تشخيص همزماني فاز در سيگنال‌هاي EEG نوزادان با استفاده از روش اطلاعات متقابل

Phase synchrony detection in multichannel newborn EEG signals using a mutual information based method

يكي از مهم‌ترين اختلالات سيگنال‌هاي EEG نوزادان، همزمان نبودن كانال‌ها است. مطالعات باليني نشان داده است كه اين امر مي‌تواند به نتايج عصبي و جسمي نامطلوبي در بزرگسالي منجر شود. هدف اصلي اين مقاله، معرفي روشي جديد براي تشخيص خودكار همزماني فاز در سيگنال‌هاي EEG چندكاناله نوزادان است. در روش پيشنهادي، ابتدا فاز لحظه‌اي هر كانال از سيگنال EEG نوزاد با استفاده از تبديل هيلبرت برآوردشده است. به دليل چند جزيي بودن سيگنال‌هاي EEG، اجزاي سيگنال قبل از استخراج فاز لحظه‌اي با استفاده از مجموعه‌اي از فيلترهاي ميان‌گذر روي باندهاي فركانسي EEG، به دست مي آيند. سپس با استفاده از معياري مبتني بر اطلاعات متقابل بين فازهاي لحظه‌اي مولفه‌هاي به دست آمده، هم زماني كانال‌هاي مختلف در سيگنال به طور كمّي اندازه‌گيري مي‌شود. در ادامه، از روش پيشنهادي در اين مقاله براي بررسي هم زماني كانال‌هاي سيگنال‌هاي EEG نوزادان در دوره‌هاي تشنجي-غيرتشنجي و الگوهاي B-S استفاده مي‌شود. از منحني ROC براي نمايش عملكرد روش پيشنهادي استفاده شده است.همچنين عملكرد روش پيشنهادي با روش مبتني بر كواينتگريشن مقايسه شده است. نتايج به دست آمده از تحليل سيگنال‌هاي EEG پنج نوزاد نشان مي‌دهند كه روش پيشنهادي عملكرد بهتري در اندازه‌گيري هم زماني فاز تعميم‌يافته نسبت به روش‌هاي موجود دارد. همچنين با توجه به نتايج، مقدار هم زماني فاز تعميم‌يافته در طول هر دو دوره تشنجي و غيرتشنجي بزرگ‌تر از صفر است كه اين نتيجه نشان-دهنده وجود اتصالاتي در نيم‌كره‌هاي مغز نوزادان در هر دو حالت است. همچنين نتايج نشان مي‌دهند كه دوره‌هاي تشنجي نسبت به دوره‌هاي غيرتشنجي هم زمان‌تر هستند. از بررسي هم زماني فاز در الگوهاي B-S مشاهده مي‌شود كه دوره‌هاي Burst هم زمان‌تر از دوره‌هاي Suppression هستند و در هردو حالت، هم زماني فاز وجود دارد.

One of the most important newborn EEG abnormalities is the synchrony between different channels which, according to the clinical studies, can lead to neurological and neurodevelopmental outcomes in adulthood. This paper introduces a new method for automated detection of phase synchrony in multivariate signals with applications to newborn EEG signals. In this method, first the instantaneous phase of each channel of the signal is estimated using Hilbert transform. In the case of EEG signals, due to their multicomponent nature, single-band signalsof the signal are needed to be extracted using a bank of band-pass filters. The synchronization between different channels of the signal is then quantitatively measured using a criterion based on the mutual information between instantaneous phases of theextracted single-band signals. The proposed method in this paper is then used to analyze, from synchronization point of view, multichannel EEG signals acquired from 5 newborns which include seizure-nonseizure periods and burst-suppression (B-S) patterns.Reciever operating curves (ROCs) are used to illustrate the performance of the method. The performance of the proposed method is also compared with that of the existing one based on the cointegration concept. Experimental results prove that the proposed method outperforms the existing one in measuring the generalized phase synchrony in multichannel newborn EEG signals. Also, results of analyzing seizure and nonseizure segments show that for all segmants there is a phase synchronization among EEG channels which is due to the connections between brain hemispheres in both cases. The results also show that seizure periods are more synchronous than nonseizure periods. The phase synchrony assessment of B-S patterns indicates that burst patterns are more synchronous than suppression patterns and there is a phase synchrony in both cases.