Publication

Hardware-Friendly Random Forest Classification of iEEG Signals for Implantable Seizure Detection

Alexandre Schmid, Keyvan Farhang Razi
2022
Article de conférence
Résumé

Early and accurate detection of epileptic seizures is an extremely important therapeutic goal due to the severity of complications it can prevent. To this end, a low-power machine learning-based seizure detection implemented on an FPGA is proposed in this paper. Feature extraction is performed using time domain features which exhibit low hardware implementation complexity as well as high classification performance. A comparison between a Random Forest and a linear Support Vector Machine classifier has been conducted leading to the superior performance of the Random Forest. In addition, the hyperparameters of the Random Forest classifier are optimized to reach the best classification performance as well as to maintain the hardware implementation complexity sufficiently low for medical devices implants. The proposed seizure detector is implemented on a Cyclone V FPGA of the ALTERA DE10-standard board and tested on iEEG signals of six patients from the Bern University Hospital. FPGA implementation results demonstrate 100% seizure detection sensitivity as well as better specificity and faster seizure detection compared to recently published works using random forest classification. The FPGA dynamic power consumption is 0.59 mW which is acceptable for low-power implantable devices.

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Forêt d'arbres décisionnels
vignette|Illustration du principe de construction d'une forêt aléatoire comme agrégation d'arbre aléatoires. En apprentissage automatique, les forêts d'arbres décisionnels (ou forêts aléatoires de l'anglais random forest classifier) forment une méthode d'apprentissage ensembliste. Ils ont été premièrement proposées par Ho en 1995 et ont été formellement proposées en 2001 par Leo Breiman et Adele Cutler. Cet algorithme combine les concepts de sous-espaces aléatoires et de bagging.
Classement automatique
vignette|La fonction 1-x^2-2exp(-100x^2) (rouge) et les valeurs déplacées par un bruit de 0,1*N(0,1). Le classement automatique ou classification supervisée est la catégorisation algorithmique d'objets. Elle consiste à attribuer une classe ou catégorie à chaque objet (ou individu) à classer, en se fondant sur des données statistiques. Elle fait couramment appel à l'apprentissage automatique et est largement utilisée en reconnaissance de formes. En français, le classement fait référence à l'action de classer donc de « ranger dans une classe ».
Binary classification
Binary classification is the task of classifying the elements of a set into two groups (each called class) on the basis of a classification rule. Typical binary classification problems include: Medical testing to determine if a patient has certain disease or not; Quality control in industry, deciding whether a specification has been met; In information retrieval, deciding whether a page should be in the result set of a search or not. Binary classification is dichotomization applied to a practical situation.
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