Недавно группа российских ученых провела серию экспериментов и опубликовала научную статью. Если коротко, то наш майнд-трекер чуть хуже медицинского оборудования… Но по остальным показателям на высоте! Адаптировали для вас научный труд, чтобы вы все поняли.
В этом исследовании ученые решили сопоставить два потребительских устройства с сухими электродами (Neiry Headband, Muse Headband) и стандартный медицинский электроэнцефалограф NVX с гелевыми электродами. Исследователи установили три показателя качества сигнала.
Отличия в технологии электродов, разумеется, учитывались. Никто из исследователей не ожидал от потребительских устройств точности настоящего электроэнцефалографа. Однако все по порядку.
- Увеличение мощности альфа-ритма в условиях, когда глаза респондентов были закрыты, по сравнению с условием «глаза открыты».
- Соответствие мощности в стандартных частотных диапазонах потребительских устройств показателям медицинского оборудования.
- Корреляция показателей спектральной мощности между устройствами. То есть насколько близко частотные характеристики одного устройства соответствуют частотным характеристикам другого устройства.
Отличия в технологии электродов, разумеется, учитывались. Никто из исследователей не ожидал от потребительских устройств точности настоящего электроэнцефалографа. Однако все по порядку.
Про электроды
Существуют два основных типа электродов: гелевые и сухие. Гелевые электроды используются вместе со специальным гелем для улучшения проводимости между кожей и самим электродом. Проводящая среда обеспечивает отличное качество сигнала. Сухие электроды превосходят своих гелевых «соперников» в плане удобства. Они легко и быстро надеваются, поэтому подходят для моментального анализа ЭЭГ или долгосрочного мониторинга в различных условиях: например, во время работы или в процессе медитации. Последние инновации в технологии сухих электродов привели к созданию моделей с улучшенными проводящими свойствами. Появились покрытия из материалов, которые существенно влияют на качество сигнала.
Чтобы оценить потенциальные преимущества сухих электродов при использовании «в быту», а также их качества по сравнению с гелевым аналогом, ученые решили провести исследование.
Про исследование
Ученые хотели понять, насколько хорошо каждое устройство записывает активность мозга на разных частотах: от медленных дельта-ритмов, связанных с глубоким расслаблением, до быстрых гамма-ритмов. Для этого они пригласили 11 здоровых добровольцев — 5 мужчин, 6 женщин в возрасте до 27 лет.
Во время эксперимента участники разместились в креслах и проходили два этапа записи ЭЭГ. Первый этап включал в себя пятиминутную сессию, во время которой испытуемые сидели с открытыми глазами. За ней следовала дополнительная пятиминутная сессия, но уже с закрытыми глазами. Записи ученые получали с помощью трех различных устройств в следующей последовательности.
Neiry Headband (Neiry LLC, Россия) — мягкая повязка на голову с четырьмя сухими электродами и 25 пружинными разъемами в каждом. Референтные электроды — для сравнения сигналов от других электродов — на ней расположены спереди.
Muse Headband (InterAxon LLC, Канада) — повязка на голову с пятью сухими электродами, один из которых является референтным.
Усилитель NVX-36 (Медицинские компьютерные системы ООО, Россия) с электродами на геле Ag/Cl. Расположение ссылочных и заземляющих электродов в NVX повторяет их расположение в Neiry Headband.
Muse Headband (InterAxon LLC, Канада) — повязка на голову с пятью сухими электродами, один из которых является референтным.
Усилитель NVX-36 (Медицинские компьютерные системы ООО, Россия) с электродами на геле Ag/Cl. Расположение ссылочных и заземляющих электродов в NVX повторяет их расположение в Neiry Headband.
Про результаты
Все три устройства подтверждают известный факт о том, что мощность альфа-активности обычно увеличивается, когда глаза закрыты. Это указывает на то, что устройства работают корректно в альфа-диапазоне, правда с разной степенью эффективности. Neiry Headband и система NVX показали статистически значимое увеличение альфа-активности при закрытых глазах, что подчеркивает их надежность и точность в этом частотном диапазоне.
На рисунке 1 представлены 10-секундные образцы данных ЭЭГ в состоянии покоя для одного субъекта в условиях открытых и закрытых глаз. Данные получены с трех различных устройств. При визуальном осмотре наличие альфа-волн очевидно в условиях закрытых глаз для всех трех устройств. Однако для записей Muse (рис. 1, 3.b) эти альфа-волны имеют более низкую амплитуду по сравнению с другими устройствами.
* Фиолетовые овалы обозначают типичные артефакты мигания глаз.
* Фиолетовые овалы обозначают типичные артефакты мигания глаз.
На рисунке показано, насколько похожи данные, собранные с трех устройств. Соответствие оценивалось через корреляцию средних логарифмических значений мощности спектральной плотности в различных частотных диапазонах.
Корреляционный анализ показал, что на всех диапазонах частот сигналы ЭЭГ от Neiry Headband лучше соответствовали стандартным записям ЭЭГ, полученным с NVX, чем тем, что были получено с Muse. Кроме того, корреляции между NVX и Muse были слабее, чем корреляции между Neiry Headband и NVX.
Neiry Headband эффективно работает с низкочастотными сигналами и хорошо отслеживает изменения в тета-, альфа- и бета-диапазонах. Это может быть полезно для мониторинга таких состояния сознания, как релаксация или медитация.
Neiry Headband эффективно работает с низкочастотными сигналами и хорошо отслеживает изменения в тета-, альфа- и бета-диапазонах. Это может быть полезно для мониторинга таких состояния сознания, как релаксация или медитация.
Эта таблица сравнивает, насколько хорошо три разных устройства подходят для измерения мозговой активности, когда они работают в разных частотных диапазонах (дельта, тета, альфа и так далее). Коэффициент корреляции Пирсона, обозначаемый как r, где 86 — это степень свободы, измеряет, насколько сильно связаны две переменные. Этот показатель варьируется от -1 до 1. Чем ближе значение к 1 или -1, тем сильнее связь. Если значение близко к 0, связь слабая. Показатель p — это способ измерить, насколько вероятно то, что различия между группами случайны. Если p меньше 0,05 (или 5%), это обычно считается «хорошим» результатом, говорящим о том, что различия действительно есть и они не случайны.
- Neiry Headband VS NVX: коэффициенты корреляции высоки и статистически значимы (p < 0,001) во всех частотных диапазонах. Это указывает на высокую степень совпадения между этими двумя устройствами.
- Neiry Headband VS Muse: коэффициенты корреляции значительно ниже по сравнению Neiry и NVX, хотя большинство из них статистически значимы. Это указывает на меньшую степень совпадения между Neiry и Muse.
- NVX VS Muse: коэффициенты корреляции варьируются и в большинстве случаев статистически значимы, но они ниже, чем в паре Neiry и NVX. В частности, в дельта- и тета-диапазонах корреляция находится на уровне около 0,2 и 0,225 соответственно, что не говорит о высоком уровне совпадения.
Выводы
Результаты исследования показывают, что устройство с сухими электродами Neiry Headband подходит для использования в личных и потребительских целях. Электроды майнд-трекера расположены в тех зонах мозга, в которых принято измерять активность ритмов при стандартной процедуре снятия ЭЭГ, что также повышает точность устройства. Анализ корреляции показал, что данные, полученные с помощью Neiry Headband во всех частотных диапазонах, точнее совпадают с данными NVX по сравнению с теми, что получены с Muse Headband. Из этого следует: технология сухих электродов от Neiry обеспечивает высокую степень совпадения со стандартными медицинскими измерениями.
Авторы исследования рекомендуют использовать корреляционный анализ в качестве основного метода оценки эффективности потребительских систем для электроэнцефалографии. Чем больше точность совпадения данных «карманной» ЭЭГ-системы с медицинскими стандартами, тем выше надежность и эффективность самой системы.
Авторы исследования рекомендуют использовать корреляционный анализ в качестве основного метода оценки эффективности потребительских систем для электроэнцефалографии. Чем больше точность совпадения данных «карманной» ЭЭГ-системы с медицинскими стандартами, тем выше надежность и эффективность самой системы.
Исследование проводили
Дария Клеева, Иван Ниненко, Михаил Лебедев
Научные организации, принимавшие участие
Центр по нейробиологии и реабилитации мозга им. Владимира Зельмана, Научно-технический институт Сколково, Москва, Россия
Институт когнитивной нейронауки, НИУ ВШЭ, Москва, Россия
Институт искусственного интеллекта МГУ, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Факультет механики и математики, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова, Санкт-Петербург, Россия
Дария Клеева, Иван Ниненко, Михаил Лебедев
Научные организации, принимавшие участие
Центр по нейробиологии и реабилитации мозга им. Владимира Зельмана, Научно-технический институт Сколково, Москва, Россия
Институт когнитивной нейронауки, НИУ ВШЭ, Москва, Россия
Институт искусственного интеллекта МГУ, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Факультет механики и математики, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова, Москва, Россия
Институт эволюционной физиологии и биохимии им. И. М. Сеченова, Санкт-Петербург, Россия