طبقه‌بندی خودکار احساسات در رویا با استفاده از یادگیری ماشین و سیگنال‌های EEG

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی پزشکی، دانشکده مهندسی پزشکی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران

2 گروه مهندسی بین رشته‌ای، دانشکده علوم مهندسی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

چکیده

از آنجا که محتوای خواب می‌تواند بازتابی از سلامت روانی فرد باشد، شناسایی احساسات در طی خواب می‌تواند اطلاعات ارزشمندی درباره وضعیت روانی افراد ارائه دهد. در این مطالعه یک رویکرد جدید برای طبقه‌بندی خودکار احساسات تجربه‌شده در طول مرحله حرکت سریع چشم (REM) خواب ارائه می‌شود. در روش پیشنهادی، در مرحله پیش‌پردازش، ابتدا سیگنال‌های الکتروانسفالوگرام (EEG) توسط فیلتر میانگذر باترورث فیلتر شده و سپس به پنجره‌های 20 ثانیه‌ای تقسیم می‌شوند. در ادامه هر یک از پنجره‌های فیلتر شده سیگنال EEG با استفاده از روش تجزیه حالت تجربی (EMD) به پنج تابع حالت ذاتی (IMF) تجزیه می‌شود. سپس، ویژگی آنتروپی نمونه‌ای از هر یک از IMF ها استخراج می‌گردد. بهترین مجموعه از ویژگی‌ها توسط الگوریتم ReliefF انتخاب شده و به ورودی مدل‌های یادگیری ماشین جنگل تصادفی (RF)، ماشین بردار پشتیبان (SVM) و K نزدیک‌ترین همسایه (KNN) اعمال می‌شود. طبقه‌بندی حالات مختلف احساسات رویا در یک سناریو سه‌کلاسه و دو سناریو دوکلاسه (شامل احساسات مثبت یا منفی در برابر خنثی و احساسات مثبت در برابر احساسات منفی) انجام شد. سیگنال‌های EEG از مجموعه داده عمومیِ DEED جهت شناسایی الگوهای فعالیت مغزی مرتبط با حالات مختلف احساسات رویا و ارزیابی عملکرد رویکرد پیشنهادی تحلیل شدند. نتایج نشان می‌دهد که روش پیشنهادی، با فراهم نمودن میانگین صحت 93/74% در طبقه‌بندی سه‌کلاسه و میانگین صحت 97/45% در طبقه‌بندی دوکلاسه (احساسات در برابر حالت خنثی) دارای عملکرد مناسب در طبقه‌بندی حالات مختلف احساسات رویا در گزارش‌های خواب است. یافته‌های این مطالعه نه‌تنها می‌تواند درک مکانیزم‌های عصبی مرتبط با احساسات خواب را گسترش بدهد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Automatic Classification of Emotions in Dreams Using Machine Learning and EEG Signals

نویسندگان [English]

  • Ali Mahmoudi 1
  • Alireza Talesh Jafadideh 2
  • Asghar Zarei 1
1 Faculty of Biomedical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz,, Iran
2 School of Engineering Science, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Since the content of dreams can mirror an individual's mental state, recognizing emotions during sleep can reveal valuable information about the state of mind. This research suggests a new method for the automated classification of emotions during the state of sleep known as the rapid eye movement (REM) state. In the suggested method, in the preprocessing step, electroencephalogram (EEG) signals are filtered with a Butterworth bandpass filter and are then broken into 20-second windows. Each filtered EEG window is then decomposed into five intrinsic mode functions (IMFs) with the empirical mode decomposition algorithm. In the next step, the sample entropy feature is extracted from each IMF. The ReliefF algorithm is utilized to select the best subset of features, which are applied as an input to random forest, support vector machine, and K-nearest neighbor machine learning algorithms. Emotional states are classified in a three-class setting (positive, negative, and neutral) as well as in two binary classification scenarios: (1) positive versus negative, and (2) neutral versus a combination of positive and negative emotions. EEG signals from the publicly available dataset known as the DEED dataset are utilized to see brain activity patterns which are present in different states of emotions in dreams and to analyze the performance of the suggested method. The outcome reveals that the suggested method provides an accuracy of 93.74% in three-class classification and an accuracy of 97.45% in binary classification (emotions versus neutral), which indicates good performance in the classification of different states of dreams' emotions during sleep.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Dream Emotion Classification
  • EEG signal
  • Machine learning
  • Sample entropy