KR20190030611A - Method for integrated signal processing of bci system - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for processing an integrated signal of a brain-computer interface system. The method for processing an integrated signal performed by a brain-computer interface (BCI) includes the steps of: a) constructing an integrated paradigm by integrating at least one paradigm for acquiring a user′s brain signal and collecting at least one kind of brain signals through the integrated paradigm; b) providing an integrated framework for performing feature extraction and pattern classification of brain signals collected from the integrated paradigm; c) analyzing the brain signals collected from the integrated paradigm to generate input information based on time information, frequency information, and spatial information and providing the input information to the integrated framework; and d) classifying the brain signals based on information learned through the integrated framework to recognize user′s intention and outputting a control signal of an external device according to the recognized user intention.

Description

뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법 {METHOD FOR INTEGRATED SIGNAL PROCESSING OF BCI SYSTEM}[0001] METHOD FOR INTEGRATED SIGNAL PROCESSING OF BCI SYSTEM [0002]

본 발명은 다양한 패러다임을 하나의 패러다임으로 통합하여 패러다임의 종류에 무관하게 사용자의 뇌신호에 대한 특징 패턴 정보를 추출할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an integrated signal processing method based on a brain-computer interface system capable of integrating various paradigms into a single paradigm and extracting characteristic pattern information of a user's brain signal irrespective of the type of paradigm.

뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface, BCI)는 인간의 뇌와 기계간의 연결을 통하여, 직접적인 신체의 움직임 없이 외부기기를 제어하는 인터페이스 체계이다. 이러한 BCI 기술은 다양한 종류의 패러다임에 따라 유발되는 뇌파를 이용한다. The Brain-Computer Interface (BCI) is an interface system that controls external devices without direct body movement through the connection between the human brain and the machine. These BCI technologies use brain waves induced by various paradigms.

뇌 신호는 뇌의 활동에 따른 전기적 신호를 이용하는 뇌전도(Electroencephalography, EEG), 함께 유발되는 자기적 신호를 이용하는 뇌자도(Magnetoencephalography, MEG), 혈중 산소포화도의 변화를 이용하는 기능적 자기공명영상(functional Magnetic Resonance Imaging, fMRI) 또는 근적외선 분광장치(Near-Infrared Spectroscopy, NIRS) 등 여러 방식을 통해 얻을 수 있는데, 이중 저렴하고 휴대 가능하며 시간 분해능이 뛰어난 EEG 신호가 BCI의 신호원으로 많이 사용되고 있다. The brain signals are classified into electroencephalography (EEG) using electrical signals according to brain activity, magnetoencephalography (MEG) using magnetic signals induced together, functional Magnetic Resonance (MEG) using changes in blood oxygen saturation Imaging, fMRI) or near-infrared spectroscopy (NIRS). EEG signals, which are inexpensive, portable and time-resolved, are widely used as signal sources for BCI.

EEG에 따른 뇌파 유발 방법에는 특정 외부 자극이 뇌에 투영되어 발현되는 비자발적 방법이나 사용자가 특정 신체 부위를 집중하거나 움직임을 상상하는 자발적 방법으로 나눌 수 있다.EEG-induced brain waves can be divided into involuntary methods in which specific external stimuli are projected on the brain or voluntary methods in which the user concentrates on a specific body part or imagines movement.

외부 자극에 의해 유발되는 비자발적 뇌파 특징으로는 대표적으로 안정-상태 시각 유발 전위(Steady-State Visual Evoked Potential, SSVEP)와 사건 관련 전위(Event-Related Potential, ERP)가 연구되고 있다. SSVEP는 사용자가 특정 주파수로 깜빡이는 시각 자극을 응시할 때, 해당 특정 주파수(3.5~75Hz)가 뇌에 투영되어 유발되는 뇌 신호 특징이다. In particular, steady-state visual evoked potential (SSVEP) and event-related potential (ERP) have been studied as characteristics of involuntary EEG caused by external stimuli. SSVEP is a brain signal feature that is triggered by the user projecting a specific frequency (3.5 ~ 75Hz) to the brain when the user strobes a visual stimulus that blinks at a certain frequency.

즉, SSVEP는 주파수적 특징을 지니고 있는 뇌파 신호이다. ERP는 사용자가 집중하는 특정 자극이 반복적으로 제시될 때, 해당 자극에 대해 반응하여 나타난 뇌 신호 특징이다. ERP 같은 경우는 일정 시간 간격으로 특정한 시각/청각/촉각 자극을 발현 시키고, 이때 뇌가 자극을 인지하고 300ms 이후에 발생하는 뇌 신호를 이용하는 방법이다. ERP는 시간적 특징을 가지고 있는 뇌파 신호이다. 이와 같은 비자발적 뇌파 특징의 단점으로는 지속적으로 피험자의 시점이 고정되어야 하며, 자극을 바라보는 피험자의 피로를 유발할 수 있다는 단점을 지니고 있다.In other words, SSVEP is an EEG signal with frequency characteristics. An ERP is a brain signal feature that responds to a stimulus when the user is repeatedly presented with a particular stimulus. In the case of ERP, a specific visual / auditory / tactile stimulus is expressed at a certain time interval. In this case, the brain recognizes the stimulus and uses the brain signal generated after 300 ms. ERP is an EEG signal with temporal characteristics. The disadvantage of such involuntary EEG features is that the subject's point of view must be constantly fixed, and the subject's fatigue can be caused by stimulation.

이와 다르게, 외부 자극 없이 사용자가 집중하거나 움직임을 상상할 때 자발적으로 발현되는 뇌파 특징으로는 동작 상상(Motor Imagery, MI)이 있다. MI는 각 부위(예를 들면, 오른손, 왼손, 발 등) 움직임을 상상하는 동안 특정 주파수 영역(mu-band(8~12Hz), beta-band(18~25Hz))에서 뇌 신호의 진폭 변화를 관찰 할 수 있다. 대표적 특징으로는 ERD(Event-Related Desynchronization) 및 ERS(Event-Related Synchronization)가 있다. ERD는 움직임을 의도하거나 상상할 때 감각 운동 피질(Sensorimotor cortex)에서 mu-band파가 일시적으로 감소하는 현상을 말하며, ERS는 움직임 후에 beta-band파가 일시적으로 증가하는 현상을 말한다.In contrast, there is the Motor Imagery (MI), a feature of the brain wave that is spontaneously expressed when the user concentrates or imagines the motion without any external stimulus. MI is the amplitude change of the brain signal in a specific frequency range (mu-band (8 to 12 Hz), beta-band (18 to 25 Hz)) while imagining the motion of each part (eg right hand, left hand, Can be observed. Representative features include Event-Related Desynchronization (ERD) and Event-Related Synchronization (ERS). ERD is a phenomenon in which the mu-band wave temporarily decreases in the sensorimotor cortex when intended or imagined, and ERS is a transient increase in beta-band wave after movement.

도 1은 종래의 ERP, MI, SSVEP의 패러다임에서 뇌파 처리 과정을 도시한 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a process of processing an EEG in the conventional ERP, MI, and SSVEP paradigms.

도 1을 참조하면, ERP, MI 및 SSVEP의 패러다임은 크게 5가지의 데이터 처리과정으로 구성이 된다. 뇌 신호를 수집하는 데이터 수집 단계(S110), 측정된 데이터를 전처리하는 신호 처리 단계(S120), 뇌 신호로부터 유의미한 데이터를 추출하는 특징 추출 단계(S130), 데이터로부터 얻어진 정보를 기반으로 결정 경계를 나누는 분류기 학습 단계(S140), 그리고 주어진 결과를 사용자에게 전달하는 피드백 단계(S150)로 구성이 된다. Referring to FIG. 1, the paradigm of ERP, MI and SSVEP consists of five data processing processes. (S110) for collecting brain signals, a signal processing step (S120) for preprocessing the measured data, a feature extraction step (S130) for extracting meaningful data from brain signals, a decision boundary based on the information obtained from the data (S140), and a feedback step (S150) for delivering the given result to the user.

뇌-컴퓨터 인터페이스(BCI) 시스템은 사용자가 SSVEP, ERP, MI 의 패러다임 중 어느 하나의 패러다임을 통해 실험을 하고, 이 실험을 통해 얻어진 뇌 신호를 전술한 5단계의 데이터 처리과정을 거치며, 외부 기기를 제어하는 인터페이스 체계를 구축하고 있다.The brain-computer interface (BCI) system allows the user to experiment through one of paradigms of SSVEP, ERP, and MI. The brain signal obtained through this experiment is processed through the above-described five steps of data processing, And the like.

예시적으로, 우선 외부 자극에 기반하여 분석하는 SSVEP 같은 경우, 여러 개의 다른 주파수(예를 들어, 7Hz, 9Hz, 11Hz, 13Hz 등) 중 한 가지 주파수(예를 들어, 7Hz) 를 응시할 때, 응시한 주파수(7Hz)에서 뇌 신호의 변화가 생기는 것을 살펴 볼 수 있다. 외부 주파수 자극을 바탕으로 얻어진 뇌파는 주파수 분석을 통하여 주파수와 관련한 뇌 신호 특징을 추출하고 이를 기반으로 뇌 신호를 분류한다.Illustratively, in the case of an SSVEP analyzing based on an external stimulus first, when striking one of several different frequencies (for example, 7 Hz, 9 Hz, 11 Hz, 13 Hz, etc.) It can be seen that the brain signal changes at one frequency (7 Hz). The EEG obtained based on the external frequency stimulus extracts the brain signal characteristics related to the frequency through the frequency analysis and classifies the brain signals based on the extracted brain signal characteristics.

ERP는 사용자가 외부 자극에 반응하여 일정 시간(300ms 등) 이후 나타나는 뇌 신호 특징이다. ERP 같은 경우 주파수 뇌파 특징을 추출하는 SSVEP(Steady-State Visual Evoked Potential)와는 달리 시간 정보를 기반으로 뇌파 특징을 추출하고 이를 기반으로 뇌 신호를 분류한다. ERP is a brain signal characteristic that appears after a certain period of time (300 ms, etc.) in response to external stimuli. In case of ERP, unlike Steady-State Visual Evoked Potential (SSVEP), which extracts frequency EEG features, it extracts EEG features based on time information and classifies brain signals based on this.

이와 달리, 외부 자극 없이 자발적으로 발현되는 동작 상상, 즉 MI(Motor Imagery)의 경우(예를 들어, 왼쪽, 오른쪽, 발 동작상상 등) 특정 주파수 영역 8-30Hz 내의 주파수 크기 변화를 이용하여 뇌파 특징을 추출하고 이를 기반으로 뇌 신호를 분류한다. Alternatively, a frequency magnitude change within a specific frequency range of 8 to 30 Hz may be used in the case of an operating image that is spontaneously expressed without external stimulation, that is, in the case of MI (for example, left, right, And classifies brain signals based on the extracted signals.

위와 같은 기존 BCI 시스템은 크게 두 가지 한계점을 지닌다. 첫째, 여러 종류의 뇌 신호(SSVEP, ERP, MI 등)를 수집하기 위해 각각의 패러다임마다 실험을 진행해야 한다. 둘째, 각 패러다임마다 각기 다른 뇌 신호 처리 과정을 거쳐 뇌 신호 특징 및 패턴을 추출해야 하는데, 이는 실용적이고 대중적인 BCI 본질적인 목적과는 차이가 있다.The existing BCI system has two limitations. First, experiments should be conducted for each paradigm to collect different kinds of brain signals (SSVEP, ERP, MI, etc.). Second, each paradigm needs different brain signal processes to extract brain signal features and patterns, which is different from the practical and popular BCI intrinsic purpose.

대한민국등록특허 제 10-1389015 호 (발명의 명칭 : 진폭 변조된 안정상태 시각유발전위 시각자극을 이용한 뇌파 분석시스템)Korean Patent No. 10-1389015 (entitled "Electroencephalogram Analysis System Using Amplitude Modulated Steady State Visual Induced Potential Visual Stimulation")

본 발명의 일 실시예는 다양한 패러다임을 하나의 패러다임으로 통합하고, 통합 패러다임을 통해 획득한 사용자의 뇌 신호에 대한 특징 추출 및 패턴 분류를 진행하는 통합 프레임워크를 제공함으로써 패러다임마다 각기 다른 뇌신호 처리 과정을 거칠 필요가 없는 대중적인 뇌-컴퓨터 인터페이스 기술을 제공할 수 있는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법을 제공하고자 한다.One embodiment of the present invention integrates various paradigms into one paradigm and provides an integrated framework for feature extraction and pattern classification of the user's brain signals acquired through an integrated paradigm, To provide a method of integrated signal processing based on a brain-computer interface system capable of providing a popular brain-computer interface technology that does not need to go through a process.

다만, 본 발명의 일 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.It is to be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법은, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface, BCI) 시스템에 의해 수행되는 통합 신호 처리 방법에 있어서, a) 사용자의 뇌 신호를 획득하기 위한 적어도 하나 이상의 패러다임을 통합하여 통합 패러다임을 구성하고, 상기 통합 패러다임을 통해 적어도 1종류 이상의 뇌 신호를 수집하는 단계; b) 상기 통합 패러다임으로부터 수집된 뇌 신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 수행하는 통합 프레임워크를 제공하는 단계; c) 상기 통합 패러다임으로부터 수집된 뇌 신호를 분석하여 시간 정보, 주파수 정보 및 공간 정보에 기초한 입력 정보를 생성하여 상기 통합 프레임워크에 제공하는 단계; 및 d) 상기 통합 프레임워크를 통해 학습된 정보를 기반으로 뇌 신호를 분류하여 사용자 의도를 인식하고, 상기 인식된 사용자 의도에 따라 외부 기기의 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것이다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method for processing an integrated signal based on a brain-computer interface system, the method comprising the steps of: generating a combined signal, which is performed by a brain-computer interface (BCI) A method comprising: a) constructing an integrated paradigm by incorporating at least one paradigm for acquiring a user's brain signal, and collecting at least one type of brain signal through the integrated paradigm; b) providing an integrated framework for performing feature extraction and pattern classification of brain signals collected from the integrated paradigm; c) analyzing brain signals collected from the integrated paradigm to generate input information based on time information, frequency information, and spatial information, and providing the input information to the integrated framework; And d) classifying the brain signal based on the information learned through the integration framework to recognize the user's intention and outputting a control signal of the external device according to the recognized user's intention.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 본 발명은 패러다임마다 각기 다른 뇌 신호 처리를 진행해야 하는 번거로움을 제거하고, 패러다임에 관계없이 뇌신호에 대한 특징 추출 및 패턴 분류를 진행할 수 있어 BCI 기술의 대중성을 크게 향상시킬 수 있다. According to the present invention, it is possible to eliminate the hassle of processing different brain signals for each paradigm and to perform feature extraction and pattern classification for brain signals regardless of the paradigm, Can be greatly improved.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법은, 신체 움직임이 불편한 장애인을 대상으로 한 재활 및 움직임 보조 기구에 활용되거나, 정상인을 대상으로 한 엔터테인먼트, 교육 등에 활용될 수 있다. The integrated signal processing method based on the brain-computer interface system according to an embodiment of the present invention can be applied to rehabilitation and motion aids for persons with disabilities who are inconvenienced by physical movements or to use for entertainment and education for normal persons .

도 1은 종래의 ERP, MI, SSVEP의 패러다임에서 뇌파 처리 과정을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 신호 처리를 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 2의 프로세서의 구성을 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 통합 신호 처리 방법을 설명하는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 프레임워크에 따른 특징 추출 및 패턴 분류 처리 과정을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 5의 통합 프레임워크에 적용되는 CNN 학습 모델을 설명하는 도면이다.
1 is a flowchart illustrating a process of processing an EEG in the conventional ERP, MI, and SSVEP paradigms.
2 is a diagram illustrating a configuration of a brain-computer interface system for integrated signal processing according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram illustrating the configuration of the processor of Fig.
4 is a flowchart illustrating an integrated signal processing method of a brain-computer interface system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view for explaining a feature extraction and pattern classification process according to an integrated framework according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view for explaining a CNN learning model applied to the integration framework of FIG. 5. FIG.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

명세서전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Throughout the specification, when a part is referred to as being "connected" to another part, it includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another part in between . Also, when an element is referred to as "including" an element, it is to be understood that the element may include other elements as well as other elements, And does not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, parts, or combinations thereof.

본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함하며, 하나의 유닛이 둘 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 둘 이상의 유닛이 하나의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.In this specification, the term " part " means a unit realized by hardware or software, a unit realized by using both, and one unit may be realized by using two or more hardware, The above units may be realized by one hardware.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 신호 처리를 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 구성을 설명하는 도면이다.2 is a diagram illustrating a configuration of a brain-computer interface system for integrated signal processing according to an embodiment of the present invention.

도 2를 참고하면, 통합 신호 처리를 위한 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템(100)은, 메모리(110), 프로세서(120) 및 데이터베이스(130)를 포함한다.Referring to FIG. 2, a brain-computer interface system 100 for integrated signal processing includes a memory 110, a processor 120, and a database 130.

메모리(110)는 다양한 패러다임을 하나로 통합하고, 각 패러다임마다 각기 다른 뇌 신호 처리 과정을 거치지 않고 패러다임의 종류에 상관없이 뇌신호 패턴 정보를 추출할 수 있는 통합 신호 처리 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된다. 또한, 프로세서(120)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행한다. 여기서, 메모리(110)는 휘발성 저장 매체(volatile storage media) 또는 비휘발성 저장 매체(non-volatile storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.The memory 110 integrates various paradigms into one, and a program for performing an integrated signal processing method capable of extracting brain signal pattern information irrespective of the type of paradigm without performing different brain signal processing processes for each paradigm is recorded do. In addition, the processor 120 performs a function of temporarily or permanently storing data to be processed. Herein, the memory 110 may include volatile storage media or non-volatile storage media, but the scope of the present invention is not limited thereto.

프로세서(120)는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 통합 신호 처리 방법을 제공하는 전체 과정을 제어한다. 프로세서(120)가 수행하는 각 단계에 대해서는 도 3 및 도 4를 참조하여 후술하기로 한다.The processor 120 controls the entire process of providing an integrated signal processing method of a brain-computer interface system. Each step performed by the processor 120 will be described later with reference to FIG. 3 and FIG.

여기서, 프로세서(120)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.Here, the processor 120 may include any kind of device capable of processing data, such as a processor. Herein, the term " processor " may refer to a data processing apparatus embedded in hardware, for example, having a circuit physically structured to perform a function represented by a code or an instruction contained in the program. As an example of the data processing apparatus built in hardware, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated circuit (ASIC) circuit, and a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present invention is not limited thereto.

데이터베이스(130)는 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템이 통합 신호 처리 방법을 수행하면서 누적되는 데이터가 저장된다. 특히, 데이터베이스(130)는 SSVEP, MI, ERP의 패러다임에서 획득한 뇌신호를 이용하여 CNN 학습 모델에 기반하여 학습된 특징 값을 저장하여 관리한다. The database 130 stores data accumulated while the brain-computer interface system performs the integrated signal processing method. In particular, the database 130 stores and manages the learned feature values based on the CNN learning model using brain signals acquired from the paradigms SSVEP, MI, and ERP.

한편, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템(100)은 상기한 구성 외에도 뇌 신호 수집이나 외부 기기의 제어 신호 출력을 위한 통신 인터페이스 수단, 통합 신호 처리에 대한 과정 및 결과를 출력하는 디스플레이 수단 등을 더 포함할 수 있다. In addition to the above configuration, the brain-computer interface system 100 may further include communication interface means for collecting brain signals or outputting control signals of external devices, a process for integrated signal processing, and a display means for outputting results have.

도 3은 도 2의 프로세서의 구성을 설명하는 블록도이다.3 is a block diagram illustrating the configuration of the processor of Fig.

도 3을 참고하면, 프로세서(120)는 패러다임 통합부(121), 통합 분석부(122), 신호 입력부(123) 및 제어부(124)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the processor 120 includes a paradigm integration unit 121, an integration analysis unit 122, a signal input unit 123, and a control unit 124.

패러다임 통합부(121)는 ERP, SSVEP, MI 등이 복수의 패러다임을 하나로 통합하여 통합 패러다임을 구성한다. 여기서, 패러다임은 뇌 신호를 획득하기 위한 실험 환경을 의미한다. The paradigm integrator 121 integrates a plurality of paradigms, such as ERP, SSVEP, and MI, into an integrated paradigm. Here, the paradigm means the experimental environment for acquiring the brain signal.

통합 분석부(122)는 통합 패러다임으로부터 수집된 뇌 신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 수행하는 통합 프레임워크를 제공함으로써 사용자의 뇌 신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 진행한다. 여기서, 통합 프레임워크는 특징 추출 및 패턴 분류 처리 과정을 동시에 처리해주는 방법을 의미한다. 즉, 통합 프레임워크는 각 패러다임마다 다른 신호 처리 과정을 거치는 것이 아니라, 패러다임의 종류에 상관없이 획득한 뇌 신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 기계 학습 방법 중 하나인 딥 러닝을 기반으로 구성한다. 이와 같은 딥 러닝의 가장 큰 장점은 뇌신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 사람이 직접 추출하는 것이 아니라 자동적으로 추출된다는 장점이 있다. The integration analyzer 122 performs feature extraction and pattern classification of the user's brain signal by providing an integrated framework for performing feature extraction and pattern classification of the brain signals collected from the integrated paradigm. Here, the integrated framework means a method of simultaneously performing the feature extraction and the pattern classification processing. In other words, the integrated framework constructs the feature extraction and pattern classification of acquired brain signals based on deep learning, which is one of the machine learning methods, instead of going through different signal processing processes for each paradigm, regardless of the type of paradigm. The most important advantage of such a deep run is that the feature extraction and pattern classification of the brain signal are automatically extracted rather than directly extracted by the human.

신호 입력부(123)는 패러다임 통합부(121)로부터 수신된 뇌 신호로부터 추출한 시간 정보, 주파수 정보 및 공간 정보에 기초한 입력 정보를 통합 분석부(122)에 전송한다. The signal input unit 123 transmits the input information based on the time information, the frequency information, and the spatial information extracted from the brain signal received from the paradigm integration unit 121 to the integration analysis unit 122.

제어부(124)는 입력 정보가 통합 프레임워크에 입력되면, 통합 프레임워크에서 뇌 신호에 기반하여 패턴 분류를 통해 사용자 의도를 인식하고, 이렇게 인식된 사용자 의도에 따라 외부 기기의 제어 신호를 출력한다. When the input information is input to the integrated framework, the control unit 124 recognizes the user intention through pattern classification based on the brain signal in the integrated framework, and outputs the control signal of the external device according to the user's intention thus recognized.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 통합 신호 처리 방법을 설명하는 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 통합 프레임워크에 따른 특징 추출 및 패턴 분류 처리 과정을 설명하는 도면이며, 도 6은 도 5의 통합 프레임워크에 적용되는 CNN 학습 모델을 설명하는 도면이다. FIG. 4 is a flowchart illustrating an integrated signal processing method of a brain-computer interface system according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 5 is a flowchart illustrating a feature extraction and pattern classification process according to an integrated framework according to an exemplary embodiment of the present invention FIG. 6 is a view for explaining a CNN learning model applied to the integrated framework of FIG. 5. FIG.

도 4 내지 도 6을 참고하면, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 ERP, SSVEP, MI 등의 서로 다른 패러다임을 하나의 통합된 패러다임으로 구성하여 통합 패러다임을 제공한다(S10).Referring to FIGS. 4 to 6, the brain-computer interface system provides an integrated paradigm by configuring different paradigms such as ERP, SSVEP, and MI as one integrated paradigm (S10).

뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 통합 패러다임에 기반하여 사용자의 뇌파를 획득하고(S20), 통합 프레임워크에서 패러다임의 종류에 상관없이 획득된 뇌 신호의 특징 추출과 패턴을 분류한다(S30). 도 5에 도시된 바와 같이, 통합 프레임워크는 사용자의 뇌파가 획득되면, 뇌신호 전처리, 특징 추출 및 분류기 생성의 과정을 거쳐 뇌신호의 패턴 분류 결과를 출력하고, 분류 결과를 통해 ERP, MI, SSVEP 중 어느 하나의 패러다임 알고리즘을 선택한다. The brain-computer interface system acquires the user's brain wave based on the integrated paradigm (S20), and classifies the extracted feature and pattern of the brain signal irrespective of the type of paradigm in the integrated framework (S30). As shown in FIG. 5, when the user's brain waves are acquired, the integration framework outputs pattern classification results of brain signals through processes of brain signal preprocessing, feature extraction, and classifier generation, And selects one of the paradigm algorithms of SSVEP.

이때, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 통합 패러다임으로부터 수신한 뇌 신호를 분석하여 시간 정보, 주파수 정보 및 공간 정보에 기초하여 입력 정보를 구성한 후 이 입력 정보를 통합 프레임워크에 전송한다. 즉, 신호 입력부(123)는 기설정된 전극 배치법에 따른 복수 개의 뇌파 채널 데이터를 이용하여 뇌신호를 수집하고, 수집된 뇌 신호를 0.5~40 Hz까지의 5차 버터워스(Butterworth) 주파수 필터링을 통해 노이즈를 제거한다. At this time, the brain-computer interface system analyzes the brain signals received from the integrated paradigm and constructs input information based on time information, frequency information, and spatial information, and then transmits the input information to the integrated framework. That is, the signal input unit 123 collects brain signals using a plurality of EEG channel data according to a predetermined electrode arrangement method, and performs a fifth-order Butterworth frequency filtering of the collected brain signals to 0.5 to 40 Hz Remove noise.

신호 입력부(123)는 적어도 하나 이상의 패러다임에서 뇌파 수행 태스크를 위한 시작 신호를 인지한 시점부터 기설정된 측정 시간(예를 들면 1초~3초) 동안의 뇌 신호(예를 들어, 2500ms)만을 선택적으로 추출하고, 추출된 뇌 신호를 시간 정보, 공간 정보 및 주파수 정보를 포함하는 3차원 텐서(Tensor) 형태의 입력 정보를 형성한다. 예를 들어, 입력 정보는 시간 정보(2500초) X 공간 정보(32채널) X주파수 정보(30)의 3차원 텐서로 정의될 수 있다. The signal input unit 123 selects only a brain signal (for example, 2500 ms) for a predetermined measurement time (for example, 1 second to 3 seconds) from a point of time when the start signal for the EEG task is recognized in at least one paradigm And forms a three-dimensional tensor-type input information including time information, spatial information, and frequency information of the extracted brain signal. For example, the input information may be defined as a three-dimensional tensor of time information (2500 seconds) X spatial information (32 channels) X frequency information (30).

한편, 전극의 배치는 10-20 국제 전극 배치법(10-20 International Nomenclature)에 따른 것으로, EEG(Electroencephalogram) 테스트 혹은 실험 시 두부에 배치되는 전극들의 배치 형상으로 국제적으로 잘 알려진 배치법이다. 10-20 배치법은 전극과 전극 하부의 두피 아래 위치하는 대뇌 피질의 관계에 근거한 것으로, 숫자 "10"과 "20"은 인접하는 전극들 간의 거리가 두부의 앞-뒤 혹은 좌-우 전체 거리를 기준으로 하였을 때 10% 또는 20%임을 의미하는 것으로, Fp-1/2, F-7/3/z/4/8, T-7/8, TP-9/10, CP-5/1/2/6, P-7/3/z/4/8, PO-9/10, 0-1/Z/2이 될 수 있다. On the other hand, the arrangement of the electrodes is according to 10-20 International Nomenclature (10-20 International Nomenclature), and is an international well-known arrangement method for arranging the electrodes placed on the head during EEG (Electroencephalogram) test or experiment. The 10-20 arrangement is based on the relationship between the electrodes and the underlying cortex below the electrode. The numbers "10" and "20" indicate that the distance between adjacent electrodes is the front-to-back or the left- 1/2, F-7/3 / z / 4/8, T-7/8, TP-9/10, CP-5/1/2, 2/6, P-7/3 / z / 4/8, PO-9/10, 0-1 / Z / 2.

뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 통합 프레임워크를 거쳐 학습된 정보를 기반으로 외부 기기를 제어할 수 있는 외부 기기의 제어 신호를 출력한다(S40).The brain-computer interface system outputs a control signal of an external device capable of controlling an external device based on the learned information via the integration framework (S40).

한편, 통합 프레임워크는 도 6에 도시된 바와 같이, CNN(Convolution Neural Network) 학습 모델을 이용하여 뇌신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 수행하는데, CNN 학습 모델은 컨벌루션 레이어(Convolution Layer)와 풀링(Pooling) 레이어를 반복적으로 스택(stack)을 쌓는 특징 추출(Feature Extraction) 부분과 완전 연결 레이어(Fully Connected Layer)를 구성하고, 마지막 출력층에 소프트맥스(Softmax)를 적용한 분류 부분으로 나뉠 수 있다.6, the integrated framework performs feature extraction and pattern classification of a brain signal using a CNN (Convolution Neural Network) learning model. The CNN learning model includes a convolution layer and a pooling Pooling It is possible to divide a feature extraction part (Fully Connected Layer) which repeatedly stacks a layer and a classification part which applies Softmax to the final output layer.

CNN 학습 모델은 뇌파 수행 태스크를 분류하기 위해 3차원 텐서 형태의 입력 정보를 각 주파수마다 저차원의 특징 벡터로 차원을 축소한다. In order to classify EEG tasks, the CNN learning model reduces the input information of the 3D tensor type into low dimensional feature vectors for each frequency.

CNN 학습 모델은 풀링 레이어에서 축소된 저차원의 특징 벡터에서 최대값을 산출하는 맥스 풀링 과정을 통해 피크 값을 추출하고, 모든 정보를 결합하는 섬 풀링(Sum Pooling) 과정을 통해 유의미한 특징을 추출한다. The CNN learning model extracts the peak value through the max pooling process that calculates the maximum value from the reduced low dimensional feature vector in the pooling layer and extracts the significant feature through the sum pooling process that combines all the information .

CNN 학습 모델은 최고 피크 값과 최저 피크 값을 가지는 주파수 값, 최고 섬 값과 최저 섬 값을 가지는 주파수 값을 각각 추출하고, 이렇게 추출된 각 주파수 값마다 특징 벡터의 기울기(Gradient)를 추적한 후 음의 기울기 또는 양의 기울기를 가지는 특징 벡터에 가중치를 부과하여 유의미한 특징 벡터를 추출한다. The CNN learning model extracts a frequency value having the highest peak value and the lowest peak value, a frequency value having the highest island value and the lowest island value, and tracks the gradient of the feature vector for each extracted frequency value Weights are applied to feature vectors with negative slopes or positive slopes to extract meaningful feature vectors.

CNN 학습 모델은 유의미한 특징 벡터를 회귀(Regression) 공간으로의 사영을 통해 특징 벡터의 순위(Rank)를 결정하고, 특징 벡터의 순위에서 최우선순위로 선택된 컨벌루션 특징 값과 사전에 학습된 정보를 비교하여 통합 패러다임 중 어느 하나의 패러다임을 선택한다. The CNN learning model determines the ranking of the feature vectors by projecting the significant feature vectors into the regression space and compares the convolution feature values selected with the highest priority in the ranking of the feature vectors to the previously learned information And selects one paradigm among the integrated paradigms.

이때, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 ERP, SSVEP, MI 등의 패러다임을 바탕으로 복수의 피험자의 뇌신호를 획득한 후 복수의 피험자의 뇌신호를 이용해 미리 CNN 학습 모델을 통해 복수의 피험자의 뇌신호에 대한 특징 패턴 정보를 추출하고, 추출된 복수의 피험자의 뇌신호에 대한 특징 패턴 정보를 각 패러다임을 분류할 수 있는 학습된 정보로 데이터베이스에 저장하여 관리한다. Based on the paradigm of ERP, SSVEP, and MI, the brain-computer interface system acquires the brain signals of a plurality of subjects, and uses the brain signals of a plurality of subjects to predict brain signals of a plurality of subjects through a CNN learning model And the feature pattern information on the brain signals of the plurality of extracted subjects is stored and managed in the database as learned information capable of classifying each paradigm.

또한, 통합 프레임워크는 컨벌루션 특징 값을 특징 공간상에 사영하고, 각 컨벌루션 특징들의 평균간 유클라디안 거리 관계를 기반으로 유사 특징 정보를 군집화하며, 군집화된 유사 특징 정보에 기반하여 완전 연결 레이어(fully-connected layer)에 학습을 진행하여 총 N개의 클래스 결과를 출력한 후 소프트맥스를 적용하여 뇌신호의 패턴을 분류한다. The integration framework also projects the convolution feature values on the feature space, clusters similar feature information based on the Euclidean distance relation between the mean of each convolution feature, fully-connected layer), outputting a total of N class results, and applying a soft max to classify the pattern of brain signals.

본 발명은 다양한 패러다임을 하나의 패러다임으로 통합하고, 패러다임마다 각기 다른 뇌신호 처리 과정을 거치는 것이 아니라 패러다임 종류에 관계없이 뇌신호의 특징을 추출하고 패턴을 부류할 수 있는 패러다임 독립적 기술을 제공할 수 있다. 예를 들면, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템은 사용자가 MI를 통해 사용 의지를 발현하면, 사용자에게 증강 현실 환경에서 여러 물체 대한 자극을 보여주고, ERP를 통해 사용자가 특정 물체를 선택하도록 하는 사용자 의도를 검출하며, SSVEP를 통해 사용자 의도에 따라 선택한 물체에 관한 빠른 상호 작용이 가능하도록 한다. The present invention can integrate various paradigms into one paradigm and provide a paradigm independent technology capable of extracting features of a brain signal and classifying patterns regardless of the type of paradigm, have. For example, the brain-computer interface system displays the stimulus for various objects in the augmented reality environment when the user expresses the intention to use through the MI, and detects the intention of the user to select the specific object through the ERP SSVEP enables quick interaction with the selected object according to the user's intention.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 통합 신호 처리 방법은 신체 움직임 불편한 장애인을 대상으로 한 재활 및 움직임 조조 기구나 정상인을 대상으로 한 엔터테인먼트, 교육 등 전반적인 BCI 시스템에 활용 가능하다. 또한, 본 발명은 스마트 홈을 위한 생체 신호 기반의 원격 사물 제어 등에 활용될 수 있어, 병원에서 중증 장애인들의 의사 소통을 위한 기술로서 적용되거나, 일반인들을 위한 기술로도 확장 될 수 있다. The integrated signal processing method of the brain-computer interface system according to an embodiment of the present invention can be applied to an overall BCI system such as rehabilitation and motion jamming apparatus for persons with physical disabilities, . In addition, the present invention can be applied to a remote object control based on a bio-signal for a smart home, and can be applied as a technology for communicating a severely disabled person in a hospital or as a technology for a general public.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템의 통합 신호 처리 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.The integrated signal processing method of the brain-computer interface system according to the embodiment of the present invention described above may be implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer such as a program module executed by a computer . Such a recording medium includes a computer-readable medium, which may be any available medium that can be accessed by a computer, and includes both volatile and non-volatile media, both removable and non-removable media. The computer-readable medium may also include computer storage media, which may be volatile and non-volatile, implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data , Both removable and non-removable media.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 조사 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만, 그것들의 구성 요소 또는 동작의 일부 또는 전부는 범용 하드웨어 아키텍쳐를 갖는 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수도 있다.Furthermore, while the methods and systems of the present invention have been described in terms of specific embodiments, some or all of those elements or operations may be implemented using a computer system having a general purpose hardware architecture.

본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.It is intended that the present invention covers the modifications and variations of this invention provided they come within the scope of the appended claims and their equivalents. .

100: 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템
110: 메모리
120: 프로세서
130: 데이터베이스
100: Brain-computer interface system
110: Memory
120: Processor
130: Database

Claims (8)

뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain Computer Interface, BCI) 시스템에 의해 수행되는 통합 신호 처리 방법에 있어서,
a) 사용자의 뇌 신호를 획득하기 위한 적어도 하나 이상의 패러다임을 통합하여 통합 패러다임을 구성하고, 상기 통합 패러다임을 통해 적어도 1종류 이상의 뇌 신호를 수집하는 단계;
b) 상기 통합 패러다임으로부터 수집된 뇌 신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 수행하는 통합 프레임워크를 제공하는 단계;
c) 상기 통합 패러다임으로부터 수집된 뇌 신호를 분석하여 시간 정보, 주파수 정보 및 공간 정보에 기초한 입력 정보를 생성하여 상기 통합 프레임워크에 제공하는 단계; 및
d) 상기 통합 프레임워크를 통해 학습된 정보를 기반으로 뇌 신호를 분류하여 사용자 의도를 인식하고, 상기 인식된 사용자 의도에 따라 외부 기기의 제어 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
In an integrated signal processing method performed by a Brain Computer Interface (BCI) system,
a) constructing an integrated paradigm by integrating at least one paradigm for acquiring a user's brain signal, and collecting at least one kind of brain signal through the integrated paradigm;
b) providing an integrated framework for performing feature extraction and pattern classification of brain signals collected from the integrated paradigm;
c) analyzing brain signals collected from the integrated paradigm to generate input information based on time information, frequency information, and spatial information, and providing the input information to the integrated framework; And
d) classifying brain signals based on the learned information through the integrated framework to recognize user intent and outputting a control signal of an external device according to the recognized user intention. Integrated signal processing method based on interface system.
제1항에 있어서,
상기 통합 패러다임은 사건 관련 전위(Event-Related Potential, ERP) 패러다임, 안정-상태 시각 유발 전위(Steady-State Visual Evoked Potential, SSVEP) 패러다임, 동작 상상(Motor Imagery, MI) 패러다임을 포함한 복수의 패러다임을 하나로 통합한 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 1,
The integrated paradigm includes multiple paradigms including the Event-Related Potential (ERP) paradigm, the Steady-State Visual Evoked Potential (SSVEP) paradigm, and the Motor Imagery Integrated signal processing method based on a brain-computer interface system.
제1항에 있어서,
상기 a) 단계는,
기설정된 전극 배치법에 따른 복수 개의 뇌파 채널 데이터를 이용하여 사용자의 뇌신호를 수집하는 단계; 및
상기 수집된 뇌 신호를 기설정된 주파수 범위를 가지는 버터워스(Butterworth) 주파수 필터링을 통해 노이즈를 제거하는 단계를 포함하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 1,
The step a)
Collecting a brain signal of a user using a plurality of EEG channel data according to a predetermined electrode arrangement method; And
And removing noise from the collected brain signals through Butterworth frequency filtering having a predetermined frequency range. The integrated signal processing method based on a brain-computer interface system.
제1항에 있어서,
상기 c) 단계는,
적어도 하나 이상의 패러다임에서 뇌파 수행 태스크를 위한 시작 신호를 인지한 시점부터 기설정된 측정 시간 동안의 뇌 신호만을 선택적으로 추출하고, 상기 추출된 뇌 신호를 시간 정보, 공간 정보 및 주파수 정보를 포함하는 3차원 텐서(Tensor) 형태의 입력 정보로 형성하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 1,
The step c)
The method includes the steps of: selectively extracting only a brain signal for a predetermined measurement time from a time point at which a start signal for an EEG task is recognized in at least one paradigm; and extracting the extracted brain signal from three- Wherein the input information is formed of input information in the form of a tensor.
제1항에 있어서,
상기 통합 프레임워크는 CNN(Convolution Neural Network) 학습 모델을 이용하여 뇌신호의 특징 추출 및 패턴 분류를 수행하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the integrated framework performs feature extraction and pattern classification of a brain signal using a CNN (Convolution Neural Network) learning model.
제5항에 있어서,
상기 통합 프레임워크는,
상기 입력 정보의 각 주파수 정보마다 컨벌루션(convolution) 연산을 수행하여 저차원의 특징 벡터를 출력하여 차원을 축소하는 단계;
상기 저차원의 특징 벡터에서 최대 값을 산출하는 맥스 풀링(max pooling) 과정을 통해 피크 값을 추출하고, 상기 저차원의 특징 벡터의 모든 정보를 결합하는 섬 풀링(sum pooling) 과정을 통해 유의미한 특징을 추출하는 단계;
상기 맥스 풀링 과정에서 최대 피크 값 또는 최소 피크 값을 가지는 주파수 값, 상기 섬 풀링 과정에서 최대 섬(sum) 값 또는 최소 섬(sum) 값을 가지는 주파수 값을 추출하고, 상기 추출된 주파수 값마다 특징 벡터의 기울기를 추적하는 단계;
음의 기울기 또는 양의 기울기를 가지는 특징 벡터에 가중치를 부과하여 유의미한 특징 벡터를 추출하는 단계; 및
상기 추출된 특징 벡터를 회귀 공간으로의 사영을 통해 특징 벡터의 순위(Rank)를 결정하고, 상기 특징 벡터의 순위에서 최우선순위로 선택된 컨벌루션 특징과 사전에 학습된 정보를 비교하여 통합 패러다임 중 어느 하나의 패러다임을 선택하는 단계를 포함하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
6. The method of claim 5,
The integrated framework includes:
Performing a convolution operation for each frequency information of the input information to output a low-dimensional feature vector to reduce the dimension;
Dimensional feature vector, a peak pool is extracted through a max pooling process for calculating a maximum value in the low-dimensional feature vector, and a sum pooling process for combining all the information of the low-dimensional feature vector ;
A frequency value having a maximum peak value or a minimum peak value in the max-pulling process, a frequency value having a maximum sum value or a minimum sum value in the island pulling process, Tracking the slope of the vector;
Extracting a significant feature vector by imposing a weight on a feature vector having a negative slope or a positive slope; And
Determining a ranking of the feature vectors through projection of the extracted feature vectors into a regression space, comparing the convolution feature selected as the highest priority in the ranking of the feature vectors with previously learned information, And selecting a paradigm of the brain-computer interface system.
제6항에 있어서,
상기 통합 프레임워크는,
상기 컨벌루션 특징을 특징 공간상에 사영하고, 각 컨벌루션 특징들의 평균간 유클라디안 거리 관계를 기반으로 유사 특징 정보를 군집화하는 단계; 및
상기 군집화된 유사 특징 정보에 기반하여 완전 연결 레이어(fully-connected layer)에 학습을 진행하여 총 N개의 클래스 결과를 출력한 후 분류기를 통해 분류하는 단계를 더 포함하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 6,
The integrated framework includes:
Projecting the convolution feature on a feature space and clustering similar feature information based on the Euclidean distance relation between the mean of each convolution feature; And
Further comprising the steps of: learning the fully-connected layer based on the clustered similar feature information, outputting a total of N class results, and classifying the result through a classifier; Based integrated signal processing method.
제6항에 있어서,
상기 특징 벡터의 순위에서 최우선순위로 선택된 컨벌루션 특징 값과 사전에 학습된 정보를 비교하여 통합 패러다임 중 어느 하나의 패러다임을 선택하는 단계는,
적어도 하나 이상의 패러다임을 통해 복수의 피험자의 뇌신호를 획득한 후 상기 획득된 복수의 피험자의 뇌신호를 상기 CNN 학습 모델에 기반하여 복수의 피험자의 뇌신호에 대한 특징 패턴 정보를 추출하는 단계; 및
상기 추출된 복수의 피험자의 뇌신호에 대한 특징 패턴 정보를 학습된 정보로 데이터베이스에 저장하여 관리하는 단계를 포함하는 것인, 뇌-컴퓨터 인터페이스 시스템 기반의 통합 신호 처리 방법.
The method according to claim 6,
Comparing the convolution feature value selected as the highest priority in the ranking of the feature vectors with the previously learned information to select any paradigm among the integrated paradigms,
Acquiring brain signals of a plurality of subjects through at least one paradigm and extracting brain signal of the plurality of subjects obtained from the plurality of subjects based on the CNN learning model; And
And storing characteristic pattern information on brain signals of the plurality of extracted subjects as learned information in a database and managing the integrated pattern processing information.
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