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Global Field Time-Frequency Representation-Based Discriminative Similarity Analysis of Passive Auditory ERPs for Diagnosis of Disorders of Consciousness

判别式 人工智能 脑电图 支持向量机 模式识别(心理学) 持续植物状态 最小意识状态 清醒 神经生理学 计算机科学 相似性(几何) 语音识别 事件相关电位 接收机工作特性 心理学 机器学习 意识 神经科学 图像(数学)
作者
Xiaoyu Wang,Yi Yang,Geoffrey Laforge,Xueling Chen,Loretta Norton,Adrian M. Owen,Jianghong He,Fengyu Cong
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (6): 1820-1830 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tbme.2024.3353110
摘要

Behavioural diagnosis of patients with disorders of consciousness (DOC) is challenging and prone to inaccuracies. Consequently, there have been increased efforts to develop bedside assessment based on EEG and event-related potentials (ERPs) that are more sensitive to the neural factors supporting conscious awareness. However, individual detection of residual consciousness using these techniques is less established. Here, we hypothesize that the cross-state similarity (defined as the similarity between healthy and impaired conscious states) of passive brain responses to auditory stimuli can index the level of awareness in individual DOC patients. To this end, we introduce the global field time-frequency representation-based discriminative similarity analysis (GFTFR-DSA). This method quantifies the average cross-state similarity index between an individual patient and our constructed healthy templates using the GFTFR as an EEG feature. We demonstrate that the proposed GFTFR feature exhibits superior within-group consistency in 34 healthy controls over traditional EEG features such as temporal waveforms. Second, we observed the GFTFR-based similarity index was significantly higher in patients with a minimally conscious state (MCS, 40 patients) than those with unresponsive wakefulness syndrome (UWS, 54 patients), supporting our hypothesis. Finally, applying a linear support vector machine classifier for individual MCS/UWS classification, the model achieved a balanced accuracy and F1 score of 0.77. Overall, our findings indicate that combining discriminative and interpretable markers, along with automatic machine learning algorithms, is effective for the differential diagnosis in patients with DOC. Importantly, this approach can, in principle, be transferred into any ERP of interest to better inform DOC diagnoses.
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