feature of the user's intention in which the user's intention is embedded and the EEG feature of the resting state in which the user's intention is not embedded;
a resting EEG removing step of deriving the EEG feature of the user's intention representing only the user's intention by removing the EEG in the resting state from the detected EEG feature of the user's intention (here, the EEG feature is the frequency and size of the EEG) ;
an EEG feature quantity normalization step of normalizing the size of EEG generated by the removal of the EEG feature quantity in the resting state from the EEG feature quantity of each EEG from which the resting state EEG has been removed; and
Classifying the EEG intention measured as the EEG feature of the normalized user intention, and a deep learning-based EEG feature normalization method comprising an EEG classification step of outputting the user intention as a probability value.
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