Een schematisch overzicht van de workflow voor EEG-preprocessing, kenmerkextractie en classificatie wordt weergegeven in Figuur 1. De materialen en software die in de studie zijn gebruikt, staan vermeld in de Tabel met Materialen.

Figuur 1: Workflow van de EEG-preprocessing, kenmerkextractie en classificatiepijplijn. Schematisch overzicht van de workflow van de studie, inclusief EEG-dataverificatie, banddoorlaatfiltering en her-referentie, extractie van root mean square (RMS), power spectral density (PSD) en entropie-kenmerken, toevoeging van leeftijd, train-test splitsing, ontwikkeling van het Random Forest-model, kenmerkstabiliteitsanalyse, SHAP-analyse, Cohen’s d effectgrootte-analyse, geïntegreerde kenmerkselectie, entropie-kenmerk ablatie, hertraining van het model en prestatie-evaluatie. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
1. Gegevensverwerving
De publiek toegankelijke EEG-dataset in rusttoestand werd verkregen uit de OpenNeuro-repository (dataset ds004504, versie 1.0.9)33. De labels van deelnemers en demografische informatie werden geverifieerd. De dataset bestond uit 88 deelnemers, waaronder 36 deelnemers met de ziekte van Alzheimer (AD), 23 met frontotemporale dementie (FTD) en 29 gezonde controles (HC).
2. Import van EEG-registraties
Voor elke deelnemer werd de EEG-registratie geladen met behulp van de MNE-Python-bibliotheek. Elk EEG-bestand werd gecontroleerd om te bevestigen dat het toegankelijk was, succesvol kon worden geïmporteerd en een geldige deelnemer-identificatie bevatte. Registraties met ontbrekende of beschadigde bestanden werden uitgesloten. De oorspronkelijke EEG-bemonsteringsfrequentie van 500 Hz werd in deze fase behouden. De signalen werden gedownsampled om de rekenlast te verminderen, terwijl alle klinisch relevante EEG-informatie voor deze studie behouden bleef.
3. Banddoorlaatfiltering
De continue EEG-opnames werden gefilterd met een vierde-orde banddoorlaatfilter met een lage afsnijfrequentie van 0.5 Hz en een hoge afsnijfrequentie van 40 Hz.
4. Gemeenschappelijke gemiddelde referentie en epoching
Gemeenschappelijke gemiddelde referentie (CAR) werd toegepast op de gefilterde EEG-opnames. Voor elk tijdstip werd het gemiddelde signaal over alle beschikbare EEG-kanalen berekend en van elk kanaal afgetrokken. De gerefereerde EEG-signalen werden behouden voor verdere analyse. Elke gerefereerde EEG-opname werd gesegmenteerd in epochs van vaste lengte met behulp van de functie make_fixed_length_epochs() in MNE-Python. Er werd een epoch-duur van 10 s met 0 s overlap gebruikt.
5. Validatie van epochs
Voor elke deelnemer werden alleen volledige epochs van 10 s behouden. Elk overgebleven EEG-segment aan het einde van een opname dat korter was dan 10 s, werd verworpen. Elke behouden epoch werd vervolgens gebruikt als een individueel monster voor kenmerkextractie.
6. Voorbereiding van kenmerken
Hoewel gegevens van de Mini-Mental State Examination (MMSE) beschikbaar waren in de brondata-set, werden deze uitgesloten van de huidige analyse. De geëxtraheerde EEG-kenmerken werden samengevoegd met demografische informatie van de deelnemers, waaronder leeftijd en diagnostische labels, verkregen uit het metadata-bestand participants.csv. De unieke identifier van de deelnemer werd als gemeenschappelijke sleutel gebruikt, en alleen deelnemers met zowel EEG-kenmerkrecords als corresponderende demografische informatie werden behouden.
De multidomein-kenmerkenmatrix bevatte vijf root mean square (RMS)-kenmerken (delta_rms, theta_rms, alpha_rms, beta_rms en gamma_rms), vijf power spectral density (PSD)-kenmerken (delta_psd, theta_psd, alpha_psd, beta_psd en gamma_psd) en vijf entropie-kenmerken (delta_entropy, theta_entropy, alpha_entropy, beta_entropy en gamma_entropy). Leeftijd werd meegenomen als een aanvullende demografische variabele. Omdat leeftijdsverdelingen kunnen verschillen tussen diagnostische groepen, kon demografische confounding niet volledig worden uitgesloten. De diagnostische groep, gedefinieerd als AD, HC of FTD, werd toegewezen als het doellabel.
7. Data-voorbewerking en train-test partitionering
Tijdens de voorbewerking werden de opnamen gedownsampled van 500 Hz naar 250 Hz om de computationele vereisten te verminderen, terwijl de relevante EEG-frequentie-informatie behouden bleef.
De dataset werd op subjectniveau opgesplitst in trainings- (80%) en testsubsets (20%) met behulp van een gegroepeerde splitstrategie. Voorspellingen op subjectniveau werden vervolgens verkregen via majority voting over de voorspelde epochs die toebehoorden aan elke deelnemer. Voor de primaire evaluatie werd een gegroepeerde train-test split op subjectniveau gebruikt om te voorkomen dat epochs van dezelfde deelnemer in beide subsets voorkwamen. Voorspellingen op subjectniveau werden verkregen via majority voting over de voorspelde epochs die toebehoorden aan elke deelnemer. De dataset werd geïnspecteerd op ontbrekende waarden, waarbij ontbrekende observaties werden verwijderd of, indien van toepassing, geïmputeerd. Diagnostische labels werden gecodeerd. Er werd een StandardScaler gefit op de trainingsdata en vervolgens toegepast op zowel de trainings- als de testdatasets.
8. Ontwikkeling van het Random Forest-model
Een Random Forest-classifier werd geïnitieerd met 80 bomen, een maximale boomdiepte van 10, een maximum van vier kenmerken, een minimum van vijf monsters per blad en een random state van 42. De classifier werd getraind met behulp van de gestandaardiseerde trainingsdataset.
9. Modelbeoordeling
Klasselabels werden voorspeld voor zowel de trainings- als de testdatasets. Er werd een verwarringstabel opgesteld en de nauwkeurigheid, precisie, recall en F1-score werden berekend samen met het classificatierapport. De nauwkeurigheden voor training en testen werden genoteerd.
Voor de evaluatie per deelnemer moet worden gewaarborgd dat alle epochs van een bepaalde deelnemer uitsluitend aan het trainings- of het testsubset zijn toegewezen. De Random Forest-classifier werd getraind met dezelfde hyperparameters als in de primaire analyse.
10. Kruisvalidatie
Als aanvullende procedure voor model-evaluatie werd een gestratificeerde vijfvoudige kruisvalidatie uitgevoerd met shuffle = True en random_state = 30. De gemiddelde nauwkeurigheid en standaarddeviatie over de vijf folds werden berekend. Deze analyse werd apart beschouwd van de primaire evaluatie op basis van een hold-out set op subjectniveau.
11. Analyse van de stabiliteit van kenmerken
De stabiliteit van de kenmerken werd beoordeeld door de training van het Random Forest 10 keer te herhalen met willekeurige seeds van 0 tot en met 9. Voor elke run werden de testnauwkeurigheid en de scores voor het belang van de kenmerken geregistreerd. Het gemiddelde en de standaarddeviatie van de score voor het belang van de kenmerken voor elke predictor werden berekend over de 10 runs, en de predictoren werden gerangschikt op basis van hun stabiliteit. Deze analyse werd gebruikt om de consistentie van de rangschikking van kenmerken te beoordelen, en niet om de primaire evaluatie op subjectniveau te vervangen.
12. Analyse met uitlegbare kunstmatige intelligentie
SHAP TreeExplainer werd toegepast op het getrainde Random Forest-model. SHAP-waarden werden berekend om de bijdrage van elk kenmerk aan de voorspellingen van het model te schatten. De gemiddelde absolute SHAP-waarde werd voor elk kenmerk berekend, waarna de kenmerken werden gerangschikt op basis van hun SHAP-bijdragen. Kenmerken met consistent lage SHAP-waarden werden geïdentificeerd en vergeleken met de resultaten van de feature-stabiliteits- en Cohen's d-analyses. Kenmerken die consistent lage bijdragen vertoonden, werden geselecteerd voor daaropvolgende ablatie en het opnieuw trainen van het model.
13. Statistische analyse van de effectgrootte
Cohen’s d werd berekend voor elke EEG-biomarker voor de vergelijkingen AD versus HC, AD versus FTD en FTD versus HC. De grootte van de effecten werd geïnterpreteerd met drempelwaarden van 0,20 voor een klein effect, 0,50 voor een gemiddeld effect en 0,80 voor een groot effect.
14. Geïntegreerde kenmerkselectie
De resultaten van de Random Forest-analyse naar kenmerkbelang, de SHAP-analyse en de Cohen's d-analyse werden vergeleken. Predictoren die consistent een laag kenmerkbelang, een lage SHAP-bijdrage en kleine effectgroottes vertoonden, werden geïdentificeerd als kandidaten voor verwijdering.
15. Ablatie van kenmerken
Entropiekenmerken werden geëvalueerd in een verkennende ablatieanalyse, en er werd een gereduceerde kenmerkenmatrix geconstrueerd die RMS, PSD en leeftijd bevatte. De Random Forest-classifier werd opnieuw getraind met behulp van dezelfde hyperparameters. Model training, testen, kruisvalidatie en receiver operating characteristic (ROC)-analyse werden herhaald met de gereduceerde set kenmerken.
16. ROC-analyse
Klasse-waarschijnlijkheden werden verkregen uit de geoptimaliseerde Random Forest-classifier. Multiklasse ROC-curves werden gegenereerd met behulp van een one-versus-rest-strategie. Klassespecifieke waarden voor het oppervlak onder de curve (AUC) en de gemiddelde AUC werden berekend.
17. Prestatievergelijking
De prestaties van het volledige kenmerkmodel werden vergeleken met die van het gereduceerde kenmerkmodel dat was verkregen na entropie-kenmerkablatie.