Non-invasive brain stimulation-based sleep stage classification using transcranial infrared based electrocardiogram - 24/03/25

Doi : 10.1016/j.neuri.2025.100197 
Janjhyam Venkata Naga Ramesh a, , Aadam Quraishi b , Yassine Aoudni c , Mustafa Mudhafar d, e , Divya Nimma f , Monika Bansal g
a Department of Computer Science and Engineering, Koneru Lakshmaiah Education Foundation, Vaddeswaram, Guntur, Andhra Pradesh, 522302, India 
b M.D. Research, Intervention Treatment Institute, Houston, Texas, USA 
c Computer & Embedded Systems Laboratory National School of Engineers of Sfax (ENIS), University of Sfax, BP 1173, 3038, Sfax, Tunisia 
d Department of Medical Physics, Faculty of Medical Applied Sciences, University of Kerbala, 56001, Karbala, Iraq 
e Department of Anesthesia Techniques and Intensive Care, Al-Taff university college, 56001, Kerbala, Iraq 
f Data Analyst in UMMC, USA 
g Department of Computer Science, SSD Women's Institute of Technology, Bathinda, India 

Corresponding author at: Department of Computer Science and Engineering, Koneru Lakshmaiah Education Foundation, Vaddeswaram, Guntur, Andhra Pradesh, 522302, India.Department of Computer Science and EngineeringKoneru Lakshmaiah Education FoundationVaddeswaramGunturAndhra Pradesh522302India

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Abstract

Non-invasive brain stimulation (NIBS) techniques, such as transcranial infrared (tNIR) stimulation, offer promising advancements in sleep monitoring and regulation. To enhance sleep stage classification without relying on traditional polysomnography (PSG) systems, we propose a novel approach integrating single-channel electrocardiogram (ECG) signals, heart rate variability (HRV) features, and tNIR stimulation. The maximal overlap discrete wavelet transform (MODWT) is applied for multi-resolution analysis of ECG signals, followed by peak information extraction. Based on the first-order deviation of peak positions, multi-dimensional HRV features are extracted. To identify HRV features strongly associated with different sleep stages, we introduce a feature selection method combining the ReliefF algorithm and Gini index. The selected features are then processed using the INFO-ABC Logit Boost method to establish correlations between HRV dynamics and sleep stages. Experimental results on publicly available datasets demonstrate that the proposed model achieves an overall accuracy of 83.67%, a precision of 82.59%, a Kappa coefficient of 77.94%, and an F1-score of 82.97%. Compared with conventional sleep staging methods, our approach enhances sleep quality assessment and facilitates real-time, non-invasive monitoring in home and mobile healthcare settings, leveraging the potential of tNIR-based NIBS for sleep modulation.

Il testo completo di questo articolo è disponibile in PDF.

Keywords : Non-invasive brain stimulation, Healthcare, tNIR, HRV, ECG


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