Performance metrics for the accurate characterisation of interictal spike detection algorithms.

Accepted versio

Towards developing a reliable medical device for automated epileptic seizure detection in the ICU

Abstract. Epilepsy is a prevalent neurological disorder that affects millions of people globally, and its diagnosis typically involves laborious manual inspection of electroencephalography (EEG) data. Automated detection of epileptic seizures in EEG signals could potentially improve diagnostic accuracy and reduce diagnosis time, but there should be special attention to the number of false alarms to reduce unnecessary treatments and costs. This research presents a study on the use of machine learning techniques for EEG seizure detection with the aim of investigating the effectiveness of different algorithms in terms of high sensitivity and low false alarm rates for feature extraction, selection, pre-processing, classification, and post-processing in designing a medical device for detecting seizure activity in EEG data. The current state-of-the-art methods which are validated clinically using large amounts of data are introduced. The study focuses on finding potential machine learning methods, considering KNN, SVM, decision trees and, Random forests, and compares their performance on the task of seizure detection using features introduced in the literature. Also using ensemble methods namely, bootstrapping and majority voting techniques we achieved a sensitivity of 0.80 and FAR/h of 2.10, accuracy of 97.1% and specificity of 98.2%. Overall, the findings of this study can be useful for developing more accurate and efficient algorithms for EEG seizure detection medical device, which can contribute to the early diagnosis and treatment of epilepsy in the intensive care unit for critically ill patients

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

Feature analysis of functional MRI data for mapping epileptic networks

Issued as final reportUniversity of Pennsylvani