Поиск оптимальных метрик для оценки различий функциональных состояний человека на основе сигнала ЭЭГ

В работе представлена оценка оптимальности различных метрик сигнала ЭЭГ для использования с целью поиска отличий сигнала ЭЭГ человека в состоянии концентрации и состоянии свободного блуждания ума. Метрики выбраны на основе приведенного анализа работ по теме распознавания и оценки состояния различных состояний человека, подобных состоянию концентрации. Приведены практические способы вычисления выбранных метрик мощности и энтропии сигнала в различных частотных диапазонах. В работе используется уникальный набор данных, содержащий записи ЭЭГ для функциональных состояний концентрации на точке в центре лба и фонового состояния свободного блуждания ума, включающий в себя записи 17 участников. Оценка оптимальности метрик осуществлена на основе коэффициента точечной бисериальный корреляции значений метрик с функциональными состояниями, а также аналогичного показателя, основанного на разности межквартильных расстояний значений метрик. Показано, что оптимальными являются метрики мощности в alpha, theta и SMR-диапазонах, а также метрика энтропии сигнала в диапазоне от 0,3 до 30 Гц. Данные метрики показывают значимые, но разнонаправленные изменения между функциональными состояниями практически для всех опытных участников в выборке.

Ключевые слова

метрики ЭЭГ; концентрация; спектральный анализ; энтропия; функциональные состояния.

Литература

1. Dawoon Jung. EEG-Based Identification of Emotional Neural State Evoked by Virtual Environment Interaction / Dawoon Jung, Junggu Choi, Jeongjae Kim, Seoyoung Cho, Sanghoon Han // International Journal of Environmental Research and Public Health. - 2022. - V. 19, № 4. - Article ID: 2158.
2. Jing Shi. A Review of Applications of Electroencephalogram in Thermal Environment: Comfort, Performance and Sleep Quality / Jing Shi, Nan Zhang, Chao Liu, Jiaxin Li, Yinan Sun, Weijun Gao // Journal of Building Engineering. - 2024. - V. 84, № 2. - Article ID: 108646.
3. Min-Chih Hsieh. Use of EEG Signals, Cortisol Secretion, and Task Performance to Evaluate the Effects of Different Lighting Environments on Concentration Level in a Sustained Attention Task / Min-Chih Hsieh, Yun-Qin Zhang, Rui Dong, Yu-Chi Lee, Chen-yu Ni // International Journal of Industrial Ergonomics. - 2022. - V. 92. - Article ID: 103371.
4. Youcheng Wang. Evaluation on Game Concentration with Multi-Scale Fuzzy Entropy Based on EEG Signals / Youcheng Wang, Qiuhao Huang, Zun Xie, Meng Wang, Wei Bao // Entertainment Computing. - 2023. - V. 46.
5. Zhenhu Liang. Comparative Study of Attention-Related Features on Attention Monitoring Systems with a Single EEG Channel / Zhenhu Liang, Xinrui Wang, Jing Zhao, Xiaoli Li // Journal of Neuroscience Methods. - 2022. - V. 382.
6. Yanxue Li. Exploring the Effects of Indoor Temperature on College Students' Physiological Responses, Cognitive Performance and a Concentration Index Derived from EEG Signals / Yanxue Li, Shanshan Li, Weijun Gao, Wenya Xu, Yang Xu, Jian Wang // Developments in the Built Environment. - 2022. - V. 12. - Article ID: 100095. - 13 p.
7. Choi, Yoorim Effect of Temperature on Attention Ability Based on Electroencephalogram Measurements / Yoorim Choi, Minjung Kim, Chungyoon Chun // Building and Environment. - 2019. - V. 147. - P. 299-304.
8. Xue Luo. Temporal Dynamics of Subjective and Objective Alertness During Exposure to Bright Light in the Afternoon for 5 h / Xue Luo, Taotao Ru, Qingwei Chen, Fan-Chi Hsiao, Ching-Sui Hung, Chien-Ming Yang, Guofu Zhou // Frontiers in Physiology. - 2021. - V. 12. - Article ID: 771605. - 12 p.
9. Seokbeen Lim Comparison Between Concentration and Immersion Based on EEG Analysis / Seokbeen Lim, Mina Yeo, Gilwon Yoon // Sensors. - 2019. - V. 19, № 7. - Article ID: 1669. - 13 p.
10. Rui Zhang. Effect of Indoors Artificial Lighting Conditions on Computer-Based Learning Performance / Rui Zhang, Yalong Yang, Qiansheng Fang, Yufu Liu, Xulai Zhu, Mingyue Wang, Liangliang Su // International Journal of Environmental Research and Public Health. - 2020. - V. 17, № 7. - Article ID: 2537. - 12 p.
11. Hawley, L.L. Technology Supported Mindfulness for Obsessive Compulsive Disorder: Self-Reported Mindfulness and EEG Correlates of Mind Wandering / L.L. Hawley, N.A. Rector, A. DaSilva, J.M. Laposa, M.A. Richter // Journal of Anxiety Disorders. - 2021. - V. 81. - Article ID: 102405. - 12 p.
12. Hiep Do. Intermediate Effects of Mindfulness Practice on the Brain Activity of College Students: An EEG Study / Hiep Do, Huy Hoang, Nghia Nguyen, et al. // IBRO Neuroscience Reports. - 2023. - V. 14. - P. 308-319.
13. Klee, D. The Effects of an Internet-Based Mindfulness Meditation Intervention on Electrophysiological Markers of Attention / D. Klee, D.D. Colgan, D. Hanes, B. Oken // International Journal of Psychophysiology. - 2020. - V. 158. - P. 103-113.
14. Gupta, S.S. Mindfulness Intervention for Improving Cognitive Abilities Using EEG Signal / S.S. Gupta, R.R. Manthalkar, S.S. Gajre // Biomedical Signal Processing and Control. - 2021. - V. 70, № 2. - Article ID: 103072. - 12 p.
15. Oppenheim, A.V. Discrete-Time Signal Processing / A.V. Oppenheim, R.W. Schafer, J.R. Buck. - London: Prentice Hall, 1999.
16. Tong, S. Quantitative EEG Analysis Methods and Clinical Applications / S. Tong, N.V. Thakor. - Norwood: Artech House, 2009.
17. Yang Bai. A Permutation Lempel-Ziv Complexity Measure for EEG Analysis / Yang Bai, Zhenhu Liang, Xiaoli Li // Biomedical Signal Processing and Control. - 2015. - V. 19. - P. 102-114.
18. Glass, G.V. Statistical Methods in Education and Psychology / G.V. Glass, K.D. Hopkins. - Boston: Allyn and Bacon, 1995.