A Combinatorial Deep Learning Structure for Precise Depth of Anesthesia Estimation From EEG Signals

脑电图 脑电双频指数 计算机科学 卷积神经网络 镇静 人工智能 深度学习 均方误差 模式识别(心理学) 麻醉 医学 数学 统计 精神科
作者
Sara Afshar,Reza Boostani,Saeid Sanei
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (9): 3408-3415 被引量:55
标识
DOI:10.1109/jbhi.2021.3068481
摘要

Electroencephalography (EEG) is commonly used to measure the depth of anesthesia (DOA) because EEG reflects surgical pain and state of the brain. However, precise and real-time estimation of DOA index for painful surgical operations is challenging due to problems such as postoperative complications and accidental awareness. To tackle these problems, we propose a new combinatorial deep learning structure involving convolutional neural networks (inspired by the inception module), bidirectional long short-term memory, and an attention layer. The proposed model uses the EEG signal to continuously predicts the bispectral index (BIS). It is trained over a large dataset, mostly from those under general anesthesia with few cases receiving sedation/analgesia and spinal anesthesia. Despite the imbalance distribution of BIS values in different levels of anesthesia, our proposed structure achieves convincing root mean square error of 5.59 ± 1.04 and mean absolute error of 4.3 ± 0.87, as well as improvement in area under the curve of 15% on average, which surpasses state-of-the-art DOA estimation methods. The DOA values are also discretized into four levels of anesthesia and the results demonstrate strong inter-subject classification accuracy of 88.7% that outperforms the conventional methods.
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