Classification of Mental Stress Levels by Analyzing fNIRS Signal Using Linear and Non-linear Features

Background: Mental stress is known as one of the main influential factors in development of different diseases including heart attack and stroke. Thus, quantification of stress level can be very important in preventing many diseases and in human health.Methods: The prefrontal cortex is involved in body regulation in response to stress. In this research, functional near infrared spectroscopy (fNIRS) signals were recorded from FP2 position in the international electroencephalographic 10–20 system during a stressful mental arithmetic task to be calculated within a limited period of time. After extracting the brain’s hemodynamic response from fNIRS signal, different linear and nonlinear features were extracted from the signal which are then used for stress levels classification both individually and in combination.Results: In this study, the maximum accuracy of 88.72% was achieved in classification between high and low stress levels, and 96.92% was obtained for the stress and rest states.Conclusion: Our results showed that using the proposed linear and nonlinear features it is possible to effectively classify stress levels from fNIRS signals recorded from only one site in the prefrontal cortex. Comparing to other methods, it is shown that the proposed algorithm outperforms other previously reported methods using the nonlinear features extracted from the fNIRS signal. These results clearly show the potential of fNIRS signal as a useful tool for early diagnosis and quantify stress

Robust Pre-Clinical Software System for Real Time NIRS and EEG Monitoring

RÉSUMÉ Ce mémoire présente la conception et l’implémentation d’un logiciel dédié au support d’un système bimodal NIRS et EEG d’imagerie cérébrale en temps réel. En effet, l’accès à l’information en temps réel concernant l’activité cérébrale est un facteur important permettant la détection de tout changement au niveau cortex du cerveau à un stade précoce. Or, les logiciels actuellement disponibles comparables à celui présenté ici n’offrent qu’une possibilité d’ajustement limitée des paramètres en temps réel ainsi que peu de fonctionnalité permettant l’analyse rapide et efficace des données. Le travail présenté dans ce présent mémoire a été réalisé au sein du groupe IMAGINC. Un groupe de recherche multidisciplinaire ayant comme objectif le développement d’un système d’imagerie cérébrale portatif, non invasif et sans-fil permettant d’imager le cortex entier en temps réel. Le module d’acquisition de données de ce système enregistre l’information de 128 canaux NIRS et 32 canaux EEG ainsi que différents accéléromètres et canaux analogiques le tout par l’entremise d’optodes et d’électrodes placées sur un casque d’enregistrement. Ces données sont ensuite envoyées par un lien de communication sans-fil au logiciel qui recueille et affiche l’état hémodynamique du sujet par l’entremise de son interface graphique. Il est ensuite possible de choisir différentes vues des cartes 2D du cerveau sur lesquelles les changements hémodynamiques sont présentés. La surveillance à distance de l’état du sujet est aussi possible puisque ces données peuvent être retransmises vers un autre ordinateur par un lien sans-fil. De plus, de par son interface graphique conviviale et intuitive, l’usager peut facilement ajuster différents paramètres de test tout au long de l’acquisition de données sans même l’interrompre. Dans le but d’optimiser les paramètres pour chaque sujet, une fonction de calibration automatique ajustant l’intensité d’illumination de chacun des émetteurs en quelques secondes a été implémentée. Pour faciliter le processus de test, il est possible de télécharger des fichiers (bipolaire et montage référentielle) contenant des paramètres de configurations préétablies pour le NIRS et l’EEG. Enfin, il est possible de faire une analyse automatique et rapide de l’état de tous les canaux NIRS durant les tests afin d’assurer une bonne connexion ainsi que la validité des données. Le système conçu est en mesure d’enregistrer et de traiter des données en temps réel sur une période de 24 heures. Les résultats obtenus ont été validés en utilisant des logiciels d’analyse de données NIRS similaires durant des tâches de finger tapping induisant un changement hémodynamique chez les sujets.----------ABSTRACT This master’s thesis presents the design and implementation of a real-time software system to support a bimodal NIRS and EEG brain imaging device. Real-time information on brain activity is an important factor in early detection and diagnosis at the top level of the cortex of various brain disorders. Current software systems provide limited real-time parameter adjustment and automated features for quick and easy analysis. The project presented in this master’s thesis is part of the multidisciplinary IMAGINC research group, with the objective of developing a wireless, non-invasive and portable brain imaging system that allows imaging of the whole cortex in real time. The hardware system is capable of recording data from 128 NIRS and 32 EEG channels, as well as additional accelerometer and analog channels through the optodes and electrodes mounted onto the helmet. The software system acquires the real-time data from the hardware module using a wireless connection and displays the hemodynamic variations on the user interface. The change in hemodynamic activity is displayed on a 2D map of the brain, with selection of different views. Remote monitoring is also possible since the data can be transferred wirelessly to another computer. Through the user-friendly and intuitive user interface, the user can control and adjust various test parameters throughout the acquisition without any interruption. In order to achieve maximum illumination setting for individual subjects there is an automatic calibration function that quickly adjusts the illumination intensity for each of the emitters in just a few seconds. Previously defined NIRS and EEG configuration files (bipolar and referential montage) can be uploaded for easy testing. An automated analysis feature quickly analyzes and reports the status of all NIRS channels during the test to ensure good connection and valid results. The designed system can successfully record and process data for a continuous period of up to 24 hours. The results have been validated using similar NIRS data analysis software during figure tapping tasks and the hemodynamic variations were as expected

Prototype d'imagerie cérébrale multicanal portable par spectroscopie proche-infrarouge et électroencéphalographie

RÉSUMÉ Ce mémoire de maîtrise présente l'implémentation et la validation d'une instrumentation d'acquisition de biosignaux issus des technologies d'imagerie cérébrale que sont l'électroencéphalographie (EEG) et la spectroscopie proche-infrarouge (SPIR ou NIRS : Near-infrared spectroscopy). La première des techniques mesure directement l'activité électrique au niveau du scalp, tandis que la seconde est sensible aux variations d'oxygénation du sang, variations qui peuvent être reliées à l'activité cérébrale. Contrairement aux autres techniques d'imagerie cérébrale, celles-ci peuvent être portables, peu coûteuses, à haute résolution temporelle, et permettent d'imager tout le cortex en temps réel. Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration interdisciplinaire du groupe IMAGINC, dont une des missions est de développer un système d'acquisition temps réel de signaux SPIR et EEG, non invasif, portable, communiquant avec un ordinateur par un lien sans fil, avec 32 canaux d'EEG, 32 sources et 32 détecteurs de lumière afin d'imager tout le cortex, les appareils existants ne rassemblant pas tous ces critères. Le prototype construit répond pleinement à ces attentes : comportant un casque pour maintenir sur le scalp l'ensemble des électrodes et optodes, le système peut être porté à la ceinture et transmettre à une interface usager l'ensemble des données issues des 128 canaux SPIR et 32 canaux EEG, ainsi que des modules supplémentaires comme un accéléromètre ou des circuits d'acquisition de canaux auxiliaires, utiles dans un contexte clinique. L'instrument a étée valid sur une quarantaine de sujets à ce jour, lors de tests cognitifs qui ont permis d'observer l'activité neuronale induite sur les donnéees acquises, à travers le calcul des modifications hémodynamiques, semblables à celles décrites par la littérature. Des études de comparaisons statistiques à un appareil commercial et de calcul de reproductibilité du signal sont prévues pour confirmer les validations qualitatives. L'appareil permettra par la suite d'effectuer la surveillance de patients épileptiques sur de longues durées, en améliorant leur confort, pour des études préopératoires, ou celle de patients lors d'opérations à coeur ouvert, dont l'oxygénation cérébrale doit être contrôlée, les appareils existants étant difficilement intégrables en salle d'opération.----------ABSTRACT This master thesis describes the implementation and validation of a novel instrumentation able to acquire biosignals from two brain imaging technologies: electroencephalography (EEG) and near-infrared spectroscopy (NIRS). The rst one directly measures electrical variations on scalp, while the other one can detect the blood oxygenation variations, which can be correlated with cerebral activities. Contrary to others brain imaging modalities, the both described here have potential to be portable, relatively inexpensive, with high temporal resolution and allow to image the whole cortex in real time. This work is part of a multidisciplinary team collaboration within the IMAGINC research group, one of the goals being the development of a real-time, noninvasive and portable NIRSEEG signal acquisition system, able to communicate wirelessly with a computer, gathering data from 32 EEG channels, 32 light sources and 32 light detectors, to image the whole cortex. Existing commercial or research devices do not gather all of these features. The built prototype fully meets the expected characteristics: composed of a helmet able to maintain every optodes and electrodes on scalp, the wireless system can be attached to the belt and transmit to an user interface the data provided by 128 NIRS and 32 EEG channels, as well as additional modules like an accelerometer or auxiliary channel acquisition circuits, useful in a clinical context. The instrument has been validated on around forty subjects, during cognitive tests, the results of which showed expected induced brain activities on acquired data, through the calculation of haemodynamic variations, similar to those described in literature. We are also conducting studies to statistically compare the prototype and evaluate the reproductibility of biosignals, to conrm the qualitative validation developed here. In the future, the device should allow to monitor epileptic patients on long periods of time, while improving comfort, for preoperative studies, or patients undergoing open heart surgery, procedure in which the cerebral oxygenation needs to be controlled, but no existing commercial devices currently is operating-room friendly