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A BiLSTM-Based Framework for Sleep Spindle and K-complex Detection with Enhanced Segment-Level Learning

计算机科学 稳健性(进化) 人工智能 睡眠纺锤 Boosting(机器学习) 特征提取 模式识别(心理学) 特征(语言学) 过采样 连贯性(哲学赌博策略) 辍学(神经网络) 语音识别 神经生理学 脑磁图 睡眠(系统调用) 班级(哲学) 睡眠剥夺 脑电图 机器学习 意外事件 睡眠阶段 神经科学 初始化 信号处理 唤醒 计算机视觉 特征学习 时频分析 感觉系统
作者
Tihua Hu,Zhiya Wang,Jia Liu,Tian Yang,Wei Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Biomedical Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:PP: 1-10 被引量:1
标识
DOI:10.1109/tbme.2026.3679596
摘要

Sleep spindles and K-complexes in electroencephalo gram (EEG) signals are brief yet physiologically essential signatures of the sleeping brain, supporting memory consolidation, arousal regulation, and neurological assessment. However, existing detection methods often face severe class imbalance, temporal inconsistencies, and uncertain event boundaries. We proposed a unified, physiologically informed framework that integrates data preprocessing, multimodal feature extraction, temporal modeling, and event-level refinement. Context-aware negative filtering and segment-level oversampling effectively alleviated severe class imbalance; multimodal feature combination captured both spectral and morphological cues; a Bidirectional Long Short-Term Memory (BiLSTM) backbone enhanced by segment level dropout and bidirectional hard example mining improves robustness under imbalance; and a physiologically plausible post-processing enforced temporal coherence on the predicted sequences. Evaluations on the publicly available polysomnog raphy datasets DREAMS and MASS demonstrated consistent 3-10% F1-score improvements over state-of-the-art baselines. The proposed framework attained event-level F1-scores of 0.796 (sleep spindles on DREAMS), 0.938 (K-complexes on DREAMS), 0.882 (sleep spindles on MASS), and 0.903 (K-complexes on MASS), substantially outperforming recent deep-learning-based detectors.
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