KR100883185B1 - System and Method for Detecting Abnormality of Biosignal using Neural Network with Weighted Fuzzy Membership Funtions - Google Patents
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Abstract
본 발명은 생체신호를 검출하고 검출된 생체신호의 이상데이터를 추출하는 생체신호의 이상데이터 추출 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 검출된 생체신호에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 정확히 추출하고 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성을 기 저장된 퍼지규칙과 비교하여 상기 검출된 생체신호로부터 생체신호의 이상데이터를 추출하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치는, 생체신호 검출 대상자의 생체신호를 검출하는 생체신호 검출부와, 상기 검출된 생체신호에 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 계수를 추출하는 웨이블릿 계수 추출부와, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 추출하는 퍼지특성 추출부와, 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터를 추출하는 이상데이터 추출부 및 상기 추출된 생체신호의 이상데이터를 누적하여 저장하는 이상데이터 저장부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
생체신호, 퍼지 신경망, 생체신호 이상 유무
The present invention relates to an apparatus and method for extracting abnormal data of a biological signal for detecting a biological signal and extracting abnormal data of the detected biological signal. More particularly, the present invention relates to a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm enhanced in a detected biological signal. It is to extract the fuzzy characteristics of the bio-signals accurately by applying the and to extract the abnormal data of the bio-signals from the detected bio-signals by comparing the fuzzy characteristics of the extracted bio-signals with the stored fuzzy rules.
An apparatus for extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm includes a biosignal detection unit detecting a biosignal of a biosignal detection target and a wavelet coefficient by performing wavelet transform on the detected biosignal A fuzzy characteristic extractor extracting a fuzzy characteristic of a biosignal by applying a wavelet coefficient extracting unit extracting a signal, a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm, and a fuzzy characteristic of the extracted biosignal And an abnormal data extracting unit for comparing the stored fuzzy rules to extract abnormal data of the biosignal and accumulating and storing the abnormal data of the extracted biosignal.
Abnormality of bio signal, fuzzy neural network, bio signal
Description
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치의 구성도,1 is a block diagram of an apparatus for extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an embodiment of the present invention;
도 2는 본 발명에 적용된 4레벨의 웨이블릿 변환을 나타내는 계층구조도,2 is a hierarchical diagram showing a four-level wavelet transform applied to the present invention;
도 3은 도 1에 도시된 생체신호의 퍼지특성을 추출하기 위한 퍼지특성 추출부의 상세 구성도,3 is a detailed configuration diagram of a fuzzy characteristic extraction unit for extracting a fuzzy characteristic of a biosignal shown in FIG. 1;
도 4는 본 발명에 따른 하이퍼박스 노드의 i번째 가중 퍼지 소속함수 집합을 나타내는 예시도,4 is an exemplary diagram illustrating an i th weighted fuzzy membership function set of a hyperbox node according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 하이퍼박스 노드의 소속함수와 가중치가 조정된 예를 나타내는 예시도,5 is an exemplary diagram illustrating an example in which a membership function and a weight of a hyperbox node according to the present invention are adjusted;
도 6은 본 발명에 따라 학습을 마친 가중 퍼지소속함수의 퍼지 특성을 통합한 일실시예를 나타내는 예시도,Figure 6 is an exemplary view showing an embodiment incorporating the fuzzy characteristics of the weighted fuzzy belonging function completed learning in accordance with the present invention,
도 7은 본 발명에 적용된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 수행하기 위한 신경망 구조도,7 is a neural network structure diagram for performing a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm applied to the present invention;
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 방법을 나타낸 흐름도이다. 8 is a flowchart illustrating a method of extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>
110 : 생체신호 검출부 120 : 웨이블릿 계수 추출부110: biosignal detection unit 120: wavelet coefficient extraction unit
130 : 퍼지특성 추출부 140 : 퍼지규칙 저장부130: fuzzy characteristic extraction unit 140: fuzzy rule storage unit
150 : 이상데이터 추출 160 : 이상데이터 저장부150: abnormal data extraction 160: abnormal data storage unit
170 : 이상데이터 디스플레이부 180 : 이상데이터 전송부170: abnormal data display unit 180: abnormal data transmission unit
본 발명은 생체신호를 검출하고 검출된 생체신호의 이상데이터를 추출하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생체신호를 검출하고 검출된 생체신호에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 정확히 추출하고 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터만을 추출하기 위한 것이다. The present invention relates to an apparatus and method for detecting a biosignal and extracting abnormal data of the detected biosignal, and more particularly, applying a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm to a biosignal and detecting the biosignal. By accurately extracting the fuzzy characteristics of the bio-signals and comparing the fuzzy characteristics of the extracted bio-signals with pre-stored fuzzy rules, only the abnormal data of the bio-signals are extracted.
일반적으로, 생체신호를 검출하거나 검출된 생체신호를 분석하기 위한 장치는 뇌파, 심전도, 안전도, 혈압, 유발전위 근전도 등 생체에서 발생하는 생리 신호를 측정하는 기기로서, 환자의 생체신호를 측정 및 저장하여 진료에 응용하는데 사 용된다. In general, a device for detecting a biosignal or analyzing a detected biosignal is a device for measuring a physiological signal generated in a living body such as an electroencephalogram, an electrocardiogram, safety, blood pressure, or an induced electromyography, and measures a biosignal of a patient. Stored and used for medical applications.
생체신호 검출 장치에 의해 검출되는 생체신호를 환자의 진료에 응용하기 위해서는 검출된 생체신호로부터 이상이 있는 생체신호(이상데이터)를 정확하게 추출하기 위한 알고리즘이 필요하고 검출되는 생체신호로부터 이상데이터만을 추출하기 위한 장치가 필요하다.In order to apply a biosignal detected by a biosignal detection apparatus to a patient's care, an algorithm for accurately extracting a biosignal (abnormal data) from the detected biosignal is required. Only the abnormal data is extracted from the detected biosignal. A device is needed to do this.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 생체신호를 검출하고 검출된 생체신호에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 정확히 추출하고 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터만을 추출하여 저장하기 위한 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been made in accordance with the above-described requirements, and an object of the present invention is to accurately extract the fuzzy characteristics of a biosignal by detecting a biosignal and applying a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm to the detected biosignal. An apparatus and method for extracting abnormal data of a biological signal using a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm for extracting and storing only abnormal data of a biological signal by comparing the fuzzy characteristics of the extracted biological signal with previously stored fuzzy rules are provided.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치는, 생체신호 검출 대상자의 생체신호를 검출하는 생체신호 검출부와, 상기 검출된 생체신호에 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 계수를 추출하는 웨이블릿 계수 추출부와, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용 하여 생체신호의 퍼지특성을 추출하는 퍼지특성 추출부와, 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터를 추출하는 이상데이터 추출부 및 상기 추출된 생체신호의 이상데이터를 누적하여 저장하는 생체신호의 이상데이터 저장부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.An apparatus for extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes a biosignal detection unit for detecting a biosignal of a biosignal detection subject, and the detected signal. A wavelet coefficient extracting unit extracting wavelet coefficients by performing wavelet transform on a biosignal, a fuzzy feature extracting unit extracting fuzzy characteristics of a biosignal by applying a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm to the extracted wavelet coefficients; And an abnormal data extracting unit for extracting abnormal data of the biological signal by comparing the fuzzy characteristics of the extracted biosignal with a pre-stored fuzzy rule and an abnormal data storing unit for accumulating and storing abnormal data of the extracted biosignal. Characterized in that made.
또한 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상 유무 판단 방법은 생체신호 검출 대상자의 생체신호를 검출하는 생체신호 검출 단계와, 상기 검출된 생체신호에 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 계수를 추출하는 웨이블릿 계수 추출 단계와, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 추출하는 퍼지특성 추출 단계와, 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터를 추출하는 생체신호의 이상데이터 추출 단계 및 상기 검출된 생체신호의 이상데이터를 누적하여 저장하는 생체신호의 이상데이터 저장단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In addition, a method for determining an abnormality of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an embodiment of the present invention includes detecting a biosignal of a biosignal detection subject, and performing wavelet transform on the detected biosignal. Performing a wavelet coefficient extraction step of extracting wavelet coefficients, a fuzzy characteristic extraction step of extracting fuzzy characteristics of a biosignal by applying a weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm to the extracted wavelet coefficients, and extracting the extracted biosignal And extracting abnormal data of the biosignal by comparing the fuzzy characteristics of the biosignal and the previously stored fuzzy rules, and storing the abnormal data of the biosignal by accumulating and storing the abnormal data of the detected biosignal. It features.
상술한 본 발명의 내용은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. The above-described contents of the present invention will become more apparent through the following detailed description with reference to the accompanying drawings, and thus, those skilled in the art to which the present invention pertains may easily implement the technical idea of the present invention. will be. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of an apparatus for extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 생체신호의 이상데이터 추출장치는 생체신호 검출 대상자의 생체신호를 검출하는 생체신호 검출부(110)와, 상기 검출된 생체신호에 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 계수를 추출하는 웨이블릿 계수 추출부(120)와, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 후술하는 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 추출하는 퍼지특성 추출부(130)와, 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 퍼지규칙 저장부(140)에 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터를 추출하는 이상데이터 추출부(150) 및 상기 추출된 생체신호의 이상데이터를 누적하여 저장하는 이상데이터 저장부(160)로 이루어진다. Referring to FIG. 1, the apparatus for extracting abnormal data of a biosignal may include a
상기 생체신호 검출부(110)는 생체신호 검출 대상자의 심전도를 측정하기 위한 홀터로 구성될 수 있으며, 뇌파, 혈압, 안전도, 근전도 등을 검출한다. 상기 생체신호 검출부(110)는 공지의 일반적인 생체신호 검출장치로 구성된다. The
상기 웨이블릿 계수 추출부(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 레벨로 구분된 웨이블릿 변환을 이용하여 레벨 3과 4에 대한 주파수 대역에서의 웨이블릿 계수로 구성된 특징들을 사용한다. 레벨 1과 2에 대한 주파수 대역에서의 웨이블릿 계수들은 레벨 3과 4에 비해 특징적인 면이 적을 뿐 아니라 잡음을 포함하고 있 어 사용되지 않는다. As shown in FIG. 2, the
상기 웨이블릿 변환(Wavelet Transform)은 시간-주파수 영역에서의 동시 분석이 가능한 신호처리 방법으로서, 상기 웨이블릿 변환에 의해 추출된 웨이블릿 계수(Wavelet Coefficient)는 웨이블릿 모함수(Mother Wavelet)에 대한 유사도를 나타낸다. 또한, 상기 웨이블릿 변환은 스케일 함수와 모함수를 입력신호와 곱하여 저대역필터(a low-pass filter)와 고대역필터(a high-pass filter)로 분할하게 된다. The wavelet transform is a signal processing method capable of simultaneous analysis in the time-frequency domain, and the wavelet coefficient extracted by the wavelet transform indicates a similarity with respect to the mother wavelet. In addition, the wavelet transform multiplies a scale function and a mother function by an input signal and divides the low-pass filter and the high-pass filter.
상기 퍼지특성 추출부(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 대한 n개의 퍼지집합을 갖는 하이퍼박스 노드를 생성하고 강화된 하이퍼박스 노드 출력식에 의해 상기 하이퍼박스 노드에 속한 소속함수를 구하는 소속함수 계산부와(131)와, 후술하는 학습 알고리즘에 의해 상기 하이퍼박스 노드의 소속함수와 그 가중치를 조정하여 새로운 정점 및 가중치를 갖는 소속함수를 구하는 정점 및 가중치 조정부(133) 및 상기 새로운 정점 및 가중치를 갖는 소속함수의 퍼지 특성을 통합하는 퍼지특성 통합부(135)로 이루어진다. 상기 퍼지특성 추출부(130)는 후술하는 가중퍼지 소속함수 기반 신경망 구조로 이루어지며, 상기 소속함수 계산부(131)와, 상기 정점 및 가중치 조정부(133) 및 퍼지특성 통합부(135)는 실질적으로 후술하는 가중퍼지 소속함수 기반 신경망 구조의 하이퍼박스 계층을 구성한다.As shown in FIG. 3, the fuzzy
상기 소속함수 계산부(131)는 하이퍼박스 노드에 속한 소속함수의 계산을 수 행하는 것으로서, Random(Bl) 연산에 의해 n개의 퍼지집합을 갖는 하이퍼박스 노드를 생성한다. 상기 Random(Bl) 연산은 하이퍼박스 Bl을 생성하기 위한 것으로서, 0.45~0.55 범위의 임의 가중치를 가진 함수이며 n(입력 수)개의 소속함수를 가진다. 임의의 중심점 vi는 아래와 같은 범위 내이어야 한다.The membership
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, v0 와 v4는 고정된 값이며, 연결 가중치 wli는 0으로 설정되어 있다. On the other hand, as shown in Figure 4, v 0 and v 4 is a fixed value, the connection weight w li is set to zero.
상기 wli는 하이퍼박스 노드 Bl 과 클래스 노드 Ci 사이의 연결 가중치를 나타내며, 하이퍼박스 노드 Bl과 클래스 노드 Ci 사이가 연결되지 않은 상태에서는 초기값 0으로 설정되나, 하이퍼박스 노드 Bl과 클래스 노드 Ci가 연결되면 wli는 1로 설정된다. 여기서, Ci는 하이퍼박스 노드로부터 하나 이상의 연결을 가질 수 있는 반면 Bl은 클래스 노드에 하나만의 연결을 가지도록 제한되어 있다. The w li is hyperbox node B l and class node C i represents the connection weight between, in the state between the hyperbox node B l and class node C i that are not connected, but set to an
상기 vi는 소속함수의 중심점을 나타내며, v1ㆍv2ㆍv3는 도 4에 도시된 바와 같이 대, 중, 소의 소속함수의 중심점을 각각 나타낸다. 이러한 중심점들은 학습 수행 중에 조정되며 중심점 v0와 v4는 고정된 값이다. 입력데이터 는 도 4에 도시된 바와 같이, vmin ~ vmax 의 범위 내로 가정한다.The v i represents the center point of the membership function, and v 1 ㆍ v 2 · v 3 represents the center points of the large, medium, and small membership functions, respectively, as shown in FIG. 4. These center points are adjusted during the learning process and center points v 0 and v 4 are fixed values. Input data Is assumed to be in the range of vmin to vmax, as shown in FIG.
상기 하이퍼박스 노드에 속한 소속함수들의 평균값은 Output(Bl) 연산에 의해 계산된다. 하이퍼박스 Bl에 n개의 특징을 갖는 h번째 입력 Ah = (a1, a2, ...., an)에 의하여 Bl의 출력(클래스 노드 분류를 위한 값, 소속함수들의 평균값)은 일반적으로, 하기 수학식 <1>과 같이 정의된다.The average value of the membership functions belonging to the hyperbox node is calculated by an Output (B 1 ) operation. With the nth input Ah = (a 1 , a 2 , ...., a n ) with n features in hyperbox B l , the output of B l (value for class node classification, mean value of membership functions) is In general, the following equation is defined as: < 1 >
수학식 <1>Equation <1>
상기 Output(Bl) 값을 얻기 위해 수행하는 추론 메카니즘은 Takagi & Sugeno 모델[T.Takagi and M. Sugeno, "Fuzzy Identification of Systems and Its Application to Modeling and Control," IEEE Trans., Syst., Man, Cyben., Vol.15, pp.116-132, 1985.]을 이용할 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서는 추론 성능을 강화하기 위하여 의 출력 값을 하기 수학식 <2>(강화된 하이퍼박스 노드 출력식)과 같이 정의한다.The reasoning mechanism performed to obtain the Output (B l ) value is described in Takagi & Sugeno model [T. Takagi and M. Sugeno, "Fuzzy Identification of Systems and Its Application to Modeling and Control," IEEE Trans., Syst., Man. , Cyben., Vol. 15, pp. 116-132, 1985. In the embodiment according to the present invention in order to enhance the inference performance The output value of is defined as in Equation <2> (Enhanced Hyperbox Node Output Expression).
수학식 <2> Equation <2>
상기 μj는 하이퍼박스 노드 의 i번째 집합의 소속함수이며, j=1, 2, 3 은 각각 대, 중, 소를 나타낸다. 각 소속함수 의 모양은 3개의 정점(vj-1, vj, vj+1)을 가지는 삼각형으로 되어 있는데 학습에 의한 소속함수의 강도(strength)를 나타내는 소속함수 가중치 Wj(0 ≤ Wj ≤ 1 , 초기값 0.45 ≤ Wj ≤ 0.55)를 갖는다. Μ j is the hyperbox node The membership function of the i th set of, where j = 1, 2, and 3 represent large, medium, and small, respectively. Each member function The shape of is a triangle with three vertices (vj-1, vj, vj + 1). The weight of the membership function representing the strength of the membership function by learning W j (0 ≤ W j ≤ 1, initial value) 0.45 ≦ W j ≦ 0.55).
도 4에서 가중 퍼지소속함수인 음영 부분의 삼각형은 vj-1, Wj, vj+1로 도시된다.In FIG. 4, the triangle of the shaded portion, which is a weighted fuzzy function, is shown by v j-1 , W j , and v j + 1 .
그리고, 상기 Len(μj)는 μj를 측정하기 위한 길이를 나타내며 하기 수학식 <3>과 같이 정의된다. In addition, Len (μ j ) represents a length for measuring μ j and is defined as in Equation <3>.
수학식 <3>Equation <3>
상기 강화된 하이퍼 박스 노드 출력식은 Len(μj)이 적을수록 보다 많은 집합 정보를 가진다는 원리에 기초를 둔다. The enhanced hyper box node equation is based on the principle that less Len (μ j ) has more aggregate information.
상기 정점 및 가중치 조정부(132)는 Adjust(Bj) 연산을 사용한다. 입력 ai를 갖는 i번째 소속함수와 vi와 Wj의 소속함수는 μj(ai)값에 의하여 조정된다(j=1,2,3). 상기 Adjust(Bj) 연산 결과 새로운 정점 new(vj)와 새로운 가중치 new(Wj)가 하기 수학식 <4>,<5>와 같이 설정된다.(여기서, α와 β는 0~1사이의 학습율 범위이고 변수는 와 입력 간의 차이를 나타낸다. 만일 Ej가 인접 Ejㅁ 1보다 크면 적은 것이 선택된다.)The vertex and weight adjusting unit 132 uses an Adjust (B j ) operation. The i th membership function with the input a i and the membership functions of v i and W j are adjusted by the value of μ j (a i ) (j = 1,2,3). As a result of the Adjust (B j ) operation, a new vertex new (v j ) and a new weight new (W j ) are set as in Equations <4> and <5>, where α and β are between 0 and 1. Is the learning rate range of And input Indicates a difference. If E j is greater than neighboring E j ㅁ 1 , less is chosen.)
수학식 <4>Equation (4)
수학식 <5>Equation <5>
보다 상세한 Adjust(Bj) 연산과정은 후술하는 학습 알고리즘에 따라 수행된다. More detailed Adjust (B j ) calculation process is performed according to a learning algorithm described later.
도 5는 입력 ai와 Bl의 i번째 집합의 가중 퍼지소속함수를 위한 Adjust(Bj) 연산 전후의 예를 나타낸다.5 shows examples before and after Adjust (B j ) calculation for the weighted fuzzy-proportional function of the i-th set of inputs a i and B l .
상기 학습 알고리즘은 학습 프로시저 함수인 Learning(,) 프로시저(procedure)를 이용하여 정점 및 가중치의 위치를 조정하고 하이퍼박스 노드를 클래스 노드에 연결한다. 강화된 가중퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘 및 학습 알고리즘의 일예는 <표 1> 과 같다. The learning algorithm is Learning () which is a learning procedure function. , Use procedures to adjust vertex and weight positions and connect hyperbox nodes to class nodes. An example of the enhanced weighted fuzzy membership function based neural network algorithm and learning algorithm is shown in Table 1.
<표 1>TABLE 1
상기 소속함수의 퍼지특성을 통합하는 퍼지특성 통합부(133)는 μb i(x) 연산에 의해 새로운 정점 및 가중치를 갖는 소속함수의 퍼지특성을 통합한다. Fuzzy
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 μb i(x) 연산에 의한 소속함수의 퍼지 특성 통합은 굵은선으로 로 표시된 가중 퍼지 소속함수의 경계합(bounded sum)(BSWFM)이며, 하기 수학식 <6>와 같이 정의된다. As shown in FIG. 6, the fuzzy characteristic integration of the membership function by the μ b i (x) operation is a bounded sum (BSWFM) of the weighted fuzzy membership function, denoted by a bold line, 6>.
수학식 (6)Equation (6)
상기한 과정에 의해 학습을 거친 3개의 가중퍼지 소속함수의 퍼지 특성을 상기 수학식 <6>에 의해 통합한다. 상기 수학식 <6>에 의해 통합된 소속함수의 퍼지 특성이 최종적으로 상기 이상데이터 추출부(150)로 입력되는 생체신호의 퍼지특성이다.The fuzzy characteristics of the three weighted fuzzy membership functions that have been learned by the above process are integrated by the above equation. The fuzzy characteristic of the membership function integrated by the above equation is the fuzzy characteristic of the biosignal finally input to the abnormal
상기 퍼지규칙 저장부(140)는 생체신호의 정상 및 이상신호 샘플에 대하여 본 발명의 강화된 가중퍼지 소속함수 알고리즘에 의해 추출된 퍼지규칙을 저장하고 있다. The fuzzy
상기 이상데이터 추출부(150)는 상기 퍼지특성 추출부(130)에 의해 추출된 생체신호의 퍼지특성을 상기 퍼지규칙 저장부(140)에 기 저장된 퍼지규칙 중 생체신호의 이상데이터에 대한 퍼지규칙과 비교하고, 유사한 경우 상기 퍼지특성 추출부(130)에 의해 추출된 생체신호의 퍼지특성 및 이에 대응하는 생체신호 파형을 추출하여 상기 이상데이터 저장부(160)에 누적하여 저장한다.The abnormal
상기 이상데이터 저장부(160)는 생체신호의 이상 데이터 및 그 주변 데이터를 피검자 및 생체신호별로 분리하여 저장한다. 상기 주변 데이터는 상기 이상데이터 추출부(140)가 추출시작 후 20초에서 생체신호의 이상데이터를 추출한 경우 예를들어 17초 ~ 23 초 사이에 상기 이상데이터 추출부(140)로 입력된 생체신호의 퍼지특성 및 이에 대응하는 생체신호 파형을 의미한다. The abnormal
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 생체신호의 이상데이터 추출 장치는 상기 이상데이터 저장부(160)에 저장된 생체신호의 이상데이터를 피검자 및 생체신호별로 분리하여 디스플레이하기 위한 이상데이터 디스플레이부(170) 및 생체신호의 이상데이터를 무선 또는 유선 통신망을 위해 원격지로 전송하기 위한 이상데이터 전송부(180)를 더 포함한다.In addition, as shown in Figure 1, the abnormal data extraction apparatus of the biological signal according to the present invention is abnormal data for separating and displaying the abnormal data of the biological signal stored in the abnormal
도 7은 본 발명에 적용된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 수행하기 위한 신경망 구조도이다.7 is a neural network structure diagram for performing a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm applied to the present invention.
도 7을 참조하면, 가중 퍼지 소속함수 기반의 신경망 구조는 웨이블릿 계수를 입력하는 입력계층(310), 상기 입력계층(320)으로 입력된 웨이블릿 계수에 대한 퍼지특성을 상기한 수학식 (1) 내지 수학식 (6) 및 학습알고리즘에 의해 추출하기 위한 하이퍼박스 계층(320), 상기 하이퍼박스 계층(320)에 의해 추출된 퍼지 특성을 분류하는 클래스 계층(330)으로 이루어져 있다. Referring to FIG. 7, the neural network structure based on the weighted fuzzy membership function may include the following equations (1) to fuzzy characteristics of wavelet coefficients input to the
상기 입력계층(310)은 n개의 입력노드로 구성되며 각 노드로 n개의 특징 패턴을 입력하게 된다. The
상기 하이퍼박스 계층(320)은 상기 입력계층(310)의 n개의 입력노드가 각각 연결되는 m개의 하이퍼박스 노드로 구성된다. 여기서 각각의 하이퍼박스 노드 은 단 하나의 클래스 노드에 연결되며 n개의 입력 노드를 위한 n개의 퍼지 집합을 갖는다. 의 i번째 퍼지집합은 로 표시되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 3개의 가중 소속함수를 갖는다. The
상기 출력계층(330)은 상기 하이퍼박스 계층(320)에 의해 추출되는 퍼지특성을 분류하기 위한 p개의 클래스 노드로 구성된다. 각각의 클래스 노드는 하나 또는 하나 이상의 하이퍼박스 노드에 연결되어 있다. 도 8에 도시된 가중 퍼지 소속함수 기반의 신경망 구조에서 h번째 입력패턴은 Ih = {Ah = (a1, a2, ...., an), class}이며, 여기서 class는 진단 결과이고 Ah는 상이한 n개 특징에 대한 패턴데이 터를 의미한다. 또한 정의되지 않는 미상의 특징에 대해서는 널(Null)로 표기된다.The
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 방법을 나타낸 흐름도이다.8 is a flowchart illustrating a method of extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상 유무 판단 방법은, 생체신호 검출 대상자의 생체신호를 검출하는 생체신호 검출 단계(S910)와, 상기 검출된 생체신호에 웨이블릿 변환을 수행하여 웨이블릿 계수를 추출하는 웨이블릿 계수 추출 단계(S920)와, 상기 추출된 웨이블릿 계수에 상기 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 적용하여 생체신호의 퍼지특성을 추출하는 퍼지특성 추출 단계(S930)와, 상기 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 퍼지규칙을 비교하여 생체신호의 이상데이터를 추출하는 이상데이터 추출 단계(S940) 및 상기 추출된 이상데이터를 누적 저장하는 이상데이터 저장단계(S950)로 이루어진다.As shown in FIG. 8, the method for determining an abnormality of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to an embodiment of the present invention may include detecting a biosignal of a biosignal detection subject (S910). And a wavelet coefficient extraction step (S920) of performing wavelet transform on the detected biosignal to extract the wavelet coefficients, and applying the enhanced weighted fuzzy membership function based neural network algorithm to the extracted wavelet coefficients to purge the biosignals. A fuzzy characteristic extraction step (S930) of extracting a characteristic, an abnormal data extraction step (S940) of extracting abnormal data of a biosignal by comparing a fuzzy characteristic of the extracted biosignal and a pre-stored fuzzy rule, and the extracted abnormal data An abnormal data storage step (S950) of accumulating and storing the data is performed.
상기 생체신호 검출 단계(S910)는 상기 생체신호 검출부(110)에 의해 피검자의 심전도, 뇌파, 혈압, 안전도, 근전도 등의 생체신호를 검출하는 단계이다.The biosignal detection step (S910) is a step of detecting a biosignal such as an electrocardiogram, an EEG, a blood pressure, a safety degree, an electromyogram, and the like by the
상기 웨이블릿 계수 추출단계(S920)는 상기 생체신호 검출 단계(S910)에서 검출된 생체신호를 웨이블릿 변환을 수행하여 신경망 구조의 입력계층으로 입력하기 위한 웨이블릿 계수를 추출하는 단계이다. 상기한 바와 같이, 본 발명에서는 4개의 레벨로 구분된 웨이블릿 변환을 이용하여 레벨 3과 4에 대한 주파수 대역에서의 웨이블릿 계수로 구성된 특징들을 사용한다.The wavelet coefficient extraction step S920 is a step of extracting wavelet coefficients for inputting the biosignals detected in the biosignal detection step S910 into the input layer of the neural network structure by performing wavelet transform. As described above, the present invention uses features consisting of wavelet coefficients in the frequency bands for
상기 퍼지특성 추출단계(S930)는 상기 웨이블릿 계수 추출단계(S920)에서 추출된 웨이블릿 계수에 대한 n개의 퍼지집합을 갖는 하이퍼박스 노드를 상기 Random(Bl)연산에 의해 생성하고 상기 수학식 <2> 의해 상기 하이퍼박스 노드에 속한 소속함수를 구하는 소속함수 계산단계와, 상기 하이퍼박스 노드의 소속함수와 그 가중치를 상기 수학식 <4>와 수학식 <5> 및 학습 알고리즘에 의해 조정하여 새로운 정점 및 가중치를 갖는 소속함수를 구하는 정점 및 가중치 조정 단계 및 상기 새로운 정점 및 가중치를 갖는 소속함수의 퍼지 특성을 상기 수학식 <6>에 의해 통합하는 퍼지특성 통합단계로 이루어진다. The fuzzy characteristic extraction step (S930) generates a hyperbox node having n fuzzy sets for the wavelet coefficients extracted in the wavelet coefficient extraction step (S920) by the Random (B 1 ) operation and the equation <2. A function of calculating a belonging function belonging to the hyperbox node by < RTI ID = 0.0 > and < / RTI > a new vertex by adjusting the belonging function of the hyperbox node and its weight by the equations < 4 > And a vertex and weight adjustment step of obtaining a membership function having a weight, and a fuzzy characteristic integration step of integrating the fuzzy characteristics of the membership function having the new vertex and weight by the above equation.
상기 생체신호 검출 단계(S910) ~ 퍼지특성 추출단계(S930)를 수행하여 추출된 퍼지규칙은 2개의 웨이블릿 계수로부터 생성된 2개의 퍼지규칙만을 사용하기 때문에 모바일 환경 및 임베디드 시스템에서의 구현이 간단하다. 또한 상기 강화된 가중퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘은 입력패턴의 특징이 집중된 소속함수를 증폭하고 특징이 분산된 소속함수를 약화시키기 때문에 인식률이 높은 특성이 있다. The fuzzy rule extracted by performing the biosignal detection step (S910) through the fuzzy characteristic extraction step (S930) uses only two fuzzy rules generated from two wavelet coefficients, thereby simplifying implementation in a mobile environment and an embedded system. . In addition, the enhanced weighted fuzzy membership function-based neural network algorithm has a high recognition rate because it amplifies the membership function where the features of the input pattern are concentrated and weakens the membership function where the features are distributed.
따라서 본 발명에 따른 생체신호의 이상데이터 추출장치 및 방법은 구현이 간단하고 생체신호의 이상 유무 판단 능력이 우수한 특징을 갖는다. Accordingly, the apparatus and method for extracting abnormality data of a biosignal according to the present invention have a feature that is simple to implement and has an excellent ability to determine whether an abnormality of a biosignal is present.
상기 생체신호의 이상데이터 추출단계(S940)는 상기 퍼지특성 추출단계(S930)에서 추출된 생체신호의 퍼지특성과 기 저장된 이상데이터에 대한 퍼지규칙을 비교하여 양자가 유사한 경우에는 추출된 생체신호의 퍼지특성을 이상데이터 로 판단한다. 상기 기 저장된 퍼지규칙은 정상 및 이상신호 샘플에 대하여 상기생체신호 검출 단계(S910) ~ 퍼지특성 추출단계(S930)를 수행하여 추출된 퍼지규칙을 의미한다. 정상 및 이상신호 샘플은 심전도 신호의 경우에는 MIT/BIH 부정맥 데이터베이스로부터 정상과 조기심실수축(이상신호)의 2가지 파형을 얻을 수 있다.The abnormal data extraction step (S940) of the biosignal compares a fuzzy characteristic of the biosignal extracted in the fuzzy characteristic extraction step (S930) and a fuzzy rule for previously stored abnormal data, and when the biosignals are similar, The fuzzy characteristic is judged as abnormal data. The pre-stored fuzzy rule refers to a fuzzy rule extracted by performing the biosignal detection step S910 to the fuzzy characteristic extraction step S930 on normal and abnormal signal samples. Normal and abnormal samples can be obtained from the MIT / BIH arrhythmia database in the case of ECG signals.
상기 이상데이터 저장단계(S950)는 생체신호의 이상데이터 추출단계(S940)에서 추출된 생체신호의 이상 데이터 및 그 주변 데이터를 피검자 및 생체신호별로 구분하여 저장한다.The abnormal data storage step (S950) stores the abnormal data of the biological signal extracted from the abnormal data extraction step (S940) of the biological signal and its surrounding data for each subject and the biological signal.
본발명에 따른 생체신호의 이상데이터 추출장치 및 방법은 상기한 바와 같이, 상기 강화된 가중퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘에 의해 정확한 생체신호의 퍼지특성을 추출할 수 있으며, 생체신호 검출장치로부터 검출되는 생체신호 중에서 이상이 있는 생체신호에 대한 퍼지특성만을 추출하여 저장하기 때문에 모든 생체신호를 저장하는 경우에 비하여 데이터 관리 및 데이터 저장용량면에서 효율적이다. The apparatus and method for extracting abnormal data of a biosignal according to the present invention can extract the exact fuzzy characteristics of a biosignal by using the enhanced weighted purge belonging function based neural network algorithm, and is detected from the biosignal detection apparatus. Since only the fuzzy characteristics of the abnormal biological signals are extracted from the biological signals and stored, they are more efficient in terms of data management and data storage capacity than in the case of storing all biological signals.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As described above, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are all illustrative and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as being included in the scope of the present invention all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later rather than the detailed description and equivalent concepts thereof.
본 발명에 따른 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘을 이용한 생체신호의 이상데이터 추출 장치 및 그 방법은 강화된 가중 퍼지 소속함수 기반 신경망 알고리즘에 의해 생체신호의 이상데이터를 정확히 추출하고 검출된 생체신호 중 이상데이터 만을 자동으로 분리하여 저장할 수 있는 효과가 있다. An apparatus and method for extracting abnormal data of a biosignal using a weighted fuzzy membership function based neural network algorithm according to the present invention accurately extract abnormal data of a biosignal by an enhanced weighted fuzzy membership function based neural network algorithm and perform abnormality among detected biosignals. Only data can be automatically separated and saved.
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