Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

ارزیابی ترکیب اتصالات مغزی EEG با ساختارهای‌ گراف ‌محلی در تشخیص چند اختلال روانی و شناختی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی پزشکی، دانشگاه بین المللی امام رضا (ع)، مشهد، ایران

چکیده
با پیشرفت‌های اخیر در پردازش سیگنال‌‌های مغزی، طبقه‌بندی اختلالات روان‌شناختی اهمیت فزاینده‌ای یافته است. در حالی که مطالعات پیشین عمدتاً به طبقه‌بندی یک یا دو اختلال محدود بودند، این مطالعه به طبقه‌بندی پنج وضعیت متمایز شامل یک گروه کنترل سالم و چهار نوع اختلال روان‌شناختی (افسردگی، اسکیزوفرنی، اختلال شناختی خفیف و آلزایمر) با استفاده از تحلیل سیگنال‌های الکتروآنسفالوگرام می‌پردازد. این پژوهش، ترکیب‌های مختلف اتصالات عملکردی شامل ضریب همبستگی پیرسون، مقدار قفل‌ شدگی فاز و اطلاعات متقابل جهت تولید ماتریس‌های اتصال‌پذیری بدون داده‌های حشو را ارائه می‌دهد. ویژگی‌های استخراج‌شده از این ماتریس‌ها با بهره‌گیری از ساختارهای گراف محلی و با آنتروپی شانون و آنتروپی لگاریتم انرژی و تجریه مقدار منفرد حاصل شده و به‌منظور طبقه‌بندی نهایی، از الگوریتم‌های یادگیری ماشین شامل K-نزدیک‌ترین همسایه و بیز ساده استفاده شده است. همچنین، قابلیت باندهای مختلف فرکانسی الکتروآنسفالوگرام در طبقه بندی حالات روانشناختی مورد بررسی قرار گرفت. این پژوهش در تشخیص اختلال شناختی خفیف با ترکیب اتصالات عملکردی ضریب همبستگی پیرسون و اطلاعات متقابل در باند فرکانسی بتا با استفاده از ویژگی بزرگترین مقدار منفرد در طبقه‌بند K-نزدیک‌ترین همسایه به صحت 29/90% دست یافت. همچنین با ترکیب مقدار قفل شدگی فاز و اطلاعات متقابل در باند فرکانسی گاما با استفاده از ویژگی بزرگترین مقدار منفرد و الگوریتم بیز ساده به صحت 53/89% رسید. علاوه بر این، با ترکیب 3 ویژگی (آنتروپی شانون، آنتروپی لگاریتم انرژی، تجزیه مقدار منفرد) در ترکیب ضریب همبستگی پیرسون و مقدار قفل شدگی فاز در باند فرکانسی بتا با استفاده از الگوریتم K-نزدیک‌ترین همسایه صحت 63/90% را نشان داد. در تشخیص افسردگی نیز با ترکیب ضریب همبستگی پیرسون و مقدار قفل شدگی فاز در باند فرکانسی گاما با استفاده از الگوریتم بیز ساده صحت 52/88% را نشان داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Evaluating the Integration of EEG Brain Connectivity with Local Graph Structures in the Diagnosis of Multiple Psychiatric and Cognitive Disorders

نویسندگان English

Sara Moshiryan
Arezoo Sanati Fahandari
Ateke Goshvarpour
Department of Biomedical Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Iran
چکیده English

With recent advancements in the processing of brain signals, the classification of psychological disorders has gained increasing importance. While previous studies were mostly limited to the classification of one or two disorders, this study addresses the classification of five distinct conditions, including a healthy control group and four types of psychological disorders (depression, schizophrenia, mild cognitive impairment, and Alzheimer’s disease) using the analysis of electroencephalogram signals. This research presents various combinations of functional connectivity measures including Pearson correlation coefficient, phase locking value, and mutual information to generate connectivity matrices without redundant data. The features were extracted from the matrices using local graph structures and through Shannon entropy, logarithmic energy entropy, and singular value decomposition. For final classification, machine learning algorithms including K-nearest neighbors and Naïve Bayes were used. Moreover, the capability of different electroencephalogram frequency bands in classifying psychological states was investigated. This study achieved an accuracy of 90.29% in diagnosing mild cognitive impairment by combining Pearson correlation and mutual information in the beta frequency band using the largest singular value feature and the K-nearest neighbors’ classifier. Additionally, by combining phase locking value and mutual information in the gamma frequency band using the largest singular value and the Naïve Bayes algorithm, an accuracy of 89.53% was achieved. Furthermore, by combining three features (Shannon entropy, logarithmic energy entropy, and singular value decomposition) in the combination of Pearson correlation and phase locking value in the beta frequency band using the K-nearest neighbors’ algorithm, an accuracy of 90.63% was obtained. In the diagnosis of depression, by combining Pearson correlation and phase locking value in the gamma frequency band using the Naïve Bayes algorithm, an accuracy of 88.52% was achieved.

کلیدواژه‌ها English

Cognitive and Mental Disorders
Brain Connectivity
Electroencephalogram
Classification
Nonlinear Features
دوره 18، شماره 4
زمستان 1403
صفحه 425-440

  • تاریخ دریافت 17 اردیبهشت 1404
  • تاریخ بازنگری 09 تیر 1404
  • تاریخ پذیرش 27 تیر 1404