KR20160135107A - Device and method for denoising noise of electroencephalogram signal using series independent component analysis - Google Patents

Device and method for denoising noise of electroencephalogram signal using series independent component analysis Download PDF

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Abstract

A method for removing an electroencephalography noise is disclosed. According to the disclosure, the method comprises the following steps: (a) receiving an electroencephalography (EEG) signal; (c) extracting independent components from the EEG signal using an independent component analysis (ICA) method; and (d) removing the k^th noise (2<=k<=n+1) from the extracted independent components, wherein the steps (c) and (d) may be repeated n times (n is natural number equal to or greater than two).

Description

시리즈 독립성분분석을 이용한 뇌파 노이즈 제거 장치 및 뇌파 노이즈 제거 방법{DEVICE AND METHOD FOR DENOISING NOISE OF ELECTROENCEPHALOGRAM SIGNAL USING SERIES INDEPENDENT COMPONENT ANALYSIS}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an EEG noise canceling apparatus and an EEG noise canceling apparatus,

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 뇌파 노이즈 제거 장치에 관한 것으로, 특히 평균 잡음 감산 기법과 독립 성분 분석 기법을 이용하여 동시 EEG(electroencephalography)-fMRI(functional Magnetic Resonance Imaging) 계측 방법을 이용하여 측정된 뇌파 신호에 포함된 노이즈를 제거할 수 있는 뇌파 노이즈 제거 장치 및 뇌파 노이즈 제거 방법에 관한 것이다.An embodiment according to the concept of the present invention relates to an EEG removing device, and more particularly, to an EEG removing method using an average noise subtraction technique and an independent component analysis technique, using a simultaneous EEG (electroencephalography) -fMRI (functional magnetic resonance imaging) And an EEG noise canceling method capable of removing noise included in an EEG signal.

뇌 신호 및 영상을 비침습적(non-invasive)으로 계측하는 방법으로, EEG 장치, fMRI 장치 뿐만 아니라, MEG(magnetoencephalography, 뇌자도) 장치, PET(positron emission tomography, 양전자 단층촬영) 장치, fNIRS(functional Near-Infrared spectroscopy, 근적외선분광학) 장치 등과 같은 다양한 측정 장비들이 있다. 하지만, 각 장비마다 공간적/시간적 해상도에서 장단점을 가지고 있다. 따라서, 각 장비의 단점들을 보완하기 위한 방법으로 동시 EEG-fMRI 계측 방법 또는 동시 EEG-fNIRS 계측 방법과 같은 다방법 복합형(multimodality)를 이용한 방법들이 사용되고 있다.Non-invasive measurement of brain signals and images is possible by using MEG (magnetoencephalography) device, PET (positron emission tomography) device, fNIRS (functional) device as well as EEG device and fMRI device Near-infrared spectroscopy, near-infrared spectroscopy, and the like. However, each device has advantages and disadvantages in spatial / temporal resolution. Therefore, multimodality methods such as the simultaneous EEG-fMRI measurement method or the simultaneous EEG-fNIRS measurement method are used as a method to overcome the disadvantages of each equipment.

EEG 장치는 두피에 부착된 전극을 통해 전기적 뇌파활동을 계측하는 장치로 시간적 해상도가 뛰어나 실시간으로 발생되는 뇌반응을 측정하는데 유용한 장비이다. 하지만, 전극으로부터 측정되는 신호는 수많은 뇌신경세포 신호들의 합이기 때문에 정확한 위치에 신호를 파악하는데 어려움이 있다. 반면에, fMRI 장치는 뇌기능 활성 부위에서의 국소적인 혈류량의 증가에 따른 혈중산소농도(blood-oxygenation-lever-dependent; BOLD) 신호를 계측하기 때문에 EEG 장치에 비해 공간적 해상도가 뛰어나지만, 시간적 해상도는 EEG 장치에 비해 떨어지는 단점을 갖는다. 따라서 동시 EEG-fMRI 계측 방법은 뇌에서 발생하는 뇌파 신호와 BOLD 신호를 동시에 측정해 각 장비의 시간적/공간적 장점을 활용할 수 있으며 신뢰도 있는 뇌기능 영역 및 특징을 추정할 수 있다.The EEG device is a device that measures electrical EEG activity through the electrodes attached to the scalp. It is useful for measuring the brain response generated in real time because of its excellent temporal resolution. However, since the signal measured from the electrode is the sum of the signals of many cranial nerve cells, it is difficult to grasp the signal at the correct position. On the other hand, since the fMRI device measures the blood-oxygenation-lever-dependent (BOLD) signal according to the increase of the local blood flow volume at the brain functional active site, the spatial resolution is superior to that of the EEG device, Has a drawback that it is inferior to the EEG device. Therefore, the simultaneous EEG-fMRI measurement method can simultaneously measure the EEG signal and BOLD signal generated in the brain to utilize the temporal / spatial advantage of each device and to estimate reliable brain function area and characteristics.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 동시 EEG-fMRI 계측 기법을 통하여 측정된 뇌파 신호에 포함된 노이즈를 효과적으로 제거할 수 있는 뇌파 노이즈 제거 장치 및 뇌파 노이즈 제거 방법을 제공하는 것이다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide an EEG noise canceling apparatus and EEG noise canceling method capable of effectively removing noise included in an EEG signal measured through simultaneous EEG-fMRI measurement.

본 발명의 실시 예에 따른 뇌파 노이즈 제거 방법은, (a) 뇌파(electroencephalography; EEG) 신호를 수신하는 단계, (c) 독립 성분 분석(Independent Component Analysis; ICA) 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하는 단계, 및 (d) 추출된 독립 성분으로부터 제k 노이즈(2≤k≤n+1)를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계는 n(n은 2 이상의 자연수)회 반복 수행된다.The method for removing EEG noise according to an embodiment of the present invention includes the steps of (a) receiving an electroencephalography (EEG) signal, (c) using an Independent Component Analysis (ICA) (D) extracting the kth noise (2? K? N + 1) from the extracted independent components, wherein steps (c) and (d) n is a natural number of 2 or more).

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 뇌파 노이즈 제거 장치는, fMRI 신호와 동시 측정된 뇌파 신호를 수신하는 신호 수신 모듈, 독립 성분 분석 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하는 독립 성분 분석을 n(n은 2 이상의 자연수)회 수행하는 독립 성분 추출 모듈, 및 추출된 독립 성분들로부터 제k 노이즈(2≤k≤n+1)를 제거하는 제2 노이즈 제거 모듈을 포함한다.The apparatus for removing EEG noise according to an embodiment of the present invention includes a signal receiving module for receiving an EEG signal simultaneously measured with an fMRI signal and an independent component analyzing unit for extracting independent components from the EEG signal using an independent component analysis technique, (N is a natural number equal to or greater than 2) times, and a second noise cancellation module for removing the kth noise (2? K? N + 1) from the extracted independent components.

본 발명의 실시 예에 따른 뇌파 노이즈 제거 장치는 독립 성분 분석 기법을 복수회 반복 수행하여 동시 EEG-fMRI 계측 기법을 통하여 측정된 뇌파 신호에 포함된 노이즈를 제거할 수 있는 효과가 있다.The apparatus for removing EEG noise according to the embodiment of the present invention has the effect of eliminating the noise included in the EEG-fMRI signal measured through the simultaneous EEG-fMRI measurement by repeatedly performing the independent component analysis technique a plurality of times.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 뇌파 노이즈 제거 장치를 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 뇌파 노이즈 제거 장치를 이용한 뇌파 노이즈 제거 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In order to more fully understand the drawings recited in the detailed description of the present invention, a detailed description of each drawing is provided.
FIG. 1 shows an EEG eliminator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for removing EEG noise using the EEG removing apparatus shown in FIG. 1. Referring to FIG.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.It is to be understood that the specific structural or functional description of embodiments of the present invention disclosed herein is for illustrative purposes only and is not intended to limit the scope of the inventive concept But may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.The embodiments according to the concept of the present invention can make various changes and can take various forms, so that the embodiments are illustrated in the drawings and described in detail herein. It should be understood, however, that it is not intended to limit the embodiments according to the concepts of the present invention to the particular forms disclosed, but includes all modifications, equivalents, or alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다.The terms first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The terms may be named for the purpose of distinguishing one element from another, for example, without departing from the scope of the right according to the concept of the present invention, the first element may be referred to as a second element, The component may also be referred to as a first component.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as "between" and "between" or "neighboring to" and "directly adjacent to" should be interpreted as well.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there are features, numbers, steps, operations, elements, parts or combinations thereof described herein, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the meaning of the context in the relevant art and, unless explicitly defined herein, are to be interpreted as ideal or overly formal Do not.

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

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 뇌파 노이즈 제거 장치를 도시한다.FIG. 1 shows an EEG eliminator according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 뇌파 노이즈 제거 장치(10)는 복수의 채널들을 통하여 뇌파(EEG) 신호를 수신하고, 상기 뇌파 신호에 포함된 노이즈를 제거할 수 있다. 이때, 상기 뇌파 신호는 뇌파 측정 장치로부터 수신될 수 있다. 이때, 상기 뇌파 신호는 동시 EEG-fMRI 계측 방법을 통하여 fMRI 신호와 동시에 측정된 신호일 수 있으나, 본 발명의 권리범위가 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 뇌파 노이즈 제거 장치(10)는 상기 뇌파 측정 장치의 일부 구성으로 구현될 수도 있다.Referring to FIG. 1, the EEG removing apparatus 10 receives an EEG signal through a plurality of channels, and removes noise included in the EEG signal. At this time, the EEG signal can be received from the EEG device. At this time, the EEG signal may be a signal measured simultaneously with the fMRI signal through the simultaneous EEG-fMRI measurement method, but the scope of the present invention is not limited thereto. The EEG eliminator 10 may be implemented as a part of the EEG apparatus.

뇌파 노이즈 제거 장치(10)는 신호 수신 모듈(100), 제1 노이즈 제거 모듈(200), 독립 성분 추출 모듈(300), 제2 노이즈 제거 모듈(400) 및 제어 모듈(500)을 포함한다.The brain wave noise removing apparatus 10 includes a signal receiving module 100, a first noise removing module 200, an independent component extracting module 300, a second noise removing module 400 and a control module 500.

신호 수신 모듈(100)은 제어 모듈(600)의 제어 하에, 뇌파를 측정할 수 있는 뇌파 측정 장치로부터 출력되는 뇌파 신호를 수신한다. 또한, 신호 수신 모듈(100)은 심전도(electrocardiogram; ECG) 신호를 측정할 수 있는 심전도 측정 장치로부터 출력되는 심전도 신호를 수신할 수도 있다. 실시 예에 따라, 상기 심전도 신호는 상기 뇌파 측정 장치에 의하여 측정되어 신호 수신 모듈(100)로 송신될 수도 있다.Under the control of the control module 600, the signal receiving module 100 receives an EEG signal outputted from an EEG measuring device capable of measuring EEG. In addition, the signal receiving module 100 may receive an electrocardiogram signal output from an electrocardiogram measuring device capable of measuring an electrocardiogram (ECG) signal. According to an embodiment, the electrocardiogram signal may be measured by the EEG device and transmitted to the signal receiving module 100.

제1 노이즈 제거 모듈(200)은 제어 모듈(500)의 제어 하에, 뇌파 신호에 포함된 제1 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 제1 노이즈 제거 모듈(200)은 평균 잡음 감산(average artifact subtration; AAS) 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호에 포함된 제1 노이즈, 예컨대 MR(magnetic resonance) 그레디언트(gradient) 노이즈를 제거할 수 있다. 상기 평균 잡음 감산 기법은 동시 EEG-fMRI 계측 분야에서 상기 MR 그레디언트 노이즈를 제거하기 위해 널리 사용되는 간편하고 효과적인 방법으로 알려져 있다.The first noise removing module 200 may remove the first noise included in the EEG signal under the control of the control module 500. Specifically, the first noise removing module 200 removes a first noise included in the EEG signal, such as magnetic resonance (MR) gradient noise, using an average artifact subtraction (AAS) can do. The average noise subtraction technique is known as a simple and effective method widely used to remove the MR gradient noise in the field of simultaneous EEG-fMRI measurement.

fMRI 신호를 측정하는 MRI 장치는 뇌영상 볼륨(volume) 또는 볼륨의 슬라이스(slice)를 획득하기 위해 강한 자기장의 변화를 생성한다. 이와 같은 자기장의 변화로 인하여 동시 EEG-fMRI 계측 중에 MR 그레디언트 신호가 뇌파 신호에 영향을 주게 되어, 생체 신호보다 현저하게 큰 신호로 계측되게 된다. 상기 평균 잡음 감산 기법은 볼륨 또는 슬라이스마다 변화하는 MR 그레디언트의 강한 재현성(reproducibility)의 특징을 바탕으로, 각 볼륨 또는 슬라이스에 기반한 특정 구간의 평균값을 추정하고 측정된 뇌파 신호로부터 MR 그레디언트 노이즈를 포함하고 있는 신호를 감산함으로써, 상기 뇌파 신호에 포함된 MR 그레디언트 노이즈를 제거하는 기법이다.An MRI device that measures an fMRI signal produces a strong magnetic field change to obtain a brain image volume or a slice of volume. Due to such a change in the magnetic field, the MR gradient signal affects the EEG signal during the simultaneous EEG-fMRI measurement, and the signal is significantly larger than the biological signal. The average noise subtraction technique estimates an average value of a specific interval based on each volume or slice based on the strong reproducibility characteristic of the MR gradient changing for each volume or slice and includes MR gradient noise from the measured EEG signal And subtracts a signal having the EEG signal from the EEG signal to remove the MR gradient noise included in the EEG signal.

독립 성분 추출 모듈(300)은 제어 모듈(600)의 제어 하에, 독립 성분 분석 기법(ICA)을 이용하여 노이즈가 제거된 뇌파 신호로부터 복수의 독립 성분들을 추출할 수 있다. 상기 독립 성분 분석 기법은 뇌파 연구 분야에서 널리 사용되고 있는 방법으로서, 각 채널에서 계측된 전기적 신호들이 뇌파의 신호원들과 선형 관계에 있다는 가정을 전제한다. 독립 성분 추출 모듈(300)은 신호원들에 해당하는 독립 성분들을 추정하기 위해 독립 성분들 간 상호정보(mutual information)가 최소화되도록하는 비혼합 행렬(unmixing matrix)을 생성할 수 있다. 이와 같은 과정을 통하여 뇌파 신호로부터 독립 성분들이 추출될 수 있다.The independent component extraction module 300 can extract a plurality of independent components from the noise-canceled EEG signal using the independent component analysis technique (ICA) under the control of the control module 600. [ The independent component analysis technique is widely used in the field of EEG research, and it is assumed that the electrical signals measured in each channel are linearly related to the signal sources of the EEG. Independent component extraction module 300 may generate an unmixing matrix that minimizes mutual information between independent components to estimate the independent components corresponding to the signal sources. Independent components can be extracted from the EEG signal through this process.

구체적으로, 독립 성분 추출 모듈(300)는 제1 노이즈, 예컨대 MR 그레디언트가 노이즈가 제거된 뇌파 신호(X)를 입력 데이터로 사용한다. 이때, 독립 성분 분석 기법은 아래의 수학식 1과 같이 입력 데이터(X)를 신호원(S)과 혼합 행렬(A)의 선형 관계로 가정한다.Specifically, the independent component extraction module 300 uses the first noise, for example, the MR gradient as the input data, with the noise-canceled EEG signal X as the input data. At this time, the independent component analysis technique assumes that the input data X is a linear relationship between the signal source S and the mixing matrix A as shown in Equation 1 below.

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 독립 성분 추출 모듈(300)은 입력 데이터(X)로부터 제1 독립 성분들을 추출하기 위해, 데이터 출력(비혼합 행렬과 입력 데이터의 내적)들 간의 상호 정보량을 최소화하는 비혼합 행렬(W)을 생성할 수 있다. 독립 성분 추출 모듈(300)에 의해 생성된 비혼합 행렬(W)은 혼합 행렬(A)과 역행렬 관계에 있다. 상기 제1 독립 성분들은 아래의 수학식 2와 같이 생성된 비혼합행렬(W)과 입력 데이터(X)의 내적을 통하여 추출될 수 있다.The independent component extraction module 300 also includes a non-mixing matrix W that minimizes the amount of mutual information between the data outputs (the inverse of the non-mixing matrix and the input data) to extract the first independent components from the input data X, Can be generated. The non-mixing matrix W generated by the independent component extraction module 300 is in inverse relation with the mixing matrix A. [ The first independent components may be extracted through an inner product of the non-mixing matrix W and the input data X generated as shown in Equation 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

또한, 독립 성분 추출 모듈(300)은 제2 노이즈가 제거된 뇌파 신호(

Figure pat00003
)로부터 제2 독립 성분들을 추출할 수 있다. 상기 제2 독립 성분들을 추출하는 과정은 제1 독립 성분들을 추출하는 과정과 동일하므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.In addition, the independent component extraction module 300 extracts the second noise-
Figure pat00003
) &Lt; / RTI &gt; The process of extracting the second independent components is the same as the process of extracting the first independent components, and a detailed description thereof will be omitted.

이와 같이, 독립 성분 추출 모듈(300)은 독립 성분 분석을 n(n은 2 이상의 자연수)회 반복 수행할 수 있다.In this way, the independent component extraction module 300 can perform independent component analysis repeatedly n (n is a natural number of 2 or more) times.

제2 노이즈 제거 모듈(400)은 제어 모듈(600)의 제어 하에, 독립 성분 추출 모듈(300)에 의해 추출된 독립 성분들로부터 노이즈를 제거할 수 있다. 구체적으로, 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 제1 독립 성분들로부터 제2 노이즈를 제거할 수 있고, 제2 독립 성분들로부터 제3 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 제n 독립 성분들로부터 제n+1 노이즈를 제거할 수 있다.The second noise removal module 400 may remove noise from the independent components extracted by the independent component extraction module 300 under the control of the control module 600. [ In particular, the second noise reduction module 400 may remove the second noise from the first independent components and may remove the third noise from the second independent components. That is, the second noise elimination module 400 may remove the (n + 1) -th noise from the n-th independent components.

상기 제2 노이즈는 눈동자 움직임 노이즈와 저주파수(low frequency)에 많은 영향을 주는 노이즈로서, 예컨대 심탄도 노이즈 중 적어도 하나를 의미할 수 있다. 이때, 상기 저주파수는 0.8㎐ 내지 1.2㎐ 에 속하는 주파수일 수 있다.The second noise may denote at least one of noise that greatly affects pupil motion noise and low frequency, for example, heartbeat noise. At this time, the low frequency may be a frequency belonging to 0.8 Hz to 1.2 Hz.

제2 노이즈 제거 모듈(400)이 상기 심탄도 노이즈를 제거하고자 하는 경우, ECG(electrocardiogram) 신호를 활용할 수 있다. 즉, 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 추출된 독립 성분들 간의 상호 정보를 계산하여 다른 성분들보다 상대적으로 큰 상호 정보의 값을 기반으로 상기 심탄도 노이즈를 제거할 수 있다.When the second noise removing module 400 desires to remove the corrugated noise, an ECG (electrocardiogram) signal can be utilized. That is, the second noise elimination module 400 may calculate the mutual information between the extracted independent components and remove the cardiac trough noise based on the mutual information value, which is relatively larger than other components.

제2 노이즈 제거 모듈(400)이 눈동자 움직임 노이즈를 제거하고자 하는 경우, 뇌지형도(brain topography)가 활용될 수 있으며, 눈주변에 강한 활성화를 보이는 성분들을 기준으로 제거할 수 있다. 이때, 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 생성된 비혼합 행렬(W)로부터 추정된 혼합 행렬(A)의 성분들 중 노이즈와 관련된 성분에 해당하는 열의 값을 0으로 치환하여 제2 혼합 행렬(

Figure pat00004
)을 생성하고, 아래의 수학식 3을 이용하여 제2 노이즈가 제거된 뇌파 신호(
Figure pat00005
)를 추정할 수 있다.When the second noise removal module 400 desires to remove noise from the eye, a brain topography can be utilized and can be removed on the basis of components showing strong activation around the eye. At this time, the second noise elimination module 400 replaces the value of the column corresponding to the component related to the noise among the components of the mixing matrix A estimated from the generated non-mixing matrix W to 0,
Figure pat00004
), And the second noise-canceled EEG signal (
Figure pat00005
) Can be estimated.

Figure pat00006
Figure pat00006

또한, 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 제2 노이즈가 제거된 뇌파 신호(

Figure pat00007
)로부터 제3 노이즈를 제거할 수 있다. 상기 제3 노이즈는 잔여 MR 그레디언트 노이즈일 수 있다. In addition, the second noise elimination module 400 generates the second noise-canceled EEG signal (
Figure pat00007
The third noise can be removed. The third noise may be residual MR gradient noise.

동시 EEG-fMRI 계측 동안에 측정된 뇌파 신호는 측정 대상, 즉 인체의 작은 움직임에도 민감하게 반응하기 때문에 상기 측정 대상이 움직이는 구간마다의 MR 그레디언트 잡음은 다른 성질을 띄게 된다. 이에 따라, MR 그레디언트의 강한 재현성의 특징을 이용한 평균 잡음 감산 기법은 잔여 MR 그레디언트 노이즈를 남기게 된다. 상기 잔여 MR 그레디언트 노이즈의 주파수는 총 획득된 슬라이스 갯수/한 볼륨 획득 시간(Repetition Time; TR)을 이용하여 용이하게 판단할 수 있다. Since the EEG signal measured during the simultaneous EEG-fMRI measurement is sensitive to the measurement target, that is, the small motion of the human body, the MR gradient noise for each section in which the measurement target moves has different characteristics. Accordingly, the average noise subtraction technique using the strong reproducibility feature of the MR gradient leaves residual MR gradient noise. The frequency of the residual MR gradient noise can be easily determined using the total number of acquired slices / one volume acquisition time (TR).

제어 모듈(500)은 뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 전반적인 동작을 제어한다. 즉, 제어 모듈(500)은 신호 수신 모듈(100), 제1 노이즈 제거 모듈(200), 독립 성분 추출 모듈(300) 및 제2 노이즈 제거 모듈(400)의 동작을 제어할 수 있다. The control module 500 controls the overall operation of the brain-wave noise removing apparatus 10. That is, the control module 500 may control operations of the signal receiving module 100, the first noise removing module 200, the independent component extracting module 300, and the second noise removing module 400.

상술한 바와 같이, 본 발명은 반복된 독립 성분 분석 기법을 통하여, 단계별로 노이즈를 제거할 수 있으며, 아래의 수학식 4를 이용하여 각 n(n은 2 이상의 자연수) 단계별로 새로운 독립 성분 추정(

Figure pat00008
)을 통해 일회의 독립 성분 분석 기법을 적용하는 기존의 방법에 비하여 MR 그레디언트 노이즈, 심탄도 노이즈, 및 눈동자 움직임 노이즈 등의 잔여 노이즈까지 효과적으로 제거할 수 있다.As described above, according to the present invention, noise can be removed step by step through a repeated independent component analysis technique, and a new independent component estimation (n) is performed for each n (n is a natural number of 2 or more)
Figure pat00008
), Residual noise such as MR gradient noise, heart-ball noise, and pupil motion noise can be effectively removed as compared with the conventional method of applying a single independent component analysis technique.

Figure pat00009
Figure pat00009

도 1에 도시된 뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 구성들 각각은 기능 및 논리적으로 분리될 수 있음으로 나타내는 것이며, 반드시 각각의 구성이 별도의 물리적 장치로 구분되거나 별도의 코드로 작성됨을 의미하는 것이 아님을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.Each of the configurations of the brain-wave noise removing apparatus 10 shown in FIG. 1 indicates that it can be divided into functions and logically, which means that each configuration is divided into separate physical devices or written in separate codes Or may be easily inferred by an average expert in the field of the present invention.

또한, 본 명세서에서 모듈이라 함은, 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예컨대, 상기 모듈은 소정의 코드와 상기 소정의 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스의 논리적인 단위를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것이 아니다.In this specification, a module may mean a functional and structural combination of hardware for carrying out the technical idea of the present invention and software for driving the hardware. For example, the module may mean a logical unit of a predetermined code and a hardware resource for executing the predetermined code, and does not necessarily mean a physically connected code or a kind of hardware.

도 2는 도 1에 도시된 뇌파 노이즈 제거 장치를 이용한 뇌파 노이즈 제거 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method for removing EEG noise using the EEG removing apparatus shown in FIG. 1. Referring to FIG.

도 1과 도 2를 참조하면, 뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 신호 수신 모듈(100)은 뇌파를 측정할 수 있는 뇌파 측정 장치로부터 출력되는 뇌파 신호를 수신한다(S110). 이때, 신호 수신 모듈(100)은 심전도(ECG) 신호를 측정할 수 있는 심전도 측정 장치 또는 상기 뇌파 측정 장치로부터 출력되는 심전도 신호를 수신할 수도 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the signal receiving module 100 of the brain-wave noise removing apparatus 10 receives an EEG signal outputted from an EEG measuring device capable of measuring EEG (S110). At this time, the signal receiving module 100 may receive an electrocardiogram (ECG) signal, which is capable of measuring an ECG signal, or an electrocardiogram signal, output from the EEG device.

뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 제1 노이즈 제거 모듈(200)은 평균 잡음 감산 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호에 포함된 제1 노이즈, 예컨대 MR 그레디언트 노이즈를 제거할 수 있다(S130).The first noise removing module 200 of the brain-wave noise removing apparatus 10 may remove the first noise included in the EEG signal, e.g., MR gradient noise, using an average noise subtraction technique (S130).

뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 독립 성분 추출 모듈(300)은 독립 성분 분석 기법을 이용하여 제1 노이즈가 제거된 뇌파 신호로부터 복수의 제1 독립 성분들을 추출할 수 있다(S150).The independent component extraction module 300 of the brain-wave noise removing apparatus 10 may extract a plurality of first independent components from the first noise-canceled EEG signal using an independent component analysis technique (S150).

뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 추출된 제1 독립 성분들로부터 제2 노이즈를 제거할 수 있다(S170). 상기 제2 노이즈는 저주파수에 많은 영향을 주는 노이즈로서, 예컨대 심탄도 노이즈 및 눈동자 움직임 노이즈 중 적어도 하나를 의미할 수 있다. The second noise removing module 400 of the brain-wave noise removing apparatus 10 may remove the second noise from the extracted first independent components (S170). The second noise may denote at least one of noise that affects a low frequency, for example, heart ballistic noise and pupil movement noise.

뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 독립 성분 추출 모듈(300)은 상기 독립 성분 분석 기법을 이용하여 상기 제2 노이즈가 제거된 뇌파 신호로부터 제k 독립 성분들(2≤k≤n)을 추출할 수 있다(S180).The independent component extraction module 300 of the brain-wave noise removing apparatus 10 may extract the k-th independent components (2? K? N) from the second noise-removed brain wave signal using the independent component analysis technique (S180).

뇌파 노이즈 제거 장치(10)의 제2 노이즈 제거 모듈(400)은 추출된 제k 독립 성분들로부터 제k+1 노이즈를 제거할 수 있다(S190). 상기 제k+1 노이즈는 잔여 MR 그레디언트 노이즈일 수 있다. The second noise elimination module 400 of the brain-wave noise removing apparatus 10 may remove the (k + 1) -th noise from the extracted k-th independent components (S190). The k + 1 noise may be residual MR gradient noise.

또한, 상기 S180단계와 상기 S190단계가 k의 값이 n이 될때까지 반복적으로 수행됨에 따라, 단계별로 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 추가적인 노이즈 제거의 필요성이 있는지 여부에 따라, 노이즈 제거 동작을 종료하거나 추가적인 독립 성분 추출 동작 및 추가적인 노이즈 제거 동작이 수행될 수 있다.In addition, since the steps S180 and S190 are repeatedly performed until the value of k becomes n, the noise can be removed in steps. That is, depending on whether there is a need for additional noise removal, the noise removal operation may be terminated or additional independent component extraction operations and additional noise removal operations may be performed.

이상에서는 독립 성분 분석을 n회 실시하여 총 n+1회에 걸쳐 노이즈를 제거하는 방법이 기술되었으며, 이때 n은 2 이상의 자연수일 수 있다.In the above description, a method of performing noise analysis for a total of n + 1 times by performing independent component analysis n times is described, wherein n may be a natural number of 2 or more.

이와 같이, 독립 성분 분석을 반복적으로 수행함으로써, 단계별로 노이즈 제거가 가능해지며, 각 단계별로 새로운 독립 성분들을 추출할 수 있다. 따라서, 본발명에 의할 경우, 종래 1회의 독립 성분 분석에 의한 노이즈 제거 방법에 비하여 MR 그레디언트 노이즈, 심탄도 노이즈, 눈동자 움직임 노이즈, 움직임 노이즈 등의 잔여 노이즈까지 효과적으로 제거할 수 있다.By repeating the independent component analysis in this manner, noise can be removed step by step, and new independent components can be extracted for each step. Therefore, according to the present invention, residual noise such as MR gradient noise, heart trajectory noise, pupil motion noise, and motion noise can be effectively removed as compared with the conventional one-time independent noise analysis method.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is evident that many alternatives, modifications and variations will be apparent to those skilled in the art. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10 : 뇌파 노이즈 제거 장치
100 : 신호 수신 모듈
200 : 제1 노이즈 제거 모듈
300 : 독립 성분 추출 모듈
400 : 제2 노이즈 제거 모듈
500 : 제어 모듈
10: EEG eliminator
100: Signal receiving module
200: First Noise Reduction Module
300: Independent component extraction module
400: Second Noise Reduction Module
500: control module

Claims (5)

(a) 뇌파(electroencephalography; EEG) 신호와 심전도(electrocardiogram; ECG) 신호를 수신하는 단계;
(c) 독립 성분 분석(Independent Component Analysis; ICA) 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하는 단계;
(d) 추출된 독립 성분으로부터 제k 노이즈(2≤k≤n+1)를 제거하는 단계; 및
상기 (c) 단계 내지 상기 (d) 단계는
Figure pat00010
에 의해
독립성분 분석을 n(n은 2 이상의 자연수)회 반복 수행하여 단계별로 심탄도(ballistocardiogram; BCG) 노이즈, 눈동자 움직임 노이즈, 및 잔여 MR(magnetic resonance) 그레디언트(gradient) 노이즈를 제거하되, 상기 (c) 단계는 상기 제k 노이즈가 제거된 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하고,
상기 잔여 MR 그레디언트 노이즈는 획득된 뇌영상 볼륨(volume)의 슬라이스(slice)의 개수를 볼륨 획득 시간(repetition time)으로 나눈 주파수 값에 기초하여 결정되고,
상기 심탄도 노이즈는 상기 ECG 신호와 추출된 독립 성분들 간의 상호 정보의 값에 기초하여 결정되고,
상기 눈동자 움직임 노이즈는 뇌지형도(brain topography) 상에서 눈주위의 활성화 정도에 기초하여 결정되는,
뇌파 노이즈 제거 방법.
여기서,
Figure pat00011
은 제n 노이즈가 제거된 뇌파신호,
Figure pat00012
는 제n 혼합행렬,
Figure pat00013
는 n단계별 독립성분 추정
(a) receiving an electroencephalography (EEG) signal and an electrocardiogram (ECG) signal;
(c) extracting independent components from the EEG signal using an Independent Component Analysis (ICA) technique;
(d) removing kth noise (2? k? n + 1) from the extracted independent components; And
Wherein the steps (c) to (d)
Figure pat00010
By
The independent component analysis is repeated n times (n is a natural number of 2 or more) so as to remove ballistocardiogram (BCG) noise, pupil motion noise, and residual magnetic resonance gradient noise, ) Extracts the independent components from the k-noise canceled EEG signal,
The residual MR gradient noise is determined based on a frequency value obtained by dividing the number of slices of acquired brain image volume by the volume acquisition time (repetition time)
The heartbeat noise is determined based on a value of mutual information between the ECG signal and extracted independent components,
Wherein the pupil movement noise is determined based on the degree of activation around the eye on brain topography,
A method for eliminating EEG noise.
here,
Figure pat00011
The n &lt; th &gt; noise canceled EEG signal,
Figure pat00012
Is an n-th mixing matrix,
Figure pat00013
Is an independent component estimation
제1항에 있어서,
상기 뇌파 노이즈 제거 방법은, (a) 단계 이후에, (b) 상기 뇌파 신호에 포함된 제1 노이즈를 제거하는 단계를 더 포함하고,
상기 제1 노이즈를 제거하는 단계는 평균 잡음 감산(average artifact subtration; AAS) 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호에 포함된 MR(magnetic resonance) 그레디언트(gradient) 노이즈를 제거하는 뇌파 노이즈 제거 방법.
The method according to claim 1,
The method of claim 1, further comprising, after step (a), (b) removing a first noise included in the EEG signal,
The method of claim 1, wherein removing the first noise comprises removing magnetic resonance (MR) gradient noise included in the EEG signal using an average artifact subtraction (AAS) technique.
제2항에 있어서,
상기 뇌파 신호는 fMRI(functional magnetic resonance imaging) 신호와 동시 측정된 것을 특징으로 하고,
상기 단계 (d)는,
혼합 행렬의 성분들 중 상기 제k 노이즈에 대응하는 열(column)의 값을 0으로 치환하는 단계; 및
열의 값이 0으로 치환된 혼합 행렬로부터 상기 제k 노이즈가 제거된 뇌파 신호를 추정하는 단계를 포함하는,
뇌파 노이즈 제거 방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the EEG signal is measured simultaneously with a fMRI (functional magnetic resonance imaging) signal,
The step (d)
Replacing a value of a column corresponding to the kth noise among components of the mixing matrix with 0; And
Estimating an EEG signal from which the k &lt; th &gt; noise has been removed from a mixing matrix in which the value of the column is replaced by zero.
A method for eliminating EEG noise.
fMRI 신호와 동시 측정된 뇌파 신호와 심전도(ECG) 신호를 수신하는 신호 수신 모듈;
독립 성분 분석 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하는 독립 성분 분석을 n(n은 2 이상의 자연수)회 수행하는 독립 성분 추출 모듈; 및
추출된 독립 성분들으로부터 제k 노이즈(2≤k≤n+1)를 제거하는 제2 노이즈 제거 모듈을 포함하며,
상기 독립 성분 추출 모듈은
Figure pat00014
에 의해
독립 성분 분석을 n(n은 2 이상의 자연수)회 반복 수행하되, 상기 제k 노이즈가 제거된 뇌파 신호로부터 독립 성분들을 추출하고,
상기 제2 노이즈 제거 모듈은 단계별로 심탄도 노이즈, 눈동자 움직임 노이즈, 및 잔여 MR 그레디언트 노이즈를 제거하고,
상기 잔여 MR 그레디언트 노이즈는 획득된 뇌영상 볼륨의 슬라이스의 개수를 볼륨 획득 시간으로 나눈 주파수 값에 기초하여 결정되고,
상기 심탄도 노이즈는 상기 ECG 신호와 추출된 독립 성분들 간의 상호 정보의 값에 기초하여 결정되고,
상기 눈동자 움직임 노이즈는 뇌지형도 상에서 눈주위의 활성화 정도에 기초하여 결정되는,
뇌파 노이즈 제거 장치.
여기서,
Figure pat00015
은 제n 노이즈가 제거된 뇌파신호,
Figure pat00016
는 제n 혼합행렬,
Figure pat00017
는 n단계별 독립성분 추정
a signal receiving module for receiving an EEG signal and an electrocardiogram (ECG) signal simultaneously measured with an fMRI signal;
An independent component extraction module for performing an independent component analysis for extracting independent components from the EEG signal using an independent component analysis technique for n (n is a natural number of 2 or more) times; And
And a second noise elimination module for removing the kth noise (2 &lt; k &lt; = n + 1) from the extracted independent components,
The independent component extraction module
Figure pat00014
By
Wherein the independent component analysis is repeated n times (n is a natural number of 2 or more), extracting independent components from the k &lt; th &gt;
The second noise cancellation module removes the corrugation noise, the pupil motion noise, and the residual MR gradient noise step by step,
The residual MR gradient noise is determined based on a frequency value obtained by dividing the number of slices of the acquired brain image volume by the volume acquisition time,
The heartbeat noise is determined based on a value of mutual information between the ECG signal and extracted independent components,
Wherein the pupil motion noise is determined based on the degree of activation around the eyes on the brain topographical map,
EEG noise eliminator.
here,
Figure pat00015
The n &lt; th &gt; noise canceled EEG signal,
Figure pat00016
Is an n-th mixing matrix,
Figure pat00017
Is an independent component estimation
제4항에 있어서,
상기 뇌파 노이즈 제거 장치는, 평균 잡음 감산 기법을 이용하여, 상기 뇌파 신호에 포함된 MR 그레디언트 노이즈를 제거하는 제1 노이즈 제거 모듈을 더 포함하는, 뇌파 노이즈 제거 장치.
5. The method of claim 4,
Wherein the EEG removing device further comprises a first noise removing module for removing MR gradient noise included in the EEG signal using an average noise subtraction technique.
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