Time–Frequency Transformations for Enhanced Biomedical Signal Classification with Convolutional Neural Networks

卷积神经网络 信号(编程语言) 计算机科学 人工智能 模式识别(心理学) 语音识别 程序设计语言
作者
Georgios Lekkas,Εleni Vrochidou,George A. Papakostas
出处
期刊:BioMedInformatics [MDPI AG]
卷期号:5 (1): 7-7
标识
DOI:10.3390/biomedinformatics5010007
摘要

Background: Transforming one-dimensional (1D) biomedical signals into two-dimensional (2D) images enables the application of convolutional neural networks (CNNs) for classification tasks. In this study, we investigated the effectiveness of different 1D-to-2D transformation methods to classify electrocardiogram (ECG) and electroencephalogram (EEG) signals. Methods: We select five transformation methods: Continuous Wavelet Transform (CWT), Fast Fourier Transform (FFT), Short-Time Fourier Transform (STFT), Signal Reshaping (SR), and Recurrence Plots (RPs). We used the MIT-BIH Arrhythmia Database for ECG signals and the Epilepsy EEG Dataset from the University of Bonn for EEG signals. After converting the signals from 1D to 2D, using the aforementioned methods, we employed two types of 2D CNNs: a minimal CNN and the LeNet-5 model. Our results indicate that RPs, CWT, and STFT are the methods to achieve the highest accuracy across both CNN architectures. Results: These top-performing methods achieved accuracies of 99%, 98%, and 95%, respectively, on the minimal 2D CNN and accuracies of 99%, 99%, and 99%, respectively, on the LeNet-5 model for the ECG signals. For the EEG signals, all three methods achieved accuracies of 100% on the minimal 2D CNN and accuracies of 100%, 99%, and 99% on the LeNet-5 2D CNN model, respectively. Conclusions: This superior performance is most likely related to the methods’ capacity to capture time–frequency information and nonlinear dynamics inherent in time-dependent signals such as ECGs and EEGs. These findings underline the significance of using appropriate transformation methods, suggesting that the incorporation of time–frequency analysis and nonlinear feature extraction in the transformation process improves the effectiveness of CNN-based classification for biological data.
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