EEG and ECG nonlinear and spectral multiband analysis to explore the effect of videogames against anxiety

Abstract

Currently, the use of video games has purposes that go beyond entertainment and has been gaining prominence in the health area. In this sense, it was hypothesized that it is possible to discriminate biological signals, namely electrocardiographic and electroencephalographic signals, collected from different participants stimulated through three different commercial video games, Tetris, Bejeweled and Energy. To test this hypothesis, a protocol was developed with the Trier Social Stress Test to induce and dose stress in the subjects to similar levels before each game session, in order to observe the effects of the three test games (3 study groups) at the physiological level. Initially collected at 2000 Hz, the signals were resampled to 500 Hz and filtered using a Butterworth low-pass filter. After filtering the signals, several representative features of the study signals were collected. These features consisted of a series of nonlinear metrics such as the Lyapunov exponent and Correlation Dimension, self-similarity metrics such as the Hurst exponent, and detrended fluctuation analysis, fractal dimensions - such as the Katz and Higuchi fractal dimensions - and metrics of signal chaos and activity, such as signal energy, Logarithmic entropy and Shannon entropy, and a number of spectral metrics for the EEG signal, which should be able to help identify any differences in the stress response. As a final result, a discrimination accuracy of 100% was obtained to discriminate the three study groups, using the top 20% of features selected by the F-score technique, using the coarse K Nearest Neighbor classifier.Atualmente, o uso de videojogos tem propósitos que vão além do entretenimento e tem vindo a ganhar destaque na área da saúde. Nesse sentido, foi formulada a hipótese de que é possível discriminar sinais biológicos, nomeadamente os sinais eletrocardiográficos e eletroencefalográficos, recolhidos de diferentes participantes estimulados através de três videojogos comerciais diferentes, Tetris, Bejeweled e Energy. Para testar esta hipótese foi desenvolvido um protocolo com o Trier Social Stress Test para induzir e dosear o stress nos sujeitos para níveis semelhantes antes de cada sessão de jogo, de forma a observar os efeitos dos três jogos de teste (3 grupos de estudo) a nível fisiológico. Recolhidos inicialmente a 2000 Hz, os sinais foram reamostrados a 500 Hz e filtrados utilizando um filtro passa-baixo de Butterworth. Após filtragem dos sinais, recolheram-se várias características representativas dos sinais de estudo. Estas características consistiram numa série de métricas não lineares, como o expoente de Lyapunov e a Dimensão de Correlação, métricas de auto similaridade como o exponente de Hurst e a análise de flutuação com trends removidas, dimensões fractais - como as dimensões fractais de Katz e Higuchi - e métricas de caos e atividade dos sinais, como a energia dos sinais, a entropia Logarítmica e a entropia de Shannon, e uma série de métricas espectrais para o sinal EEG, que devem ser capazes de ajudar a identificar qualquer diferença na resposta ao stress. Como resultado final obteve-se uma precisão de discriminação de 100% para discriminar os três grupos de estudo, utilizando as 20% das melhores características selecionadas pela técnica de F-score, recorrendo ao classificador coarse K Nearest Neighbor

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