KR20050011396A - Method and apparatus for removal of artifact from contaminated electroencephalogram with unexpected base line drift artifact - Google Patents

Method and apparatus for removal of artifact from contaminated electroencephalogram with unexpected base line drift artifact Download PDF

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KR20050011396A
KR20050011396A KR1020030050487A KR20030050487A KR20050011396A KR 20050011396 A KR20050011396 A KR 20050011396A KR 1020030050487 A KR1020030050487 A KR 1020030050487A KR 20030050487 A KR20030050487 A KR 20030050487A KR 20050011396 A KR20050011396 A KR 20050011396A
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남승훈
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한국전자통신연구원
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Abstract

PURPOSE: A method and an apparatus for removing artifacts from a contaminated electroencephalogram having unexpected baseline shifts are provided to remove a band-shaped portion, made by a movement of pupils, on the overall frequency range of detected electroencephalogram by compensating contaminated electroencephalogram. CONSTITUTION: An electroencephalogram measurer includes an electroencephalogram detector(110), a filter(120), a normalizer(130), a slope calculator(140), a threshold detector(150), a smoothing processor(160), a compensator(170), and an output portion(180). The filter is comprised of a wavelet filter for bandpass-filtering electroencephalogram data detected by the electroencephalogram detector at 16 to 100Hz band. The slope calculator calculates a slope of the normalized electroencephalogram data in a time domain. The threshold detector detects an abrupt change in the slope. The smoothing processor reduces the abrupt change. The compensator compensates the electroencephalogram by removing the smoothed base line shifts.

Description

급작스런 기저선 변동이 있는 뇌파의 잡파를 제거하기 위한 뇌파 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for removal of artifact from contaminated electroencephalogram with unexpected base line drift artifact}Method and apparatus for removal of artifacts with sudden baseline fluctuations {Method and apparatus for removal of artifact from contaminated electroencephalogram with unexpected base line drift artifact}

본 발명은 뇌파 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 잡파를 걸러내어 순수한 뇌파를 측정하기 위한 뇌파 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an EEG measuring apparatus and method, and more particularly to an EEG measuring apparatus and method for measuring the pure EEG by filtering out the harmonics.

두뇌의 활동을 시공간적(spatio-temporal)으로 파악하는 뇌파는 대표적인 생체 신호로서, 임상 및 뇌 기능 연구에 폭넓게 이용되어 왔다. 최근에는 외부 자극에 의한 뇌파의 변조를 통하여 사용자의 정신적 상태를 개선하는 바이오-피드백(bio-feedback)에 이용되고 있으며, 심전도 또는 피부 저항(galvanic skin resistance : GSR) 등의 생체 신호와 함께 인간의 감성을 평가하고 이를 제품 개발에 응용하려는 감성 공학에도 이용되고 있다. 또한, 언어나 신체의 동작을 거치지 않고 뇌파를 통하여 인간과 기계와의 직접적인 인터페이스를 이루기 위한 두뇌-컴퓨터 인터페이스(brain-computer interface : BCI) 분야로 그 이용범위가 확장되고 있다.EEG, which captures brain activity spatio-temporal, is a representative biosignal and has been widely used in clinical and brain function research. Recently, it has been used for bio-feedback, which improves the mental state of the user through the modulation of EEG by external stimulation, and with human bio signals such as electrocardiogram or galvanic skin resistance (GSR) It is also used in emotional engineering to evaluate emotion and apply it to product development. In addition, the scope of use has been extended to the field of brain-computer interface (BCI) for direct interface between humans and machines through brain waves without language or body movement.

이러한 이용을 위해 뇌파를 측정할 때, 인간의 동작에 의한 근전도(electromyogram : EMG), 안구 운동에 의한 안전도(electrooculogram : EOG), 심전도(electrocardiogram : ECG), 호흡과 발한에 의한 서파(slow wave) 및 뇌파 측정시 부착하는 전극에 의해 피부가 변형되어 발생되는 신호 등과 같은 잡파(artifact)가 뇌파에 혼입된다. 이와 같은 잡파가 혼입되면, 피험자의 뇌파를 정확히 측정할 수 없게 되므로 문제가 된다.When measuring EEG for this use, electromyogram (EGM) by human motion, electrooculogram (EOG) by electromotor movement, electrocardiogram (ECG), slow wave by respiration and sweating ) And artifacts such as signals generated by deformation of the skin by electrodes attached during EEG measurement are incorporated into the EEG. When such a wave is mixed, it becomes a problem because the brain wave of a subject cannot be measured correctly.

안전도에 의한 잡파의 경우, 눈의 상하 또는 좌우에 전극을 붙여 안전도를 얻고 이로부터 안전도가 혼입되어 있는 뇌파를 파악하여 제거하는 기술들이 개발되어 왔다. 예를 들어, L.Vigon 등은 그들의 논문 "Quantitative evaluation of techniques for ocular artifact filtering of EEG waveforms"에서, 안구 운동에 의해 발생하는 안구 운동과 눈 깜박임을 제거하기 위한 확장 ICA(extended independent component analysis), JADE(joint approximation diagonalisation ofeigenmatrices), PCA(principal component analysis), EOG 추출(subtraction) 등의 4가지 방법의 성능을 비교 평가하였다(IEE Proc. -Sci. Meas. Technol., Vol. 147, No. 5, pp. 219-228, 2000). 이 각각의 방법들을 이용하려면, 신호원은 통계적으로 독립적이고 가우시안(Gaussian) 분포이어야 하는 조건 등 여러 가지 기본적으로 만족해야 할 조건들이 필수적이라는 문제점이 있다. 또한 4가지 방법 중 어느 특정 방법이 다른 방법들보다 의미 있게 우수하지는 않다. 또한 ICA나 PCA의 경우, 인간의 고차적인 인지 기능과 관련된 전전두엽(prefrontal cortex)의 정보가 빠질 수 있다는 문제점이 있다.In the case of harmonics caused by safety, techniques have been developed to obtain safety by attaching electrodes to the top, bottom, left and right sides of the eye, and to detect and remove brain waves in which safety is mixed. For example, L. Vigon et al., In their article "Quantitative evaluation of techniques for ocular artifact filtering of EEG waveforms," extended ICA (Extended Independent Component Analysis) to eliminate eye movement and eye blink caused by eye movement, The performance of four methods, such as joint approximation diagonalisation ofeigenmatrices (JADE), principal component analysis (PCA), and EOG subtraction, were evaluated (IEE Proc.-Sci.Meas.Technol., Vol. 147, No. 5). , pp. 219-228, 2000). In order to use each of these methods, there are problems that a number of basic conditions must be met, such as a condition in which the signal source is statistically independent and Gaussian is required. Also, none of the four methods is significantly superior to the others. In addition, in the case of ICA or PCA, there is a problem that the information of the prefrontal cortex related to the higher cognitive function of humans may be missing.

동작과 안구 운동에 관련한 잡파 제거 방법은 A. Gevins 등의 미국 특허 제5,513,649호에서 찾아볼 수 있다. 여기에 개시된 방법에서는 머리에 부착된 가속도계(accelerometer)로부터 머리 움직임을 감지하고, 안구 운동 측정은 눈의 상하 좌우에 부착되는 전극으로부터 측정되는 안전도와 LED(light emitting device)나 카메라 등에 의한 시선 추적 방법들을 사용한다. 잡파가 혼입된 뇌파 신호가 입력되면, 최소자승법에 따라 조정되는 계수를 갖는 적응 필터(adaptive filter)는 기준 신호를 이용하여 잡파로 인한 오염 정도를 평가하고 뇌파로부터 잡파를 제거함으로써 보정된 뇌파 신호를 얻는다. 머리, 몸, 눈 움직임에 의한 잡파 혼입을 극소화하기 위해 뇌파 측정시 피험자에게 주의를 요구하고 있으나 어떤 과제를 수행하면서 뇌파를 측정하는 실험의 경우, 자극에 대한 반응으로 인해 안구 운동은 불가피하므로 한계가 있는 방법이다.A method for removing undues related to motion and eye movement can be found in US Pat. No. 5,513,649 to A. Gevins et al. In the method disclosed herein, the head movement is detected from an accelerometer attached to the head, and eye movement measurement is a safety tracking method measured from an electrode attached to the upper, lower, left, and right sides of the eye, and a gaze tracking method using a light emitting device (LED) or a camera, etc. Use them. When an EEG signal containing mixed waves is input, an adaptive filter having a coefficient adjusted according to the least square method is used to evaluate the degree of contamination caused by the interference using a reference signal and remove the noise from the EEG to correct the EEG signal. Get In order to minimize the incorporation of head and body movements by the movement of the brain, the subject is required to be careful when measuring EEG.However, in experiments in which EEG is measured while performing a certain task, eye movements are inevitable due to response to stimulation. That's how it is.

그 밖에 심전도가 혼입된 잡파 제거 방법은 S.D.Greenwald 등의 미국 특허제5,792,069호에 나와 있고, 동작에 의해 혼입된 잡파 제거 방법은 Broughton 등의 미국 특허 제4,550,736호에 나와 있다.In addition, the method of removing the mixed wave of electrocardiogram is shown in US Patent No. 5,792,069 to S.D. Greenwald et al., And the method of removing the mixed wave by operation is disclosed in US Patent No. 4,550,736 to Broughton et al.

이상과 같은 대부분의 잡파 제거 방법은 피험자에 따라 뇌파의 진폭이 다르며 생리적, 인지적 정보처리에 따라 뇌파의 주파수 성분이 각기 다른 변화를 보인다는 점을 고려하고 있지 않다는 문제점을 갖는다. 또한, 잡파의 제거를 위하여 동작을 감지하기 위한 센서, 안전도를 측정하기 위해 눈 주위에 전극을 부착하여 뇌파 측정시 추가 비용과 불편을 요구하는 단점이 있다.Most of the above-described method for removing blemishes has a problem in that the amplitude of the EEG varies according to the subject and does not consider that the frequency components of the EEG vary according to physiological and cognitive information processing. In addition, the sensor for detecting the motion to remove the miscellaneous, there is a disadvantage that requires an additional cost and inconvenience when measuring the EEG by attaching an electrode around the eye to measure the safety.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 개인차를 고려하여 잡파, 특히 안전도 등에 의해 오염된 뇌파를 제거하고 잡파가 혼입되지 않은 뇌파만을 출력할 수 있는 뇌파 측정 방법을 제공하는 것이다.Therefore, the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a brain wave measuring method that can remove the brain waves contaminated by the wave, in particular safety, etc. in consideration of individual differences, and can output only the brain wave is not mixed.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 상기한 뇌파 측정 방법을 구현할 수 있는 뇌파 측정 장치를 제공하는 것이다.In addition, another technical problem to be achieved by the present invention is to provide an EEG measuring apparatus that can implement the above EEG measuring method.

도 1은 본 발명에 따른 뇌파 측정 방법에 대한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method for measuring brain waves according to the present invention.

도 2는 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.2 is a block diagram schematically showing an EEG measuring apparatus according to the present invention.

도 3a 내지 도 3e는 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도가 혼입된 뇌파를 도 1에 따른 뇌파 측정 방법에 따라 처리함에 따른 뇌파의 그래프들이다.3A to 3E are graphs of the EEGs according to the EEG measurement method according to the EEG method of FIG.

도 4는 본 발명의 뇌파 측정 방법에 따라 웨이브렛 필터링된 뇌파 신호의 스펙트로그램을 표시한 것이다.Figure 4 shows the spectrogram of the wavelet filtered EEG signal in accordance with the EEG measuring method of the present invention.

도 5는 본 발명의 뇌파 측정 방법을 이용하여 보정된 뇌파를 표시한 스펙트로그램이다.5 is a spectrogram showing brain waves corrected using the EEG measuring method of the present invention.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파 측정 방법에서는, 피험자의 뇌파 데이터를 검출한 다음, 웨이브렛 필터(wavelet multiresolution filter)를 사용하여 상기 뇌파 데이터를 밴드 패스 필터링(band pass filtering)한다. 필터링된 상기 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화한 다음, 정규화된 상기 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구하여 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분인 기저선 변동 부분을 찾아낸다. 상기 기저선 변동 부분을 스무딩(smoothing)(다른 말로, 평활화)한 후, 상기 필터링된 뇌파 데이터에서 상기 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 보정된 뇌파를 출력한다.In the EEG measuring method according to the present invention for achieving the above technical problem, after detecting the EEG data of the subject, using the wavelet filter (wavelet multiresolution filter) to perform the band pass filtering (band pass filtering). The filtered EEG data is normalized so that there is no dependency of amplitude according to the subject, and then, the slope on the time axis of the normalized EEG data is obtained to find a baseline variation portion where the gradient change is greater than a threshold value. After smoothing (in other words, smoothing) the baseline variation portion, the smoothed baseline variation portion is removed from the filtered EEG data to output the corrected EEG.

본 발명에 따른 방법에 있어서, 상기 밴드 패스 필터링 단계는 16~100Hz의 밴드를 통과시키는 것일 수 있다. 그리고, 상기 정규화하는 단계는 각 데이터에서 평균을 빼고 이를 표준편차로 나누어서 계산하는 것이 바람직하다. 상기 기저선 변동 부분을 찾는 단계에서는 현재 포인트(point) 다음 다음 포인트에서 현재 포인트와의 차를 구하여 기울기를 계산할 수 있다. 그리고, 상기 스무딩하는 단계는 관심 있는 부분(Region Of Interest : ROI)만 선택적으로 스무딩할 수 있다.In the method according to the invention, the band pass filtering step may be to pass a band of 16 ~ 100Hz. In addition, the normalizing may be performed by subtracting the mean from each data and dividing it by the standard deviation. In the finding of the baseline variation, the slope may be calculated by obtaining a difference from the current point at the next point after the current point. In addition, the smoothing may selectively smooth only a region of interest (ROI).

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치는, 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부, 상기 뇌파 검출부로부터 검출한 뇌파 데이터를 16~100Hz 밴드 패스 필터링하는 웨이브렛 필터로 이루어진 필터부, 필터링된 상기 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화하는 노말라이저(normalizer), 정규화된 상기 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구하는 슬로우프 계산기(slope calculator), 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분 기저선 변동 부분을 찾는 검출기(threshold detector), 상기 기저선 변동 부분을 스무딩하는 스무딩 처리부, 상기 필터링된 뇌파 데이터에서 상기 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 뇌파를 보정하는 보정부, 및 보정된 상기 뇌파를 출력하는 출력부를 포함한다.The EEG measuring apparatus according to the present invention for achieving the above another technical problem, the EEG detection unit for detecting the EEG data, the filter unit consisting of a wavelet filter for filtering the EEG data detected by the EEG detection unit 16 ~ 100Hz band pass, Normalizer to normalize the filtered EEG data so that the subject is not dependent on the amplitude, Slope calculator for obtaining the slope on the time axis of the normalized EEG data, Partial baseline where the gradient change is greater than the threshold A detector for finding a variation, a smoothing processor for smoothing the baseline variation, a correction unit for correcting the brain wave by removing the smoothed baseline variation from the filtered EEG data, and outputting the corrected brain wave It includes an output unit.

이와 같이, 본 발명에 따른 뇌파 측정 방법 및 장치는 시간축 상에서 기울기 변화를 이용하여 급작스런 기저선 변동이 있는 뇌파를 보정한다. 안구 운동에 따른 급작스런 기저선 변동뿐만 아니라 이와 유사한 다른 원인에 의한 기저선 변동에 의한 잡파도 제거가 가능하다. 특히, 전전두엽의 정보가 빠지지 않는 장점이 있다.As described above, the EEG measuring method and apparatus according to the present invention corrects the EEG having a sudden baseline fluctuation by using the gradient change on the time axis. In addition to abrupt baseline fluctuations caused by eye movements, we can also eliminate baseline fluctuations caused by other similar causes. In particular, there is an advantage that the information of the frontal lobe does not fall out.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다음에 설명되는 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below may be modified in many different forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those skilled in the art.

도 1은 본 발명에 따른 뇌파 측정 방법에 대한 흐름도이다.1 is a flowchart illustrating a method for measuring brain waves according to the present invention.

먼저 단계 10에서, 피험자의 뇌파 데이터를 검출한다. 뇌파 데이터에는 일반적으로 잡파(동작, 눈 깜박임, 갑작스런 기저선 변동 등)가 혼입되어 있다.First, in step 10, the EEG data of the subject is detected. Electroencephalogram data usually contains blemishes (motion, blinking eyes, sudden baseline fluctuations, etc.).

다음 단계 20에서, 웨이브렛 필터를 사용하여 뇌파 데이터를 밴드 패스 필터링한다. 단계 10과 단계 20 사이에, 하드웨어 필터에서 미리 60Hz 노치필터(notch filter)를 사용하여 60Hz 잡파를 제거할 수도 있다. 밴드 패스 필터링 단계는 동작에 의해 발생하는 100Hz 이상의 잡파들과 눈 깜박임이나 호흡 등에 의해 발생하는 16Hz 미만의 잡파들을 제거하도록 수행한다. 따라서, 웨이브렛 필터는 16~100Hz의 밴드 패스 필터를 이용한다.In a next step 20, the wavelet filter is used to band pass filter the EEG data. Between steps 10 and 20, a 60 Hz notch filter may be used in advance in the hardware filter to remove 60 Hz noise. The band pass filtering step is performed to remove harmonics of 100 Hz or more generated by the operation and those of 16 Hz or less generated by eye blinking or breathing. Therefore, the wavelet filter uses a band pass filter of 16 to 100 Hz.

단계 30은, 피험자마다 신호의 크기(뇌파의 진폭)가 다르기 때문에 이를 정규화해 주는 단계이다. 즉, 필터링된 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화한다. 아래 수학식 1과 같이, N개의 각 데이터(Xn)에서 평균(μ)을 빼고 이를 표준편차(ρ)로 나누어서 정규화된 값(Xnormalize)을 계산한다.Step 30 is a step of normalizing the signal size (electroencephalogram amplitude) is different for each subject. That is, the filtered EEG data is normalized so that there is no dependency of amplitude according to the subject. As shown in Equation 1 below, the normalized value (X normalize ) is calculated by subtracting the mean (μ) from each of the N data (X n ) and dividing it by the standard deviation (ρ).

단계 40에서는 기저선 변동이 크게 있는 부분을 찾기 위해서 정규화된 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구한 후, 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분을 찾아낸다. 급격한 기저선 변동은 10ms 이내에 3 포인트(point) 이상의 데이터가 있는 경우로 가정하여 아래의 수학식 2와 같이, 현재 포인트 다음 다음 포인트에서 현재 포인트와의 차를 구하여 기울기를 계산할 수 있다.In step 40, the slope on the time axis of the normalized EEG data is found to find the portion where the baseline variation is large, and then the portion where the gradient change is larger than the threshold is found. Assuming that there is a sudden baseline change of more than 3 points within 10ms, the slope can be calculated by calculating the difference from the current point at the next point after the current point, as shown in Equation 2 below.

여기서, 임계치가 3 이상인 경우가 기저선 변동이 있는 안전도가 발생한 지점이 된다.Here, the case where the threshold value is 3 or more is a point where the degree of safety with baseline variation occurs.

단계 50에서는, 단계 40에서 찾아낸 기저선 변동 부분이 있는 안전도의 위치에서 스무딩한다. 예컨대 5 포인트 스무딩을 한다. 특히, 관심 있는 부분(Region Of Interest : ROI)만 선택적으로 스무딩할 수 있다.In step 50, smoothing is performed at the position of safety with the baseline variation found in step 40. For example, do 5 point smoothing. In particular, only a region of interest (ROI) may be selectively smoothed.

단계 60에서는, 필터링된 뇌파 데이터에서 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 뇌파를 보정한 후 출력한다. 즉, 단계 20의 필터링된 신호와 단계 50의 스무딩된 신호를 가감하여 보정된 뇌파를 생성한다.In step 60, the smoothed baseline variation is removed from the filtered EEG data to correct the EEG and output. That is, the filtered signal of step 20 and the smoothed signal of step 50 are added or subtracted to generate a corrected brain wave.

이러한 본 발명의 방법에 따르면, 잡파의 제거를 위하여 동작을 감지하기 위한 센서나, 안전도를 측정하기 위해 눈 주위에 전극을 부착하지 않아도 되므로, 뇌파 측정시 추가 비용과 불편을 요구하지 않는다. 시간축 상에서 잡파가 있는 부분만이 보정되고 다른 부분은 그대로 유지되므로 전전두엽의 정보가 변형되거나 빠지지 않는 장점이 있다.According to the method of the present invention, there is no need to attach an electrode around the eye to measure the safety or the sensor for detecting the motion for the removal of the miscellaneous, it does not require additional cost and inconvenience when measuring EEG. Since only the part with the miscellaneous wave on the time axis is corrected and the other part is maintained, the information of the frontal lobe does not deform or fall out.

도 2는 본 발명에 따른 뇌파 측정 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 2와 같은 뇌파 측정 장치(100)는 도 1에서와 같은 뇌파 측정 방법을 용이하게 구현하기 위해 사용될 수 있다.2 is a block diagram schematically showing an EEG measuring apparatus according to the present invention. The EEG measuring apparatus 100 as shown in FIG. 2 may be used to easily implement the EEG measuring method as shown in FIG. 1.

도 2에 도시한 대로, 뇌파 측정 장치(100)는 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부(110)와, 뇌파 검출부(110)로부터 검출한 뇌파 데이터를 16~100Hz 밴드 패스 필터링하는 웨이브렛 필터로 이루어진 필터부(120)를 포함하여 도 1의 단계 10과 단계 20을 담당한다. 여기서 뇌파 검출부(110)는 뇌파 데이터를 측정하는 전극으로서, 이 전극은 피험자의 두피에 부착되어 뇌파 데이터를 검출한다. 이 때, 피험자의 두피에 부착되는 전극은 10-20 국제 전극 배치법(10-20 international nomenclature)에 따라 배치되거나, 또는 그 외의 여러 가지 방법에 의하여 배치될 수 있다. 필터부(120)는 필터 뱅크(filter bank)로 구현할 수 있다. 즉, 고역 통과 필터(high pass filter)와 저역 통과 필터(low pass filter)를 동시에 사용하여 각각의 대역으로 분리할 수 있다. 필요한 경우에는 분리 전에 뇌파 데이터를 증폭시키는 증폭기를 더 포함할 수도 있다.As shown in FIG. 2, the EEG measuring apparatus 100 includes an EEG detector 110 for detecting EEG data, and a wavelet filter for bandpass filtering the EEG data detected by the EEG detector 110 from 16 to 100 Hz. The filter unit 120 is included to handle steps 10 and 20 of FIG. 1. The EEG detector 110 is an electrode for measuring EEG data, which is attached to the scalp of the subject to detect EEG data. At this time, the electrode attached to the scalp of the subject may be disposed according to the 10-20 international nomenclature, or may be arranged by various other methods. The filter unit 120 may be implemented as a filter bank. That is, a high pass filter and a low pass filter may be used at the same time to separate the respective bands. If necessary, it may further include an amplifier for amplifying the EEG data before separation.

그리고, 뇌파 측정 장치(100)는 필터링된 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화하는 노말라이저(130)를 포함하여 도 1의 단계 30을 담당한다. 도 1의 단계 40은, 정규화된 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구하는 슬로우프 계산기(140)와, 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분 기저선 변동 부분을 찾는 검출기(150)를 포함하여 수행할 수 있게 된다. 또한, 기저선 변동 부분을 스무딩하는 스무딩 처리부(160)와, 필터링된 뇌파 데이터에서 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 뇌파를 보정하는 보정부(170) 및 보정된 뇌파를 출력하는 출력부(180)를 포함함으로써 도 1의 단계 60을 수행할 수 있게 구성된다. 스무딩 처리부(160)는 특히 관심 있는 부분(ROI)만 선택적으로 스무딩하는 것일 수 있다.In addition, the EEG measuring apparatus 100 includes a normalizer 130 that normalizes the filtered EEG data so that the amplitude is not dependent on the subject, and is responsible for step 30 of FIG. 1. Step 40 of FIG. 1 can be performed by including a slow calculator 140 for obtaining the slope on the time axis of the normalized EEG data and a detector 150 for finding the portion of the baseline variation where the gradient change is greater than the threshold. . In addition, the smoothing processing unit 160 for smoothing the baseline fluctuation portion, the correction unit 170 for correcting the brain wave by removing the smoothed baseline fluctuation portion from the filtered EEG data and the output unit 180 for outputting the corrected brain wave It is configured to perform step 60 of Figure 1 by including. The smoothing processor 160 may selectively smooth only the portion ROI of particular interest.

도 3a 내지 도 3e는 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도가 있는 뇌파를 도 1에 따른 뇌파 측정 방법에 따라 처리함에 따른 뇌파의 그래프이다.3A to 3E are graphs of the EEGs according to the EEG measurement method according to the EEG measuring safety according to the sudden baseline fluctuations.

먼저 도 3a는 도 1의 단계 10에서 얻은 가공하지 않은 뇌파 데이터이다. 참조부호 "220"이 가리키는 것은 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도 부분이다.First, FIG. 3A is raw EEG data obtained in step 10 of FIG. 1. Reference numeral 220 denotes the safety portion with sudden baseline variations.

도 3b는, 도 1의 단계 20과 단계 30을 수행한 후의 그래프이다. 즉, 웨이브렛 필터를 사용하여 16~100Hz를 추출하고 피험자간의 파워의 크기가 다른 것을 보정하기 위해서 수학식 1을 사용하여 정규화를 거친 신호를 나타낸다. 참조부호 "230"이 가리키는 것과 같이 급작스런 기저선 변동이 크게 나타난다. 이 신호를 그대로 주파수 분석에 사용하게 되면, 도 4의 참조부호 "280"과 같이 주파수 전 대역에 걸쳐서 띠모양이 나타나게 되어 타임코스(timecourse)나 토포그래픽 맵(topographic map)과 같은 주파수 스펙트로그램을 분석할 때에 큰 영향을 주게된다. 따라서, 제거해야 바람직한 것이다.3B is a graph after performing steps 20 and 30 of FIG. 1. That is, a signal obtained through normalization is represented by using Equation 1 to extract 16 to 100 Hz using a wavelet filter and to correct a difference in power between subjects. Sudden baseline fluctuations are large, as indicated by reference numeral 230. When the signal is used for frequency analysis as it is, a band appears in the entire frequency band as shown by reference numeral 280 of FIG. 4 to generate a frequency spectrogram such as a timecourse or a topographic map. It will have a big impact on the analysis. Therefore, it is desirable to remove it.

도 3c는 도 3b의 그래프에서 도 1의 단계 40에서 설명한 것과 같은 수학식 2를 사용하여 기울기를 구하고 그 신호에 적용한 임계치(240)를 나타낸다.FIG. 3C shows the threshold 240 applied to the signal using the equation (2) described in step 40 of FIG. 1 in the graph of FIG. 3B.

도 3d는 도 1의 단계 50에서와 같이, 임계치에 의해 얻어진 급작스런 기저선 변동 위치에서만 5 포인트 스무딩을 하여 얻은 기저선(250)을 나타낸다.FIG. 3D shows the baseline 250 obtained by five point smoothing only at the abrupt baseline variation position obtained by the threshold, as in step 50 of FIG. 1.

도 3e는 도 3b의 신호에서 도 3d의 기저선(250)을 뺀 신호이다. 급작스런 기저선 변동에 해당하는 부분만 제거되고 보정된 뇌파가 얻어진다.3E is a signal obtained by subtracting the baseline 250 of FIG. 3D from the signal of FIG. 3B. Only portions corresponding to abrupt baseline fluctuations are removed and a corrected EEG is obtained.

도 5는 본 발명의 방법을 사용하여 보정된 뇌파를 이용하여 표시한 스펙트로그램으로 참조부호 "290" 부분이 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도가 제거된 부분이다. 도 4의 참조부호 "280" 부분이 제거된 것을 볼 수 있다.FIG. 5 is a spectrogram displayed by using the EEG corrected using the method of the present invention, in which the reference numeral “290” is a portion in which safety of sudden baseline variation is removed. It can be seen that the portion “280” of FIG. 4 is removed.

이상 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 본 발명은 안구 운동에 의한 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도뿐만 아니라 다른 원인에 의해서 발생하는 급작스런 기저선 변동에도 적용된다.Although the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention. Do. For example, the present invention applies not only to safety with sudden baseline fluctuations due to eye movement, but also to sudden baseline fluctuations caused by other causes.

이상에서 자세히 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 잡파가 혼입된 뇌파 중에 특히 안구의 운동에 의해서 발생하는 급작스런 기저선 변동이 있는 안전도 등에 의해 오염된 뇌파를 보정함으로써, 시간-주파수 분석 방법에 영향을 미치는 전 대역에 걸친 띠모양 부분을 제거할 수 있다는 장점이 있다.As described in detail above, according to the present invention, the EEG contaminated by the safety of the abrupt baseline fluctuation caused by the movement of the eye, among the EEG into which the wave is mixed, affects the time-frequency analysis method. The advantage is the elimination of bands over the entire band.

그리고, 본 발명의 방법은 시간축 상에서 잡파가 있는 부분만이 보정되고 다른 부분은 그대로 유지되므로 전전두엽의 정보가 변형되거나 빠지지 않는 장점이 있다.In addition, the method of the present invention has the advantage that the information of the frontal lobe is not deformed or missed because only the part with the miscellaneous wave on the time axis is corrected and the other part is kept intact.

또한, 동작이나 안구 운동 감지기 등이 없이 기존의 뇌파를 그대로 이용 가능하다는 장점이 있다. 잡파의 제거를 위하여 동작을 감지하기 위한 센서나, 안전도를 측정하기 위해 눈 주위에 전극을 부착하지 않아 뇌파 측정시 추가 비용과 불편을 요구하지 않는다.In addition, there is an advantage that the existing EEG can be used as it is without motion or eye movement sensor. There is no need for additional cost and inconvenience in measuring EEG because no sensor is attached around the eye to measure safety or sensor to detect motion for elimination of harmonics.

예를 들어, 시각 자극이 있는 과제를 수행하면서 뇌파를 측정하는 경우, 안진같은 안구 운동으로 인한 기저선 변동이 큰 잡파가 혼입된 뇌파를 보정할 수 있다. 주파수 분석시 스펙트럼의 전 대역에 걸쳐 나타나는 안진 띠모양(시간축에서 임펄스 형태)을 제거할 수 있다.For example, when measuring EEG while performing a task with visual stimulation, it is possible to correct an EEG in which a hybrid wave with a large baseline variation due to eye movements such as nystagmus is incorporated. In frequency analysis, the nystagmus band (impulse form on the time axis) that appears over the entire band of the spectrum can be removed.

Claims (8)

피험자의 뇌파 데이터를 검출하는 단계;Detecting EEG data of the subject; 웨이브렛 필터(wavelet multiresolution filter)를 사용하여 상기 뇌파 데이터를 밴드 패스 필터링하는 단계;Band pass filtering the EEG data using a wavelet multiresolution filter; 필터링된 상기 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화하는 단계;Normalizing the filtered EEG data such that there is no dependency of amplitude on a subject; 정규화된 상기 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구하여 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분인 기저선 변동 부분을 찾는 단계;Finding a baseline variation portion whose slope change is greater than a threshold by obtaining a slope on the time axis of the normalized EEG data; 상기 기저선 변동 부분을 스무딩(smoothing)하는 단계; 및Smoothing the baseline variation portion; And 상기 필터링된 뇌파 데이터에서 상기 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 보정된 뇌파를 출력하는 단계를 포함하는 뇌파 측정 방법.And removing the smoothed baseline variation from the filtered EEG data to output a corrected EEG. 제1항에 있어서, 상기 밴드 패스 필터링 단계는 16~100Hz의 밴드를 통과시키는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 방법.The method of claim 1, wherein the band pass filtering step passes a band of 16 to 100 Hz. 제1항에 있어서, 상기 정규화하는 단계는 각 데이터에서 평균을 빼고 이를 표준편차로 나누어서 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 방법.The method of claim 1, wherein the normalizing is performed by subtracting an average from each data and dividing it by a standard deviation. 제1항에 있어서, 상기 기저선 변동 부분을 찾는 단계에서는 현재 포인트 다음 다음 포인트에서 현재 포인트와의 차를 구하여 기울기를 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 방법.The EEG measuring method of claim 1, wherein the finding of the baseline variation comprises calculating a slope by obtaining a difference from a current point at a next point after a current point. 제1항에 있어서, 상기 스무딩하는 단계는 관심 있는 부분(Region Of Interest : ROI)만 선택적으로 스무딩하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 방법.The method of claim 1, wherein the smoothing comprises selectively smoothing only a region of interest (ROI). 뇌파 데이터를 검출하기 위한 뇌파 검출부;An EEG detector for detecting EEG data; 상기 뇌파 검출부로부터 검출한 뇌파 데이터를 16~100Hz 밴드 패스 필터링하는 웨이브렛 필터로 이루어진 필터부;A filter unit comprising a wavelet filter for performing 16 to 100 Hz band pass filtering on the EEG data detected by the EEG detector; 필터링된 상기 뇌파 데이터가 피험자에 따른 진폭의 의존도가 없도록 정규화하는 노말라이저(normalizer);A normalizer for normalizing the filtered EEG data so that there is no dependency of amplitude on a subject; 정규화된 상기 뇌파 데이터의 시간축 상에서의 기울기를 구하는 슬로우프 계산기(slope calculator);A slope calculator for obtaining a slope on a time axis of the normalized EEG data; 기울기 변화가 임계치보다 큰 부분 기저선 변동 부분을 찾는 검출기(threshold detector);A threshold detector for finding a portion of the baseline variation where the gradient change is greater than the threshold; 상기 기저선 변동 부분을 스무딩하는 스무딩 처리부;A smoothing processor for smoothing the baseline variation portion; 상기 필터링된 뇌파 데이터에서 상기 스무딩된 기저선 변동 부분을 제거하여 뇌파를 보정하는 보정부; 및A correction unit correcting the EEG by removing the smoothed baseline variation from the filtered EEG data; And 보정된 상기 뇌파를 출력하는 출력부를 포함하는 뇌파 측정 장치.EEG measuring apparatus comprising an output unit for outputting the corrected brain waves. 제6항에 있어서, 상기 슬로우프 계산기에서는 현재 포인트 다음 다음 포인트에서 현재 포인트와의 차를 구하여 기울기를 계산하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.The EEG measuring apparatus of claim 6, wherein the slow calculator calculates a slope by obtaining a difference from a current point at a next point after the current point. 제6항에 있어서, 상기 스무딩 처리부에서는 관심 있는 부분만 선택적으로 스무딩하는 것을 특징으로 하는 뇌파 측정 장치.The EEG measuring apparatus of claim 6, wherein the smoothing processor selectively smoothes only a portion of interest.
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WO2022014902A1 (en) * 2020-07-14 2022-01-20 삼성전자 주식회사 Electronic device for acquiring bio-signals, and operating method therefor
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