Nonparametric spectral analysis with applications to seizure characterization using EEG time series

Understanding the seizure initiation process and its propagation pattern(s) is a critical task in epilepsy research. Characteristics of the pre-seizure electroencephalograms (EEGs) such as oscillating powers and high-frequency activities are believed to be indicative of the seizure onset and spread patterns. In this article, we analyze epileptic EEG time series using nonparametric spectral estimation methods to extract information on seizure-specific power and characteristic frequency [or frequency band(s)]. Because the EEGs may become nonstationary before seizure events, we develop methods for both stationary and local stationary processes. Based on penalized Whittle likelihood, we propose a direct generalized maximum likelihood (GML) and generalized approximate cross-validation (GACV) methods to estimate smoothing parameters in both smoothing spline spectrum estimation of a stationary process and smoothing spline ANOVA time-varying spectrum estimation of a locally stationary process. We also propose permutation methods to test if a locally stationary process is stationary. Extensive simulations indicate that the proposed direct methods, especially the direct GML, are stable and perform better than other existing methods. We apply the proposed methods to the intracranial electroencephalograms (IEEGs) of an epileptic patient to gain insights into the seizure generation process.Comment: Published in at http://dx.doi.org/10.1214/08-AOAS185 the Annals of Applied Statistics (http://www.imstat.org/aoas/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

Deep learning approach for epileptic seizure detection

Abstract. Epilepsy is the most common brain disorder that affects approximately fifty million people worldwide, according to the World Health Organization. The diagnosis of epilepsy relies on manual inspection of EEG, which is error-prone and time-consuming. Automated epileptic seizure detection of EEG signal can reduce the diagnosis time and facilitate targeting of treatment for patients. Current detection approaches mainly rely on the features that are designed manually by domain experts. The features are inflexible for the detection of a variety of complex patterns in a large amount of EEG data. Moreover, the EEG is non-stationary signal and seizure patterns vary across patients and recording sessions. EEG data always contain numerous noise types that negatively affect the detection accuracy of epileptic seizures. To address these challenges deep learning approaches are examined in this paper. Deep learning methods were applied to a large publicly available dataset, the Children’s Hospital of Boston-Massachusetts Institute of Technology dataset (CHB-MIT). The present study includes three experimental groups that are grouped based on the pre-processing steps. The experimental groups contain 3–4 experiments that differ between their objectives. The time-series EEG data is first pre-processed by certain filters and normalization techniques, and then the pre-processed signal was segmented into a sequence of non-overlapping epochs. Second, time series data were transformed into different representations of input signals. In this study time-series EEG signal, magnitude spectrograms, 1D-FFT, 2D-FFT, 2D-FFT magnitude spectrum and 2D-FFT phase spectrum were investigated and compared with each other. Third, time-domain or frequency-domain signals were used separately as a representation of input data of VGG or DenseNet 1D. The best result was achieved with magnitude spectrograms used as representation of input data in VGG model: accuracy of 0.98, sensitivity of 0.71 and specificity of 0.998 with subject dependent data. VGG along with magnitude spectrograms produced promising results for building personalized epileptic seizure detector. There was not enough data for VGG and DenseNet 1D to build subject-dependent classifier.Epileptisten kohtausten havaitseminen syväoppimisella lähestymistavalla. Tiivistelmä. Epilepsia on yleisin aivosairaus, joka Maailman terveysjärjestön mukaan vaikuttaa noin viiteenkymmeneen miljoonaan ihmiseen maailmanlaajuisesti. Epilepsian diagnosointi perustuu EEG:n manuaaliseen tarkastamiseen, mikä on virhealtista ja aikaa vievää. Automaattinen epileptisten kohtausten havaitseminen EEG-signaalista voi potentiaalisesti vähentää diagnoosiaikaa ja helpottaa potilaan hoidon kohdentamista. Nykyiset tunnistusmenetelmät tukeutuvat pääasiassa piirteisiin, jotka asiantuntijat ovat määritelleet manuaalisesti, mutta ne ovat joustamattomia monimutkaisten ilmiöiden havaitsemiseksi suuresta määrästä EEG-dataa. Lisäksi, EEG on epästationäärinen signaali ja kohtauspiirteet vaihtelevat potilaiden ja tallennusten välillä ja EEG-data sisältää aina useita kohinatyyppejä, jotka huonontavat epilepsiakohtauksen havaitsemisen tarkkuutta. Näihin haasteisiin vastaamiseksi tässä diplomityössä tarkastellaan soveltuvatko syväoppivat menetelmät epilepsian havaitsemiseen EEG-tallenteista. Aineistona käytettiin suurta julkisesti saatavilla olevaa Bostonin Massachusetts Institute of Technology lastenklinikan tietoaineistoa (CHB-MIT). Tämän työn tutkimus sisältää kolme koeryhmää, jotka eroavat toisistaan esikäsittelyvaiheiden osalta: aikasarja-EEG-data esikäsiteltiin perinteisten suodattimien ja normalisointitekniikoiden avulla, ja näin esikäsitelty signaali segmentoitiin epookkeihin. Kukin koeryhmä sisältää 3–4 koetta, jotka eroavat menetelmiltään ja tavoitteiltaan. Kussakin niistä epookkeihin jaettu aikasarjadata muutettiin syötesignaalien erilaisiksi esitysmuodoiksi. Tässä tutkimuksessa tutkittiin ja verrattiin keskenään EEG-signaalia sellaisenaan, EEG-signaalin amplitudi-spektrogrammeja, 1D-FFT-, 2D-FFT-, 2D-FFT-amplitudi- ja 2D-FFT -vaihespektriä. Näin saatuja aika- ja taajuusalueen signaaleja käytettiin erikseen VGG- tai DenseNet 1D -mallien syötetietoina. Paras tulos saatiin VGG-mallilla kun syötetietona oli amplitudi-spektrogrammi ja tällöin tarkkuus oli 0,98, herkkyys 0,71 ja spesifisyys 0,99 henkilöstä riippuvaisella EEG-datalla. VGG yhdessä amplitudi-spektrogrammien kanssa tuottivat lupaavia tuloksia henkilökohtaisen epilepsiakohtausdetektorin rakentamiselle. VGG- ja DenseNet 1D -malleille ei ollut tarpeeksi EEG-dataa henkilöstä riippumattoman luokittelijan opettamiseksi