Extraction of multivariate components in brain signals obtained during general anesthesia
Extraction de composants multivariés des signaux cérébraux obtenus pendant l’anesthésie générale.
Résumé
Nowadays, surgical operations are impossible to imagine without general anesthesia, which involves loss of consciousness, immobility, amnesia and analgesia. Understanding mechanisms underlying each of these effects guarantees well-controlled medical treatment. This thesis focuses on analgesia effect of general anesthesia, more specifically, on patients reaction to nociceptive stimuli. We also study differences in the reaction between different anesthetic drugs. The study was conducted on dataset consisting of 230 EEG signals: pre- and post-incision recordings obtained form 115 patients, who received desflurane and propofol.
The first stage of the study comprise power spectral analysis, which is a widespread approach in signal processing. Spectral information was described by fitting the background activity, that exposes $1/f$ behavior, to power spectral density estimates of the EEG signals and measuring power contained in delta and alpha bands relatively to the power of background activity.
A further improvement was done by expanding spectra with time information due to observed non-stationary nature of EEG signals. To obtain time-frequency representations of the signals we apply three different methods: scalogram (based on continuous wavelet transform), conventional spectrogram, and spectrogram reassignment. The latter allows to ameliorate readability of a time-frequency representation by reassigning energy contained in spectrogram to more precise positions.
Subsequently, obtained spectrograms were used as phase space reconstruction in recurrence analysis and its quantification by complexity measure. Recurrence analysis allows to describe and visualize recurrent dynamics of a system and discover structural patterns contained in the data. Here, recurrence plots were used as rewriting grammar to turn an original signal into a symbolic sequence, where each symbol represents a certain state of the system. After computing three different complexity measures of resulting symbolic sequences they are used as features for classification.
Finally, combining features obtained with power spectral analysis and recurrence symbolic analysis, we perform classification of the data using two classification methods: linear discriminant analysis and support vector machines. Classification was carried out on two-class problem, distinguishing between pre-/post-incision EEG signals, as well as between two different anesthetic drugs, desflurane and propofol.
De nos jours, les opérations chirurgicales sont impossibles à imaginer sans anesthésie générale, qui implique la perte de conscience, l'immobilité, l'amnésie et l'analgésie. La compréhension des mécanismes sous-jacents de chacun de ces effets garantit un traitement médical bien contr{\^o}lé. Cette thèse se concentre sur l'effet analgésique de l'anesthésie générale, précisément, sur la réaction du patient aux stimuli nociceptifs. Nous étudions également les différences des réactions entre différents médicaments anesthésiques. L'étude a été effectuée sur un ensemble de données constituées de 230 signaux EEG~: enregistrements pré- et post-incision obtenus sur 115 patients qui ont reçu du desflurane et du propofol.
La première phase de l'étude comprend l'analyse spectrale de puissance, qui est une méthode très répandue dans le traitement du signal. L'information spectrale a été décrite en ajustant l'activité de fond, qui exhibe un comportement $1/f$, aux estimations de la densité spectrale de puissance des signaux d'EEG et en mesurant la puissance contenue dans des bandes delta et alpha par rapport à la puissance de l'activité de fond.
Une autre amélioration a été réalisée par l'expansion des spectres avec des informations de temps en raison de la nature non stationnaire observée dans les signaux EEG\@. Pour obtenir les représentations temps-fréquence des signaux nous appliquons trois méthodes différentes: scalogramme (basé sur la transformée en ondelettes continue), spectrogramme classique, et réaffectation de spectrogramme. Celle-ci permet d'améliorer la lisibilité d'une représentation temps-fréquence en réaffectant l'énergie contenue dans le spectrogramme à des positions plus précises.
Par la suite, les spectrogrammes obtenus ont été utilisés pour la reconstruction de l'espace de phase, pour l'analyse récurrence et pour sa quantification par une mesure de complexité. L'analyse de récurrence permet de décrire et visualiser les dynamiques récurrentes d'un système et de découvrir des motifs structurels contenus dans les données. Ici, les diagrammes de récurrence ont été utilisés comme réécriture de grammaire pour transformer le signal original en une séquence symbolique, où chaque symbole représente un certain état du système. Trois mesures de complexité différentes sont alors calculées à partir de ces séquences symboliques afin de les utiliser comme éléments de classification.
Enfin, en combinant les caractéristiques obtenues avec l'analyse spectrale de puissance et avec l'analyse symbolique de récurrence, nous effectuons la classification des données en utilisant deux méthodes de classification~: l'analyse discriminante linéaire et les machines à vecteurs de support. La classification a été effectuée sur des problèmes à deux classes, la distinction entre les signaux EEG pré- / post-incision, ainsi qu'entre les deux différents médicaments anesthésiques, desflurane et propofol.
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