Mind Tracker: эффективность портативного электроэнцефалографа

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:

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.

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.

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 было 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.

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.

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