1. On the Statistical Properties of Multiscale Permutation Entropy and its Refinements, with Applications on Surface Electromyographic Signals
- Author
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DAVALOS TREVINO, Antonio, Laboratoire Pluridisciplinaire de Recherche en Ingénierie des Systèmes, Mécanique et Energétique (PRISME), Université d'Orléans (UO)-Ecole Nationale Supérieure d'Ingénieurs de Bourges (ENSI Bourges), Université d'Orléans, Olivier Buttelli, Meryem Jabloun, Laboratoire pluridisciplinaire de recherche en ingénierie des systèmes, mécanique et énergétique (PRISME), Université d'Orléans (UO)-Institut National des Sciences Appliquées - Centre Val de Loire (INSA CVL), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Olivier BUTTELLI, Davalos, Antonio, Stéphane Cordier [Président], Anne Humeau-Heurtier [Rapporteur], Steeve Zozor [Rapporteur], Jean-Marc Girault, Philippe Ravier, and Franck Quaine
- Subjects
Entropie de Permutation Multi-Échelle ,[SPI.OTHER]Engineering Sciences [physics]/Other ,[MATH.MATH-PR] Mathematics [math]/Probability [math.PR] ,[STAT.AP]Statistics [stat]/Applications [stat.AP] ,[SDV.MHEP] Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology ,Electromyography ,Statistics ,[MATH.MATH-IT]Mathematics [math]/Information Theory [math.IT] ,Électromyographie ,Traitement de Signaux ,[MATH.MATH-PR]Mathematics [math]/Probability [math.PR] ,[MATH.MATH-IT] Mathematics [math]/Information Theory [math.IT] ,Multiscale Permutation Entropy ,[STAT.AP] Statistics [stat]/Applications [stat.AP] ,Signal Processing ,Statistique ,[SPI.SIGNAL]Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing ,[SDV.MHEP]Life Sciences [q-bio]/Human health and pathology ,[SPI.SIGNAL] Engineering Sciences [physics]/Signal and Image processing - Abstract
Permutation entropy (PE) and multiscale permutation entropy (MPE) are extensively used to measure regularity in the analysis of time series, particularly in the context of biomedical signals. As accuracy is crucial for researchers to obtain optimal interpretations, it becomes increasingly important to take into account the statistical properties of MPE. Therefore, in the present work we begin by expanding on the statistical theory behind MPE, with an emphasis on the characterization of its first two moments in the context of multiscaling. Secondly, we explore the composite versions of MPE in order to understand the underlying properties behind their improved performance; we also created an entropy benchmark through the calculation of MPE expected values for widely used Gaussian stochastic processes, since that gives us a reference point to use with real biomedical signals. Finally, we differentiate between muscleactivity dynamics in isometric contractions through the application of the classical and composite MPE methods on surface electromyographic (sEMG) data. As a result of our project, we found MPE to be a biased statistic that decreases with respect to the multiscaling factor, regardless of the signal’s probability distribution. We also noticed that the variance of the MPE statistic is highly dependent on the value of MPE itself, and almost equal to its Cram´er-Rao lower bound - in other words, confirming it is an efficient estimator. Despite showing improved results, we realized that the composite versions also modify the MPE estimation due to the measuring of redundant information. In light of our findings, we decided to replace the multiscaling coarse-graining procedure with one of our own, with the intention of improving our estimations.Since our team observed the MPE statistic to be completely characterized by the model parameters when applied to correlated Gaussian models, we developed a general formulation for expected MPE with low-embedding dimensions. When applied to real sEMG signals, we were able to distinguish between fatigue and non-fatigue states with all methods, especially for high-embedding dimensions. Moreover, we found that our proposed MPE method makes an even clearer difference between the two aforementioned activity states., L'entropie de permutation (PE) et l'entropie de permutation multi-échelle (MPE) sont largement utilisées pour mesurer la régularité dans l'analyse des séries temporelles, en particulier dans le contexte des signaux biomédicaux. Comme la précision est cruciale pour les chercheurs afin d'obtenir des interprétations optimales, il devient de plus en plus important de prendre en compte les propriétés statistiques de l'EMP.C'est pourquoi, dans le présent travail, nous commençons par développer la théorie statistique qui sous-tend l'EMT, en mettant l'accent sur la caractérisation de ses deux premiers moments dans le contexte de la multi-échelle. Ensuite, nous explorons les versions composites de MPE afin de comprendre les propriétés sous-jacentes à l'amélioration de leurs performances ; nous avons également créé un point de référence d'entropie par le calcul des valeurs attendues de MPE pour les processus stochastiques gaussiens largement utilisés, puisque cela nous donne un point de référence à utiliser avec de vrais signaux biomédicaux. Enfin, nous différencions la dynamique de l'activité musculaire dans les contractions isométriques par l'application des méthodes MPE classique et composite sur des données électromyographiques de surface (sEMG).À la suite de notre projet, nous avons constaté que l'EPM est une statistique biaisée qui diminue par rapport au facteur multidimensionnel, quelle que soit la distribution de probabilité du signal. Nous avons également remarqué que la variance de la statistique MPE dépend fortement de la valeur de la MPE elle-même, et est presque égale à sa limite inférieure Cram'er-Rao - en d'autres termes, confirmant qu'il s'agit d'un estimateur efficace. Malgré l'amélioration des résultats, nous avons réalisé que les versions composites modifient également l'estimation de l'EPP en raison de la mesure d'informations redondantes. À la lumière de nos conclusions, nous avons décidé de remplacer la procédure de grossier calibrage à plusieurs échelles par une de nos propres procédures, dans l'intention d'améliorer nos estimations.Comme notre équipe a observé que la statistique de l'EMT était entièrement caractérisée par les paramètres du modèle lorsqu'elle était appliquée à des modèles gaussiens corrélés, nous avons développé une formulation générale de l'EMT attendue avec des dimensions à faible encombrement. Lorsqu'elle est appliquée à des signaux sEMG réels, nous avons été en mesure de distinguer les états de fatigue et de non-fatigue avec toutes les méthodes, en particulier pour les dimensions à haute imbrication. De plus, nous avons constaté que la méthode MPE que nous proposons fait une différence encore plus nette entre les deux états d'activité susmentionnés.
- Published
- 2020