2020-06-12
144
С помощью метода фрактальной размерности можно не только сегментировать ЭЭГ на стационарные участки, но и построить саму гипнограмму, используя найденные средние значения фрактальной размерности, соответствующие стадиям сна. Для этого каждому полученному сегменту определим стадию в соответствие с фрактальной размерностью данного сегмента.
В нашем распоряжении имеются гипнограммы, построенные экспертом для сегментов равной длины в 30 секунд. Посчитаем фрактальную размерность для сегментов в 30 секунд, определим для каждого соответствующую стадию и сравним полученную гипнограмму с экспертной.
Пример 1. Результаты классификации отображены на рисунке 17. Процент совпадений по стадиям составил 83%. На рисунке хорошо видно, что гипнограммы имеют сходную структуру. Рассмотрим гипнограммы без учета стадии бодрствования (рис. 18) и пересчитаем процент совпадений. Точность снизилась до 60%. Это обусловлено тем, что большой вклад вносила стадия бодрствования, которая занимала 2/3 времени и имела большой процент совпадений.
|
|
|
Рисунок 17. Верхняя гипнограмма построена по средним значениям фрактальной размерности. Нижняя построена экспертом. Точность 83%
Рисунок 18. Верхняя гипнограмма построена по средним значениям фрактальной размерности. Нижняя построена экспертом. Точность 60%
Рассмотрим процент совпадений по стадиям. Для этого составим таблицу, в которой строчки будут представлять собой процентное соотношение определения компьютером конкретной стадии. Например, ячейка, являющаяся пересечением 1-й строки и 3-го столбца, означает, что стадию бодрствования эксперта компьютер в 1.4% случаев признал второй стадией. Таким образом по диагонали таблицы будут значения совпадений конкретных стадий. Таблицу следует читать только по строкам.
Табл.1. Проценты совпадений по стадиям.
| Комп. Эксп. | Бодр. | Ст.1 | Ст.2 | Ст.3 | Ст.4 | ФБС |
| Бодр. | 91 | 5 | 1,4 | 0 | 0,1 | 2,5 |
| Ст.1 | 0 | 1,6 | 72,8 | 6,7 | 0 | 18,6 |
| Ст.2 | 0 | 0,3 | 33,5 | 61,4 | 4,3 | 0,5 |
| Ст.3 | 0 | 0 | 2,1 | 39,4 | 58,5 | 0 |
| Ст.4 | 0 | 0 | 0,9 | 3,4 | 95,5 | 0 |
| ФБС | 0 | 6,5 | 48,8 | 1,8 | 0 | 42,7 |
Процент совпадений по стадиям кажется невысоким (кроме стадий бодрствования и 4 стадии). Однако, судя по рисунку, гипнограмма является довольно точной: цикл стадий определен верно и большинство стадий совпадают. Вклад в погрешность могут вносить кратковременные сегменты, которые не несут большую смысловую нагрузку, но учитываются компьютером, а эксперт мог их усреднить и не учитывать.
Также с помощью этой таблицы можно увидеть, какие стадии компьютером путаются. Так компьютер путает 1, 2 и 3 стадию друг с другом, а фазу быстрого сна со 2 стадией. Это, возможно, может служить доказательством того, что некоторые ученые ставят под сомнение необходимость разделения между стадиями медленного сна.
|
|
|
Пример 2.
Результаты классификации отображены на рисунке 19. Процент совпадений составил 80%. Гипнограммы имеют сходную структуру. Рассмотрим только стадию сна без учета стадии бодрствования (рис.20). Процент совпадений снизился до 62% по тем же причинам, что и в примере 1 - большой вклад в процент совпадений вносила стадия бодрствования, определенная верно.
Рисунок 19. Верхняя гипнограмма построена по средним значениям фрактальной размерности. Нижняя построена экспертом. Точность 80%
Проценты совпадений по стадиям приведены в таблице 2. В данном примере наблюдается похожая ситуация, процент по стадиям не велик, но в целом характер гипнограммы и циклы сна определены верно.
Рисунок 20. Верхняя гипнограмма построена по средним значениям фрактальной размерности. Нижняя построена экспертом. Точность 62%
Табл.2. Процент совпадения по стадиям
| Комп. Эксп. | Бодр. | Ст.1 | Ст.2 | Ст.3 | Ст.4 | ФБС |
| Бодр. | 96,9 | 1,9 | 0,3 | 0,2 | 0,1 | 0,4 |
| Ст.1 | 27,1 | 26 | 27,2 | 3,2 | 0 | 16,3 |
| Ст.2 | 0,6 | 1,9 | 49,4 | 38 | 2,8 | 7,1 |
| Ст.3 | 0 | 0 | 0 | 15 | 85 | 0 |
| Ст.4 | 0 | 0 | 0,6 | 2,9 | 96,5 | 0 |
| ФБС | 2,8 | 9,6 | 31,8 | 0,5 | 0 | 55 |
Таким образом, с помощью метода фрактальной размерности можно не только сегментировать запись ЭЭГ на стационарные участки, но еще и проклассифицировать запись по стадиям сна с хорошей точностью. В задаче классификации стадий сна данный метод может служить альтернативой использованию нейросетевых классификаторов. Возможно, по точности метод фрактальной размерности будет им уступать, но его преимущество заключается в быстроте использования. Например, расчет фрактальной размерности 24-х часовой записи с частотой дискретизации 100 Гц занимает порядка 1 минуты, в то время как классификатору требуется гораздо больше времени.
