Learning from electrophysiology time series during sleep : from scoring to event detection

par Stanislas Chambon

Thèse de doctorat en Mathématiques et Informatique

Sous la direction de Alexandre Gramfort.

Soutenue le 14-12-2018

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire traitement et communication de l'information (Paris) (laboratoire) et de Télécom ParisTech (établissement opérateur d'inscription) .

Le président du jury était Michèle Sebag.

Le jury était composé de Jérémie Mattout, Marco Cuturi, Aldo Faisal.

Les rapporteurs étaient Alain Rakotomamonjy, Maarten De Vos.

  • Titre traduit

    Apprentissage à partir de séries temporelles d'électrophysiologie pendant le sommeil : de l'annotation manuelle à la détection automatique d'évènements


  • Résumé

    Le sommeil est un phénomène biologique universel complexe et encore peu compris. La méthode de référence actuelle pour caractériser les états de vigilance au cours du sommeil est la polysomnographie (PSG) qui enregistre de manière non invasive à la surface de la peau, les modifications électrophysiologiques de l’activité cérébrale (électroencéphalographie, EEG), oculaire (électro-oculographie, EOG) et musculaire (électromyographie, EMG). Traditionnellement, les signaux électrophysiologiques sont ensuite analysés par un expert du sommeil qui annote manuellement les évènements d’intérêt comme les stades de sommeil ou certains micro-évènements (grapho éléments EEG). Toutefois, l’annotation manuelle est chronophage et sujette à la subjectivité de l’expert. De plus, le développement exponentiel d’outils de monitoring du sommeil enregistrant et analysant automatiquement les signaux électrophysiologiques tels que le bandeau Dreem rend nécessaire une automatisation de ces tâches.L’apprentissage machine bénéficie d’une attention croissante car il permet d’apprendre à un ordinateur à réaliser certaines tâches de décision à partir d’un ensemble d’exemples d’apprentissage et d’obtenir des performances de prédictions plus élevées qu’avec les méthodes classiques. Les avancées techniques dans le domaine de l’apprentissage profond ont ouvert de nouvelles perspectives pour la science du sommeil tout en soulevant de nouveaux défis techniques. L’entraînement des algorithmes d’apprentissage profond nécessite une grande quantité de données annotées qui n’est pas nécessairement disponible pour les données PSG. De plus, les algorithmes d’apprentissage sont très sensibles à la variabilité des données qui est non négligeable en ce qui concerne ces données. Cela s’explique par la variabilité intra et inter-sujet (pathologies / sujets sains, âge…).Cette thèse étudie le développement d’algorithmes d’apprentissage profond afin de réaliser deux types de tâches: la prédiction des stades de sommeil et la détection de micro-événements. Une attention particulière est portée (a) sur la quantité de données annotées requise pour l’entraînement des algorithmes proposés et (b) sur la sensibilité de ces algorithmes à la variabilité des données. Des stratégies spécifiques, basées sur l’apprentissage par transfert, sont proposées pour résoudre les problèmes techniques dus au manque de données annotées et à la variabilité des données.


  • Résumé

    Sleep is a complex and not fully understood biological phenomenon. The traditional process to monitor sleep relies on the polysomnography exam (PSG). It records, in a non invasive fashion at the level of the skin, electrophysiological modifications of the brain activity (electroencephalography, EEG), ocular (electro-oculography, EOG) and muscular (electro-myography, EMG). The recorded signals are then analyzed by a sleep expert who manually annotates the events of interest such as the sleep stages or some micro-events. However, manual labeling is time-consuming and prone to the expert subjectivity. Furthermore, the development of sleep monitoring consumer wearable devices which record and process automatically electrophysiological signals, such as Dreem headband, requires to automate some labeling tasks.Machine learning (ML) has received much attention as a way to teach a computer to perform some decision tasks automatically from a set of learning examples. Furthermore, the rise of deep learning (DL) algorithms in several fields have opened new perspectives for sleep sciences. On the other hand, this is also raising new concerns related to the scarcity of labeled data that may prevent their training processes and the variability of data that may hurt their performances. Indeed, sleep data is scarce due to the labeling burden and exhibits also some intra and inter-subject variability (due to sleep disorders, aging...).This thesis has investigated and proposed ML algorithms to automate the detection of sleep related events from raw PSG time series. Through the prism of DL, it addressed two main tasks: sleep stage classification and micro-event detection. A particular attention was brought (a) to the quantity of labeled data required to train such algorithms and (b) to the generalization performances of these algorithms to new (variable) data. Specific strategies, based on transfer learning, were designed to cope with the issues related to the scarcity of labeled data and the variability of data.


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