RU2740256C1 - System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal - Google Patents
System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740256C1 RU2740256C1 RU2020107539A RU2020107539A RU2740256C1 RU 2740256 C1 RU2740256 C1 RU 2740256C1 RU 2020107539 A RU2020107539 A RU 2020107539A RU 2020107539 A RU2020107539 A RU 2020107539A RU 2740256 C1 RU2740256 C1 RU 2740256C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- state
- user
- unit
- determining
- signal
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
- A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
- A61B5/16—Devices for psychotechnics; Testing reaction times ; Devices for evaluating the psychological state
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Pathology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Hospice & Palliative Care (AREA)
- Psychiatry (AREA)
- Psychology (AREA)
- Social Psychology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Developmental Disabilities (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Child & Adolescent Psychology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Educational Technology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Surgery (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Measurement Of The Respiration, Hearing Ability, Form, And Blood Characteristics Of Living Organisms (AREA)
- Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
Abstract
Description
Настоящая группа изобретений относится к области психофизиологии, в частности к пользовательской диагностике, и может быть использована для регистрации и анализа электрических сигналов мозга человека для определения различных психоэмоциональных состояний пользователя.The present group of inventions relates to the field of psychophysiology, in particular to user diagnostics, and can be used to register and analyze electrical signals of the human brain to determine various psycho-emotional states of the user.
Среди психоэмоциональных состояний различают такие основные состояния, как увлеченность или монотония, когнитивная нагрузка, стресс, усталость или бодрость, концентрация, а также обусловленное комбинацией состояний увлеченности, стресса и концентрации ресурсное состояние.Among psycho-emotional states, such basic states are distinguished as enthusiasm or monotony, cognitive load, stress, fatigue or vigor, concentration, as well as a resource state due to a combination of states of enthusiasm, stress and concentration.
Заявляемое техническое решение предполагает определение выбранных показателей любого психоэмоционального состояния, определение на их основе индексов, характеризующих различные аспекты состояния пользователей, определение некоторых граничных значений индексов или их сочетаний (триггеров) и генерацию диагностических сообщений пользователям, выдаваемые на различные внешние устройства (экран монитора, мобильные устройства).The claimed technical solution involves the determination of the selected indicators of any psycho-emotional state, the determination on their basis of indices characterizing various aspects of the state of users, the determination of some boundary values of the indices or their combinations (triggers) and the generation of diagnostic messages to users issued to various external devices (monitor screen, mobile device).
Моделирование состояний увлеченности или монотонии у пользователя основывается на определении характера его деятельности. В данном случае под увлеченностью понимается состояние, соответствующее «творческой деятельности» - интересной активности, позволяющей работнику поддерживать работоспособное состояние. Под монотонией понимается состояние, соответствующее «рутинной деятельности» - активности, связанной со стереотипными, постоянно повторяющимися умственными операциями, ведущими к снижению работоспособности. Modeling the states of enthusiasm or monotony in the user is based on determining the nature of his activity. In this case, enthusiasm is understood as a state corresponding to "creative activity" - an interesting activity that allows an employee to maintain an efficient state. Monotony is understood as a state corresponding to "routine activity" - an activity associated with stereotypical, constantly repetitive mental operations leading to a decrease in performance.
Оценка уровня когнитивной нагрузки является одним из важных аспектов и значимых факторов, определяющих эффективность деятельности человека. Высокий уровень и превышение когнитивной нагрузки приводит к резкому снижению способности к обучению и ослаблению понимания, увеличению вероятности ошибок при выполнении задач. В настоящий момент выделяют следующие формы когнитивной нагрузки [Sweller J. Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive science, 12(2), 257-285. [Журнал]. - 1988 г.]: внутренняя нагрузка (intrinsic load), внешняя нагрузка (extraneous load), соответствующая нагрузка (germane load). Внутренняя когнитивная нагрузка определяется взаимодействием между характером объекта деятельности и опытом человека. Нагрузка рабочей памяти зависит от количества элементов, которые должны обрабатываться одновременно в рабочей памяти, а количество элементов, которые должны обрабатываться одновременно, в свою очередь, зависит от степени интерактивности элемента. Элемент в данной ситуации - любой изучаемый объект. Чем больше количество элементов входит в изучаемый предмет, тем сложнее он для изучения. Внешняя когнитивная нагрузка отражает усилия по преодолению формы подачи информации (визуальный, аудиальный и др.). Внешняя нагрузка во многом определяется дизайном используемых при осуществлении деятельности материалов. К примеру, внешняя нагрузка при объяснении особенностей геометрических фигур будет ниже при графическом представлении изучаемых объектов и выше - при аудиальном. Соответствующая нагрузка отображает затраты мозга человека на создание и перевод схем взаимодействия элементов объекта из рабочей в долговременную память.Assessment of the level of cognitive load is one of the important aspects and significant factors that determine the effectiveness of human activity. A high level and excess of cognitive load leads to a sharp decrease in learning ability and a weakening of understanding, an increase in the likelihood of errors when completing tasks. At the moment, the following forms of cognitive load are distinguished [Sweller J. Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cognitive science, 12 (2), 257-285. [Magazine]. - 1988]: internal load (intrinsic load), external load (extraneous load), corresponding load (germane load). Internal cognitive load is determined by the interaction between the nature of the object of activity and the person's experience. The working memory load depends on the number of elements that must be processed simultaneously in the working memory, and the number of elements that must be processed simultaneously, in turn, depends on the degree of interactivity of the element. An element in this situation is any object under study. The more elements are included in the studied subject, the more difficult it is to study. External cognitive load reflects efforts to overcome the form of information presentation (visual, auditory, etc.). The external load is largely determined by the design of the materials used in the implementation of the activity. For example, the external load when explaining the features of geometric shapes will be lower in the graphical presentation of the objects under study and higher in the auditory one. The corresponding load reflects the costs of the human brain for the creation and translation of the interaction patterns of the object's elements from working to long-term memory.
Цель оптимизации деятельности в соответствии с теорией когнитивной нагрузки состоит в сокращении внешней когнитивной нагрузки, увеличении соответствующей нагрузки и управлении внутренней нагрузкой пользователей [Ayres P. Using subjective measures to detect variations of intrinsic cognitive load within problems. Learning and Instruction, 16(5), 389-400. [Журнал]. - 2006 г.].The goal of performance optimization in accordance with the theory of cognitive load is to reduce external cognitive load, increase the corresponding load and manage internal user load [Ayres P. Using subjective measures to detect variations of intrinsic cognitive load within problems. Learning and Instruction, 16 (5), 389-400. [Magazine]. - 2006].
Существуют различные методы оценки когнитивной нагрузки. Когнитивная нагрузка может оцениваться как снижение темповых характеристик деятельности и качества выполнения работы. Однако этот подход требует сложных лабораторных испытаний и не может использоваться в реальном рабочем или учебном процессе.There are various methods for assessing cognitive load. Cognitive load can be assessed as a decrease in the tempo characteristics of activities and the quality of work performance. However, this approach requires complex laboratory testing and cannot be used in a real work or educational process.
На современном этапе наиболее распространён эмпирический подход к оценке когнитивной нагрузки. Эмпирический подход, направлен на оценку ментальных усилий и производительности человека на основе сбора субъективных данных о ментальных усилиях с помощью оценочных шкал и последующего измерения психофизиологических параметров активности.At the present stage, the most common empirical approach to assessing cognitive load. The empirical approach is aimed at assessing the mental effort and performance of a person based on the collection of subjective data on mental efforts using rating scales and subsequent measurement of psychophysiological parameters of activity.
В настоящее время развиваются подходы к оценке когнитивной нагрузки связаны с применением средств инструментального наблюдения за психофизиологическими параметрами когнитивных процессов: на основе окулографических показателей [М.А. Шурупова, А.В. Красноперов, Л.В. Терещенко, А.В. Латанов Влияние когнитивного задания на параметры движений глаз при просмотре статических и динамических сцен . C. 202-212] и, в особенности, на базе оценки показателей суммарной электрической активности мозга (ЭЭГ). В рамках последнего подхода проведено достаточное количество работ, которые показывают, что когнитивная нагрузка коррелируется со спектральными характеристиками ЭЭГ, преимущественно в диапазонах тэта-(4-7) и нижних частотах альфа-(8-10 Гц) ритмов [Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. Brain research reviews, 29(2-3), 169-195. [Журнал]. - 1999 г., Поликанова И. С., & Сергеев, А. В. Влияние длительной когнитивной нагрузки на параметры ЭЭГ. Национальный психологический журнал, (1 (13)). [Журнал]. - 2014 г.].Currently, approaches are being developed to assess the cognitive load associated with the use of instrumental monitoring of psychophysiological parameters of cognitive processes: based on oculographic indicators [M.A. Shurupova, A.V. Krasnoperov, L.V. Tereshchenko, A.V. Latanov Influence of cognitive tasks on the parameters of eye movements when viewing static and dynamic scenes. C. 202-212] and, in particular, based on the assessment of indicators of the total electrical activity of the brain (EEG). Within the framework of the latter approach, a sufficient number of works have been carried out that show that cognitive load is correlated with the spectral characteristics of the EEG, mainly in the ranges of theta (4-7) and lower frequencies of alpha (8-10 Hz) rhythms [Klimesch W. EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance: a review and analysis. Brain research reviews, 29 (2-3), 169-195. [Magazine]. - 1999, Polikanova I. S., & Sergeev, A. V. Influence of long-term cognitive load on EEG parameters. National Psychological Journal, (1 (13)). [Magazine]. - 2014].
Кроме того, исследования в области оценки когнитивной нагрузки показали взаимосвязь между субъективной оценкой состояния пользователей и объективно измеряемыми психофизиологическими показателями. Так, обнаружена зависимость между когнитивной нагрузкой и параметрами электроэнцефалографией (ЭЭГ), двигательной активностью глаз (ДА), кожно-гальванической реакцией (КГР).In addition, research in the field of assessing cognitive load has shown the relationship between the subjective assessment of the state of users and objectively measured psychophysiological indicators. Thus, a relationship was found between cognitive load and parameters of electroencephalography (EEG), motor activity of the eyes (DA), galvanic skin response (GSR).
Изменения в продуктивности деятельности у людей могут быть связаны не только с когнитивными характеристиками или общим изменением функционального состояния, но и с чрезмерным повышением уровня активации (в соответствии с законом Йеркса-Додсона об оптимальном уровне активации) в условиях кратковременного стресса, а также со снижением мотивационной составляющей деятельности в случае продолжительного стресса. Традиционно объективный уровень стресса измеряется с помощью регистрации показателей вегетативной нервной системы и анализом баланса вклада симпатической и парасимпатической активации. Существует также возможность измерить уровень стресса в его взаимосвязи с эмоциональным состоянием, измеренным на основе активности ЭЭГ. Changes in human performance may be associated not only with cognitive characteristics or a general change in functional state, but also with an excessive increase in the level of activation (in accordance with the Yerkes-Dodson law on the optimal level of activation) under conditions of short-term stress, as well as with a decrease in motivational component of activity in case of prolonged stress. Traditionally, the objective level of stress is measured by recording indicators of the autonomic nervous system and analyzing the balance of the contribution of sympathetic and parasympathetic activation. It is also possible to measure the level of stress in its relationship with the emotional state, measured on the basis of EEG activity.
Выводы из многочисленных исследований отражают формирующийся консенсус относительно того, что активность левой фронтальной области связана с общей мотивационной системой и поведенческой активацией, в то время как активность правой фронтальной области связана с тенденциями к общему избеганию или системы отмены прекращения деятельности. Это привело к формулированию очень влиятельной модели мотивации Дэвидона - мотивационной модели эмоций. Согласно этой модели, левая фронтальная активность указывает на склонность к стремлению к стимулу, в то время как относительно большая правая фронтальная активность указывает на склонность к избеганию стимула.Findings from numerous studies reflect an emerging consensus that left frontal area activity is associated with general motivational system and behavioral activation, while right frontal area activity is associated with general avoidance or withdrawal cessation tendencies. This led to the formulation of Davidon's highly influential motivation model - the motivational model of emotion. According to this model, left frontal activity indicates a tendency to strive for a stimulus, while a relatively large right frontal activity indicates a tendency to avoid a stimulus.
Ранние исследования показывают, что фронтальная асимметрия ЭЭГ может служить модератором, участвующим в предсказаниях эмоциональных реакций у младенцев. Например, Дэвидсон и Фокс обнаружили, что младенцы, которые плакали в ответ на разделение матери, имели большую активность в правой фронтальной области в состоянии покоя, чем те, кто этого не делал. Этот результат был реплицирован Foxetal., который также обнаружил, что этот эффект был умеренно стабильным в течение 5 месяцев.Early research suggests that frontal EEG asymmetry can serve as a moderator involved in predicting emotional responses in infants. For example, Davidson and Fox found that babies who cried in response to the separation of the mother had more activity in the right frontal region at rest than those who did not. This result was replicated by Foxetal., Who also found the effect to be moderately stable over 5 months.
Аналогичные результаты были получены у взрослых. Например, по просьбе Томаркена и др., чтобы сообщить об эмоциональных реакциях на более интенсивными уровнями негативного воздействия на негативно-оцененные клипы, особенно с участием страха. В аналогичном докладе Уилер и др. обнаружили, что лица с большей правой фронтальной активностью демонстрируют более интенсивную негативную реакцию на негативные изображения, люди с большей левой фронтальной активностью демонстрировали более интенсивную положительную реакцию на положительные изображения. Эти исследования показывают, что индивидуальные различия в эмоциональном реагировании частично зависят от индивидуальных различий в асимметрии ЭЭГ. Действительно, Дэвидсон привел эти данные, чтобы утверждать, что аффективный стиль, о чем свидетельствует его асимметрия лобной ЭЭГ, может частично определять риск определенных аффективных расстройств, таких как депрессия и тревога, предложение, которое четко идентифицирует лобную ЭЭГ-асимметрию как модератор эмоций и связанных с ними аффективных процессов.Similar results were obtained in adults. For example, at the request of Tomarken et al. To report emotional reactions at more intense levels of negative impact on negatively-rated clips, especially those involving fear. In a similar report, Wheeler et al. Found that individuals with more right frontal activity showed more intense negative responses to negative images, people with more left frontal activity exhibited more intense positive responses to positive images. These studies show that individual differences in emotional response are partly due to individual differences in EEG asymmetry. Indeed, Davidson cited this evidence to argue that affective style, as evidenced by his asymmetry of the frontal EEG, may partially determine the risk of certain affective disorders such as depression and anxiety, a proposition that clearly identifies frontal EEG asymmetry as a moderator of emotions and related with them affective processes.
Степень напряжения регуляторных систем - это интегральный ответ организма на весь комплекс воздействующих на него факторов, независимо от того, с чем они связаны. При воздействии комплекса факторов экстремального характера возникает общий адаптационный синдром, который представляет собой универсальный ответ организма на стрессорные воздействия любой природы и проявляется этот синдром однотипно в виде мобилизации функциональных резервов организма. Здоровый организм, обладая достаточным запасом функциональных возможностей, отвечает на стрессорное воздействие обычным, нормальным, так называемым рабочим напряжением регуляторных систем. Так, например, если нам приходится подниматься по лестнице, то, естественно, энерготраты возрастают и необходима мобилизация дополнительных ресурсов. Однако, для одних людей такая мобилизация не сопровождается значительным напряжением регуляторных систем, а пульс при подъеме, например на 5-й этаж учащается всего на 3-5 ударов, т.е. сердечнососудистый гомеостаз практически не изменяется. Для других людей эта нагрузка слишком велика и возникает выраженное напряжение регуляторных систем с учащением пульса на 15-20 и более ударов: что указывает уже на наличие нарушений гомеостаза.The degree of tension of regulatory systems is an integral response of the body to the entire complex of factors affecting it, regardless of what they are associated with. Under the influence of a complex of factors of an extreme nature, a general adaptation syndrome arises, which is a universal response of the body to stressful influences of any nature and this syndrome manifests itself in the same type in the form of mobilization of the body's functional reserves. A healthy organism, possessing a sufficient reserve of functional capabilities, responds to stressful effects with the usual, normal, so-called working tension of the regulatory systems. So, for example, if we have to climb the stairs, then, naturally, energy consumption increases and additional resources need to be mobilized. However, for some people, such mobilization is not accompanied by a significant tension of the regulatory systems, and the pulse rate when climbing, for example, to the 5th floor, increases by only 3-5 beats, i.e. cardiovascular homeostasis practically does not change. For other people, this load is too great and there is a pronounced tension of the regulatory systems with an increase in heart rate by 15-20 or more beats: which already indicates the presence of violations of homeostasis.
Даже в условиях покоя напряжение регуляторных систем может быть высоким, если человек не имеет достаточных функциональных резервов. Это выражается, в частности, в высокой стабильности сердечного ритма, характерной для повышенного тонуса симпатического отдела вегетативной нервной системы. Этот отдел регуляторного механизма, ответственный за экстренную мобилизацию энергетических и метаболических ресурсов при любых видах стресса, активируется через нервные и гуморальные каналы. Он является составным элементом гипоталамо-гипофизарно-адренокортикотропной системы, реализующей ответ организма на стрессорное воздействие. Важная роль при этом принадлежит центральной нервной системе, которая координирует и направляет все процессы в организме.Even under conditions of rest, the tension of regulatory systems can be high if a person does not have sufficient functional reserves. This is expressed, in particular, in the high stability of the heart rate, which is characteristic of the increased tone of the sympathetic division of the autonomic nervous system. This department of the regulatory mechanism, responsible for the emergency mobilization of energy and metabolic resources in all types of stress, is activated through the nervous and humoral channels. It is a component of the hypothalamic-pituitary-adrenocorticotropic system, which implements the body's response to stress. An important role in this belongs to the central nervous system, which coordinates and directs all processes in the body.
Уже из самого звучание термина «умственная» усталость ясно, что динамику изменения этого состояния можно связать с активностью мозга. Среди методов регистрации активности мозга для задач оценки функциональных состояний человека наиболее прагматичным является регистрации электроэнцефалографии - суммарной электрической активности мозга – в связи с возможностью реализовать такую регистрацию вне лабораторных условий. На сегодняшний день активно развиваются технологии регистрации мобильной ЭЭГ, часть из которых доступны как рыночный продукт для не-специалистов.Already from the very sound of the term "mental" fatigue, it is clear that the dynamics of changes in this state can be associated with the activity of the brain. Among the methods of recording brain activity for the tasks of assessing the functional states of a person, the most pragmatic is the registration of electroencephalography - the total electrical activity of the brain - in connection with the possibility of such registration outside laboratory conditions. Today, technologies for registration of mobile EEG are actively developing, some of which are available as a market product for non-specialists.
Подходы к оценке умственной усталости на основе регистрации ЭЭГ связаны с разнообразием представлений о мозговых механизмах умственного утомления. Один из подходов, развиваемый Джеспер Хопстакен (Hopstaken, 2016), связан с предположением о том, что умственное утомление связано с активностью норадреналинэргических нейронов прилежащего ядра мозга, которые регулируют вовлеченность в выполнение задания. Несмотря на то, что неинвазивно измерить активацию норадреналинэргических систем мозга невозможно, существуют показатели суммарной электрической активности, которые косвенно можно рассматривать в качестве их коррелятов. В качестве основного показателя такого типа рассматривается компонент P3 связанного с событием потенциала (ССП) ЭЭГ. Доводы в пользу такой трактовки P3 были получены в работах Nieuwenhuis с коллегами (2011), которые напрямую связали позитивный сдвиг в диапазоне Р3 с активностью норадреналинэргической системы прилежащего ядра. Известно, что компонент Р3 может быть разделен на подкомпоненты P3a и P3b, связанные с новизной предъявляемых стимулов и мотивационными характеристиками задачи соответственно (Polich & Kok, 1995; Polich, 2007). Begleiter, Porjesz, Chou и Aunon (1983) предположили, что париетальный компонент P3 может отражать мотивационные свойства стимула. Позже выяснилось, что влияние мотивационного значения на амплитуду Р3 также модулируется количеством внимания, которое уделяется стимулу (Johnson, 1993). Сочетание чувствительности как с мотивационным, так и с внимательным аспектом задачи побудило исследователей связать P3 с характеристиками задачи (например, Murphy, Robertson, Balsters, & O'connell, 2011). Наличие мотивационной составляющей в компоненте Р3а также укладывается в представления о его связи с норадреналинэргической системой мозга.EEG-based approaches to assessing mental fatigue are associated with a variety of ideas about the cerebral mechanisms of mental fatigue. One of the approaches developed by Jesper Hopstaken (Hopstaken, 2016) is related to the assumption that mental fatigue is associated with the activity of norepinephrine neurons in the nucleus accumbens, which regulate the involvement in the task. Despite the fact that it is impossible to non-invasively measure the activation of the norepinephrine systems of the brain, there are indicators of total electrical activity that can be indirectly considered as their correlates. The P3 component of the EEG event-related potential (ERP) is considered as the main indicator of this type. The arguments in favor of such an interpretation of P3 were obtained in the works of Nieuwenhuis and colleagues (2011), who directly linked the positive shift in the P3 range with the activity of the norepinephrine system of the nucleus accumbens. It is known that the P3 component can be subdivided into P3a and P3b subcomponents associated with the novelty of the stimuli presented and the motivational characteristics of the task, respectively (Polich & Kok, 1995; Polich, 2007). Begleiter, Porjesz, Chou and Aunon (1983) have suggested that the parietal component of P3 may reflect the motivational properties of the stimulus. It was later found that the effect of motivational value on P3 amplitude is also modulated by the amount of attention given to the stimulus (Johnson, 1993). The combination of sensitivity with both the motivational and attentive aspects of the task has prompted researchers to associate P3 with task characteristics (eg, Murphy, Robertson, Balsters, & O'connell, 2011). The presence of a motivational component in the P3a component also fits into the idea of its connection with the norepinephrine system of the brain.
Более распространенной является модель, согласно которой умственное утомление в мозге связано с активностью дофаминэргических систем мозга, ответственных за оценку вознаграждения от текущей деятельности. Роль компромиссов в соотношении затрат и вознаграждений была подчеркнута в исследованиях усталости под руководством Маартена Боксема (например, Boksem & Tops, 2008). Согласно его теории, умственная усталость возникает, когда затраты на участие в задаче превышают прогнозируемые вознаграждения. В соответствии с этим понятием увеличение вознаграждения за выполнение задания при усталости может вызвать сдвиги в мотивации, которые могут привлечь внимание к задачам. Такой эффект был подтвержден в предыдущих исследованиях (Boksem et al., 2006). Они показали, что после двух часов когнитивной деятельности утомленные участники могут частично восстановить свою работоспособность, если получат денежное вознаграждение. Этот эффект сопровождался увеличением компонента связанного с событием потенциала (ССП) ЭЭГ, который получил название связанной с ошибкой негативности (Error-related negativity, ERN).A more common model is that mental fatigue in the brain is associated with the activity of the brain's dopaminergic systems responsible for assessing reward from current activity. The role of trade-offs in cost-reward ratios has been highlighted in fatigue studies led by Maarten Boksem (eg, Boksem & Tops, 2008). According to his theory, mental fatigue occurs when the cost of participating in a task exceeds predicted rewards. Consistent with this concept, increasing task rewards when fatigued can cause shifts in motivation that can draw attention to tasks. This effect has been confirmed in previous studies (Boksem et al., 2006). They showed that after two hours of cognitive activity, fatigued participants can partially recover their performance if they receive a monetary reward. This effect was accompanied by an increase in the component of the event-related potential (ERP) of the EEG, which was called error-related negativity (ERN).
Компонент ERN состоит из большого отрицательного сдвига в ССП, возникающего после того, как субъекты совершили ошибочный ответ (Falkenstein et al., 1990; Gehring et al., 1990) и генерируется в передней поясной коре (ACC) (Dehaene et al., 1994), структуре, имеющей центральное значение для обработки информации о вознаграждении, наказании и требуемых усилиях. Holroyd and Coles (2002) предположили, что ERN является результатом фазового снижения активности мезенфацилических дофаминергических нейронов после ошибки в прогнозировании вознаграждения (т.е. когда вознаграждение меньше ожидаемого). Это снижение активности активности дофаминэргических нейронов в полосатом теле в свою очередь приводит к растормаживанию апикальных дендритов моторных нейронов в ACC, создавая ERN (Holroyd and Yeung, 2003). Кроме того, многие исследования показали, что ERN связан с мотивационной составляющей: когда требования к выполнению наилучшей работы снижаются, можно наблюдать уменьшение амплитуды ERN (Gehring et al., 1993). Действительно, мотивация, по-видимому, необходима для наблюдения за надежным ERN (Gehring et al., 1993; Gehring and Knight, 2000). Bush et al. (2000) утверждал, что компонент ERN и связанная с ним деятельность ACC представляют собой общую оценочную систему, которая обрабатывает мотивационное значение событий. Согласно Sarter, Gehring, и Kozak (2006), умственные усилия, связанные с одной и той же нейронной системой, способны поддерживать устойчивое когнитивное функционирование даже в субоптимальных условиях, учитывая, что мотивация высока. Помимо мотивации, энергетические затраты являются центральным фактором в этой структуре. Потери энергии (истощение) и потери мотивации из-за неопределенности относительно продолжительности задачи и скуки могут добавить к общей картине умственной усталости.The ERN component consists of a large negative shift in ERP that occurs after subjects have made an erroneous response (Falkenstein et al., 1990; Gehring et al., 1990) and is generated in the anterior cingulate cortex (ACC) (Dehaene et al., 1994 ), a structure central to processing information about reward, punishment, and required effort. Holroyd and Coles (2002) hypothesized that ERN is the result of a phase decrease in the activity of mesenfacilic dopaminergic neurons after an error in predicting reward (ie, when reward is less than expected). This decrease in the activity of dopaminergic neurons in the striatum, in turn, results in disinhibition of the apical dendrites of motor neurons in the ACC, creating an ERN (Holroyd and Yeung, 2003). In addition, many studies have shown that ERN is associated with a motivational component: when the requirements for performing the best work are reduced, a decrease in the amplitude of the ERN can be observed (Gehring et al., 1993). Indeed, motivation appears to be necessary to observe robust ERNs (Gehring et al., 1993; Gehring and Knight, 2000). Bush et al. (2000) argued that the ERN component and its associated ACC activities represent a general scoring system that processes the motivational meaning of events. According to Sarter, Gehring, and Kozak (2006), mental effort associated with the same neural system is able to maintain robust cognitive functioning even under suboptimal conditions, given that motivation is high. Besides motivation, energy costs are central to this structure. Loss of energy (exhaustion) and loss of motivation due to uncertainty about task duration and boredom can add to the overall picture of mental fatigue.
Описанные выше характеристики электрической активности, несмотря на их изученность в лабораторных условиях, представляют только ограниченную пользу в случае прагматических задач, нацеленных на регистрацию объективных характеристик умственной усталости в условиях реальной деятельности. Сложность в применении этих характеристиках связана с тем, что ССП регистрируются только в определенных условиях и достоверно выделяются только при многократном предъявлении однотипных задач и точной их синхронизации с ЭЭГ.The characteristics of electrical activity described above, despite their knowledge in laboratory conditions, are only of limited use in the case of pragmatic tasks aimed at recording the objective characteristics of mental fatigue in real-life conditions. The difficulty in using these characteristics is due to the fact that ERPs are recorded only under certain conditions and are reliably distinguished only when the tasks of the same type are presented repeatedly and their exact synchronization with the EEG.
Состояние концентрации у пользователя предполагает концентрацию внимания (один из показателей устойчивого внимания). Внимание может быть описано с позиций различных теоретических моделей. Одной из них является общая модель Knudsen (2007), которая предполагает четыре ключевых (ядерных) процесса внимания, к которым относятся: хранилище рабочей памяти; конкурентный отбор, который определяет, какая информация получает доступ к рабочей памяти; нисходящий контроль, который регулирует интенсивность сигнала в каналах, и, таким образом, дает преимущество определенным типам информации в доступе к рабочей памяти; восходящие фильтры, которые автоматически повышают реакцию на нечастые стимулы или стимулы, важные для осуществления инстинктов или выученного биологически значимого поведения (экзогенное внимание). Другая широко известная модель внимания разработана М.Познером: внимание состоит из нескольких разноуровневых систем - возбуждения-бдительности, ориентировки (заднеассоциативной системы), управляющего контроля (переднеассоциаивной системы внимания) (Posner, 2004). Если системы возбуждения и ориентировки связаны с автоматическими процессами, то управляющий контроль - с произвольными. Заднеассоциативная система внимания охватывает теменную долю коры головного мозга, таламус, зоны среднего мозга, связанные с движением глаз, и отражает процессы зрительно-пространственного внимания. Управляющий контроль составляет одну из систем внимания, ответственную за селекцию информации, координацию и исполнение актуальных процессов и подавление неактуальных. По мнению М.Познера, эта система реализуется во время активации рабочей памяти, преодоления конфликтов. Таким образом, данная система может рассматриваться как необходимый аппарат для поддержания концентрации внимания. Функционирование управляющего контроля предполагает работу передней поясной извилины, медиальной и вентролатеральной префронтальной коры, базальных ганглиев.The user's state of concentration implies concentration of attention (one of the indicators of sustained attention). Attention can be described in terms of various theoretical models. One of them is the general model of Knudsen (2007), which assumes four key (nuclear) processes of attention, which include: storage of working memory; competitive selection, which determines what information gets access to working memory; top-down control, which adjusts the signal intensity in the channels, and thus gives preference to certain types of information in accessing the working memory; upward filters that automatically increase the response to infrequent stimuli or stimuli important for the implementation of instincts or learned biologically significant behavior (exogenous attention). Another well-known model of attention was developed by M. Posner: attention consists of several different-level systems - excitation-vigilance, orientation (posterior associative system), executive control (anterior associative attention system) (Posner, 2004). If the systems of excitation and orientation are associated with automatic processes, then the control control - with arbitrary. The posterior associative attention system covers the parietal lobe of the cerebral cortex, the thalamus, and the areas of the midbrain associated with eye movement, and reflects the processes of visual-spatial attention. Managing control constitutes one of the systems of attention, responsible for the selection of information, coordination and execution of relevant processes and suppression of irrelevant ones. According to M. Poznner, this system is realized during the activation of working memory, overcoming conflicts. Thus, this system can be considered as a necessary apparatus for maintaining concentration. The functioning of the executive control involves the work of the anterior cingulate gyrus, the medial and ventrolateral prefrontal cortex, and the basal ganglia.
Ресурсное состояние пользователя определяется на основе параметров состояний стресса, увлеченности или монотонии и концентрации и представляет собой интегральный показатель активации нервных центров, сопровождающих текущую деятельность человека.The user's resource state is determined on the basis of the parameters of states of stress, enthusiasm or monotony and concentration and is an integral indicator of the activation of the nerve centers that accompany the current human activity.
Известен способ оценки эмоционального состояния человека [патент на изобретение RU 2291720, опубл. 20.01.2007], заключающийся в предъявлении пациенту четырех групп словесных характеристик, отражающих различные эмоциональные состояния и степень их выраженности. Затем анализируют выбранные человеком словесные характеристики, отражающие его состояние с использованием шкалы баллов. Способ позволяет дать количественную оценку степени эмоциональной дезадаптации и позволяет испытуемому самостоятельно осознать характер переживаемых эмоций. A known method for assessing the emotional state of a person [invention patent RU 2291720, publ. 20.01.2007], which consists in presenting to the patient four groups of verbal characteristics reflecting various emotional states and the degree of their severity. Then the verbal characteristics selected by the person, reflecting his condition, are analyzed using a scale of points. The method allows to give a quantitative assessment of the degree of emotional maladjustment and allows the subject to independently realize the nature of the emotions experienced.
Недостатком известного способа является низкая степень автоматизации сбора и обработки данных и достоверности полученной информации из-за субъективного метода сбора данных.The disadvantage of this method is the low degree of automation of data collection and processing and the reliability of the information obtained due to the subjective method of data collection.
Известны система и способ обучения [заявка на изобретение US 20170330475, опубл. 16.11.2017], использующая данные электроэнцефалограммы (ЭЭГ) для анализа результатов выполнения тестов и определение того, нужно ли сделать перерыв в учебной деятельности или наоборот усложнить выполняемое задание. Система обучения включает в себя блок вывода, который выводит первую проблему и сообщение на дисплее, предлагающее пользователю сделать перерыв, блок сбора, который получает ответ на первую проблему от пользователя, блок измерения ЭЭГ, который измеряет ЭЭГ пользователя, и блок управления. Блок управления определяет, присутствует ли первая мотивация, на основе потенциала, связанного с первым событием, включенного в ЭЭГ, и, начиная с момента, когда выводится первая проблема, определяет, присутствует ли вторая мотивация пользователя на основе потенциала, связанного со вторым событием, включенным в ЭЭГ, и начинающийся с момента, в который был получен ответ, и инструктирует блок вывода выводить сообщение на дисплей, предлагающее пользователю сделать перерыв, если первая мотивация отсутствует и второй мотивации нет.The known system and method of training [application for invention US 20170330475, publ. 11/16/2017], which uses electroencephalogram (EEG) data to analyze the results of test execution and determine whether it is necessary to take a break from educational activity or, on the contrary, complicate the task being performed. The learning system includes an output unit that displays the first problem and a message on the display prompting the user to take a break, a collection unit that receives a response to the first problem from the user, an EEG measurement unit that measures the user's EEG, and a control unit. The control unit determines whether the first motivation is present based on the potential associated with the first event included in the EEG and, from the moment the first problem is displayed, determines whether the second motivation of the user is present based on the potential associated with the second event included in the EEG, and starting from the moment at which the response was received, and instructs the output unit to display a message on the display prompting the user to take a break if the first motivation is absent and the second motivation is not.
Недостатками известной системы является ограниченная сфера применения (только образование), отсутствие информации о текущем психоэмоциональном состоянии пользователя, ограниченный набор выдаваемых рекомендаций (сделать перерыв).The disadvantages of the known system are the limited scope (only education), lack of information about the current psycho-emotional state of the user, a limited set of recommendations issued (take a break).
Известны система и способ для модуляции контента на основе данных об электрических сигналах мозга человека [заявка на изобретение US 2018278984, опубл. 27.09.2018], включая изменение представления цифрового контента по меньшей мере на одном вычислительном устройстве. Контент также может модулироваться на основе набора правил, поддерживаемых или доступных компьютерной системе, на основе пользовательского ввода, в том числе посредством приема команды управления представлением, которая может быть обработана компьютерной системой для модификации представления контента. Содержимое также может быть передано со связанной информацией о состоянии мозга. Компьютерная система может обрабатывать данные биосигнала, используя конвейер обработки биологического сигнала, чтобы определить, по меньшей мере, одно состояние мозга пользователя. Можно определить, что данные о состоянии мозга произошли в ответ на представление пользователю определенного цифрового контента. Следовательно, компьютерная система может связывать определенное состояние мозга пользователя с представленным цифровым контентом. Вместо или в дополнение к выполнению этой ассоциации компьютерная система может модифицировать представление цифрового контента, по меньшей мере, на одном вычислительном устройстве, основываясь, по меньшей мере, частично на принятых данных биосигнала и, по меньшей мере, одном правиле модификации представления, связанном с представленным цифровым контентом. Применение любых таких правил может быть использовано для обработки компонентом модулятора, взаимодействующим с источником контента.A known system and method for modulating content based on data on electrical signals from the human brain [invention application US 2018278984, publ. 09/27/2018], including changing the presentation of digital content on at least one computing device. The content can also be modulated based on a set of rules supported or available to the computer system based on user input, including by receiving a presentation control command, which can be processed by the computer system to modify the presentation of the content. Content can also be transmitted with associated brain state information. The computer system can process the biosignal data using the biological signal processing pipeline to determine at least one state of the user's brain. It can be determined that the brain state data occurred in response to the presentation of certain digital content to the user. Hence, the computer system can associate a certain state of the user's brain with the presented digital content. Instead of, or in addition to, performing this association, the computer system may modify the representation of digital content on at least one computing device based at least in part on the received biosignal data and on at least one representation modification rule associated with the presented digital content. The application of any such rules can be used for processing by the modulator component that interacts with the content source.
Недостатками известных технических решений является ограниченная сфера применения (только медиа сфера), связывание состояние мозга только с представляемым цифровым контентом, узкая интерпретация данных о мозговой активности пользователя.The disadvantages of the known technical solutions are the limited scope of application (only the media sphere), linking the state of the brain only with the presented digital content, narrow interpretation of data on the user's brain activity.
Настоящая группа изобретений направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении достоверности определения текущего психоэмоционального состояния за счет повышения точности обработки полученных данных и расширенной интерпретации данных о мозговой активности пользователя в режиме реального времени. The present group of inventions is aimed at achieving a technical result consisting in increasing the reliability of determining the current psychoemotional state by increasing the accuracy of processing the obtained data and expanded interpretation of data on the user's brain activity in real time.
Заявленный технический результат в части системы, достигается за счет того, что система определения психоэмоциональных состояний на основе сигнала ЭЭГ включает блок приема сигнала, выполненный с возможностью получения сигнала ЭЭГ от нейроинтерфейса пользователя, с которым соединен блок первичной обработки сигнала, выполненный с возможностью спектрального разложения полученного сигнала на ритмы головного мозга, с которым соединен блок фильтрации первично обработанных сигналов, выполненный с возможностью проверки сигнала на наличие помех и агрегации первично преобразованных сигналов с выделением ритмов головного мозга, соответствующих по меньшей мере одному заданному состоянию, с которым соединен блок определения по меньшей мере одного заданного состояния, выполненный с возможностью определения коррелята этого состояния, с которым соединен блок персонализации заданного состояния, выполненный с возможностью определения границ нормального состояния для данного пользователя путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя, с которым соединен блок вывода данных, выполненный с возможностью предоставления пользователю полученных результатов.The claimed technical result in terms of the system is achieved due to the fact that the system for determining psychoemotional states based on the EEG signal includes a signal receiving unit configured to receive an EEG signal from the user's neurointerface, to which the primary signal processing unit is connected, configured to spectrally decompose the received signal. signal to the rhythms of the brain, to which the filtering unit of the primary processed signals is connected, made with the possibility of checking the signal for the presence of interference and aggregation of the primary converted signals with the selection of the brain rhythms corresponding to at least one specified state, to which the determination unit is connected at least one specified state, configured to determine the correlate of this state, to which the personalization unit of a given state is connected, configured to determine the boundaries of the normal state for a given user by statistically analysis of historical values by the state of the user, with which the data output unit is connected, made with the ability to provide the user with the obtained results.
Имеются варианты развития основного технического решения:There are options for the development of the main technical solution:
- блок первичной обработки сигнала выполнен с возможностью реализации предварительного сглаживания полученного сигнала;- block of primary signal processing is configured to implement preliminary smoothing of the received signal;
- блок фильтрации первично обработанных сигналов позволяет выделять ритмы головного мозга, соответствующие состояниям увлеченности или монотонии, когнитивной нагрузки, стресса, бодрости или усталости, концентрации, а блок определения заданного состояния позволяет определять коррелят указанных состояний;- the block for filtering the primary processed signals allows you to select the brain rhythms corresponding to states of enthusiasm or monotony, cognitive load, stress, vigor or fatigue, concentration, and the block for determining a given state allows you to determine the correlate of these states;
- введен блок фиксации отклонения от нормального состояния пользователя, соединенный с блоком персонализации состояний и блоком вывода данных и выполненный с возможностью определения нахождения пользователя в заданном состоянии. - introduced a unit for fixing deviations from the user's normal state, connected to the state personalization unit and the data output unit and made with the possibility of determining the user's presence in a given state.
Заявленный технический результат в части способа достигается за счет того, что способ определения психоэмоциональных состояний на основе сигнала ЭЭГ включает получение сигнала ЭЭГ от нейроинтерфейса пользователя посредством блока приема сигнала, его первичную обработку путем спектрального разложения полученного сигнала на ритмы головного мозга с помощью блока первичной обработки сигнала, проверку сигнала на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов с выделением ритмов головного мозга, соответствующих по меньшей мере одному заданному состоянию, с помощью блока фильтрации первично обработанных сигналов, определение по меньшей мере одного заданного состояния посредством блока определения заданного состояния, сконфигурированного для определения коррелята этого состояния, определение границ нормального состояния для данного пользователя путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя с помощью блока персонализации заданного состояния, вывод данных путем предоставления пользователю полученных результатов с помощью блока вывода данных.The claimed technical result in terms of the method is achieved due to the fact that the method for determining psychoemotional states based on the EEG signal includes receiving an EEG signal from the user's neurointerface by means of a signal receiving unit, its primary processing by spectral decomposition of the received signal into cerebral rhythms using a primary signal processing unit , checking the signal for the presence of interference and aggregation of the primary transformed signals with the extraction of brain rhythms corresponding to at least one predetermined state using the filtering unit of the primary processed signals, determining at least one predetermined state by means of the predetermined state determination unit configured to determine the correlate of this state, determination of the boundaries of the normal state for a given user by means of statistical analysis of historical values according to the user state using the block of personalization of a given state, output yes data by providing the user with the results obtained using the data output unit.
Имеются варианты развития основного технического решения:There are options for the development of the main technical solution:
- на этапе первичной обработки сигнала ЭЭГ выполняют предварительное сглаживание полученного сигнала;- at the stage of primary processing of the EEG signal, preliminary smoothing of the received signal is performed;
- на этапе агрегации ритмов головного мозга выделяют ритмы, соответствующие состояниям увлеченности или монотонии, когнитивной нагрузки, стресса, бодрости или усталости, концентрации, а затем определяют корреляты указанных состояний;- at the stage of brain rhythms aggregation, rhythms corresponding to states of enthusiasm or monotony, cognitive load, stress, vigor or fatigue, concentration are distinguished, and then the correlates of these states are determined;
- после определения границ нормального состояния для данного пользователя путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя и перед выводом полученных данных определяют нахождение пользователя в заданном состоянии с помощью блока фиксации отклонения от нормального состояния пользователя.- after determining the boundaries of the normal state for a given user by means of statistical analysis of historical values according to the user's state and before outputting the obtained data, it is determined that the user is in a given state using a block for fixing a deviation from the user's normal state.
Таким образом, за счет заявленных совокупностей признаков системы и способа повышается достоверность определения текущего заданного состояния пользователя за счет повышения точности обработки полученных данных и расширенной интерпретации данных о мозговой активности пользователя в режиме реального времени. Это стало возможным благодаря агрегации первично преобразованных сигналов с выделением ритмов головного мозга, соответствующих по меньшей мере одному заданному состоянию с помощью блока фильтрации первично обработанных сигналов, и последующему определению по меньшей мере одного заданного состояния посредством блока определения заданного состояния, сконфигурированного для определения коррелята этого состояния. Одновременно с этим расширена сфера применения заявленных технических решений (образование, собеседования, оценка контента, повышение производительности труда) и объема предоставляемых рекомендаций. Оценка заданного состояния осуществляется без привязки к контенту, в любое время, при различных видах деятельности. С помощью заявленных системы и способа может производиться оценка любых психоэмоциональных состояний. В качестве примеров в данной заявке рассмотрены основные состояния: увлеченность или монотония, когнитивная нагрузка, стресс, усталость или бодрость, концентрация, ресурсное состояние.Thus, due to the claimed sets of features of the system and method, the reliability of determining the current specified state of the user is increased by increasing the accuracy of processing the received data and expanded interpretation of data on the user's brain activity in real time. This became possible due to the aggregation of the primary transformed signals with the extraction of brain rhythms corresponding to at least one predetermined state using the filtering unit of the primary processed signals, and the subsequent determination of at least one predetermined state by means of the predetermined state determination unit configured to determine the correlate of this state ... At the same time, the scope of application of the declared technical solutions (education, interviews, content assessment, increase in labor productivity) and the volume of recommendations provided were expanded. Assessment of a given state is carried out without reference to content, at any time, in various activities. With the help of the claimed system and method, any psychoemotional states can be assessed. As examples, this application considers the main states: enthusiasm or monotony, cognitive load, stress, fatigue or vigor, concentration, resource state.
Сущность предлагаемой группы изобретений раскрыта более подробно с помощью фигур и дальнейшего описания.The essence of the proposed group of inventions is disclosed in more detail using the figures and further description.
На Фиг. 1 приведена блок схема системы.FIG. 1 is a block diagram of the system.
На Фиг. 2 приведены исходные данные для определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 2 shows the initial data for determining the state of enthusiasm or monotony.
На Фиг. 3 приведены исходные данные для определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 3 shows the initial data for determining the state of cognitive load.
На Фиг. 4 приведены исходные данные для определения состояния стресса на основе ЭЭГ сигнала и ЭДА.FIG. 4 shows the initial data for determining the state of stress based on the EEG signal and EDA.
На Фиг. 5 приведены исходные данные для определения состояния усталости или бодрости.FIG. 5 shows the initial data for determining the state of fatigue or vigor.
На Фиг. 6 приведены исходные данные для определения состояния концентрации.FIG. 6 shows the initial data for determining the state of concentration.
На Фиг. 7 приведена блок схема блока определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 7 shows a block diagram of a block for determining the state of enthusiasm or monotony.
На Фиг. 8 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 8 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 9 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 9 shows a summary of the triggers used in
На Фиг. 10 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 10 shows a list of messages in
На Фиг. 11 приведена блок-схема модели определения состояний увлеченности или монотонии пользователя.FIG. 11 is a block diagram of a model for determining states of entrainment or monotony of a user.
На Фиг. 12 приведена блок схема блока определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 12 shows a block diagram of a block for determining the state of cognitive load.
На Фиг. 13 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 13 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 14 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 14 provides a summary of the triggers used in
На Фиг. 15 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 15 shows a list of messages in
На Фиг. 16 приведена блок-схема модели определения состояния когнитивной нагрузки пользователя.FIG. 16 shows a block diagram of a model for determining the state of the user's cognitive load.
На Фиг. 17 приведена блок схема блока определения состояния стресса на основе ЭЭГ сигнала и электродермальной активности.FIG. 17 shows a block diagram of a block for determining the state of stress based on the EEG signal and electrodermal activity.
На Фиг. 18 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 18 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 19 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 19 provides a summary of the triggers used in the
На Фиг. 20 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 20 shows a list of messages in
На Фиг. 21 приведена блок-схема модели определения состояний стресса пользователя.FIG. 21 is a block diagram of a model for determining user stress states.
На Фиг. 22 приведена блок схема блока определения состояния усталости или бодрости.FIG. 22 is a block diagram of a fatigue or vigor state determination unit.
На Фиг. 23 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния усталости или бодрости.FIG. 23 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 24 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния усталости или бодрости.FIG. 24 provides a summary of the triggers used in
На Фиг. 25 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния усталости или бодрости.FIG. 25 shows a list of messages in
На Фиг. 26 приведена блок-схема модели определения состояний усталости или бодрости пользователя.FIG. 26 is a block diagram of a model for determining a user's fatigue or alertness states.
На Фиг. 27 приведена блок схема блока определения состояния концентрации.FIG. 27 is a block diagram of a concentration state determination unit.
На Фиг. 28 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния концентрации.FIG. 28 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 29 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния концентрации.FIG. 29 is a summary of the triggers used in the concentration
На Фиг. 30 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния концентрации.FIG. 30 is a list of messages in
На Фиг. 31 приведена блок-схема модели определения состояний концентрации пользователя.FIG. 31 is a block diagram of a model for determining user concentration states.
На Фиг. 32 приведена блок схема блока 5 определения ресурсного состояния.FIG. 32 shows a block diagram of the
На Фиг. 33 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения ресурсного состояния.FIG. 33 shows a summary of the calculated indices in
На Фиг. 34 приведена блок-схема модели определения ресурсного состояния пользователя.FIG. 34 is a block diagram of a model for determining the resource state of a user.
На Фиг. 35-39 приведены результаты проведенного исследования по определению ресурсного состояния.FIG. 35-39 shows the results of the study to determine the resource state.
На Фиг. 40 приведены результаты проведенного исследования по определению состояния когнитивной нагрузки.FIG. 40 shows the results of the study to determine the state of cognitive load.
На Фиг. 41-45 приведены результаты проведенного исследования по определению состояния стресса.FIG. 41-45 summarize the results of the study to determine the state of stress.
Система определения психоэмоциональных состояний на основе сигнала ЭЭГ (Фиг. 1 и 2) пользователя 1 включает последовательно соединенные друг с другом блок 2 приема сигнала, блок 3 первичной обработки сигнала, блок 4 фильтрации первично обработанных сигналов, блок 5 определения по меньшей мере одного заданного состояния, блок 6 вывода данных.The system for determining psycho-emotional states based on the EEG signal (Figs. 1 and 2) of the
Дополнительно система может содержать блок 7 персонализации по меньшей мере одного состояния, соединенный с блоком 5 определения заданного состояния и с блоком 6 вывода данных, а также блок 8 фиксации отклонения от нормального состояния пользователя 1, соединенный с блоком 7 персонализации состояний и блоком 6 вывода данных.Additionally, the system may comprise a
Блок 2 приема сигнала выполнен с возможностью получения сигнала ЭЭГ от нейроинтерфейса пользователя 1, снятого с помощью нейрогарнитуры. Нейрогарнитура обеспечивает регистрацию ЭЭГ с 7-ми отведений и двигательной активности головы (в том числе, морганий), а также трансляцию этих данных по беспроводному каналу связи в блок 2 приема посредством адаптера USB-BLE, подключаемого к разъему USB персонального компьютера (ПК).The
Блок 3 первичной обработки сигнала выполнен с возможностью спектрального разложения полученного сигнала на ритмы головного мозга и представляет собой преобразователь исходной ЭЭГ-волны в гармонические колебания по алгоритму Фурье с определением абсолютных и относительных спектральных мощностей каждого из заданного диапазонов частот. Также блок 3 может быть выполнен с возможностью реализации предварительного сглаживания полученного сигнала путем проверки на превышение заданной амплитуды сигнала с последующим удалением участка записи, в котором произошло превышение амплитуды.
Блок 4 фильтрации первично обработанных сигналов выполнен с возможностью проверки сигнала на наличие помех путем определения амплитудного всплеска на основе статистического анализа и агрегации первично преобразованных сигналов с выделением ритмов головного мозга, соответствующих по меньшей мере одному заданному состоянию.The
Так, например, блок 4 фильтрации первично обработанных сигналов позволяет выделять ритмы головного мозга, соответствующие состояниям: увлеченности или монотонии - левополушарные тета-ритмы, правополушарные альфа- и тета-ритмы; когнитивной нагрузки - левополушарные тета-ритмы; стресса - левополушарные и правополушарные альфа-ритмы; бодрости или усталости - левополушарные альфа- и тета-ритмы; концентрации - левополушарные бета-ритмы.So, for example, block 4 for filtering the primary processed signals allows you to select the rhythms of the brain corresponding to the states: enthusiasm or monotony - left hemispheric theta rhythms, right hemispheric alpha and theta rhythms; cognitive load - left hemispheric theta rhythms; stress - left hemisphere and right hemispheric alpha rhythms; cheerfulness or fatigue - left hemispheric alpha and theta rhythms; concentration - left hemispheric beta rhythms.
Для применения в разрабатываемой модели определения характера интеллектуальной деятельности и определения состояний увлеченности и монотонии были взяты методы анализа электрокардиограмм (ЭКГ) и ЭЭГ. Methods of analysis of electrocardiograms (ECG) and EEG were taken to be used in the developed model for determining the nature of intellectual activity and determining states of enthusiasm and monotony.
При анализе электроэнцефалограммы используются сигналы с отведений от точек P4,Cz,F3 по системе 10-20. Величина сигналов измеряется в милливольтах (мВ).When analyzing an electroencephalogram, signals from leads from points P4, Cz, F3 are used according to the 10-20 system. Signals are measured in millivolts (mV).
На Фиг. 2 приведены исходные данные для определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 2 shows the initial data for determining the state of enthusiasm or monotony.
В качестве метода оценки электрической активности мозга в рамках разрабатываемой модели определения когнитивной нагрузки используется регистрация ЭЭГ. В качестве показателя электрической активности мозга в разрабатываемой модели принимается поток сигнала с электрода в точке F7 по системе «10-20».EEG registration is used as a method for assessing the electrical activity of the brain within the framework of the developed model for determining cognitive load. The signal flow from the electrode at point F7 according to the "10-20" system is taken as an indicator of the electrical activity of the brain in the developed model.
Простой, но эффективный метод оценки состояния человека на основе регистрации глазодвигательной деятельности предполагает анализ частоты морганий человека за определённый промежуток времени. Этот показатель представляет собой обычное, просто наблюдаемое и легкодоступное явление, которое отражает активность центральной нервной системы. Другим легко измеряемым показателем является длительность моргания. Этот показатель считается особенно подходящей для прогнозирования сонливости, сопровождающей потерю производительности. Поэтому в случае определения состояния когнитивной нагрузки блок 4 позволяет дополнительно определять параметры морганий.A simple but effective method for assessing a person's condition based on the registration of oculomotor activity involves analyzing the frequency of a person's blinking over a certain period of time. This indicator is a common, easily observable and readily available phenomenon that reflects the activity of the central nervous system. Another easily measurable indicator is the duration of the blink. This metric is considered particularly useful for predicting sleepiness that accompanies a loss of productivity. Therefore, in the case of determining the state of cognitive load,
Таким образом, применяются два показателя глазодвигательной активности:Thus, two indicators of oculomotor activity are applied:
- Количество морганий;- The number of blinks;
- Длительность моргания.- Blink duration.
Перечень и описание входных (регистрируемых) данных для определения состояния когнитивной нагрузки приведены на Фиг. 3.The list and description of the input (recorded) data for determining the state of cognitive load are shown in Fig. 3.
При анализе ЭЭГ для определения состояния стресса на основе ЭЭГ сигнала используются сигналы с отведений от точек F3, F4, F6, F7 по системе 10-20. Величина сигналов измеряется в милливольтах (мВ).When analyzing the EEG, to determine the state of stress based on the EEG signal, signals from leads from points F3, F4, F6, F7 are used according to the 10-20 system. Signals are measured in millivolts (mV).
Для применения в модели мониторинга уровня стресса на основе ЭЭГ сигнала и электродермальной активности и оптимизации стрессогенных факторов в процессе интеллектуальной деятельности были взяты методы анализа кожно-гальванической реакции (КГР или ЭДА) и ЭЭГ.Methods for the analysis of galvanic skin response (GSR or EDA) and EEG were taken to be used in the model for monitoring the level of stress based on the EEG signal and electrodermal activity and to optimize stress factors in the process of intellectual activity.
При этом дополнительно введен блок (на чертеже не показано) приема сигналов электродермальной активности, соединенный с блоком 3 первичной обработки сигнала и выполненный с возможностью получения сигналов электродермальной активности от браслета, надеваемого на руку пользователя 1 и обеспечивающему трансляцию этих данных по беспроводному каналу связи в этот блок.At the same time, a unit (not shown in the drawing) for receiving signals of electrodermal activity is additionally introduced, connected to the
Измеряемым показателем при анализе электродермальной активности кожи (ЭДА) является электрическая проводимость кожи между двумя электродами. Этот показатель можно измерить двумя способами:The measured parameter in the analysis of skin electrodermal activity (EDA) is the electrical conductivity of the skin between two electrodes. This indicator can be measured in two ways:
1) пропускание через кожу слабого тока от внешнего источника и измерение динамики ее электрического сопротивления. Эта методика носит название экзосоматического метода (exosomatic method);1) passing a weak current from an external source through the skin and measuring the dynamics of its electrical resistance. This technique is called the exosomatic method;
2) Измерение электрической активности поверхности кожи без применения внешнего источника тока. Это эндосоматический метод (endosomaticmethod).2) Measurement of the electrical activity of the skin surface without using an external current source. This is an endosomatic method.
ЭДДА записывается с помощью электродов, помещаемых на ладони или пальцы рук. Величина сигнала измеряется в милливольтах (мВ).EDDA is recorded using electrodes placed on the palm or fingers. Signal magnitude is measured in millivolts (mV).
На Фиг. 4 приведены исходные данные для определения состояния стресса на основе ЭЭГ сигнала и ЭДА.FIG. 4 shows the initial data for determining the state of stress based on the EEG signal and EDA.
Среди показателей ЭЭГ, которые могут регистрироваться вне условий специально заданных действий необходимо выделить спектральные характеристики в разных частотных диапазонах. Так, было показано, что спектральные характеристики ЭЭГ могут выступать в качестве валидных индикаторов умственной усталости (Lal & Craig, 2002). В целом, сдвиг ЭЭГ в сторону медленноволной активности одновременно со уменьшением вклада высокочастотных составляющих было многократно ассоциировано со снижением функционального состояния человека (Aeschbach et al., 1997; Cajochen, Brunner, Krauchi, Graw, & Wirz-Justice, 1995; Phipps-Nelson, Redman, & Rajaratnam, 2011; Zhao, Zhao, Liu, & Zheng, 2012, Lal & Craig, 2001b). Такие изменения связывают с общим изменением активации организма при утомлении (Tops & Boksem, 2010), а также с переходом в состояние дремоты (De Gennaro et al., 2007; Loomis et al., 1937; Santamaria and Chiappa, 1987). Изменения в тета-активности наиболее выражены в префронтальных областях коры, что может быть связано с процессами, протекающим в передней поясной извилине. Эти изменения также связаны с изменениями в мотивационных характеристиках деятельности, что укладывается в модель Маартена Боксема и коллег (Boksem & Tops, 2008). Эти данные совпадают с данными, полученными в исследовании Трейо с коллегами (Trejo et al., 2015) на основе классификации состояний ЭЭГ по спектральным характеристикам с помощью машинного обучения было показано, где авторы наблюдали взаимосвязь между изменением субъективных характеристик усталости с изменения в спектральной мощности в тета-диапазоне в префронтальных областях мозга.Among the EEG indicators that can be recorded outside the conditions of specially specified actions, it is necessary to highlight the spectral characteristics in different frequency ranges. Thus, it has been shown that the spectral characteristics of the EEG can act as valid indicators of mental fatigue (Lal & Craig, 2002). In general, a shift in the EEG towards slow-wave activity simultaneously with a decrease in the contribution of high-frequency components was repeatedly associated with a decrease in the functional state of a person (Aeschbach et al., 1997; Cajochen, Brunner, Krauchi, Graw, & Wirz-Justice, 1995; Phipps-Nelson, Redman, & Rajaratnam, 2011; Zhao, Zhao, Liu, & Zheng, 2012, Lal & Craig, 2001b). Such changes are associated with a general change in the activation of the organism during fatigue (Tops & Boksem, 2010), as well as with the transition to a state of dormancy (De Gennaro et al., 2007; Loomis et al., 1937; Santamaria and Chiappa, 1987). Changes in theta activity are most pronounced in the prefrontal areas of the cortex, which may be associated with the processes taking place in the anterior cingulate gyrus. These changes are also associated with changes in the motivational characteristics of activity, which fits into the model of Maarten Boksem and colleagues (Boksem & Tops, 2008). These data are consistent with the data obtained in the study of Trejo et al. (2015) based on the classification of EEG states by spectral characteristics using machine learning, where the authors observed the relationship between changes in subjective characteristics of fatigue with changes in spectral power in theta range in the prefrontal areas of the brain.
Таким образом, исходными данными для определения состояния усталости и антипода - бодрости являются данные о медленноволновой ЭЭГ активности с электрода в точке AF7 по системе MCN, приведенные на Фиг. 5.Thus, the initial data for determining the state of fatigue and antipode - vigor are the data on the slow-wave EEG activity from the electrode at point AF7 according to the MCN system, shown in Fig. 5.
Нейрофизиологические характеристики концентрации могут отражаться в различных показателях ЭЭГ. К спектральным характеристикам, отражающим концентрацию внимания на определенном объекте, могут быть отнесены высокочастотные показатели, например, гамма-волны в диапазоне свыше 40 Гц. Они генерируются в теменно-фронтальных областях мозга, обнаруживающих синхронизацию работы нейронов в данных регионах (Kaiser, Lutzenberger, 2003; Siegel et al., 2008; Gregoriou et al., 2009; Baldauf, Desimone, 2014). Вовлечение теменных областей обусловлено активацией дорзального потока: системы “Где?”, отвечающей за переработку информации о пространственном положении объекте, и, как следствие, участвующей в активном отслеживании объекта (концентрации внимания на нем) (Mishkin, Ungerleider, 1992). Вовлечение лобных областей обусловлено активацией контролирующих процессов, участвующих в организации работы теменной коры. Другим высокочастотным показателем концентрации внимания может являться мощность в бета-диапазоне (12,5-30 Гц), появляющаяся в лобных областях мозга и распространяющая в процессе активации внимания на другие области (Jensen et al., 2005). Показано, что тренинги бета-активности повышают эффективность выполнения задач, требующих концентрации внимания, у лиц с синдромом дефицита внимания и гиперактивности (СДВГ) (Linden et al, 1996; Egner, Gruzelier, 2004; Kropotov et al., 2005). Сообщается, что дезактивация бета-ритма может являться механизмом нарушения внимания при СДВГ (Clarke et al., 2001). Одним из возможных механизмов, обуславливающих вовлеченность бета-активации в процессы внимания, может быть генетический: например, полиморфизмы гена DAT (гена транспортера дофамина) (Loo et al., 2003). Это согласуется с так называемой “дофаминовой гипотезой”, предполагающей наличие необходимого уровня (оптимума) дофамина, который требуется для эффективного осуществления не только внимания, но и других когнитивных функций посредством нейронов префронтальной коры (Schacht, 2016). Таким образом, активность в бета-диапазоне может являться биомаркером состояния концентрации (устойчивости) внимания, связанного с поддержкой необходимого уровня дофамина.Neurophysiological characteristics of concentration can be reflected in various EEG indicators. Spectral characteristics reflecting the concentration of attention on a particular object can include high-frequency indicators, for example, gamma waves in the range over 40 Hz. They are generated in the parieto-frontal regions of the brain, which show synchronization of neuronal activity in these regions (Kaiser and Lutzenberger, 2003; Siegel et al., 2008; Gregoriou et al., 2009; Baldauf, Desimone, 2014). The involvement of the parietal regions is due to the activation of the dorsal flow: the “Where?” System, which is responsible for processing information about the spatial position of an object, and, as a consequence, participates in active tracking of the object (concentration of attention on it) (Mishkin and Ungerleider, 1992). The involvement of the frontal regions is due to the activation of controlling processes involved in organizing the work of the parietal cortex. Another high-frequency indicator of attention concentration can be the power in the beta range (12.5-30 Hz), which appears in the frontal regions of the brain and spreads during the activation of attention to other areas (Jensen et al., 2005). Beta trainings have been shown to increase the performance of attention-focused tasks in people with attention deficit hyperactivity disorder (ADHD) (Linden et al, 1996; Egner, Gruzelier, 2004; Kropotov et al., 2005). It has been reported that deactivation of the beta rhythm may be a mechanism for impaired attention in ADHD (Clarke et al., 2001). One of the possible mechanisms that determine the involvement of beta activation in attention processes may be genetic: for example, polymorphisms of the DAT gene (dopamine transporter gene) (Loo et al., 2003). This is consistent with the so-called “dopamine hypothesis,” suggesting the presence of the necessary level (optimum) of dopamine, which is required for the effective implementation of not only attention, but also other cognitive functions through neurons in the prefrontal cortex (Schacht, 2016). Thus, activity in the beta range can be a biomarker of the state of concentration (stability) of attention associated with maintaining the required level of dopamine.
Таким образом, исходными данными для определения состояния концентрации выбран показатель высокочастотной ЭЭГ активности в бета-диапазоне с электрода в точке AF7 по системе MCN, приведенный на Фиг. 6.Thus, the initial data for determining the state of concentration was selected an indicator of high-frequency EEG activity in the beta range from the electrode at point AF7 according to the MCN system, shown in Fig. 6.
Исходными данными для определения ресурсного состояния являются исходные данные для определения состояний увлеченности, стресса и концентрации.The initial data for determining the resource state are the initial data for determining the states of enthusiasm, stress and concentration.
Блок 5 определения по меньшей мере одного заданного состояния или комбинаций заданных состояний выполнен с возможностью определения коррелята этого/этих состояний. Блок 5 представляет собой программируемый модуль, сконфигурированный для осуществления последовательности вычислительных действий.
При необходимости определения состояния увлеченности или монотонии блок 5 определения состояния увлеченности или монотонии выполнен с возможностью определения коррелята состояния увлеченности или монотонии путем суммирования первично преобразованных сигналов, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора увлеченности или монотонии и глобального среднего индикатора увлеченности или монотонии, определения границы состояния и выхода за нее (Фиг. 7).If it is necessary to determine the state of enthusiasm or monotony, the
На основе измеренных данных производится расчет ряда индексов, всесторонне характеризующих состояние увлеченности или монотонии у пользователей.Based on the measured data, a number of indices are calculated that comprehensively characterize the state of enthusiasm or monotony among users.
Индекс Alpha-index - рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке P4. Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT)Alpha-index - calculated based on the signal flow from the electrode at point P4. Fast Fourier Transform (FFT) is used for signal processing
Iai=FFT(Dp4), I ai = FFT (D p4),
где Dp4 - сигнал с электрода в точке P4,where D p4 is the signal from the electrode at point P4,
затем производится расчет вклада частот 8-13 Hz в общий спектр.then the contribution of frequencies 8-13 Hz to the total spectrum is calculated.
Индекс Theta-index left - рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке F3. Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT)Theta-index left - calculated based on the signal flow from the electrode at point F3. Fast Fourier Transform (FFT) is used for signal processing
Itil =FFT(Df3), I til = FFT (D f3),
где Df3 - сигнал с электрода в точке F3,where D f3 is the signal from the electrode at point F3,
затем производится расчет вклада частот 4 - 7 Hz в общий спектр.then the contribution of frequencies 4 - 7 Hz to the total spectrum is calculated.
Индекс Theta-index right - рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке P4. Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT)Theta-index right - calculated based on the signal flow from the electrode at point P4. Fast Fourier Transform (FFT) is used for signal processing
Itir =FFT(Dp4), I tir = FFT (D p4),
где Dp4 - сигнал с электрода в точке P4,where D p4 is the signal from the electrode at point P4,
затем производится расчет вклада частот 4 - 7 Hz в общий спектр.then the contribution of frequencies 4 - 7 Hz to the total spectrum is calculated.
Индекс Sum - суммирование вкладов част:Sum index - summation of deposits, frequent:
Isum = Iai+Itir+Itil I sum = I ai + I tir + I til
Индекс z-оценки представляет собой персонализацию значений для конкретного пользователя на основе его зарегистрированных статистических показателей мат.ожидания и стандартного отклонения параметра за период наблюденийThe z-score index is a personalization of values for a specific user based on his registered statistical indicators of expectation and standard deviation of the parameter over the observation period
Iz = Isum-mean(Isum)/std(Isum) I z = I sum -mean (I sum) / std (I sum)
На Фиг. 8 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 8 shows a summary of the calculated indices in
Согласно концепции разрабатываемой модели, после расчета индексов необходимо определить их граничные значения, достижение которых означает определенный уровень когнитивного состояния пользователей (триггеры). В модели определения состояний увлеченности и монотонии у пользователя применяются следующие триггеры.According to the concept of the developed model, after calculating the indices, it is necessary to determine their boundary values, the achievement of which means a certain level of the cognitive state of users (triggers). The following triggers are used in the model for determining states of entrainment and monotony in a user.
Триггер «Творческая деятельность». Оператор выполняет деятельность, расцениваемую как творческая. Проверяемое условие триггера:Trigger "Creative activity". The operator performs activities that are regarded as creative. Trigger condition to check:
Iz>1,96I z > 1.96
Триггер «Рутинная деятельность». Оператор выполняет деятельность, расцениваемую как компульсивная. Проверяемое условие триггера:Trigger "Routine activities". The operator is performing an activity that is considered compulsive. Trigger condition to check:
Iz< -1,96I z <-1.96
На Фиг. 9 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 9 shows a summary of the triggers used in
При реализации рассматриваемой модели в составе программного комплекса для регистрации и анализа электрофизиологических параметров человека и предоставления биологической и оптической обратной связи (ПК Ментор), предусматривается определенная реакция ПК на выполнение условий триггеров, рассмотренных выше. Реакция выражается выводом определенных сообщений на внешние устройства из состава ПК: экран монитора или носимый браслет. When implementing the model under consideration as part of a software package for recording and analyzing electrophysiological parameters of a person and providing biological and optical feedback (Mentor PC), a certain PC response to the fulfillment of the trigger conditions discussed above is provided. The reaction is expressed by the output of certain messages to external devices from the PC: a monitor screen or a wearable bracelet.
Сообщение «Отметка о творческой задаче (увлеченности)». Отметка в журнале о том, что состояние оператора соответствует творческой деятельности.The message "Mark about a creative task (passion)". A mark in the journal that the state of the operator corresponds to creative activity.
Сообщение «Отметка о монотонии». Отметка в журнале о том, что состояние оператора соответствует рутинной деятельности.Monotony mark message. A note in the log that the state of the operator corresponds to routine activities.
На Фиг. 10 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния увлеченности или монотонии.FIG. 10 shows a list of messages in
Таким образом, в рамках модели определения состояний увлеченности или монотонии у пользователя, была разработана методика определения характера выполняемой деятельности, не требующая самоотчета, визуального наблюдения за действиями специалиста и профессиографии. Для реализации модели выбран метод регистрации показателей электрической активности мозга. На Фиг. 11 приведена блок-схема модели определения состояний увлеченности или монотонии пользователя.Thus, within the framework of the model for determining the states of enthusiasm or monotony in the user, a method was developed for determining the nature of the activity being performed, which does not require self-report, visual observation of the actions of a specialist and professionalism. To implement the model, a method for recording indicators of the electrical activity of the brain was chosen. FIG. 11 is a block diagram of a model for determining states of entrainment or monotony of a user.
При необходимости определения состояния когнитивной нагрузки блок 5 определения состояния когнитивной нагрузки выполнен с возможностью определения коррелята состояния увлеченности или монотонии путем определения количества морганий в минуту, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора когнитивной нагрузки и глобального среднего индикатора когнитивной нагрузки, определения границы состояния и выхода за нее (Фиг. 12).If it is necessary to determine the state of cognitive load, the
Для потока ЭЭГ-сигнала с электрода F7, регистрируемого в сыром виде, происходит последовательная обработка следующего вида:For the flow of the EEG signal from the F7 electrode, recorded in its raw form, the following sequential processing takes place:
1. Сигнал проходит полосно-заградительный фильтр;1. The signal passes the band-stop filter;
2. Сигнал проходит дополнительную фильтрацию, удаляющую резкие высокоамплитудные выбросы текущем скользящем окне обработки;2. The signal undergoes additional filtering, which removes sharp high-amplitude surges in the current sliding processing window;
3. Производится быстрое преобразование Фурье;3. Fast Fourier transform is performed;
4. Оценивается мощность спектра в тэта-диапазоне, выделяются средние значения амплитуд, среднеквадратичное отклонение (СКО) за текущее окно анализа;4. The power of the spectrum in the theta range is estimated, the mean values of the amplitudes, the standard deviation (RMS) for the current analysis window are allocated;
5. Данные о средних значения и СКО конкретного пользователя сохраняются в Базе данных (БД);5. Data on average values and standard deviations of a particular user are stored in the Database (DB);
6. Вычисляются статистические показатели (мода, медиана, СКО и пр.) за весь период записи.6. Statistical indicators (mode, median, standard deviation, etc.) are calculated for the entire recording period.
На основе измеренных данных производится расчет ряда индексов, всесторонне характеризующих состояние когнитивной активности пользователей.Based on the measured data, a number of indices are calculated that comprehensively characterize the state of users' cognitive activity.
Колебания ЭЭГ в альфа-и тета-полосе отражают эффективность когнитивных функций и памяти. Хорошая производительность связана с двумя типами явлений ЭЭГ (i) тоническим увеличением альфа, но уменьшением тета-мощности и (ii) большим фазическим (связанным с событиями) снижением альфа, но увеличением тэта, в зависимости от типа памяти. Поскольку альфа-частота показывает большие межличностные различия, связанные с возрастом и памятью, эта двойная диссоциация между альфа-и тета-тоническими и фазовыми изменениями может наблюдаться только в случае отказа фиксированных полос частот. Для этого применяются скорректированные частотные окна альфа- и тета по каждому предмету с использованием отдельные альфа-частоты в качестве опорной точки. Основываясь на этой процедуре, становится возможным последовательная интерпретация различных результатов. В качестве примера, подобно увеличению мозгового объема человека, верхняя альфа-сила увеличивается (но сила тэта уменьшается) с раннего детства до взрослой жизни, тогда как противоположное имеет место и для поздней части жизни. Альфа-мощность снижается, и сила тета усиливается у субъектов с различными неврологическими расстройствами. Кроме того, после продолжительного бодрствования и во время перехода от пробуждения к сна, когда способность реагировать на внешние раздражители прекращается, верхняя альфа-мощность уменьшается, тогда как тета увеличивается. Изменения, связанные с событиями, показывают, что степень альфа-десинхронизации положительно коррелирует с (семантической) долговременной памятью, тогда как синхронизация тета положительно коррелирует с возможностью кодирования новой информации. Рассматриваемые результаты интерпретируются на основе колебаний мозга.EEG fluctuations in the alpha and theta bands reflect the effectiveness of cognitive functions and memory. Good performance is associated with two types of EEG phenomena (i) tonic increase in alpha but decrease in theta power and (ii) large phasic (event-related) decrease in alpha but increase in theta, depending on the type of memory. Since the alpha frequency shows large interpersonal differences associated with age and memory, this double dissociation between alpha and theta tonic and phase changes can only be observed in the event of failure of fixed frequency bands. This is accomplished by applying corrected alpha and theta frequency windows for each subject using separate alpha frequencies as the reference point. Based on this procedure, it becomes possible to consistently interpret different results. As an example, like an increase in human brain volume, upper alpha strength increases (but theta strength decreases) from early childhood to adulthood, while the opposite is true in later life. Alpha power is reduced and theta power is increased in subjects with various neurological disorders. In addition, after prolonged wakefulness and during the transition from awakening to sleep, when the ability to respond to external stimuli ceases, the upper alpha power decreases, while theta increases. Event-related changes show that the degree of alpha desynchronization is positively correlated with (semantic) long-term memory, while theta timing is positively correlated with the ability to encode new information. The results in question are interpreted on the basis of brain vibrations.
Индекс Low-Alpha-index рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке F7 (Df7). Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT)The Low-Alpha-index is calculated based on the signal flow from the electrode at point F7 (D f7 ). Fast Fourier Transform (FFT) is used for signal processing
II aiai =FFT(D= FFT (D ff 7),7),
затем производится расчет вклада частот 8-10 Hz в общий спектр.then the contribution of frequencies 8-10 Hz to the total spectrum is calculated.
Индекс Theta-index рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке F7 (Df7). Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT)Theta-index calculated based on the signal flow from the electrode at point F7 (Df7). Fast Fourier Transform (FFT) is used for signal processing
II aiai =FFT(D= FFT (D ff 7),7),
затем расчет вклада частот 4-7 Hz в общий спектр.then calculation of the contribution of frequencies 4-7 Hz to the total spectrum.
Индекс частоты моргания рассчитывается на основании измеренного количества морганий (Dblink) Blink rate index is calculated based on the measured number of blinks (D blink )
II brbr = 60/ D= 60 / D blinkblink ,,
Индекс длительности морганий рассчитывается на основании измеренной длительности морганий (Dbl) как средняя величина измерений за участок записиBlink duration index calculated based on the measured blink duration (Dbl) as the average value of measurements for the recording area
II blbl = (D = (D blbl 1one +…. D +…. D blNblN )/N ) / N
На Фиг. 13 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 13 shows a summary of the calculated indices in
Характеристики различных аспектов состояний человека определяются с помощью определения и интерпретации некоторых граничных значений индексов или их сочетаний - триггеров. Под триггерами понимаются условия, выполнение которых приводит к формированию обратной связи пользователю. The characteristics of various aspects of a person's states are determined by determining and interpreting some boundary values of indices or their combinations - triggers. Triggers are defined as conditions, the fulfillment of which leads to the formation of feedback to the user.
Триггер основывается на одном или нескольких индикаторах и предполагает, что эти значения этих индикаторов соответствуют определённому шаблону. Самый простой вид триггера - это выход какого-либо индикатора за границу допустимых значений сверху или снизу. Например, превышение частоты сердечных сокращений предельно допустимого порога.A trigger is based on one or more indicators and assumes that these indicator values follow a certain pattern. The simplest type of trigger is the exit of an indicator beyond the limit of permissible values from above or below. For example, exceeding the heart rate of the maximum permissible threshold.
В настоящей модели определения когнитивной нагрузки триггером является сильный рост тэта-ритма, рассчитываемый как выход текущего значения тэта-ритма за 2,25 СКО, рассчитанного по всем имеющимся данным пользователя. Для отсева резких изменений исходного параметра, не связанных с переходом в состояние высокой когнитивной нагрузки, используется дополнительное условие - для срабатывания триггера выход за исходного параметра за границы должен удерживаться более 10 секунд. Данный классификатор является бинарным и свидетельствует только о выходе когнитивной нагрузки за допустимые пределы. Когда условие, заложенное в триггере, выполняется, этот триггер вызывает одно или несколько событий, полное пространство которых задано массивом возможных сообщений обратной связи S(T) = [S1,…Sl]. Совокупность триггеров составляет множество T = [T1,…Tk].In this model for determining cognitive load, the trigger is a strong increase in theta rhythm, calculated as the output of the current value of theta rhythm for 2.25 SD, calculated from all available user data. To filter out abrupt changes in the initial parameter that are not associated with the transition to a state of high cognitive load, an additional condition is used - to trigger the trigger, going beyond the initial parameter beyond the boundaries must be held for more than 10 seconds. This classifier is binary and only indicates that the cognitive load is out of range. When the condition in the trigger is met, this trigger raises one or more events, the total space of which is given by the array of possible feedback messages S (T) = [S 1 , ... S l ]. The set of triggers makes up the set T = [T 1 ,… T k ].
В модели применяются следующие триггеры.The following triggers are used in the model.
Триггер "Увеличение низкочастотной активности" формируется на основе индексов Low-Alpha-index (Iai ) и Theta-index (Iti ). Проверяемое условие: The trigger "Increase in low-frequency activity" is formed on the basis of the Low-Alpha-index (I ai ) and Theta-index (I ti ) indices. Checked condition:
[I[I aiai >(meanI> (meanI aiai +1.5*stdI+ 1.5 * stdI aiai )] )] И [IAnd [I titi >(meanI> (meanI aiai +2.25*stdI+ 2.25 * stdI titi )])]
Выполнение условия означает сильное увеличение низкочастотной активности, что свидетельствует о увеличении когнитивной нагрузки. Здесь и далее:The fulfillment of the condition means a strong increase in low-frequency activity, which indicates an increase in cognitive load. Hereinafter:
1) Аффикс «mean» обозначает, что необходимо взять среднее значение индикатора по трем предыдущим замерам1) The affix "mean" means that it is necessary to take the average value of the indicator for three previous measurements
2) Аффикс «std» обозначает, что необходим взять усредненное стандартное отклонение параметра по трем предыдущим величинам.2) The "std" affix means that it is necessary to take the average standard deviation of the parameter over the three previous values.
Триггер "Увеличение морганий" рассчитывается на основе индексов частоты морганий (Ibr) и средней длительности морганий (Ibl). Проверяемое условие:Trigger "Increase in blinks" calculated based on blink rate indices (Ibr) and average duration of blinking (Ibl). Checked condition:
[I[I brbr >(meanI> (meanI brbr +stdI+ stdI brbr )])] И[IAnd [I blbl >> (meanI(meanI blbl +stdI+ stdI blbl )])]
Выполнение условия означает увеличение частоты и длительности морганий, что свидетельствует о когнитивном утомлении.The fulfillment of the condition means an increase in the frequency and duration of blinking, which indicates cognitive fatigue.
На Фиг. 14 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 14 provides a summary of the triggers used in
В качестве результатов модель мониторинга и оценки когнитивной нагрузки предусматривает при наступлении определенных условий генерацию и вывод пользователю диагностических сообщений.As a result, the model for monitoring and assessing cognitive load provides for the generation and display of diagnostic messages to the user when certain conditions occur.
Сообщение о когнитивной усталости генерируется, если выполняется триггер Tblink (увеличение морганий). При этом на носимый браслет выдается сигнал вибрации в течение 5 секунд, частота 0,5 Гц. При появлении сигнала рекомендуется прием стимулирующих средств (кофеин), либо использование активирующих упражнений (физические упражения/ активирующий тренинг по бета-ритму).A cognitive fatigue message is generated if a Tblink (increased blinking) trigger is executed. At the same time, a vibration signal is sent to the wearable bracelet for 5 seconds, the frequency is 0.5 Hz. When a signal appears, it is recommended to take stimulants (caffeine), or use activating exercises (exercise / activating beta-rhythm training).
Сообщение о сложности задачи формируется, если сработало условие Tlow (увеличение низкочастотной активности). При этом на экране монитора формируется фраза: «Сейчас вы склонны переоценивать сложность задачи. Это повышает вероятность ошибок. Отслеживайте их особенно внимательно. Также будет полезно обратиться за помощью к коллегам».The task complexity message is generated if the Tlow condition is triggered (an increase in low-frequency activity). At the same time, a phrase is formed on the monitor screen: “Now you tend to overestimate the complexity of the task. This increases the likelihood of errors. Track them especially carefully. It will also be useful to seek help from colleagues. "
На Фиг. 15 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния когнитивной нагрузки.FIG. 15 shows a list of messages in
Разрабатываемая модель предполагает измерение выбранных показателей когнитивной нагрузки, вычисление на их основе индексов, характеризующих различные аспекты состояния усталости и работоспособности пользователей, определение некоторых граничных значений индексов или их сочетаний (триггеров) и генерацию диагностических сообщений пользователям, выдаваемые на различные внешние устройства (экран монитора, мобильные устройства).The model being developed involves measuring selected indicators of cognitive load, calculating indices on their basis that characterize various aspects of the state of fatigue and working capacity of users, determining some boundary values of indices or their combinations (triggers) and generating diagnostic messages to users that are issued to various external devices (monitor screen, mobile devices).
Данная модель задаёт основную рамку модели определения когнитивной нагрузки у пользователя. Модель интегрирует все типы активности и задаёт параметры переключения от одного состояния к другому.This model provides the basic framework for the model for determining the user's cognitive load. The model integrates all types of activity and sets the parameters for switching from one state to another.
На Фиг. 16 приведена блок-схема модели определения состояния когнитивной нагрузки пользователя.FIG. 16 shows a block diagram of a model for determining the state of the user's cognitive load.
При необходимости определения состояния стресса блок 5 определения состояния стресса выполнен с возможностью определения коррелята состояния стресса путем определения фронтальной асимметрии, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора стресса и глобального среднего индикатора стресса, определения границы состояния и выхода за нее, оценки уровня эмоциональной реакции по электродермальной активности, определения абсолютного значения индикатора стресса (Фиг. 17).If it is necessary to determine the state of stress, the
На основе измеренных данных производится расчет ряда индексов, всесторонне характеризующих состояние стресса у пользователей.Based on the measured data, a number of indices are calculated that comprehensively characterize the stress state of users.
Индекс асимметрии рассчитывается на основе показателей потока сигналов ЭЭГ с отведений в точках F3, F4, F6, F7 (Df3, Df4, Df6, Df7 соответственно). Индекс рассчитывается как разность логарифмов сумм мощностей в отведениях F3, F7 и сумм мощностей в отведениях F4, F8:The asymmetry index is calculated based on the indicators of the EEG signal flow from the leads at points F3, F4, F6, F7 (D f3, D f4, D f6, D f7, respectively). The index is calculated as the difference between the logarithms of the sums of powers in leads F3, F7 and the sums of powers in leads F4, F8:
Iasymmetry = log(sqrt(a)) –log (sqrt (b))I asymmetry = log (sqrt (a)) –log (sqrt (b))
Индекс усредненного ЭДА рассчитывается на основе показателей электрической проводимости кожи между двумя электродами (D EDA ) как средняя величина показателей за период измеренийThe average EDA index is calculated based on the electrical conductivity of the skin between two electrodes ( D EDA ) as the average value of the indicators over the measurement period
Ieda=mean(Deda1…. DedaN)I eda = mean (
На Фиг. 18 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 18 shows a summary of the calculated indices in
Согласно концепции разрабатываемой модели, после расчета индексов необходимо определить их граничные значения, достижение которых означает определенный уровень когнитивного состояния пользователей (триггеры). В модели применяются следующие триггеры.According to the concept of the developed model, after calculating the indices, it is necessary to determine their boundary values, the achievement of which means a certain level of the cognitive state of users (triggers). The following triggers are used in the model.
Триггер "Рост ЭДА" формируется на основе индекса усредненной ЭДА (Ieda). Проверяемое условие:The trigger "EDA growth" is formed on the basis of the average EDA index (Ieda). Checked condition:
[Ieda>(mean Ieda+1.5*stdIeda)][I eda > (mean I eda + 1.5 * stdI eda) ]
Выполнение триггера означает сильное увеличение тонической составляющей КГР при сходных температурных условиях. Здесь и далее:The execution of a trigger means a strong increase in the tonic component of GSR under similar temperature conditions. Hereinafter:
1) Аффикс «mean» обозначает, что необходимо взять среднее значение индикатора по трем предыдущим замерам1) The affix "mean" means that it is necessary to take the average value of the indicator for three previous measurements
2) Аффикс «std» обозначает, что необходим взять усредненное стандартное отклонение параметра по трем предыдущим величинам2) The "std" affix means that it is necessary to take the average standard deviation of the parameter over the three previous values
Триггер "Асимметрия с преобладанием правополушарной активности "Trigger "Asymmetry with a predominance of right hemispheric activity"
Триггер формируется на основе индекса асимметрии (Iasymmetry). Проверяемое условие:The trigger is formed on the basis of the asymmetry index (Iasymmetry). Checked condition:
[Iasymmetry>0] И [Iasymmetry> (meanIasymmetry+2stdIasymmetry)][I asymmetry > 0] AND [I asymmetry > (meanI asymmetry + 2stdI asymmetry )]
Выполнение триггера означает увеличение асимметрии в альфа-активности фронтальных отведений в сторону преобладания правого полушария.The execution of a trigger means an increase in asymmetry in the alpha activity of the frontal leads towards the prevalence of the right hemisphere.
На Фиг. 19 приведена сводка по применяемым триггерам в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 19 provides a summary of the triggers used in the
При реализации рассматриваемой модели в составе программного комплекса для регистрации и анализа электрофизиологических параметров человека и предоставления биологической и оптической обратной связи, предусматривается определенная реакция ПК на выполнение условий триггеров, рассмотренных выше. Реакция выражается выводом определенных сообщений на внешние устройства из состава ПК: экран монитора или носимый браслет.When the model under consideration is implemented as part of a software package for recording and analyzing electrophysiological parameters of a person and providing biological and optical feedback, a certain response of the PC to the fulfillment of the trigger conditions discussed above is provided. The reaction is expressed by the output of certain messages to external devices from the PC: a monitor screen or a wearable bracelet.
Сообщение формируется при выполнении триггеров " Асимметрия с преобладанием правополушарной активности " (Tasymmetry) или "Рост ЭДА" (Teda). На экран монитора выводится текст: «Вы сейчас переполнены эмоциями. Если вы чувствуете, что вам это мешает сосредоточиться на задаче - пройдите короткий БОС-тренинг на расслабление по альфа-ритму с закрытыми глазами».The message is generated when the triggers "Asymmetry with a predominance of right hemispheric activity" (T asymmetry ) or "EDA growth" (T eda ) are fulfilled . The text is displayed on the screen: “You are now overwhelmed with emotions. If you feel that it prevents you from concentrating on the task, take a short BFB-training on relaxation according to the alpha rhythm with your eyes closed. "
На Фиг. 20 приведен перечень сообщений в блоке 5 определения состояния стресса.FIG. 20 shows a list of messages in
Таким образом, в рамках разработки модели определения состояния уравновешенности и стресса у пользователя была разработана экспресс-методика оценки функционального состояния, не требующая сложного оборудования регистрации. Для реализации выбраны методы регистрации показателей электрической активности мозга и электродермальной активности. На Фиг. 21 приведена блок-схема модели определения состояния стресса пользователя.Thus, as part of the development of a model for determining the state of balance and stress, an express method for assessing the functional state was developed for the user, which does not require complex registration equipment. Methods for recording indicators of electrical activity of the brain and electrodermal activity were selected for implementation. FIG. 21 is a block diagram of a model for determining a user's stress state.
При необходимости определения состояния усталости или бодрости блок 5 определения состояния усталости или бодрости выполнен с возможностью определения коррелята состояния усталости или бодрости путем определения отношения альфа-ритма к тета-ритмам, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора усталости или бодрости и глобального среднего индикатора усталости или бодрости, определения границы состояния и выхода за нее (Фиг. 22).If it is necessary to determine the state of fatigue or vigor, the
На основе измеренных данных производится расчет ряда индексов, всесторонне характеризующих состояние усталости или бодрости пользователей.On the basis of the measured data, a number of indices are calculated that comprehensively characterize the state of fatigue or vigor of users.
Индекс Alpha мощность рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке AF7 (Daf7). Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT):Alpha power index is calculated based on the signal flow from the electrode at point AF7 (Da f7 ). The signal is processed using the Fast Fourier Transform (FFT):
II AafAaf 7 7 =FFT(D= FFT (D afaf 7),7),
затем рассчитывается мощность ритмов на полосе частот 8-13 Hz.then the power of the rhythms is calculated in the frequency band 8-13 Hz.
Индекс Theta мощность рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке AF7 (Daf7). Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT):The Theta power index is calculated based on the signal flow from the electrode at point AF7 (Da f7 ). The signal is processed using the Fast Fourier Transform (FFT):
II TafTaf 7 7 =FFT(D= FFT (D afaf 7),7),
затем рассчитывается мощность ритмов на полосе частот 4-7 Hz.then the power of the rhythms in the 4-7 Hz frequency band is calculated.
Индекс Отношение Alpha/Theta рассчитывается как отношение индекса Alpha мощности к индексу Theta мощности по формуле:Index The Alpha / Theta ratio is calculated as the ratio of the Alpha power index to the Theta power index using the formula:
II fatiguefatigue = I = I AafAaf 77 / I / I TafTaf 7.7.
Сводка по рассчитываемым индексам приведена на Фиг. 23.A summary of the calculated indices is shown in FIG. 23.
Согласно концепции разрабатываемой модели, после расчета индексов необходимо определить их граничные значения, достижение которых означает определенный уровень когнитивного состояния пользователей (триггеры). В модели применяются следующие триггеры.According to the concept of the developed model, after calculating the indices, it is necessary to determine their boundary values, the achievement of which means a certain level of the cognitive state of users (triggers). The following triggers are used in the model.
Триггер "Бодрость" формируется на основе индекса Отношение Alpha/Theta (IAT). Проверяемое условие:The "Vivacity" trigger is formed on the basis of the Alpha / Theta Ratio (I AT ) index. Checked condition:
II fatiguefatigue >Mean(I > Mean (I fatiguefatigue )+1.96*std(I) + 1.96 * std (I fatiguefatigue ).).
Выполнение условия означает то, что пользователь находится в состоянии бодрости. The fulfillment of the condition means that the user is in a state of vigor.
Триггер "Усталость" формируется на основе индекса Отношение Alpha/Theta (IAT). Проверяемое условие:The "Fatigue" trigger is formed based on the Alpha / Theta Ratio (I AT ) index. Checked condition:
II fatiguefatigue <Mean(I <Mean (I fatiguefatigue )-1.5*std(I) -1.5 * std (I fatiguefatigue ))
Выполнение условия означает то, что пользователь находится в состоянии усталости.The fulfillment of the condition means that the user is in a state of fatigue.
Сводка по применяемым триггерам приведена на Фиг. 24.A summary of the triggers used is shown in FIG. 24.
При реализации рассматриваемой модели в составе программного комплекса для регистрации и анализа электрофизиологических параметров человека и предоставления биологической и оптической обратной связи, предусматривается определенная реакция ПК на выполнение условий триггеров, рассмотренных выше. Реакция выражается выводом определенных сообщений на внешнее устройство из состава ПК (экран монитора) или делается отметка в базе данных. Всего предусматривается одно сообщение и одна отметка в базе данных (Фиг. 25).When the model under consideration is implemented as part of a software package for recording and analyzing electrophysiological parameters of a person and providing biological and optical feedback, a certain response of the PC to the fulfillment of the trigger conditions discussed above is provided. The reaction is expressed by outputting certain messages to an external device from the PC (monitor screen) or making a note in the database. A total of one message and one mark in the database is provided (Fig. 25).
Сообщение об усталости генерируется, если выполняется триггер Tfatique (усталость). При появлении сигнала рекомендуется прием стимулирующих средств (кофеин), либо использование активирующих упражнений (физические упражнения/ активирующий БОС-тренинг по бета-ритму).A fatigue message is generated if the Tfatique trigger is executed. When a signal appears, it is recommended to take stimulants (caffeine), or the use of activating exercises (exercise / activating BFB training in the beta rhythm).
Отметка о состоянии бодрости формируется, если выполняется триггер Tenergy (бодрость). При этом в базе данных делается отметка о том, что пользователь находится в состоянии бодрости.A vigor marker is generated if the Tenergy trigger is executed. At the same time, a note is made in the database that the user is in a state of cheerfulness.
Таким образом, в рамках разработки модели определения состояния бодрости и усталости у пользователя была разработана методика оценки функционального состояния специалиста, адекватная для непрерывного мониторинга и расчетов. Для реализации модели выбраны методы регистрации показателей электрической активности мозга. Общий вид модели приведен Фиг. 26.Thus, within the framework of the development of a model for determining the state of vigor and fatigue in the user, a method was developed for assessing the functional state of a specialist, which is adequate for continuous monitoring and calculations. To implement the model, methods of recording indicators of the electrical activity of the brain were selected. The general view of the model is shown in Fig. 26.
При необходимости определения состояния концентрации блок 5 определения состояния концентрации выполнен с возможностью суммирования фронтальной и височной бета активности, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора концентрации и глобального среднего индикатора концентрации, определения границы состояния и выхода за нее (Фиг. 27).If it is necessary to determine the state of concentration, the
На основе измеренных данных производится расчет индекса, характеризующего состояние концентрации пользователей.Based on the measured data, an index is calculated that characterizes the state of user concentration.
Индекс Beta мощность определяется следующим путем.Beta power index is determined in the following way.
Индекс рассчитывается на основании потока сигнала с электрода в точке AF7 (Daf7). Для обработки сигнала используется быстрое преобразование Фурье (FFT):The index is calculated based on the signal flow from the electrode at point AF7 (D af7 ). The signal is processed using the Fast Fourier Transform (FFT):
I Baf 7 =FFT(Daf7), I Baf 7 = FFT (Daf7),
затем рассчитывается мощность ритмов на полосе частот 14-30 Hz.then the power of rhythms is calculated in the frequency band 14-30 Hz.
Сводка по рассчитываемому индексу приведена на Фиг. 28.The computed index is summarized in FIG. 28.
Согласно концепции разрабатываемой модели, после расчета индексов необходимо определить их граничные значения, достижение которых означает определенный уровень когнитивного состояния пользователей (триггеры). В модели применяется следующий триггер.According to the concept of the developed model, after calculating the indices, it is necessary to determine their boundary values, the achievement of which means a certain level of the cognitive state of users (triggers). The following trigger is applied in the model.
Триггер "Ясность" формируется на основе индекса Beta мощность (IB af7). Проверяемое условие:The Clarity trigger is generated based on the Beta Power Index (I B af7 ). Checked condition:
I Baf7 >Mean(I Baf7 )+1.5*std(I Baf7 ). I Baf7 > Mean (I Baf7 ) + 1.5 * std ( I Baf7 ).
Выполнение условия означает то, что пользователь находится в состоянии концентрации.The fulfillment of the condition means that the user is in a state of concentration.
Сводка по применяемому триггеру приведена на Фиг. 29.A summary of the trigger applied is shown in FIG. 29.
При реализации рассматриваемой модели в составе программного комплекса для регистрации и анализа электрофизиологических параметров человека и предоставления биологической и оптической обратной связи, предусматривается определенная реакция ПК на выполнение условий триггеров, рассмотренных выше. Реакция выражается отметкой в базе данных. Всего предусматривается одна отметка в базе данных (Фиг. 30).When the model under consideration is implemented as part of a software package for recording and analyzing electrophysiological parameters of a person and providing biological and optical feedback, a certain response of the PC to the fulfillment of the trigger conditions discussed above is provided. The reaction is expressed by a mark in the database. A total of one mark is provided in the database (Fig. 30).
Отметка о состоянии концентрации формируется, если выполняется триггер Tlucidity (ясность). При этом в базе данных делается отметка о том, что пользователь находится в состоянии концентрации.Concentration status flag is generated if the Tlucidity trigger is executed. At the same time, a note is made in the database that the user is in a state of concentration.
На Фиг. 31 приведен графический вид модели определения состояний концентрации пользователя.FIG. 31 is a graphical view of the model for determining the state of concentration of the user.
При необходимости определения ресурсного состояния блок 5 определения ресурсного состояния включает модуль определения состояния стресса на основе выделенных левополушарных и правополушарных альфа-ритмов, модуль определения состояния увлеченности или монотонии на основе выделенных левополушарных тета-ритмов, правополушарных альфа- и тета-ритмов, модуль определения концентрации на основе выделенных левополушарных бета-ритмов (Фиг. 32).If it is necessary to determine the resource state, the
На Фиг. 33 приведена сводка по рассчитываемым индексам в блоке 5 определения ресурсного состояния.FIG. 33 shows a summary of the calculated indices in
Блок 5 определения ресурсного состояния также выполнен с возможностью нормирования значения каждого параметра, определения промежуточного значения ресурсного состояния, нормирования промежуточного значения ресурсного состояния, определения ресурсного состояния.
Индекс стандартизованной концентрации использует персонализованные данные о вариативности индекса концентрации у пользователя и текущее значение индекса:The standardized concentration index uses personalized data on the variability of the concentration index for the user and the current value of the index:
Iconcz= (I Baf7-mean I Baf7)/std I Baf7 I concz = (I Baf7 -mean I Baf7) / std I Baf7
Индекс стандартизованного стресса использует персонализованные данные о вариативности индекса стресса у пользователя и текущее значение индекса:The Standardized Stress Index uses personalized data on the user's stress index variability and the current index value:
Istressz= (I Baf7 -mean I Baf7 )/std I Baf7 I stressz = ( I Baf7 -mean I Baf7 ) / std I Baf7
Индекс стандартизованной увлеченности использует персонализованные данные о вариативности индекса увлеченности у пользователя и текущее значение индекса:The Standardized Engagement Index uses personalized information about the variability of the user's Engagement Index and the current value of the index:
Ienthz= (I sum -mean I sum )/std I sum I enthz = ( I sum -mean I sum ) / std I sum
Индекс ресурсного состояния использует на входе данные о персонализованных значениях индексов концентрации, увлеченности и стресса и рассчитывает их баланс:The resource state index uses data on personalized values of the indices of concentration, passion and stress as input and calculates their balance:
IRSI= Ienthz+ Iconcz – 2*Istressz I RSI = I enthz + I concz - 2 * I stressz
На Фиг. 34 приведена блок-схема модели определения ресурсного состояния пользователя.FIG. 34 is a block diagram of a model for determining the resource state of a user.
Блок 6 вывода данных представляет собой любое электронное устройство, способное выдавать информацию на какой-то из каналов восприятия пользователя, выполненный с возможностью предоставления пользователю 1 полученных результатов в текстовой, визуальной, звуковой, тактильной форме в зависимости от доступной периферии и задачи. К нему могут быть подключены монитор, дисплей, звуковые колонки, вибратор и др.The
Блок 7 персонализации по меньшей мере одного заданного состояния выполнен с возможностью определения границ нормального состояния для данного пользователя 1 путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя 1, и представляет собой программируемый модуль вычислительных операций, в котором происходит расчет верхней границы нормального заданного состояния пользователя на основе исторических данных, вычисляется разница между текущим значением и границей состояния, а также происходит проверка нахождения среднего значения в диапазоне триггера состояний.The
Блок 8 фиксации отклонения от нормального состояния пользователя выполнен с возможностью определения нахождения пользователя 1 в заданном состоянии, и представляет собой модуль, обеспечивающий проверку сильно ли отклоняются показатели текущего состояния пользователя от обычного состояния и насколько устойчиво отклонение.
Питание всех блоков обеспечивается от общего питания ПК.All units are powered from the general PC power supply.
Дополнительно может быть введен блок (на чертеже не показано) взаимодействия с сервером, на котором хранятся исторические данные по пользователю 1 и на который отправляются данные о состоянии для сохранения в базе данных и предъявления с помощью веб-интерфейсов.Additionally, a block (not shown in the drawing) of interaction with the server can be introduced, which stores historical data on
Заявляемая система реализует следующий способ определения психоэмоциональных состояний на основе сигнала ЭЭГ.The inventive system implements the following method for determining psychoemotional states based on the EEG signal.
Пользователь 1 надевает нейроинтерфейс и включает его блютуз-адаптер для передачи сигнал ЭЭГ в заявляемую систему. В случае определения стресса на основе ЭДА пользователь 1 надевает также браслет (на чертеже не показано) и включает его блютуз-адаптер для передачи сигнала ЭЭГ и сигнала электродермальной активности в заявляемую систему.
Получают сигнал ЭЭГ от нейроинтерфейса пользователя 1 посредством блока 2 приема сигнала, затем осуществляют его первичную обработку путем спектрального разложения полученного сигнала на ритмы головного мозга с помощью блока 3 первичной обработки сигнала, при необходимости выполняют предварительное сглаживание полученного сигнала.An EEG signal is received from the user's
Для определения состояния увлеченности или монотонии осуществляют проверку сигнала на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов таких, как левополушарные тета-ритмы, правополушарные альфа- и тета-ритмы с помощью блока 4 фильтрации первично обработанных сигналов. Последующее определение состояния увлеченности или монотонии производят путем определения коррелята состояния увлеченности или монотонии посредством блока 5 определения состояния увлеченности или монотонии, сконфигурированного для выполнения суммирования первично преобразованных сигналов, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора увлеченности или монотонии и глобального среднего индикатора увлеченности или монотонии, определения границы состояния и выхода за нее.To determine the state of enthusiasm or monotony, the signal is checked for the presence of interference and the aggregation of primary transformed signals such as left hemispheric theta rhythms, right hemispheric alpha and theta
Для определения состояния когнитивной нагрузки осуществляют проверку сигнала на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов таких, как левополушарные тета-ритмы и количество морганий, с помощью блока 4 фильтрации первично обработанных сигналов. Последующее определение состояния когнитивной нагрузки производят путем определения коррелята состояния когнитивной нагрузки посредством блока 5 определения состояния когнитивной нагрузки, сконфигурированного для выполнения определения количества морганий в минуту, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора когнитивной нагрузки и глобального среднего индикатора когнитивной нагрузки, определения границы состояния и выхода за нее.To determine the state of cognitive load, the signal is checked for the presence of interference and the aggregation of primary transformed signals, such as left-hemispheric theta rhythms and the number of blinks, using the
Для определения состояния стресса на основе ЭЭ и ЭДА дополнительно получают сигнал ЭЭГ от нейроинтерфейса пользователя 1 посредством блока 2 приема сигнала. Получают сигнал электродермальной активности от браслета пользователя посредством блока (на чертеже не показано) приема сигнала электродермальной активности. Затем осуществляют первичную обработку полученного сигнала электродермальной активности и первичную обработку сигнала ЭЭГ путем спектрального разложения полученного сигнала на ритмы головного мозга с помощью блока 3 первичной обработки сигнала, при необходимости выполняют предварительное сглаживание полученного сигнала. Далее осуществляют проверку сигналов на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов таких, как левополушарные и правополушарные альфа-ритмы, с помощью блока 4 фильтрации первично обработанных сигналов. Последующее определение состояния стресса производят путем определения коррелята состояния стресса посредством блока 5 определения состояния стресса, сконфигурированного для определения фронтальной асимметрии, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора стресса и глобального среднего индикатора стресса, определения границы состояния и выхода за нее, оценки уровня эмоциональной реакции по электродермальной активности, определения абсолютного значения индикатора стресса.To determine the state of stress on the basis of EE and EDA, an EEG signal is additionally obtained from the neurointerface of the
Для определения состояния усталости или бодрости осуществляют проверку сигнала на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов таких, как левополушарные альфа- и тета-ритмы с помощью блока 4 фильтрации первично обработанных сигналов. Последующее определение состояния усталости или бодрости производят путем определения коррелята состояния усталости или бодрости посредством блока 5 определения состояния усталости или бодрости, сконфигурированного для определения отношения альфа-ритмов к тета-ритмам, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора усталости или бодрости и глобального среднего индикатора усталости или бодрости, определения границы состояния и выхода за нее.To determine the state of fatigue or vigor, the signal is checked for the presence of interference and the aggregation of primary transformed signals such as left hemispheric alpha and theta rhythms using the
Для определения состояния концентрации осуществляют проверку сигнала на наличие помех и агрегацию первично преобразованных сигналов таких, как левополушарные бета-ритмы, с помощью блока 4 фильтрации первично обработанных сигналов. Последующее определение состояния концентрации производят путем определения коррелята состояния концентрации посредством блока 5 определения состояния концентрации, сконфигурированного для выполнения суммирования фронтальной и височной бета активности, усреднения суммы отведений по скользящему окну, определения стандартного отклонения индикатора концентрации и глобального среднего индикатора концентрации, определения границы состояния и выхода за нее.To determine the state of concentration, the signal is checked for the presence of interference and the aggregation of the primary transformed signals, such as left hemispheric beta rhythms, using the
Для определения ресурсного состояния посредством блока 5 определения ресурсного состояния также выполняют нормирование значения каждого параметра, определение промежуточного значения ресурсного состояния, нормирование промежуточного значения ресурсного состояния, определение ресурсного состояния.To determine the resource state through the
При необходимости после определения по меньшей мере одного заданного состояния и перед выводом полученных данных определяют границы нормального состояния для данного пользователя 1 путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя 1 с помощью блока 7 персонализации состояния. А после определения границ нормального состояния для данного пользователя 1 путем статистического анализа исторических значений по состоянию пользователя и перед выводом полученных данных определяют нахождение пользователя 1 в заданном состоянии с помощью блока 8 фиксации отклонения от нормального состояния пользователя 1.If necessary, after determining at least one predetermined state and before outputting the obtained data, the boundaries of the normal state for this
Конечный вывод данных осуществляют путем предоставления пользователю 1 полученных результатов с помощью блока 6 вывода данных, также могут быть предоставлены рекомендации.The final output of the data is carried out by providing the
Для перехода в желаемое состояние могут быть использованы рекомендации трех типов:Three types of recommendations can be used to move to the desired state:
1. Рекомендации для пользователей, уверенно владеющих психонетическими практиками;1. Recommendations for users who are confident in psychonetic practices;
2. Рекомендации, содержащие более подробную последовательность действий;2. Recommendations containing a more detailed sequence of actions;
3. Рекомендации, не связанные с психотехниками и работой с эйдограммами.3. Recommendations not related to psychotechnics and work with eidograms.
Рекомендации на основе психонетических практик требуют ознакомления с базовыми психонетическими практиками, освоение которых поможет пользователю превратить свое внимание в гибкий инструмент в первую очередь для максимально эффективного перехода из нежелательных состояний в необходимое.Recommendations based on psychonetic practices require familiarization with basic psychonetic practices, mastering which will help the user to turn their attention into a flexible tool, first of all, for the most effective transition from undesirable states to the necessary.
Для выхода из состояния монотонии:To get out of a state of monotony:
1. Глубоко подышите в течение нескольких минут. На вдохе - представьте, как через макушку головы в Ваше тело проникает поток энергии, распространяется по позвоночнику до низа живота. Задержите дыхание на пять секунд. А на выдохе представьте, как этот поток распространяется по всему телу. Совместите дыхание с прогулкой на свежем воздухе в течение 10-15-ти минут.1. Breathe deeply for a few minutes. As you inhale, imagine how a stream of energy enters your body through the crown of your head, spreads along the spine to the lower abdomen. Hold your breath for five seconds. As you exhale, imagine how this flow spreads throughout the body. Combine breathing with a walk in the fresh air for 10-15 minutes.
2. Разогрейте руки потерев их друг о друга. Затем помассируйте уши (мочки, козелки, внутреннюю часть) в течение 3-5-ти минут. Резко сжимайте и разжимайте кулаки. Помассируйте точку в углублении основания большого и указательного пальцев.2. Warm up your hands by rubbing them together. Then massage the ears (lobes, tragus, inner part) for 3-5 minutes. Clench and unclench your fists sharply. Massage a point in the groove of the base of your thumb and forefinger.
3. Дайте Вашему телу интенсивную физическую нагрузку в виде 10-ти минутного бега или других возможных, знакомых, подходящих лично Вам физических упражнений.3. Give your body an intense physical activity in the form of a 10-minute jog or other possible, familiar, suitable physical exercise for you personally.
4. Отвлекитесь минут на 15-20 на любимое дело, которое всегда вызывает у Вас интерес. Вы вовлечетесь в интенсивный процесс и сможете перенести эту энергию на дальнейшую работу.4. Get distracted for 15-20 minutes on your favorite activity, which always arouses your interest. You will be involved in an intense process and will be able to transfer this energy to further work.
Для выхода из состояния когнитивной нагрузки:To recover from a state of cognitive load:
1. Устройте 10-ти минутный активный отдых. Вспомните самые простые упражнения из школьных уроков по физкультуре и проделайте их. Сделайте 20 приседаний и/или отжиманий. Устройте пробежку. Активные движения помогут вернуться в активное состояние. После выполнения упражнений вернитесь к работе с информацией, вызвавшей когнитивную перегрузку1. Have a 10 minute active rest. Remember the simplest exercises from school physical education lessons and do them. Do 20 squats and / or push-ups. Take a run. Active movement will help you return to an active state. After completing the exercises, return to the information that caused the cognitive overload.
2. Постарайтесь разделить поступающую информацию на меньшие структурные элементы, а затем последовательно проследить связи элементов друг с другом.2. Try to divide the incoming information into smaller structural elements, and then consistently trace the connections of the elements with each other.
3. Попробуйте нарисовать схему, отображающее ваше понимание ситуации, вызвавшей когнитивную перегрузку. Элементами схемы могут стать, к примеру, функциональные части рассматриваемого вами объекта.3. Try to draw a diagram representing your understanding of the situation that caused the cognitive overload. The elements of the circuit can be, for example, the functional parts of the object you are considering.
Для выхода из состояния перенапряжения/стресса:To recover from overvoltage / stress:
1. Закройте глаза. Переведите внимание в тело. Почувствуйте, в каких местах у Вас накопилось напряжение и распространите внимание от этой части тела по всему его объему. При этом представьте себе теплый поток, который смывает Ваше напряжение.1. Close your eyes. Bring your attention to the body. Feel where you have accumulated tension and spread your attention from this part of the body throughout its entire volume. At the same time, imagine a warm stream that washes away your stress.
2. Глубоко подышите в течение нескольких минут. На вдохе – представьте, как через макушку головы в Ваше тело проникает поток энергии, распространяется по позвоночнику до низа живота. Задержите дыхание на пять секунд. А на выдохе представьте, как этот поток уносит от Вас все раздражение и напряжение.2. Breathe deeply for a few minutes. As you inhale, imagine how a stream of energy enters your body through the crown of your head, spreads along the spine to the lower abdomen. Hold your breath for five seconds. And as you exhale, imagine how this stream takes away all irritation and tension from you.
3. Проветритесь на свежем воздухе - выйдите на балкон или прогуляйтесь по улице в течение 10-15 минут.3. Get some fresh air - go to the balcony or walk along the street for 10-15 minutes.
4. Попробуйте сопровождать описанные действия успокаивающей музыкой - той, которую Вы любите, или включите ее отдельно, концентрируя внимание лишь на ней.4. Try to accompany the described actions with soothing music - the one that you love, or turn it on separately, concentrating only on it.
Для выхода из состояния усталости:To get out of a state of fatigue:
1. Примите контрастный душ. Если такой возможности нет, то умойтесь холодной водой - это снимет напряжение с мышц лица и улучшит кровообращение. 1. Take a contrast shower. If this is not possible, then wash yourself with cold water - this will relieve tension from the muscles of the face and improve blood circulation.
2. Физическая нагрузка в течение 10-15-ти минут улучшит циркуляцию крови в организме и снимет усталость. Используйте пробежку, приседания или любые другие физические упражнения, которые подходят лично Вам.2. Exercise for 10-15 minutes will improve blood circulation in the body and relieve fatigue. Use a jog, squat, or any other exercise that suits you.
3. Хорошо помогает взбодриться и отвлечься от усталости - смех. Включите смешные ролики в интернете или почитайте анекдоты.3. It helps to cheer up and distract from fatigue - laughter. Play funny videos on the Internet or read anecdotes.
4. Можно пойти в обратном направлении и позволить себя полежать, расслабившись и закрыв глаза в течение 15-20-ти минут.4. You can go in the opposite direction and let yourself lie down, relaxing and closing your eyes for 15-20 minutes.
Система и способ могут быть реализованы на базе персонального компьютера и могут быть использованы в любой области и при любом виде деятельности, основной задачей является выявление негативного состояния и информирование о нем пользователя для принятия своевременных мер с целью повышения производительности труда или эффективности обучения.The system and method can be implemented on the basis of a personal computer and can be used in any field and in any type of activity, the main task is to identify a negative state and inform the user about it in order to take timely measures in order to increase labor productivity or training efficiency.
Примеры применения способа и системы.Examples of application of the method and system.
1. Для оценки состояния увлеченности или монотонии, стресса и концентрации и ресурсного состояния, в целом.1. To assess the state of enthusiasm or monotony, stress and concentration and resource state in general.
В детском лагере было проведено пилотное исследование возможностей нейротехнологий по оценке реакции на различные методики преподавания и курсы.In the children's camp, a pilot study was carried out on the possibilities of neurotechnology to assess the response to various teaching methods and courses.
Пилотное исследование включало в себя мониторинг ресурсного состояния детей в разрезе трех состояний: The pilot study included monitoring the resource state of children in the context of three conditions:
1. Стресс. Свидетельствует о негативном эмоциональном фоне.1. Stress. Indicates a negative emotional background.
2. Увлеченность. Свидетельствует об интересе к выполняемой задаче.2. Passion. Indicates interest in the task at hand.
3. Концентрация. Свидетельствует о повышенном расходе нейронных ресурсов для выполнения задачи.3. Concentration. Indicates an increased consumption of neural resources to complete the task.
На основании этих критериев был вычислен Индекс ресурсного состояния (ИРС), отражающий психофизиологический баланс в процессе деятельности. ИРС позволяет провести быструю оценку того, оказывает ли активность положительное влияние на состояние детей. Чем выше ИРС, тем больший положительный эффект получает ребенок от занятия.Based on these criteria, the Resource State Index (IRS) was calculated, reflecting the psychophysiological balance in the process of activity. IRS allows a quick assessment of whether activity has a positive effect on the well-being of children. The higher the IRS, the greater the positive effect the child receives from the lesson.
В оценке приняли участие 48 детей, посещающих три вида студий:The assessment involved 48 children attending three types of studios:
- «Керамика»- "Ceramics"
- «Ракетостроение»- "Rocket Engineering"
- «Фортепиано»- "Piano"
У 7 детей собранные данные не обладают достаточной информативностью из-за особенностей возрастных изменений формы черепа, либо слишком малого времени участия в исследовании. Их данные не были включены в анализ.In 7 children, the data collected are not sufficiently informative due to the peculiarities of age-related changes in the shape of the skull, or too little time for participation in the study. Their data were not included in the analysis.
На Фиг. 35-37 приведены результаты оценки усредненного состояния для студий ракетостроения, фортепиано, керамики, соответственно.FIG. 35-37 show the results of evaluating the averaged state for rocket science studios, piano, ceramics, respectively.
На Фиг. 38, 39 приведены результаты сравнительного анализа среднего состояния учеников за все время студии.FIG. 38, 39 show the results of a comparative analysis of the average state of students for the entire time of the studio.
Ед.изм. - % времени, проведенного в каждом состоянии относительно времени замераUnit. -% of time spent in each state relative to the time taken
Выводы по исследованию:Study Conclusions:
1. Каждый из измеряемых показателей состояния находится в сильной зависимости от студии, которую посещает ребенок. Разницу между студиями нельзя объяснить различиями в возрасте детей, гендерными различиями или временем проведения занятия. Среди зафиксированных паттернов состояний нет ни одного участника, у которого встречается равномерно сниженные показатели стресса, увлеченности, концентрации. Это свидетельствует о том, что у дети активно включены в образовательный процесс. Им может не нравиться происходящее на студии (это соответствует высоким показатели стресса), но процесс обучения им не безразличен.1. Each of the measured indicators of the state is highly dependent on the studio that the child attends. The difference between the studios cannot be explained by differences in the age of the children, gender differences, or the time of the class. Among the fixed patterns of states, there is not a single participant who has uniformly reduced indicators of stress, enthusiasm, and concentration. This indicates that children are actively involved in the educational process. They may not like what is happening in the studio (this corresponds to high stress levels), but they are not indifferent to the learning process.
2. Наилучший паттерн («поток» -преобладание увлеченности и концентрации при низком стрессе) состояний наблюдается у всех участников студии «Фортепиано». Вероятнее всего такой результат возникает из-за сочетании двух основных факторов - грамотного чередования разнородной активности (самостоятельной игры на инструменте, хорового пения) и положительного эффекта, который музыка оказывает на мозг ученика. Второй фактор можно использовать для улучшения образовательной динамики остальных студий, внедряя легкую фоновую расслабляющую музыку.2. The best pattern ("flow" - the predominance of enthusiasm and concentration with low stress) of states is observed in all participants of the "Piano" studio. Most likely, this result arises from a combination of two main factors - the competent alternation of heterogeneous activity (independent playing the instrument, choral singing) and the positive effect that music has on the student's brain. The second factor can be used to improve the educational dynamics of other studios by introducing light background relaxing music.
3. Интересной является разница в пении и игре на инструменте: хоровое пение показывает тенденцию к снижению концентрации и повышению стресса участников. Это можно интерпретировать таким образом, что пение является менее когнитивно-сложной активностью, но при этом воспринимается как более социально ответственная деятельность. 3. The difference between singing and playing an instrument is interesting: choral singing shows a tendency towards decreased concentration and increased stress among participants. This can be interpreted in such a way that singing is a less cognitively difficult activity, but at the same time it is perceived as a more socially responsible activity.
4. Наиболее низкий ИРС наблюдается на студии «Ракетостроение». Скорее всего, это вызвано использованием на занятиях формата викторины, которая оказалась слишком сложна для большинства детей, что, в свою очередь, вызвало сильное повышение показателей стресса.4. The lowest IRS is observed at the Raketostroenie studio. This is most likely due to the use of the quiz format in the classroom, which turned out to be too difficult for most children, which, in turn, caused a strong increase in stress indicators.
5. Формат предъявление образовательной видеозаписи оказывает положительное воздействие на концентрацию и увлеченность участников, но эффект длится недолго – спустя 3-4 минуты просмотра состояние участников нормализуется. Наилучшие состояние детей наблюдается при выполнении ручных действий - складывание ракеты-оригами. Благодаря этому можно предположить, что на более практически-ориентированных занятиях (сборка модели ракеты) состояние детей показывало бы паттерн состояния «потока».5. The format of presentation of educational video has a positive effect on the concentration and enthusiasm of the participants, but the effect does not last long - after 3-4 minutes of viewing the condition of the participants returns to normal. The best condition for children is observed when performing manual actions - folding the origami rocket. Because of this, it can be assumed that in more practice-oriented activities (assembling the rocket model), the state of the children would show the pattern of the "flow" state.
6. Занятия на студии «Керамика» показывают паттерн состояния «потока» на большей части занятия, однако к концу занятия наблюдается спад показателей и повышение уровня стресса. Скорее всего это вызвано накоплением усталости от ручного занятия и обнаружением ошибок в сделанных изделиях. Возможно, оправдано сделать небольшое переключение (5-7 минут) во второй половине занятия на альтернативную творческую активность, не связанную с ручным трудом. Это позволит поддерживать высокий уровень концентрации детей.6. Classes at the studio "Ceramics" show a pattern of the state of "flow" for most of the session, however, by the end of the session, there is a decline in indicators and an increase in the level of stress. This is most likely due to the accumulation of manual fatigue and the detection of errors in the products made. It may be justified to make a small switch (5-7 minutes) in the second half of the lesson to an alternative creative activity not related to manual labor. This will maintain a high level of concentration in children.
Эти данные могут быть использованы при построении более эффективного учебного процесса.This data can be used to build a more effective educational process.
2. Примером применения системы является получение преподавателем уведомлений о превышении студентами-математиками показателей когнитивной нагрузки при освоении тем из линейной алгебры. Получение подобных уведомлений является поводом для повторного объяснения участка, вызвавшего затруднения, либо организации краткосрочного перерыва. Использование своевременных рекомендаций позволяет повысить усвояемость учебного материала, что приводит к повышению оценок за промежуточное тестирование на 0.27. Результаты исследования, в котором приняли участие 34 студента, приведены на Фиг. 40.2. An example of the application of the system is the receipt by a teacher of notifications about exceeding of cognitive load indicators by mathematicians when mastering topics from linear algebra. Receiving such notifications is a reason for re-explaining the area that caused the difficulty, or organizing a short-term break. The use of timely recommendations makes it possible to increase the assimilation of the educational material, which leads to an increase in the marks for intermediate testing by 0.27. The results of the study, which involved 34 students, are shown in FIG. 40.
3. При определении состояния стресса. Проведение оценки 5 различных видеороликов с рекламным содержанием на 3х пользователях на предмет обнаружения повышенной эмоциональной реакции для последующей корректировки рекламного предложения. Статистические результаты измерений ЭДА представлены на Фиг. 41-43.3. When determining the state of stress. Evaluation of 5 different videos with advertising content on 3 users in order to detect increased emotional reaction for subsequent adjustment of the advertising offer. The statistical results of the EDA measurements are presented in FIG. 41-43.
Результаты изменения показателя асимметрии полушарий в альфа-диапазоне частот представлены на Фиг. 44. Рост графика означает более выраженное преобладание правополушарной активности.The results of changes in the index of asymmetry of the hemispheres in the alpha frequency range are presented in Fig. 44. The growth of the graph means a more pronounced predominance of the right hemisphere activity.
Результаты изменения показателя электродермальной активности представлены на Фиг. 45. Рост графика означает более высокую электродермальную активность и более выраженную эмоциональную реакцию.The results of the change in the index of electrodermal activity are shown in FIG. 45. A higher graph means higher electrodermal activity and a more pronounced emotional response.
4. Примером сценария применения системы является задача контроля усталости и засыпания у водителей. При срабатывании триггера «Усталость» водитель получает громкое уведомление с рекомендацией сделать остановку для нормализации состояния, что положительно сказывается на снижении аварийности на дороге. Проблема является актуальной, так как согласно исследованиям Ford 32% российских водителей хотя бы раз засыпали за рулем.4. An example of a scenario for the application of the system is the task of controlling drivers' fatigue and falling asleep. When the “Fatigue” trigger is triggered, the driver receives a loud notification with a recommendation to make a stop to normalize the condition, which has a positive effect on reducing accidents on the road. The problem is urgent, since according to Ford research, 32% of Russian drivers have fallen asleep while driving at least once.
Claims (20)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107539A RU2740256C1 (en) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107539A RU2740256C1 (en) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2740256C1 true RU2740256C1 (en) | 2021-01-12 |
Family
ID=74184090
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020107539A RU2740256C1 (en) | 2020-02-19 | 2020-02-19 | System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2740256C1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2769061C1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-03-28 | Мария Анатольевна Дремина | Method for teaching skills of self-correction of states of psychophysical discomfort |
RU2785268C1 (en) * | 2021-06-10 | 2022-12-05 | Александр Валентинович Вартанов | Method for studying brain activity according to scalp electroentephalogram data |
CN115886812A (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | 中国安全生产科学研究院 | Staff mental health assessment and guidance system |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008091323A1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-31 | Neurosky, Inc. | A method and apparatus for quantitatively evaluating mental states based on brain wave signal processing system |
RU2010122123A (en) * | 2010-05-31 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный медицинский унив | METHOD FOR FORECASTING PSYCHOEMOTIONAL STATUS OF PATIENTS AT DENTAL RECEPTION AND POSSIBILITY OF CORRECTION |
US20140316230A1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-10-23 | Personal Neuro Devices Inc. | Methods and devices for brain activity monitoring supporting mental state development and training |
AU2016205850A1 (en) * | 2015-01-06 | 2017-07-27 | David Burton | Mobile wearable monitoring systems |
US20190328306A1 (en) * | 2018-04-26 | 2019-10-31 | The Penn State Research Foundation | Biological marker and methods |
-
2020
- 2020-02-19 RU RU2020107539A patent/RU2740256C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008091323A1 (en) * | 2007-01-22 | 2008-07-31 | Neurosky, Inc. | A method and apparatus for quantitatively evaluating mental states based on brain wave signal processing system |
RU2010122123A (en) * | 2010-05-31 | 2011-12-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный медицинский унив | METHOD FOR FORECASTING PSYCHOEMOTIONAL STATUS OF PATIENTS AT DENTAL RECEPTION AND POSSIBILITY OF CORRECTION |
US20140316230A1 (en) * | 2013-04-22 | 2014-10-23 | Personal Neuro Devices Inc. | Methods and devices for brain activity monitoring supporting mental state development and training |
AU2016205850A1 (en) * | 2015-01-06 | 2017-07-27 | David Burton | Mobile wearable monitoring systems |
US20190328306A1 (en) * | 2018-04-26 | 2019-10-31 | The Penn State Research Foundation | Biological marker and methods |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
ЛАКТИОНОВА О.И., ЭЭГ - КОРРЕЛЯТЫ ПСИХИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И СОСТОЯНИЙ ЧЕЛОВЕКА, ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ, 2014 г., 36-37. * |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2769061C1 (en) * | 2021-05-27 | 2022-03-28 | Мария Анатольевна Дремина | Method for teaching skills of self-correction of states of psychophysical discomfort |
RU2785268C1 (en) * | 2021-06-10 | 2022-12-05 | Александр Валентинович Вартанов | Method for studying brain activity according to scalp electroentephalogram data |
CN115886812A (en) * | 2022-09-30 | 2023-04-04 | 中国安全生产科学研究院 | Staff mental health assessment and guidance system |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11974851B2 (en) | Systems and methods for analyzing brain activity and applications thereof | |
Wiederhold et al. | An investigation into physiological responses in virtual environments: an objective measurement of presence | |
US12076570B2 (en) | Systems and methods for cooperative invasive and noninvasive brain stimulation | |
Demos | Getting started with neurofeedback | |
US20190008436A1 (en) | Method and system for monitoring and improving attention | |
Demos | Getting started with EEG neurofeedback | |
Bier et al. | How to measure monotony-related fatigue? A systematic review of fatigue measurement methods for use on driving tests | |
RU2736804C1 (en) | System and method of determining resource state based on biometric eeg signal | |
RU2736710C1 (en) | System and method of determining state of fatigue or vivness based on biometric eeg signal | |
RU2736711C1 (en) | System and method for determining state of stress based on biometric eeg signal | |
RU2740256C1 (en) | System and method for determining psychoemotional states based on biometric eeg signal | |
RU2736709C1 (en) | System and method for determining state of cognitive load based on biometric eeg signal | |
De la Vega et al. | Impact of weekly physical activity on stress response: an experimental study | |
Guðmundsdóttir | Improving players' control over the NeuroSky brain-computer interface | |
Crameri et al. | Effects of dynamic resilience on the reactivity of vagally mediated heart rate variability | |
Christie | Multivariate discrimination of emotion-specific autonomic nervous system activity | |
RU2736397C1 (en) | System and method for determining state of stress based on biometric eeg signal and electrodermal activity | |
Chow | Mindfulness meditation versus EEG-alpha neurofeedback: The role of EEG-alpha enhancement in attentional control | |
Bruce | The Effect of Physical Activity on Mental Fatigue Measured by Eeg and Self-Reported Responses in Healthy, Active Individuals | |
CHATTHONG | INVESTIGATION ON QEEG ANALYSIS FOR EVALUATING THE MULTIPLE INTELLIGENCES OF ADHD | |
da Silveira | Validation of fNIRS System as a Technique to Monitor Cognitive Workload | |
Bitner Cumagai et al. | Can EEG-devices differentiate attention values between incorrect and correct solutions for problem-solving tasks? | |
Floreani | A Novel Near-infrared Spectroscopy Brain-computer Interface for the Detection of Emotional Valence in Children | |
Payne | Skin conductance response as a marker of intuitive decision making in nursing | |
ATTARD TREVISAN | NOVEL COMPUTATIONAL ELECTROENCEPHALOGRAPHIC (EEG) METHODOLOGIES FOR AUTISM MANAGEMENT AND EPILEPTIC SEIZURE PREDICTION |