KR102463667B1 - Mental state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법에 관한 것이다. 본 발명은 수신부가 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하는 단계와, 전처리부가 측정된 뇌전도데이터에 대해 세그멘테이션 및 전처리를 수행하는 단계와, 분해부가 전처리된 뇌전도데이터를 저주파 및 고주파의 엔벨로프 신호로 분해하는 단계와, 행렬생성부가 분해된 신호의 공분산 행렬을 생성하는 단계를 포함한다. The present invention relates to a brain state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data. The present invention comprises the steps of: receiving the EEG data from the measurement electrode by the receiving unit; performing segmentation and preprocessing on the EEG data measured by the preprocessing unit; and decomposing the preprocessed EEG data by the decomposing unit into low-frequency and high-frequency envelope signals and generating, by a matrix generator, a covariance matrix of the decomposed signal.

Description

뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법{Mental state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data} [0001] Mental state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data

본 발명은 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법에 관한 것으로, 특히 뇌전도데이터의 파워와 교차 주파수 결합정보를 결합한 가중치 교차 주파수 결합정보(Weighted Cross-Frequency Coupling; WCFC)에 기초하여 소수의 전극만으로도 사용자의 뇌상태를 분류하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a brain state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data, and in particular, based on Weighted Cross-Frequency Coupling (WCFC), which combines the power of EEG data and cross-frequency coupling information. It relates to a method of classifying a user's brain state with only a small number of electrodes.

뇌파 기반의 뇌-컴퓨터 접속(brain-computer interface, BCI) 시스템은 뇌파 활동만을 가지고 뇌 상태를 분류하여 컴퓨터와 같은 기기를 조작하는 시스템이다. 특정 과제를 수행할 당시 발생하는 특징적인 신호를 추출하여 입력 신호로 활용한다. BCI시스템을 활용한 대표적인 분류 문제로는 움직임 상상(motor imagery) 분류가 있다. 운동 피질(motor cortex) 부근의 두피 부근에서 측정한 뇌파에서 손 움직임 상상시 Mu(8-14Hz)와 beta(15-30Hz)의 리듬이 감소하는 사건관련 비동기화(event-related desynchronization)이 발견된다. 이러한 뇌파 특성을 기반으로 손 움직임의 상상 방향을 분류한다. 하지만 이러한 뇌 활동 전위의 파워(또는 크기) 정보만을 활용하는 경우 운동의 방향성을 예측하는 것은 쉽지 않다. 실제로 뇌 상태는 뇌파의 파워정보 외에도 다양한 정보에 투영된다. 예를 들어 서로 다른 주파수와의 관계를 통해 정보를 교환하는 교차 주파수 결합(cross-frequency coupling)은 뇌의 다양한 기능과 관련이 있다. 종래의 뇌 상태를 분류하는 방법들은 많은 수의 측정전극이 필요한 단점이 있다.The brain-computer interface (BCI) system based on brain waves is a system that operates devices such as computers by classifying brain states using only brain wave activity. A characteristic signal generated when performing a specific task is extracted and used as an input signal. A typical classification problem using the BCI system is motor imagery classification. Event-related desynchronization in which the rhythm of Mu (8-14 Hz) and beta (15-30 Hz) decreases when imagining hand movements is found in EEG measured near the scalp near the motor cortex . Based on these EEG characteristics, the imaginary direction of hand movement is classified. However, it is not easy to predict the direction of movement when only the power (or magnitude) information of these brain action potentials is used. In fact, the brain state is projected on various information in addition to the power information of the EEG. For example, cross-frequency coupling, which exchanges information through relationships with different frequencies, is related to various functions of the brain. Conventional methods for classifying brain states have a disadvantage in that a large number of measuring electrodes are required.

관련 선행기술로는 대한민국 등록특허 10-1293446호 "움직임을 상상하는 뇌파 분류 방법 및 그 장치"가 있으나 측정된 뇌파로부터 좌측 움직임 상상 뇌파 신호와 우측 움직임 상상 뇌파 신호를 분류하기 위한 움직임을 상상하는 뇌파 분류 방법을 개시하고 있을 뿐이다.As a related prior art, there is Republic of Korea Patent No. 10-1293446 "EEG classification method and device for imagining movement" It is only disclosing a classification method.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 서로 다른 주파수와의 관계를 통해 정보를 교환하는 가중치 기반의 교차 주파수 결합정보에 기초하여 소수의 전극 환경에서도 정보를 극대화하여 뇌 상태를 분류 및 예측하는 방법을 제공하는 것에 있다.The problem to be solved by the present invention is to provide a method for classifying and predicting brain states by maximizing information even in a small number of electrode environments based on weight-based cross-frequency coupling information that exchanges information through relationships with different frequencies. there is in

본 발명의 뇌전도데이터의 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법은, 수신부가 다수개의 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하는 단계와, 특징추출부가 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보(WCFC; weighted cross-frequency coupling)를 통해 특징을 추출하는 단계와, 특징결합부가 추출된 다수개의 특징들을 결합하는 단계와, 분류부가 특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수대역대로 뇌 상태를 분류하는 단계를 포함한다.The brain state classification method based on the cross frequency coupling information of the EEG data of the present invention comprises the steps of: a receiving unit receiving EEG data from a plurality of measurement electrodes; and a feature extracting unit weighted cross frequency information (WCFC) from EEG data extracting a feature through frequency coupling), combining a plurality of features extracted by the feature combining unit, and classifying the brain state in frequency bands from the features combined by the feature combining unit by the classifying unit. .

본 발명의 뇌전도데이터의 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 시스템은, 다수개의 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하는 수신부와, 상기 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보(WCFC; weighted cross-frequency coupling)를 통해 특징을 추출하는 특징추출부와, 특징추출부에서 추출된 다수개의 특징들을 결합하는 특징결합부와, 특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수대역대로 뇌 상태를 분류하는 분류부를 포함한다.The brain state classification system based on cross-frequency coupling information of electroencephalogram data of the present invention includes a receiver for receiving electroencephalogram data from a plurality of measurement electrodes, and weighted cross-frequency coupling (WCFC) in the electroencephalogram data. It includes a feature extracting unit for extracting features through , a feature combining unit for combining a plurality of features extracted from the feature extracting unit, and a classification unit for classifying brain states in frequency bands from the features combined in the feature combining unit.

본 발명에 의하면, 소수의 전극만으로 측정한 뇌전도데이터의 교차 주파수 결합정보를 이용하여 뇌상태 분류 및 예측에 대한 정확도가 향상되는 효과가 있다.According to the present invention, there is an effect of improving the accuracy of brain state classification and prediction using cross-frequency coupling information of EEG data measured with only a small number of electrodes.

뇌파의 파워정보만을 활용한 뇌상태 분류의 제한을 넘어서 파워 뿐 아니라 교차 주파수 결합정보를 활용하여 움직임 상상 방향 예측에 용이하다.Beyond the limit of brain state classification using only the power information of EEG, it is easy to predict the direction of imagined motion by using not only power but also cross-frequency combined information.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류방법을 설명하는 흐름도이다
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 특징결합부의 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 통해 특징을 추출하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류 시스템의 구성도이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류방법을 설명하는 예시도이다.
1 is a flowchart illustrating a brain state classification method using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method of extracting a feature through weight-based cross frequency information of a feature combining unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a brain state classification system using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention.
4 to 7 are exemplary diagrams illustrating a brain state classification method using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.The specific structural or functional description of the embodiments according to the concept of the present invention disclosed in this specification is only illustrated for the purpose of explaining the embodiments according to the concept of the present invention, and the embodiments according to the concept of the present invention are It may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein.

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

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described herein is present, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

이하, 본 명세서에 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류방법을 설명하는 흐름도이다1 is a flowchart illustrating a brain state classification method using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 뇌상태 분류장치의 수신부가 다수개의 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신한다(S101). 특징추출부가 수신된 뇌전도데이터에서 가중치 교차 주파수 결합정보(WCFC; weighted cross-frequency coupling)에서 특징을 추출한다(S103). 이때, 가중치 교차 주파수 결합정보는 뇌전도데이터의 파워(power)와 교차 주파수 결합정보(cross-frequency coupling)를 결합한 정보를 의미하며, 두가지 컨디션의 신호를 분류하기 위해 각 그룹의 특징을 극대화하는 교차 주파수 결합 및 파워 특징을 추출할 수 있다. 가중치 교차 주파수 결합정보(WCFC)는 특징을 생성하는 방법으로 생성된 특징을 활용하여 문제를 분류할 수 있다. Referring to Figure 1, the receiving unit of the brain state classification device receives the EEG data from a plurality of measurement electrodes (S101). The feature extraction unit extracts features from weighted cross-frequency coupling information (WCFC) from the received EEG data (S103). In this case, the weighted cross-frequency combination information means information that combines the power of EEG data and cross-frequency coupling information, and the cross-frequency that maximizes the characteristics of each group in order to classify signals of two conditions. Coupling and power characteristics can be extracted. The weighted cross-frequency combining information (WCFC) is a method of generating a feature, and the problem can be classified by using the generated feature.

특징결합부가 추출된 다수개의 특징들을 결합한다(S105). 모델형성부가 학습을 위한 뇌전도데이터를 통해 머신러닝모델을 미리 형성하고, 상기 머신러닝모델을 통해 분류부가 특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수대역대로 뇌 상태를 분류한다(S107). 상기 머신러닝모델은 선형판별분석모델(Linear Discriminant analysis; LDA)을 통해 독립변수들의 측정값에 따라 데이터가 어느 집단에 속할 것인가에 대해 판별할 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. The feature combining unit combines a plurality of extracted features (S105). The model forming unit preforms a machine learning model through the EEG data for learning, and the classification unit classifies the brain state in frequency bands from the features combined in the feature combining unit through the machine learning model (S107). The machine learning model can determine which group the data belongs to according to the measured values of the independent variables through a linear discriminant analysis (LDA), but is not limited thereto.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 특징결합부의 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 통해 특징을 추출하는 방법을 설명하는 흐름도이다. 2 is a flowchart illustrating a method of extracting a feature through weight-based cross frequency information of a feature combining unit according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참조하면, 뇌전도데이터의 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법은 먼저 수신부가 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신한다(S201).Referring to FIG. 2 , in the brain state classification method based on the cross-frequency coupling information of the EEG data, the receiver first receives the EEG data from the measuring electrode (S201).

특징추출부의 전처리모듈이 측정된 뇌전도데이터에 대해 세그멘테이션 및 전처리를 수행한다(S203). 전처리모듈은 측정된 뇌전도데이터를 데이터 세그멘테이션을 수행하고, 평균 공통 기준(Common Average Reference) 및 1Hz 내지 200Hz의 대역필터를 통과하여 전처리한다. 뇌전도데이터는 창 크기(window size) 2초로 자극 이후 0.5초 에서 3.5초 동안으로 나뉘어질 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니며 데이터에 따라 가변적일 수 있다. 각 시행 및 각 채널에 대하여 주파수 파워값이 매트랩의 pwelch() 함수를 사용하여 1Hz 해상도로 추정될 수 있고, 분류 분석을 위한 특징벡터로 활용될 수 있다. 특히 뇌전도 분석에서 가장 많이 활용되는 각 주파수 대역에 대한 분류정확도 비교를 위하여 특징벡터를 각 주파수 대역별로 구성하여 분류분석을 수행할 수 있다.The pre-processing module of the feature extraction unit performs segmentation and pre-processing on the measured EEG data (S203). The pre-processing module performs data segmentation on the measured EEG data, and pre-processes it by passing through a common average reference and a band filter of 1 Hz to 200 Hz. The electroencephalogram data may be divided into 0.5 seconds to 3.5 seconds after stimulation with a window size of 2 seconds, but the present invention is not limited thereto and may vary depending on the data. For each trial and each channel, the frequency power value can be estimated at 1Hz resolution using MATLAB's pwelch() function, and can be used as a feature vector for classification analysis. In particular, classification analysis can be performed by composing feature vectors for each frequency band in order to compare classification accuracy for each frequency band most used in EEG analysis.

특징벡터 구성에 사용된 저주파수는 4Hz에서 40Hz까지 주파수를 4Hz간격, 이동크기 2Hz를 사용하며, 고주파수는 40Hz에서 140Hz까지 20Hz간격, 이동크기 10Hz를 사용하여 비교분석할 수 있으나 이에 대해 한정하는 것은 아니다. The low frequency used in the feature vector construction uses a frequency of 4 Hz from 4 Hz to 40 Hz and a movement size of 2 Hz, and a high frequency can be compared and analyzed using a 20 Hz interval from 40 Hz to 140 Hz and a movement size of 10 Hz, but the present invention is not limited thereto. .

특징추출부의 분해모듈이 전처리된 뇌전도데이터를 저주파 및 고주파의 엔벨로프 신호로 분해한다(S205). 분해모듈은 아래의 수식에 의해 주파수대역대로 신호를 분해할 수 있다.The decomposition module of the feature extraction unit decomposes the pre-processed EEG data into low-frequency and high-frequency envelope signals (S205). The decomposition module can decompose the signal into frequency bands by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00001
Figure 112021028218626-pat00001

특징추출부의 공분산행렬생성모듈이 분해된 신호의 공분산 행렬을 생성한다(S207). 공분산행렬 생성모듈은 아래의 수식에 의해 공분산 행렬을 생성한다.

Figure 112021028218626-pat00002
The covariance matrix generation module of the feature extraction unit generates a covariance matrix of the decomposed signal (S207). The covariance matrix generation module generates a covariance matrix by the following equation.
Figure 112021028218626-pat00002

상기 공분산 행렬은 C의 a번째 열, b번째 행인 Ca,b는 다중 주파수 행렬인

Figure 112021028218626-pat00003
Figure 112021028218626-pat00004
주파수 사이의 상관관계를 나타낸다.The covariance matrix is the a-th column of C, the b-th row C a,b is a multi-frequency matrix
Figure 112021028218626-pat00003
of
Figure 112021028218626-pat00004
It shows the correlation between frequencies.

특징추출부의 가중치투영행렬생성모듈이 생성된 공분산 행렬에 기초하여 가중치 투영 행렬을 생성한다(S209). 가중치투영행렬 생성모듈은 목적함수

Figure 112021028218626-pat00005
를 통해 얻은 고유벡터를 활용하여 가중치벡터를 만든다. 가중치투영행렬모듈(137)은 아래의 수식에 의해 가중치벡터를 생성한다.The weight projection matrix generation module of the feature extraction unit generates a weight projection matrix based on the generated covariance matrix (S209). The weight projection matrix generation module is an objective function
Figure 112021028218626-pat00005
A weight vector is created using the eigenvector obtained through The weight projection matrix module 137 generates a weight vector by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00006
Figure 112021028218626-pat00006

특징추출부의 특징추출모듈이 생성된 가중치 투영 행렬로 분해된 신호를 투영시켜 특징을 추출한다(S211). 특징추출모듈은 아래의 수식에 의해 특징을 추출한다.The feature extraction module of the feature extraction unit projects the decomposed signal into the generated weight projection matrix to extract features (S211). The feature extraction module extracts features by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00007
Figure 112021028218626-pat00007

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류 시스템의 구성도이다. 뇌상태 분류 시스템(10)은 뇌상태 분류 장치(100)와 측정전극(200)으로 구성된다.3 is a block diagram of a brain state classification system using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention. The brain state classification system 10 is composed of a brain state classification device 100 and a measuring electrode 200 .

뇌상태 분류장치(100)는 수신부(110), 제어부(120), 특징추출부(130), 특징결합부(140), 모델형성부(150), 분류부로 구성된다. The brain state classification apparatus 100 includes a receiving unit 110 , a control unit 120 , a feature extraction unit 130 , a feature combining unit 140 , a model forming unit 150 , and a classification unit.

수신부(110)는 측정전극(200)으로부터 뇌전도데이터를 수신한다.The receiver 110 receives the electroencephalogram data from the measurement electrode 200 .

제어부(120)는 뇌상태 분류장치의 동작에 관련한 프로세스의 처리를 제어하며, 각 구성의 동작을 제어한다.The control unit 120 controls the processing of the process related to the operation of the brain state classification device, and controls the operation of each component.

특징추출부(130)는 특징추출부가 다수개의 전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하여 특징을 추출한다. 즉, 특징추출부(130)는 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 결합정보를 추출할 수 있다. 특징추출부(130)는 전처리모듈(131), 분해모듈(133), 공분산행렬 생성모듈(135), 가중치투영행렬 생성모듈(137), 특징추출모듈(139)로 구성된다. The feature extracting unit 130 extracts features by receiving the EEG data from the plurality of electrodes by the feature extracting unit. That is, the feature extraction unit 130 may extract weight-based cross-frequency combination information from the EEG data. The feature extraction unit 130 includes a preprocessing module 131 , a decomposition module 133 , a covariance matrix generation module 135 , a weight projection matrix generation module 137 , and a feature extraction module 139 .

전처리모듈(131)은 측정전극(200)으로부터 측정된 뇌전도데이터를 수신하여 전처리를 수행할 수 있다. The pre-processing module 131 may receive the EEG data measured from the measuring electrode 200 to perform pre-processing.

분해모듈(133)은 전처리된 뇌전도데이터를 저주파 및 고주파의 엔벨로프 신호로 분해한다. 분해모듈(133)은 뇌전도데이터를 저주파, 고주파 등 다양한 주파수 대역대로 분해한다. 분해모듈(133)은 아래의 수식에 의해 주파수대역대로 신호를 분해할 수 있다.The decomposition module 133 decomposes the pre-processed EEG data into low-frequency and high-frequency envelope signals. The decomposition module 133 decomposes the EEG data into various frequency bands such as low frequency and high frequency. The decomposition module 133 may decompose a signal into a frequency band by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00008
Figure 112021028218626-pat00008

공분산행렬 생성모듈(135)은 분해된 신호의 공분산 행렬을 생성한다. 공분산 행렬생성모듈(135)은 분해된 각각의 신호의 스케일을 맞추기 위해 정규화를 수행하고, 공분산 행렬을 생성한다. 공분산행렬 생성모듈은 아래의 수식에 의해 공분산 행렬을 생성한다.The covariance matrix generation module 135 generates a covariance matrix of the decomposed signal. The covariance matrix generation module 135 performs normalization to adjust the scale of each decomposed signal, and generates a covariance matrix. The covariance matrix generation module generates a covariance matrix by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00009
Figure 112021028218626-pat00009

상기 공분산 행렬은 C의 a번째 열, b번째 행인 Ca,b는 다중 주파수 행렬인

Figure 112021028218626-pat00010
Figure 112021028218626-pat00011
주파수 사이의 상관관계를 나타낸다.The covariance matrix is the a-th column of C, the b-th row C a,b is a multi-frequency matrix
Figure 112021028218626-pat00010
of
Figure 112021028218626-pat00011
It shows the correlation between frequencies.

가중치투영행렬 생성모듈(137)은 생성된 공분산 행렬에 기초하여 가중치 투영 행렬을 생성한다. 가중치투영행렬 생성모듈(137)은 다중 주파수 행렬

Figure 112021028218626-pat00012
를 투영(projection)시킬 가중치 벡터(weighted vector)를 만들기 위해 목적함수
Figure 112021028218626-pat00013
를 세운다. The weight projection matrix generation module 137 generates a weight projection matrix based on the generated covariance matrix. Weight projection matrix generation module 137 is a multi-frequency matrix
Figure 112021028218626-pat00012
The objective function to create a weighted vector onto which to project
Figure 112021028218626-pat00013
set up

Figure 112021028218626-pat00014
Figure 112021028218626-pat00014

가중치투영행렬 생성모듈(137)은 목적함수

Figure 112021028218626-pat00015
를 통해 얻은 고유벡터를 활용하여 가중치벡터를 만든다. 가중치투영행렬모듈(137)은 아래의 수식에 의해 가중치벡터를 생성한다.Weight projection matrix generation module 137 is an objective function
Figure 112021028218626-pat00015
A weight vector is created using the eigenvector obtained through The weight projection matrix module 137 generates a weight vector by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00016
Figure 112021028218626-pat00016

가중치투영행렬 생성모듈(137)은 가중치벡터를 활용하여 가중치 투영 행렬을 형성한다. 이때, 고유값과 고유벡터는 각 클래스와 상응한다. 따라서, 양 끝의 고유값에 상응하는 고유벡터 k를 선택하여 가중치 벡터를 만들 수 있다. The weight projection matrix generation module 137 forms a weight projection matrix by using the weight vector. In this case, the eigenvalues and eigenvectors correspond to each class. Therefore, it is possible to create a weight vector by selecting an eigenvector k corresponding to the eigenvalues at both ends.

특징추출모듈(139)은 생성된 가중치 투영 행렬로 분해된 신호를 투영시켜 특징을 추출한다. 특징추출모듈(139)은 해당 가중치 투영 행렬에 분해된 신호들을 투영시켜 다수개의 특징을 생성한다. The feature extraction module 139 extracts features by projecting the decomposed signal into the generated weight projection matrix. The feature extraction module 139 generates a plurality of features by projecting the decomposed signals on a corresponding weight projection matrix.

특징추출모듈(139)은 아래의 수식에 의해 특징을 추출한다.The feature extraction module 139 extracts features by the following equation.

Figure 112021028218626-pat00017
Figure 112021028218626-pat00017

특징결합부(140)는 특징추출부에서 추출된 다수개의 특징들을 결합한다. The feature combining unit 140 combines a plurality of features extracted by the feature extracting unit.

모델형성부(150)는 학습을 위한 뇌전도데이터를 통해 머신러닝모델을 미리 형성한다. The model forming unit 150 forms a machine learning model in advance through the EEG data for learning.

분류부(160)는 형성된 머신러닝모델을 통해 특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수 대역대로 분류한다. 분류부는 이미 학습된 머신러닝모델을 통해 뇌 상태를 분류할 수 있다.The classification unit 160 classifies the frequency band from the features combined in the feature combining unit through the formed machine learning model. The classifier can classify the brain state through an already trained machine learning model.

도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 정보를 이용하여 뇌 상태 분류방법을 설명하는 예시도이다.4 to 7 are exemplary diagrams illustrating a brain state classification method using weight-based cross-frequency information in EEG data according to an embodiment of the present invention.

도 4는 뇌전도데이터에서 가중치 기반의 교차 주파수 결합정보를 추출하는 방법을 설명하는 도면이다. 두개의 클래스의 뇌전도데이터가 분리되고(a), 클래스별로 각각의 공분산 행렬이 형성되고(b), 이를 기반으로 가중치 투영 행렬(weight projection matrix)이 형성되고(c), 가중치 투영 행렬에 신호를 투영(projection)시켜 N개의 특징을 추출한다.4 is a diagram for explaining a method of extracting weight-based cross-frequency combination information from EEG data. The EEG data of two classes are separated (a), and each covariance matrix is formed for each class (b), based on this, a weight projection matrix is formed (c), and a signal is applied to the weight projection matrix. N features are extracted by projection.

도 5는 가중치 기반의 교차 주파수 결합정보의 원리를 설명하는 도면으로서, 교차 주파수 결합의 한 종류의 PAC가 높은 경우(alpha-gamma) 상관관계(correlation) 또한 동일하게 높은 것을 알 수 있다.FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of weight-based cross-frequency combining information, and it can be seen that when one type of cross-frequency combining PAC is high (alpha-gamma), the correlation is also high.

도 6은 각 방법별 정확도를 나타내는 도면으로, 본 발명에 의한 실시예는 기존의 파워 정보만으로 뇌 상태를 분류하는 방법(BrPSD, NrPSD)보다 높은 정확도를 보였다. 또한, 64개 전극을 활용한 CSP와 2개의 전극만으로 활용한 WCFC2(본 발명)가 비슷한 정확도를 보임을 알 수 있다.6 is a view showing the accuracy of each method, and the embodiment according to the present invention showed higher accuracy than the existing methods for classifying brain states using only power information (BrPSD, NrPSD). In addition, it can be seen that CSP using 64 electrodes and WCFC2 (the present invention) using only two electrodes show similar accuracy.

도 7은 본 발명의 가중치 투영 행렬에 대한 도면이다. WCFC dominant group은 정확도가 CSP보다 높은 경우이며, CSP dominant group 그 반대의 경우이다. 그 결과 형성된 가중치 투영 행렬간의 차이는 고주파에서 유의미한 차이가 있었다. 저주파수, 즉 파워 정보가 아닌 교차 주파수 결합 정보에 의해 두 그룹의 정확도 차이가 있었던 것으로 분석된다. WCFC dominant group은 교차 주파수 결합 정보가 있는 피험자이기 때문에 WCFC 해당 정보를 파워 정보와 함께 추출하여 보다 높은 정확도를 산출한 것으로 분석된다.7 is a diagram of a weight projection matrix of the present invention. The WCFC dominant group has higher accuracy than the CSP, and the CSP dominant group has the opposite case. As a result, there was a significant difference between the weighted projection matrices formed at high frequencies. It is analyzed that there was a difference in accuracy between the two groups due to the low frequency, that is, the cross frequency combination information, not the power information. Since the WCFC dominant group is a subject with cross-frequency coupling information, it is analyzed that higher accuracy was obtained by extracting the WCFC-related information along with the power information.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiment shown in the drawings, which is merely exemplary, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10; 뇌상태 분류 시스템 100; 뇌상태 분류 장치
110; 수신부 120; 제어부
130; 특징추출부 140; 특징결합부
150; 모델형성부 160; 분류부
200; 측정전극
10; brain state classification system 100; brain state classification device
110; receiver 120; control
130; feature extraction unit 140; feature combination
150; model forming unit 160; classification
200; measuring electrode

Claims (5)

뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 방법에 있어서,
(a) 수신부가 측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하는 단계;
(b) 특징추출부가 뇌전도데이터에서 가중치 교차 주파수 결합정보(WCFC; weighted cross-frequency coupling)를 통해 특징을 추출하는 단계;
(c) 특징결합부가 추출된 특징들을 결합하는 단계;
(d) 분류부가 특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수대역대로 뇌 상태를 분류하는 단계를 포함하는 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류방법.
In the brain state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data,
(a) receiving the electroencephalogram data from the measuring electrode by the receiving unit;
(b) extracting features from the EEG data by the feature extraction unit through weighted cross-frequency coupling (WCFC);
(c) combining the extracted features by the feature combining unit;
(d) a brain state classification method based on weighted cross-frequency combining information of EEG data, comprising the step of a classification unit classifying brain states in frequency bands from features combined in a feature combining unit.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
특징추출부의 전처리모듈이 측정된 뇌전도데이터에 대해 세그멘테이션 및 전처리를 수행하는 단계;
특징추출부의 분해모듈이 전처리된 뇌전도데이터를 저주파 및 고주파의 엔벨로프 신호로 분해하는 단계; 및
특징추출부의 공분산행렬 생성모듈이 분해된 신호의 공분산 행렬을 생성하는 단계를 포함하는 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류방법.
According to claim 1,
Step (b) is,
performing segmentation and pre-processing on the EEG data measured by the pre-processing module of the feature extraction unit;
decomposing the pre-processed EEG data by the decomposition module of the feature extraction unit into low-frequency and high-frequency envelope signals; and
A brain state classification method based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data, comprising the step of generating, by the covariance matrix generation module of the feature extraction unit, a covariance matrix of the decomposed signal.
제2항에 있어서,
특징추출부의 가중치투영행렬 생성모듈이 생성된 공분산 행렬에 기초하여 가중치투영행렬을 생성하는 단계를 더 포함하는 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류방법.
3. The method of claim 2,
The method of classifying a brain state based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data further comprising the step of generating, by the weight projection matrix generation module of the feature extraction unit, a weight projection matrix based on the generated covariance matrix.
제3항에 있어서,
특징추출부의 특징추출모듈이 생성된 가중치투영행렬로 분해된 신호를 투영시켜 특징을 추출하는 단계를 더 포함하는 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류방법.
4. The method of claim 3,
The method of classifying a brain state based on weighted cross-frequency coupling information of EEG data further comprising the step of extracting features by projecting the decomposed signal into the weight projection matrix generated by the feature extraction module of the feature extraction unit.
뇌전도데이터의 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 시스템에 있어서,
측정전극으로부터 뇌전도데이터를 수신하는 수신부;
상기 뇌전도데이터에서 가중치 교차 주파수 결합정보(WCFC; weighted cross-frequency coupling)를 통해 특징을 추출하는 특징추출부;
특징추출부에서 추출된 특징들을 결합하는 특징결합부; 및
특징결합부에서 결합된 특징들로부터 주파수대역대로 뇌 상태를 분류하는 분류부를 포함하는 뇌전도데이터의 가중치 교차 주파수 결합정보 기반의 뇌상태 분류 시스템.




















In the brain state classification system based on cross-frequency coupling information of EEG data,
a receiver for receiving electroencephalogram data from the measuring electrode;
a feature extracting unit for extracting features from the electroencephalogram data through weighted cross-frequency coupling (WCFC);
a feature combining unit combining the features extracted by the feature extracting unit; and
A brain state classification system based on weighted cross-frequency combining information of EEG data, including a classification unit that classifies brain states in frequency bands from features combined in the feature combining unit.




















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