[论文解读] Understanding EEG signals for subject-wise Definition of Armoni Activities

Kislay Raj, Aditya Singh+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 3, 2023

EEG and Brain-Computer Interfaces被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于EEG反馈的闭环认知刺激系统，通过Armoni平台实现对智力障碍（ID）个体的个性化训练。通过分析活动期间左右半球γ波的变化，确定神经主导性和参与度，从而根据实时脑信号响应动态调整训练——在六名受试者中验证了活动选择准确性的提升。

ABSTRACT

In a growing world of technology, psychological disorders became a challenge to be solved. The methods used for cognitive stimulation are very conventional and based on one-way communication, which only relies on the material or method used for training of an individual. It doesn't use any kind of feedback from the individual to analyze the progress of the training process. We have proposed a closed-loop methodology to improve the cognitive state of a person with ID (Intellectual disability). We have used a platform named 'Armoni', for providing training to the intellectually disabled individuals. The learning is performed in a closed-loop by using feedback in the form of change in affective state. For feedback to the Armoni, an EEG (Electroencephalograph) headband is used. All the changes in EEG are observed and classified against the change in the mean and standard deviation value of all frequency bands of signal. This comparison is being helpful in defining every activity with respect to change in brain signals. In this paper, we have discussed the process of treatment of EEG signal and its definition against the different activities of Armoni. We have tested it on 6 different systems with different age groups and cognitive levels.

研究动机与目标

• 解决传统认知刺激疗法中缺乏实时反馈的问题，针对智力障碍（ID）个体。
• 开发一种闭环系统，利用EEG信号评估训练过程中神经参与度和情绪反应。
• 基于实时EEG反馈和脑信号变化，动态选择下一训练活动，实现个性化训练。
• 在不同认知水平和年龄组的多样化受试者中验证该方法的有效性。

提出的方法

• 从四个电极（TP9、AF7、AF8、TP10）采集Armoni训练活动期间的EEG信号，并通过FFT将时域信号转换为频域信号。
• 将频域信号划分为五个频段：δ波、θ波、α波、β波和γ波，每个频段对应不同的心理状态。
• 通过计算γ波变化Δγ = γ_training − γ_talking，评估每侧半球的神经主导性和训练影响。
• 通过比较训练期间与基线说话期间的γ波总和（左侧：γ_AF7+γ_TP9；右侧：γ_AF8+γ_TP10），确定半球主导性。
• 通过比较不同活动的γ波变化，判断训练是否具有神经主导性（Δγ > 0）或非主导性（Δγ < 0）。
• 系统利用此反馈推荐下一最佳训练活动，实现实时训练过程动态调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用EEG信号检测智力障碍个体在认知训练期间神经参与度的实时变化？
• RQ2 γ波活动在确定Armoni训练活动中半球主导性和认知负荷方面发挥什么作用？
• RQ3 基于EEG的反馈能否提升不同认知能力个体的认知刺激个性化与有效性？
• RQ4 不同Armoni活动（如拼图、记忆、绘画）如何影响受试者脑信号模式和神经主导性？

主要发现

• 该方法成功通过γ波比较在6名受试者中识别出半球主导性，其中在记忆和拼图任务中，4名受试者表现出左半球主导。
• 在6名受试者中的5名中记录到正向γ波变化（Δγ > 0），表明神经参与度提升，且训练活动在神经上主导于基线说话状态。
• 系统检测到，对左半球主导的受试者，记忆活动对言语记忆和视觉感知有更强影响；而对右半球主导的受试者，拼图任务则更显著地激活视觉建构与理解能力。
• 在6名受试者中的4名中，训练活动表现出神经主导性（正向Δγ），表明认知刺激有效。
• 分析显示，同一活动（如记忆）在不同个体中可能引发不同的神经反应，凸显个性化反馈的必要性。
• 闭环反馈机制可根据EEG反应实现动态活动选择，证明了在认知训练中实现实时个性化的可行性。