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DistillSleep: Real-Time, On-Device, Interpretable Sleep Staging from Single-Channel EEG

脑电图 睡眠(系统调用) 睡眠阶段 听力学 计算机科学 多导睡眠图 心理学 医学 神经科学 操作系统
作者
Keondo Park,J. S. Hong,Wooseok Lee,Hyun‐Woo Shin,Hyung‐Sin Kim
出处
期刊:Sleep [Oxford University Press]
标识
DOI:10.1093/sleep/zsaf240
摘要

Abstract Study objectives Polysomnography (PSG) is the current gold standard for sleep staging but requires laboratory equipment, multiple sensors, and labor-intensive manual scoring. We developed DistillSleep, a single-channel electroencephalogram (EEG) framework that delivers accurate, real-time, and interpretable sleep staging on resource-constrained devices. Methods DistillSleep consists of (1) a high-capacity teacher model and (2) a 109 k-parameter student model designed for edge deployment. Both incorporate a Multi-Wavelength Pyramid module and Transformer-based architecture to capture intra- and inter-epoch features. Feature- and prediction-level knowledge distillation transfers the teacher’s expertise to the student. Training and evaluation used >10 000 overnight recordings from six cohorts (SHHS1, PhysioNet 2018, DCSM, KISS, SleepEDF-78, ISRUC), following AASM guidelines. Performance was assessed with Macro-F1. Results The teacher achieved state-of-the-art Macro-F1 scores (SHHS1 81.1%, PhysioNet 78.9%, DCSM 81.2%, KISS 80.0%) and provided frequency-resolved saliency maps, inter-epoch context and well-calibrated confidence (ECE 0.07). The student maintained competitive accuracy (up to 79.7% Macro-F1) while executing <10 ms per 30-second epoch on three embedded platforms (Raspberry Pi 4B, Jetson orin nano, Coral dev board), reducing computational load 115-fold versus the best prior method (SleePyCo). Interpretability was transferred intact to the student, offering clinicians frequency-band importance and inter-epoch context visualizations, and calibration was further improved by 2.7$\times$. Conclusions DistillSleep combines expert-level accuracy, millisecond-scale latency, and transparent decision logic in a single-channel EEG form factor. These capabilities pave the way for point-of-care diagnostics, same-night therapy titration, and large-scale home monitoring, expanding the reach of sleep medicine while retaining clinical trust.
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