Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

طبقه بندی خودکار مراحل خواب توسط یک ساختار ترکیبی مبتنی بر مکانیزم توجه چند سر فرکانسی و شبکه عصبی پیچشی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

چکیده
تقریباً یک‌سوم زندگی انسان در خواب سپری می‌شود و اختلالات خواب می‌توانند به طور قابل توجهی بر کیفیت زندگی و عملکرد شناختی تأثیر بگذارند؛ از این‌رو، تشخیص دقیق مراحل خواب از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این پژوهش، یک مدل ترکیبی موازی سبک‌وزن برای طبقه‌بندی خودکار مراحل خواب با استفاده از سیگنال‌های EEG ارائه شده است. در این مدل، ویژگی‌های حاصل از اعمال مکانیزم توجه چندسر (MHA) بر محتوای طیفی سیگنال‌های EEG با ویژگی‌های استخراج ‌شده از لایه‌های پیچشی یک‌بعدی (1D-CNN) ادغام شدند. ترکیب ویژگی‌های طیفی بهبود یافته توسط MHA با ویژگی‌های زمانی استخراج‌ شده از CNN، منجر به افزایش چشمگیر دقت طبقه‌بندی شد. مدل پیشنهادی بر روی مجموعه‌داده‌ Sleep_Edf_20 به دقت کلی ۸۱ درصد در طبقه‌بندی مراحل خواب دست یافت، که نشان‌دهنده‌ عملکرد رقابتی آن نسبت به معماری‌های سنگین‌تر است. برای نشان دادن برتری مدل پیشنهادی، شبکه عصبی پیچشی یک بعدی، در سه ساختار مختلف با مکانیزم توجه چند سر ترکیب گردید. نتایج نشان داد که ساختار پیشنهادی با تعداد پارامترکمتر، دقت بیشتری در طبقه بندی مراحل خواب دارد. بعلاوه برای مقابله با مشکل عدم‌توازن داده‌ها بین کلاس‌های مختلف مراحل خواب، از روش وزن‌دهی در تابع هزینه استفاده شد که بهبود محسوسی در شناسایی مراحل کم‌نمونه، به‌ویژه مرحله یک خواب ایجاد کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Automatic sleep stage classification using a hybrid structure based on Frequency Multi-Head Attention mechanism and Convolutional Neural Network

نویسندگان English

Fatemeh Mehrpuya
farideh Ebrahimi
Department of Electrical and Computer Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده English

Approximately one-third of human life is spent in sleep, and sleep disorders can significantly affect quality of life and cognitive performance; therefore, accurate sleep stage detection is of particular importance. In this study, a lightweight parallel hybrid model is proposed for automatic sleep stage classification using EEG signals. In this model, features obtained by applying the multi-head attention mechanism (MHA) to the spectral content of EEG signals were combined with features extracted from one-dimensional convolutional layers (1D-CNN). Combining the spectral features improved by MHA with temporal features extracted from CNN resulted in a significant increase in classification accuracy. The proposed model achieved an overall accuracy of 81% in sleep stage classification on the Sleep_Edf_20 dataset, indicating its competitive performance over heavier architectures. To demonstrate the superiority of the proposed model, the one-dimensional convolutional neural network was combined with the multi-head attention mechanism in three different structures. The results showed that the proposed structure with a smaller number of parameters has greater accuracy in classifying sleep stages. In addition, to deal with the problem of data imbalance between different classes of sleep stages, a weighting method was used in the cost function, which provided a significant improvement in identifying undersampled stages, especially stage1 of sleep.

کلیدواژه‌ها English

Attention Mechanism
Short-Term Fourier Transform (STFT)
Convolutional Neural Network (CNN)
Automatic Sleep Stage Classification
EEG Signal
دوره 19، شماره 2
تابستان 1404
صفحه 101-110

  • تاریخ دریافت 07 شهریور 1404
  • تاریخ بازنگری 01 آذر 1404
  • تاریخ پذیرش 25 آذر 1404