Design of a Simulator for Neonatal Multichannel EEG: Application to Time-Frequency Approaches for Automatic Artifact Removal and Seizure Detection

The electroencephalogram (EEG) is used to noninvasively monitor brain activities; it is the most utilized tool to detect abnormalities such as seizures. In recent studies, detection of neonatal EEG seizures has been automated to assist neurophysiologists in diagnosing EEG as manual detection is time consuming and subjective; however it still lacks the necessary robustness that is required for clinical implementation. Moreover, as EEG is intended to record the cerebral activities, extra-cerebral activities external to the brain are also recorded; these are called “artifacts” and can seriously degrade the accuracy of seizure detection. Seizures are one of the most common neurologic problems managed by hospitals occurring in 0.1%-0.5% livebirths. Neonates with seizures are at higher risk for mortality and are reported to be 55-70 times more likely to have severe cerebral-palsy. Therefore, early and accurate detection of neonatal seizures is important to prevent long-term neurological damage. Several attempts in modelling the neonatal EEG and artifacts have been done, but most did not consider the multichannel case. Furthermore, these models were used to test artifact or seizure detection separately, but not together. This study aims to design synthetic models that generate clean or corrupted multichannel EEG to test the accuracy of available artifact and seizure detection algorithms in a controlled environment. In this thesis, synthetic neonatal EEG model is constructed by using; single-channel EEG simulators, head model, 21-electrodes, and propagation equations, to produce clean multichannel EEG. Furthermore, neonatal EEG artifact model is designed using synthetic signals to corrupt EEG waveforms. After that, an automated EEG artifact detection and removal system is designed in both time and time-frequency domains. Artifact detection is optimised and removal performance is evaluated. Finally, an automated seizure detection technique is developed, utilising fused and extended multichannel features along a cross-validated SVM classifier. Results show that the synthetic EEG model mimics real neonatal EEG with 0.62 average correlation, and corrupted-EEG can degrade seizure detection average accuracy from 100% to 70.9%. They also show that using artifact detection and removal enhances the average accuracy to 89.6%, and utilising the extended features enhances it to 97.4% and strengthened its robustness.لمراقبة ورصد أنشطة واشارات المخ، دون الحاجة لأي عملیات (EEG) یستخدم الرسم أو التخطیط الكھربائي للدماغ للدماغجراحیة، وھي تعد الأداة الأكثر استخداما في الكشف عن أي شذوذأو نوبات غیر طبیعیة مثل نوبات الصرع. وقد أظھرت دراسات حدیثة، أن الكشف الآلي لنوبات حدیثي الولادة، ساعد علماء الفسیولوجیا العصبیة في تشخیص الاشارات الدماغیة بشكل أكبر من الكشف الیدوي، حیث أن الكشف الیدوي یحتاج إلى وقت وجھد أكبر وھوذو فعالیة أقل بكثیر، إلا أنھ لا یزال یفتقر إلى المتانة الضروریة والمطلوبة للتطبیق السریري.علاوة على ذلك؛ فكما یقوم الرسم الكھربائي بتسجیل الأنشطة والإشارات الدماغیة الداخلیة، فھو یسجل أیضا أي نشاط أو اشارات خارجیة، مما یؤدي إلى -(artifacts) :حدوث خلل في مدى دقة وفعالیة الكشف عن النوبات الدماغیة الداخلیة، ویطلق على تلك الاشارات مسمى (نتاج صنعي) . 0.5٪ولادة حدیثة في -٪تعد نوبات الصرع من أكثر المشكلات العصبیة انتشارا،ً وھي تصیب ما یقارب 0.1المستشفیات. حیث أن حدیثي الولادة المصابین بنوبات الصرع ھم أكثر عرضة للوفاة، وكما تشیر التقاریر الى أنھم 70مرة أكثر. لذا یعد الكشف المبكر والدقیق للنوبات الدماغیة -معرضین للإصابة بالشلل الدماغي الشدید بما یقارب 55لحدیثي الولادة مھم جدا لمنع الضرر العصبي على المدى الطویل. لقد تم القیام بالعدید من المحاولات التي كانتتھدف الى تصمیم نموذج التخطیط الكھربائي والنتاج الصنعي لدماغ حدیثي الولادة, إلا أن معظمھا لم یعر أي اھتمام الى قضیة تعدد القنوات. إضافة الى ذلك, استخدمت ھذه النماذج , كل على حدة, أو نوبات الصرع. تھدف ھذه الدراسة الى تصمیم نماذج مصطنعة من شأنھا (artifact) لإختبار كاشفات النتاج الصنعيأن تولد اشارات دماغیة متعددة القنوات سلیمة أو معطلة وذلك لفحص مدى دقة فعالیة خوارزمیات الكشف عن نوبات ضمن بیئة یمكن السیطرة علیھا. (artifact) الصرع و النتاج الصنعي في ھذه الأطروحة, یتكون نموذج الرسم الكھربائي المصطنع لحدیثي الولادة من : قناة محاكاة واحده للرسم الكھربائي, نموذج رأس, 21قطب كھربائي و معادلات إنتشار. حیث تھدف جمیعھا لإنتاج إشاراة سلیمة متعدده القنوات للتخطیط عن طریق استخدام اشارات مصطنعة (artifact) الكھربائي للدماغ.علاوة على ذلك, لقد تم تصمیم نموذجالنتاج الصنعيفي نطاقالوقت و (artifact) لإتلاف الرسم الكھربائي للدماغ. بعد ذلك تم انشاء برنامج لكشف و إزالةالنتاج الصناعينطاقالوقت و التردد المشترك. تم تحسین برنامج الكشف النتاج الصناعيالى ابعد ما یمكن بینما تمت عملیة تقییم أداء الإزالة. وفي الختام تم التمكن من تطویر تقنیة الكشف الآلي عن نوبات الصرع, وذلك بتوظیف صفات مدمجة و صفات الذي تم التأكد من صحتھ. (SVM) جدیدة للقنوات المتعددة لإستخدامھا للمصنفلقد أظھرت النتائج أن نموذج الرسم الكھربائي المصطنع لحدیثي الولادة یحاكي الرسمالكھربائي الحقیقي لحدیثي الولادة بمتوسط ترابط 0.62, و أنالرسم الكھربائي المتضرر للدماغ قد یؤدي الى حدوث ھبوطفي مدى دقة متوسط الكشف عن نوبات الصرع من 100%الى 70.9%. وقد أشارت أیضا الى أن استخدام الكشف والإزالة عن النتاج الصنعي (artifact) یؤدي الى تحسن مستوى الدقة الى نسبة 89.6 %, وأن توظیف الصفات الجدیدة للقنوات المتعددة یزید من تحسنھا لتصل الى نسبة 94.4 % مما یعمل على دعم متانتھا

Automatic Detection of Epileptic Seizures in Neonatal Intensive Care Units through EEG, ECG and Video Recordings: A Survey

In Neonatal Intensive Care Units (NICUs), the early detection of neonatal seizures is of utmost importance for a timely, effective and efficient clinical intervention. The continuous video electroencephalogram (v-EEG) is the gold standard for monitoring neonatal seizures, but it requires specialized equipment and expert staff available 24/24h. The purpose of this study is to present an overview of the main Neonatal Seizure Detection (NSD) systems developed during the last ten years that implement Artificial Intelligence techniques to detect and report the temporal occurrence of neonatal seizures. Expert systems based on the analysis of EEG, ECG and video recordings are investigated, and their usefulness as support tools for the medical staff in detecting and diagnosing neonatal seizures in NICUs is evaluated. EEG-based NSD systems show better performance than systems based on other signals. Recently ECG analysis, particularly the related HRV analysis, seems to be a promising marker of brain damage. Moreover, video analysis could be helpful to identify inconspicuous but pathological movements. This study highlights possible future developments of the NSD systems: a multimodal approach that exploits and combines the results of the EEG, ECG and video approaches and a system able to automatically characterize etiologies might provide additional support to clinicians in seizures diagnosis

AR2, a novel automatic muscle artifact reduction software method for ictal EEG interpretation: Validation and comparison of performance with commercially available software.

Objective: To develop a novel software method (AR2) for reducing muscle contamination of ictal scalp electroencephalogram (EEG), and validate this method on the basis of its performance in comparison to a commercially available software method (AR1) to accurately depict seizure-onset location. Methods: A blinded investigation used 23 EEG recordings of seizures from 8 patients. Each recording was uninterpretable with digital filtering because of muscle artifact and processed using AR1 and AR2 and reviewed by 26 EEG specialists. EEG readers assessed seizure-onset time, lateralization, and region, and specified confidence for each determination. The two methods were validated on the basis of the number of readers able to render assignments, confidence, the intra-class correlation (ICC), and agreement with other clinical findings. Results: Among the 23 seizures, two-thirds of the readers were able to delineate seizure-onset time in 10 of 23 using AR1, and 15 of 23 using AR2 (