I A ES   I n te r n at i o n al   Jo u r n al   o A r ti f i c i al   I n te l l i ge n c e   (I J - AI)   V o l .   9 ,   N o .   4 D e c e m be r   20 20 ,   pp .   744 ~ 756   IS S N :   2252 - 8938 ,   D O I :   10. 1 1591 / i j a i . v 9 .i 4 . pp 744 - 756             744       Jou r n al   h o m e pa ge ht t p: / / i j ai . i ae s c or e . c om   A u t o m a t i c   a m y o t r o p h i c   l a t e r a l   s c l e r o s i s det e c t i o n   u s i n g   t u n a b l e   Q - f a c t o r   w a v e l e t   t r a n sf o r m       A b d e l o u ah ad   A c h m a m ad ,   A b d e l al i   Be l k h o u ,   A tm an   Jb ar i   E l e c t r o n i c   s y s t e m s   s e n s o r s   a nd  na n o - b i o t e c h n o l o gi e s ,   H i g h   s c ho o l   o f   t e c hni c a l   e d uc a t i o n ,   M o ha m m e d   V   U ni v e r s i t y   i n   R a b a t ,   M o r o c c o       A r ti c l e   I n fo     A B S TR A C T   Ar t i c l e   h i s t or y :   R e c e i v e M ay   2 8 ,   20 20   R e v i s e O ct   2 3 ,   2 0 20   A c c e pt e N ov   1 ,   20 20       E a r l y   di a g no s i s   o f   a m y o t r o phi c   l a t e r a l   s c l e r o s i s   ( A L S )   ba s e o e l e c t r o m y o g r a ph y   ( E M G )   i s   c r uc i a l .   T h e   p r o c e s s i ng   o f   a   no n - s t a t i o na r y   E M G   s i g na l   r e qu i r e s   po w e r f ul   m u l t i - r e s o l ut i o m e t ho ds .   O ur   s t ud y   a na l y z e s   a nd  c l a s s i f i e s   t h e   E M G   s i g na l s .   I t h e   p r e s e n t   w o r k ,   w e   i nt r o duc e   a   no v e l   f l e xi bl e   m e t ho f o r   c l a s s i f i c a t i o o f   E M G   s i g na l s   us i ng   t u na b l e   Q - f a c t o r   w a v e l e t   t r a n s f o r m   ( T Q W T ) .   D i f f e r e nt   s u b - ba nd s   g e ne r a t e by   t he   T Q W T   t e c hni que   w e r e   s e r v e t o   e xt r a c t   us e f u l   i nf o r m a t i o r e l a t e t o   e ne r g y   a nd  t he t h e   c a l c ul a t e f e a t ur e s   w e r e   s e l e c t e u s i ng   a   f i l t e r   s e l e c t i o ( F S )   m e t ho d.   T he   e f f e c t i v e n e s s   o f   t he   f e a t ur e   s e l e c t i o s t e r e s u l t e n o t   o nl y   i t he   i m p r o v e m e nt   o f   c l a s s i f i c a t i o p e r f o r m a nc e   bu t   a l s o   i r e d uc i ng   t he   c om put a t i o t i m e   o f   t he   c l a s s i f i c a t i o a l g o r i t hm .   T h e   s e l e c t e f e a t u r e   s ubs e t s   w e r e   us e a s   i n pu t s   t o   m ul t i pl e   c l a s s i f i e r   a l g o r i t hm s ,   n a m e l y ,   k - ne a r e s t   ne i g hbo r   ( k - N N ) ,   l e a s t   s qua r e s   s uppo r t   v e c t o r   m a c hi ne   ( L S - S V M )   a nd   r a ndo m   f o r e s t   ( R F )   f o r   a u t o m a t e d   di a g no s i s .   T h e   e xpe r i m e n t a l   r e s ul t s   s ho w   be t t e r   c l a s s i f i c a t i o m e a s u r e s   w i t k - N N   c l a s s i f i e r   c o m pa r e w i t h   L S - S V M   a nd  R F .   T h e   r o bus t n e s s   o f   t he   c l a s s i f i c a t i o t a s w a s   t e s t e d   us i ng   a   t e n - f o l d   c r o s s - v a l i da t i o m e t ho d.   T he   o u t c o m e s   o f   o ur   pr o po s e a pp r o a c c a be   e xpl o i t e d   t o   a i c l i n i c i a n s   i n   ne ur o m us c ul a r   di s o r de r s   de t e c t i o n.     Ke y w or d s :   A m y o t r o ph i c   l a t e ra l   s c l e r o s i s   Cl a s s i f i c a t i o n   E l e c t r o m y o gr a p h y   F i l t e r   s e l e c t i o n   T u n a b l e   Q - f a c t o w a v e l e t   T hi s   i s   an   ope n   ac c e s s   ar t i c l e   u nde r   t he   C C   B Y - SA   l i c e ns e .     Cor r e s pon di n g   Au t h or :   A b de l o ua ha A c hm a m a d   D e pa rt m e n t   o f   E l e c t ri c a l   M o h a m m e V   U n i v e r s i t y   i R a b a t   A v e n ue   de s   N a t i o n s   U ni e s ,   R a b a t   10000 ,   M o r o c c o   E m a i l :   a b de l o ua ha d . a c h m a m a d @ u m 5s . n e t . m a       1.   I N TR O D U C TI O N     A m y o t r o ph i c   l a t e r a l   s c l e r o s i s   (A L S i s   a   n e ur o m us c ul a r   d i s e a s e   m a i nl y   c h a r a c t e r i z e by   t h e   g r a du a l   de ge n e ra t i o n   o f   t h e   l ow e r   a nd  uppe r   m o t o r   n e u r o n s   s i t u a t e d   i n   t h e   s pi n a l   c o r a n b ra i n,   r e s pe c t i v e l y   [1 - 3] A L S   i s   a   ra pi d l y   pr o gr e s s i v e   di s e a s e   w h i c h   m o s t l y   oc c ur s   i n   pe o pl e   a ge b e t w e e n   40  a n 65  y e a r s   [1,   4 - 5] T h e   m a j o r i t y   of   pa t i e n t s   s uf f e r i n f r o m   m o t o r   n e u r o n   d i s e a s e s   h a v e   m us c l e   w e a kn e s s ,   m us c l e   a t r o p h y   a n d   r e s pi ra t o r y   f a i l ur e   w hi c h   o f t e n   l e a ds   t o   de a t h   a f t e r   t o   y e a r s   o f   t h e   o n s e t   o f   s y m pt o m s   [3,   5 ] .   H e n c e ,   e a r l y   di a g n o s i s   i s   de s i r e d.   E l e c t r o m y o gr a p h y   (E M G de pi c t s   t he   s t a t e   o f   t h e   m us c l e   a n c a n   b e   us e fo r   t h e   de t e c t i o n   a nd   p r e v e n t i o o f   A L S   b a s e o n   a n a l y s i s   of   m o t o r   uni t   a c t i o po t e n t i a l   (M U A P [3 - 4 ] .     In  f a c t ,   E M G   i s   a   t e s t   t ha t   m e a s u r e s   t h e   e l e c t ri c a l   a c t i v i t y   of  t h e   m us c l e   a n n e r v e s   i n   t h e   b o d y ,   a n d   i t   c a n   t e l l   us   h o w   w e l l   t h e   i n f o r m a t i o n   i s   t ra n s f e rr e f r o m   t he   b r a i n   do w n   t o   t h e   n e r v e s   i n   t h e   s ke l e t a l   m us c l e   o r   f r o m   t h e   n e r v e s   b a c up  t o   t h e   b r a i n   [6 - 8] .   It   c a n   h e l t o   i de n t i fy   di ffe r e n t   t y p e s   of   di s e a s e   s uc h   a s   A L S   a n m y o pa t h y   o r   i n j u r y   t o   t h e   n e r v e s .   It   c a n   a l s o   b e   h e l pf ul   fo r   e xpe r t   do c t o r s   a nd  n e ur o l o gi s t s   t o   de t e r m i n e   w h a t   f u r t h e r   t r e a t m e nt   w o ul b e   n e e de d   i n   t h e   e v e n t   o f   di s e a s e .   M o r e o ve r ,   E M G   i s   us e i n   m a n y   f i e l ds   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   A r t i f   I n t e l l   IS S N :   2252 - 8938       A ut om a t i c   am y o t r ophi c   l at e r al   s c l e r os i s   de t e c t i on   us i ng   t u na bl e   Q - f a c t or   ( A bde l ouah ad  A c hm am ad )   745   a ppl i c a t i o n s   s uc h   a s   m e di c i n e   p r o s t h e s i s   c o n t r o l ,   r e h a b i l i t a t i o n ,   a nd  c l i n i c a l   di a g n o s i s   [9 - 10] .   G e n e r a l l y ,   t h e   us e   of   a i n v a s i v e   e l e c t r o de   i s   p r e f e r a b l e   i i n v e s t i ga t i ng  n e u r o m us c ul a di s o r de r s .   U n de r s t a ndi ng  t h e   b e h a v i o r   a n d   c ha ra c t e ri s t i c s   o f   a n   E M G   s i g na l ,   w hi c h   i s   ge n e r a t e e i t h e r   f r o m   t h e   m us c l e   du ri n i t s   c o n t ra c t i o n   o by   s t i m u l a t i o n ,   r e qui r e s   k n o w l e dge   of   di f fe r e nt   s i g na l   p r o c e s s i n t o o l s   [6]   O v e r   t h e   pa s t   de c a de ,   m a n y   s t udi e s   h a v e   s i gn i f i c a n t l y   c ont r i b ut e t o   t h e   a i m   o di s t i n gui s hi n g   b e t w e e n   A L S   pa t i e n t s   a n h e a l t h y   s u bj e c t s .   T h e   f e a t ur e s   e xt ra c t e f r o m   a n   E M G   s i g na l   c a n   b e   us e f ul   i n   t h e   di a g n o s i s   o f   n e ur o m us c ul a r   d i s e a s e s .   T h e   w o r ks   pr e s e n t e i [11 - 13]   e xpo rt e t i m e   do m a i n   f e a t u r e s   l i ke   r o o t   m e a n   s qu a r e ,   a ut o c o r r e l a t i o n   a n z e r o   c r o s s i n ra t e   f o r   E M G   c l a s s i f i c a t i o n,   w hi l e   i [13]   f r e que n c y   do m a i f e a t ur e s   s uc h   a s   m e a f r e que n c y   a n d   s pe c t ra l   pe a w e r e   us e fo r   n o rm a l   a nd  A L S   c l a s s i f i c a t i o n .   H ow e v e r ,   due   t o   t h e   n o n - s t a t i o na r y   n a t u r e   o f   a n   E M G   s i g n a l ,   t i m e - f re que n c y / s c a l e   pa ra m e t e r s   w e r e   a do pt e i n   m a n y   w o r ks   [6,   1 4 ] .   H e n c e ,   w a v e l e t   t r a n s f o r m   b a s e t e c hni qu e s ,   s h o rt   t i m e   f o ur i e t ra n s f o r m   (S T F T ),   a n d   di s t r i b ut i o n   t r a n s f o r m   (D T p r o v i de   m o r e   a c c ur a t e   s i g na l   i n f o r m a t i o n .   D i s c r e t e   w a v e l e t   t r a n s f o r m   (D W T )   h a s   b e e n   s uc c e s s f ul l y   us e fo r   t h e   a na l y s i s   of   E M G   s i gn a l s .   T hi s   a ppr o a c h   de c o m po s e s   t h e   E M G   s i gna l   di r e c t l y   t hr o ugh   t h e   us e   of   a   f i l t e r   b a n a n do w n - s a m pl i n i nt o   de t a i l   c o e ff i c i e n t s   a n a pp r o xi m a t i o n   c o e ff i c i e n t s .   I n   [15] ,   a f t e r   h a v i n a ppl i e D W T ,   t h e   n o i s e   r e duc t i o n   w a s   m a de   b a s e o n   m ul t i s c a l e   pri n c i p a l   c o m po n e nt   a n a l y s i s   (M S P CA i o r de r   t o   i m p r o v e   t h e   pe r f o r m a n c e   o E M G   c l a s s i f i c a t i o n .   T h e r e f o r e ,   s i c o e ff i c i e n t - r e l a t e f e a t ur e s   i n c l u di n m e a n   v a l ue ,   a v e r a ge   po w e r ,   s t a n d a r de v i a t i o n   a nd  t h e   r a t i o   of   t h e   m e a n   v a l ue   o n e i g h b o r s   s ub - b a n ds   w e r e   gi v e n   a s   i n pu t s   t o   de c i s i o n   t r e e   a l go r i t hm s ,   i n c l ud i n c l a s s i f i c a t i o n   a n r e g r e s s i o t r e e s   CA R T ,   4. a l go r i t hm   a n ra n do m   f o r e s t   c l a s s i f i e r.   I n   [ 16]   t u na b l e   Q - f a c t o r   w a ve l e t   t ra n s f o r m   ( T Q W T )   b a s e f e a t ur e s   w e r e   t e s t e o n   l e a s t   s qua r e s   s uppo rt   m a c h i n e s   a nd  k - n e a r e s t   n e i g h b o r   c l a s s i f i e r s .   T h e   c o n v e n t i o n a l   M U A P   b a s e d   m e t h o c o n s i s t s   o b r e a ki n a E M G   s i gna l   i nt o   s e gm e n t s   kn o w n   a s   M U A P s .   T h i s   i ndi r e c t   a pp r o a c h   ha s   a t t r a c t e e n o rm o us   a t t e n t i o n   i n   r e c e n t   y e a r s .   F o r   e xa m p l e ,   i n   [1 7]   w a v e l e t   c oe ff i c i e n t s   i n   e a c h   s ub - b a n w e r e   e xt ra c t e f r o m   t h e   do m i na n t   M U A P s   of   a n   E M G   s i gna l ,   a n t h e s t a t i s t i c a l   f e a t ur e s   w e r e   e xt r a c t e f o r   f ur t h e r   c l a s s i f i c a t i o n   a nd  pe r f o r m a n c e   e v a l ua t i o n.   M o r e ov e r ,   t h e   T Q W T   m e t h o a n e n t r o py   pa r a m e t e r s   ha v e   be e n   us e fo r   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   o f   M U A P s   w i t h   r a n do m   f o r e s t   c l a s s i f i e [18] .   M e a n w hi l e ,   S T F T ,   c o n t i nuo us   w a v e l e t   t r a n s f o r m   (CW T a nd  s m o o t h e ps e udo - w i gn e r - v i l l e - di s t r i b ut i o n   (S P W V D h a v e   b e e n   i n t r o duc e i nt o   t h e   i de n t i f i c a t i o o f   n e u r o m us c ul a di s o rde r s   [19] .   A n o t h e r   n o n l i n e a r   s i g na l   p r o c e s s i n m e t h o w a s   pr o po s e i n   [20 - 21] .   T h e   a ut h o r s   i n v e s t i ga t e t h e   n e u r o m us c ul a di s o rde a l go r i t hm s   by   us i n e m pi r i c a l   m o de   de c o m po s i t i o n   ( E M D ).   It   w a s   fo un t h a t   n o n l i n e a r   f e a t ur e s   a r e   m o r e   s ui t a b l e   f o r   e v a l ua t i ng  t h e   d y n a m i c   b e h a v i o r   of   n e ur o m us c ul a r   d i s o r de r s .   E s s e n t i a l l y ,   t h e   E M D   m e t h o i n v o l v e s   n a rr o w b a n d   i nt r i n s i c   m o de   f un c t i o n s   (IM F s ) .   E M G   c l a s s i f i c a t i o w a s   pe r f o r m e us i ng  l e a s t   s qu a r e s   s uppo rt   m a c h i n e   (L S - S V M a n d   E M D   r e l a t e f e a t u r e s   i [21] H i g h e c l a s s i f i c a t i o a c c ura c y   w a s   a c h i e v e by   us i n i m p r o v e m ode   de c o m po s i t i o n   (I E M D ).   T h e   m a i n   i de a   o f   t hi s   m e t h o i s   t o   d e c o m po s e   t h e   E M G   s i gna l   i nt o   IM F s ,   fo l l ow e by   t h e   m e di a n   f i l t e r   t o   r e m o v e   i m pul s e   n o i s e   f r o m   IM F s .   T h e   r e c o n s t i t ut i o n   o f   t h e   f i l t e r e IM F s   w a s   c a rr i e o ut ,   a n t h e n   n e w   IM F s   w e r e   ge n e r a t e by   t h e   E M D .   F u r t h e rm o r e ,   f o ur   pa r a m e t e r s   w e r e   e xt r a c t e t o   fe e t h e   s uppo r t   v e c t o r   m a c hi n e   (S V M c l a s s i f i e r ,   a n d   t h e   ob t a i n e r e s ul t   w a s   c o m pa r e w i t h   o t h e r   m e t h o ds   s uc h   a s   E M D   a n a da pt i v e l y   f a s t   e n s e m b l e   e m pi r i c a l   m o de   de c o m po s i t i o n   (A F E E M D )   [20] .   In   t h i s   s t u dy ,   w e   pr o pos e   a n   a pp r o a c h   t o   di a g n o s e   A L S .   T h e   pr o po s e m e t h o us e s   t una b l e   Q - f a c t o r   w a ve l e t   a na l y s i s   t o   e xt r a c t   e n e r gy - r e l a t e f e a t u r e s   a n m ul t i p l e   c l a s s i f i e r s   f o r   pe r f o r m a n c e   e v a l ua t i o n .   H e n c e ,   i n   t h e   t u n a b l e   Q - f a c t o r   w a ve l e t   t ra n s f o r m ,   ge n e r a t i o n   o f   s ub - b a n ds   i s   r e qui r e d .   W e   f i r s t   a pp l i e t h e   T Q W T   t o   t h e   E M G   s i g na l s ,   a nd  t h e t hr e e   pa ra m e t e r s   b a s e o n   e n e r gy ,   n a m e l y   t h e   r e l a t i v e   t una b l e   Q - f a c t o r   w a ve l e t   t r a n s f o r m   e n e r gy ,   r a t i o ,   a n di f f e r e n c e   of   e n e r g y   v a l ue s   of   n e i gh b o r   T Q W T   s ub - b a n ds   w e r e   e xt ra c t e d.   Co n s i de r i ng  t h e   i rr e l e v a n t   a n d   r e du n d a n t   i n f o r m a t i o n   o f   t h e   e xt ra c t e d a t a s e t ,   t h e   e f fe c t i ve   fe a t ur e s   w e r e   s e l e c t e by   t h e   f i l t e r   f e a t ur e   s e l e c t i o n   m e t h o d.   T h e   s e l e c t e f e a t ur e s   w e r e   c o n s i de r e a s   i n pu t   da t a   f o r   k - N N ,   L S S V M ,   a nd  R F   c l a s s i f i e r s ,   w h i c h   ha v e   b e e n   p r e v i ous l y   s u c c e s s f ul l y   e m pl oy e fo r   n e u r o m us c ul a di s o r de r s   de t e c t i o n   [ 15 - 16,   18] .   T h e   f l ow c h a rt   i n   F i gu r e   1   de pi c t s   t h e   s t e ps   f o l l ow e i n   c l a s s i fy i n E M G   s i g n a l s .           F i gu r e   1 .   F l o w c h a r t   o f   t h e   p r o po s e s c h e m e   f o r   n e u r o m us c ul a r   d i s o r de r   de t e c t i o n       T h e   r e m a i nde r   o f   t h i s   p a pe r   i s   s t r uc t u r e a s   f o l l ow s .   S e c t i o n   de s c r i b e s   t h e   e xpe r i m e nt a l   b a c kgr o un d   o f   E M G   da t a   a n d   t h e   b a s i c   t h e o r y   be h i n t h e   s ugge s t e m e t h o d.   W e   p r e s e n t   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 252 - 8938     I n t   J   A rt i f   I nt e l l V o l .   9 ,   N o .   4 D e c e m be r   20 20 :     744     7 56   746   t a s i n   s e c t i o n   3.   I n   s e c t i o n   4,   w e   gi v e   t h e   e xpe r i m e nt a l   r e s ul t s   a n d   di s c us s   o ur   w o r k.   F i na l l y ,   c o n c l us i o n s   a r e   dra w n   i s e c t i o n   5 .       2.   M A TER I A LS   A N D   M E TH O D S   2. 1 .     D ata   c o l l e c t i o n   E M G   r e c o r di ngs   w e r e   c o l l e c t e d   a t   t h e   Cl i ni c a l   N e u r o ph y s i o l o g y   de pa r t m e nt ,   R i gs   h o s pi t a l ,   t h e   U n i v e r s i t y   of   C o pe n ha ge n   i n   2 001 .   T h e   E M G   da t a s e t s   fo r   bo t h   t h e   A L S   a n t h e   h e a l t h y   c o n t r o l   gr o up  a r e   pub l i c l y   a v a i l a b l e   o n   t h e   w e b s i t e   e m gl a b . n e t ,   w h i c h   i s   w i d e l y   e xpl o i t e by   r e s e a r c h e r s   [1 3,   15 - 16 ,   18 ,   20 - 21 ] .   T h e   h e a l t h y   c o n t r o l   g r o up  c o n t a i n s   t e n   n o rm a l   s ub j e c t s   w i t h   a n   a v e ra ge   a g e   b e t w e e n   21 - 37  y e a r s   (f o ur   f e m a l e s   a n s i m a l e s ).   S i o f   t h e   t e n   a r e   i n   pe r f e c t   s h a pe   a n t h e   r e s t ,   e xc e pt   o n e ,   a r e   ge n e r a l l y   i n   go o d   s h a pe .   T h e   A L S   gr o up  c o m pr i s e s   e i g h t   p a t i e nt s ;   f o ur   m a l e s   a n f o ur   f e m a l e s   a n t h e i r   a ge s   a r e   b e t w e e n   19  a n 63 .   T h e   E M G   s i g n a l s   w e r e   a c qui r e f r o m   t h e   b r a c h i a l   b i c e ps   a n m e di a l   v a s t us   m us c l e s   us i n c o n c e n t ri c   n e e dl e   e l e c t r o de s .   T h e   s a m pl i n ra t e   o f   e a c h   E M G   s i g n a l   r e c o r de r   w a s    = 23437 . 5    a n d i gi t a l i z e b y   a n   /   c o n v e r t e r   o f   16  b i t s   r e s o l ut i o n.   T h e   E M G   s i g n a l s   w e r e   f i l t e r e a t   2H z   a n 10kH z   by   h i g a n d   l o w   pa s s   f i l t e r s ,   r e s pe c t i v e l y .   M o r e   de t a i l e i n f o r m a t i o n   o n   t he   E M G   da t a   c a n   b e   ob t a i n e f r o m   t h e   o n l i n e   E M G L A B   c o l l e c t i o n   [22] .   I n   t h i s   s t udy ,   200  h e a l t h y   a n d   200  A L S   E M G   s i gn a l s   w e r e   i n v e s t i ga t e f o r   n e u r o m us c ul a r   di s o r de r   de t e c t i o n.   F o r   da t a   i n c r e a s i n g ,   w e   d i v i de e a c h   E M G   r e c o r i n t o   s i s e gm e nt s   w i t 35, 000   s a m pl e s ,   l e a di n g   t o   1, 20 r e c o r ds   f o r   e a c h   c l a s s .   T y p i c a l   e xa m pl e s   o f   a n   E M G   s i g na l   f o r   h e a l t h y   a n d   A L S   c l a s s e s   a r e   de pi c t e i F i gu r e   2 .           F i gu r e   2 .   E xa m p l e   pl o t   o f   A L S   a n d   h e a l t h y   E M G   s i g na l s   f o r   35, 000   s a m p l e s       2. 2 .       E M G   s i gn al   d e c o m p o s i ti o n   b as e d   o n   tu n ab l e   Q - fa c t o r   w av e l e t   tr an s fo r m   Iv a n   S e l e s ni c i n   2 006  i n t r o duc e a   n e w   w a v e l e t   t r a n s f o rm   k n o w n   a s   t u na b l e   Q - f a c t o r   w a v e l e t   t r a n s f o r m   (T Q W T ) .   T h i s   m e t h o i s   a   f l e xi b l e   di s c r e t e   w a v e l e t   t r a n s f o r m   w h i c h   i s   us e f o r   a na l y z i n t h e   o s c i l l a t o r y   be h a v i o r   o f   s i g n a l s .   T h e   Q - f a c t o s h o ul d,   o n   t h e   o n e   ha n d ,   b e   h i g h e t o   e v a l ua t e   o s c i l l a t o r y   s i g n a l s   l i ke   a e l e c t r o e n c e pha l o g r a m   ( E E G ) ,   e l e c t r o   c a r d i a c   ( E CG ),   e l e c t r o m y o gr a p h y   (E M G ),   s pe e c h   a n d   s o   o n ;   o t h e r w i s e ,   t h e   w a v e l e t   t ra n s f o r m   s h o ul h a v e   a   l o w   Q   f a c t o r .   T h e   T Q W T   w a s   de v e l o pe t o   e a s i l y   a dj us t   t h e   Q - f a c t o r   of  t h e   w a v e l e t   [23] .   T h e   T Q W T   m e t h o i s   pa ra m e t e r i z e w i t h   t h e   h e l o f   t h r e e   a dj us t a b l e   pa r a m e t e r s ,   n a m e l y   Q - f a c t o r ,   r e du n da n c y   de n o t e a s   (r ),   a nd  t h e   n um b e r   o f   t h e   l e ve l   of   de c o m po s i t i o n   (j ).   F urt h e rm o r e ,   a s   c a n   b e   s e e n   i n   F i gu r e   3,   T Q W T   r e pe a t e dl y   us e s   t h e   c o n c e p t   of   a   t w o - c h a nn e l   f i l t e r   b a n f o r   t h e   p r o c e s s   a n d   s y n t h e s i s   o f   t h e   s i g na l .   T h e   f i l t e r   b a n i n c l ud e s   a   m o t h e w a v e l e t   a n s c a l i n g   f i l t e r s   t o   e xt r a c t   t h e   f r e que n c y   c o n t e n t   o f   t h e   s i gna l .   B a s i c a l l y ,   a t   e a c h   l e v e l   of   T Q W T   de c o m po s i t i o n ,   t h e   i nput   o f   t h e   a n a l y z e s i gn a l   w i t s a m pl i n ra t e      c a b e   de c o m po s e i n t o   s ub - b a n ds ;   t h e   f i r s t   s ub - b a n d   s i g na l ,   k n o w n   a s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   A r t i f   I n t e l l   IS S N :   2252 - 8938       A ut om a t i c   am y o t r ophi c   l at e r al   s c l e r os i s   de t e c t i on   us i ng   t u na bl e   Q - f a c t or   ( A bde l ouah ad  A c hm am ad )   747   a   l o w   pa s s   (L P S ),   a n d   t h e   s e c o n s ub - b a n d ,   k n o w n   a s   a   hi g pa s s   (H P S ),   ha v e   s a m p l i n g   ra t e   .    a n d   .  ,   r e s pe c t i v e l y ,   w h e r e     a n   a r e   s c a l i n pa ra m e t e r s   a nd  s h o ul b e   c h o s e n   i n   t h e   r a nge   o f   0      1   t o   s a t i s f y   t h e   c o n di t i o n   + > 1 .   T hi s   p r o c e s s   i s   i t e ra t i v e l y   r e a l i z e t o   c r e a t e   a   s e t   of   h i g h - f r e que n c y   c o m po n e n t   v e c t o r s   1 , 2 , 3 , 4 , ,   a n a   l o w - f r e que n c y   c o m po n e nt   + 1 .   T h e   l o w   a n hi g pa s s   f i l t e r s ’  f r e que n c y   r e s po n s e s   o b t a i n e f r o m   j - s t a ge s   (l e v e l s a r e   m a t h e m a t i c a l l y   e xpr e s s e by   0 ( )   a n d   1 ( ) ,   r e s pe c t i v e l y   a s   fo l l ow s :       0 ( ) = { 1   , | |   < ( 1 )   ( + ( 1 ) + 1 ) , ( 1 ) | |   <  1 ,  | | <   (1)       1 ( ) = { 0 , | |   < ( 1 )   (  + 1 ) , ( 1 ) | |   <  1 ,  | | <   (2)     ( )   i s   c o n s i de r e a s   t h e   f r e que n c y   r e s po n s e   of   D a ub e c h i e s   f i l t e w i t t w o   v a n i s h i ng  m o m e n t s   a n d   c a b e   gi v e n   a s   f o l l ow s :       ( ) = 0 . 5 ( 1 + c o s ) 2 c o s ,   | |       (3)     T h e   a dj us t a b l e   pa ra m e t e r s ,   Q ua l i t y - F a c t o r   (Q ),   r e du n d a n c y   (r a n m a xi m u m   n um b e r   o de c o m po s i t i o n   l e v e l   (  )   c a b e   w r i t t e i t e r m s   o f     a n d     a s   f o l l ow s :         = 2   , = 1 ,  = l o g   (  8 ) l o g   ( 1 )   (4)     W h e r e   N   r e f e r s   t o   t h e   t o t a l   num b e o f   da t a   s a m pl e s           F i gu r e   3 .   E xa m p l e   o f   T Q W T   d e c o m po s i t i o n   a t   t h e   f i r s t   s t a ge       R e c e n t l y ,   t h e   T Q W T   m e t h o ha s   b e e n   w i de l y   e m pl oy e t a s s e s s   t h e   di f f e r e n t   b i o l o gi c a l   s i g n a l s ,   e s pe c i a l l y   E M G   s i gn a l s .   T h e   de c o m p o s e A L S   a n h e a l t h y   E M G   s i gna l s   a r e   i l l us t ra t e i n   F i gu r e   4,     us i n g   T Q W T   p a ra m e t e v a l ue s   = 1 , = 10 ,   a n d   = 3 .   G e n e r a l l y ,   i t   i s   s t r o ngl y   r e c o m m e n de d   t o   c h o o s e   > 3   [23] .   F r o m   F i g u r e   4   t h e   di f f e r e n c e   b e t w e e n   h e a l t h y   a n A L S   E M G   da t a   a ppe a r   i t h e   l a s t   s i x   s ub - b a n ds .   F i gu r e   4   (a - b c l e a rl y   s h ow   t ha t   t h e   f i r s t   f o ur   s ub - b a n ds   c o nt a i n   n o   i n f o r m a t i o n,   a n t h e   us e f ul   E M G   s i g n a l   i n f o rm a t i o i s   c o n c e n t ra t e d   i t h e   r e m a i n i ng  s ub - b a n d s .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 252 - 8938     I n t   J   A rt i f   I nt e l l V o l .   9 ,   N o .   4 D e c e m be r   20 20 :     744     7 56   748     (a )       (b )     F i gu r e   4 .   P l o t   s ub - b a n ds   b a s e o T Q W T :   (a )   h e a l t h y   a n (b A L S   E M G   s i g na l s       2. 3 .     F e atu r e   e x tr ac ti o n   T h e   s e c o n s t e o f   o ur   a u t o m a t e s y s t e m   i s   f e a t u r e   e xt r a c t i o n,   w hi c i s   a   v e r y   i m po r t a n t   s t e i t h e   n e u r o m us c ul a r   c l a s s i f i c a t i o n   p r o c e s s .   B a s e o n   T Q W T   s ub - ba n ds ,   t hr e e   e n e rgy - r e l a t e f e a t ur e s   a r e   e xt r a c t e d.   T h o s e   f e a t ur e s   r e duc e   t h e   di m e n s i o na l i t y   of   s u b - b a n s i g na l s .   It   i s   t o   b e   m e n t i o n e t ha t   a c c o r di n t o   j - lev e l   T Q W T - b a s e de c o m po s i t i o n ,   j   + 1   s ub - b a n ds   a r e   o b t a i n e a nd  t h e y   c a n   b e   r e p r e s e n t e b y   a   c e l l   a rra y :     = { 1 , 2 , 3 , 4 , , , + 1 }   (5)     T h e   e n e r gy   a s s o c i a t e w i t t u n a b l e   Q - f a c t o r   w a v e l e t   t ra n s f o r m   f o r   e v e r y   s u b - b a n i s   de f i n e d   by :      = |  | 2 = 1     (6)     T h e   t o t a l   s i g n a l   e n e r gy   c a n   b e   w r i t t e n   a s   f o l l ow s :        =    = 1   (7)     In   c o n s e que n c e ,   t h e   r e l a t i v e   e n e r gy   v a l ue ,   w h i c h   c o rr e s po n d s   t o   t h e   e n e r gy   of   e a c h   T Q W T   s ub - b a n i s   gi v e by :     =     (8)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   A r t i f   I n t e l l   IS S N :   2252 - 8938       A ut om a t i c   am y o t r ophi c   l at e r al   s c l e r os i s   de t e c t i on   us i ng   t u na bl e   Q - f a c t or   ( A bde l ouah ad  A c hm am ad )   749   Cl e a r l y ,   = 1   a n d   e v a l ua t e   t h e   p r o b a b i l i t y   di s t ri b ut i o o f   e a c h   s ub - b a n d .     T h e   f o l l ow i n m a t h e m a t i c a l   e xp r e s s i o e xp r e s s e s   t h e   ra t i o   a nd  d i f fe r e n c e   o f   e n e r gy   v a l ue s   o n e i g h b o r   T Q W T   s ub - b a n ds :       = |  | 2 = 1 |  | 2 = 1   (9)       D i f f = |  | 2 = 1 |  | 2 = 1     (10)     T h e   t w o   f e a t ur e s ,   ( 9)  a n d   (10) ,   m e a s u r e   t h e   c h a n ge s   i t h e   f re que n c y   di s t r i b ut i o n .     F r o m   t h e   f e a t u r e s   e xp r e s s i o n ,     { 1 , 2 , 3 , 4 , 5 }   t h e   l e ngt h   o f   e a c h   s u b - b a n d   a n d   , { 1 , 2 , 3 , 4 , 5  }   a r e   t h e   T Q W T   de c o m po s i t i o n   l e v e l s .   Co n s i de r i n g   a e xa m p l e    = 10 ,   t h e s e   f e a t ur e s   a r e   c a l c ul a t e d   f r o m   1   t o   10   a n d   11   w h i c c o rr e s po n t o   h i g h -   a n d   l o w - f r e que n c y   s i g n a l   s ub - b a n ds ,   r e s pe c t i v e l y .   E l e v e n   di f f e r e n t   f e a t u r e s   a r e   c o m put e f r o m   ( 8 )   a n d   t w e n t y   di ff e r e n t   f e a t u r e s   a r e   o b t a i n e f r o m   bo t ( 9 )   a n d   ( 10 ) .   H e n c e ,   t h i rt y - o n e   f e a t u r e s   a r e   e xt ra c t e d   a n d   t h e t h e   f i l t e m e t h o i s   us e d   f o r   f e a t u r e   s e l e c t i o n .     2. 4 .     F i l t e r   m e th o d   b as e d   o n   fe atu r e   s e l e c ti o n   A f t e r   t h e   de s i ra b l e   f e a t u r e s   h a v e   b e e n   e xt ra c t e d,   t h e   n e xt   t a s i s   t o   s e l e c t   t h e   r e l e v a n t   f e a t u r e s   a nd  ra n t h e m   i n   o r de o f   i m po r t a n c e .   G e n e ra l l y ,   a   n e u r o m us c ul a r   di s o r de r   c l a s s i f i c a t i o p r o c e s s   i n v o l ve s   a   l o t   of  f e a t ur e s ,   a n m o s t   of   t h e m   c o n t a i n   l i t t l e   o r   n o   i n f o r m a t i o n .   T h e   r e l e v a n t   f e a t u r e s   a r e   n e c e s s a r y   f o r   i m p r o v i n c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e   a nd  r e duc i n c o m put a t i o n a l   t i m e   of   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   s y s t e m .   In   t h e   l i t e ra t u r e ,   t h e r e   a r e   v a r i o us   m e t h o ds   f o r   f e a t ur e   s e l e c t i o (F S ):   w r a ppe r,   f i l t e r,   e m b e dde d,   o r   h y b r i m e t h o ds   [24 - 25 ] .     T h e   f i l t e r   m e t h o i s   de e m e t o   be   s ui t a b l e   f o r   F S   a n i s   f a s t e r   t h a n   t h e   w r a ppe r   m e t h o d.   I n   o u r   s t udy ,   w e   foc us   o n   t h e   f i l t e m e t h o d,   w h i c h   c o n s i s t s   o f   us i n g   s t a t i s t i c a l   m e a s u r e m e n t s   a s   e v a l ua t i o c ri t e r i a   t i n v e s t i ga t e   t h e   i m po r t a n c e   o f   e xt r a c t i o f e a t u r e s   w i t h o ut   a n y   l o s s   of   us e f ul   i n f o r m a t i o [25] .   T h e   r e l i e f   f e a t ur e   s e l e c t i o n   a l go ri t hm   i s   o n e   o f   t h e   c urr e nt l y   e xi s t i n a l go ri t hm s   b a s e o n   t h e   f i l t e r   m e t h o d,   a n w a s   pr o po s e by   [26] .   T h e   r e l i e f   a l go ri t hm   de t e rm i n e s   f e a t u r e   w e i ght s   f o r   e a c h   e xt r a c t e f e a t ur e ,   w h i c h   c a n   b e   a ppl i e t o   r a n a n s e l e c t s   t h e   m o s t   o pt i m a l   s c o r i n f e a t u r e s   [27] .   A s   a l r e a dy   m e n t i o n e d,   t h e   t o t a l   n u m b e r   of  f e a t ur e s   i s   t h i rt y - o n e ,   w h i c h   a r e   e xt r a c t e f r o m   t hr e e   di ff e r e n t   e n e r gy - r e l a t e fe a t u r e s .   S o ,   t h e   m e a n   a n s t a n d a r de v i a t i o v a l ue s   o f   t h e   f i r s t   t e ra n ke f e a t u r e s   a s   s h o w n   in   T a b l e   1.   W e   a l s o   c a l c ul a t e t h e   pr o b a b i l i t y   v a l ue s   us i n g   t h e   A N O V A   t e s t .   I n   r e c e nt   y e a r s ,   m a n y   r e s e a r c h e r s   ha v e   us e t h i s   t e s t   t o   c h e c t h e   di s c r i m i na t e   a b i l i t y   of   t h e   pa ra m e t e r s   f o r   a s s e s s i n g   E M G   s i g na l s .   S i n c e   t h e   A N O V A   t e s t   i s   a   s t a t i s t i c a l   a na l y s i s ,   i t   c a n   c l e a rl y   de m o n s t ra t e   t h e   s i g n i f i c a n c e   of   t h e   s e l e c t e f e a t ur e .   W e   c a n   s e e   i n   T a b l e   1   t ha t   p - v a l ue s   a r e   s i g ni f i c a nt l y   l ow e r   t h a 0. 0 5   fo r   t h e   f i r s t   t e n   ra n ke f e a t ur e s .   T h e r f o r e ,   i t   c a n   b e   o b s e r v e f r o m   t h e   T a b l e   t h a t   t h e   ra t i o   o f   e n e r gy   v a l ue s   of   n e i g h b o r   T Q W T   s ub - b a n d   f e a t u r e   s h o w   m uc b e t t e r   s i g n i f i ga n c e   t ha o t h e t w o   f e a t ur e s .   F i gu r e   5   i s   a   b o xpl o t   o f   t h e   f i r s t   s e l e c t e fe a t ur e s .   I t   r e p r e s e nt s   t h e   di s pe r s i o n   o n um e r i c a l   E M G   da t a   i n   w h i c h   b o t h   e n ds   o f   t h e   bo xpl o t   a r e   i n t e r qu a r t i l e   di s t a n c e s ,   i t s   c e n t ra l   v a l ue   i s   t h e   m e di a n,   a n t he   pl us   s i g n   i n di c a t e s   t h e   o ut l i e r s ’  v a l ue s .   A s   c a b e   s e e n ,   t h e   f i r s t   s e l e c t e f e a t ur e s   a r e   c l e a rl y   di s t i n gu i s h a b l e .       T a b l e   1 .   M e a n,   s t a n d a r d   de v i a t i o n   a n d   p r o b a b i l i t y   v a l ue s   of   t h e   t o t e n   ra n ke d   f e a t ur e s   f o r   A L S -   H e a l t h y   c l a s s e s   us i ng  T Q W T   pa ra m e t e r s   Q - F a c t o r = 1,   j = 10 ,   a n d   r = 3   Ra n k e d   C o rr e s p o n d i n g   f e a t u re s   fe a t u r e   A L S   E M G   s i g n a l s ( ±  )   H e a l t h y   E M G   s i g n a l s ( ±  )   p - v a l u e   1 s t   fe a t u re   R a t i o ( Sb 1 , Sb 2 )   0 . 8553 ± 0 . 6308   1 . 1718   ±   0 . 8 0 0 6   2 . 243 3 . 10 26   2 nd   fe a t u re   R a t i o ( Sb 2 , Sb 3 )   0 . 4398 ± 0 . 1582   0 . 5048 ±   0 . 1579   1 . 9 1 0 0 . 10 23   3 rd   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 3 , Sb 4 )   0 . 4 4 4 0 ±   0 . 1626   0 . 5177 ±   0 . 1635   7 . 9297 . 10 28   4 th   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 4 , Sb 5 )   0 . 4595 ± 0 . 1735   0 . 5654 ± 0 . 2153   8 . 9 0 8 7 . 10 39   5 th   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 9 , Sb 10 )   1 . 1429 ± 0 . 3185   1 . 1759 ± 0 . 2683   0 . 0061   6 th   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 7 , Sb 8 )   0 . 6 5 9 9 ±   0 . 1764   0 . 7297 ± 0 . 1668   6 . 1611 . 10 23   7 th   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 5 , Sb 6 )   0 . 5531 ± 0 . 1921   0 . 6286 ±   0 . 2078   4 . 8752 . 10 20   8 th   fe a t u r e   D i ff(   Sb 5 , Sb 6 )   1 . 1 9 0 7 . 10 7 ±   2 . 2226 . 10 7   1 . 9308 . 10 6 ±   2 . 6464 10 6   2 . 4288 . 10 51   9 th   fe a t u r e   R a t i o ( Sb 8 , Sb 9 )   0 . 8 4 8 2 ±   0 . 2195   0 . 9227 ±   0 . 2096   3 . 1518 . 10 17   10 th f e a t u r e   D i ff (   Sb 6 , Sb 7 )   1 . 8789 . 10 7 ± 3 . 4715 . 10 7   3 . 0757 . 10 6 ± 4 . 1204 . 10 6   3 . 7686 . 10 52       W h e r e   S b :   s ub - b a n d,     :   m e a v a l ue ,   s t d :   s t a n d a r d   di v i a t i o n   v a l ue ,   a nd  p - v a l ue :   p r o b a b i l i t y   v a l ue .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 252 - 8938     I n t   J   A rt i f   I nt e l l V o l .   9 ,   N o .   4 D e c e m be r   20 20 :     744     7 56   750                       F i gu r e   5 .   B o xpl o t   o f   t h e   f i r s t   s e l e c t e f e a t ur e   f o r   t h e   A L S   a nd  h e a l t h y   E M G   s i g na l s       3.   C LA S S I F I C A TI O N   T h e   pr o po s e r e l i e a l go r i t hm   s e l e c t s   t h e   m o s t   o pt i m a l   f e a t ur e s   m a t r i f r o m   t h e   e xt ra c t i o n   f e a t u r e   pha s e   fo r   t h e   kN N ,   L S - S V M ,   a n R F   c l a s s i f i e r s   t o   p e r f o r m   t h e   n e u r o m us c ul a r   di s o r de r   c l a s s i f i c a t i o n   t a s k .   I n   t h e   p r e s e n t   s e c t i o n,   w e   gi v e   m o r e   de t a i l e d   i n f o r m a t i o a b o ut   e a c h   c l a s s i f i e r.     3. 1 .     k - N e a r e s t   n e i gh b o r   c l as s i fi e r   ( k - NN)   kN N   i s   e ff i c i e n t l y   us e a s   a   s upe r v i s e m a c h i n e   l e a rni n a l go r i t hm   f o r   c l a s s i f i c a t i o n   p r o b l e m s   due   t o   i t s   f l e xi b i l i t y   a n a r c hi t e c t u r a l   s i m p l i c i t y   [16] .   T h e   p r i n c i p l e   i de a   o t h e   k - N N   a l go r i t hm   c o n s i s t s   o c l a s s i fy i n t h e   un k n o w n   l a b e l   by   c a l c ul a t i n t h e   di s t a n c e   be t w e e n   t h e   t e s t   s a m pl e   a n e a c h   t r a i n i ng  s a m p l e   a n t h e n   s e l e c t i n t h e   c l o s e s t   s a m pl e s .   F i n di ng  e xa c t   k - n e a r e s t   n e i g h b o r s   i s   t h e   f i r s t   c h a l l e n ge ,   f o l l ow e b m e a s u r i n t h e   di s t a n c e   pa r a m e t e r .   G e n e ra l l y ,   t h e   di s t a n c e   c a n   b e   c a l c ul a t e by   M a nha t t a n,   E uc l i de a n   di s t a n c e ,   a n s o   o n.   G i v e n   a   t ra i ni n g   s e t   o f   i n s t a n c e s   l a b e l   pa i r s {   , ) }   w h e r e   t h e   ,   t h e   i s   di m e n s i o na l   i n s t a n c e s   i t h e   i n pu t   s pa c e ,   a n d   t h e   a s s o c i a t e { + 1 , 1 }   r e p r e s e nt s   a   c l a s s   l a b e l .   T h e   E uc l i de a d i s t a n c e   i s   c o m m o nl y   us e a n d   c a b e   e xpr e s s e a s   f o l l ow s :       ( , ) = = (   ) 2 = 1   (11)     W h e r e   = ( 1 , 2 , 3 , ,  )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   A r t i f   I n t e l l   IS S N :   2252 - 8938       A ut om a t i c   am y o t r ophi c   l at e r al   s c l e r os i s   de t e c t i on   us i ng   t u na bl e   Q - f a c t or   ( A bde l ouah ad  A c hm am ad )   751   3. 2 .     Le as s q u ar e s   s u p p o r v e c to r   m ac h i n e   c l as s i fi e r   (LS - S V M )   LS - S V M   w a s   de v e l o pe by   V a n de w a l l e   a nd  S uy ke n s   a s   a   m o di f i e a l go r i t hm   o f   s uppo r t   v e c t o r   m a c h i n e   (S V M )   [28] .   T h e   hi g h e r   c o m put a t i o n a l   de m a nd  a nd  c o m pl e xi t y   of   t h e   o pt i m i z a t i o n   p r o c e s s   a r e   t w m a j o r   d ra w b a c ks   of   S V M .   L S - S V M   o ve r c o m e s   t h e   S V M   prob l e m s   by   us i n a   s e t   l i n e a r   e qua t i o n   i n s t e a o f   a   qua d ra t i c   p r o g r a m m i n g   p r o b l e m   [16 ] .   Co n s i de r i n g   t h e   g i v e n   t ra i ni n g   s a m p l e s :   { ( , ) } = 1 ,   N   i s   t h e   num b e of   da t a   po i nt s ,   t h e   d a t a s e t     i n di c a t e s   t h e   i nput   f e a t u r e   v e c t o o f   di m e n s i o a nd   { + 1 , 1 }   r e p r e s e n t s   t h e   c l a s s   l a b e l   o f   .   T h e   L S - SVM - b a s e a ut o m a t e de c i s i o f un c t i o o f   s i gna l     c a n   b e   gi v e a s   fo l l ow s :       ( ) = [ ( , + ) = 1 ]   (12)     W h e r e     i s   t h e   L a g ra n ge   m ul t i p l i e r   a n ( , )   i s   t h e   ke rn e l   f u n c t i o n .   I t hi s   w o r k,   w e   a do pt e a n   e m pi r i c a l   ra d i a l   b a s i s   f u n c t i o (R B F a s   t h e   ke rn e l   f u n c t i o s i n c e   i t   h a s   e xc e l l e n t   c l a s s i f i c a t i o pe r f o r m a n c e :     ( , ) = ( ) ( ) = + 2 2 2   ,   0   (13)     W h e r e     de n o t e s   t h e   w i dt p a r a m e t e o f   t h e   R B F   ke r n e l .       3. 3 .     R an d o m   fo r e s c l as s i fi e r   (R F )   R a n do m   f o r e s t   (R F i s   o n e   of   t h e   m o s t   po pul a r   a n m o s t   pow e r f ul   s upe r v i s e m a c h i n e   l e a rni n g   a l go ri t hm   de v e l o pe by   b r e i m a a nd  c a n   b e   e m pl oy e fo r   r e g r e s s i o n   a n c l a s s i f i c a t i o n   [29] .   R F ,   s o - c a l l e ra n do m   de c i s i o n   f o r e s t ,   i s   a   t e c hn i que   t ha t   o pe r a t e s   by   b ui l di n m u l t i pl e   de c i s i o n   t r e e s   dur i ng  t r a i n i ng.   T h e   de c i s i o n   o f   t h e   m a j o ri t y   of   t h e   t r e e   i s   s e l e c t e by   t h e   r a n do m   f o r e s t   a s   t h e   f i n a l   de c i s i o n.   T h e   de c i s i o n   t r e e   i s   a   t r e e - s h a pe d i a g r a m   us e t o   de t e r m i n e   a   c o ur s e   o f   a c t i on.   E a c h   b r a n c h   o f   t h e   t r e e   r e pr e s e nt s   a   po s s i b l e   de c i s i o n ,   o c c ur r e n c e ,   o r   r e a c t i o n   [15] .   T h e   ps e udo   a l go r i t hm   p r o c e s s s   of   R F   us i n M a t l a b - p r o gra m m i ng  s of t w a r e   i s   [30 ,   31] :     P s e u d o   al go r i th m R an d om   fo r e s t   N=Number of nodes   M=Number of features    D=Number of trees    For i=1 to D     1 st   step:     Randomly draw a bootstrap sample     of size N from the training data    2 nd   step:     C onstruct a random forest tree   T i   to bootsrapped data     -   Select m variable at random M where m<M     II -   Pick the best variable/ split point among the m feature for node d     II -   split the node into tw o   dau ghter nodes      End    3 rd   step:     Output the ensemble of the trees  { { T i }   } 1 D   4 th   step:     To make aprediction at a new point  x       Let  C ̂ i ( x )   b e   t h e   c l a s s   p r e d i c t i o n   o f   t h e   i t h   r a n d o m   f o r e s t   t r e e .   T h e n   L e t   C ̂ ( x ) i D =   m a j o r i t y   vote {   C ̂ i ( x ) } 1 D       4.   EX P ER I M EN TA R ES U L TS   A N D   D I S C U S S I O N     In   t h i s   s t udy ,   T Q W T   f e a t u r e   e xt ra c t i o n   a n m ul t i p l e   c l a s s i f i e r s   w e r e   a ppl i e f o r   n e u r o m us c ul a di s o r de r   de t e c t i o n .   T h e   r e l i e f   f e a t ur e   s e l e c t i o n   a l go r i t h m   w a s   a ppl i e a f t e r   t h e   T Q W T   f e a t ur e   e xt ra c t i o m e t h o t o   ob s e r v e   t h e   e ff e c t   of   t h e   r e l e v a nt   f e a t u r e s   w i t h   di f f e r e n t   Q - F a c t o a n de c o m pos i t i o n   l e v e l   s e t t i n gs   o n   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e s .   T h e   c l a s s i f i e r s   w e r e   us e t o   b ui l a   m o de l   v i a   a   t r a i n i ng  d a t a s e t .   T h e   o b t a i n e m o de l   c a n   p r e di c t   t h e   l a b e l   of   da t a   t e s t i n g .   T h e   p e r f o r m a nc e s   of   t h e   c l a s s i f i e r s   w e r e   a s s e s s e by   r unni n g     k - f o l c r o s s - v a l i da t i o n   ( CV ),   w hi c h   i s   v e r y   r e l i a b l e .   T ra d i t i o n a l l y ,   t h e   k - f o l c r o s s - v a l i da t i o n   t e c hn i que   ra n do m l y   s pl i t s   t h e   d a t a s e t   i nt o   k - f o l e qua l   s i z e s   t o   f ur t h e r   t ra i n   o n   1   fo l ds   a n e v a l ua t e s   o n   o n e   f o l d.   I n   t h i s   w a y ,   w e   r e pe a t   t hi s   t i m e s   f o r   e a c h   fo l d.   In   t h i s   s t udy ,   k= 10  w a s   s e l e c t e a n t h e   a v e r a ge   a c c ur a c y   fo r   a l l   v a l i da t i o i s   e xp r e s s e by   [15] :        = 1 10 10 = 1   (14)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                IS S N :   2 252 - 8938     I n t   J   A rt i f   I nt e l l V o l .   9 ,   N o .   4 D e c e m be r   20 20 :     744     7 56   752   S t a t i s t i c a l   ke y   m e t r i c s   c a n   e v a l ua t e   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o rm a n c e s   of   t h e   n e ur o m us c ul a r   di s o r de r   de t e c t i o n   s y s t e m .   T h e   s e n s i t i v i t y   i s   de f i n e a s   t h e   pe r c e nt a ge   o f   t h e   pa t i e nt s   w i t h   A L S ,   w h e r e a s   t h e   s pe c i f i c i t y   i s   t h e   pe r c e n t a ge   of  t h e   pa t i e nt s   w i t h o ut   t h e   di s e a s e .   T h e   a c c ur a c y   c l a s s i f i c a t i o n   i s   t h e   p r o po r t i o n   of   t h e   c o r r e c t   c l a s s i f i c a t i o n s   f r o m   t h e   o v e r a l l   num b e r   o f   c a s e s .   T h e s e   ke y   m e t r i c s   a r e   r e s pe c t i v e l y   d e f i n e a s   fo l l ow s :     S e n si t i v i t i y = TP TP + FN × 100%       (15)     S p e c i f i c i t y = TN TN + FP × 100%   (16)       A c c u r a c y = TP + TN TP + TN + FN + FP × 100%     (17)       T P :   t r ue   po s i t i v e s   (i s   t h e   num b e o f   n o rm a l   E M G   s i g na l s   i de nt i f i e a s   n o rm a l   E M G   s i g n a l s ).       T N :   t r ue   n e g a t i v e s   (i s   t h e   num b e r   o f   A L S   E M G   s i g n a l s   c l a s s i f i e a s   A L S   E M G   s i g na l s ).       F P :   f a l s e   po s i t i v e s   (i s   t h e   n u m b e r   o f   A L S   E M G   s i g na l s   r e c o g ni z e a s   n o r m a l   E M G   s i g na l s ) .     F N :   f a l s e   n e ga t i v e s   (i s   t h e   n u m b e r   o f   n o rm a l   E M G   s i g n a l s   d i s t i n gu i s h e a s   A L S   s i g na l s ) .     T h e   m a i n   o b j e c t i v e   of   t h i s   w o r i s   t o   a na l y s e   E M G   s i gna l s   by   a ppl y i n t u na b l e   Q - f a c t o r   t r a n s f o r m   i n   o r de r   t o   e xt r a c t   t h e   h i g hl y   di s t i n gui s ha b l e   f e a t ur e s ,   t o   i m pr o v e   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e .   I n   t h e   T Q W T   t e c hn i q ue ,   t h e   pa ra m e t e r s   s uc a s   qua l i t y   f a c t o r   a n d   r e du n d a n c y   c a n   e a s i l y   b e   a dj us t e d.   A ddi t i o n a l l y ,   T Q W T   off e r s   t h e   po s s i b i l i t y   t o   i m pr o v e   t h e   f r e que n c y   r e s o l ut i o n   i n   t h e   w a ve l e t   due   t o   i t s   f l e xi b i l i t y .   In i t i a l l y ,   t h e   E M G   s i g n a l   w a s   de c o m po s e i n t o   s e v e r a l   s ub - b a n ds   us i ng  M A T L A T Q W T   t oo l bo x.   T h e s e   s ub - b a n ds   pr o v i de   de t a i l e i n f o r m a t i o n   r e ga rdi ng  t h e   hi g h -   a nd  l o w - f r e que n c y   c o m p o n e n t   o f   t h e   E M G   s i gna l ,   b ut   s o m e   of   t h e m   c a ge n e ra t e   n o i s e   a n r e du nda nt   i n f o r m a t i o n.   O n c e   t h e   E M G   s i g n a l   w a s   de c o m po s e i nt o   s ub - b a n ds ,   t hr e e   p a r a m e t e r s   r e l a t e t o   e n e r gy   w e r e   m e a s u r e f r o m   e a c s ub - b a n o f   t h e   E M G   s i g n a l   a n d   a rr a nge de pe n di ng  o n   t h e i r   i m po r t a n c e .   F i na l l y ,   t h e   ra n ke pa r a m e t e r s   w e r e   f o r w a r de t o   t hr e e   di f f e r e n t   c l a s s i f i e r s :   k - N N ,   L S - S V M ,   a n d   R F .     T o   s t ud y   t h e   e ff e c t   o t h e   l e ve l   of  de c o m pos i t i o n,   w e   c a rr i e o ut   t hr e e   s i m ul a t i o n   t e s t s .   I n   t h e   f i r s t   t e s t ,   t h e   v a l ue   of   de c o m po s i t i o n   l e v e l   j   w a s   k e pt   a t   t hre e .   T h e n   i n   t h e   n e xt   t e s t ,   w e   c o n s i de r e t h e   de c o m po s i t i o n   l e v e l   j   a t   s i x .   I t h e   l a s t   t e s t ,   w e   m a i n t a i n e j   a t   t e n .   T h e r e f o r e ,   i n   e a c h   t e s t ,   w e   ke pt   t h e   f i xe d   t h e   v a l ue   o f   r e du n da n c y   a t   t hr e e .   T h e   m e a ±   s t a n d a r d   de v i a t i o n s   o f   t h e   pe r f o r m a n c e   e v a l ua t i o m e a s u r e s   ob t a i n e du r i ng  t e n   c r o s s - v a l i da t i o n   p r o c e dur e s   us i n m u l t i p l e   c l a s s i f i e r s   a n t hr e e   di f f e r e n t   s e t t i n v a l ue s   of  t h e   qua l i t y   f a c t o r   b a s e d   o n   T Q W T   a r e   s h o w n   i n   T a b l e s   2 - 4.   A s   m e n t i o n e i n   s e c t i o n   3,   t h e   v a r i a t i o n   o f   t h e   qua l i t y   f a c t o r   e na b l e t h e   e v a l ua t i o n   o f   t h e   o s c i l l a t o r y   b e h a v i o r   o f   t h e   a na l y z e s i gna l .   T h e   s u i t a b l e   pa r a m e t e r s   o f   t h e   us e c l a s s i f i e r s   w e r e   pi c ke b a s e o n   num e r o us   t ri a l   a n e rr o e xpe r i m e n t s .   A f t e r   t h e   t e s t i n pe r i o d,   t h e   b e s t   v a l ue s   of   t h e   pa ra m e t e r s   o f   k - N N ,   L S - S V M ,   a n R F ,   w hi c h   c o nt r i b ut e   t o   a c h i e v i n m a x i m u m   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e ,   a r e   l i s t e i n   T a b l e s   2 - 4.       T a b l e   2 .   C l a s s i f i c a t i o r e s ul t s   o b t a i n e d   w i t j = 3   f o r   di f f e r e n t   Q ua l i t y - f a c t o r   v a l ue s   j = 3   r= 3 ,   M a x   N o .   o f   fe a t u r e s = 1 0   P e r fo r m a n c e   m e a s u r e   ( ±  %)     Cl a s s   P a ra m e t e r s   Q u a l i t y - f a c t o r   A c c u ra c y   S e n s i t i v i t y   S p e c i f i c i t y   Be s t   N o .   o f   fe a t u re s   k - NN   k = 3       Q = 1   88 . 37 ± 2 . 5 1 %   86 ± 2 . 6 8 %   90 . 75 ± 3 . 3 2 %   1 - 7   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )     78 . 95 ± 2 . 9 1 %   76 . 33 ± 2 . 4 8 %   81 . 58 ± 3 . 5 4 %   1 - 6   RF   N T re e s = 3 0     89 . 33 ± 1 . 8 3 %   88 . 33 ± 3 . 0 1 %   90 . 31 ± 2 . 6 2 %   1 - 5   k - NN   k = 3       83 . 79   ± 2 . 07 %   84 . 6   ± 3 . 31 %   82 . 91   ± 4 . 30 %   1 - 7   LS - S V M   ( = 0 . 1 )     Q = 5   77 . 25 ± 2 . 88 %   82 . 66   ± 2 . 88 %   71 . 83 ± 3 . 76 %   1 - 6   RF   n T re e s = 3 0       84 . 75 ± 2 . 61 %   84 . 50 ± 3 . 81 %   85 . 0   ± 3 . 74 %   1 - 5   k - NN   k = 3       79 . 29 ± 2 . 32 %   79 . 25   ± 3 . 47 %   79 . 33   ± 2 . 96 %   1 - 7   LS - S V M    ( σ = 0 . 1 )     Q = 1 0   74 . 33 ± 4 . 54 %   64 . 50   ± 1 . 88 %   85 . 25   ± 5 . 18 %   1 - 6   RF   n T re e s = 3 0       82 . 7   ± 2 . 61 %   84 . 83   ± 2 . 83 %   80 . 58   ± 2 . 22%   1 - 5                   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
Int   J   A r t i f   I n t e l l   IS S N :   2252 - 8938       A ut om a t i c   am y o t r ophi c   l at e r al   s c l e r os i s   de t e c t i on   us i ng   t u na bl e   Q - f a c t or   ( A bde l ouah ad  A c hm am ad )   753   T a b l e   3 .   C l a s s i f i c a t i o r e s ul t s   o b t a i n e d   w i t j = 6   f o r   di f f e r e n t   Q ua l i t y - f a c t o r   v a l ue s   j = 6 ,   r= 3 ,   M a x   N o .   o f e a t u r e = 1 9   P e r fo r m a n c e   m e a s u r e   ( ±  %)   Cl a s s   P a ra m e t e r s   Q u a l i t y - f a c t o r   A c c u ra c y   S e n s i t i v i t y   S p e c i f i c i t y   Be s t   N o .   o f   fe a t u re s   k - NN   k = 3       Q = 1   93 . 16 ± 1 . 62 %   90 . 41 ± 2 . 83 %   95 . 91 ± 1 . 26 %   1 - 10   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   83 . 41 ± 3 . 02 %   77 . 83 ± 4 . 10 %   89 ± 3 . 06 %   1 - 10   RF   n T re e s = 3 0   92 . 8 7 ± 1 . 8 3 %   92 . 08 ± 3 . 29 %   93 . 66 ± 2 . 78 %   1 - 10   k - NN   k = 3       82 . 16 ± 2 . 45 %   82 . 25   ± 3 . 26 %   82 . 08 ± 2 . 97 %   1 - 10   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   Q = 5   77 . 54 ± 2 . 87 %   80 . 75 ± 3 . 56 %   74 . 33 ± 3 . 42 %   1 - 10   RF   n T re e s = 3 0     81 . 20 ± 3 . 23 %   81 . 75 ± 2 . 81 %   80 . 66   ± 5 . 04 %   1 - 10   k - NN   k = 3       81 . 50 ± 1 . 82 %   79 . 33 ± 2 . 57 %   78 . 66   ± 1 . 97 %   1 - 10   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   Q = 1 0   75 . 16 ± 2 . 99 %   78 . 41 ± 2 . 4 %   73 . 91 ± 5 . 55 %   1 - 10   RF   n T re e s = 3 0     80 . 54 ± 2 . 49 %   80 . 33 ± 4 . 59 %   78 . 75 ± 3 . 36 %   1 - 10       T a b l e   4 .   C l a s s i f i c a t i o r e s ul t s   o b t a i n e d   w i t j = 10   f o r   d i f fe r e nt   Q u a l i t y - f a c t o r   v a l ue s   j   = 1 0 ,   r= 3 ,   M a x   N o .   o f e a t u r e = 3 1   P e r fo r m a n c e   m e a s u r e   ( ±  %)     Cl a s s   P a ra m e t e r s   Q u a l i t y - f a c t o r   A c c u ra c y   S e n s i t i v i t y   S p e c i f i c i t y   Be s t   N o .   o f   fe a t u re s   k - NN   k = 3         Q = 1   96 . 33   ± 0 . 83 %   95 . 58 ± 1 . 75 %   97 . 08 ± 0 . 80 %   1 - 10   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   89 . 70   ± 2 . 20 %   85 . 83   ±   3 . 46 %   93 . 58 ± 2 . 77 %   1 - 10   RF   n T re e s = 3 0   93 . 58   ± 2 . 29 %   93 . 45 ± 1 . 64 %   94 . 50 ± 2 . 77 %   1 - 10   k - NN   k = 3       Q = 5   82 . 66 ± 2 . 45 %   82 . 25   ± 3 . 26 %   82 . 08 ± 2 . 97 %   1 - 10   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   77 . 54 ± 2 . 87 %   80 . 75 ± 3 . 56 %   74 . 33 ± 3 . 42 %   1 - 10   RF   n T re e s = 3 0   81 . 20 ± 3 . 23 %   81 . 75 ± 2 . 81 %   80 . 66   ± 5 . 04 %   1 - 10   k - NN   k = 3       Q = 1 0   80 . 62 ± 1 . 82 %   78 . 33 ± 2 . 57 %   77 . 66   ± 1 . 97 %   1 - 13   LS - S V M   ( σ = 0 . 1 )   78 . 16 ± 2 . 99 %   79 . 41 ± 2 . 4 %   73 . 91 ± 5 . 55 %   1 - 13   RF   n T re e s = 3 0   79 . 54 ± 2 . 49 %   78 . 33 ± 4 . 59 %   70 . 75 ± 3 . 36 %   1 - 13       It   c a n   b e   s e e n   f r o m   T a b l e s   2 - t h a t   t h e   m a x i m um   a v e r a ge   a c c ur a c y   a c h i e ve by   t h e   k - N N   c l a s s i f i e w a s   h i g h e r   t h a n   t h e   o t h e r   c l a s s i f i e r s .   T h e   a c c ura c y   ob t a i n e by   t h e   R F   c l a s s i f i e r   w a s   v e r y   c l o s e   t t h e   o n e   r e a c h e by   t h e   k - N N   i t h e   t hr e e   Q - f a c t o r   c a s e s ,   a n d   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   t h e   L S - S V M   w a s   poo r   m o s t   o f   t h e   t i m e .   A l s o ,   i t   s h o ul b e   n o t e t h a t   i n c r e a s i n g   t h e   Q - f a c t o r   v a l ue   do e s   n o t   i n c r e a s e   t h e   c l a s s i f i c a t i o a c c ura c y   ob t a i n e f r o m   e a c h   c l a s s i f i e r .   It   c a n   b e   c o n c l ude f r o m   a l l   t h e   t a b l e s   t ha t   a   Q - f a c t o r   e qua l   t o   o n e   w i t h   t h e   k - N N   c l a s s i f i e r   ga v e   t h e   b e s t   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e   i n   t he   t h r e e   s i m ul a t i o n   t e s t s .   Co n s e que n t l y ,   w h e n   t h e   n u m b e r   o f   de c o m po s i t i o n   l e v e l s   be c o m e s   e n o rm o us ,   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   m e a s u r e s   s i g n i f i c a n t l y   i n c r e a s e ,   a n d   t h e   i n c r e a s i ng  num b e r   o f   fe a t ur e s   c o n t a i n i ng  n o i s e   a n r e du n da nt   i n f o r m a t i o n   c a us e s   t h e   di m e n s i o na l i t y   pr o b l e m .   T h e r e f o r e ,   w e   c h o s e   t h e   t h i r s i m ul a t i o n   t e s t   a nd  t h e   k - N N   c l a s s i f i e r   i n   t h e   p r o po s e a ppr o a c h   a n d   v a r i e t h e   Q - f a c t o r   t o   c a l c u l a t e   t h e   f e a t u r e s   r e l a t e t o   e n e r g y   a n t o   c l a s s i fy   t h e   E M G   s i g n a l s .   T h e   d i f fe r e nt   Q - f a c t o r s   c h o s e n   w e r e   1 ,   5   a nd  10.   W e   c a n   s e e   f r o m   T a b l e   a n F i g u r e   t ha t   c l a s s i f i c a t i o n   a c c ur a c y   w i t h   Q f a c t o r   = a c h i e v e t h e   hi g h e s t   po i n t   o f   96. 33% .   F r o m   t h e   s e n s i t i v i t y   v a l ue   of   95. 58 %,   i t   c a n   b e   n o t i c e t ha t   t h e   pa t i e n t s   a f f e c t e b A L S   w e r e   w e l l   de t e c t e d.   I n   t h e   c a s e   o f   Q - f a c t o r = 5 ,   t h e   m a xi m um   a c c u r a c y   of   c l a s s i f i c a t i o n   w a s   82. 66% .   H ow e ve r ,   i t   c a b e   ob s e r v e f r o m   t hi s   t a b l e   t h a t   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   a c c ura c y   r e a c h e t h e   l o w e s t   po i n t   o 80. 62 w h e n   Q - f a c t o r = 10 .   W e   c a n   s e e   f r o m   t h i s   t a b l e   t ha t   t h e   pe r f o r m a n c e   c l a s s i f i c a t i o n   w i t h   Q - f a c t o r = 1   w a s   h i g h e r   t h a n   t h e   o t h e r s .   T h e   hi g h e s t   c l a s s i f i c a t i o n   m e a s u re s   us i n o pt i m a l   r a nke f e a t ur e s   fo r   Q - F a c t o r = 1   a n us i n t h e   k - N N   L S - S V M   a n R F   c l a s s i f i e r s   a r e   p r e s e nt e i n   F i gu r e   ( a - c ).   A f t e r   m a n y   t e s t s ,   i t   w a s   fo un t ha t   t h e   f i r s t   t e n   s e l e c t e f e a t ur e s   w e r e   m o r e   s ui t a b l e   f o r   ge t t i n t h e   b e s t   c l a s s i f i c a t i o n   r e s ul t .     A s   c a n   b e   s e e n   i n   T a b l e   5,   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   pe r f o r m a n c e   de t e r i o ra t e w h e n   o t h e r   i rr e l e v a n t   f e a t u r e s   w e r e   a dde d.   A s   p r e s e n t e i n   F i g u r e   (a - c) ,   t h e   e xpe ri m e n t a l   r e s ul t s   s h o w   t h a t   t h e   c l a s s i f i c a t i o n   m e a s u r e s   i n c r e a s e w i t t h e   i n c r e a s i n g   o f   t h e   s e l e c t e f e a t u r e s   n u m b e r .         T a b l e   5 .   C l a s s i f i c a t i o r e s ul t   o b t a i n e d   w i t h   j = 1 f o r   Q u a l i t y - f a c t o r   v a l ue   e qua l   t o   1   j   = 1 0 ,   r= 3     P e r fo r m a n c e   m e a s u r e   ( ± %)     Cl a s s   P a ra m e t e r s   Q u a l i t y - f a c t o r   Ac c u ra c y   S e n s i t i v i t y   S p e c i f i c i t y   M a x   N o .   o fe a t u re s   k - NN   k = 3     Q = 1   94 . 91 ±   1 . 15 %   96 . 08 ± 1 . 18 %   93 . 75 ± 2 . 01 %   1 - 31   LS - S V M   = 0 . 1   86 . 33   ± 1 . 50 %   84 . 25 ±   2 . 73 %   88 . 41 ± 2 . 81 %   1 - 31   RF   n T re e s = 3 0   93 . 12 ± 1 . 99 %   91 . 58 ± 2 . 92 %   94 . 66 ± 2 . 64 %   1 - 31       T o   de m o n s t r a t e   t h e   e f f i c i e n c y   of   o ur   p r o po s e m e t h o do l o g i n   n e u r o m us c ul a r   d i s o r de de t e c t i o n,   c o m pa ri s o n   b e t w e e n   o t h e m e t h o ds   i s   n e c e s s a r y .   T a b l e   6   p r o v i de s   t h e   c l a s s i f i c a t i o m e a s u r e s   f r o m   t h e   pr o po s e a ppr o a c h   a n f r o m   o t h e r   i m po r t a nt   s t ud i e s .   It   s h o ul b e   n o t e t ha t   w e   h a v e   c o m pa r e o ur  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.