Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

روشی نوین در تشخیص بیماری پارکینسون: کمی‌سازی بازگشت مبتنی بر سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی و یادگیری ماشین

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده علوم مهندسی دانشگاه تهران

2 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

چکیده
بیماری پارکینسون از نظر شیوع جهانی، دومین بیماری شایع مخرب عصبی محسوب می‌شود و مشخصه اصلی آن کمبود قابل‌توجه دوپامین در سیستم عصبی مرکزی است. تشخیص پارکینسون با چالش‌های قابل‌توجهی همراه بوده و اغلب شامل فرآیندی طولانی است. این امر باعث شده است تا تلاش‌های تحقیقاتی گسترده‌ای برای شناسایی زیست نشانگرهای قابل اعتماد برای پارکینسون انجام شود. یکی از روش‌های شناسایی پارکینسون پردازش‌ سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی است. الکتروانسفالوگرافی فعالیت مغز را با اندازه‌گیری سیگنال‌های الکتریکی از الکترودهایی که روی جمجمه قرار می‌گیرند، ثبت می‌کند. ظهور هوش مصنوعی امکان ادغام ویژگی‌های سیگنال الکتروانسفالوگرافی در الگوریتم‌های یادگیری ماشین را فراهم کرده و تشخیص خودکار بیماری‌های عصبی را تسهیل می‌کند. یافته‌ها نشان می‌دهد که سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی پتانسیل قابل‌توجهی به‌عنوان زیست نشانگر برای تمایز بین افراد مبتلا به پارکینسون و افراد سالم دارند. این مقاله امکان استفاده از ویژگی‌های استخراج شده از سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی از طریق ارزیابی کمی بازگشت را به‌عنوان زیست نشانگرهای بالقوه برای بیماری پارکینسون بررسی می‌کند. با استفاده از داده‌های الکتروانسفالوگرافی که به‎صورت عمومی از طریق (PRED + CT) در دسترس است، ما ثبت‌های بیماران پارکینسون را که تحت آزمایشات تحریک شنوایی مکرر قرار گرفته بودند، تجزیه و تحلیل کردیم. از مدل‌های یادگیری ماشین شامل: ماشین بردار پشتیبان، K-نزدیک‌ترین همسایه (KNN)، درخت تصمیم، جنگل تصادفی، روش GentleBoost، تحلیل تفکیکی درجه دوم (QDA) و پرسپترون چندلایه در دو حالت طبقه‌بندی چند کلاسه و دو کلاسه استفاده شد. عملکرد مدل‌های مذکور با استفاده از روش اعتبارسنجی متقابل ۱۰ فولد ارزیابی شد. روش پیشنهادی به میانگین صحت 32/99% در طبقه‌بندی دو کلاسه (تمایز بین بیماران پارکینسون و افراد سالم) و میانگین صحت 30/98 % در طبقه‌بندی چندکلاسه با استفاده از دسته‌بندی کننده KNN دست یافت. نتایج نشان می‌دهند که ویژگی‌های کمی‌سازی بازگشتی استخراج شده از سیگنال‌های الکتروانسفالوگرافی نویدبخش به‌عنوان زیست نشانگرهای بالقوه برای پارکینسون هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

A Novel Technique for Parkinson's Diagnosis: EEG-Based Recurrence Quantification and Machine Learning

نویسندگان English

Alireza Talesh Jafadideh 1
Asghar Zarei 2
1 School of Engineering Science, College of Engineering, University of Tehran,
2 Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده English

Parkinson's disease (PD) occupies the second position among neurodegenerative disorders in terms of global prevalence, its defining characteristic being a significant deficiency of dopamine in the central nervous system. Consequently, diagnosing PD poses significant challenges, often involving a lengthy process. This has driven extensive research efforts to identify reliable biomarkers for PD. One approach to identifying PD involves analyzing the characteristics of EEG signals. EEG records brain activity by measuring electrical signals from electrodes placed on the scalp. The emergence of Artificial Intelligence (AI) has enabled the integration of EEG signal features into machine learning (ML) algorithms, facilitating automated diagnosis of neurological diseases. These findings suggest that EEG signals hold significant potential as biomarkers for distinguishing between individuals with PD and healthy controls. This research explores the feasibility of using features extracted from EEG signals through Recurrence Quantification Analysis (RQA) as potential biomarkers for Parkinson's Disease (PD). Utilizing publicly available EEG data from The Patient Repository for EEG Data + Computational Tools (PRED + CT), we analyzed recordings from PD patients who underwent repeated auditory stimulation tests. Different machine learning models, including Support Vector Machine (SVM), K-Nearest Neighbors (KNN), Decision Tree (DT), Random Forest (RF), Gentle Boosting (GentleBoost), Quadratic Discriminant Analysis (QDA), and Multilayer Perceptron (MLP), were used in both multiclass and binary classification scenarios. The performance of the aforementioned models was evaluated using a 10-fold cross-validation method. The proposed method achieved an average accuracy of 99.32% in the binary classification scenario (distinguishing between Parkinson's disease patients and healthy individuals) and an average accuracy of 98.30% in the multiclass classification using the KNN classifier. The results suggest that the RQA-based features extracted from electroencephalographic signals show promising potential as biomarkers for Parkinson's disease.

کلیدواژه‌ها English

Parkinson'
s disease
EEG signal
Recurrence Quantification Analysis (RQA)
Machine Learning (ML)
دوره 18، شماره 3
پاییز 1403
صفحه 259-271

  • تاریخ دریافت 13 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 07 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 08 اردیبهشت 1404