Iranian Journal of Biomedical Engineering (IJBME)

شبکه عصبی کانولوشنی کم‌هزینه برای طبقه‌بندی خودکار و کارآمد مراحل خواب با استفاده از اسپکتروگرام‌های EEG تک‌کاناله با قابلیت استفاده در کاربردهای بلادرنگ

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

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

10.22041/ijbme.2026.2084373.2019
چکیده
مطالعه و ارزیابی دقیق خواب، و هم‌چنین طبقه‌بندی مراحل آن نقشی کلیدی در تشخیص اختلالات، بیماری‌ها و بررسی کیفیت زندگی دارد. با توجه به این‌که برچسب‌گذاری دستی سیگنال‌ها امری زمان‌بر است و دقت آن به مهارت ارزیاب‌ها وابسته است، در سال‌های اخیر روش‌های هوشمند برای خودکارسازی این فرایند معرفی شدند اما همچنان چالش‌هایی مانند نامتوازن بودن تعداد داده‌های مراحل خواب، به ویژه مرحله N1 وجود دارد. در این پژوهش رویکردی با پیچیدگی محاسباتی کمتر برای طبقه‌بندی مراحل خواب ارائه شده که امکان استفاده در کاربردهای بلادرنگ و سامانه‌های پایش خواب با منابع محدود را فراهم می‌کند. در این رویکرد از سیگنال EEG تک‌کاناله و نمایش زمان-فرکانسی آن استفاده شد تا الگوهای مغزی در قالب تصویر، قابل تحلیل شود، سپس یک مدل کانولوشنی آموزش داده شد که بتواند بدون نیاز به سخت افزار‌های پرهزینه و پیچیده، مراحل خواب را طبقه‌بندی کند. هدف این طراحی، دستیابی به مدلی کارآمد، سبک و قابل استفاده در شرایط واقعی و کاربردهای عملی است که میان دقت طبقه‌بندی و پیچیدگی محاسباتی تعادل برقرار کند. ارزیابی‌ها نشان می‌دهد که مدل پیشنهادی با وجود ساختار فشرده، عملکرد بسیار مناسبی در تشخیص مراحل خواب دارد و به دقت کلی حدود ۸۵ درصد دست یافته است، همچنین در مرحله N1 نیز دقت قابل قبولی را در مقایسه با پژوهش‌های مشابه نشان می‌دهد. رویکرد پیشنهادی با تمرکز بر کاهش پیچیدگی محاسباتی و ساده‌سازی ورودی‌ها طراحی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله English

A Lightweight Convolutional Neural Network for Efficient Automatic Sleep Stage Classification Using Single-Channel EEG Spectrograms with Real-Time Application Capabilities

نویسندگان English

Mohamad Taghi Adl
Hossein Behzadi
Mohammad Hosein Kalantari
Computer Department, Faculty of Electrical and Computer Engineering, Babol Noshirvani University of Technology, Babol,Iran
چکیده English

Accurate analysis and evaluation of sleep, as well as sleep stage classification, play a crucial role in the diagnosis of sleep disorders and diseases and in the assessment of sleep quality and overall quality of life. However, manual annotation of sleep signals is a time-consuming process and its accuracy strongly depends on the expertise of human scorers. In recent years, intelligent methods have been introduced to automate this process; nevertheless, challenges such as class imbalance among sleep stages—particularly for the N1 stage—still remain. In this study, a sleep stage classification approach with reduced computational complexity is proposed, enabling its application in real-time scenarios and sleep monitoring systems with limited computational resources. In the proposed framework, single-channel EEG signals are employed and transformed into a time–frequency representation so that neural patterns can be analyzed in an image-based form. Subsequently, a convolutional neural network is trained to classify sleep stages without relying on expensive or complex hardware. The objective of this design is to achieve an efficient, lightweight, and practically deployable model suitable for real-world applications, without the need for complex architectures or heavy computational resources. Experimental evaluations demonstrate that, despite its compact structure, the proposed model achieves competitive performance in sleep stage classification, reaching an overall accuracy of 85%. Moreover, the model shows better performance in the challenging N1 stage compared to related studies.

کلیدواژه‌ها English

Sleep Stage Classification
EEG Spectrogram
Convolutional Neural Network
Single-Channel EEG

مقالات آماده انتشار، پذیرفته شده
انتشار آنلاین از 24 خرداد 1405

  • تاریخ دریافت 13 بهمن 1404
  • تاریخ بازنگری 19 خرداد 1405
  • تاریخ پذیرش 24 خرداد 1405