Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

آشکارسازی تشنج نوزادان در الکتروانسفالوگرام به‌وسیلۀ تبدیل هم‌گام‌ساز فوریۀ وفقی انتقال‌یافته در زمان و برخوردار از طول پنجرۀ بهینه

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

دانشکدۀ مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

چکیده
بعضی آسیب‌ها به قشر مخ نوزادان با آشکارسازی تشنج در الکتروانسفالوگرام در واحد مراقبت ویژه از نوزادان تشخیص داده می‌شود. باتوجه‌به طبیعت غیرایستا و چندمؤلفه‌ای الکتروانسفالوگرام و نداشتن علایم بالینی تشنج در اغلب نوزادان، تفسیر این سیگنال، پیچیده، زمان‌بر و نیازمند کارمندان متخصص است. بنابراین، توسعۀ روش‌های تشخیص خودکار تشنج‌های نوزادان ضروری است. پژوهش‌ها نشان داده‌اند که روش‌های زمان-فرکانس بهتر از روش‌های زمانی و روش‌های فرکانسی تشنج نوزادان را آشکارسازی می‌کنند و نتایج حاصل از اعمال تبدیل‌های زمان-فرکانس وفقی بهتر از سایر تبدیل‌های زمان-فرکانس است. در میان تبدیل‌های زمان-فرکانس وفقی، تبدیل فوریۀ هم‌گام‌ساز وفقی (AFSST) نتایج موفق‌تری به‌ارمغان آورده است. این تبدیل فقط انتقال فرکانسی دارد. بنابراین، بیشتر برای بازنمایی مؤلفه‌های دارای تغییرات آرام مناسب است. درمقابل، تبدیل فوریۀ هم‌گام‌ساز انتقال‌یافته در زمان، بیشتر برای بازنمایی مؤلفه‌های دارای تغییرات سریع مطلوب است. ازنظر سرعت تغییرات فرکانسی، تشنج نوزاد مؤلفه‌های مختلفی دارد. درنتیجه برای بررسی و تشخیص خودکار تشنج نوزادان، استفاده از یک تبدیل زمان-فرکانس که برای بازنمایی همۀ انواع مؤلفه‌ها مناسب باشد ضروری است. هدف این پژوهش بهبود آشکارسازی تشنج نوزادان است. بعضی روش‌های به‌کاررفته در این پژوهش قبلاً برای آشکارسازی تشنج نوزادان استفاده نشده است. این روش‌ها عبارتند از: 1. تبدیل هم‌گام‌ساز فوریۀ وفقی انتقال‌یافته در زمان و برخوردار از طول پنجرۀ بهینه (TAFSSTOL)، 2. الگوریتم تکاملی دانه‌بندی فازی رمزنگاری‌شده با اعداد صحیح و مبتنی بر عملگرهای مجموعه‌ها (SIFE) برای انتخاب ویژگی و 3. بهینه‌سازی بیزین برای انتخاب پارامترهای طبقه‌بندها. ویژگی‌های استخراج‌شده در حوزه‌های زمان، فرکانس و زمان-فرکانس بودند. بعضی از ویژگی‌ها، در پژوهش‌های آشکارسازی تشنج نوزادان استفاده نشده بودند. برای ویژگی‌های زمانی-فرکانسی، علاوه‌بر تبدیل TAFSSTOL، تبدیل AFSST نیز به‌کار گرفته شد. صحیح‌ترین و دقیق‌ترین طبقه‌بندی به‌ازای ویژگی‌های زمانی-فرکانسی مبتنی بر TAFSSTOL به‌دست آمد. بدین‌ترتیب، تبدیل TAFSSTOL با برخورداری از انتقال‌های وفقی زمانی-فرکانسی و طول پنجرۀ بهینه تبدیل مناسبی برای تفکیک انواع مؤلفه‌ها و تشخیص تشنج نوزادان است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله English

Neonatal seizure detection in electroencephalogram using time-reassigned adaptive Fourier synchrosqueezing transform with globally optimal window length

نویسندگان English

Elham Shamsi
Mohammad Ali Ahmadi-Pajouh
Farzad Towhidkhah
Mohammad Hassan Moradi
Biomedical Engineering Department, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Some damages to the cerebral cortex, especially neonatal seizures, are detected using electroencephalogram (EEG) in the neonatal intensive care unit (NICU). Given the non-stationary and multicomponent nature of the EEG and lack of clinical symptoms of seizures in neonates, the EEG interpretation is complicated, time-consuming and requires specialized staff. Therefore, development of automatic methods for neonatal seizure detection is crucial. Studies demonstrate that the time-frequency methods are superior to methods in either the time or the frequency domain. Additionally, adaptive time-frequency methods yield better results, compared to their counterparts. Among the adaptive time-frequency transforms (ATFTs), the adaptive Fourier synchrosqueezing transform (AFSST) has led to promising results. The AFSST solely encompasses frequency reassignment, thereby being more suitable for representing slowly varying components. Conversely, the time-reassigned Fourier synchrosqueezing transform is more convenient for fast-changing components. Neonatal seizures comprise various component types. Hence, it is necessary to employ a TFT that is capable of representing them sharply and accurately. This study aims at improvement of neonatal seizure detection using an ATFT and time-frequency features. Thus, for the first time, the time-reassigned adaptive Fourier synchrosqueezing transform with globally optimal window length (TAFSSTOL) is applied on neonatal seizures, along with using the set-based integer-coded fuzzy granular evolutionary algorithm (SIFE) and Bayesian optimization for selecting the features and classifiers, respectively. Furthermore, time and frequency domain features are extracted. Some features have never been utilized in the literature. For time-frequency features, AFSST is also used. The time-frequency features that were extracted from TAFSSTOL led to the best classification performance (accuracy: 100%, sensitivity: 100%, specificity: 100%, precision: 100%, negative predictive value: 100%, F1 score: 100%, Matthew’s correlation coefficient: 100%, Cohen’s κ value: 100%, area under the receiver operating characteristic curve: 1). Thus, the TAFSSTOL is apt for various components separation and neonatal seizure detection.

کلیدواژه‌ها English

Adaptive time reassignment
Adaptive Fourier synchrosqueezing transform
Newborn electroencephalogram seizure
Instantaneous frequency
Group delay
Multicomponent non-stationary signal
دوره 19، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 75-95

  • تاریخ دریافت 31 مرداد 1403
  • تاریخ بازنگری 08 دی 1403
  • تاریخ پذیرش 09 دی 1403