KR20100026426A - An eeg-based real-time functional cortical connectivity monitoring system - Google Patents

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KR20100026426A
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Abstract

PURPOSE: An EEG(Electroencephalogram) based real time functional cortical connectivity monitoring system is provided to monitor the functional connectivity between brain cortical regions in real time using a mathematical modeling. CONSTITUTION: An EEG detector(110) detects an EEG signal and includes a brain electrode. A position information detector(150) detects the position information about an anatomical boundary between the brain electrode and the cerebral cortex. The position information detector includes a digitizer. An operation processor(300) detects the connectivity between the cerebral cortices by operating the position information from the position information detector and the EEG signal from the EEG detector. A display unit(410) displays the output of the operation processor.

Description

뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템{An EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system}EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system

본 발명은 뇌파(EEG)를 이용하여 뇌 피질 영역 간의 기능적 연결성을 실시간으로 관찰할 수 있는 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세히는 수학적인 모델링을 통하여 머리 표면이 아닌 뇌의 피질 표면에서의 연결성을 계산하여 실시간으로 시각화 가능한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system capable of observing functional connectivity between brain cortical regions in real time using EEG, and more specifically, the brain cortex rather than the head surface through mathematical modeling. The present invention relates to an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system that can calculate the connectivity at the surface and visualize in real time.

사람은 뇌의 전기적인 신호를 이용하여 사고 및 판단 그리고 행위를 하게된다. 각 뇌 영역마다 담당하고 있는 기능적 역할은 다르지만, 통상적으로는 뇌가 아무리 간단한 일을 처리한다고 해도 뇌의 여러 영역들이 상호작용을 한다. 따라서 뇌가 특정 과제를 수행할 때 어떠한 뇌 영역들이 서로 상호작용을 하게 되는지를 뇌 영역간의 연결성을 통해 알 수 있다.Humans use their electrical signals to think, judge, and act. The functional roles that each brain area plays are different, but in general, no matter how simple the brain does, different areas of the brain interact. Therefore, it is possible to know which brain regions interact with each other when the brain performs a specific task through connectivity between brain regions.

예를 들어, 사람이 사진등을 보는 것과 같은 시각적 반응을 받았을 경우 뇌에서 시작적인 영역을 담당하는 후두엽이 활성화 되고, 사진을 보고 잘생겼다거나 예쁘다라는 생각을 할 때 사고를 담당하는 전두엽이 활성화 된다. 이럴 경우 뇌에 서 전기적인 신호는 시각을 담당하는 후두엽에서 사고를 담당하는 전두엽으로 전파된다고 생각할 수 있으며 두 영역 사이에는 연결성이 있다고 할 수 있다.For example, when a person receives a visual response such as looking at a picture, the occipital lobe responsible for the starting area of the brain is activated, and the frontal lobe responsible for thinking is activated when the picture looks handsome or pretty. . In this case, electrical signals from the brain can be thought to propagate from the occipital lobe responsible for vision to the frontal lobe responsible for thinking, and there is a connection between the two areas.

최근 뇌기능 조사 및 뇌질환 진단등의 목적으로 뇌영역간의 연결성을 관찰하는 것에 관심을 기울이기 시작하고 있다. 즉, 피험자에게 특정 자극을 제시하거나 행동을 수행하게 한 후 그와 관련된 뇌 영역간의 연결성을 관찰함으로써 뇌 영역 간의 상호작용을 관찰하거나, 알츠하이머, 치매, 정신 분열증, 자폐증, 우울증과 같은 뇌 관련 질환을 앓고 있는 환자와 정상인의 특정 뇌 영역간의 연결성을 비교 관찰함으로써, 정상인과 환자에서 관찰되는 뇌 영역간의 연결성 차이를 이용하여 질병을 진단하는데 이용할 수 있다. Recently, attention has been focused on observing connectivity between brain regions for the purpose of investigating brain function and diagnosing brain diseases. In other words, the subjects can present a specific stimulus or perform an action and then observe the connections between the brain regions associated with them, or observe brain-related diseases such as Alzheimer's, dementia, schizophrenia, autism and depression. By comparing and observing the connectivity between a patient suffering from a particular brain region of a normal patient, the difference in connectivity between the brain regions observed in a normal person and a patient can be used to diagnose a disease.

이러한 연구들은 뇌와 관련된 인지연구를 하는 사람들에 의해 연구되어 왔다. 그러나 대부분의 기존 연구에 사용된 뇌 영역간의 연결성을 보는 것들은 뇌파를 측정한 후, 후처리 작업을 거친 다음 뇌 영역간의 연결성을 보았다. 종래에는 뇌파를 측정함과 동시에 실시간으로 뇌 영역간의 연결성을 볼 수 없었다. These studies have been studied by people involved in brain-related cognitive studies. However, most of the previous studies on the connectivity between brain regions showed the connectivity between brain regions after measuring EEG, and then post-processing. Conventionally, the connectivity between brain regions could not be seen in real time while measuring EEG.

또한 대부분의 기존 연구에서는 피험자의 두피표면에 부착된 전극에 의해 측정되는 전위값을 이용하여, 두피 표면에서의 연결성을 관찰하였다. 그러나, 두피 표면에서 측정된 뇌파 신호는 두개골의 낮은 전기전도도로 인하여 왜곡이 발생하여 뇌파 신호원의 생성방향에 따라 두피표면의 측정 전위 분포가 달라지게 되므로 두피 뇌파 측정만으로 정확한 뇌 활성화 패턴을 추정하는 것은 신경생리학적으로 바람직하지 않다. Most previous studies also used connectivity values measured by electrodes attached to the subject's scalp surface to observe connectivity at the scalp surface. However, the EEG signals measured on the scalp surface are distorted due to the low electrical conductivity of the skull, so the measurement potential distribution on the scalp surface varies according to the direction of the EEG signal source. It is not neurophysiologically desirable.

또한 종래의 연구에서는 뇌파 측정과 연결성 계산이 독립된 절차로 진행 되 었기 때문에 뇌파 측정과 동시에 연결성을 계산하는 것이 불가능하였다.In addition, in the conventional study, since EEG measurement and connectivity calculation were performed in separate procedures, it was impossible to calculate connectivity at the same time as EEG measurement.

따라서, 뇌 영역간의 연결성을 관찰 시 두피 표면의 뇌파 측정으로 인한 왜곡을 피하고, 실시간으로 정확한 뇌 영역의 연결성을 관찰할 수 있는 모니터링 시스템이 요망된다.Accordingly, when monitoring the connectivity between brain regions, a monitoring system that avoids distortion due to EEG measurement on the scalp surface and can observe the connectivity of accurate brain regions in real time is desired.

그러므로, 본 발명은 수학적인 모델링을 통하여 머리 표면이 아닌 뇌의 피질 표면에서의 연결성을 뇌파 측정과 동시에 계산하고, 실시간으로 관찰 결과를 시각화 하여 뇌 영역간의 연결성을 모니터링 하는 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템을 제공한다.Therefore, the present invention calculates the connectivity at the cortical surface of the brain rather than the head surface at the same time through the mathematical modeling, and EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring to monitor the connectivity between brain regions by visualizing the observation results in real time Provide a system.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수학적 모델링을 통하여 뇌의 피질 표면에서의 뇌 영역간의 연결성을 계산하는 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system that calculates the connectivity between brain regions on the cortical surface of the brain through mathematical modeling.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 뇌 피질 영역간의 기능적 연결성을 실시간으로 시각화하여 변화하는 연결성을 관찰할 수 있는 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system capable of observing changing connectivity by real-time visualizing functional connectivity between brain cortical regions.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 뇌파 측정과 동시에 실시간 연결성을 관찰가능하며, 수학적으로 정문제(forward problem)와 역문제(inverse problem)를 해석하여 측정된 전극의 신호가 뇌 피질표면에서 어떤 전위값을 가지는지를 계산하여 연결성을 보여줌으로써, 두개골의 낮은 전기전도도에 의해 왜곡될 수 있는 원래 신호원의 신호를 잘 반영하는 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템을 제공하는 것이다.Another problem to be solved by the present invention, it is possible to observe the real-time connectivity at the same time as the EEG measurement, mathematically interpret the forward problem (inverse problem) and inverse problem (inverse problem) signal of the electrode measured on the surface of the brain cortex By calculating the potential value and showing the connectivity, it provides an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system that reflects the signal of the original signal source that can be distorted by the low electrical conductivity of the skull.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템은, 뇌전극을 구비하여 뇌파 신호를 검출하는 뇌전도 검출부;디지타이저를 구비하여 뇌전극과 대뇌 피질의 해부학적 경계(대뇌 피질 모델)에 대한 위치정보를 검출하는 위치정보 검출부;상기 뇌전도 검출부로 부터 출력된 상기 뇌파신호와 상기 위치정보 검출부로부터 출력된 상기 위치정보를 연산처리하여 대뇌 피질 영역간의 연결성 여부를 검출하는 연산처리부;상기 연산처리부의 출력을 시각화하여 디스플레이부에 표시하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the real-time EEG connectivity monitoring system, EEG detection unit for detecting an EEG signal having a brain electrode; provided with a digitizer anatomical boundary of the brain electrode and the cerebral cortex ( A location information detector for detecting location information of a cerebral cortex model; an operation of detecting connectivity between the cerebral cortex areas by calculating and processing the brain wave signal output from the electroencephalogram detection unit and the location information output from the location information detection unit; And a display unit for visualizing and outputting the output of the operation processor.

상기 연산처리부의 출력을 저장하는 저장부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.It further comprises a storage unit for storing the output of the operation processing unit.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시형태에 따르면, 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템은, 뇌전극을 구비하여 뇌파 신호를 검출하는 뇌전도 검출부, 뇌전극과 대뇌 피질 모델(대뇌 피질의 해부학적 경계)에 대한 위치정보를 검출하는 위치정보 검출부를 구비하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템에 있어서, A/D 변환부를 구비하여 상기 뇌전도 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수신하며, 상기 위치정보 검출부로부터 상기 위치정보를 수신하는 데이터 수집부; 상기 데이터 수집부로부터 수신된 상기 위치정보를 선형추정법을 통해 연산처리하여 역산 연산자(inverse operator)를 생성하며, 상기 데이터 수집부로부터 수신된 상기 대뇌 피질 모델을 이용하여 관찰하고자 하는 뇌의 영역을 구분하는 전처리부; 상기 데이터 수집부로부터 수신된 시간 영역의 뇌파 신호를 FFT하여 주파수 영역의 뇌파신호로 변환하는 고속푸리에 변환부; 상기 고속푸리에 변환부에서 출력된 뇌파 신호와, 상기 전처리부에서 출력된 역산연산자를 이용하여 상기 전처리부에서 구분된 뇌 영역간의 연결성을 계산하는 연결성 계산부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the real-time EEG connectivity monitoring system, EEG detection unit for detecting the EEG signal having a brain electrode, brain electrode and cerebral cortex model (cerebral cortex anatomical In the real-time EEG connectivity monitoring system having a position information detection unit for detecting position information for the boundary), A / D conversion unit having an A / D conversion unit converts and receives the EEG signal output from the EEG detection unit into a digital signal, the position information A data collection unit which receives the location information from a detection unit; The inverse operator is generated by arithmetic processing of the position information received from the data collection unit, and the area of the brain to be observed is classified using the cerebral cortex model received from the data collection unit. A preprocessing unit; A fast Fourier transform unit for FFT converting the EEG signal in the time domain received from the data collection unit into an EEG signal in the frequency domain; And a connectivity calculator configured to calculate connectivity between brain regions classified by the preprocessor using an EEG signal output from the fast Fourier transform unit and an inverse operator output from the preprocessor.

상기 연결성 계산부로 부터의 출력신호를 수신하여 시각화하기 위한 신호를 생성하는 시각화 처리부;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.And a visualization processor for generating a signal for visualizing the output signal from the connectivity calculator.

상기 시각화 처리부로부터의 출력을 표시하는 표시부, 상기 시각화 처리부로부터의 출력을 표시하는 저장부;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.And a display unit for displaying the output from the visualization processor and a storage unit for displaying the output from the visualization processor.

대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값(threshold), 관찰하고자 하는 주파수 대역을 입력하는 데이터 입력부;를 더 구비한 것을 특징으로 한다. And a data input unit for inputting a threshold required for calculating the connectivity of the cerebral cortex and a frequency band to be observed.

상기 데이터 입력부는 MRI 데이터를 더 입력하는 것을 특징으로 한다.The data input unit may further input MRI data.

상기 데이터 입력부로부터 수신된 상기 임계값, 상기 주파수 대역을 저장하며, 표준 뇌모델을 이용하여 대뇌 피질면을 생성하는 데이터 설정부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.And a data setting unit for storing the threshold value and the frequency band received from the data input unit and generating a cerebral cortical surface using a standard brain model.

상기 데이터 입력부로부터 수신된 상기 임계값, 상기 주파수 대역을 저장하며, 상기 데이터 입력부로부터 수신된 MRI 데이터로부터 근사화된 대뇌 피질면을 재추출하는 데이터 설정부를 더 구비한 것을 특징으로 한다.And a data setting unit for storing the threshold value and the frequency band received from the data input unit and re-extracting an approximated cerebral cortex surface from the MRI data received from the data input unit.

상기 뇌전극의 배치는 국제전극 배치 표준(MCN 시스템)인 10/20시스템을 이용하는 것을 특징으로 한다.The arrangement of the brain electrode is characterized in that using the 10/20 system of international electrode placement standard (MCN system).

상기 전처리부에서, 상기 역산연산자(W)는 In the preprocessing unit, the inverse operator (W) is

Figure 112008061892031-PAT00001
Figure 112008061892031-PAT00001

(단, A는 정문제 해석을 통해 얻어진 리드필드(leadfield) 행렬이며, R은 신호원의 공분산 행렬이며, C는 잡은 공분산 행렬, 는 정규화 매개변수임)을 통해 구하여지는 것을 특징으로 한다.(Where A is a leadfield matrix obtained through a true problem analysis, R is a covariance matrix of a signal source, and C is a covariance matrix obtained, and is a normalization parameter).

상기 연결성 계산부는 대뇌 피질 영역간의 연결성을 위상 차이(phase difference)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The connectivity calculator is configured to calculate the connectivity between the cerebral cortical regions using a phase difference.

상기 연결성 계산부는, 시간 t에서의 위상(φi(t))을The connectivity calculation unit calculates the phase φ i (t) at time t.

Figure 112008061892031-PAT00002
Figure 112008061892031-PAT00002

(단, i는 상기 전처리부에서 구분되어진 뇌의 i번째 영역을 나타내며, t는 시간을 나타내며, Imi는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 허수부를 의미하며, Rei는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 실수부를 의함)을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.Where i represents the i-th region of the brain divided by the preprocessor, t represents time, and Im i represents the imaginary part of the average signal source estimated through inversion in the i-th region, and Re i represents the real part of the average signal source estimated through inversion in the i-th region).

연결성 계산부는 전처리부에서 구분되어진 뇌 영역들을 임의로 2개씩(2개의 영역씩) 쌍을 지어, 상기 위상의 값을 이용하여 연결성을 계산하며, 기설정한 임계값보다 두 영역간이 위상 차이가 작거나 같은 경우 연결성이 있는 것으로 정의하고, 그렇지 않은 경우 연결성이 없는 것으로 정의하는 것을 특징으로 한다.The connectivity calculation unit pairs randomly divided brain regions divided by two regions (two regions), calculates connectivity using the phase value, and the phase difference between two regions is smaller than the preset threshold. In the same case, it is defined as having connectivity, otherwise it is characterized by being defined as having no connectivity.

상기 연결성 계산부는 대뇌 피질 영역간의 연결성을 뇌 영역간의 연결성을 간섭(coherence), 평균 위상간섭(mean phase coherence), 상관(correlation)을 이용한 계산법 중의 하나를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 한다.The connectivity calculator calculates connectivity between cerebral cortical regions using one of calculation methods using coherence, mean phase coherence, and correlation.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 실시형태에 따르면, 실시간 뇌파 연결성 모니터링 방법은, 뇌파 측정을 시작하기 전에, 연결성 계산 시에서 사용되는 임계값, 관찰하고자 하는 주파수 대역, 뇌 영역을 설정하며, 피측정자의 MRI 데이터 정보, 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보 를 수신하는 초기화단계; 상기 초기화단계 후에, 피측정자의 뇌파를 검출하는 뇌파측정단계; 상기 초기화단계에서 수신한 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 이용하여 수학식 1을 통하여 역산연산자(inverse operator)를 생성하는 역산연산자 생성단계; 상기 뇌파측정단계에서 검출된 두피 표면의 뇌파 신호를, 상기 역산연산자 생성단계에서 생성한 역산연산자을 이용하여, 뇌 피질표면의 신호로 변환하는 피질매핑단계; 상기 뇌파측정단계에서 측정된 뇌파를 FFT 처리하는 고속푸리에 변환단계; 상기 고속푸리에 변환단계에서 주파수 영역의 신호로 변환된 뇌파 신호와 상기 역산연산자 생성단계에서 생성된 역산연산자를 이용하여 위상 차이를 계산하고, 상기 입력설정단계에서 설정한 임계값을 기준으로 연결성 여부를 판단하는 연결성 계산단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.According to another embodiment of the present invention for achieving the above object, the real-time EEG connectivity monitoring method, before starting the EEG measurement, the threshold value used in the calculation of connectivity, the frequency band to be observed, brain region An initialization step of receiving the MRI data information of the subject, the position of the brain electrode of the subject, and the position information of the cerebral cortex model; After the initialization step, the EEG measuring step of detecting the EEG of the subject; An inverse operator generation step of generating an inverse operator through Equation 1 using the position of the brain electrode position and the cerebral cortex model of the subject received in the initialization step; A cortical mapping step of converting the EEG signal of the scalp surface detected in the EEG measurement step into a signal of the brain cortical surface using the inverse operator generated in the inverse operator generation step; A fast Fourier transform step of FFT processing the EEG measured in the EEG measurement step; The phase difference is calculated using the EEG signal converted into the signal in the frequency domain in the fast Fourier transform step and the inverse operator generated in the inverse operator generation step, and whether connectivity is determined based on the threshold value set in the input setting step. The connectivity calculation step of determining; characterized in that consisting of.

상기 연결성 계산단계에서 연결성이 있는 것으로 연산된 뇌 피질 영역간의 연결성을 실시간으로 각 영역간의 이어진 선을 통해 시각화하는 연결성 시각화단계;상기 연결성 시각화단계에서 시각화된 데이터를 디스플레이에 표시하며 저장부에 저장하는 데이터 표시 및 저장단계; 종료 명령이 입력되었는지를 판단하여, 종료 명령이 입력되었다면 종료하고, 종료 명령이 입력되지 않았다면 상기 뇌파측정단계로 되돌아가는 시스템 종료판단단계;를 더 구비한 것을 특징으로 한다.A connectivity visualization step of visualizing connectivity between brain cortical regions calculated as having connectivity in the connectivity calculation step in real time through a continuous line between each region; displaying data visualized in the connectivity visualization step on a display and storing in a storage unit Displaying and storing data; It is determined whether the end command is input, and if the end command is input, and if the end command is not input, the system termination determination step of returning to the EEG measurement step; characterized in that it further comprises.

본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템은 수학적 모델링을 통해 뇌의 피질 표면에서의 뇌 영역간 연결성을 계산하고 이를 실시간으로 시각화하여 변화하는 연결성을 관찰할 수 있도록 했다. The EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention calculates connectivity between brain regions on the cortical surface of the brain through mathematical modeling and visualizes it in real time to observe the changing connectivity.

또한, 본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템은 뇌파 측정과 동시에 실시간 연결성을 관찰가능하며, 수학적으로 정문제(forward problem)와 역문제(inverse problem)를 해석하여 측정된 전극의 신호가 뇌 피질표면에서 어떤 전위값을 가지는지를 계산하여 연결성을 보여줌으로써, 두개골의 낮은 전기전도도에 의해 왜곡될 수 있는 원래 신호원의 신호를 잘 반영할 수 있다.In addition, the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention is capable of observing EEG and real-time connectivity at the same time, mathematically interprets the forward and inverse problems, the signal of the electrode measured brain By calculating what potential value is on the cortical surface and showing connectivity, the signal from the original signal source can be well reflected by the low electrical conductivity of the skull.

본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템은 뇌-컴퓨터 인터페이스에 사용이 가능하다. 사람의 생각만으로 외부 기계를 조절하는 뇌-컴퓨터 인터페이스에서 사람의 생각을 구분하기 위하여 뇌파 신호에서 특징을 추출하고 분류하는 다양한 알고리즘들을 사용하여 사용자가 외부기기를 움직이고자 할 때와 그렇지 않을 때 뇌영역간의 연결성 패턴을 이용하여 사용자의 의도를 파악할 수 있게 된다.EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention can be used in the brain-computer interface. In the brain-computer interface that controls external machines with only human thought, we use various algorithms to extract and classify features from EEG signals to distinguish human thoughts. Using the connectivity pattern of the user can determine the intention.

또한 본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템은 알 츠하이머, 치매, 정신 분열증, 자폐증, 우울증과 같은 뇌 관련 질환을 실시간으로 진단하는데 활용이 가능하여, 똑같은 행동을 일반인과 환자가 수행하였을 때 뇌파를 측정하여 다른 연결성 패턴을 알아낼 수 있다. 뇌 질환 환자를 대상으로 반복실험이 힘들기 때문에, 본 발명을 이용하여 뇌파 데이터를 수집하는 과정에서 실시간으로 뇌 영역간의 연결성을 관찰할 수 있어, 보다 효율적인 실시간 진단이 가능하다.In addition, the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention can be used to diagnose brain-related diseases such as Alzheimer's, dementia, schizophrenia, autism and depression in real time, when the same behavior is performed by the general public and patients. EEG can be measured to determine other connectivity patterns. Since it is difficult to repeat experiments in patients with brain diseases, it is possible to observe the connectivity between brain regions in real time in the process of collecting EEG data using the present invention, more efficient real-time diagnosis is possible.

이하 본 발명의 일 실시예에 의한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모 니터링 시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the configuration and operation of the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 블록도로서, 뇌전도 검출부(110), 위치정보 검출부(150), 데이터 입력부(170), 데이터 수집부(200), 연산처리부(300), 표시부(410), 저장부(450)를 포함한다. 1 is a block diagram schematically illustrating the configuration of an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system according to an embodiment of the present invention, an electroencephalogram detector 110, a location information detector 150, and a data input unit 170. , A data collection unit 200, a calculation processing unit 300, a display unit 410, and a storage unit 450.

뇌전도 검출부(110)는 피측정자에게 뇌전극을 부착하여 뇌파를 검출하는 수단으로서, 뇌전극부(120), 증폭부(130), 필터부(140)을 포함한다.The electroencephalogram detection unit 110 is a means for detecting brain waves by attaching a brain electrode to a subject, and includes a brain electrode unit 120, an amplifying unit 130, and a filter unit 140.

뇌전극부(120)는 피측정자의 두피에 접촉하는 두피전극인 뇌전극을 하나 이상 구비하여 뇌전도(EEG)를 검출한다. 뇌전극의 배치는 국제전극 배치 표준(MCN 시스템)인 10/20시스템을 사용할 수 있다.The brain electrode unit 120 includes one or more brain electrodes, which are scalp electrodes in contact with the scalp of the subject, to detect electroencephalogram (EEG). The placement of the brain electrodes may use the 10/20 system, which is an international electrode placement standard (MCN system).

도 4에서와 같이, 뇌전극부(120)에서 뇌전극들이 국제전극 배치 표준(MCN 시스템)인 10-20시스템에서 Fp1, Fp2, F3, F4, C5, C6, CP3, CP4, P5,P6,O1,O2에 위치할 수 있으며, 뇌전극부(120)의 위치와 갯수는 연결성을 보고자 하는 부위에 따라 임의로 변경이 가능하다.As shown in FIG. 4, in the brain electrode unit 120, the brain electrodes are Fp1, Fp2, F3, F4, C5, C6, CP3, CP4, P5, P6, in the 10-20 system that is an international electrode placement standard (MCN system). It may be located at O1, O2, the position and number of the brain electrode unit 120 can be arbitrarily changed according to the portion to see the connectivity.

증폭부(130)는 뇌전극부(120)로 부터 수신된 뇌파신호를 증폭한다.The amplifier 130 amplifies the EEG signal received from the brain electrode unit 120.

필터부(140)는 증폭부(130)로 부터 수신된 뇌파신호에서 전원 노이즈 등의 노이즈를 제거한다The filter unit 140 removes noise such as power supply noise from the EEG signal received from the amplifier 130.

뇌전도 검출부(110)는 경우에 따라서 A/D 변환부를 더 구비할 수 있으며, 경우에 따라서 상기 A/D 변환부는 데이터 수집부(200)에 내장 될 수도 있다.The electroencephalogram detection unit 110 may further include an A / D conversion unit in some cases. In some cases, the A / D conversion unit may be embedded in the data collection unit 200.

위치정보 검출부(150)는 뇌전극과 피측정자 뇌의 해부학적 경계에 대한 위치 정보를 검출하는 수단으로, 3차원 디지타이저(160)를 구비한다.The location information detector 150 is a means for detecting location information on the anatomical boundary of the brain electrode and the brain of the subject, and includes a three-dimensional digitizer 160.

데이터 입력부(170)는 사용자가 뇌파 측정 전에 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값(threshold), 관찰하고자 하는 주파수 대역(주파수 밴드) 등을 입력하며, 또한 피측정자의 MRI 데이터(자기공명영상법, magnetic resonance imaging)를 입력하는 수단이다. 경우에 따라서 데이터 입력부(170)에 피측정자의 MRI 데이터의 입력을 배제할 수 있다.The data input unit 170 inputs a threshold required for calculating the connectivity of the cerebral cortex before the EEG measurement, a frequency band (frequency band) to be observed, and the MRI data (magnetic resonance imaging, magnetic resonance imaging). In some cases, the data input unit 170 may exclude input of the MRI data of the subject.

데이터 수집부(200)는 A/D변환부(210)을 구비하여 뇌전도 검출부(110)로부터 수신된 아날로그 신호를 디지탈신호로 변환하여 연산처리부(300)로 전송하며, 또한 위치정보 검출부(150), 데이터 입력부(170)로 부터 신호를 수신하여 연산처리부(300)로 전송한다.The data collector 200 includes an A / D converter 210 to convert an analog signal received from the electroencephalogram detector 110 into a digital signal, and transmits the analog signal to the arithmetic processor 300, and also provides the location information detector 150. The signal is received from the data input unit 170 and transmitted to the calculation processing unit 300.

연산처리부(300)는 데이터 수집부(200)로부터 수신된 신호를 연산처리한다. 또한, 연산처리부(300)는 데이터 입력부(170)로부터 입력된 데이터를 수신하여 연산처리에 필요한 데이터를 생성하고 이를 저장부(450)에 저장시킨다.The calculation processing unit 300 calculates a signal received from the data collection unit 200. In addition, the calculation processing unit 300 receives the data input from the data input unit 170 to generate the data necessary for the calculation processing and stores it in the storage unit 450.

표시부(410)는 연산처리부(300)의 출력을 디스플레이부 등을 통해 표시한다. 즉, 표시부(410)는 연산처리부(300)의 시각화 처리부(370)로 부터 출력신호를 수신하여 화면상에 뇌 피질 영역간의 연결성을 나타내준다.The display unit 410 displays the output of the operation processor 300 through a display unit. That is, the display unit 410 receives the output signal from the visualization processing unit 370 of the operation processing unit 300 to indicate the connectivity between the brain cortical regions on the screen.

저장부(450)는 연산처리부(300)의 출력을 저장한다. 또한, 저장부(450)는 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값, 관찰하고자 하는 주파수 대역 등이 저장된다. 즉, 저장부(450)는 연산처리부(300)로 부터 출력신호를 수신하여, 뇌 피질 영역간의 연결성 정보 및 설정값을 저장한다.The storage unit 450 stores the output of the operation processor 300. In addition, the storage unit 450 stores threshold values required for calculating the connectivity of the cerebral cortex, frequency bands to be observed, and the like. That is, the storage unit 450 receives the output signal from the operation processing unit 300 and stores the connectivity information and setting values between the brain cortical regions.

도 2는 도 1의 연산처리부의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 설명도로, 전처리부(310), 고속푸리에 변환부(330), 연결성 계산부(350), 시각화 처리부(370), 데이터 설정부(390)를 포함한다. FIG. 2 is an explanatory diagram for schematically illustrating a configuration of an operation processor of FIG. 1, and includes a preprocessor 310, a fast Fourier transform unit 330, a connectivity calculator 350, a visualization processor 370, and a data setter ( 390).

전처리부(310)는 피측정자의 두피 표면에서 측정된 상기 뇌파 신호를 대뇌 피질로 매핑하기 위해 필요한 역산 연산자(inverse operator)를 계산하고, 뇌 영역을 적절하게 구분하기 위한 수단이다. 즉, 전처리부(310)는 데이터 수집부(200)로 부터 뇌전도, MRI데이터 정보, 그리고, 뇌전극 및 피측정자의 뇌의 해부학적 경계에 대한 위치 정보를 수신하여, 대뇌 피질로부터 뇌파신호가 발생되는 신호원의 분포를 파악할 수 있도록, 수신한 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 선형추정법을 통해 역산 연산자(inverse operator)를 생성한다. 역산연산자(W)는 수학식 1을 통해 구해진다.The preprocessor 310 is a means for calculating an inverse operator necessary for mapping the EEG signals measured on the scalp surface of the subject to the cerebral cortex, and appropriately classifying brain regions. That is, the preprocessor 310 receives the electroencephalogram, the MRI data information, and the positional information about the brain electrodes and the anatomical boundaries of the brain of the subject from the data collection unit 200, and generates an EEG signal from the cerebral cortex. In order to determine the distribution of the signal source, an inverse operator is generated through linear estimation of the position of the received electrode and the location of the cerebral cortex model. The inverse operator W is obtained through Equation 1.

Figure 112008061892031-PAT00003
Figure 112008061892031-PAT00003

단, A는 정문제 해석을 통해 얻어진 리드필드(leadfield) 행렬이며, R은 신호원의 공분산 행렬이며, C는 잡은 공분산 행렬, 는 정규화 매개변수이다.Where A is a leadfield matrix obtained through correct problem analysis, R is a covariance matrix of the signal source, C is a covariance matrix taken, and is a normalization parameter.

여기서, 리드필드(leadfield) 행렬은 경계요소법(Boundary Element Method: BEM) 또는 근사화된 전기전도 계산 방법에 의해 계산된다.Here, the leadfield matrix is calculated by a boundary element method (BEM) or an approximate electrical conductivity calculation method.

또한, 전처리부(310)는 관찰하고자 하는 뇌의 영역을 상기 피측정자의 뇌 모델의 정보를 이용하여 사용자의 의도에 따라 나누는 것을 포함한다. In addition, the preprocessing unit 310 includes dividing the area of the brain to be observed according to the intention of the user by using the information of the brain model of the subject.

MRI 데이터로부터 추출된 대뇌 피질 표면은 수 밀리미터 이하의 정확도를 가지지만 추출한 피질상의 모든 점을 이용하는 것은 계산상 비효율적이기 때문에, 본 발명에서는 근사화된 피질 면을 재추출하여 이를 해석하는데 사용한다. The cerebral cortical surface extracted from the MRI data has an accuracy of several millimeters or less, but using all the points on the extracted cortex is computationally inefficient, so the present invention is used to re-extract and analyze the approximate cortical plane.

본 발명에서는 도 4에 도시된 것과 같이 뇌의 영역을 임의로 16개로 나누었으며, 도 3의 (a)는 뇌의 앞쪽, 도 3의 (b)는 뇌의 왼쪽, 도 3의 (c)는 뇌의 오른쪽, 도 3의 (d)는 뇌의 뒤쪽을 각각 나타내고 있다. 이것은 사용자의 필요에 따라 더 높은 공간 해상도를 원할 때는 뇌의 영역을 더 잘게 나누면 되고, 그 반대일 경우에는 뇌의 영역을 더 작게 나누면 된다. In the present invention, as shown in Figure 4, the brain region is arbitrarily divided into 16, Figure 3 (a) is the front of the brain, Figure 3 (b) is the left side of the brain, Figure 3 (c) is the brain 3, (d) shows the back of the brain, respectively. This can be done by dividing the area of the brain into smaller pieces if you want a higher spatial resolution, depending on your needs, and vice versa.

고속푸리에 변환부(330)은 데이터 수집부(200)의 A/D변환부(150)로 부터 뇌파신호를 수신하여 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform:FFT)을 한다. 즉, 고속푸리에 변환부(330)는 데이터 수집부(200)로부터 수신된 시간 영역의 뇌파 신호를 FFT하여 주파수 영역의 뇌파신호로 변환한다.The fast Fourier transform unit 330 receives an EEG signal from the A / D converter 150 of the data collector 200 and performs a Fast Fourier Transform (FFT). That is, the fast Fourier transform unit 330 FFTs the EEG signal in the time domain received from the data collection unit 200 and converts the EEG signal in the frequency domain into an EEG signal in the frequency domain.

연결성 계산부(350)는 데이터 수집부(200)에서 수신된 뇌파 신호와 전처리부(310)에서 미리 정의되고 계산된 정보를 이용하여 전처리부(310)에서 구분된 뇌 영역간의 연결성을 계산하는 수단이다. 즉, 연결성 계산부(350)는 고속푸리에 변환부(330)에서 주파수 영역의 신호로 변환된 뇌파 신호와 전처리부(310)에서 생성된 역산연산자(W)를 이용하여 전처리부(310)에서 구분되어진 대뇌 피질 영역간의 연결성을 위상 차이(phase difference)를 이용하여 계산한다. 시간 t에서의 위상(φi(t))은 수학식 2를 통해 구해진다.The connectivity calculator 350 is a means for calculating connectivity between brain regions classified by the preprocessor 310 using the EEG signal received from the data collector 200 and information previously defined and calculated by the preprocessor 310. to be. That is, the connectivity calculator 350 distinguishes the preprocessing unit 310 by using the EEG signal converted into the signal in the frequency domain by the fast Fourier transform unit 330 and the inverse operator W generated by the preprocessor 310. The connectivity between the regions of the cerebral cortex is calculated using the phase difference. The phase φ i (t) at time t is obtained through equation (2).

Figure 112008061892031-PAT00004
Figure 112008061892031-PAT00004

단, i는 상기 전처리부에서 구분되어진 뇌의 i번째 영역을 나타내며, t는 시간을 나타내며, Imi는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 허수부를 의미하며, Rei는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 실수부를 의미한다.I denotes an i-th region of the brain divided by the preprocessor, t denotes time, and Im i denotes an imaginary part of an average signal source estimated through inversion in the i-th region, and Re i denotes i The real part of the average signal source estimated through inversion in the first region.

연결성 계산부(350)는 전처리부(310)에서 구분되어진 뇌 영역들을 임의로 2개씩 쌍을 지어, 만들 수 있는 모든 조합에 대해 기 계산된 위상값을 이용하여 연결성을 계산하며, 사용자가 기설정한 임계값보다 두 영역간이 위상 차이가 작거나 같은 경우 연결성이 있는 것으로 정의하고, 그렇지 않은 경우 연결성이 없는 것으로 정의한다.The connectivity calculation unit 350 randomly pairs the brain regions separated by the preprocessor 310, and calculates the connectivity using the pre-calculated phase values for all possible combinations. If the phase difference between the two regions is less than or equal to the threshold value, it is defined as having connectivity, otherwise it is defined as having no connectivity.

연결성 계산부(350)에서 대뇌 피질 영역간의 연결성을 위상 차이를 이용하여 계산하였으나, 경우(필요)에 따라, 연결성 계산부(350)는 뇌 영역간의 연결성을 간섭(coherence), 평균 위상간섭(mean phase coherence), 상관(correlation)을 이용한 계산법에 의해서도 정의할 수도 있다. 다시말해, 본 발명은 위상의 차이만을 이용하여 연결성을 계산하는 것에 국한되지 않는다는 것을 밝혀둔다.Although the connectivity between the cerebral cortical regions was calculated by the connectivity calculation unit 350 using a phase difference, in some cases (necessary), the connectivity calculator 350 coherences and averages the phase interference between the brain regions. It can also be defined by calculation using phase coherence or correlation. In other words, it is noted that the present invention is not limited to calculating connectivity using only the phase difference.

시각화 처리부(370)는 연결성 계산부(350)로 부터의 출력신호를 수신하여 실시간으로 시각화하기 위한 신호로 만들어, 표시부(410) 및 저장부(450)로 출력한 다. 최고 시간 해상도 250ms이며, 사용자의 필요에 따라 시간 해상도는 조절 가능하다. 저장부(450)으로부터 관찰하고자 하는 주파수 대역을 읽어들여, 이에 따라, 연결성 계산부(350)의 출력의 시각화 데이터를 생성한다.The visualization processor 370 receives the output signal from the connectivity calculator 350, generates a signal for visualization in real time, and outputs the signal to the display unit 410 and the storage unit 450. The maximum time resolution is 250ms, and the time resolution can be adjusted according to user needs. The frequency band to be observed is read from the storage 450, and accordingly, visualization data of the output of the connectivity calculator 350 is generated.

데이터 설정부(390)는 데이터 입력부(170)로부터 입력된 데이터를 수신하여 연결성 계산부(350) 등에서 연산처리에 필요한 데이터를 생성하고 이를 저장부(450)에 저장시키는 수단이다. 데이터 설정부(390)는 데이터 입력부(170)로부터 수신된 뇌파 측정 전에 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값(threshold) 및 관찰하고자 하는 주파수 대역을 저장부(450)에 저장하며, 또한 데이터 입력부(170)로부터 수신된 피측정자의 MRI 데이터로부터 근사화된 대뇌 피질면을 재추출하여, 저장부(450)에 저장한다. 만약, MRI 데이터가 데이터 입력부(170)에 입력되지 않은 경우에는 표준 뇌모델을 이용하여 대뇌 피질면을 생성하여, 저장부(450)에 저장한다.The data setting unit 390 is a means for receiving data input from the data input unit 170 to generate data necessary for arithmetic processing in the connectivity calculation unit 350 and storing the data in the storage unit 450. The data setting unit 390 stores the threshold required for calculating the connectivity of the cerebral cortex and the frequency band to be observed in the storage unit 450 before the EEG measurement received from the data input unit 170, and also stores the data input unit ( Approximated cerebral cortical surfaces are re-extracted from the MRI data of the subject received from 170 and stored in the storage unit 450. If the MRI data is not input to the data input unit 170, a cerebral cortical surface is generated using a standard brain model and stored in the storage unit 450.

즉, 데이터 설정부(390)는 사용자로부터 뇌파 측정 전에 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값, 관찰하고자 하는 주파수 대역을 저장하며, 또한 데이터 설정부(390)는 뇌 영역을 설정하는데, 피측정자의 MRI 데이터를 기반으로, 피측정자의 MRI 데이터를 입력하게 하여, 이 MRI 데이터로부터 근사화된 대뇌 피질면을 재추출하고, 만약, MRI 데이터가 없는 경우에는 표준 뇌모델을 이용하여 대뇌 피질면을 생성한다.That is, the data setting unit 390 stores the threshold value required for calculating the connectivity of the cerebral cortex and the frequency band to be observed before the EEG measurement from the user, and the data setting unit 390 sets the brain region. Based on the MRI data, the subject's MRI data is input and the approximate cerebral cortex is extracted from the MRI data, and if there is no MRI data, a cerebral cortex is generated using a standard brain model. .

MRI 데이터로부터 추출된 대뇌 피질 표면은 수 밀리미터 이하의 정확도를 가지지만 추출한 피질상의 모든 점을 이용하는 것은 계산상 비효율적이기 때문에, 본 발명에서는 근사화된 피질면을 재추출하여 이를 해석하는데 사용한다. Although the cerebral cortical surface extracted from the MRI data has an accuracy of several millimeters or less, it is inefficient to use every point on the extracted cortex, so the present invention is used to re-extract and analyze the approximate cortical plane.

도 5a와 도5b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에 의한 뇌 영역간의 실시간 연결성을 도시화 한 예들로서, 도 5a는 피험자가 빈 화면의 모니터를 바라보고 있을 때의 뇌 영역간의 연결성을 나타내고, 도 5b는 피험자에게 익숙한 연예인 사진, 즉 시각적 자극을 주었을 때의 뇌의 연결성을 도시화한 것이다. 5A and 5B illustrate examples of real-time connectivity between brain regions by an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 5A illustrates a subject looking at a blank screen monitor. 5b shows the connectivity of the brain when the subject is familiar with the subject's photograph, that is, visual stimulus.

도 5a와 도 5b의 관찰에 사용된 주파수 대역은 감마(gamma), 구체적으로 30Hz이다. The frequency band used for the observations of FIGS. 5A and 5B is gamma, specifically 30 Hz.

도 5a의 빈 화면을 보고 있을 때의 뇌 영역간의 연결성보다, 도 5b의 시각적 자극을 주었을 때의 뇌 영역간의 연결성이, 좀 더 복잡하다는 것을 알 수 있다.It can be seen that the connectivity between brain regions when the visual stimulus of FIG. 5B is more complicated than the connectivity between brain regions when looking at the blank screen of FIG. 5A.

도 6은 도 1의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating an operation of the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of FIG.

초기화단계로, 뇌파 측정을 시작하기 전에, 연결성 계산 시에서 사용되는 임계값, 관찰하고자 하는 주파수 대역, 뇌 영역을 설정하며, 피측정자의 MRI 데이터 정보, 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 수신한다(S310). In the initialization phase, before starting the EEG measurement, the threshold value used in the calculation of connectivity, the frequency band to be observed, and the brain region are set, and the MRI data information of the subject, the location of the brain electrode of the subject, and the cerebral cortex model are set. Receive the location information (S310).

즉, 데이터 설정부(390)에서 뇌파 측정 전에 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값을 설정하고, 사용자가 원하는 뇌파의 특정 주파수 영역을 설정한다. 또한 뇌 영역을 구분하여 뇌 영역을 설정하는데, 피측정자의 MRI 데이터를 기반으로 사용시 피측정자의 MRI 데이터도 입력하고, MRI 데이터가 없는 경우 표준 뇌모 델을 이용하여 대뇌 피질 면을 생성하여 입력한다.That is, the data setting unit 390 sets the threshold required for calculating the connectivity of the cerebral cortex before the EEG measurement, and sets a specific frequency region of the EEG desired by the user. In addition, the brain region is set by dividing the brain region. When using the subject's MRI data, the subject's MRI data is also input. When there is no MRI data, the cerebral cortical plane is generated and input using a standard brain model.

여기서 주파수 대역을 설정하는 이유는 고속푸리에 변환부(330)에서 FFT를 하게되면, 시간 영역의 뇌파 신호가 주파수 영역의 뇌파신호로 변환하게 되며, 이 주파수 영역의 신호에서 관찰하고자 하는 특정 주파수의 대역만을 관찰하기 위해서 주파수 대역을 설정하여야 한다. 예를 들어 8~12hz로 설정하였다면 연결성 계산을 할 때 이 영역의 신호만을 이용하게 된다. 뇌 영역 설정은 뇌 영역을 구분하는 작업을 의미한다. The reason for setting the frequency band is that when the FFT is performed by the fast Fourier transform unit 330, the EEG signal in the time domain is converted into the EEG signal in the frequency domain, and the band of a specific frequency to be observed in the signal in this frequency domain. To observe the bay, the frequency band must be set. For example, if it is set to 8 ~ 12hz, only the signal in this area will be used when calculating connectivity. Brain region setting refers to the task of classifying brain regions.

뇌파측정단계로, 초기화단계(S310) 후에, 피측정자의 뇌파를 검출한다(S320).In the EEG measurement step, after the initialization step (S310), the brain wave of the subject to be detected (S320).

역산연산자 생성단계로, 초기화단계(S310)에서 수신한 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 이용하여 수학식 1을 통하여 역산연산자(inverse operator)를 생성한다(S330).In the step of generating an inverse operator, an inverse operator is generated through Equation 1 using the position information of the brain electrode position of the subject and the cortical model received in the initialization step S310 (S330).

피질매핑단계로, 뇌파측정단계(S320)에서 검출된 두피 표면의 뇌파 신호를, 역산연산자 생성단계(S330)에서 생성한 역산연산자을 이용하여, 뇌 피질표면의 신호로 변환한다(S340).In the cortical mapping step, the EEG signal of the scalp surface detected in the EEG measurement step (S320) is converted into a signal of the brain cortical surface using the inverse operator generated in the inverse operator generation step (S330) (S340).

고속푸리에 변환단계로, 뇌파측정단계(S320)에서 측정된 뇌파를 FFT 한다(S350). 즉, 측정된 시계열 뇌파 신호를 FFT를 통하여 주파수 영역의 신호로 변환한다. In the fast Fourier transform step, the EEG measured in the EEG measurement step (S320) is FFT (S350). That is, the measured time series EEG signals are converted into signals in the frequency domain through the FFT.

연결성 계산단계로, 고속푸리에 변환단계(S350)에서 주파수 영역의 신호로 변환된 뇌파 신호와 역산연산자 생성단계(S340)에서 생성된 역산연산자를 이용하여 수학식 2를 통해 위상 차이를 계산하고, 입력설정단계(S310)에서 설정한 임계값을 기준으로 연결성 여부를 판단한다(S360).In the connectivity calculation step, the phase difference is calculated through Equation 2 using the EEG signal converted into the signal in the frequency domain in the fast Fourier transform step (S350) and the inverse operator generated in the step S340 generation step (S340), and input. It is determined whether the connectivity is based on the threshold value set in the setting step (S310) (S360).

즉, 고속푸리에 변환단계(S350)에서 주파수 영역의 신호로 변환된 뇌파 신호와 피질매핑단계(S340)에서 매핑된 대뇌 피질 영역간의 연결성을 위상차이를 이용하여 계산하고, 입력설정단계(S310)에서 설정한 임계값을 기준으로 연결성 여부를 판단한다. 기설정된 임계값보다 대뇌 피질 영역간의 위상차이가 작거나 같은 경우 연결성이 있는 것으로 정의하고, 위상차이가 기설정된 임계값 보다 큰 경우 연결성이 없는 것으로 정의한다. That is, the connectivity between the EEG signal converted into the signal in the frequency domain in the fast Fourier transform step (S350) and the cortical region mapped in the cortical mapping step (S340) is calculated using the phase difference, and in the input setting step (S310). The connectivity is determined based on the set threshold. If the phase difference between the cerebral cortex regions is less than or equal to the preset threshold, the connectivity is defined as being. If the phase difference is greater than the preset threshold, the connectivity is defined as being non-connecting.

연결성 시각화단계로, 연결성 계산단계(S360)에서 연결성이 있는 것으로 연산된 뇌 피질 영역간의 연결성을 실시간으로 각 영역간의 이어진 선을 통해 시각화 한다(S370). In the connectivity visualization step, the connectivity between the areas of the brain cortex calculated as having connectivity in the connectivity calculation step (S360) is visualized through a continuous line between each region in real time (S370).

즉 연결성 시각화단계(S370)는 초기화단계(S310)에서 기설정된 임계치와 연결성 계산단계(S360)에서 연산된 연결성을 비교하여 유의미한 연결성을 보이는 영역들간의 연결성을 시각화한다. That is, the connectivity visualization step (S370) visualizes the connectivity between the regions showing significant connectivity by comparing the threshold calculated in the initialization step (S310) with the connectivity calculated in the connectivity calculation step (S360).

데이터 표시 및 저장단계로, 연결성 시각화단계(S370)에서 시각화된 데이터를 디스플레이에 표시하며 저장부에 저장한다(S380).In the data display and storage step, the data visualized in the connectivity visualization step S370 is displayed on the display and stored in the storage unit S380.

시스템 종료판단단계(S390)로, 종료명령이 입력되면, 시스템을 종료하며, 종료명령이 입력되지 않다면 뇌파측정단계(S320)로 되돌아간다. 여기서 종료명령은 뇌파검출신호가 더이상 검출되지 않거나, 종료 스위치(미도시)가 오프되거나, 기 실정된 시간이지나 거나 하면 소프트웨어적으로 종료명령이 입력되게 할 수 있다. In the system shutdown determination step (S390), if a shutdown command is input, the system is terminated, and if the shutdown command is not input, the procedure returns to the brain wave measurement step (S320). Here, the termination command may cause the termination command to be input by software when the EEG detection signal is no longer detected, the termination switch (not shown) is turned off, or a predetermined time passes.

즉 뇌파측정단계(S320)로 되돌아 가는 이유는 연결성 계산을 한 후 실시간으로 연결성이 시각화될 때, 동시에 다음 시각화 작업을 위해 위와 같은 작업이 병행이 되기 때문이다.That is, the reason for returning to the EEG measurement step (S320) is that when the connectivity is visualized in real time after the connectivity calculation, the above work is performed in parallel for the next visualization.

본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것이 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.The present invention is not limited to the above described and illustrated in the drawings, and of course, more modifications and variations are possible to those skilled in the art within the scope of the following claims.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram schematically illustrating the configuration of an EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system according to an embodiment of the present invention.

도 2는 도 1의 연산처리부의 구성을 개략적으로 설명하기 위한 설명도이다.FIG. 2 is an explanatory diagram for schematically illustrating a configuration of an arithmetic processing unit of FIG. 1.

도 3는 본 발명의 바람직한 일실시예에 의한 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에서의 뇌의 영역을 설명하기 위한 설명도이다.Figure 3 is an explanatory diagram for explaining the area of the brain in the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system according to an embodiment of the present invention.

도 4는 일반적인 10/20시스템에 관한 설명도이다.4 is an explanatory diagram of a general 10/20 system.

도 5a는 본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에 의한 뇌 영역간의 실시간 연결성을 도시화한 일예이다.5A illustrates an example of real-time connectivity between brain regions by the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention.

도 5b는 본 발명의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템에 의한 뇌 영역간의 실시간 연결성을 도시화한 다른 일예이다.Figure 5b is another example showing the real-time connectivity between brain regions by the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of the present invention.

도 6은 도 1의 뇌파 기반 실시간 기능적 피질 연결성 모니터링 시스템의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating an operation of the EEG-based real-time functional cortical connectivity monitoring system of FIG.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>

110: 뇌전도 검출부 120: 뇌전극부110: electroencephalogram detection unit 120: brain electrode unit

130: 증폭부 140: 필터부130: amplification unit 140: filter unit

150: 위치정보 검출부 160: 디지타이저150: location information detection unit 160: digitizer

170: 데이터 입력부 200: 데이터 수집부170: data input unit 200: data collection unit

210: A/D변환부 300: 연산처리부210: A / D conversion unit 300: arithmetic processing unit

310: 전처리부 330: 고속푸리에 변환부310: preprocessor 330: fast Fourier transform unit

350: 연결성 계산부 370: 시각화 처리부350: connectivity calculator 370: visualization processor

390: 데이터 설정부 410: 표시부390: data setting unit 410: display unit

450: 저장부450: storage

Claims (17)

뇌전극을 구비하여 뇌파 신호를 검출하는 뇌전도 검출부;An electroencephalogram detector comprising an electroencephalogram to detect an EEG signal; 디지타이저를 구비하여 뇌전극과 대뇌 피질의 해부학적 경계(대뇌 피질 모델)에 대한 위치정보를 검출하는 위치정보 검출부;A location information detector having a digitizer for detecting location information on an anatomical boundary (cortical model) of the brain electrode and the cerebral cortex; 상기 뇌전도 검출부로 부터 출력된 상기 뇌파신호와 상기 위치정보 검출부로부터 출력된 상기 위치정보를 연산처리하여 대뇌 피질 영역간의 연결성 여부를 검출하는 연산처리부;An arithmetic processing unit that detects connectivity between the cerebral cortical regions by arithmetic processing the EEG signal output from the EEG detecting unit and the positional information output from the positional information detecting unit; 상기 연산처리부의 출력을 시각화하여 디스플레이부에 표시하는 표시부;A display unit for visualizing and displaying the output of the operation processor; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 연산처리부의 출력을 저장하는 저장부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system further comprises a storage unit for storing the output of the calculation processing unit. 뇌전극을 구비하여 뇌파 신호를 검출하는 뇌전도 검출부, 뇌전극과 대뇌 피질 모델(대뇌 피질의 해부학적 경계)에 대한 위치정보를 검출하는 위치정보 검출부를 구비하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템에 있어서,In the real-time EEG connectivity monitoring system having an electroencephalogram detection unit for detecting an EEG signal having a brain electrode, and a position information detection unit for detecting position information of the brain electrode and the cerebral cortex model (anatomical boundary of the cerebral cortex), A/D 변환부를 구비하여 상기 뇌전도 검출부로부터 출력된 뇌파신호를 디지탈신호로 변환하여 수신하며, 상기 위치정보 검출부로부터 상기 위치정보를 수신하는 데이터 수집부;A data collection unit including an A / D conversion unit for converting and receiving an EEG signal output from the EEG detection unit into a digital signal, and receiving the position information from the position information detection unit; 상기 데이터 수집부로부터 수신된 상기 위치정보를 선형추정법을 통해 연산처리하여 역산 연산자(inverse operator)를 생성하며, 상기 데이터 수집부로부터 수신된 상기 대뇌 피질 모델을 이용하여 관찰하고자 하는 뇌의 영역을 구분하는 전처리부; The inverse operator is generated by arithmetic processing of the position information received from the data collection unit, and the area of the brain to be observed is classified using the cerebral cortex model received from the data collection unit. A preprocessing unit; 상기 데이터 수집부로부터 수신된 시간 영역의 뇌파 신호를 FFT하여 주파수 영역의 뇌파신호로 변환하는 고속푸리에 변환부; A fast Fourier transform unit for FFT converting the EEG signal in the time domain received from the data collection unit into an EEG signal in the frequency domain; 상기 고속푸리에 변환부에서 출력된 뇌파 신호와, 상기 전처리부에서 출력된 역산연산자를 이용하여 상기 전처리부에서 구분된 뇌 영역간의 연결성을 계산하는 연결성 계산부;A connectivity calculator configured to calculate connectivity between brain regions classified by the preprocessor using an EEG signal output from the fast Fourier transform unit and an inverse operator output from the preprocessor; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system comprising a. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 연결성 계산부로 부터의 출력신호를 수신하여 시각화하기 위한 신호를 생성하는 시각화 처리부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.And a visualization processor configured to generate a signal for receiving and visualizing the output signal from the connectivity calculator. 제4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 시각화 처리부로부터의 출력을 표시하는 표시부, A display unit which displays an output from the visualization processing unit, 상기 시각화 처리부로부터의 출력을 표시하는 저장부;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.And a storage unit for displaying the output from the visualization processing unit. 제5항에 있어서,The method of claim 5, 대뇌 피질의 연결성 계산 시 필요한 임계값(threshold), 관찰하고자 하는 주파수 대역을 입력하는 데이터 입력부;를 더 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템. And a data input unit for inputting a threshold required for calculating the connectivity of the cerebral cortex and a frequency band to be observed. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 데이터 입력부는 MRI 데이터를 더 입력하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.The data input unit is a real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that for further inputting MRI data. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 데이터 입력부로부터 수신된 상기 임계값, 상기 주파수 대역을 저장하며, 표준 뇌모델을 이용하여 대뇌 피질면을 생성하는 데이터 설정부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.And a data setting unit configured to store the threshold value and the frequency band received from the data input unit, and generate a cerebral cortical surface using a standard brain model. 제7항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 데이터 입력부로부터 수신된 상기 임계값, 상기 주파수 대역을 저장하며, 상기 데이터 입력부로부터 수신된 MRI 데이터로부터 근사화된 대뇌 피질면을 재추출하는 데이터 설정부를 더 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모 니터링 시스템.And a data setting unit for storing the threshold value and the frequency band received from the data input unit and re-extracting an approximated cerebral cortex surface from the MRI data received from the data input unit. system. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기 뇌전극의 배치는 국제전극 배치 표준(MCN 시스템)인 10/20시스템을 이용하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.The brain electrode arrangement is a real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that using the International Electrode Placement Standard (MCN system) 10/20 system. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 전처리부에서, 상기 역산연산자(W)는 In the preprocessing unit, the inverse operator (W) is
Figure 112008061892031-PAT00005
Figure 112008061892031-PAT00005
(단, A는 정문제 해석을 통해 얻어진 리드필드(leadfield) 행렬이며, R은 신호원의 공분산 행렬이며, C는 잡은 공분산 행렬, 는 정규화 매개변수임)(Where A is a leadfield matrix obtained by corrective problem analysis, R is a covariance matrix of the signal source, C is a covariance matrix that is caught, and is a normalization parameter) 을 통해 구하여지는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that obtained through.
제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 연결성 계산부는The connectivity calculation unit 대뇌 피질 영역간의 연결성을 위상 차이(phase difference)를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that for calculating the connectivity between the cerebral cortical region using a phase difference (phase difference). 제12항에 있어서,The method of claim 12, 상기 연결성 계산부는, 시간 t에서의 위상(φi(t))을The connectivity calculation unit calculates the phase φ i (t) at time t.
Figure 112008061892031-PAT00006
Figure 112008061892031-PAT00006
(단, i는 상기 전처리부에서 구분되어진 뇌의 i번째 영역을 나타내며, t는 시간을 나타내며, Imi는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 허수부를 의미하며, Rei는 i번째 영역에서 역산을 통해 추정된 평균적인 신호원의 실수부를 의함)Where i represents the i-th region of the brain divided by the preprocessor, t represents time, and Im i represents the imaginary part of the average signal source estimated through inversion in the i-th region, and Re i represents by the real part of the average signal source estimated through inversion in the i region) 을 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that the calculation using.
제13항에 있어서,The method of claim 13, 연결성 계산부는 전처리부에서 구분되어진 뇌 영역들을 임의로 2개씩(2개의 영역씩) 쌍을 지어, 상기 위상의 값을 이용하여 연결성을 계산하며, The connectivity calculation unit pairs randomly two (two regions) brain regions separated by the preprocessor, and calculates connectivity using the phase value. 기설정한 임계값보다 두 영역간이 위상 차이가 작거나 같은 경우 연결성이 있는 것으로 정의하고, 그렇지 않은 경우 연결성이 없는 것으로 정의하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.A real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that if the phase difference between the two areas is less than or equal to the preset threshold, the connectivity is defined, otherwise the connectivity is defined as no connectivity. 제3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 연결성 계산부는The connectivity calculation unit 대뇌 피질 영역간의 연결성을 뇌 영역간의 연결성을 간섭(coherence), 평균 위상간섭(mean phase coherence), 상관(correlation)을 이용한 계산법 중의 하나를 이용하여 계산하는 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 시스템.Real-time EEG connectivity monitoring system, characterized in that the connectivity between the cerebral cortical region is calculated using one of the calculation method using the coherence, mean phase coherence, correlation. 뇌파 측정을 시작하기 전에, 연결성 계산 시에서 사용되는 임계값, 관찰하고자 하는 주파수 대역, 뇌 영역을 설정하며, 피측정자의 MRI 데이터 정보, 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 수신하는 초기화단계;Before starting the EEG measurement, set the threshold value used in the calculation of connectivity, the frequency band to be observed, and the brain region. An initialization step of receiving; 상기 초기화단계 후에, 피측정자의 뇌파를 검출하는 뇌파측정단계;After the initialization step, the EEG measuring step of detecting the EEG of the subject; 상기 초기화단계에서 수신한 피측정자의 뇌전극 위치 및 대뇌 피질 모델에 대한 위치정보를 이용하여 수학식 1을 통하여 역산연산자(inverse operator)를 생성하는 역산연산자 생성단계;An inverse operator generation step of generating an inverse operator through Equation 1 using the position of the brain electrode position and the cerebral cortex model of the subject received in the initialization step; 상기 뇌파측정단계에서 검출된 두피 표면의 뇌파 신호를, 상기 역산연산자 생성단계에서 생성한 역산연산자을 이용하여, 뇌 피질표면의 신호로 변환하는 피질매핑단계;A cortical mapping step of converting the EEG signal of the scalp surface detected in the EEG measurement step into a signal of the brain cortical surface using the inverse operator generated in the inverse operator generation step; 상기 뇌파측정단계에서 측정된 뇌파를 FFT 처리하는 고속푸리에 변환단계;A fast Fourier transform step of FFT processing the EEG measured in the EEG measurement step; 상기 고속푸리에 변환단계에서 주파수 영역의 신호로 변환된 뇌파 신호와 상기 역산연산자 생성단계에서 생성된 역산연산자를 이용하여 위상 차이를 계산하고, 상기 입력설정단계에서 설정한 임계값을 기준으로 연결성 여부를 판단하는 연결성 계산단계;The phase difference is calculated using the EEG signal converted into the signal in the frequency domain in the fast Fourier transform step and the inverse operator generated in the inverse operator generation step, and whether connectivity is determined based on the threshold value set in the input setting step. Determining a connectivity calculation step; 로 이루어진 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 방법.Real-time EEG connectivity monitoring method comprising the. 제16항에 있어서,The method of claim 16, 상기 연결성 계산단계에서 연결성이 있는 것으로 연산된 뇌 피질 영역간의 연결성을 실시간으로 각 영역간의 이어진 선을 통해 시각화하는 연결성 시각화단계;A connectivity visualization step of visualizing connectivity between areas of the brain cortex calculated as having connectivity in the connectivity calculation step through a continuous line between each area in real time; 상기 연결성 시각화단계에서 시각화된 데이터를 디스플레이에 표시하며 저장부에 저장하는 데이터 표시 및 저장단계;A data display and storage step of displaying the data visualized in the connectivity visualization step on a display and storing the data in a storage unit; 종료 명령이 입력되었는지를 판단하여, 종료 명령이 입력되었다면 종료하고, 종료 명령이 입력되지 않았다면 상기 뇌파측정단계로 되돌아가는 시스템 종료판단단계;A system termination determination step of determining whether a termination command is input, ending if a termination command is input, and returning to the brain wave measurement step if the termination command is not input; 를 더 구비한 것을 특징으로 하는 실시간 뇌파 연결성 모니터링 방법.Real-time EEG connectivity monitoring method characterized in that it further comprises.
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