Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تحلیل الگوی تغییرات سیگنال‌های الکتروآنسفالوگرام خواب نوزادان در محدوده سنی 36 تا 45 هفته بارداری

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

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

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

چکیده
خواب نقش کلیدی در رشد و تکامل مغزی نوزادان ایفا می‌کند و تحلیل ویژگی‌های الکتروانسفالوگرام (EEG) در مراحل مختلف خواب می‌تواند بینشی دقیق از روند رشد نوروفیزیولوژیکی فراهم آورد. در این مطالعه، به منظور بررسی سیستماتیک تحولات نوروالکتریکی ناشی از پیشرفت سن جنینی، ۱۱۰۰ رکورد EEG از نوزادان ۳۶ تا ۴۵ هفته بارداری جمع‌آوری‌شده از دانشگاه ینا، آلمان، مورد تحلیل قرار گرفت. پس از پیش‌پردازش سیگنال و حذف آرتیفکت‌ها، ویژگی‌های فرکانسی (شامل توان باندهای دلتا، تتا، آلفا، بتا و نسبت‌های توان فرکانسی) و ویژگی‌های غیرخطی (شامل بعدهای فرکتال هیگوچی و کتز، آنتروپی نمونه، نمودار پوانکاره و تحلیل کمی‌سازی بازگشتی) از کانال‌های C3-T3 و C4-T4 استخراج شدند. برای ارزیابی نرمال‌بودن توزیع داده‌ها، آزمون کولموگروف-اسمیرنوف به‌کار گرفته شد. تفاوت‌های نیمکره‌ای با آزمون t زوجی و تفاوت‌های بین گروه‌های سنی با تحلیل واریانس یک‌طرفه (ANOVA) مورد بررسی قرار گرفتند. همچنین، به منظور مدلسازی روند تغییرات ویژگی‌ها با پیشرفت سن بارداری، از مدل‌های رگرسیونی خطی، چندجمله‌ای درجه دوم و نمایی استفاده شد و ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) به عنوان معیار برازش مدل محاسبه گردید. نتایج آزمون t زوجی نشان داد که هیچ تفاوت آماری معنی‌داری (05/0 p>) در مقادیر ویژگی‌ها بین نیمکره‌های چپ و راست وجود ندارد، که بیانگر تقارن الکتروفیزیولوژیکی و عملکرد متوازن نیمکره‌ها در این دوره از رشد است. در مقابل، آزمون ANOVA تفاوت‌های معنی‌دار آماری ( 001/0 > p) در ویژگی‌های استخراج‌شده بین گروه‌های سنی را تأیید کرد، که نشان‌دهنده تأثیر قوی سن جنینی بر تکامل الگوهای فعالیت مغزی است. مدل‌سازی رگرسیونی نشان داد که برخی نسبت‌های توان فرکانسی بهترین برازش (کمترین RMSE) را در توصیف روند تغییرات ویژگی‌ها با سن دارند. این یافته‌ها اهمیت نسبت‌های توان فرکانسی به عنوان شاخص‌های حساس و قابل اعتماد در رصد رشد مغزی و ارزیابی کیفیت خواب نوزادان را برجسته می‌سازد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Analysis of Pattern Changes in Sleep Electroencephalogram Signals in Newborns at 36 to 45 Weeks Gestational Age

نویسندگان English

Fatemeh Moghanni-Bashi 1
Ateke Goshvarpour 2
1 Department of Biomedical Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Iran
2 Department of Biomedical Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Razavi Khorasan, Iran.
چکیده English

Sleep plays a pivotal role in the brain development and maturation of neonates, and analyzing electroencephalogram (EEG) features across different sleep stages can provide profound insights into the neurophysiological developmental trajectory. In this study, to systematically investigate the neuroelectrical changes associated with advancing gestational age, 1,100 EEG recordings from neonates aged 36 to 45 weeks, collected at the University of Jena, Germany, were analyzed. Following signal preprocessing and artifact removal, frequency-domain features—including power in the delta, theta, alpha, and beta bands, as well as frequency power ratios—and nonlinear features—including Higuchi and Katz fractal dimensions, sample entropy, Poincaré plot parameters, and Recurrence Quantification Analysis (RQA)—were extracted from the C3-T3 and C4-T4 channels. To assess the normality of data distribution, the Kolmogorov-Smirnov test was employed. Hemispheric asymmetries were evaluated using paired t-tests, while inter-group differences across gestational ages were examined using one-way analysis of variance (ANOVA). Furthermore, to model the developmental trajectory of features with advancing gestational age, linear, second-order polynomial, and exponential regression models were applied, and the root mean square error (RMSE) was computed as a goodness-of-fit metric. Paired t-test results indicated no statistically significant differences (p > 0.05) in feature values between the left and right hemispheres, reflecting electrophysiological symmetry and balanced hemispheric function during this developmental period. In contrast, ANOVA revealed statistically significant differences (p < 0.001) in the extracted features across gestational age groups, underscoring the strong influence of gestational age on the evolution of brain activity patterns. Regression modeling revealed that specific frequency power ratios provided the best fit (lowest RMSE) in characterizing the developmental trends of features with age. These findings underscore the importance of frequency power ratios as sensitive and reliable biomarkers for monitoring brain maturation and evaluating neonatal sleep quality.

کلیدواژه‌ها English

Sleep
Newborns
Frequency Bands
Age
Electroencephalogram
Modeling
دوره 19، شماره 1
بهار 1404
صفحه 81-94

  • تاریخ دریافت 14 مرداد 1404
  • تاریخ بازنگری 30 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 20 آبان 1404