Spindle-AttnUNet: An Annotation-Aware Dual-Input Attention-Gated 1D U-Net for Subject-Independent N2 Sleep Spindle Segmentation - 11/09/26

Doi : 10.1016/j.neuri.2026.100295 
Waqas Ahmed , Keijo Haataja , Pekka Toivanen
 School of Computing, University of Eastern Finland, Kuopio, Finland 

Correspondence.

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Sous presse. Manuscrit accepté. Disponible en ligne depuis le Friday 11 September 2026

Highlights

Dual-input attention-gated 1D U-Net enables dense sleep spindle segmentation.
Raw and sigma-band EEG jointly capture complementary spindle information.
Expert-aware evaluation reveals substantial annotation-dependent performance.
Dense segmentation improves strict event F1 by 18.1 points over the baseline.
Zero-shot DREAMS evaluation quantifies cross-dataset generalization limits.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Abstract

Background: Sleep spindles are important biomarkers of sleep physiology and neurological function. Automated spindle detection remains challenging due to inter-subject variability, class imbalance, inconsistent expert annotations, and limited cross-dataset generalization.

New Method: We propose an attention-gated dual-input one-dimensional U-Net for subject-independent sleep spindle detection from single-channel EEG. The framework formulates spindle detection as a dense temporal segmentation task by jointly learning from raw EEG and sigma-band representations, while incorporating imbalance-aware optimization and annotation-aware evaluation.

Results: Experiments on the MASS-SS2 dataset using subject-wise five-fold cross-validation achieved a strict event-level F1-score of 0.805 ± 0.031, a tolerant event-level F1-score of 0.846 ± 0.017, and a sample-level ROC-AUC of 0.933 ± 0.015. External zero-shot validation on the DREAMS dataset yielded a strict event-level F1-score of 0.476 and a sample-level ROC-AUC of 0.873 without retraining.

Comparison with Existing Methods: The proposed framework achieved competitive performance relative to recent deep learning methods while providing additional capabilities, including dual-input feature learning, annotation-aware evaluation across multiple expert references, and external cross-dataset validation, which are rarely investigated simultaneously in existing spindle detection studies.

Conclusions: The proposed framework provides robust and reproducible sleep spindle detection with competitive performance and transferable spindle representations. The findings highlight the importance of annotation-aware benchmarking and external validation for developing reliable AI-based sleep analysis systems.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Sleep spindle detection, EEG, Deep learning, Attention-gated U-Net, Sleep analysis, Annotation variability, External validation, Cross-dataset generalization


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