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一种基于EEG与图神经网络的帕金森疾病检测模型及检测系统
成果类型：: 发明专利
发布时间: 2023-09-08 15:53:20
科技成果产业化落地方案
方案提交机构：天津市滨海新区| 宋学姮 | 2023-09-26 15:47:47
本发明公开了一种基于EEG与图神经网络的帕金森疾病检测模型，所述帕金森疾病检测模型包括依次连接的信号数据预处理模块、脑电网络构建模块、图信号处理模块、图卷积网络处理模块和可解释性模块。本发明所述帕金森疾病检测模型可以区分健康群体和帕金森患者，对于早期帕金森患者也能够有效检测，同时对于帕金森疾病的检测精准性也显著高于现有的帕金森疾病诊断模型；并且本发明所述帕金森疾病检测模型设置有可解释性模块，能够在临床上更好地辅助制定治疗方案。
一种基于EEG与图神经网络的帕金森疾病检测模型，其特征在于，所述帕金森疾病检测模型包括依次连接的信号数据预处理模块、脑电网络构建模块、图信号处理模块、图卷积网络处理模块和可解释性模块；
所述信号数据预处理模块依次减少输入信号的噪声和伪迹，得到处理后输入信号数据；
所述脑电网络构建模块利用处理后输入信号数据构建大尺度脑功能网络，得到脑功能网络数据；
所述图信号处理模块依次利用iNEAT算法和图稀疏算法处理脑功能网络数据，得到处理后图信号；
所述图卷积网络处理模块将处理后图信号用卷积神经网络和池化算法进行处理，处理后得到输出结果；
所述可解释性模块通过激励反向传播和类激活映射对输出结果进行处理，得到可视化输出结果；
所述脑电网络构建模块的构建方法具体为：
(1)以输入信号数据中的头皮电极作为网络节点；
(2)以头皮电极之间的相位锁或皮尔逊相关系数作为各个网络节点之间的边，边的定义如下：皮尔逊相关系数PCC的定义如公式I所示，相位锁PLV的定义如公式II所示；
帕金森疾病(PD)是世界第二常见的神经退化疾病，全球已有超过1000万名PD患者。PD患者主要呈现出运动症状，有研究表明从运动症状的确诊到瘫痪或痴呆的平均时间为3.5年。因此，PD早期诊断有助于早发现早治疗，进而减缓甚至阻止进一步恶化。
脑电作为一种非侵入的神经探测技术，具有时间分辨率高，成本低的优势，将有助于理解PD患者的发病机理，辅助医生早期诊断。
早前的研究人员通过静息态脑电活动进行PD的早期诊断，例如功率谱密度的谱度量、时空微状态，而仅当脑电信号是广义平稳的时候，进行傅里叶变化可积才能计算功率谱密度。然而PD患者早期的脑电信号是复杂的，因此，进行大尺度网络可能更好地测量及理解PD患者的发病机理。
目前的研究人员尝试利用各种图学习技术构建出检测早期PD患者的分类模型，这些技术可以分为基于矩阵分解的方法、基于随机游走的方法以及基于图信号处理的方法。前两个方法通过局部的学习获取网络的节点或路径的局部活动信息，但缺乏全局网络枢纽属性的考虑；基于图信号处理的方法既考虑了单跳网络hub全局属性，又引入高阶网络的链路局部属性。因此，基于图信号处理的方法成为当前的热点。
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本发明提供了一种基于EEG与图神经网络的帕金森疾病检测模型，所述帕金森疾病检测模型包括依次连接的信号数据预处理模块、脑电网络构建模块、图信号处理模块、图卷积网络处理模块和可解释性模块。本发明所述帕金森疾病检测模型可以区分健康群体和帕金森患者，对于早期帕金森患者也能够有效检测，同时对于帕金森疾病的检测精准性也显著高于现有的帕金森疾病诊断模型；并且本发明所述帕金森疾病检测模型设置有可解释性模块，能够在临床上更好地辅助制定治疗方案。
技术合作
实施例1构建的帕金森疾病检测模型(PLV+GSP-GCNs)和实施例2构建的帕金森疾病检测模型(PCC+GSP-GCNs)的性能显著优于其他模型的性能；其中实施例1和实施例2构建的模型的准确性(ACC)分别为87.5％和89.1％，相较于普通模型的准确性上涨了近10％；在准确性更高的条件下，实施例1和实施例2构建的模型的特异性和灵敏度也更高。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明及思路的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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