L-SeqSleepNet: Whole-cycle Long Sequence Modeling for Automatic Sleep Staging

计算机科学 多导睡眠图 睡眠(系统调用) 脑电图 睡眠阶段 人工智能 语音识别 编码(内存) 深度学习 模式识别(心理学) 机器学习 心理学 神经科学 操作系统
作者
Huy Phan,Kristian P. Lorenzen,Elisabeth R. M. Heremans,Oliver Y. Chén,Minh C. Tran,Philipp Koch,Alfred Mertins,Mathias Baumert,Kaare B. Mikkelsen,Maarten De Vos
出处
期刊:IEEE Journal of Biomedical and Health Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:27 (10): 4748-4757 被引量:57
标识
DOI:10.1109/jbhi.2023.3303197
摘要

Human sleep is cyclical with a period of approximately 90 minutes, implying long temporal dependency in the sleep data. Yet, exploring this long-term dependency when developing sleep staging models has remained untouched. In this work, we show that while encoding the logic of a whole sleep cycle is crucial to improve sleep staging performance, the sequential modelling approach in existing state-of-the-art deep learning models are inefficient for that purpose. We thus introduce a method for efficient long sequence modelling and propose a new deep learning model, L-SeqSleepNet, which takes into account whole-cycle sleep information for sleep staging. Evaluating L-SeqSleepNet on four distinct databases of various sizes, we demonstrate state-of-the-art performance obtained by the model over three different EEG setups, including scalp EEG in conventional Polysomnography (PSG), in-ear EEG, and around-the-ear EEG (cEEGrid), even with a single EEG channel input. Our analyses also show that L-SeqSleepNet is able to alleviate the predominance of N2 sleep (the major class in terms of classification) to bring down errors in other sleep stages. Moreover the network becomes much more robust, meaning that for all subjects where the baseline method had exceptionally poor performance, their performance are improved significantly. Finally, the computation time only grows at a sub-linear rate when the sequence length increases.
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