Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

تشخیص آلزایمر و اختلال شناختی خفیف با تحلیل ویژگی‌های غیرخطی الکتروآنسفالوگرام: ارزیابی مقایسه‌ای تبدیل داده و انتخاب کانال

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی، دانشگاه بین المللی امام رضا (ع)، مشهد، ایران

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

10.22041/ijbme.2026.2073567.2000
چکیده
بیماری آلزایمر و اختلال شناختی خفیف (MCI) از اختلالات پیشرونده عصبی-شناختی محسوب می‌شوند‌ که تشخیص زودهنگام آنها نقش مهمی در مدیریت درمان و کاهش بار اجتماعی-اقتصادی بیماری دارد. الکتروانسفالوگرافی (EEG) به دلیل غیرتهاجمی بودن، هزینه پایین و قدرت تفکیک زمانی بالا ابزاری ارزشمند است، اما مطالعات پیشین در تحلیل EEG با چالش حجم بالای داده و دشواری در استخراج ویژگی‌های متمایزکننده روبه‌رو بوده‌اند. این پژوهش با هدف کاهش پیچیدگی محاسباتEEG چندکاناله، به توسعه رویکردی برای ادغام اطلاعات کانال‌ها و همچنین انتخاب کانال پرداخت. داده‌های موجود در پایگاه داده آزاد از ۱۶۰ شرکت‌کننده شامل بیماران آلزایمر (۴۰ نفر)، MCI (۲۵ نفر) و افراد سالم (۹۵ نفر) تحلیل شد. پس از پیش‌پردازش و استخراج باندهای فرکانسی، داده‌های ۱۹ کانال با استفاده از الگوریتم تبدیل داده مبتنی بر دامنه، به سیگنال واحد تبدیل شد. سپس، انتخاب کانال به دو روش کانال با بیشترین تکرار دامنه غالب و کانال با بیشینه فاز انجام پذیرفت. ویژگی‌های غیرخطی استخراج و برای طبقه‌بندی به ماشین بردار پشتیبان ارائه شد. عملکرد مدل با دو روش اعتبارسنجی K-Fold و LOSO و در دو حالت‌ یک‌در‌برابر‌یک و یک‌در‌برابر‌همه ارزیابی گردید. یافته‌ها نشان داد، پیچیدگی و دینامیک غیرخطی EEG به‌طور تدریجی از گروه کنترل به MCI و آلزایمر کاهش می‌یابد. بیشترین صحت طبقه‌بندی برای تمایز کنترل و MCI در باند گاما (06/78٪) و در روش تبدیل داده و برای تمایز کنترل و آلزایمر نیز در همان باند (27/70٪) و با همان روش به دست آمد. علاوه‌براین، باندهای آلفا و گاما در دو رویکرد تبدیل داده و انتخاب کانال مبتنی بر دامنه غالب عملکرد بهتری نسبت به سایر باندها داشتند و روش K-Fold نسبت به LOSO صحت بالاتری ارائه کرد. به‌طور کلی، ترکیب ویژگی‌های غیرخطی EEG تبدیل یافته با انتخاب کانال، به‌ویژه در باندهای آلفا و گاما، می‌تواند به‌عنوان رویکردی نویدبخش برای تشخیص و پایش آلزایمر و MCI مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Diagnosis of Alzheimer's and mild cognitive impairment by analyzing nonlinear features of electroencephalogram: A comparative evaluation of data transformation and channel selection

نویسندگان English

Seyedeh Mahdieh Shariati Salehkhani 1
Ateke Goshvarpour 2
1 Master’s Student, Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Iran
2 Department of Biomedical Engineering, Faculty of Engineering, Imam Reza International University, Mashhad, Razavi Khorasan, Iran.
چکیده English

Alzheimer’s disease (AD) and mild cognitive impairment (MCI) are progressive neurocognitive disorders, for which early detection is crucial to reducing clinical, social, and economic burdens. Electroencephalography (EEG), with its non-invasive nature, low cost, and high temporal resolution, provides a valuable tool for assessing brain dynamics. However, traditional EEG analyses face challenges due to high data dimensionality and the difficulty of extracting discriminative features across multiple channels. This study proposes an efficient approach to reduce computational complexity in multichannel EEG analysis by integrating channel information and performing optimized channel selection. We analyzed EEG data from an open-access database, comprising 160 participants (40 AD, 25 MCI, and 95 healthy controls). Following preprocessing and frequency band extraction, the 19-channel data were transformed into a single signal via an amplitude-based conversion algorithm. Subsequently, channel selection was performed using two distinct strategies: selecting the channel with the most frequent dominant amplitude, and selecting the channel with the maximum phase value. Subsequently, nonlinear features—including Higuchi fractal dimension, Lyapunov exponent, and sample entropy—were extracted. These features were then classified using a support vector machine (SVM). Model performance was evaluated using K-Fold and leave-one-subject-out (LOSO) cross-validation in both one-vs-one and one-vs-all modes. Results demonstrated a gradual decrease in EEG complexity from healthy controls to MCI and AD groups. The highest classification accuracy was achieved in the gamma band for distinguishing controls from MCI (78.06%) and from AD (70.27%) using the data transformation approach. Both the alpha and gamma bands demonstrated superior performance compared to other frequency bands, particularly when using the data transformation and dominant-amplitude channel selection methods. Furthermore, K-Fold cross-validation yielded consistently higher accuracy compared to the LOSO. Overall, combining nonlinear EEG features with optimized channel selection, particularly in the alpha and gamma bands, presents a promising approach for detecting and monitoring AD and MCI.

کلیدواژه‌ها English

Electroencephalography
Mild Cognitive Impairment (MCI)
Alzheimer’s Disease (AD)
Transformed Signal
Channel Selection
Frequency Bands
Nonlinear Features
Classification
دوره 19، شماره 3
پاییز 1404
صفحه 51-60

  • تاریخ دریافت 12 مهر 1404
  • تاریخ بازنگری 25 بهمن 1404
  • تاریخ پذیرش 14 اردیبهشت 1405