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Application of a dissimilarity index of EEG and its sub-bands on prediction of induced epileptic seizures from rat’s EEG signals - 06/12/12

L’application d’un indice de dissimilarité de l’EEG et de ses sous-groupes sur la prévision des crises d’épilepsie chez les rats induites par des signaux EEG

Doi : 10.1016/j.irbm.2012.09.002 
M. Niknazar a, , S.R. Mousavi a , M.B. Shamsollahi a , B. Vosoughi Vahdat a , M. Sayyah b , S. Motaghi b , A. Dehghani b , S.M. Noorbakhsh b
a Biomedical Signal and Image Processing Laboratory (BiSIPL), School of Electrical Engineering, Sharif University of Technology, PO Box 11365–9363, Tehran, Iran 
b Physiology and Pharmacology Department, Pasteur Institute of Iran, Tehran, Iran 

Corresponding author.

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Abstract

Objective

Epileptic seizures are defined as manifest of excessive and hyper-synchronous activity of neurons in the cerebral cortex that cause frequent malfunction of the human central nervous system. Therefore, finding precursors and predictors of epileptic seizure is of utmost clinical relevance to reduce the epileptic seizure induced nervous system malfunction consequences. Researchers for this purpose may even guide us to a deep understanding of the seizure generating mechanisms. The goal of this paper is to predict epileptic seizures in epileptic rats.

Methods

Seizures were induced in rats using pentylenetetrazole (PTZ) model. EEG signals in interictal, preictal, ictal and postictal periods were then recorded and analyzed to predict epileptic seizures. Epileptic seizures were predicted by calculating an index in consecutive windows of EEG signal and comparing the index with a threshold. In this work, a newly proposed dissimilarity index called Bhattacharyya Based Dissimilarity Index (BBDI), dynamical similarity index and fuzzy similarity index were investigated.

Results

BBDI, dynamical similarity index and fuzzy similarity index were examined on case and control groups and compared to each other. The results show that BBDI outperforms dynamical and fuzzy similarity indices. In order to improve the results, EEG sub-bands were also analyzed. The best result achieved when the proposed dissimilarity index was applied on Delta sub-band that predicts epileptic seizures in all rats with a mean of 299.5s.

Conclusion

The dissimilarity of neural network activity between reference window and present window of EEG signal has a significant increase prior to an epileptic seizure and the proposed dissimilarity index (BBDI) can reveal this variation to predict epileptic seizures. In addition, analyzing EEG sub-bands results in more accurate information about constituent neuronal activities underlying the EEG since certain changes in EEG signal may be amplified when each sub-band is analyzed separately.

Significance

This paper presents application of a dissimilarity index (BBDI) on EEG signals and its sub-bands to predict PTZ-induced epileptic seizures in rats. Based on the results of this work, BBDI will predict epileptic seizures more accurately and more reliably compared to current indices that increases epileptic patient comfort and improves patient outcomes.

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Vol 33 - N° 5-6

P. 298-307 - décembre 2012 Retour au numéro
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