A novel, fast and efficient single-sensor automatic sleep-stage classification based on complementary cross-frequency coupling estimates

计算机科学 朴素贝叶斯分类器 人工智能 脑电图 分类器(UML) 睡眠阶段 交叉验证 可穿戴计算机 模式识别(心理学) 语音识别 多导睡眠图 支持向量机 心理学 精神科 嵌入式系统
作者
Stavros I. Dimitriadis,Christos Salis,David E.J. Linden
出处
期刊:Clinical Neurophysiology [Elsevier BV]
卷期号:129 (4): 815-828 被引量:58
标识
DOI:10.1016/j.clinph.2017.12.039
摘要

Limitations of the manual scoring of polysomnograms, which include data from electroencephalogram (EEG), electro-oculogram (EOG), electrocardiogram (ECG) and electromyogram (EMG) channels have long been recognized. Manual staging is resource intensive and time consuming, and thus considerable effort must be spent to ensure inter-rater reliability. As a result, there is a great interest in techniques based on signal processing and machine learning for a completely Automatic Sleep Stage Classification (ASSC). In this paper, we present a single-EEG-sensor ASSC technique based on the dynamic reconfiguration of different aspects of cross-frequency coupling (CFC) estimated between predefined frequency pairs over 5 s epoch lengths. The proposed analytic scheme is demonstrated using the PhysioNet Sleep European Data Format (EDF) Database with repeat recordings from 20 healthy young adults. We validate our methodology in a second sleep dataset. We achieved very high classification sensitivity, specificity and accuracy of 96.2 ± 2.2%, 94.2 ± 2.3%, and 94.4 ± 2.2% across 20 folds, respectively, and also a high mean F1 score (92%, range 90–94%) when a multi-class Naive Bayes classifier was applied. High classification performance has been achieved also in the second sleep dataset. Our method outperformed the accuracy of previous studies not only on different datasets but also on the same database. Single-sensor ASSC makes the entire methodology appropriate for longitudinal monitoring using wearable EEG in real-world and laboratory-oriented environments.

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