Сравнение скорости и точности фрактальных методов детерминированного хаоса применительно к распознанию стадий сна

В данной работе приводятся результаты применения различных фрактальных методов и их авторских модификаций применительно к автоматизированному распознанию фаз сна по компьютерным электроэнцефалограммам. Представлены результаты применения метода Грассбергера - Прокаччиа, метода нормированного размаха Хёрста, авторской модификации метода ближайших ложных соседей и метода аппроксимационной энтропии к распознанию стадий сна при полисомнографии и произведено их сравнение по относительной скорости и точности. Дано краткое описание особенностей, применяемых фрактальных методов. Показано, что применение фрактальных методов детерминированного хаоса в рамках синергетического подхода позволяет производить дифференцирование стадий сна с относительно высокой точностью при значительно сокращенных временных рамках, используя при этом только один канал электроэнцефаллограммы. Достоверность полученных результатов оценивалась путем, сравнения с результатами, полученными сертифицированными специалистами в области нейрофизиологии.

сомнология, полисомнография, электроэнцефалография, фракталы, хаос, синергетика, гипнограмма

1. Антипов О.И., Добрянин А.В., Неганова Е.В., Неганов В.А. Фрактальный анализ динамики цен на нефть // Экономические науки. - 2010. -№ 5 (66). - С. 260-271.

2. Антипов О.И., Захаров В.А., Неганов В.А. Особенности применения фрактальных мер детерминированного хаоса к автоматизированному распознанию стадий сна при полисомнографии // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2012. - Т. 15, № 3. - С. 101-109.

3. Антипов О.И., Захаров А.В., Неганов В.А. Устройство для выявления стадий сна при полисомнографии: Заявка на патент № 2012100807/14 (001144) от 11.01.2012 г.

4. Антипов О.И., Захаров В.А., Повереннова И.Е., Неганов В.А. и др. Возможности различных методов автоматического распознавания стадий сна // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2012. - Т. 8, № 2, Прил. (Нервные болезни). - С. 374 - 379.

5. Антипов О.И., Ивахник В.В., Неганова Е.В., Неганов В.А. Фрактальный анализ динамики цен на драгоценные металлы // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. - Т. 14, № 2. - С. 110-116.

6. Антипов О.И., Куляс М.О., Нагорная М.Ю., Неганов В.А. и др. Результаты применения фрактальных методов анализа к электрогастроэнтерографическим сигналам // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. -Т. 14, № 4. - С. 113-119.

7. Антипов О.И., Нагорная М.Ю. Показатель Херста биоэлектрических сигналов // Инфокоммуникационные технологии. - 2011. - № 1 (9). -С. 75 - 77.

8. Антипов О.И., Нагорная М.Ю. Фрактальный анализ электрогастроэнтерографического сигнала // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. -№ 10. - С. 40 - 44.

9. Антипов О.И., Неганов В.А. Анализ и предсказание поведения временных рядов самоорганизованных экономических и биологических систем с помощью фрактальных мер // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2011. -Т. 14, № 3. - С. 78 - 89.

10. Антипов О.И., Неганов В.А. Анализ и прогнозирование поведения временных рядов: бифуркации, катастрофы, синергетика, фракталы и нейронные сети. - М.: Радиотехника, 2011. - 350 с.

11. Антипов О.И., Неганов В.А. Применение метода нормированного размаха Хёрста к анализу стохастических временных рядов в импульсных стабилизаторах напряжения // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2009. -Т. 12, № 3. - С. 78 - 85.

12. Антипов О.И., Неганов В.А. Прогнозирование и фрактальный анализ хаотических процессов дискретно-нелинейных процессов с помощью нейронных сетей // Доклады Академии наук. -2011. - Т. 436, № 1. - С. 34 - 37.

13. Антипов О.И., Неганов В.А. Фрактальный анализ дискретно-нелинейных систем на примере импульсного стабилизатора, работающего в хаотическом режиме, и построение на его основе прогнозирующих нейронных сетей // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 2. - С. 7 - 23.

14. Антипов О.И., Неганов В.А. Фрактальный анализ нелинейных систем и построение на его основе прогнозирующих нейронных сетей // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2010. - Т. 13, № 3. - С. 54 - 63.

15. Антипов О.И., Неганов В.А., Потапов А.А. Детерминированный хаос и фракталы в дискретнонелинейных системах / Под ред. и с предисловием акад. Ю.В. Гуляева и чл.-корр. РАН С.А. Никитова. - М.: Радиотехника, 2009. - 235 с.

16. Антипов О.И., Повереннова И.Е., Неганов В.А., Захаров А.В. Программа автоматического распознавания стадий сна: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614865 от 31.05.2012 г.

17. Белов А.М. Анализ процесса сна при полисомнографии. - М.: ТГТПС, 2000. - 81 с.

18. Головко В.А. Нейросетевые методы обработки хаотических процессов // VII Всероссийская научно-техническая конференция «Нейроинформатика 2005»: Лекции по нейроинформатике. - М.: МИФИ, 2005. - С. 43 - 91.

19. Гусев Е.И., Коновалов А.Н., Скворцова В.И., Гехт А.Б. Неврология. Национальное руководство. - М.: ГЭОТАР-Медиа, 2009. - 1035 с.

20. Дорошенков Л.Г. Методы и алгоритмы обработки электрофизиологических сигналов для автоматического распознавания стадий сна: автореф. дис.. канд. техн. наук. - М., 2009. 29 с.

21. Дорошенков Л.Г., Конышев В.А., Селищев С.В. Исследование фаз сна по ЭЭГ человека на основе скрытых моделей Маркова // Медицинская техника. - 2007. - № 1. - C. 24 - 28.

22. Захаров Е.С. Автоматизированное распознание стадий сна // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2008. - № 5. - С. 117-120.

23. Захаров Е.С. Разработка метода и алгоритмов автоматического распознавания стадий сна и построения гипнораммы: автореф. дис. канд. техн. наук. - Таганрог, 2008. - 19 с.

24. Захаров Е.С., Кравченко П.П., Скоморохов А.А. Метод автоматизированного построения гипнограммы // Известия ТПУ. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2007. - Т. 311, № 5. - С. 136-139.

25. Захаров Е.С., Кравченко П.П., Скоморохов А.А. О решении задачи классификации стадий сна // Вест. компьютерных и информационных технологий. - М.: Машиностроение, 2000. -№ 5. - С. 48 - 53.

26. Зенков Л.Р. Клиническая электроэнцефалография с элементами эпилептологии. - М. : МЕДпресс-информ, 2004. - 187 с.

27. Семенова Н.Ю., Захаров В.С. Анализ корреляционной размерности данных ЭЭГ при эпилепсии у детей // Нелинейный мир. - 2010. - № 3, Т. 8. - С. 180-188.

28. Скоморохов А.А., Захаров Е.С. Полисомнографические исследования и задача автоматизированного построения гипнограммы // Известия ТРТУ. Тематический выпуск. «Медицинские информационные системы». - Таганрог: ТРТУ, 2006. - № 11 (66). - С. 135-138.

29. Хакен Г. Принципы работы головного мозга: Синергетичнский подход к активности мозга, поведению и когнитивности деятельности. - М.: ПЕР СЭ, 2001. - 351 с.

30. Acharya U.R., Faust O., Kannathal N., Chua T. et al. Non-linear analysis of EEG signals at various sleep stages // Computer Methods and Programs in Biomedicine. - 2005. - Vol. 80 (1). - P. 37 - 45.

31. Antipov O.I., Neganov V.A. Neural network prediction and fractal analysis of the chaotic processes in discrete nonlinear systems // Doklady Physics. - 2011. - Vol. 56, N 1. - P. 7 - 9.

32. Burioka N., Kaplan D. et al. Approximate entropy of human respiratory movement during eye-closed wake and different sleep stages // Chest. -2003. - Vol. 123 (1). - P. 80 - 86.

33. Burioka N., Miyata M., Cornelissen G., Halberg F. et al. Approximate entropy in the electroencephalogram during wake and sleep // J. Clin. EEG & Neuroscience. - 2005. - Vol. 36 (1). - P. 21-24.

34. Kobayashi T., Madokoro S., Ota T., Ihara H. et al. Analysis of the human sleep electroencephalogram by the correlation dimension // Psychiatry Clin. Neurosci. - 2000. - Vol. 54 (3). - P. 278 - 279.

35. Kugiumtzis D. State space reconstruction parameters in the analysis of chaotic time series - the role of the time window length. - 1996.

36. Madaeva I., Shevyrtaova O., Dolgikh V., Kolesnikova L. Obstructive sleep apnea/hypopnea syndrome in adolescents with essential hypertension // Sleep Medicine. - 2009. - Vol. 10 (10). - P. 1167-1168.

37. Roschke J., Aldenhoff J. The dimensionality of human's electroencephalogram during sleep // Biol. Cybern. - 1991. - N 64 (4). - P. 307 - 313.