Способ определения уровня концентрации внимания по временным данным электроэнцефалограмм

Изобретение относится к цифровой обработке и анализа данных и предназначено для обработки многоканальных электроэнцефалограмм (ЭЭГ) с целью определения уровня концентрации внимания. В частности, изобретение может быть эффективно использовано в решении различных психолого-медицинских задач. Например, в реализации системы высшего образования изобретение может использоваться в профориентационных тестированиях, как методика объективного определения способности человека сохранять концентрацию внимания. Подобные методики могут быть востребованы в рамках психологической помощи в постстрессорных расстройствах как дополнения, а в ряде случаев - и замены дорогостоящей и крайне длительной психотерапии. Также изобретение может быть полезно для разработки современных систем тренинга сохранения высокой работоспособности специалистов, задействованных в таких опасных и социально значимых отраслях, как пилотирование воздушных средств транспорта, обеспечение безопасности и т.д.

Уровень внимания является одной из наиболее важных характеристик когнитивных процессов мозга. От текущего уровня внимания во многом зависит успешность и эффективность операторской деятельности, в которой присутствует информационная нагрузка. Поэтому в условиях повышенной ответственности за результаты работы при высокой значимости ошибки необходимо учитывать уровень внимания. Так, например, при работе с электронными средствами обучения или при работе авиадиспетчеров высокий уровень непроизвольного внимания может привести к тому, что посторонние стимулы будут постоянно отвлекать от решаемой задачи, снижая продуктивность работы в целом. Поэтому важно, чтобы активация непроизвольного внимания была скомпенсирована высоким уровнем произвольного внимания, то есть умением концентрироваться на решаемой задаче. Таким образом, объективное определение уровня концентрации внимания является важной практической задачей.

При оценке уровня внимания обычно используют стандартные психологические тесты, в которых о различных характеристиках внимания судят по количеству ошибок распознавания последовательностей предъявляемых стимулов (Психологическое тестирование интенсивности и избирательности внимания http://www.effecton.ru/46.html. Психологическое тестирование интенсивности внимания http://www.effecton.ru/39.html, тест Горбова-Анфимова http://www.effecton.ru/161.html). Существенным недостатком данных тестов является их субъективность и неоднозначность интерпретации. Качество деятельности, оцениваемое в этих тестах, кроме уровня внимания зависит от множества иных факторов - навыка выполнения тестов, вербальных и арифметических навыков и т.п., что делает психологические тесты ненадежными при массовом применении.

Известен способ определения уровня внимания, в котором тест на внимание дополняют системой отслеживания взгляда (W0 2008129356). Устройство отслеживания взгляда и другие датчики собирают информацию о движении глаз и/или другие физиологические свойства, которые позволяют наблюдать и анализировать эмоциональное и визуальное внимание субъекта. Уровень концентрации внимания определяют по длительности фиксации взгляда на разных элементах предъявляемого изображения системой отслеживания движений глаз. Известно, что человек может останавливать взгляд на объекте без концентрации на нем. Такое событие будет обрабатываться системой, как ошибочное определение концентрации внимания, что является существенным недостатком данного способа.

Наиболее близким к заявляемому способу является "способ оценки уровня внимания оператора при компьютерном тестировании" (RU 2441585 С1) Оператору предъявляют тестовые задания на выполнение простой сенсомоторной реакции, отличающиеся между собой типом стимула и величиной межстимульного интервала. Вычисляют коэффициенты зависимости среднего времени реакции от межстимульного интервала. Оценку характеристик внимания делают по попаданию значений полученных коэффициентов в заданные интервалы. Недостатком данного метода является его сильная зависимость от скорости реакции на стимул, а также необходимость моторной реакции.

Для устранения указанных недостатков предлагается способ определения уровня концентрации внимания по временным данным электроэнцефалограмм. Описанные выше методики не позволяют детектировать активность мозга, отвечающую за способность концентрировать внимание.

Техническая проблема настоящего изобретения заключается в необходимости разработки универсального способа, позволяющего в режиме реального времени достоверно детектировать и интерпретировать характерные паттерны электрической активности головного мозга, связанные со способностью оператора концентрироваться на поставленной задаче.

Техническим результатом заявляемого способа определения уровня концентрации внимания по временным данным электроэнцефалограмм является возможность достоверного детектирования паттернов электрической активности головного мозга, связанных со способностью оператора концентрироваться на поставленной задаче, в режиме реального времени, а также оценка уровня концентрации оператора на решении когнитивных задач.

Предлагаемый способ поясняется чертежами: на Фиг. 1 изображена схематическая иллюстрация экспериментальной установки: записи ЭЭГ полученные с помощью электроэнцефалографического регистратора Encephalan-EEGR-19/26 (Medicom MTD, Россия); Записи доступны в режиме реального времени с помощью специальной библиотеки от MedicomMTD с частотой дискретизации 250 Гц. На Фиг. 2. (а) - изображены временные зависимости ЭЭГ, иллюстрирующие характерные изменения при предъявлении визуальных стимулов. Различные сегменты записи ЭЭГ обозначены I, II, III и соответствуют, интервалу времени в 1 сек, предшествующему представлению куба (до восприятия), интервалу 1 сек наблюдения куба (восприятия) и 1- сек после наблюдения куба (после восприятия). На Фиг. 2. (б) - Представлена контрольная характеристики, определяющая уровень концентрации внимания в реальном времени.

В качестве стимулов для определения концентрации внимания человека использованы так называемые неоднозначные изображения, например, кубы Неккера [W. , K. А. С. Martin, P. Are switches in perception of the Necker cube related to eye positio // European Journal of Neuroscience. 2004.Vol. 10. №20. P. 2811-2818.]. Куб Неккера с прозрачными гранями и видимыми ребрами воспринимается как трехмерный объект из-за определенного вида контрастности ребер. Бистабильность или неоднозначность восприятия заключается в интерпретации этого трехмерного объекта, ориентируемого на две разные стороны - влево или вправо. Авторами обнаружено, что мозг может обрабатывать визуальные стимулы подобного рода в двух различных сценариях. В первом сценарии восприятие характеризуется разрушением альфа-волн (8-12 Гц) и увеличением высокочастотного (бета) активность (20-30 Гц). Данный сценарий соответствует случаю, когда оператор сосредоточен на предъявляемом стимуле в виде неоднозначного изображения и распознает одно из его значений (в случае куба Нейкера - это ориентация вправо или лево). Во втором сценарии бета-ритм недостаточно выражен, а энергия альфа-волн остается неизменной. Этот сценарий соответствует случаю рассосредоточенности оператора на предъявляемом стимуле.

Операторам предъявляют изображения куба Неккера с различными контрастами граней на короткий период, каждый из которых длился от 1,0 до 1,5 секунд, и следующие за ними фоновые абстрактные изображения, отображаемые 5.0 секунд. Испытуемому дают указание мысленно интерпретировать проекции, наблюдаемой на каждой демонстрации. Использование фоновых изображений позволяет нейтрализовать возможные негативные вторичные эффекты, которые могут возникнуть после восприятия предыдущего изображения куба Неккера [Leopold DA, Wilke М, Maier А, Logothetis NK. Stable perception of visually ambiguous patterns. Nature Neuroscience 2002 Jun; 5(6):605{609.]. В это время с помощью датчиков регистрируют электрическую активность мозга (Фиг 1.).

В блоке частотно-временного анализ производят вейвлет преобразования (см. формула 1). Вейвлет-спектр сигналов ЭЭГ рассчитывают с использованием плавающего окна длиной 2 сек в диапазоне от 4 Гц до 30 Гц:

где n=1…N номер ЭЭГ канала (N=5 общее число каналов используемых для анализа).

Далее в блоке расчета контрольной характеристики каждое событие (см. Фиг. 2 (а)) анализируют отдельно в альфа- и бета-диапазонах частот на 1-секундном интервале перед предъявлением и в момент предъявления стимула. В момент предъявления стимула инициируют расчет. В результате этого рассчитываются значения A_I, А_II, B_I, В_II для каждого предъявления как:

где N=5 - количество каналов ЭЭГ, a - положение максимальной спектральной составляющей.

Далее полученные значения усредняются по всем каналам и нескольким предъявлениям, а контрольная характеристика G (t), отвечающая за уровень концентрации, рассчитывается как

На Фиг. 2 (б) приведен фрагмент контрольной характеристики, полученной в ходе эксперимента и иллюстрирующей изменение уровня концентрации внимания. Отметим, что в промежутке между 30 и 60 секундами наблюдается резкий спад уровня концентрации внимания, обусловленный внешними отвлекающими воздействиями на оператора.

Таким образом, предлагаемый способ определения уровня концентрации внимания по временным данным электроэнцефалограмм позволяет возможность достоверного детектирования паттернов электрической активности головного мозга, связанных со способностью оператора концентрироваться на поставленной задаче, в режиме реального времени, а также оценивает уровень концентрации оператора на решении когнитивных задач.