شماره ركورد
33688
پديد آورنده
علي هدايتي
عنوان
پيش بيني تشنج هاي صرعي بر اساس سيگنال هاي الكتروانسفالوگرافي با استفاده از شبكه هاي عصبي عميق و مكانيسم توجه
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي پزشكي - بيوالكتريك
سال تحصيل
1401
تاريخ دفاع
1404/06/18
استاد راهنما
عباس عرفانيان اميدوار
استاد مشاور
ندارد
دانشكده
مهندسي برق
چكيده
صرع يكي از شايعترين اختلالات عصبي است كه بخش قابلتوجهي از بيماران آن نسبت به دارو مقاوم بوده و همچنان دچار حملات ناگهاني تشنج ميشوند. وقوع پيشبينينشدهي تشنج، علاوه بر خطرات جسمي و رواني، كيفيت زندگي بيماران را بهشدت كاهش ميدهد. ازاينرو، توسعهي سامانههاي هوشمند براي پيشبيني زودهنگام تشنج مبتني بر سيگنال EEG يكي از چالشهاي مهم علوم اعصاب محاسباتي به شمار ميرود.
در اين پژوهش، چارچوبي سهشاخهاي مبتني بر يادگيري عميق طراحي شد كه تركيبي از شبكههاي كانولوشني (CNN) براي استخراج ويژگيهاي محلي، شبكههاي گراف كانولوشني (GCN) براي مدلسازي روابط توپولوژيك بين كانالهاي EEG، و ويژگيهاي مبتني بر ماتريسهاي كوواريانس براي نمايش هندسي دادهها در فضاي ريماني را در بر ميگيرد. استفاده از مكانيسم توجه متقاطع و شبكه كوتاه مدت طولاني دوطرفه براي مدل كردن وابستگي هاي زماني، در ادامه مدل ما را تكميل كرد. دادههاي EEG از پايگاه CHB-MIT شامل 19 بيمار، 528.1 ساعت ركورد و 99 تشنج معتبر استفاده شد. در پيشپردازش، بازههاي 15 دقيقه پيش از هر تشنج بهعنوان پرياكتال و بازه هاي دور از تشنج را(با كنارگذاري 30 دقيقه قبل و بعد) بهعنوان اينتراكتال براي جلوگيري از دخالت سيگنال هاي تزديك به تشنج، انتخاب شد. سيگنالها به پنجرههاي 5 ثانيه با همپوشاني 50 درصد تقسيم و با استفاده از نمونه برداري كاهشي تعادل بين كلاسها برقرار شد.
نتايج در سه رويكرد اصلي گزارش شد. در آموزش مخصوص بيمار با اعتبارسنجي 5 بخشي، ميانگين عملكرد بين بيماران به صورت دقت 1.35±97.37، حساسيت 1.44±97.44، ويژگي 1.34±97.61، صحت 1.38±97.63، امتياز اف يك 1.36±97.50 و مساحت زير نمودار 0.006±0.974حاصل شد. در آموزش عمومي، دقت 4.92±85.81، حساسيت 6.53±80.47، ويژگي 2.94±91.15، صحت 5.24±80.92، امتياز اف يك 5.77±80.6 و مساحت زير نمودار0.041±0.861 حاصل شد. نهايتاً در ارزيابي رويدادمحور، از 99 تشنج، 97 مورد بهدرستي پيشبيني شد و به حساسيت 4.66±98.46 و نرخ پيش بيني نادرست 0.049رسيديم. همچنين بهترين توازن را در ميان ارزيابي هاي صورت گرفته با طول پنجره هاي 2، 3 و 5 ثانيه اي هركدام با همپوشاني 50 درصد، پنجره 5 ثانيه اي بدست آورد. در ادامه نشان داده شد طول پري اكتال 15 دقيقه اي و كنار گذاشتن 30 دقيقه قبل و بعد تشنج و در نظر گرفتن باقي سيگنال به عنوان اينتراكتال ميتواند بهتر از مقادير گزارش شده توسط مقالات كه بازه هاي 30 تا 60 دقيقه را به عنوان پري اكتال در نظر گرفتند و 60 تا 240 دقيقه را كنار گذاشتند تا اينتراكتال را تعريف كنند، عمل كند.
اين نتايج بيانگر آن است كه تركيب سه شاخه CNN، GCN و Tangent همراه با پيشپردازش دقيق و متوازنسازي دادهها ميتواند مدلي دقيق، پايدار و تعميمپذير براي پيشبيني تشنج ارائه كند و زمينهساز توسعهي سامانههاي باليني و ابزارهاي پوشيدني پايش بيماران صرعي باشد.
تاريخ ورود اطلاعات
1404/06/31
عنوان به انگليسي
Prediction of Epileptic Seizures based on EEG Signals using Deep Neural Networks and Attention Mechanism
تاريخ بهره برداري
9/9/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
علي هدايتي
چكيده به لاتين
Epilepsy is one of the most prevalent neurological disorders, with a significant proportion of patients remaining drug-resistant and experiencing unpredictable seizures. The sudden onset of seizures not only imposes severe physical and psychological risks but also drastically reduces quality of life. Therefore, developing intelligent EEG-based seizure prediction systems has become a crucial challenge in computational neuroscience.
In this study, we designed a three-branch deep learning framework that integrates Convolutional Neural Networks (CNNs) for capturing local spatial patterns, Graph Convolutional Networks (GCNs) for modeling topological relationships among EEG channels, and Tangent-space representations for embedding covariance features in a Riemannian geometry space. EEG data were obtained from the CHB-MIT database, including 19 patients, 528.1 hours of recordings, and 99 valid seizures. Preprocessing involved defining 15-minute preictal intervals prior to each seizure and interictal segments away from seizures (excluding 30 minutes before and after). Signals were segmented into 5-second windows with 50% overlap, and undersampling was applied to balance the classes.
The framework was evaluated under three scenarios. In patient-specific 5-fold validation, the mean (±SD across patients) was Accuracy = 97.37 ± 1.35%, Sensitivity = 97.44 ± 1.44%, Specificity = 97.61 ± 1.34%, Precision = 97.63 ± 1.38%. In generalized training with LOOCV, macro averages were Accuracy = 85.81 ± 4.92%, Sensitivity = 80.47 ± 6.53%, Specificity = 91.15 ± 2.94%, Precision = 80.92 ± 5.24%. In the event-based LOSO evaluation, 97 out of 99 seizures were correctly predicted (Sn = 98.48%, AUC = 0.951, FPR/h = 0.049).
These findings demonstrate that the integration of CNN, GCN, and Tangent-space branches, combined with rigorous preprocessing and data balancing, can deliver a highly accurate, stable, and generalizable framework for seizure prediction. The proposed approach holds strong potential for future deployment in clinical systems and wearable EEG-based monitoring devices.
In future research, the use of other types of attention mechanisms and related techniques, as well as different graph networks and different graph construction methods, can also be considered.
In conclusion, the proposed three-branch deep learning framework represents an important step forward in EEG-based seizure prediction, bridging methodological advances in deep learning with the pressing clinical need for reliable seizure forecasting. With further refinement and validation, it holds significant potential for improving patient outcomes and enabling proactive, personalized epilepsy management.
كليدواژه هاي فارسي
پيش بيني تشنج صرعي , صرع , يادگيري عميق , مكانيسم توجه , الكتروانسفالوگرام
كليدواژه هاي لاتين
seizure prediction , deep learning , seizure , attention mechanism , cross attention , graph convolutional network
Author
Ali Hedayati
SuperVisor
Abbas Erfanian Omidvar