Modelos de decodificação do EEG para detecção de correlatos neurais de transtornos mentais

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Alves, Lorraine Marques
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Tese
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal do Espírito Santo
BR
Doutorado em Engenharia Elétrica
Centro Tecnológico
UFES
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
EEG
Link de acesso: http://repositorio.ufes.br/handle/10/12278
Resumo: The electroencephalogram (EEG) is an important source of signals for assisting in the diagnosis of mental disorders, and new research is constantly exploring ways to use these signals to improve the quality of medical diagnosis. Diseases such as schizophrenia, epilepsy, attention-deficit/hyperactivity disorder (ADHD), depression, dementia, and alcoholism, among others, are examples of how the application of EEG reading and decoding techniques can be of great value in supporting medical diagnosis. Studies of brain dynamics using EEG have revealed that global neural activity can be described by a limited number of scalp topographic electric potential maps, called microstates. This work proposes new methodologies for decoding EEG signals and their application to public databases for the detection of schizophrenia, depression, and ADHD by exploring approaches applied to EEG microstates addressing the problem of binary classification (disorder vs. healthy control). In addition, a third approach was proposed to solve a multiclass classification problem for the simultaneous detection of schizophrenia, depression, and dementia. The proposed methodologies are based on complex network theory and natural language processing. Both proposals allow an understanding of how the brain signals of an individual with one of the mentioned mental disorders differ from those of a healthy person. The complex network theory allowed the determination of important topological characteristics of the constructed microstate networks, resulting in an average accuracy of 100.0% for schizophrenia and depression, and for ADHD, the average accuracies were 99.44% (ADHD vs. healthy) and 98.61% (ADHD-I vs. ADHD-C vs. healthy). The application of natural language processing on symbolic sequences of microstates revealed the importance of the information contained in a window of neighborhoods of the microstate symbolic sequence in characterizing patients with mental disorders, resulting in an average accuracy of 100.0% for schizophrenia, 98.47% for depression, and for ADHD, the average accuracies were 99.38% (ADHD vs. healthy) and 98.19% (ADHD-I vs. ADHD-C vs. healthy). A third approach derived from natural language processing allowed the solution of a classification problem involving multiple disorders, resulting in an average accuracy of 99.19% (schizophrenia vs. depression vs. dementia vs. healthy). These proposals contribute to the assistance in the process of diagnosing mental disorders, being a promising tool in the development of AI-based psychiatry.
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This work proposes new methodologies for decoding EEG signals and their application to public databases for the detection of schizophrenia, depression, and ADHD by exploring approaches applied to EEG microstates addressing the problem of binary classification (disorder vs. healthy control). In addition, a third approach was proposed to solve a multiclass classification problem for the simultaneous detection of schizophrenia, depression, and dementia. The proposed methodologies are based on complex network theory and natural language processing. Both proposals allow an understanding of how the brain signals of an individual with one of the mentioned mental disorders differ from those of a healthy person. The complex network theory allowed the determination of important topological characteristics of the constructed microstate networks, resulting in an average accuracy of 100.0% for schizophrenia and depression, and for ADHD, the average accuracies were 99.44% (ADHD vs. healthy) and 98.61% (ADHD-I vs. ADHD-C vs. healthy). The application of natural language processing on symbolic sequences of microstates revealed the importance of the information contained in a window of neighborhoods of the microstate symbolic sequence in characterizing patients with mental disorders, resulting in an average accuracy of 100.0% for schizophrenia, 98.47% for depression, and for ADHD, the average accuracies were 99.38% (ADHD vs. healthy) and 98.19% (ADHD-I vs. ADHD-C vs. healthy). A third approach derived from natural language processing allowed the solution of a classification problem involving multiple disorders, resulting in an average accuracy of 99.19% (schizophrenia vs. depression vs. dementia vs. healthy). These proposals contribute to the assistance in the process of diagnosing mental disorders, being a promising tool in the development of AI-based psychiatry.O eletroencefalograma (EEG) é uma importante fonte de sinais para auxílio no diagnóstico de transtornos mentais e, constantemente, novas pesquisas exploram maneiras de utilizar esses sinais para aprimorar a qualidade do diagnóstico médico. Doenças como Esquizofrenia, Epilepsia, Transtorno do Déficit de Atenção/Hiperatividade (TDAH), Depressão, Demência, Alcoolismo, dentre outras, constituem exemplos de que a aplicação de técnicas de leitura e decodificação do EEG é de grande valia para o apoio ao diagnóstico médico. Estudos da dinâmica cerebral utilizando EEG revelaram que a atividade neural global pode ser descrita por um número limitado de mapas topográficos de potencial elétrico do escalpo, denominados microestados. Neste trabalho, são propostas novas metodologias para decodificação do sinal do EEG e sua aplicação em bases de dados públicas para o diagnóstico da Esquizofrenia, da Depressão e do TDAH, explorando a análise de microestados do EEG, abordando o problema de classificação binária (transtorno versus controle saudável). Além disso, uma terceira abordagem foi proposta para resolver um problema de classificação multiclasse para detecção simultânea da Esquizofrenia, Depressão e Demência. As metodologias propostas estão baseadas na Teoria de Redes Complexas e no processamento de linguagem natural. Ambas as propostas permitem um entendimento de como os sinais cerebrais de um indivíduo com um dos transtornos mentais mencionados se diferenciam daqueles de uma pessoa saudável. A Teoria de Redes Complexas permitiu a determinação de características importantes do ponto de vista topológico das redes de microestados construídas, resultando em uma acurácia média de 100,0% para a Esquizofrenia e para a Depressão; e, para o TDAH, as acurácias médias foram de 99,44% (TDAH versus Saudável) e 98,61% (TDAH-D versus TDAH-C versus Saudável). A aplicação de processamento de linguagem natural sobre sequências simbólicas de microestados revelou a importância da informação contida em uma janela de vizinhanças da sequência simbólica dos microestados na caracterização de pacientes com transtornos mentais, resultando em uma acurácia média de 100,0% para a Esquizofrenia, 98,47% para a Depressão e, para o TDAH, as acurácias médias foram de 99,38% (TDAH vs Saudável) e 98,19% (TDAH-D vs TDAH-C vs Saudável). Uma terceira abordagem, derivada do processamento de linguagem natural, permitiu a solução de um problema de classificação envolvendo múltiplos transtornos resultando em uma acurácia média de 99,19% (Esquizofrenia versus Depressão versus Demência versus Saudável). Essas propostas contribuem para o auxílio no processo de diagnóstico de transtornos mentais, sendo uma ferramenta promissora no desenvolvimento da psiquiatria baseada em inteligência artificial.Universidade Federal do Espírito SantoBRDoutorado em Engenharia ElétricaCentro TecnológicoUFESPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaCiarelli, Patrick Marqueshttps://orcid.org/0000000331774028http://lattes.cnpq.br/1267950518719423http://lattes.cnpq.br/4871905118775803Komati, Karin SatieOliveira, Elias Silva dehttp://lattes.cnpq.br/2210356035827181Montalvão Filho, Jugurta RosaAlves, Lorraine Marques2024-05-29T20:55:06Z2024-05-29T20:55:06Z2023-03-23info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisTextapplication/pdfhttp://repositorio.ufes.br/handle/10/12278porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes)instname:Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)instacron:UFES2024-09-18T08:53:12Zoai:repositorio.ufes.br:10/12278Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufes.br/oai/requestriufes@ufes.bropendoar:21082024-09-18T08:53:12Repositório Institucional da Universidade Federal do Espírito Santo (riUfes) - Universidade Federal do Espírito Santo (UFES)false
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