KR102339061B1 - Neural waveform classification device and learning apparatus and method therefor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 전극을 통해 감지되는 신경 신호로부터 기지정된 방식으로 획득된 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하는 특징 추출부, 추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하는 클러스터링부, 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하고, 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 템플릿 선택부 및 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 학습 데이터 획득부를 포함하여, 신경 파형으로부터 정확하게 분류되고 레이블된 대량의 학습 데이터를 용이하게 획득할 수 있는 신경 파형 분류 장치 및 이를 위한 학습 장치 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention receives a plurality of neural waveforms obtained in a predetermined manner from a neural signal sensed through at least one electrode, and extracts features for each of the plurality of neural waveforms applied according to a predetermined feature extraction technique. A clustering unit that clusters a plurality of extracted features into a plurality of clusters according to a predetermined clustering technique, determines the center point of each of the plurality of clusters, and determines the determined center point among the total number of features of each cluster based on the determined center point A template selector that selects, as a template feature, a number of features according to a predetermined template selection ratio adjacent as a reference, and a neural waveform corresponding to the selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms are extracted as a template waveform, and added to the extracted template waveform A neural waveform classification apparatus capable of easily acquiring a large amount of accurately classified and labeled training data from a neural waveform, including a training data acquisition unit that obtains training data by labeling an identifier corresponding to each cluster with a label, and learning for the same Apparatus and methods may be provided.
Description
본 발명은 신경 파형 분류 장치 및 이를 위한 학습 장치 및 방법에 관한 것으로, 학습데이터를 효율적으로 획득할 수 있는 신경 파형 분류 장치 및 이를 위한 학습 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a neural waveform classification apparatus and a learning apparatus and method therefor, and to a neural waveform classification apparatus capable of efficiently acquiring learning data and a learning apparatus and method therefor.
신경 파형(Neural Waveform) 검사는 뇌의 신경 세포(neuron) 사이에 신호가 전달될 때 발생되는 전기적 변화(전류 활동)를 감지하여 뇌의 활동 상황을 분석 및 판별하기 위한 검사이다.The neural waveform test is a test for analyzing and discriminating brain activity by detecting an electrical change (current activity) that occurs when a signal is transmitted between neurons in the brain.
신경 파형 검사는 일반적으로 뇌의 피질에 마이크로 전극(micro-electrode)을 부착하고, 부착된 전극을 통해 뇌에서 신경 세포들의 활동에 의해 생성되는 자발적 전기적 활동을 일정시간에 걸쳐 감지 및 증폭하여 측정하는 침습적 방법이 이용된다. 그러나 전극의 크기는 신경 세포의 크기에 비해 매우 크기 때문에, 대부분의 경우에 하나의 전극에서 매우 많은 신경 파형이 동시에 감지되게 된다.In general, the neural waveform test is performed by attaching a micro-electrode to the cortex of the brain, and sensing and amplifying the spontaneous electrical activity generated by the activity of nerve cells in the brain over a certain period of time through the attached electrode. An invasive method is used. However, since the size of the electrode is very large compared to the size of the nerve cell, in most cases, a very large number of neural waveforms are simultaneously sensed by one electrode.
이에 신경 파형 검사 시에는 전극을 통해 감지되는 다수의 신경 신호 중 기지정된 기준 세기 이상의 세기를 갖는 신경 신호만을 추출하여, 의미있는 활동을 하고 있는 신경 세포에 대한 신경 파형을 획득하지만, 구분되어 획득된 신경 파형에도 2 ~ 10여개의 신경 파형이 혼합되어 검출되는 경우가 대부분이다. 따라서 혼합되어 검출된 다수의 신경 파형을 정확하게 분류하기 어려우며, 이로 인해 신경 파형의 분석이 용이하지 않다는 한계가 있다.Therefore, when examining a neural waveform, only a neural signal having an intensity greater than or equal to a predetermined reference intensity is extracted among a plurality of neural signals sensed through an electrode to obtain a neural waveform for a nerve cell that is performing a meaningful activity, but separately acquired In most cases, 2 to 10 neural waveforms are mixed and detected even in the neural waveform. Therefore, it is difficult to accurately classify a plurality of mixed and detected neural waveforms, which has a limitation in that it is not easy to analyze the neural waveforms.
이러한 한계를 극복하기 위해 최근에는 인공 신경망을 이용하여 신경 파형을 분류하고자 하는 연구가 진행되고 있다. 다만 인공 신경망을 이용하여 신경 파형을 분류하기 위해서는 인공 신경망이 미리 학습되어야만 하며, 인공 신경망을 학습시키기 위해서는 학습 데이터가 요구된다. 여기서 학습 데이터는 서로 다른 신경 파형 각각에 대해 미리 구분되어 구분자가 레이블된 데이터를 의미한다.In order to overcome this limitation, recently, research to classify neural waveforms using artificial neural networks is being conducted. However, in order to classify neural waveforms using the artificial neural network, the artificial neural network must be trained in advance, and learning data is required to train the artificial neural network. Here, the training data refers to data in which each of the different neural waveforms is pre-classified and labeled with a delimiter.
그러나 인공 신경망이 효과적으로 학습될 수 있는 학습 데이터를 획득하기 위해서는 다수의 신경 파형을 정확하게 분류하고, 분류된 신경 파형 각각에 별도로 구분자를 레이블링을 해야 한다. 그리고 신경 파형 검사 시에 신경 파형은 일정 기간 동안 다수(일예로 4000여개)으로 획득되므로, 획득된 대량의 신경 파형을 분류하여 구분자를 레이블링 하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 특히 인공 신경망을 학습시키기 위해서는 다양한 패턴의 대량의 신경 파형에 대한 학습이 요구되므로, 각각 다수로 획득되는 대량의 신경 파형에 대해 구분자를 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 것은 현실적으로 불가능하다고 볼 수 있다.However, in order to acquire training data from which the artificial neural network can be effectively trained, it is necessary to accurately classify a number of neural waveforms, and to label each classified neural waveform with a separate identifier. In addition, since neural waveforms are acquired in large numbers (eg, about 4000) for a certain period of time during neural waveform testing, it is practically very difficult to label the classifiers by classifying the acquired neural waveforms. In particular, in order to train an artificial neural network, learning of a large number of neural waveforms of various patterns is required, so it is practically impossible to obtain learning data by labeling a separator for a large number of neural waveforms obtained in large numbers.
본 발명의 목적은 신경 파형 분류를 위한 인공 신경망을 효과적으로 학습시킬 수 있는 신경 파형 분류 장치 및 이를 위한 학습 장치 및 방법을 제공하는데 있다.It is an object of the present invention to provide a neural waveform classification apparatus capable of effectively learning an artificial neural network for neural waveform classification, and a learning apparatus and method therefor.
본 발명의 다른 목적은 정확하게 분류된 학습 데이터를 용이하게 획득할 수 있는 신경 파형 분류 장치 및 이를 위한 학습 장치 및 방법을 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide a neural waveform classification apparatus capable of easily acquiring accurately classified learning data, and a learning apparatus and method therefor.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 파형 분류 장치를 위한 학습 장치는 적어도 하나의 전극을 통해 감지되는 신경 신호로부터 기지정된 방식으로 획득된 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하는 특징 추출부; 추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하는 클러스터링부; 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하고, 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 템플릿 선택부; 및 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 학습 데이터 획득부를 포함한다.In order to achieve the above object, a learning apparatus for a neural waveform classification apparatus according to an embodiment of the present invention receives a plurality of neural waveforms obtained in a predetermined manner from a neural signal sensed through at least one electrode, and a feature extraction unit for extracting features for each of a plurality of neural waveforms applied according to a feature extraction technique; a clustering unit for clustering the plurality of extracted features into a plurality of clusters according to a predetermined clustering technique; A template selection unit that determines the center point of each of a plurality of clusters, and selects, as a template feature, a number of features according to a predetermined template selection ratio adjacent to the determined center point among the total number of features of each cluster based on the determined center point ; and a learning data acquisition unit that extracts a neural waveform corresponding to a selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform, and obtains learning data by labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster with a label. .
상기 학습 데이터 획득부는 다수의 신경 파형을 인가받아 분류하도록 학습되어야 하는 인공 신경망의 입력으로 상기 템플릿 파형을 인가할 수 있다.The learning data acquisition unit may apply the template waveform as an input of an artificial neural network to be learned to receive and classify a plurality of neural waveforms.
상기 학습 장치는 상기 인공 신경망에서 다수의 신경 파형 각각을 분류한 식별자와 상기 학습 데이터의 식별자를 비교하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 상기 인공 신경망으로 역전파하여 학습시키는 오차 역전파부를 더 포함할 수 있다.The learning apparatus further includes an error backpropagating unit for calculating an error by comparing the identifier obtained by classifying each of a plurality of neural waveforms in the artificial neural network with the identifier of the learning data, and backpropagating the calculated error to the artificial neural network for learning can do.
상기 특징 추출부는 상기 다수의 신경 파형에 대해 주성분 분석 기법에 따라 상기 신경 파형의 차원보다 낮은 차원을 갖는 특징을 추출할 수 있다.The feature extractor may extract features having a dimension lower than that of the neural waveforms from the plurality of neural waveforms according to a principal component analysis technique.
상기 클러스터링부는 상기 다수의 특징을 K 평균 클러스터링 기법에 따라 K개의 클러스터로 클러스터링할 수 있다.The clustering unit may cluster the plurality of features into K clusters according to a K-mean clustering technique.
상기 템플릿 선택 비율은 5 ~ 20% 범위 내에서 하나의 값으로 지정될 수 있다.The template selection ratio may be designated as a single value within the range of 5 to 20%.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경 파형 분류 장치는 적어도 하나의 전극을 통해 감지되는 아날로그의 로우 레벨 신경 신호를 샘플링하여 디지털로 변환하여 상기 신경 신호를 획득하는 신호 검출부; 상기 신경 신호에서 기지정된 기준 세기 이상의 세기를 갖는 신경 신호를 추출하고 기지정된 방식으로 정렬하여 다수의 신경 파형을 획득하는 전처리부; 인공 신경망으로 구현되고, 미리 학습된 패턴 추정 방식에 따라 다수의 신경 파형을 분류하여, 분류된 신경 파형 각각에 대응하는 식별자를 출력하는 신경 파형 분류부; 및 상기 신경 파형 분류부의 학습 시에 결합되어 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하고, 추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하여, 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하며, 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하여, 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 학습부를 포함한다.A neural waveform classification apparatus according to another embodiment of the present invention for achieving the above object includes: a signal detector for sampling an analog low-level neural signal sensed through at least one electrode and converting it to a digital signal to obtain the neural signal; a preprocessor for extracting a neural signal having an intensity greater than or equal to a preset reference intensity from the neural signal and arranging it in a preset manner to obtain a plurality of neural waveforms; a neural waveform classification unit implemented as an artificial neural network, classifying a plurality of neural waveforms according to a pre-learned pattern estimation method, and outputting an identifier corresponding to each of the classified neural waveforms; and a plurality of neural waveforms coupled during learning of the neural waveform classifier, extracting features for each of the plurality of applied neural waveforms according to a predetermined feature extraction technique, and a clustering technique using the plurality of extracted features By clustering into a plurality of clusters according to by selecting as a template feature, extracting a neural waveform corresponding to the selected template feature among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform, and labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster as a label to obtain training data Includes study.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 신경 파형 분류 장치를 위한 학습 방법은 적어도 하나의 전극을 통해 감지되는 신경 신호로부터 기지정된 방식으로 획득된 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하는 단계; 추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하는 단계; 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하는 단계; 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 단계; 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하는 단계; 및 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 단계를 포함한다.In a learning method for a neural waveform classification apparatus according to another embodiment of the present invention for achieving the above object, a plurality of neural waveforms obtained in a predetermined manner from a neural signal sensed through at least one electrode are applied, and a predetermined extracting features for each of a plurality of applied neural waveforms according to a feature extraction technique; clustering the extracted plurality of features into a plurality of clusters according to a predetermined clustering technique; determining a center point of each of a plurality of clusters; selecting, as template features, a number of features according to a predetermined template selection ratio adjacent to the determined central point from among the total number of features of each cluster based on the determined central point; extracting a neural waveform corresponding to a selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform; and labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster with a label to obtain training data.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 장치 및 방법은 신경 파형으로부터 정확하게 분류되고 레이블된 대량의 학습 데이터를 용이하게 획득할 수 있으며, 획득된 학습 데이터를 기반으로 신경 파형 분류를 위한 인공 신경망을 효과적으로 학습시킬 수 있다.Therefore, the learning apparatus and method for classifying a neural waveform according to an embodiment of the present invention can easily obtain a large amount of accurately classified and labeled learning data from a neural waveform, and perform neural waveform classification based on the acquired learning data. It can effectively train artificial neural networks for
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 장치를 포함하는 신경 파형 분류 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1의 신경 파형 분류를 위한 학습 장치의 각 구성에서 획득되는 신호를 나타낸다.
도 3은 도 1의 특징 추출부가 다수의 신경 파형으로부터 특징을 추출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 신경 파형 분류부의 구성과 이를 학습시키는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 방법을 나타낸다.
도 6은 템플릿 특징 선택 비율에 따른 학습 정확도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도 7은 클러스터 개수와 잡음에 따른 분류 정확도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.1 shows a schematic structure of a neural waveform classification apparatus including a learning apparatus for neural waveform classification according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows signals obtained in each configuration of the learning apparatus for classifying neural waveforms of FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram for explaining the concept of extracting features from a plurality of neural waveforms by the feature extraction unit of FIG. 1 .
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the neural waveform classification unit of FIG. 1 and the concept of learning the same.
5 shows a learning method for neural waveform classification according to an embodiment of the present invention.
6 shows a simulation result of learning accuracy according to a template feature selection ratio.
7 shows a simulation result of classification accuracy according to the number of clusters and noise.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다. Hereinafter, the present invention will be described in detail by describing preferred embodiments of the present invention with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be embodied in various different forms, and is not limited to the described embodiments. In addition, in order to clearly explain the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals in the drawings indicate the same members.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. Throughout the specification, when a part "includes" a certain component, it does not exclude other components, unless otherwise stated, meaning that other components may be further included. In addition, terms such as "...unit", "...group", "module", and "block" described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is hardware, software, or hardware. and a combination of software.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 장치를 포함하는 신경 파형 분류 장치의 개략적 구조를 나타내고, 도 2는 도 1의 신경 파형 분류를 위한 학습 장치의 각 구성에서 획득되는 신호를 나타낸다. 그리고 도 3은 도 1의 특징 추출부가 다수의 신경 파형으로부터 특징을 추출하는 개념을 설명하기 위한 도면이며, 도 4는 도 1의 신경 파형 분류부의 구성과 이를 학습시키는 개념을 설명하기 위한 도면이다.1 shows a schematic structure of a neural waveform classification apparatus including a learning apparatus for neural waveform classification according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is obtained in each configuration of the neural waveform classification learning apparatus of FIG. indicates a signal. 3 is a diagram for explaining the concept of extracting features from a plurality of neural waveforms by the feature extraction unit of FIG. 1, and FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the neural waveform classification unit of FIG. 1 and the concept of learning it.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 신경 파형 분류 장치는 신호 검출부(100), 전처리부(200), 신경 파형 분류부(300) 및 학습부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the apparatus for classifying a neural waveform according to the present embodiment includes a
우선 신호 검출부(100)는 신경 세포의 활동에 의해 생성된 전기적 신호를 감지하는 적어도 하나의 전극을 통해 인가받아 다수의 신경 신호를 획득한다.First, the
신호 검출부(100)는 적어도 하나의 전극 각각을 통해 기지정된 기간 동안 반복적으로 인가되는 로우(Raw) 레벨의 신경 신호를 획득하고, 획득된 로우 레벨의 신경 신호를 샘플링하여 디지털의 신경 신호로 변환한다. 이때 신경 세포에서 발생된 전기적 신호의 세기는 매우 미약하므로, 신호 검출부(100)는 획득된 로우 레벨의 신경 신호를 증폭하고, 증폭된 아날로그 로우 레벨 신호를 아날로그-디지털 컨버터 등을 이용하여 디지털의 신경 신호로 변환할 수 있다.The
전처리부(200)는 신호 검출부(100)에서 획득된 신경 신호 중 기지정된 기준 세기 이상의 세기를 갖는 신경 신호를 추출하여 정렬함으로써, 신경 파형을 획득한다. 여기서 전처리부(200)가 기준 세기 이상의 신경 신호를 추출하는 것은 신경 신호가 검출되는 신경 세포 중 의미있는 활동을 하고 있는 신경 세포에서 발생된 신경 신호를 추출하기 위해서이다.The
도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 신경 세포에서 발생된 전기적 신호를 감지하여 획득되는 신경 신호는 진폭이 작은 다수의 신호와 스파이크 형태로 나타나는 진폭이 큰 신호로 구분될 수 있다. 여기서 스파이크 형태로 나타나는 신호 성분은 신경 세포는 유의미한 활동을 수행함에 따라 발생되는 전기적 신호이다. 그러나 신경 세포는 유의미한 활동을 수행하지 않는 경우에도 미세한 전기적 신호를 발생할 수 있다. 뿐만 아니라, 신호 검출부(100)가 신경 세포에서 발생되는 매우 약한 세기의 전기적 신호를 감지 및 증폭하는 과정에서 노이즈가 포함될 수 있다. 따라서 신경 신호는 진폭이 작은 신호와 진폭이 큰 스파이크 신호가 함께 획득된다.As shown in (a) of FIG. 2 , a neural signal obtained by sensing an electrical signal generated in a nerve cell may be divided into a plurality of signals having a small amplitude and a signal having a large amplitude appearing in the form of spikes. Here, the signal component in the form of a spike is an electrical signal generated as the nerve cell performs a significant activity. However, nerve cells can generate microscopic electrical signals even when they are not performing any significant activity. In addition, noise may be included in the process in which the
이에 전처리부(200)는 미리 지정된 기준 세기 이상의 스파이크 신호만을 추출하고, 기지정된 방식으로 정렬하여 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 신경 파형을 획득함으로써 의미있는 신경 세포의 활동을 분석할 수 있도록 한다.Accordingly, the
상기한 신호 검출부(100)와 전처리부(200)는 신경 파형 획득부로 통합될 수 있다. 그리고 신호 검출부(100)가 신경 신호를 검출하고 전처리부(200)가 신경 신호로부터 신경 파형을 획득하는 과정은 기존과 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.The
신경 파형 분류부(300)는 전처리부(200)에서 전처리되어 획득된 다수의 신경 파형을 인가받아 미리 학습된 패턴 추정 방식에 따라 다수의 신경 파형 각각을 패턴에 따라 분류하여 식별자를 레이블링할 수 있다. 신경 파형 분류부(300)는 도 2의 (b)와 같이 인가되는 다수의 신경 파형을 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이 3개의 신경 파형으로 분류하여, 분류된 신경 파형 각각에 식별자를 레이블링할 수 있다.The neural
신경 파형 분류부(300)는 인공 신경망으로 구현될 수 있으며, 미리 학습된 패턴 추정 방식에 따라 전처리부(200)에서 획득된 다수의 신경 파형 각각의 특징을 추출하고, 미리 학습된 패턴 분류 방식에 따라 추출된 특징을 분류함으로써 다수의 신경 파형을 구분하여 식별할 수 있다. 즉 다수의 신경 파형 중 동일한 신경 파형과 다른 신경 파형을 구분하여 분류할 수 있다. 그리고 분류된 신경 파형 각각에 지정된 레이블을 레이블링하여 출력할 수 있다.The neural
신경 파형 분류부(300)에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.A detailed description of the neural
학습부(400)는 본 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 장치로서, 신경 파형 분류 장치의 학습 시에만 결합되고, 학습이 완료된 이후에는 신경 파형 분류 장치에서 제거될 수 있다.The
학습부(400)는 전처리부(200)에서 획득된 다수의 신경 파형으로부터 학습 데이터를 획득하고, 획득된 학습 데이터를 이용하여 신경 파형 분류부(300)를 학습시킨다.The
학습부(400)는 특징 추출부(410), 클러스터링부(420), 템플릿 선택부(430), 학습 데이터 획득부(440) 및 오차 역전파부(450)를 포함할 수 있다.The
특징 추출부(410)는 전처리부(200)에서 획득된 다수의 신경 파형을 인가받아 기지정된 방식으로 특징을 추출한다. 특징 추출부(410)는 도 2의 (b)와 같이 다수로 획득된 신경 파형을 인가받고, 인가된 다수의 신경 파형 각각의 특징을 추출하여, 도 2의 (d)와 같이 기지정된 차원의 특징 공간 상의 다수의 특징점으로 표현할 수 있다.The
특징 추출부(410)는 다양한 기법을 이용하여 특징점을 추출할 수 있으나, 여기서는 일예로 특징 추출부(410)가 주성분 분석(Principal Component Analysis: 이하 PCA) 기법에 따라 신경 파형의 특징을 추출하는 것으로 가정한다. PCA 기법은 다차원 공간 상에 분포된 다수의 데이터를 보다 낮은 차원으로 투영하여, 각 데이터가 갖는 정보 손실을 최소화하면서 데이터를 보다 낮은 차원(또는 차수)의 데이터로 변환함으로써, 데이터 분석을 용이하도록 하는 기법이다.The
PCA 기법은 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 다수의 데이터가 인가되면, 인가된 데이터의 분포에 따른 분산을 크게 하는 순서로 적어도 하나의 주성분(PC1, PC2)을 획득한다. 여기서 적어도 하나의 주성분 각각(PC1, PC2)은 신경 파형들의 특징으로서 획득되는 주성분의 개수는 신경 파형의 특징 개수에 따라 조절될 수 있다. 만일 2개의 주성분이 획득되면, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 2개의 주성분(PC1, PC2)을 각 축으로 하는 특징 공간 상에 데이터를 투영함으로써, 도 3의 (c)와 같이 차수가 낮아진 특징을 획득할 수 있다.As shown in FIG. 3( a ), when a plurality of data is applied, the PCA technique acquires at least one principal component PC1 and PC2 in the order of increasing the variance according to the distribution of the applied data. Here, each of the at least one principal component PC1 and PC2 is a feature of neural waveforms, and the number of principal components obtained may be adjusted according to the number of features of the neural waveform. If two principal components are obtained, as shown in FIG. 3B, by projecting the data on the feature space with the two principal components PC1 and PC2 as each axis, as shown in FIG. 3C, A feature with a lower order can be obtained.
일예로 본 실시예에서 다수의 신경 파형 각각은 32차원의 데이터로 획득될 수 있으며, PCA 기법을 적용하는 경우, 다수의 신경 파형은 3차원의 특징으로 추출될 수 있다.For example, in the present embodiment, each of a plurality of neural waveforms may be acquired as 32-dimensional data, and when the PCA technique is applied, the plurality of neural waveforms may be extracted as 3-dimensional features.
특징 추출부(410)에서 다수의 선형 파형 각각에 대응하는 다수의 특징점이 추출되면, 클러스터링부(420)는 추출된 다수의 특징을 기지정된 방식으로 클러스터링한다. 클러스터링부(420)는 추출된 다수의 특징을 클러스터링함으로써, 대응하는 다수의 선형 파형에 대한 특징을 도 2의 (e)와 같이 다수의 클러스터로 분류한다. 도 2의 (e)에서는 클러스터링부(420)가 다수의 특징을 3개의 클러스터로 분류한 경우를 도시하였으며, 구분을 위해 각 클러스터를 서로 다른 색상으로 표시하였다.When a plurality of feature points corresponding to each of the plurality of linear waveforms are extracted by the
클러스터링부(420)는 K평균 클러스터링(K-means clustering) 알고리즘, 가우시안 혼합 모델(Gaussian mixture model: GMM) 알고리즘, 잡음을 활용한 밀도 기반 공간 클러스터링(Density-based spatial clustering of applications with noise: DBSCAN) 알고리즘 등의 다양한 알고리즘을 이용할 수 있으나, 여기서는 일예로 K 평균 클러스터링(K-Means Clustering) 기법에 따라 다수의 특징을 기지정된 K개로 클러스터링하는 것으로 가정한다.The
특징 추출부(410)가 32차원의 신경 파형으로부터 3차원의 특징을 추출함으로써, 클러스터링부(420)에서의 클러스터링 성능이 크게 향상될 수 있다.As the
클러스터링부(420)에 의해 다수의 특징이 클러스터링되면, 템플릿 선택부(430)가 클러스터링된 다수의 클러스터 각각에서 템플릿 특징을 선택한다. 템플릿 선택부(430)는 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하고, 다수의 클러스터 각각에서 판별된 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택한다.When a plurality of features are clustered by the
일예로 템플릿 선택부(430)는 각 클러스터로 클러스터링된 다수의 특징 중심점에 인접한 10% 비율의 개수에 따른 특징을 템플릿 특징으로 선택할 수 있다. 여기서 템플릿 선택부(430)가 중심점에 인접한 기지정된 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 것은 특징 추출부(410)와 클러스터링부(420)에 의해 클러스터링된 특징에 따라 분류되는 신경 파형으로부터 분류 신뢰도를 보다 향상시키기 위해서이다.As an example, the
상기한 바와 같이, 인공 신경망으로 구현되는 신경 파형 분류부(300)는 미리 학습된 패턴 추정 방식에 따라 신경 파형을 분류하게 되므로, 신경 파형 분류부(300)를 학습시키기 위한 학습 데이터에는 분류 결과가 레이블되어 있어야 한다. 그리고 이때 학습 데이터에 레이블링된 레이블은 매우 높은 신뢰도가 요구된다. 만일 학습 데이터의 레이블에 오류가 있다면, 신경 파형 분류부(300)는 정상적으로 학습되지 않으며, 이로 인해 신경 파형을 정확하게 분류할 수 없게 된다.As described above, since the neural
그러나 상기한 바와 같이 PCA 기법과 K 평균 클러스터링 기법에 따라 다수의 신경 파형의 특징을 분류하더라도, 분류 정확도를 완전하게 신뢰하기는 어렵다. 특히 K 평균 클러스터링 기법에 따라 클러스터링된 다수의 클러스터가 서로 인접하거나, 각 클러스터에 포함된 특징의 분포가 매우 이산적인 경우, 즉 분산이 큰 경우, 각 특징의 클러스터링 결과에 대한 신뢰도는 낮아질 수밖에 없다. 특히 각 클러스터에서 중심점의 위치로부터 상대적으로 먼 위치의 특징일수록 클러스터링 결과에 대한 신뢰도가 낮아지게 된다.However, as described above, even when the features of multiple neural waveforms are classified according to the PCA technique and the K-means clustering technique, it is difficult to completely trust the classification accuracy. In particular, when a plurality of clusters clustered according to the K-means clustering technique are adjacent to each other, or when the distribution of features included in each cluster is very discrete, that is, when the variance is large, the reliability of the clustering result of each feature is inevitably low. In particular, in each cluster, the reliability of the clustering result decreases as the characteristics of the position relatively far from the central point are.
이에 본 실시예에서는 템플릿 선택부(430)를 포함하여 각 클러스터에서 가장 확실하게 분류되는 것으로 고려될 수 있는 중심점으로부터 인접한 특징을 기지정된 비율만큼 선택하여 템플릿 특징으로 획득한다. 즉 다수의 클러스터 각각에서 클러스터링 신뢰도가 높은 특징들을 선택하여 템플릿 특징으로 획득한다.Accordingly, in the present embodiment, including the
학습 데이터 획득부(440)는 다수의 클러스터 각각에서 획득된 다수의 템플릿 특징 각각에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 획득하고, 획득된 템플릿 파형에 클러스터링부(420)에서 구분된 클러스터 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득한다. 즉 다수의 신경 파형 중 높은 신뢰도로 분류된 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 식별자를 레이블링하여 학습 데이터를 생성한다.The training
여기서 템플릿 선택부(430)가 각 클러스터의 특징 중 템플릿 특징으로 선택되는 특징의 개수 비율은 다양하게 설정될 수 있으나, 개수 비율이 증가할수록 잘못 분류된 신경 파형이 템플릿 파형으로 획득될 가능성이 높아지게 된다. 즉 학습 데이터의 오류 가능성이 높아진다. 반면, 개수 비율이 감소할수록 신경 신호로부터 획득할 수 있는 학습 데이터의 양이 줄어들게 된다. 이에 본 실시예에서는 실험을 통해 효과적인 비율을 분석하였으며, 실험 결과, 각 클러스터의 특징 개수 중 5 ~ 20%를 템플릿 특징으로 선택하는 것이 바람직한 것으로 확인되었으며, 여기서는 일예로 10%를 템플릿 특징으로 선택하는 것으로 가정하였다.Here, the ratio of the number of features that the
학습 데이터 획득부(440)는 획득된 템플릿 파형을 신경 파형 분류부(300)의 입력으로 전달한다.The learning
오차 역전파부(450)는 신경 파형 분류부(300)가 다수의 템플릿 파형을 인가받아 분류한 결과인 식별자와 학습 데이터 획득부(440)가 각 템플릿 파형에 레이블한 식별자를 비교하여 신경 파형 분류부(300)의 오차를 판별한다. 그리고 판별된 오차를 신경 파형 분류부로 역전파하여 신경 파형 분류부(300)를 학습시킨다.The
즉 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 학습부(400)는 다수의 신경 파형으로부터 추출되어 클러스터링된 다수의 특징 그룹 각각에서 중심점을 기준으로 기지정된 비율의 특징을 템플릿 특징으 로 추출하고, 추출된 템플릿 특징에 대응하는 다수의 신경 파형인 템플릿 파형을 신경 파형 분류부(300)의 입력으로 인가한다. 그리고 적어도 하나의 히든 레이어(hidden Layer)와 적어도 하나의 완전 연결 레이어(Fully Connected layer)를 포함하는 신경 파형 분류부(300)의 분류 결과로 출력되는 식별자(Neuron #1, Neuron #2, …, Neuron #K)와 학습 데이터 획득부(440)에서 획득된 식별자를 비교하여 오차를 역전파함으로써, 신경 파형 분류부(300)를 정확하게 학습시킬 수 있다.That is, as shown in FIG. 4 , the
신경 파형 분류부의 완전 연결 레이어는 다양한 활성화 함수(active function)에 따른 레이어로 구현될 수 있으나, 여기서는 일예로 소프트 맥스(softmax) 함수에 따른 레이어로 구현되는 것으로 가정하였다.The fully connected layer of the neural waveform classification unit may be implemented as a layer according to various active functions, but it is assumed here that it is implemented as a layer according to a softmax function as an example.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 방법을 나타낸다.5 shows a learning method for neural waveform classification according to an embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 4를 참조하여, 도 5의 신경 파형 분류를 위한 학습 방법을 설명하면, 우선 신호 검출부(100)가 적어도 하나의 전극을 통해 기지정된 기간 동안 획득한 다수의 신경 신호에서 전처리부(200)가 기지정된 기준 세기 이상의 세기를 갖는 신경 신호를 추출하여 정렬한 다수의 신경 파형을 인가받아 획득한다(S10)1 to 4, when explaining the learning method for the neural waveform classification of Fig. 5, first, the
다수의 신경 파형이 획득되면, 획득된 다수의 신경 파형 각각의 특징을 기지정된 방식으로 추출한다(S20). 이때, 다수의 특징은 PCA 기법에 따라 추출되어 신경 파형에 비해 낮은 차원으로 변환될 수 있다.When a plurality of neural waveforms are acquired, features of each of the acquired neural waveforms are extracted in a predetermined manner (S20). In this case, a plurality of features may be extracted according to the PCA technique and converted to a lower dimension than the neural waveform.
다수의 특징이 추출되면, 추출된 다수의 특징을 기지정된 방식으로 클러스터링한다(S30). 여기서 다수의 특징은 K 평균 클러스터링 기법에 따라 기지정된 다수의 클러스터로 클러스터링될 수 있다.When a plurality of features are extracted, the plurality of extracted features are clustered in a predetermined manner (S30). Here, a plurality of features may be clustered into a plurality of predetermined clusters according to a K-means clustering technique.
다수의 특징이 K개의 클러스터로 클러스터링되면, 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별한다(S40). 그리고 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택한다(S50).When a plurality of features are clustered into K clusters, a center point of each of the plurality of clusters is determined (S40). Then, among the total number of features of each cluster, a number of features according to a predetermined ratio adjacent to the determined central point is selected as template features (S50).
템플릿 특징이 선택되면, 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출한다(S60). 이후, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득한다(S70).When a template feature is selected, a neural waveform corresponding to the selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms is extracted as a template waveform (S60). Thereafter, learning data is obtained by labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster with a label ( S70 ).
학습 데이터가 획득되면, 획득된 학습 데이터의 템플릿 파형을 인공 신경망으로 구현된 신경 파형 분류부(300)로 입력한다(S80). 그리고 신경 파형 분류부(300)가 템플릿 파형을 분류하여 출력하는 식별자와 학습 데이터에서 템플릿 파형에 레이블된 식별자를 비교하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 신경 파형 분류부(300)로 역전파하여 신경 파형 분류부(300)를 학습시킨다(S90).When the training data is acquired, the template waveform of the acquired training data is input to the neural
결과적으로 본 실시예에 따른 신경 파형 분류를 위한 학습 장치 및 방법은 신경 세포의 활동에서 감지된 신경 신호로부터 신경 파형이 분류되고, 분류된 신경 파형에 따른 식별자가 레이블된 학습 데이터를 매우 용이하게 획득할 수 있다. 특히 별도의 수작업이 요구되지 않고, 신경 신호로부터 자동으로 식별자가 레이블된 학습 데이터를 획득할 수 있으므로, 대량의 학습데이터를 매우 효과적으로 수집할 수 있을 뿐만 아니라, 신경 신호에서 획득된 신경 파형 중 명확하게 분류가 가능한 신경 파형만을 템플릿 파형으로서 학습에 이용함에 따라 매우 높은 성능으로 신경 파형 분류 장치를 학습시킬 수 있다.As a result, the learning apparatus and method for classifying neural waveforms according to the present embodiment very easily acquire learning data in which a neural waveform is classified from a neural signal detected in the activity of a neural cell, and an identifier according to the classified neural waveform is labeled. can do. In particular, since a separate manual operation is not required and the learning data labeled with the identifier can be obtained automatically from the neural signal, it is possible to collect a large amount of learning data very effectively, and to clearly As only a classifiable neural waveform is used for learning as a template waveform, the neural waveform classification apparatus can be trained with very high performance.
도 6은 템플릿 특징 선택 비율에 따른 학습 정확도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.6 shows a simulation result of learning accuracy according to a template feature selection ratio.
도 6의 (a)는 특징 추출부(410)에서 추출된 다수의 특징의 분포를 나타내고, (a)에서 붉은색 점은 클러스터링부(420)에서 다수의 특징을 5개의 클러스터(K = 5)로 클러스터링한 결과로부터 획득된 중심점의 위치를 나타낸다. (a)를 살펴보면, 5개의 클러스터 중 하부 2개의 클러스터의 중심점 위치가 부적절하다는 것을 직관적으로 알 수 있다. 이는 상기한 바와 같이, PCA 및 K 평균 클러스터링 기법을 적용하더라도 (a)와 같이 클러스터링 결과에는 오차가 발생될 수 있기 때문이다. 그리고 중심점을 기준으로 인접한 특징을 템플릿 특징 선택 비율을 조절하면서 템플릿 특징으로 추출하여 학습을 수행하게 되면, (b)에 도시된 바와 같이, 클러스터링 결과의 오차에도 불구하고 낮은 템플릿 특징 선택 비율에서는 높은 정확도의 학습 성능으로 신경 파형 분류 장치를 학습시킬 수 있음을 알 수 있다.6(a) shows the distribution of a plurality of features extracted by the
도 7은 클러스터 개수와 잡음에 따른 분류 정확도를 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.7 shows a simulation result of classification accuracy according to the number of clusters and noise.
도 7에서 (a) 내지 (d)는 각각 클러스터의 개수, 즉 분류 개수가 2 내지 5개인 경우에, 본 실시예의 학습 방법에 따라 학습된 신경 파형 분류 장치의 성능을 기존의 Mean Squared Error(MSE), Correlation Coefficient(CC) 및 PCA + K 평균 클러스터링 기법으로 분류한 경우와 비교한 결과를 나타낸다.7, (a) to (d) show the performance of the neural waveform classification apparatus learned according to the learning method of this embodiment when the number of clusters, ie, the number of classifications, is 2 to 5, respectively, according to the existing Mean Squared Error (MSE). ), Correlation Coefficient (CC), and PCA + K mean clustering techniques compared to the case of classification are shown.
도 7의 (a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 PCA + K 평균 클러스터링에 따라 분류된 특징에서 중심점을 기준으로 기지정된 비율로 템플릿 파형을 추출하여 학습된 인공 신경망을 이용하는 경우, 클러스터의 개수나 잡음 수준에 무관하게 항시 높은 정확도로 신경 파형을 분류할 수 있음을 알 수 있다. 즉 신경 파형 분류 장치의 성능이 매우 높게 나타남을 알 수 있다.As shown in (a) to (d) of Figure 7, the artificial neural network learned by extracting template waveforms at a predetermined ratio based on the central point from the features classified according to PCA + K mean clustering according to the present embodiment. When used, it can be seen that neural waveforms can always be classified with high accuracy regardless of the number of clusters or the noise level. That is, it can be seen that the performance of the neural waveform classification apparatus is very high.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.The method according to the present invention may be implemented as a computer program stored in a medium for execution by a computer. Here, the computer-readable medium may be any available medium that can be accessed by a computer, and may include all computer storage media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and read dedicated memory), RAM (Random Access Memory), CD (Compact Disk)-ROM, DVD (Digital Video Disk)-ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is only exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the technical spirit of the appended claims.
100: 신호 검출부 200: 전처리부
300: 신경 파형 분류부 400: 학습부
410: 특징 추출부 420: 클러스터링부
430: 템플릿 선택부 440: 학습 데이터 획득부
450: 오차 역전파부100: signal detection unit 200: pre-processing unit
300: neural waveform classification unit 400: learning unit
410: feature extraction unit 420: clustering unit
430: template selection unit 440: learning data acquisition unit
450: error back propagation unit
Claims (14)
추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하는 클러스터링부;
다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하고, 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 템플릿 선택부; 및
인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 학습 데이터 획득부를 포함하되,
상기 템플릿 선택 비율은
5 ~ 20% 범위 내에서 하나의 값으로 지정되는 신경 파형 분류를 위한 학습 장치.
a feature extraction unit for receiving a plurality of neural waveforms obtained in a predetermined manner from a neural signal sensed through at least one electrode, and extracting features for each of the plurality of neural waveforms applied according to a predetermined feature extraction technique;
a clustering unit for clustering the plurality of extracted features into a plurality of clusters according to a predetermined clustering technique;
A template selection unit that determines the center point of each of a plurality of clusters, and selects, as a template feature, a number of features according to a predetermined template selection ratio adjacent to the determined center point among the total number of features of each cluster based on the determined center point ; and
A training data acquisition unit that extracts a neural waveform corresponding to a selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform, and labels the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster with a label to acquire learning data,
The template selection ratio is
A learning device for classifying neural waveforms that is specified as a single value within the range of 5 to 20%.
다수의 신경 파형을 인가받아 분류하도록 학습되어야 하는 인공 신경망의 입력으로 상기 템플릿 파형을 인가하고,
상기 학습 장치는
상기 인공 신경망에서 다수의 신경 파형 각각을 분류한 식별자와 상기 학습 데이터의 식별자를 비교하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 상기 인공 신경망으로 역전파하여 학습시키는 오차 역전파부를 더 포함하는 신경 파형 분류를 위한 학습 장치.According to claim 1, wherein the learning data acquisition unit
Applying the template waveform as an input of an artificial neural network that must be learned to receive and classify a plurality of neural waveforms,
the learning device
Neural waveform classification further comprising an error backpropagating unit for calculating an error by comparing the identifier obtained by classifying each of a plurality of neural waveforms in the artificial neural network with the identifier of the learning data, and backpropagating the calculated error to the artificial neural network for learning learning device for
상기 다수의 신경 파형에 대해 주성분 분석 기법에 따라 상기 신경 파형의 차원보다 낮은 차원을 갖는 특징을 추출하는 신경 파형 분류를 위한 학습 장치.The method of claim 1, wherein the feature extraction unit
A learning apparatus for neural waveform classification for extracting features having a dimension lower than the dimension of the neural waveforms from the plurality of neural waveforms according to a principal component analysis technique.
상기 다수의 특징을 K 평균 클러스터링 기법에 따라 K개의 클러스터로 클러스터링하는 신경 파형 분류를 위한 학습 장치.The method of claim 1, wherein the clustering unit
A learning apparatus for neural waveform classification that clusters the plurality of features into K clusters according to a K-mean clustering technique.
상기 신경 신호에서 기지정된 기준 세기 이상의 세기를 갖는 신경 신호를 추출하고 기지정된 방식으로 정렬하여 다수의 신경 파형을 획득하는 전처리부;
인공 신경망으로 구현되고, 미리 학습된 패턴 추정 방식에 따라 다수의 신경 파형을 분류하여, 분류된 신경 파형 각각에 대응하는 식별자를 출력하는 신경 파형 분류부; 및
상기 신경 파형 분류부의 학습 시에 결합되어 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하고, 추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하여, 다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하며, 판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하여, 인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하고, 추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 학습부를 포함하되,
상기 템플릿 선택 비율은
5 ~ 20% 범위 내에서 하나의 값으로 지정되는 신경 파형 분류 장치.a signal detection unit that samples an analog low-level neural signal sensed through at least one electrode and converts it into a digital signal to obtain the neural signal;
a preprocessing unit for extracting a neural signal having an intensity greater than or equal to a preset reference intensity from the neural signal and arranging it in a preset manner to obtain a plurality of neural waveforms;
a neural waveform classification unit implemented as an artificial neural network, classifying a plurality of neural waveforms according to a pre-learned pattern estimation method, and outputting an identifier corresponding to each of the classified neural waveforms; and
The neural waveform classifier is combined during learning to receive a plurality of neural waveforms, extract features for each of the plurality of applied neural waveforms according to a predetermined feature extraction technique, and apply the plurality of extracted features to a predetermined clustering technique By clustering into a plurality of clusters according to Learning to obtain training data by selecting as a template feature, extracting a neural waveform corresponding to the selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform, and labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster as a label including wealth,
The template selection ratio is
A neural waveform classifier specified as a single value within the range of 5 to 20%.
상기 신경 파형 분류부로 상기 템플릿 파형을 인가하고, 상기 신경 파형 분류부에서 출력되는 식별자와 상기 학습 데이터의 식별자를 비교하여 오차를 계산하고, 계산된 오차를 상기 인공 신경망으로 역전파하여 상기 신경 파형 분류부를 학습시키는 오차 역전파부를 더 포함하는 신경 파형 분류 장치.The method of claim 6, wherein the learning unit
Applying the template waveform to the neural waveform classification unit, calculating an error by comparing the identifier output from the neural waveform classification unit with the identifier of the training data, and backpropagating the calculated error to the artificial neural network to classify the neural waveform A neural waveform classification device further comprising an error backpropagation unit for learning a part.
상기 다수의 신경 파형에 대해 주성분 분석 기법에 따라 상기 신경 파형의 차원보다 낮은 차원을 갖는 특징을 추출하는 신경 파형 분류 장치.The method of claim 6, wherein the learning unit
A neural waveform classification apparatus for extracting features having a dimension lower than that of the neural waveforms from the plurality of neural waveforms according to a principal component analysis technique.
상기 다수의 특징을 K 평균 클러스터링 기법에 따라 K개의 클러스터로 클러스터링하는 신경 파형 분류 장치.The method of claim 6, wherein the learning unit
A neural waveform classification apparatus for clustering the plurality of features into K clusters according to a K-mean clustering technique.
적어도 하나의 전극을 통해 감지되는 신경 신호로부터 기지정된 방식으로 획득된 다수의 신경 파형을 인가받고, 기지정된 특징 추출 기법에 따라 인가된 다수의 신경 파형 각각에 대한 특징을 추출하는 단계;
추출된 다수의 특징을 기지정된 클러스터링 기법에 따라 다수의 클러스터로 클러스터링하는 단계;
다수의 클러스터 각각의 중심점을 판별하는 단계;
판별된 중심점을 기준으로 각 클러스터의 전체 특징 개수 중 판별된 상기 중심점을 기준으로 인접한 기지정된 템플릿 선택 비율에 따른 개수의 특징을 템플릿 특징으로 선택하는 단계;
인가된 다수의 신경 파형 중 선택된 템플릿 특징에 대응하는 신경 파형을 템플릿 파형으로 추출하는 단계; 및
추출된 템플릿 파형에 각 클러스터에 대응하는 식별자를 레이블로 레이블링하여 학습 데이터를 획득하는 단계를 포함하되,
상기 템플릿 선택 비율은
5 ~ 20% 범위 내에서 하나의 값으로 지정되는 신경 파형 분류를 위한 학습 방법. As a method performed in a learning device for neural waveform classification,
receiving a plurality of neural waveforms obtained in a predetermined manner from a neural signal sensed through at least one electrode, and extracting features for each of the plurality of applied neural waveforms according to a predetermined feature extraction technique;
clustering the extracted plurality of features into a plurality of clusters according to a predetermined clustering technique;
determining a center point of each of a plurality of clusters;
selecting, as template features, a number of features according to a predetermined template selection ratio adjacent to the determined central point from among the total number of features of each cluster based on the determined central point;
extracting a neural waveform corresponding to a selected template feature from among a plurality of applied neural waveforms as a template waveform; and
Labeling the extracted template waveform with an identifier corresponding to each cluster with a label to obtain training data,
The template selection ratio is
A learning method for classifying neural waveforms that is specified as a single value within the range of 5 to 20%.
다수의 신경 파형을 인가받아 분류하도록 학습되어야 하는 인공 신경망의 입력으로 상기 템플릿 파형을 인가하는 단계;
상기 인공 신경망에서 다수의 신경 파형 각각을 분류한 식별자와 상기 학습 데이터의 식별자를 비교하여 오차를 계산하는 단계; 및
계산된 오차를 상기 인공 신경망으로 역전파하는 단계를 더 포함하는 신경 파형 분류를 위한 학습 방법.11. The method of claim 10, wherein the learning method
applying the template waveform as an input of an artificial neural network to be learned to receive and classify a plurality of neural waveforms;
calculating an error by comparing an identifier obtained by classifying each of a plurality of neural waveforms in the artificial neural network with an identifier of the training data; and
The learning method for neural waveform classification further comprising the step of backpropagating the calculated error to the artificial neural network.
상기 다수의 신경 파형에 대해 주성분 분석 기법에 따라 상기 신경 파형의 차원보다 낮은 차원을 갖는 특징을 추출하는 신경 파형 분류를 위한 학습 방법.The method of claim 10, wherein the extracting of the feature comprises:
A learning method for neural waveform classification for extracting features having a dimension lower than that of the neural waveforms according to a principal component analysis technique for the plurality of neural waveforms.
상기 다수의 특징을 K 평균 클러스터링 기법에 따라 K개의 클러스터로 클러스터링하는 신경 파형 분류를 위한 학습 방법.The method of claim 10, wherein the clustering comprises:
A learning method for neural waveform classification in which the plurality of features are clustered into K clusters according to the K mean clustering technique.
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Caro-Martin C R etc., Spike sorting based on shape, phase, and distribution features, and K-TOPS clustering with validity and error indices. Scientific Reports. Vol.8, pp.1~28 (2018.12.12.) 1부.* |
Dai J etc., Experimental Study on Neuronal Spike Sorting Methods. International Journal of Advanced Science and Technology. Vol.3, pp.41~48 (February, 2009) 1부.* |
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