Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

طبقه‌بندی بیماری‌های آلزایمر و اسکیزوفرنی با تحلیل ویژگی‌های آماری و غیرخطی سیگنال‌های EEG: تمرکز بر آنتروپی فازی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی سهند تبریز، دانشکده مهندسی پزشکی، گروه بیوالکتریک

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

3 گروه بیوالکتریک، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، شهر جدید سهند، تبریز، ایران

چکیده
بیماری‌های آلزایمر و اسکیزوفرنی از جمله اختلالات شایع و پیچیده عصبی-روانشناختی هستند که تشخیص افتراقی آن‌ها، به‌ویژه در مراحل اولیه، با چالش‌های قابل توجهی همراه است. روش‌های تشخیصی موجود، با وجود ارائه اطلاعات ارزشمند، اغلب پرهزینه و در برخی موارد تهاجمی هستند. در این پژوهش، یک روش غیرتهاجمی و مقرون‌به‌صرفه مبتنی بر سیگنال‌های EEG و الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای تفکیک این دو بیماری ارائه شده است. در روش پیشنهادی، سیگنال‌های EEG ابتدا با استفاده از تبدیل فوریه سریع (FFT) به زیرباندهای فرکانسی مختلف تجزیه شده و سپس مجموعه‌ای از ویژگی‌های آماری و غیرخطی شامل کشیدگی، چولگی، آنتروپی شنون، آنتروپی فازی، تحرک و پیچیدگی با استفاده از الگوریتم ReliefF انتخاب و به ورودی طبقه‌بندهایی نظیر k نزدیک‌ترین همسایگی، ماشین بردار پشتیبان با هسته خطی، جنگل تصادفی و غیره اعمال شده‌اند. ارزیابی عملکرد روش پیشنهادی بر روی پایگاه داده اول، متشکل از دو بخش متفاوت شامل داده‌های بیماران مبتلا به آلزایمر و اسکیزوفرنی، نشان داد که طبقه‌بند جنگل تصادفی (RF) با دستیابی به میانگین صحت 98/61 درصد بهترین عملکرد را ارائه داده است. علاوه بر این، ارزیابی بر روی پایگاه داده دوم نیز انجام شد و روش پیشنهادی با استفاده از همان طبقه‌بند، به میانگین صحت 88/11 درصد دست یافت که کارایی بالای مدل را در افتراق بیماران مبتلا به آلزایمر و اسکیزوفرنی تایید می‌کند. لازم به ذکر است که ویژگی آنتروپی فازی در هر دو پایگاه داده به‌طور معناداری نسبت به سایر ویژگی‌ها عملکرد برتری داشته و به‌عنوان یک شاخص کلیدی در تفکیک این دو بیماری عمل کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Classification of Alzheimer's and Schizophrenia Diseases Based on Statistical and Nonlinear Features of EEG Signals: A Focus on Fuzzy Entropy

نویسندگان English

mahdiyeh Tofighi Milani 1
Sina Shamekhi 2
Asghar Zarei 3
1 Bioelectric Department,, Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Sahand New City, Tabriz, Iran
2 Bioelectric Department, Biomedical Eng. Faculty, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
3 Bioelectric Department, Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Sahand New City, Tabriz, Iran
چکیده English

Alzheimer’s disease and schizophrenia are among the most common and complex neuropsychiatric disorders, and their differential diagnosis, particularly in the early stages, poses significant challenges. Although current diagnostic methods provide valuable information, they are often costly and, in some cases, invasive. In this study, a non-invasive and cost-effective approach based on EEG signals and machine learning algorithms is proposed to differentiate between these two disorders. In the proposed method, EEG signals are first decomposed into various frequency sub-bands using the Fast Fourier Transform (FFT), and a set of statistical and nonlinear features, including kurtosis, skewness, Shannon entropy, fuzzy entropy, mobility, and complexity, are extracted. Feature selection is performed using the ReliefF algorithm, and the selected features are subsequently fed into classifiers such as k-nearest neighbors, linear support vector machine, random forest, and others. The performance of the proposed method was initially evaluated on the first dataset, which consists of two distinct parts containing data from patients with Alzheimer’s disease and schizophrenia, where the random forest (RF) classifier achieved the best performance with an average accuracy of 98.61%. Furthermore, evaluation on the second dataset showed that the proposed method, using the same classifier, achieved an average accuracy of 88.11%, confirming the strong capability of the model in distinguishing between patients with Alzheimer’s disease and schizophrenia. It is worth noting that fuzzy entropy consistently outperformed other features across both datasets and was identified as a key indicator in the differentiation of these two disorders.

کلیدواژه‌ها English

Alzheimer'
s Disease
Schizophrenia
Electroencephalogram
Machine Learning
Fuzzy Entropy
دوره 18، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 359-377

  • تاریخ دریافت 13 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 17 خرداد 1404
  • تاریخ پذیرش 21 تیر 1404