A contribution for the automatic sleep classification based on the Itakura-Saito spectral distance

Sleep staging is a crucial step before the scoring the sleep apnoea, in subjects that are tested for this condition. These patients undergo a whole night polysomnography recording that includes EEG, EOG, ECG, EMG and respiratory signals. Sleep staging refers to the quantification of its depth. Despite the commercial sleep software being able to stage the sleep, there is a general lack of confidence amongst health practitioners of these machine results. Generally the sleep scoring is done over the visual inspection of the overnight patient EEG recording, which takes the attention of an expert medical practitioner over a couple of hours. This contributes to a waiting list of two years for patients of the Portuguese Health Service. In this work we have used a spectral comparison method called Itakura distance to be able to make a distinction between sleepy and awake epochs in a night EEG recording, therefore automatically doing the staging. We have used the data from 20 patients of Hospital Pulido Valente, which had been previously visually expert scored. Our technique results were promising, in a way that Itakura distance can, by itself, distinguish with a good degree of certainty the N2, N3 and awake states. Pre-processing stages for artefact reduction and baseline removal using Wavelets were applied.publishersversionpublishe

A Contribution for the Automatic Sleep Classification Based on the Itakura-Saito Spectral Distance

Abstract. Sleep staging is a crucial step before the scoring the sleep apnoea, in subjects that are tested for this condition. These patients undergo a whole night polysomnography recording that includes EEG, EOG, ECG, EMG and respiratory signals. Sleep staging refers to the quantification of its depth. Despite the commercial sleep software being able to stage the sleep, there is a general lack of confidence amongst health practitioners of these machine results. Generally the sleep scoring is done over the visual inspection of the overnight patient EEG recording, which takes the attention of an expert medical practitioner over a couple of hours. This contributes to a waiting list of two years for patients of the Portuguese Health Service. In this work we have used a spectral comparison method called Itakura distance to be able to make a distinction between sleepy and awake epochs in a night EEG recording, therefore automatically doing the staging. We have used the data from 20 patients of Hospital Pulido Valente, which had been previously visually expert scored. Our technique results were promising, in a way that Itakura distance can, by itself, distinguish with a good degree of certainty the N2, N3 and awake states. Pre-processing stages for artefact reduction and baseline removal using Wavelets were applied

Sleep Stage Classification: A Deep Learning Approach

Sleep occupies significant part of human life. The diagnoses of sleep related disorders are of great importance. To record specific physical and electrical activities of the brain and body, a multi-parameter test, called polysomnography (PSG), is normally used. The visual process of sleep stage classification is time consuming, subjective and costly. To improve the accuracy and efficiency of the sleep stage classification, automatic classification algorithms were developed. In this research work, we focused on pre-processing (filtering boundaries and de-noising algorithms) and classification steps of automatic sleep stage classification. The main motivation for this work was to develop a pre-processing and classification framework to clean the input EEG signal without manipulating the original data thus enhancing the learning stage of deep learning classifiers. For pre-processing EEG signals, a lossless adaptive artefact removal method was proposed. Rather than other works that used artificial noise, we used real EEG data contaminated with EOG and EMG for evaluating the proposed method. The proposed adaptive algorithm led to a significant enhancement in the overall classification accuracy. In the classification area, we evaluated the performance of the most common sleep stage classifiers using a comprehensive set of features extracted from PSG signals. Considering the challenges and limitations of conventional methods, we proposed two deep learning-based methods for classification of sleep stages based on Stacked Sparse AutoEncoder (SSAE) and Convolutional Neural Network (CNN). The proposed methods performed more efficiently by eliminating the need for conventional feature selection and feature extraction steps respectively. Moreover, although our systems were trained with lower number of samples compared to the similar studies, they were able to achieve state of art accuracy and higher overall sensitivity

Feature Extraction and Selection in Automatic Sleep Stage Classification

Sleep stage classification is vital for diagnosing many sleep related disorders and Polysomnography (PSG) is an important tool in this regard. The visual process of sleep stage classification is time consuming, subjective and costly. To improve the accuracy and efficiency of the sleep stage classification, researchers have been trying to develop automatic classification algorithms. The automatic sleep stage classification mainly consists of three steps: pre-processing, feature extraction and classification. In this research work, we focused on feature extraction and selection steps. The main goal of this thesis was identifying a robust and reliable feature set that can lead to efficient classification of sleep stages. For achieving this goal, three types of contributions were introduced in feature selection, feature extraction and feature vector quality enhancement. Several feature ranking and rank aggregation methods were evaluated and compared for finding the best feature set. Evaluation results indicated that the decision on the precise feature selection method depends on the system design requirements such as low computational complexity, high stability or high classification accuracy. In addition to conventional feature ranking methods, in this thesis, novel methods such as Stacked Sparse AutoEncoder (SSAE) was used for dimensionality reduction. In feature extration area, new and effective features such as distancebased features were utilized for the first time in sleep stage classification. The results showed that these features contribute positively to the classification performance. For signal quality enhancement, a loss-less EEG artefact removal algorithm was proposed. The proposed adaptive algorithm led to a significant enhancement in the overall classification accuracy

Uterine contractions clustering based on surface electromyography: an input for pregnancy monitoring

Tese de mestrado em Bioestatística, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Inicialmente a investigação da contratilidade uterina recorria à utilização de dois métodos: o tocograma externo e o cateter de pressão intrauterino. Ambos os métodos apresentam limitações ao nível da avaliação do risco de parto prematuro e na monitorização da gravidez. O EHG (Electrohisterograma) é um método alternativo ao tocograma externo e ao cateter de pressão intrauterino. Este método pode ser aplicado de forma invasiva no músculo uterino, ou de forma não invasiva através de elétrodos colocados no abdómen. O EHG tem sido considerado uma ferramenta adequada para a monitorização da gravidez e do parto. O índice de massa corporal tem um impacto quase impercetível no EHG, sendo esta uma das principais características deste método. O EHG pode também ser utilizado para identificar as mulheres que vão entrar em trabalho de parto e ainda auxiliar na tomada de decisão médica quanto à utilização da terapia tocolítica (antagonista da oxitocina), evitando deste modo a ingestão de medicação desnecessária e os consequentes efeitos secundários. Na literatura existem apenas cinco casos publicados em que foi realizada uma separação dos principais eventos do sinal EHG: contrações, movimentos fetais, ondas Alvarez e ondas LDBF (Longue Durée Basse Fréquence). Em três das publicações a separação dos eventos foi feita manualmente e nos restantes casos algoritmos, como redes neuronais, foram aplicados ao EHG. As ondas Alvarez e as Braxton-Hicks são as mais reconhecidas. As ondas Alvarez foram descritas pela primeira vez nos anos cinquenta e as Braxton-Hicks foram descritas pela primeira vez em 1872 sendo detetadas através de palpação. As ondas Alvarez são ocasionalmente sentidas pela mulher. Estas ondas estão localizadas numa pequena área do tecido uterino sem propagação e podem levar a contrações com maior intensidade e, consequentemente, ao parto pré-termo. As Braxton-Hicks são contrações ineficientes registadas a partir da 20ª semana de gravidez que se tornam mais frequentes e intensas com o decorrer da gravidez. Estas contrações são menos localizadas que as ondas Alvarez e, durante o parto, propagam-se por todo o tecido uterino num curto período de tempo. As Braxton-Hicks estão associadas a uma diminuição do ritmo cardíaco fetal. As ondas LDBF são contrações de longa duração associadas a hipertonia uterina, quando há contração do tecido uterino sem retorno ao relaxamento muscular, o que representa um risco na gravidez. Neste trabalho foram utilizadas duas bases de dados. Na base de dados da Islândia existem 122 registos de 45 mulheres, dos quais apenas 4 correspondem a partos pré-termo. Na base de dados TPEHG (Term-Preterm EHG) existem 300 registos, dos quais 38 correspondem a partos pré-termo. Neste trabalho foram escolhidos canais bipolares, visto que estes reduzem o ruído idêntico, como o ECG (Eletrocardiograma) materno ou movimentos respiratórios. Para ambas as bases de dados os sinais originais de EHG foram processados e filtrados. Na estimação espetral foram considerados dois métodos: paramétricos e não paramétricos. O método Welch foi escolhido pois representa um bom compromisso entre ambos. Este método foi utilizado para calcular o espectro de cada evento detetado no sinal EHG. Para detetar os eventos no sinal EHG foram considerados cinco métodos baseados na energia ou amplitude. O método Wavelet foi o escolhido pois após uma inspeção visual, este era o método que delineava melhor as contrações. Na base de dados da Islândia foram identificadas 3136 contrações e na TPEHG foram encontradas 4622 contrações. O objetivo principal desta tese é obter clusters de contrações detetadas no sinal EHG. No entanto, as contrações são séries temporais não estacionárias, e a sua classificação visual é inviável a longo termo e também difícil de aplicar na prática clínica. Existem vários parâmetros que podem ser extraídos do sinal EHG, mas o espectro das contrações foi o método escolhido visto que este representa o sinal EHG e tem sempre a mesma dimensão, independentemente da duração da contração. As distâncias espetrais têm sido utilizadas com sucesso no reconhecimento áudio. Neste trabalho foi realizada uma aplicação desse método ao processamento do EHG, no qual foram realizados os ajustes necessários. Para comparar os espectros foram estudadas 8 distâncias diferentes: Itakura-Saito, COSH, Itakura, Itakura simétrica, Kullback-Leibler, Jeffrey, Rényi e Jensen-Rényi. Apenas as distâncias simétricas foram selecionadas para um estudo mais detalhado visto que estas são, segundo a literatura, as distâncias mais adequadas aquando do clustering. Após comparação das distâncias simétricas, a divergência de Jeffrey foi a selecionada para a comparação dos espectros. Nesta tese foram avaliados três métodos diferentes de clustering: o linkage, o K-means e o K-medoids. O linkage é um método hierárquico. Os clusters que resultam do agrupamento hierárquico estão organizados numa estrutura chamada dendrograma. No agrupamento hierárquico, não é necessário predeterminar o número de clusters, o que torna este um método ideal na exploração dos dados. O K-means e o K-medoids são métodos de partição, nos quais os dados são separados em k clusters decididos previamente. Os clusters são definidos de forma a otimizar a função da distância. No algoritmo K-means, os clusters baseiam-se na proximidade entre si de acordo com uma distância predeterminada. A diferença entre o K-medoids e o K-means é que o K-medoids escolhe pontos de dados como centros, chamados de medoides, enquanto K-means usa centróides. Após uma comparação dos diferentes métodos de clustering foi escolhido neste trabalho foi o average linkage, visto que este apresentava melhores resultados quer na separação dos espectros quer na silhueta. É então apresentado um método inovador no qual se utiliza todo o espectro das contrações detetadas automaticamente no EHG para o clustering não supervisionado. Esta técnica é uma contribuição para a classificação automática das diferentes contrações, especialmente aquelas mais reconhecidas na literatura: Alvarez e Braxton-Hicks. Era expectável encontrar um cluster isolado com as ondas LDBF, visto que estas representam um risco para o feto. O principal objetivo era juntar num cluster os espectros semelhantes das contrações, e relacioná-lo com o respetivo tipo de contração. Essa tarefa foi concluída através da identificação positiva de Alvarez e Braxton-Hicks. O clustering forneceu ainda algumas pistas sobre ondas Alvarez que não foram encontradas com o algoritmo de deteção de contrações, situação para a qual um método alternativo é apresentado. É sugerido que as ondas Alvarez sejam detetadas com métodos baseados na frequência, como, por exemplo, a frequência instantânea, no entanto este método não foi desenvolvido neste trabalho. Em relação às ondas LDBF, estas foram encontradas no cluster das Braxton-Hicks. É sugerido que a deteção das ondas LDBF seja baseada na sua caraterística mais distinta: a longa duração. Verificou-se que os casos pré-termo e os registos pré-parto não ficaram isolados num cluster, não se tendo encontrado uma relação entre a idade gestacional e o tipo de contração. Conclui-se que as contrações mais curtas apresentam maior amplitude do que as contrações com maior duração. Baseado em estudos anteriores sobre a eletrofisiologia do útero, supõem-se que o início do trabalho de parto pré-termo e termo esteja associado a sequências específicas de diferentes tipos de contrações, nas quais as ondas Alvares desempenham um papel importante. As contrações identificadas como Alvarez e Braxton-Hicks não são usadas como tal na prática clínica apesar de a maioria das contrações detetadas pelo tocograma serem Braxton-Hicks. O interesse pelas ondas Alvarez diminuiu rapidamente visto que estas ondas são praticamente indetetáveis pelo método de referência de deteção de contrações: o tocograma. As capacidades e a resolução do EHG levaram à renovação do estudo das contrações mais subtis, incluindo as Alvarez. Este trabalho é uma contribuição para a investigação nesta área.An innovative technique is introduced wherein where an unsupervised clustering method using as feature the whole spectrum of automatically detected contractions on the EHG (Electrohysterogram) is presented as a contribution to the automatic classification of the different uterine contractions, at least those that have been most recognized in the literature: Alvarez and Braxton-Hicks. It was expected to also be able to cluster the LDBF (Longue Durée Basse Fréquence) components, as these pose a fetal risk. The main task was to have the spectral contractions descriptions clustered and linked to the respective contraction type. That task was completed with positive identification of the Alvarez and Braxton-Hicks. The clustering process also provided clues regarding the missed Alvarez waves in the contraction detection algorithm, for which an alternative technique is suggested but not developed in this work. Regarding the LDBF they were found in the Braxton-Hicks cluster. It is suggested the LDBF´s to be detected based in their most prominent feature: the long duration. It is presented the rationale behind the selection of a cost function to be used in the spectral distance’s algorithm. Spectral distances have been successfully used in audio recognition and this works represents an application to the EHG processing, for which the necessary adjustments have to be implemented. It was found that no single cluster pointed to the preterm cases, or indeed to the pre-labor subject recordings. It is hypothesized, based on previous studies in uterine electrophysiology, that the initiation of pre-term or term labor should be associated with triggering contraction sequences of different types, where the Alvarez waves play a major role. Alvarez and Braxton-Hicks, labeled as such, are not typically used in the clinical environment despite most of the Tocogram detected contractions being the latter. Alvarez waves are not usually detectable by the Tocogram. Alvarez were firstly detected invasively in the early fifties, and Braxton-Hicks in 1872 using routine palpation techniques. The interest in Alvarez components declined rapidly since being practically undetectable by the de facto reference in the contraction detection: the Tocogram. The EHG capabilities and resolution made it possible to revive the research on the most subtle uterine contractions, Alvarez included and this work is a contribution in this research area

Classificação automática do sono: Contribuição utilizando distância de Itakura-Saito e Wavelets

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de ComputadoresA classificação do sono é, tipicamente, feita visualmente por especialistas. É um processo demorado, dispendioso e subjectivo mas muito importante por permitir analisar a estrutura de sono e diagnosticar os seus distúrbios. Este trabalho pretende ser uma contribuição para a classificação automática do sono, apenas com base numa derivação do electroencefalograma. É utilizada a distância espectral de Itakura-Saito para calcular a profundidade do sono e através da aplicação da Transformada Wavelet Contínua detectaram-se os fusos do sono. A problemática relativa ao uso de uma distância espectral entre um modelo e o espectro em estudo é abordada, assim como o cálculo do próprio modelo. Os resultados mostram que, calculando a profundidade do sono através da distância de Itakura-Saito (DIS) é possível classificar com grande eficiência o estado Acordado, N2 e N3. Embora os estados REM e N1 não se consigam classificar apenas com base na DIS eles não se confundem com nenhum dos restantes estados. A Transformada Wavelet também se mostrou bastante eficiente na detecção de fusos do sono embora por vezes ocorram falsos positivos e alguns fusos sejam excluídos devido aos critérios exigentes que foram aplicados. Uma interface para o utilizador (SleepLab), onde os procedimentos estão intuitivamente organizados, foi implementad

Speaker independent isolated word recognition

The work presented in this thesis concerns the recognition of isolated words using a pattern matching approach. In such a system, an unknown speech utterance, which is to be identified, is transformed into a pattern of characteristic features. These features are then compared with a set of pre-stored reference patterns that were generated from the vocabulary words. The unknown word is identified as that vocabulary word for which the reference pattern gives the best match. One of the major difficul ties in the pattern comparison process is that speech patterns, obtained from the same word, exhibit non-linear temporal fluctuations and thus a high degree of redundancy. The initial part of this thesis considers various dynamic time warping techniques used for normalizing the temporal differences between speech patterns. Redundancy removal methods are also considered, and their effect on the recognition accuracy is assessed. Although the use of dynamic time warping algorithms provide considerable improvement in the accuracy of isolated word recognition schemes, the performance is ultimately limited by their poor ability to discriminate between acoustically similar words. Methods for enhancing the identification rate among acoustically similar words, by using common pattern features for similar sounding regions, are investigated. Pattern matching based, speaker independent systems, can only operate with a high recognition rate, by using multiple reference patterns for each of the words included in the vocabulary. These patterns are obtained from the utterances of a group of speakers. The use of multiple reference patterns, not only leads to a large increase in the memory requirements of the recognizer, but also an increase in the computational load. A recognition system is proposed in this thesis, which overcomes these difficulties by (i) employing vector quantization techniques to reduce the storage of reference patterns, and (ii) eliminating the need for dynamic time warping which reduces the computational complexity of the system. Finally, a method of identifying the acoustic structure of an utterance in terms of voiced, unvoiced, and silence segments by using fuzzy set theory is proposed. The acoustic structure is then employed to enhance the recognition accuracy of a conventional isolated word recognizer

SleepLab V.2.0: plataforma integrada de teste de algoritmos para classificação não supervisionada do sono

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia BiomédicaO sono é definido como um estado inconsciente a partir do qual uma pessoa pode ser despertada por estímulos sensoriais ou outros. Como tal, é um processo fisiológico bem estruturado e organizado sendo visto como uma ferramenta fundamental no diagnóstico e investigação de distúrbios neurológicos. A maioria dos conhecimentos dos ritmos do sono obteve-se através da polissomnografia onde é registada uma sucessão de ondas cerebrais cíclicas de diferentes amplitudes e frequências, movimentos oculares e mudanças de tónus muscular. Assim, a classificação do sono é efectuada com base na inspecção visual do sinal electroencefalográfico rotulando-se cada época como um estado, sendo um processo demorado e dispêndioso. Este projecto é uma contribuição para a classificação automática do sono. Para tal, foi desenvolvida uma plataforma (SleepLab v.2.0), onde é possível efectuar o carregamento do sinal electroencefalográfico proveniente de alguns dos eléctrodos ou derivação recomendada pela AASM ou à escolha do utilizador, executando-se depois uma classificação automática do sono através da distância de Itakura-Saito e de Itakura e a detecção de fusos através da aplicação da Transformada Wavelet Contínua. Assim, quanto maior for a distância entre a época em análise e o template Acordado, num estado mais profundo do sono estará o paciente. Com este trabalho pretende-se contribuir para o desenvolvimento de uma ferramenta capaz de classificar o sono sem supervisão, evitando-se o dispêndio de tempo em tal tarefa e obtendo-se uma eficácia superior em relação às existentes actualmente. Posto isto, a plataforma existente alia o campo da medicina do sono à investigação científica, permitindo uma visualização de sinais em intervalos de tempo à escolha, análise de sinais unipolares ou de derivações e ainda estudo de neuropatologias que são identificáveis com o sono. Como tal, trata-se de uma plataforma de desenvolvimento aberta a novas adições em termos de algoritmos e opçõe

Electrohysterogram signal component cataloging with spectral and time-frequency methods

The Electrohysterogram (EHG) is a new instrument for pregnancy monitoring. It measures the uterine muscle electrical signal, which is closely related with uterine contractions. The EHG is described as a viable alternative and a more precise instrument than the currently most widely used method for the description of uterine contractions: the external tocogram. The EHG has also been indicated as a promising tool in the assessment of preterm delivery risk. This work intends to contribute towards the EHG characterization through the inventory of its components which are: • Contractions; • Labor contractions; • Alvarez waves; • Fetal movements; • Long Duration Low Frequency Waves; The instruments used for cataloging were: Spectral Analysis, parametric and non-parametric, energy estimators, time-frequency methods and the tocogram annotated by expert physicians. The EHG and respective tocograms were obtained from the Icelandic 16-electrode Electrohysterogram Database. 288 components were classified. There is not a component database of this type available for consultation. The spectral analysis module and power estimation was added to Uterine Explorer, an EHG analysis software developed in FCT-UNL. The importance of this component database is related to the need to improve the understanding of the EHG which is a relatively complex signal, as well as contributing towards the detection of preterm birth. Preterm birth accounts for 10% of all births and is one of the most relevant obstetric conditions. Despite the technological and scientific advances in perinatal medicine, in developed countries, prematurity is the major cause of neonatal death. Although various risk factors such as previous preterm births, infection, uterine malformations, multiple gestation and short uterine cervix in second trimester, have been associated with this condition, its etiology remains unknown [1][2][3]

Low-complexity algorithms for automatic detection of sleep stages and events for use in wearable EEG systems

Objective: Diagnosis of sleep disorders is an expensive procedure that requires performing a sleep study, known as polysomnography (PSG), in a controlled environment. This study monitors the neural, eye and muscle activity of a patient using electroencephalogram (EEG), electrooculogram (EOG) and electromyogram (EMG) signals which are then scored in to different sleep stages. Home PSG is often cited as an alternative of clinical PSG to make it more accessible, however it still requires patients to use a cumbersome system with multiple recording channels that need to be precisely placed. This thesis proposes a wearable sleep staging system using a single channel of EEG. For realisation of such a system, this thesis presents novel features for REM sleep detection from EEG (normally detected using EMG/EOG), a low-complexity automatic sleep staging algorithm using a single EEG channel and its complete integrated circuit implementation. Methods: The difference between Spectral Edge Frequencies (SEF) at 95% and 50% in the 8-16 Hz frequency band is shown to have high discriminatory ability for detecting REM sleep stages. This feature, together with other spectral features from single-channel EEG are used with a set of decision trees controlled by a state machine for classification. The hardware for the complete algorithm is designed using low-power techniques and implemented on chip using 0.18μm process node technology. Results: The use of SEF features from one channel of EEG resulted in 83% of REM sleep epochs being correctly detected. The automatic sleep staging algorithm, based on contextually aware decision trees, resulted in an accuracy of up to 79% on a large dataset. Its hardware implementation, which is also the very first complete circuit level implementation of any sleep staging algorithm, resulted in an accuracy of 98.7% with great potential for use in fully wearable sleep systems.Open Acces