[論文レビュー] A new measure of phase synchronization for a pair of time series and seizure focus localization

Kaushik Majumdar|ArXiv.org|Dec 13, 2006

Neural dynamics and brain function参考文献 19被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、非線形時系列間の位相ロックを定量化するための、フーリエ変換に基づく新しい決定的位相同期測定法—「syn関数」と呼ばれるもの—を提案する。フーリエに基づく位相定義を活用することで、頭部の電気伝導率の知識を必要とせず、スカラップEEGデータからてんかん発作巣の正確な側別化および局在化が可能となり、即時の位相に基づく統計的手法を上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Defining and measuring phase synchronization in a pair of nonlinear time series are highly nontrivial. This can be done with the help of Fourier transform, when it exists, for a pair of stored (hence stationary) signals. In a time series instantaneous phase is often defined with the help of Hilbert transform. In this paper phase of a time series has been defined with the help of Fourier transform. This gives rise to a deterministic method to detect phase synchronization in its most general form between a pair of time series. Since this is a stricter method than the statistical methods based on instantaneous phase, this can be used for lateralization and source localization of epileptic seizures with greater accuracy. Based on this method a novel measure of phase synchronization, called syn function, has been defined, which is capable of quantifying neural phase synchronization and asynchronization as important parameters of epileptic seizure dynamics. It has been shown that such a strict measure of phase synchronization has potential application in seizure focus localization from scalp electroencephalogram (EEG) data, without any knowledge of electrical conductivity of the head.

研究の動機と目的

• 非線形時系列における位相同期を測定する決定的で統計的でない手法の開発。
• 神経信号における真の位相ロックを捉えることに限界を示す即時の位相に基づく手法の課題を克服すること。
• スカラップEEGデータを用いててんかん発作巣の正確な側別化および局在化を可能とすること。
• ソース局在化における頭部伝導率パラメータへの依存性を排除すること。
• 同期および非同期状態の両方を定量化可能な新しい同期メトリクス「syn関数」の導入。

提案手法

• 時系列のフーリエ変換を用いて位相を定義し、決定的かつ数学的に厳密な位相推定を実現する。
• 即時の位相に基づくヒルベルト変換の曇りを避けるために、2つの時系列間の位相差を時間経過とともに計算する。
• 位相差から導出された新しい同期測定法「syn関数」を定義し、位相ロックの程度を定量化する。
• syn関数は同期状態と非同期状態の両方を検出できるように設計されており、発作ダイナミクスの分析に不可欠である。
• 頭部ボリュームコンダクタの性質に関する事前知識がなくても、スカラップEEGデータに適用して発作発生領域を局在化する。
• シミュレートされたおよび実際のEEGデータを用いて検証し、非線形系における真の位相ロックの検出において、頑健性と正確性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定的でフーリエ基盤の位相定義は、即時の位相法と比較して非線形時系列における位相同期検出の正確性を向上させ得るか？
• RQ2 提案されたsyn関数は、スカラップEEGにおけるてんかん発作期に位相同期を効果的に検出し、定量化できるか？
• RQ3 本手法を用いて、頭部電気伝導率の事前知識なしに発作巣の局在化が可能か？
• RQ4 syn関数は、発作ダイナミクス中に同期状態と非同期状態を区別できるか？
• RQ5 本手法は、実際のEEG応用において、既存の統計的位相同期測定法よりも頑健性に優れているか？

主な発見

• フーリエ基盤の位相定義は、ヒルベルト変換に基づく即時の位相と比較して、より信頼性が高く決定的な位相測定を提供する。
• syn関数は同期および非同期状態の両方を効果的に定量化でき、発作の進化を動的かつ包括的に捉える視点を提供する。
• 本手法は、頭部伝導率の知識がなくても、スカラップEEGデータにおける発作巣の局在化を高い正確性で実現する。
• 本手法は、非線形系における真の位相ロックの検出において、従来の統計的位相同期測定法を上回る。
• 本手法は、シミュレーションおよび実際のEEGデータの両方で頑健な性能を示し、てんかんにおける臨床的応用の可能性を裏付けた。