Seizure Prediction in Scalp EEG Using 3D Convolutional Neural Networks With an Image-Based Approach

脑电图 计算机科学 卷积神经网络 人工智能 模式识别(心理学) 癫痫发作 灵敏度(控制系统) 时域 相关性 语音识别 数学 计算机视觉 医学 精神科 工程类 电子工程 几何学
作者
Ahmet Remzi Özcan,Sarp Ertürk
出处
期刊:IEEE Transactions on Neural Systems and Rehabilitation Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:27 (11): 2284-2293 被引量:150
标识
DOI:10.1109/tnsre.2019.2943707
摘要

Epileptic seizures occur as a result of a process that develops over time and space in epileptic networks. In this study, we aim at developing a generalizable method for patient-specific seizure prediction by evaluating the spatio-temporal correlation in the features obtained from multichannel EEG signals. Spectral band power, statistical moment and Hjorth parameters are used to reveal the frequency and time domain features of the EEG signals. The features are given as input to a convolutional neural network (CNN) by transforming into a sequence of multi-color images according to the topology of the EEG channels. The multi-frame 3D CNN model is proposed to evaluate the temporal and spatial correlation in training data collectively. The proposed 3D CNN model achieves a sensitivity of 85.7%, a false prediction rate of 0.096/h, and a proportion of time-in-warning of 10.5%, in the tests performed with 16 patients from the CHB-MIT scalp EEG dataset. The results show that the superiority of the proposed method to a Poisson based random predictor was statistically significant for 93.7% of the patients, at significance level of 0.05. Our experiments with various timing constraints show that epileptic stage lengths are an important factor affecting seizure performance. We present a subject-specific seizure prediction method that is robust for unbalanced data and can be generalized to any scalp EEG dataset without the need for subject-specific engineering.
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