KR102593035B1 - Method and apparatus for diagnosing epilepsy based on deep learning - Google Patents

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Abstract

본 발명은 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하고, 합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하고, 인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고, 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하고, 상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치가 제공된다.The present invention discloses a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method and device. According to the invention, a processor; and a memory connected to the processor, preprocessing electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from the user, and extracting a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a time-space-frequency network based on a convolutional neural network. Then, through a causal convolution layer, the first feature vectors of previous time points are input from the current time point t at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and the second feature vectors of each time period from the previous time point to the current time are extracted, and extended synthesis is performed. Deep extracts a third feature vector at a time after the current point through a product layer, and stores program instructions executed by the processor to determine whether or not an epileptic seizure is present using the extracted third feature vector. A running-based epilepsy seizure diagnosis device is provided.

Description

딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법 및 장치{Method and apparatus for diagnosing epilepsy based on deep learning}Deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method and apparatus {Method and apparatus for diagnosing epilepsy based on deep learning}

본 발명은 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method and device.

뇌전증은 뇌졸증, 치매와 함께 3대 주요 만성 뇌 질환 중 하나로 최근 뇌전도 (ElectroEncephaloGram; EEG) 신호 분석을 통해 발작을 진단하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. Epilepsy is one of the three major chronic brain diseases along with stroke and dementia. Recently, research has been actively conducted to diagnose seizures through analysis of electroencephalogram (EEG) signals.

특히 두피 뇌전도 신호의 분석을 통한 뇌전증 발작 진단은 일상생활에서 실시간으로도 검출 가능하다는 장점을 가지고 있어 기술적으로 높은 가치를 가진다. In particular, the diagnosis of epilepsy seizures through analysis of scalp electroencephalogram signals has the advantage of being able to be detected in real time in everyday life, so it has high technical value.

하지만 두피 뇌전도 신호는 측정 과정에서 잡음이 개입되어 일반적인 분류 방법을 적용하면 낮은 성능을 보이는 등의 어려움이 따른다. However, scalp electroencephalogram signals are subject to difficulties such as low performance when applying general classification methods due to noise involved in the measurement process.

이에 기계학습 모델을 이용하여 뇌전도 신호의 패턴을 찾는 연구가 진행되고 있으나, 발작을 진단하기까지 일반적으로 4~5초 정도의 지연 시간을 보이는 한계가 존재한다. Accordingly, research is being conducted to find patterns in electroencephalogram signals using machine learning models, but there is a limitation of generally having a delay of about 4 to 5 seconds before diagnosing a seizure.

최근 딥러닝 기법을 통해 뇌전도 신호의 시간-공간-주파수 특성의 패턴을 학습하는 방법에서 많은 발전이 이루어졌다. Recently, much progress has been made in learning patterns of time-space-frequency characteristics of electroencephalogram signals through deep learning techniques.

최근 이전 시점들의 패턴을 반영하여 신호를 생성, 분류하는 기법 중 하나인 시간 합성곱 모델은 오디오 합성과 같은 시계열 데이터를 다루는 연구에서 좋은 결과를 나타내었다. Recently, the temporal convolution model, one of the techniques for generating and classifying signals by reflecting the patterns of previous points in time, has shown good results in research dealing with time series data such as audio synthesis.

뇌전증 환자의 발작이 일어나기까지는 의학적으로 몇 가지 단계가 존재하여 이를 고려한 진단 방법이 필요하다. There are several medical stages before a seizure occurs in an epilepsy patient, so a diagnostic method that takes these into account is needed.

이에 시간 합성곱 모델을 이용한 인과관계 모형화를 통해 뇌전증 환자의 발작 진단의 지연율을 줄이는 연구가 필요하다. Accordingly, research is needed to reduce the delay in diagnosing seizures in epilepsy patients through causal modeling using a temporal convolution model.

뇌전도 신호를 이용하여 뇌전증 발작을 진단하기 위해 기계학습, 혹은 확률모델을 사용한 종래의 기술로써 대한민국특허등록 제10-2141185호(발명의 명칭: 확률모델 및 기계학습과 함께 특징추출을 이용한 뇌전도 신호의 멀티 주파수 대역 계수 기반 간질 발작파 검출 시스템)이 있다. 상기한 특허는 뇌전도 신호에서 주파수 대역을 다수로 분해하여 대역별 신호계수를 추출, 추출된 신호계수로부터 특징 벡터를 생성하고 이를 가지고 다양한 분류기(예: SVM (Support vector machine), LDA (Linear discriminant analysis) 등)를 생성, 발작상태를 검출하는 방법을 제시하지만, 뇌전도 신호의 중요한 특징 중 하나인 시간-공간적인 정보는 고려하지 않고 분류기를 학습시켰다는 문제점이 있다. This is a conventional technology that uses machine learning or a probability model to diagnose epileptic seizures using electroencephalogram signals. Korean Patent Registration No. 10-2141185 (title of the invention: electroencephalogram signals using feature extraction along with probability model and machine learning) There is a multi-frequency band coefficient-based epileptic seizure wave detection system. The above-mentioned patent decomposes the frequency band from the electroencephalogram signal into multiple bands, extracts signal coefficients for each band, generates a feature vector from the extracted signal coefficients, and uses this to perform various classifiers (e.g. SVM (Support vector machine), LDA (Linear discriminant analysis). ), etc.), etc.) are proposed to generate and detect seizure conditions, but there is a problem in that the classifier is trained without considering temporal-spatial information, which is one of the important characteristics of EEG signals.

상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 다양한 기계학습, 확률모델을 통한 진단시스템이 아닌 딥러닝 기반의 인과관계모델을 이용하여 뇌전도 신호에서 시간·공간·주파수의 특징을 가지는 벡터를 추출하고 궁극적으로 보다 정확하고 지연시간을 줄일 수 있으며 신뢰성 있는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법 및 장치를 제안하고자 한다. In order to solve the problems of the prior art described above, the present invention uses a deep learning-based causal relationship model rather than a diagnosis system through various machine learning and probability models to extract vectors with characteristics of time, space, and frequency from the electroencephalogram signal. We would like to extract and ultimately propose a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method and device that is more accurate, reduces latency, and is more reliable.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치로서, 프로세서; 및 상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되, 사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하고, 합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하고, 인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고, 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하고, 상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하도록, 상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치가 제공된다. In order to achieve the above-described object, according to an embodiment of the present invention, there is provided a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device, comprising: a processor; and a memory connected to the processor, preprocessing electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from the user, and extracting a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a time-space-frequency network based on a convolutional neural network. Then, through a causal convolution layer, the first feature vectors of previous time points are input from the current time point t at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and the second feature vectors of each time period from the previous time point to the current time are extracted, and extended synthesis is performed. Deep extracts a third feature vector at a time after the current point through a product layer, and stores program instructions executed by the processor to determine whether or not an epileptic seizure is present using the extracted third feature vector. A running-based epilepsy seizure diagnosis device is provided.

상기 프로그램 명령어들은, 상기 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호 중 관심 주파수 대역을 통과시키는 대역 통과 필터링을 수행하고, 상기 대역 통과 필터링된 신호에서 잡음을 제거하고, 상기 잡음 제거된 신호에서 데이터 정규화를 수행할 수 있다. The program instructions perform band-pass filtering to pass a frequency band of interest among the electroencephalogram signals obtained from the plurality of regions, remove noise from the band-pass filtered signal, and perform data normalization from the noise-removed signal. can do.

상기 프로그램 명령어들은, 확장 비율이 2 이상인 합성곱 필터를 통해 현재 시점 이후의 시간에서의 특징을 추출하고, 활성함수를 통해 상기 추출된 특징을 비선형화하고, 상기 활성함수의 출력과 상기 인과 합성곱 계층에서의 출력 사이의 잔차를 가산하여 상기 제3 특징 벡터를 추출할 수 있다. The program instructions extract features at a time after the current point through a convolution filter with an expansion ratio of 2 or more, nonlinearize the extracted features through an activation function, and perform the output of the activation function and the causal convolution. The third feature vector can be extracted by adding the residuals between the outputs of the layers.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치로서, 사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하는 전처리부; 합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하는 특징 추출부; 인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고, 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하는 인과 신경망; 및 상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하는 클래스 분류 학습부를 포함하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device, comprising: a pre-processing unit for pre-processing electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from a user; a feature extraction unit that extracts a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a convolutional neural network-based time-space-frequency network; Through a causal convolution layer, the first feature vectors of previous time points are input from the current time point t at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and the second feature vectors of each time period from the previous time point to the current time are extracted, and the extended convolution layer a causal neural network that extracts a third feature vector at a time after the current point through a; and a class classification learning unit that determines whether an epileptic seizure exists using the extracted third feature vector. A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device is provided.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 프로세서 및 메모리를 포함하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법으로서, 사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하는 단계; 합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하는 단계; 인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하는 단계; 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하는 단계; 및 상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하는 단계를 포함하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method including a processor and memory, comprising the steps of preprocessing electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from a user; Extracting a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a convolutional neural network-based time-space-frequency network; Receiving first feature vectors of previous time points from the current time point t at which epileptic seizures are to be diagnosed through a causal convolution layer, and extracting second feature vectors for each time period from the previous time point to the current time point; extracting a third feature vector at a time after the current point through an extended convolution layer; A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method is provided, including the step of determining whether an epileptic seizure exists using the extracted third feature vector.

본 발명에 따르면, 뇌전도 신호의 시간-공간-주파수 정보를 기반으로 특징 벡터를 추출하고 이를 이용하여 뇌전증 환자의 발작을 진단하기 때문에 뇌전증 환자 발작의 정밀 진단 및 조기 예측을 통해 큰 부상을 방지하고 적절한 조처를 할 수 있는 장점이 있다. According to the present invention, feature vectors are extracted based on the time-space-frequency information of the electroencephalogram signal and used to diagnose seizures in epilepsy patients, thereby preventing serious injuries through precise diagnosis and early prediction of seizures in epilepsy patients. and has the advantage of being able to take appropriate action.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 전처리부의 처리 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 인과 신경망의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 인과 합성곱 계층의 상세 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 확장 합성곱 계층의 확장 비율을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing the configuration of a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a diagram showing the processing process of the preprocessor according to this embodiment.
Figure 3 is a diagram showing the detailed configuration of a causal neural network according to this embodiment.
Figure 4 is a diagram showing the detailed configuration of a causal convolution layer according to this embodiment.
Figure 5 is a diagram to conceptually explain the expansion ratio of the extended convolution layer according to this embodiment.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.Since the present invention can make various changes and have various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.

본 실시예는 뇌전증 환자의 발작 진단 성능 향상 및 지연 시간을 줄이기 위해 뇌전도 신호 데이터의 분포를 학습시키는 과정에서 시간-공간-주파수의 특징을 고려하기 위해 딥러닝 기반의 인과관계 모델을 사용하여 특징 벡터를 추출한다. This embodiment uses a deep learning-based causal model to consider time-space-frequency characteristics in the process of learning the distribution of electroencephalogram signal data to improve seizure diagnosis performance and reduce delay time for epilepsy patients. Extract vector.

생성된 특징 벡터는 뇌전증 발작의 이전 패턴들을 시간 순서대로 고려하여 현재 상태를 진단하는 분류기를 학습하며, 최종적으로는 분류 정확도 향상 및 지연율을 최소화시킨다. The generated feature vector learns a classifier that diagnoses the current condition by considering previous patterns of epileptic seizures in chronological order, ultimately improving classification accuracy and minimizing delay rate.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치의 구성을 도시한 도면이다. Figure 1 is a diagram showing the configuration of a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 장치는 전처리부(100), 특징 추출부(102), 인과 신경망(104) 및 클래스 분류 학습부(106)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 1, the device according to this embodiment may include a preprocessor 100, a feature extraction unit 102, a causal neural network 104, and a class classification learning unit 106.

전처리부(100)는 사용자의 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호의 잡음을 제거하고 신호를 증폭하며 분포를 정류화한다. The preprocessor 100 removes noise from the EEG signal obtained from multiple parts of the user, amplifies the signal, and rectifies the distribution.

도 2는 본 실시예에 따른 전처리부의 처리 과정을 도시한 도면이다. Figure 2 is a diagram showing the processing process of the preprocessor according to this embodiment.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 전처리부(100)는 뇌전도 신호 중 관심 주파수 대역인 0.5 ~ 100 Hz 성분을 남기는 대역 통과 필터링을 수행한다(단계 200).As shown in FIG. 2, the preprocessor 100 according to this embodiment performs band-pass filtering to leave the 0.5 to 100 Hz component, which is the frequency band of interest, in the EEG signal (step 200).

다음으로 전처리부(100)는 뇌전도 신호 획득 과정에서 기기에 의해 발생한 잡음을 제거하기 위한 잡음 제거 필터링을 수행한다(단계 202).Next, the preprocessor 100 performs noise removal filtering to remove noise generated by the device during the EEG signal acquisition process (step 202).

마지막으로 획득한 뇌전도 신호의 데이터가 가진 특징 범위를 맞추기 위해 평균과 분산을 구한 뒤 각각 더하고 나눠주는 데이터 정규화를 수행한다(단계 204). Lastly, in order to match the characteristic range of the acquired EEG signal data, data normalization is performed by calculating the average and variance, adding and dividing them respectively (step 204).

본 실시예에 따른 특징 추출부(102)는 시간-공간-주파수 네트워크로 구성되며, 짧은 시간 사이에서의 복수의 채널 간의 상관관계, 공간 및 주파수에 관한 제1 특징 벡터를 추출한다. The feature extractor 102 according to this embodiment is composed of a time-space-frequency network, and extracts a first feature vector related to correlation, space, and frequency between a plurality of channels over a short period of time.

여기서, 짧은 시간은 수 mm 초 시간 범위일 수 있다. Here, the short time may be in the range of several milliseconds.

특징 추출부(102)는 뇌전도 신호가 가지는 특징을 고려하여 인접한 시간 대의 정보를 고려하는 동시에 서로 다른 부위에서 획득한 뇌전도 신호의 다중 채널 및 주파수에 관한 제1 특징 벡터를 추출한다. The feature extraction unit 102 takes into account the characteristics of the EEG signal, considers information in adjacent time periods, and simultaneously extracts a first feature vector regarding the multiple channels and frequencies of the EEG signal obtained from different regions.

본 실시예에 따른 시간-공간-주파수 네트워크는 뇌전도 신호의 특징을 고려해서 설계된 합성곱 신경망 모델로서, 연속적인 다변량 시계열 데이터에서 최적의 특징 벡터를 추출하기 위해서 먼저 시간 축으로 합성곱 연산을 수행하여 인접 시간 사이에서 특징을 추출하고, 순차적으로 채널 축으로 합성곱 연산을 수행하여 뇌전도 신호가 갖는 복수의 채널 간의 상관관계를 고려한 제1 특징 벡터를 추출한다. The time-space-frequency network according to this embodiment is a convolutional neural network model designed in consideration of the characteristics of the electroencephalogram signal. In order to extract the optimal feature vector from continuous multivariate time series data, a convolution operation is first performed on the time axis. Features are extracted between adjacent times, and a convolution operation is sequentially performed on the channel axis to extract a first feature vector that takes into account the correlation between the plurality of channels of the electroencephalogram signal.

여기서, 복수의 채널은 뇌전도 신호를 획득하기 위한 서로 다른 부위에 대응된다. Here, the plurality of channels correspond to different areas for acquiring electroencephalogram signals.

도 3은 본 실시예에 따른 인과 신경망의 상세 구성을 도시한 도면이다. Figure 3 is a diagram showing the detailed configuration of a causal neural network according to this embodiment.

일반적으로 뇌전증 발작의 경우 증상은 갑작스럽게 일어나지만 뇌전도 신호 측면에서는 발작 시점 이전에 전조 현상이 발생하게 되며, 이러한 신호의 변화를 포착하기 위해 인과 신경망(104)이 이용된다. In general, in the case of epileptic seizures, symptoms occur suddenly, but in terms of electroencephalogram signals, aura occurs before the time of seizure, and a causal neural network 104 is used to capture changes in these signals.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 인과 신경망(104)은 인과 합성곱 계층(300), 확장 합성곱 계층(302), 활성함수(304) 및 가산부(306)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 3, the causal neural network 104 according to this embodiment may include a causal convolution layer 300, an extended convolution layer 302, an activation function 304, and an adder 306.

도 4는 본 실시예에 따른 인과 합성곱 계층의 상세 구성을 도시한 도면이다. Figure 4 is a diagram showing the detailed configuration of a causal convolution layer according to this embodiment.

도 4를 참조하면, 인과 합성곱 계층(300)은 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 시점 t(현재 시점)부터 이전 시점들의 특징 벡터를 동시에 입력 받아 이전 시점들의 특징을 고려하여 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출한다. Referring to FIG. 4, the causal convolution layer 300 simultaneously receives feature vectors of previous time points from time point t (the current time point) at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and considers the features of previous time points to determine the second feature of each time period. Extract vector.

본 실시예에 따른 인과 합성곱 계층(300)은 현재 시간에서의 예측값은 과거 시간의 정보가 반영되어 나타나는 것이라는 조건부 확률의 수식을 만족시키기 위해서 설계된 합성곱 신경망 모델의 하나로 뇌전증이 갖는 특징 중 하나인 발작 이전에 발생하는 현상들을 포착하여 발작 여부를 판단해 진단까지의 지연 시간을 줄이게 된다.The causal convolution layer 300 according to this embodiment is one of the characteristics of epilepsy as a convolutional neural network model designed to satisfy the conditional probability formula that the predicted value in the current time is reflected by the information in the past time. By capturing phenomena that occur before a seizure, it is possible to determine whether a seizure is occurring, thereby reducing the delay in diagnosis.

인과 합성곱 계층(300)의 출력(제2 특징 벡터)을 입력 받아 확장 합성곱 계층(302)은 확장 비율이 2 이상인 합성곱 필터를 통해 시점 t 이후의 긴 시간에서의 특징을 추출한다. The extended convolution layer 302 receives the output (second feature vector) of the causal convolution layer 300 and extracts features at a long time after time t through a convolution filter with an expansion ratio of 2 or more.

활성함수(304)는 확장 합성곱 계층(302)에서 추출된 특징을 비선형화하고, 활성함수(304)의 출력과 인과 합성곱 계층(300)에서의 출력 사이의 잔차가 가산부(306)에 의해 더해짐으로써 다중 크기의 특징(제3 특징 벡터)이 추출된다. The activation function 304 non-linearizes the features extracted from the extended convolution layer 302, and the residual between the output of the activation function 304 and the output from the causal convolution layer 300 is sent to the adder 306. By adding, multi-sized features (third feature vector) are extracted.

도 5는 본 실시예에 따른 확장 합성곱 계층의 확장 비율을 개념적으로 설명하기 위한 도면이다. Figure 5 is a diagram to conceptually explain the expansion ratio of the extended convolution layer according to this embodiment.

본 실시예에 따른 확장 합성곱 계층은 기존의 합성곱이 아닌 넓은 수용영역을 갖게 하기 위해 미리 설정된 확장 비율만큼 합성곱 필터를 넓혀 특징을 추출한다. 이를 통해 뇌전도 신호 1 내지 t보다 더 긴 과거 시간의 정보를 효율적으로 추출할 수 있다. The extended convolution layer according to this embodiment extracts features by widening the convolution filter by a preset expansion ratio in order to have a wider receptive field than the existing convolution. Through this, information of a past time longer than EEG signals 1 to t can be efficiently extracted.

다시 도 1을 참조하면, 클래스 분류 학습부(106)는 생성된 특징 벡터를 통해 현재 어떤 상태를 나타내는지를 구별하는 역할을 한다. 이를 통해 현재 환자의 상태를 진단하며 발작이 일어날 확률을 표시하게 된다.Referring again to FIG. 1, the class classification learning unit 106 serves to distinguish which state is currently represented through the generated feature vector. Through this, the patient's current condition is diagnosed and the probability of a seizure occurring is displayed.

인과 신경망(104)을 통해 추출된 제3 특징 벡터는 클래스 분류 학습부(106)로 입력되며, 클래스 분류 학습부(106)는 특징 벡터를 통해 현재 환자가 어떤 상태인지 진단한다. 진단할 때 발작이 일어날 확률값은 연속성을 가지며 발작이 일어나기 전부터 발작이 일어나고 끝날 때까지의 확률 변화를 확인할 수 있다. The third feature vector extracted through the causal neural network 104 is input to the class classification learning unit 106, and the class classification learning unit 106 diagnoses the current state of the patient through the feature vector. When diagnosing, the probability of a seizure occurring is continuous, and the change in probability from before the seizure occurs until the seizure occurs and ends can be confirmed.

본 실시예에 따른 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치는 프로세서 및 메모리를 포함할 수 있다. The deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device according to this embodiment may include a processor and memory.

여기서 프로세서는 컴퓨터 프로그램을 실행할 수 있는 CPU(central processing unit)나 그밖에 가상 머신 등을 포함할 수 있다. 메모리는 고정식 하드 드라이브나 착탈식 저장 장치와 같은 불휘발성 저장 장치를 포함할 수 있다. 착탈식 저장 장치는 컴팩트 플래시 유닛, USB 메모리 스틱 등을 포함할 수 있다. 메모리는 각종 랜덤 액세스 메모리와 같은 휘발성 메모리도 포함할 수 있다.Here, the processor may include a central processing unit (CPU) capable of executing a computer program or another virtual machine. Memory may include non-volatile storage devices, such as non-removable hard drives or removable storage devices. Removable storage devices may include compact flash units, USB memory sticks, etc. Memory may also include volatile memory, such as various types of random access memory.

본 실시예에 따른 메모리는 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장한다. The memory according to this embodiment stores program instructions executed by the processor.

본 실시예에 따른 프로그램 명령어들은, 사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하고, 합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하고, 인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고, 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하고, 상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단한다. Program instructions according to this embodiment preprocess electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from the user, extract a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a time-space-frequency network based on a convolutional neural network, and Through a causal convolution layer, the first feature vectors of previous time points are input from the current time point t at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and the second feature vectors of each time period from the previous time point to the current time are extracted, and the extended convolution layer A third feature vector at a time after the current point is extracted through and the presence or absence of an epileptic seizure is determined using the extracted third feature vector.

상기한 과정을 통해 뇌전증 환자 발작의 정밀 진단 및 조기 예측이 가능하다. Through the above process, precise diagnosis and early prediction of seizures in epilepsy patients are possible.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The above-described embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, and those skilled in the art will be able to make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention, and such modifications, changes, and additions will be possible. should be regarded as falling within the scope of the patent claims below.

Claims (5)

딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치로서,
프로세서; 및
상기 프로세서에 연결되는 메모리를 포함하되,
사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하고,
합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하고,
인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고,
확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하고,
상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하도록,
상기 프로세서에 의해 실행되는 프로그램 명령어들을 저장하되,
상기 프로그램 명령어들은,
확장 비율이 2 이상인 합성곱 필터를 통해 현재 시점 이후의 시간에서의 특징을 추출하고, 활성함수를 통해 상기 추출된 특징을 비선형화하고, 상기 활성함수의 출력과 상기 인과 합성곱 계층에서의 출력 사이의 잔차를 가산하여 상기 제3 특징 벡터를 추출하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치.
As a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device,
processor; and
Including a memory connected to the processor,
Preprocess the electroencephalogram signals obtained from multiple areas from the user,
Extracting the first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a convolutional neural network-based time-space-frequency network,
Through a causal convolution layer, receive first feature vectors of previous time points from the current time point t at which epileptic seizures are to be diagnosed, and extract second feature vectors for each time period from the previous time point to the current time point,
Extracting a third feature vector at a time after the current point through an extended convolution layer,
To determine whether there is an epilepsy seizure using the extracted third feature vector,
Store program instructions executed by the processor,
The program commands are:
Extract features at a time after the current point through a convolution filter with an expansion ratio of 2 or more, non-linearize the extracted features through an activation function, and between the output of the activation function and the output from the causal convolution layer. A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device that extracts the third feature vector by adding the residuals of .
제1항에 있어서,
상기 프로그램 명령어들은,
상기 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호 중 관심 주파수 대역을 통과시키는 대역 통과 필터링을 수행하고,
상기 대역 통과 필터링된 신호에서 잡음을 제거하고,
상기 잡음 제거된 신호에서 데이터 정규화를 수행하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치.
According to paragraph 1,
The program commands are:
Performing band-pass filtering to pass the frequency band of interest among the electroencephalogram signals obtained from the plurality of regions,
Remove noise from the band-pass filtered signal,
A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device that performs data normalization on the noise-removed signal.
삭제delete 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치로서,
사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하는 전처리부;
합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하는 특징 추출부;
인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하고, 확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하는 인과 신경망; 및
상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하는 클래스 분류 학습부를 포함하되,
상기 인과 신경망은, 확장 비율이 2 이상인 합성곱 필터를 통해 현재 시점 이후의 시간에서의 특징을 추출하고, 활성함수를 통해 상기 추출된 특징을 비선형화하고, 상기 활성함수의 출력과 상기 인과 합성곱 계층에서의 출력 사이의 잔차를 가산하여 상기 제3 특징 벡터를 추출하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 장치.
As a deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device,
A pre-processing unit that pre-processes electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from the user;
a feature extraction unit that extracts a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a convolutional neural network-based time-space-frequency network;
Through a causal convolution layer, the first feature vectors of previous time points are input from the current time point t at which an epileptic seizure is to be diagnosed, and the second feature vectors of each time period from the previous time point to the current time are extracted, and the extended convolution layer a causal neural network that extracts a third feature vector at a time after the current point through a; and
A class classification learning unit that determines whether an epileptic seizure exists using the extracted third feature vector,
The causal neural network extracts features at a time after the current point through a convolution filter with an expansion ratio of 2 or more, nonlinearizes the extracted features through an activation function, and combines the output of the activation function with the causal convolution. A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis device that extracts the third feature vector by adding residuals between outputs in the hierarchy.
프로세서 및 메모리를 포함하는 장치에서, 딥러닝 기반으로 뇌전증 발작을 진단하는 방법으로서,
사용자로부터 복수의 부위에서 획득한 뇌전도 신호를 전처리하는 단계;
합성곱 신경망 기반의 시간-공간-주파수 네트워크를 통해 상기 전처리된 뇌전도 신호의 제1 특징 벡터를 추출하는 단계;
인과 합성곱 계층을 통해 뇌전증 발작을 진단하고자 하는 현재 시점 t로부터 이전 시점들의 제1 특징 벡터를 입력 받아 상기 이전 시점부터 현재 시점까지의 각 시간대의 제2 특징 벡터를 추출하는 단계;
확장 합성곱 계층을 통해 상기 현재 시점 이후의 시간에서의 제3 특징 벡터를 추출하는 단계; 및
상기 추출된 제3 특징 벡터를 이용하여 뇌전증 발작 여부를 판단하는 단계를 포함하되,
상기 제3 특징 벡터를 추출하는 단계는,
확장 비율이 2 이상인 합성곱 필터를 통해 현재 시점 이후의 시간에서의 특징을 추출하는 단계;
활성함수를 통해 상기 추출된 특징을 비선형화하는 단계; 및
상기 활성함수의 출력과 상기 인과 합성곱 계층에서의 출력 사이의 잔차를 가산하여 상기 제3 특징 벡터를 추출하는 단계를 포함하는 딥러닝 기반 뇌전증 발작 진단 방법.
A method for diagnosing epileptic seizures based on deep learning in a device including a processor and memory, comprising:
Preprocessing electroencephalogram signals obtained from a plurality of regions from the user;
Extracting a first feature vector of the preprocessed electroencephalogram signal through a convolutional neural network-based time-space-frequency network;
Receiving first feature vectors of previous time points from the current time point t at which epileptic seizures are to be diagnosed through a causal convolution layer, and extracting second feature vectors for each time period from the previous time point to the current time point;
extracting a third feature vector at a time after the current point through an extended convolution layer; and
A step of determining whether an epileptic seizure exists using the extracted third feature vector,
The step of extracting the third feature vector is,
Extracting features at a time after the current time through a convolution filter with an expansion ratio of 2 or more;
Non-linearizing the extracted features through an activation function; and
A deep learning-based epilepsy seizure diagnosis method comprising extracting the third feature vector by adding a residual between the output of the activation function and the output of the causal convolution layer.
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