CC BY
17
Visnyk N'l'UU KP1 Seriia Radiolekhnika tiadioaparatobuduummia, "2017, Iss. 68, pp. 54—58
УДК 621.391
Пор1вняння результатов прогнозування епшептичних напад!в при використанш pi3Hnx
схем вщведення ЕЕГ
Пангчев О. Ю.1, Попов А. О.1, Харитонов В. I. 2
1Нацшнальний техшчний ушверситет Украши "Кшвський пол!техшчний ¡еститут ¡мен! Ггоря С!корського"
2ТМО "Псих1атр1я", м. Кшв
E-mail: ohg.panichev&ukr.пеI.
Робота присвячепа досл1джешпо впливу схеми в1дведеппя сигналу електроепцефалограми (ЕЕГ) з реферептпим електродом па шолатералыюму вуо та з усередпепим референтом па ефектившсть прогпозуваппя ешлептичпих папад!в при змии довжшш в!кпа апал!зу ЕЕГ та довжиш прешталыюго перюду. Визпачепо. що для частшш пац1епт!в (9 з 20-тп) використаш1я схеми в!дведепь з реферептпим електродом па шолатералыюму вуо дае б1лын висок! результати при використапш довжип в!кпа апал!зу ЕЕГ в!д 2 до 10 секунд i для Bcix зпачепь довжшш прешталыюго перюду. При довжиш в!кпа в!д 90 до 300 секунд б1лын ефективпою е схема з усередпепим референтом.
Клюноог слова: ешлепоя: ешлептичш напади: корелящя: електроепцефалограф!я: ЕЕГ: прогпозуваш1я папад1в: схема в1дведеппя
Вступ
Епшепая одно з найбшын розповсюджених невролоичних захворювань. на яке страждае понад одного вщсотка людей у свт. Приблизно третина хворнх мае стшку до медикаментозного лшування форму отлепа!. Для таких пащятв може бути запропоновано х1рурпчно втручання або встановле-ння 1мпланту задля електрично! стимулящ! головного мозку. що для багатьох пащятв призводить до зменшення або позбавлення вщ епшептичних напад1в [1.2]. Напрямок електрично! стимулягщ на-бувае свого розвитку. 1 тому кнуе нообхщшеть в покращонш методично! та алгоритхнчнем бази для покрагцення показнишв запоб1гання ошлоптичним нападам [3.4]. Одним з таких напрямшв с прогнозування епшептичних напад1в. що дозволить адапту-вати параметри електричио! стимулящ! при набли-жонш нападу. Прогнозування епшептичних напад1в зазвичай зд1йсшоб:ться на основ1 анал1зу електроен-цефалограм (ЕЕГ) та представляеться як проблема класифжащь Сигнал умовно роздшяеться на два класи задовго до нападу та перед нападом. Вже запропоновано велику кшьккть мотод1в прогнозування ошлоптичних напад1в [5 7]. Одним з мал од о-слщжених питань е вплив обрати схеми вщведень ЕЕГ на ефектившсть прогнозування епшептичних напад1в. Метою дано! роботи с пор1вняння ефектив-носп прогнозування ошлоптичних напад1в при використанш схеми з монополярним шешаторалышм вщведенням та схеми з усородноним референтом.
Ефектившсть прогнозування дослщжена з вико-ристанням запийв ЕЕГ пащятв та пащенток з гснерал1зованими та фокалышми нападами.
1 Мозкова актившеть при еш-лепеп та ТТ реестращя
Епшепйя супроводжусться ешлептичними нападами. якь в залежносп вщ форми спшепЙ1. мають р1зш прояви вщ малопомтшх до втрати евщомо-сп та судом. Раптовшть напад1в часто унеможлив-люе безпосереднс спосторожоння нападу лшарем. саме тому електроенцефалограф1я с невщ'емною складовою д1агностики ошлопЙ1 та мошторингу ходу лшування. В бшыносп випадшв сигнал ЕЕГ людини. що страждас на опшопйю. мктить хара-ктерш ознаки хйж та шд час епшептичних напад1в. До таких озиак вщносяться високо-амшптудш иизь-кочастотш коливання та комплокси спайк-хвиля (рис. 1). При електроенцефалограф11 результатом втирювання електричних потенщал1в мозку с оло-ктроенцефалограма багатоканалышй сигнал, для ресстращ! якого розмщуеться наб1р електрод1в на поверхн1 голови або мозку. Загалыгоприйнятою схемою розмщоння електрод1в с схема 10/20 (рис. 2) [8].
Елоктроонцофалограма може бути зароестрова-на у двох основних схемах в1дведень (б1полярна. монополярна) [9]. причому монополярна схема вщ-водонь може бути заресстрована р1зними способами
11оршия1шя розультатш ирошозуваиия ошлоитичиих иаиадш ири використаиш ркших схем шдводоиия ЕЕГ
55
в заложноста в1д того, який олоктрод було обрано в якоста референтного. Референтний олоктрод можо бути розмщено на пм'!. ной. вухах тощо [10]. При розмщенш рофоронта на вухах використовуеться два рофоронтш олоктроди 1 кожон канал ЕЕГ вимь рюеться як ргашця потенгцал1в хйж олоктродом над мозком та олоктродом на вуй з тМ' ж само! сторони голови (рофоронтний олоктрод на шйлаторальному вуй) або з протиложнсм сторони (рофоронтний олоктрод на контралаторальному вуй). Також в ро„ш рофоронта можо виступати усородноний сигнал з уйх канал1в такий рофоронт називаеться усоре-дноним.
Рис. 1. Сигнал ЕЕГ. гцо мктить початок ошлепти-чного нападу
вух або соскопод1бного вщюстка. Цо надае змогу в подалыному програмно порорахувати зароестроваш сигнали ЕЕГ в шшу схему вщведень. В залежносп ввд обрано! схеми ввдведень. одш й та сахп процсси головного мозку в сигнал! ЕЕГ мають р1зний вигляд (рис. 3). 1 тому методики анатзу сигнатв повинш бути адаптованими до обрано! схеми вщводень.
Рис. 3. Електроенцефалограма при використанш: а) бшолярнсм та б) монополярио! схеми ввдведень
Також в схом1 реестращ! ЕЕГ зазвичай прису-тне коло зворотного зв'язку. в якому до тша па-щента кршиться олоктрод змщення (нейтралышй олоктрод. X), гцо забезпечуе зменшення синфазного шуму.
2 Принципи розрахунку кана-л1в ЕЕГ
При реестращ! ЕЕГ з монополярною схемою з референтним олоктродом на шйлаторальному вуй канали сигналу мають вигляд Рр1-А1, 02-А2 \ т.п., до А1 та А2 - позищ1 референтшх електрод1в на ль вому та правому вуй ввдповвдно. Для забезпечення можливоста перерахунку такого сигналу до шших тишв вщводень необхвдно гцоб запис хйстив додатко-в1 ввдведення А1-Х та А2—Ы, де N - нейтральний олоктрод. Для перерахунку ЕЕГ з монополярною схемою ввдведень з референтним олоктродом на шй-латеральному вуй в ЕЕГ з монополярною схемою ввдведень з усереднеиим референтом вйк;нуюч1 ввд-ведення спочатку перераховують до вщведень. де референтом с нейтралышй олоктрод. Наприклад. канал Рр1А1 перераховуеться в Рр1-Ы, який роз-раховуються за формулою (1)
Рр1 - N = (Рр1 - А1) + (А1 - N).
(1)
Дал1 розраховуеться канал АУ - N за, формулою (2)
1 м
АУ - N = — V Хг - М,
М ^ '
г= 1
(2)
Рис. 2. МЬкнародна схема розмщення олоктродов ЕЕГ 10/20
На практищ найчасташе рееструеться сигнал з монополярною схемою вщведень з референтом ввд
де М - кшьшсть канал1в, X— N - г-тий канал ЕЕГ.
Канал Рр1АУ у вщповвдноста до ( ) та ( ) розраховуеться як:
Рр1 - АУ =(Рр1 - N) - (АУ - N). (3)
56
Пашчов О. Ю., Попов Л. О., Харитонов В. 1.
Аналоичим чипом розраховуються i innii капали.
3 Результати експерименталь-них досладжень з прогнозува-ння ешлептичних напад1в
При прогнозуванш опшоптичних нападав сигнал ЕЕГ умовно роздшяеться на два класи: «míjk напа-дами» та «пород нападом». Система прогнозуваиня опшоптичних напад1в бувас пащент-споцщрчною та пащент-неспоцщрчною. При пащя1т-специф1чиому прогнозуванш опшоптичних напад1в класифшатор тренусться на ознаках для кожного пащента окремо i здатннй прогнозувати епшептичш напади тшьки для нього. Такий шдйд дозволяс досягти високих иоказник1в ефективносп прогнозуваиня. ало iciiye необхщшсть в тронуванш для кожного нового пащ-ента [11,12].
Для вибору ефективно!' схеми ввдведення сигналу електроенцефалограми (ЕЕГ), у pa3Í пащент-спецшрчного прогнозуваиня опшоптичних напад1в, було використано базу сигнатв ЕЕГ 20 хворих на спшеийю пащентав bíkom ввд 1 до 25 рошв. Ресстра-щя сигнатв здшсшовалась протягом шчного moiií-торингу. Bei сигнали записувались з монополярною схемою вщведень з шйлаторалышм референтом, mí-стили канали А! А2т'л Al-N, та були перераховаш до схеми ввдведень з усередненим олоктродом. Кожей запис míctiib маркери початку i кшця нападу, яш були в1дупчонш лшарем у вщповщносп до реального прояву ешлептичного нападу та ворифжоваш на ociiobí вщеоспостережень.
Для оцшки вплнву обрансм схеми вщведень на ефектившеть прогнозуваиня опшоптичних наиад1в, було використано ознаки, гцо базуються на ociiobí оцшки синхрошзацп' м1ж областями мозку з довжи-ною BÍKiia ввд 2 до 300 секунд [13 15]. Для кожного иащента було розраховано два набори таких ознак для ЕЕГ з монополярним вщводенням з референтним олоктродом на шйлаторальному вуй та для ЕЕГ з монополярним выведениям з усередненим референтом на ociiobí кросс-кореляцй' хйж каналами ЕЕГ як iiafinpocTiiHo'i Mipii синхрошзацп' mdk областями мозку. Для класифшацп' використову-вався метод опорних boktopíb [16], иричому ирина-лежшеть ознак до штершталыгого або прешталыго-го класу вщлшувалась на ociiobí задано! довжини прешталыгого иерюду, яка вар1ювалась в д1апазош ввд 600 до 7200 секунд. Для nepexpeciio'i валщацй' методом Монте Карло було проведено 100 iTepa-щй розбиття на тренувальну i тестову виб1рку для К0ЖН01 довжини BÍKiia анал1зу ЕЕГ та для кожнем довжини прешталыгого иерюду. Для кожнеи iTepa-цп' проводилась оцшка ефективносп класифшацй' з використаиням плопц шд ROC-кривою (receiver operating characteristic curve) [17]. Для nopiBiran-ня результата прогнозуваиня опшоптичних напад1в
використано тест Колмогорова-См1рнова для пере-в1рки гшотези приналежносп результате прогнозуваиня при використанш р1зних схем ввдведень до одшй' виб1рки. Якщо тест показував, що результати належать до одшй' виб1рки, то в якост результату прогнозуваиня обиралася мед1ана плонц шд ТЮС-кривою з двох виб1рок. В шшому випад-ку визиачалась виб1рка, в якШ мед1ана плонц шд КОС-кривою була бшыною та визиачалась схема, що дала кращий результат. На рис. 3 приведено приклади отриманих результате для двох пащен-тв. Зелеиим кольором в1дшчено кохйрки, для яких кращий результат було отримано з використаиням схеми вщведень з референтним олоктродом на шйлаторальному вуй, червоним кохйрки, для яких кращий результат було отримано з використаиням монополярно! схеми вщведень з усередненим референтом, бшим випадки, коли гшотезу про принале-жшеть двох виб1рок результате прогнозуваиня було прийнято, тому результати вважаються одиаковими для обох тишв вщведень.
Отримаш результати показали (рис. 4), що для деяких иащентв (наприклад пащеит А, рис. 4,а) в бшышй частиш комбшацш довжини вшна ана-«шзу та довжини прешталыгого перюду ефектившеть прогнозуваиня опшоптичних напад1в вища при використанш шйлатералыгого вуха в якост референта. Для шших иащентв (наприклад, иащент Б, рнс.4,6), для бшыност значень довжини вшна ана-«шзу та прешталыгого иерюду бшыну ефектившеть прогнозуваиня можна досягтн при використанш мо-нополярнси схеми вщведень з усередненим референтом. Це можо бути пов'язане з формою та розташу-ванням ешлептичного осередку та з особливостями його активност перед нападом.
На рис. 5 наведеш сшввщношення мЬк кшько-стями комбшацш довжини вшна анал1зу та иреь ктального перюду, в яких вища ефектившеть була досягнута з використаиням монополярно!' схеми с референтним олоктродом на шйлатералыгому вуй (золений кошр), з усередненим референтом (черво-ний югмпр) або у випадку, коли результати однаков1 (бший кашр).
Рис. 5. Сшввщношення м1ж к1лькостями комб1иащй довжини BÍKiia анал1зу та пре1кталыюго перюду
3 рисунку 5 видно, що для pÍ3inix пащент1в результати вщнзняються, тому для бшьш ефектив-
11орш11яш1я результатш ирошозувапия ешлешичинх иаиадш ири використапш ркших схем шдведепия ЕЕГ
57
(а)
(б)
Рис. 4. Електроенцефалограма при використашп: а) бшолярнсм та б) монополярно! схоми вщводень
ного прогнозування нообшдно обирати вадповадну схему ввдведень для кожного i3 них.
Для досшджоння залежностой мЬк схемою в1д-ведень, довжиною вшна анатзу та довжиною пре-жтального порюду отримано таблицю результате дослщжень 9 пащеттв (рис. 6). де додатш значения позначають бшьш ефективну схему з ви-користанням референта не шешаторальному вуй, ввд'емш значения бшьш ефективну схема з усо-редненим референтом при максималышх значениях прештального порюду, гцо склав 7200 секунд.
Рис. 6. Залежшсть мЬк схемою ввдведонь, довжиною BiKiia анатзу та довжиною прештального nepi-
оду
3 рис. 6 видно, гцо спостер1гаеться певно гру-пування значень для дослщжувано! шдгрупи пащ-еттв. При цьому, використання схоми ввдводень з роферонтним елоктродом на шешаторальному Byci дае бшьш висош розультати у nopiBirainii 3i схемою з усеродненим референтом при використашп довжин в1кна ввд 2 до 10 секунд i для Bcix значень довжи-ни прошталыюго порюду. При збшьшонш довжини BiKiia анатзу обидв1 схоми починають давати одна-KOBi розультати прогнозування та при подалыиому збшьшонш починае переважати схема з усеродне-иим референтом.
Висновки
Визначено, гцо заложно ввд довжини вшна ана.шзу ЕЕГ та довжини прештального порюду для двох схем ввдведень (з роферонтним елоктродом на шешаторальному Byci та в exoMi з усеродненим
референтом), icnye р1зниця в офективносп прогнозування ешлептичних наиад1в для pi3inix схем ввд-водеиия та pi3inix пащеттв. Для частиии пащеттв (9 з 20-ти) використання схоми вщведень з роферонтним елоктродом на шешаторальному Byci дае бшьш висок! розультати при використашп довжин вшна анатзу ЕЕГ в1д 2 до 10 секунд i для Bcix значень довжини прештального порюду. При довжиш вшна ввд 90 до 300 секунд бшьш ефоктивною с схема з усеродненим референтом. Наявшсть залежноста офе-KTiiBiiocTi прогнозування ешлептичних напад1в ввд схоми вщведення ЕЕГ в pi3inix пащеттв с що одним евщченням на корпеть пащент-спощкрчного шдхо-ду до прогнозування напад1в та мае враховуватися при побудов1 систем прогнозування ешлептичних напад1в.
References
[1] Schelter В., Timmor .1. and Schulze-Bonhage Л. ("2008) Seizure prediction in epilepsy: from basic mechanisms to clinical applications, John Wiley & Sons. DOl: 10.1002/9783527625192
[2] Engol .1. (2013) Seizures and epilepsy, Oxford University Press. DOl: 10.1093/med/9780195328547.001.0001
[3] Schachter S.C. and Wheless .J.W. (2002) Vagus Nerve Stimulation Therapy 5 Years After Approval: A Comprehensive Update. Lippincott Williams & Wilkins
[4] Osorio 1., Erei M.G., Sunderam S., Giftakis .1., Bhavaraju N.C., Schallher S.E. and Wilkinson S. B. (2005) Automated seizure abatement in humans using electrical stimulation, Annals of Neurology.. Vol. 57, No. 2, pp. 258-268. DOl: 10.1002/ana.20377
[5] lasemidis L. D. (2003) Epileptic seizure prediction and control, IEEE transactions on Biomedical Engineering, Vol. 50, No. 5, pp. 549-558. DOl: 10.1109/tbme.2003.810705
[6] Mormann E., Andrzejak R.G., Elger G.E. and Lehnertz K. (2007) Seizure prediction: the long and winding road, Brain, Vol.130, No. 2, pp. 314 333. DOl: 10.1093/ brain/awl241
[7] Oarney P. R., Myers S. and Geyer .I.D. (2011) Seizure prediction: methods. Epilepsy & behavior, Vol.'22, Suppl. 1., pp. S94-S101. DOl: 10.1016/j.yebeh.2011.09.001
[8] Klem G. H„ Liiders H. O., Jasper H. H. and Elger G. (1999) The ten-twenty electrode system of the International Federation. The International Federation of Clini-
58
Panichov. О. Yu., Popov. Л. О., Kharvtonov. V. 1.
cal Neurophysiology. Electroencephalogr Clin Neurophysiol Suppl., Vol. 52. pp." 3 6.
[9] Zenkov L. R. (2004) Klinicheskaya elektroentsefalograji-ya (s i It ни iitmiii epileptologii) [Clinical electroencephalography (with olomonts of epileptology)]. Moskva. MEDpross-inform.
[10] Teplan M. (2002) Fundamentals of EEC! measurement. Measurement science review, Vol.2. No. 2. pp. 1 11.
[11] Panichov O., Popov Л. and Kharvtonov V. (2016) Patient-spocilic epileptic seizure prediction based on evaluation of synchronization between brain regions. Computer Methods and Programs in Biomedicine. (Submitted for publication)
[12] Zhukov M.. Popov A.. Panichov O. and Kharitonov V. (2015) Correlation between EEC channels for epileptic seizure prediction. Electronics and Communications, Vol. 21. No 6. pp. 41-45(in Ukrainian)
[13] Mirowski P.. Madhavan D.. LeCun Y. and Kuzniecky R. (2009) Classification of patterns of eeg synchronization for seizure prediction. Clinical Neurophysiology, Vol. 120. No. 11. pp. 1927 1940. DOl: 10.1016/j.clinph.2009.09.002
[14] Varsavsky A., Mareels 1. and Cook M. (2010) Epileptic seizures and the EEC, CRC Press. DOl: 10.Г201/Ы0459
[15] Panichov O.. Popov A. and Kharvtonov V. (2015) Pationt-spocilic epileptic seizure prediction using correlation features. Signal Processing Symposium (SPSympo). DOl: 10.1109/SPS.2015.7168309
[16] Cortes C. and Vapnik V. (1995) Support-vector networks. Machine Learning, Vol.20. No.3. pp. 273-297. DOl: 10.1007/bf00994018
[17] Bradley A.P. (1997) The use of the area under the ROC curve in the evaluation of machine learning algorithms. Pattern Recognition. Vol. 30. No. 7. pp. 1145 1159. DOl: 10.1007/bf00994018
Сравнение результатов прогнозирования епилеитических приступов при использовании различных схем отведения ЭЭГ
Паничев О. Ю., Попов А. А., Харитонов В. И.
Работа посвящена исследованию влияния схемы отведений сигнала электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с референтным электродом па иисилатералыюм ухе и с
усредненным референтом па эффективность прогнозирования эпилептических приступов при изменении длины окна анализа ЭЭГ и длины преикталыюго периода. Установлено, что для части пациентов (9 из 20-ти) использование схемы отведений с референтным электродом па ипсилатералыюм ухе дает более высокие результаты при использовании длин окна анализа ЭЭГ от 2 до 10 секунд и для всех значений длины преикталь-пого периода. При длительностях от 90 до 300 секунд более эффективной является схема с усредненным референтом.
Ключевые слова: эпилепсия: эпилептические приступы: корреляция: электроэпцефалогра-фия:ЭЭГ:прогпозировапие приступов: схема отведений
Comparison of epileptic seizure prediction performance for different EEG derivation schemes
Panichev, O. Yu., Popov, A. O., Kharytonov, V. I.
Introduction. Paper considers influence of EEG derivation scheme on performance of epileptic seizure prediction. Comparison of epileptic seizure prediction performance for different. EEG derivation schemes. Database of EEG recordings from 20 patients (between 1 and 25 years old) suffering epilepsy was used. Correlation coefficients between channels of signal extracted with different combination of window and preict.al lengths were used as features. Support vector machine was used to classify EEG data into interict.al and preict.al classes. Epileptic seizures prediction performance was evaluated using area under the ROC-curve for two types of derivation schemes: monopolar scheme with reference electrode on ipsilat.eral ear and scheme with averaged reference. Conclusions. It. was found that, there is a difference in epileptic seizures prediction performance for different, schemes and patients. For subgroup of patients (9 of 20) usage of scheme with reference electrode in ipsilat.eral ear shows higher performance for window length between 2 and 10 seconds and in entire range of preict.al lengths. Scheme with averaged reference shows higher performance when window length is in the range between 90 and 300 seconds.
Key words: epilepsy: epileptic seizure: correlation: electroencephalography: EEG: seizure prediction: derivation scheme
