Нелінійна динаміка біосигналів: застосування схеми Чуа для аналізу психоемоційних станів

Abstract

У представлених матеріалах описано ідею методу аналізу психоемоційного стану людини за допомогою кола Чуа, що розглядає шкіру як елемент динамічної хаотичної системи. На відміну від традиційних вимірювань опору, цей підхід фіксує топологічні зміни в сигналах, де стрес або збудження спричиняють перехід від складного хаосу до впорядкованих періодичних коливань. У роботі розроблено математичну модель модифікованої схеми Чуа, в якій імпеданс шкіри людини інтегровано як змінний параметр, що впливає на провідність кола. Такий підхід дозволяє трансформувати незначні зміни електрофізіологічних характеристик шкіри у суттєві зміни динамічного режиму системи – зокрема, переходи між хаотичними та періодичними коливаннями, а також деформацію фазових портретів. Для забезпечення фізіологічної обґрунтованості моделі проведено аналіз відкритих біомедичних датасетів, зокрема WESAD, DEAP, AMIGOS та PhysioNet, що містять записи електродермальної активності у різних психоемоційних станах. Встановлено характерні діапазони шкірної провідності: у стані спокою – 100–2000 кОм, при стресі та емоційному збудженні – 10–300 кОм. Отримані значення використано для параметризації моделі та проведення моделювання. Результати моделювання демонструють, що навіть незначні зміни імпедансу шкіри призводять до суттєвих змін топології атрактора, що дозволяє використовувати запропоновану систему як високочутливий біосенсор. Виявлено, що у стані спокою система перебуває у режимі розвиненого хаосу, тоді як при стресових впливах спостерігається перехід до більш впорядкованих, квазіперіодичних режимів. Така поведінка може бути використана для побудови нових методів класифікації психоемоційних станів та створення надточних та чутливих детекторів стресу і систем моніторингу нервової діяльності. Практичне застосування методу дозволяє візуалізувати реакції організму через деформацію атракторів на осцилографі, що забезпечує високу чутливість до найменших біофізичних змін.