基于CNN的SEEG/EEG脑电数据处理分析

时间:2024-03-29 22:15:35

自从AlexNet 神经网络问世以来,Convolutional Neural Network(CNN)是深度学习领域璀璨的明星之一。特别是Computer Vision(CV)领域。基本上CV领域的大多数的任务都是基于CNN神经网络。 当然最近又兴起了GCN。 但是从数学上讲GCN是CNN的一种推广。这个暂时不进行详细的讨论。事实上不仅仅在处理图片这种数据需要用到CNN神经网络。更一般的来说涉及到空间数据处理时使用CNN都是一个不错的选择。CNN更能够捕捉到空间之间相互关联的信息,在图像上表示的是不同坐标像素之间的关系。更加抽象一点的是特征之间的关联。因此CNN在图像识别等领域获得了巨大的成功。

脑电图、脑波图是透过医学仪器脑电图描记仪,将人体脑部自身产生的微弱生物电头皮处收集,并放大记录而得到的曲线图。脑电图用于辅助诊断脑部相关疾病,但因为其易受到干扰,且包含大量噪声。因此对EEG数据的处理在EEG数据分析中占有重要地位。脑电数据处理的常见方法有时频分析、频域分析、高阶谱分析、非线性分析等方法。其中对于对于人体脑电有以下的划分,以及各个不同频率脑电之间的差异:

基于CNN的SEEG/EEG脑电数据处理分析

很多人对于脑电数据研究更加的侧重于时序的研究, 这个也仅仅是一个研究方面。我目前主要的研究对象是患有睡眠癫痫的病人,数据是SEEG数据。

立体脑电图(SEEG)是通过深度电极(手术植入脑组织的电极)记录脑电图信号。它可用于对药物治疗无反应的癫痫患者,以及可能接受脑部手术以控制癫痫发作的患者。它也可以用于研究,从大脑的特定区域收集神经数据,例如从听觉皮层收集神经数据,用于听觉刺激重建。这项技术在20世纪下半叶被法国巴黎圣安医院引入癫痫患者的诊断工作中。脑内电极被放置在所需的大脑区域内,以记录癫痫发作期间的电活动,从而有助于精确地定义“癫痫发生区”的边界,即产生癫痫发作的大脑区域,该区域应最终通过手术切除以实现免于癫痫发作。该手术的潜在风险(不到1%)包括脑出血和感染,这可能导致永久性神经损伤或死亡。因此,立体脑电图被保留给选定的特别复杂的癫痫病例。

利用SEEG的数据可以研究大脑的各个功能区之间的关联程度,即癫痫对于不同的功能区的影响程度。其中SEEG数据的信号采集是由众多的侵入式的电击构成,其深入到了大脑内部,数量大概有100-200个。医生会根据不同区域发生异常放电的概率大小来决定植入电极多少。对于异常放电的区域称为癫痫的病灶。我们要先对数据进行预处理,使得其能够被神经网络处理。首先这里的每一个电极都是有物理坐标的。我们可以根据坐标来获取一个一维序列,这个序列满足以下条件:

  1. 序列的任意两个相邻的电极一定是物理位置最接近的。
  2. 序列的灰质和白质分开计算,最后要做一个拼接。之所以分开是考虑到癫痫有其经常发作的大脑区域。

获取这样序列后,我们可以对于每一个电极取一t的时间窗口。这样我们可以构成一个矩阵,这个矩阵纵坐标是电极序列,横坐标是时间。我们就可以使用CNN来进行训练使用监督学习,我们的任务可以分为两个状态:癫痫发作前的睡眠, 正常睡眠。 我们选择睡眠是因为睡眠的时候脑电数据比较干净,其他干扰较少。实验结果如下:

基于CNN的SEEG/EEG脑电数据处理分析

最后我们的实验取得了97.7%的成绩。我们的训练集和测试集的划分是按照全部的7:3来划分。因此给出任意的一个睡眠脑电片段,按照我们方法处理都有了比较高的识别率。我的代码已经开源到了GitHub上,如果有人感兴趣可以和我作进一步交流。