АННОТАЦИЯ

Учитывая высокую стрессовую нагрузку на человека в современном обществе, применение специальных техник расслабления может улучшить качество повседневной жизни. В данном исследовании мы предлагаем систему релаксации, основанную на использовании монофонических ритмов с неслышимыми звуковыми колебаниями сверхнизкой частоты, которые способствуют расслаблению. Для эффективной релаксации мы использовали и оценивали монофонические ритмы в δ-, θ- и α-диапазонах. Чтобы избежать прямого влияния на деятельность людей, частоты стимулирующих звуков, которые использовались для генерации целевых ритмов, находились вне диапазона человеческой слышимости. Чтобы проверить эффективность предложенных подходов, была разработана процедура субъективного тестирования и проведены t-тесты для парных выборок. Р-значения результатов данного эксперимента по стимулированию релаксации при помощи монофонических биений в δ-, θ- и α-диапазонах составили соответственно 0,0001, 0,1195 и 0,0065. Кроме того, результаты проведенного эксперимента выявили некоторые специфические эффекты предложенной системы релаксации; например, ритмы в δ-диапазоне имели наибольший эффект независимо от того, оценивалось ли среднестатистические показатели, дисперсия или значение p. На основании результатов нашего эксперимента можно утверждать, что предложенная модель релаксационной системы действительно может способствовать расслаблению.

КЛЮЧЕВЫЕ ТЕРМИНЫ: звук, мозговые волны, бинауральные ритмы, монофонические ритмы, релаксация, резонанс.

I. ВВЕДЕНИЕ

Напряженный темп жизни в современном обществе серьезно сказывается на качестве сна и эффективности работы людей. Как правило, жизненные трудности вызывают у людей психическое напряжение, могут привести к бессоннице, а в долгосрочной перспективе способны серьезно повлиять на физическое здоровье и снизить производительность труда.

Стресс может вызывать такие состояния, как астма, ревматоидный артрит, биполярное расстройство, сердечно–сосудистые заболевания, хронические боли, аутоиммунные заболевания, слабоумие, инсульт и некоторые виды рака [1]-[3]. Вот почему эффективное расслабление способно существенно уменьшить последствия стресса.

Несмотря на то, что быстро погрузиться в расслабленное состояние, уснуть или поддерживать сон человеку могут помочь психотропные препараты, их продолжительное применение может вызывать серьезные побочные эффекты, такие как головные боли, потеря памяти, падения, угнетение дыхательной функции, потребность в увеличенных дозах и зависимость [4], [5].

Вот почему в последние годы все большее внимание уделяется немедикаментозной адъювантной терапии. Ее примером может служить ароматерапия, которая проводится с помощью ингаляций, массажа и других методов. Многие из этих немедикаментозных приемов лечения с древних времен использовались в качестве дополнения к основной терапии.

В недавних исследованиях была проведена оценка лечебного эффекта этих методов путем сравнения физических или психических состояний человека до и после их применения [6], [7]. Их терапевтические свойства обусловлены воздействием химических компонентов, включая кетоновые тела и сложные эфиры, содержащиеся в эфирных маслах. Однако эфирные масла и другие лекарственные препараты могут быть токсичными и способны вызывать аллергию и другие побочные эффекты; следовательно, применять их следует с осторожностью.

Вибрация звуковых волн в воздухе подобна массажу человеческого тела, и не вызывает беспокойств по поводу токсичности. Использование звуковых волн в качестве вспомогательного средства для улучшения здоровья человека является эффективным приемом и заслуживает дальнейшего изучения, особенно в исследованиях, связанных с мозговыми волнами. Недавние исследования показывают, что нейрокомпьютерный интерфейс в сочетании с аудиосигналами может помочь тяжело парализованным пациентам и увеличить у них скорость передачи данных [47], точность распознавания и, возможно, получить другое клиническое применение [48]. Использование звуковых волн для получения резонанса с мозговыми волнами, может являться эффективным способом расслабления. Однако звуковые волны воздействуют на слух и отвлекают внимание. Вот почему необходимо разработать систему релаксации, которая не влияла бы на деятельность людей, но при этом эффективно и беспрепятственно способствовала бы расслаблению.

В последнее время было предложено множество подходов для стимуляции расслабления. Среди них стоит отметить музыкальную терапию, которая уже широко известна и хорошо зарекомендовала себя в качестве формы сенсорной стимуляции [8], [11], [16]. Прослушивание музыки способно влиять на мысли людей, и при правильной организации повторные переживания этих мыслей и эмоций может оказывать конструктивное воздействие [15]. Например, восстановление после физиологического стресса происходит быстрее, когда люди слушают приятные звуки, а не неприятные [17]. Было доказано, что музыкальная терапия оказывает значительное влияние на снижение как физического, так и психологического стресса [8], [11], [16]. Таким образом, она широко используется в процессе медицинского лечения для уменьшения симптомов дискомфорта у пациентов. Однако музыкальная терапия сильно воздействует на внимание слушателя. По этой причине было бы полезно разработать неслышимое стимулирующее звучание для увеличения расслабления без отвлечения внимания.

Следующая часть данной статьи организована следующим образом. В разделе II рассматриваются предыдущие исследования бинауральных ритмов, монофонических ритмов и проблема исключения слухового сознания. В разделе III объясняется предлагаемая система релаксации. В разделе IV выполняется тестовая проверка предлагаемой системы. В разделе V представлены экспериментальные результаты, аналитические выводы и их обсуждение. Наконец, в разделе VI обобщаются полученные результаты и обсуждаются направления будущих исследований.

II. ПРЕДЫДУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

За последнее десятилетие многие исследователи доказали, что музыкальные звуки - это разновидность вибрации. Если расширить сферу их применения, то можно превратить правильно подобранный вид звуковой стимуляции в эффективное средство расслабления [20], [31]. Вот почему бинауральные (БР) и монофонические ритмы (МР) были предложены в качестве способа увеличения релаксации [22]. [9], [10], [12]–[14], [21], [27].

Что касается бинауральных ритмов, то они представляют собой два одновременно воспроизводимых монотона с небольшой разницей в частоте между левым и правым ухом. В результате этого, если в левое ухо направить звуки частотой 250 Гц, а в правое - 256 Гц, то можно предположить, что в медиальном ядре верхнего оливарного комплекса возникнет биение частотой 6 Гц, которое является разницей между ними [9], [10], [12], [13], [21].

Регулярные колебания определенной частоты способны вызывать нейронные колебания соответствующей частоты в головном мозге. Благодаря процессу нейронного вовлечения /синхронизации с внешними ритмами активность нейронов может быть поэтапно заблокирована внешними стимулами [18], [19], [23], [24].

Поскольку резонансная реакция дает возможность оказывать значительное влияние даже очень слабым флуктуациям, флуктуации, подобные частотам мозговых волн, вызовут определенное стремление к резонансу в самих мозговых волнах [23]. В итоге, паттерны активности нейронов в головном мозге постепенно синхронизируются с этой разницей частот, и таким образом достигается успокаивающий эффект [23], [25]. Как бинауральная, так и монофоническая стимуляция биений оказывала значительное влияние на уровень возбуждения большинства нейронов в медиальной височной доле [28].

В отличие от бинауральных ритмов, монофонические ритмы воспроизводят через одну акустическую систему два монотонных звука с небольшой разницей в частоте. Таким образом, человек слышит биения, которые воспринимает как периодическое изменение громкости, диапазон которой представляет собой разницу в двух частотах этих двух монотонов, что аналогично амплитудной модуляции (AM). Когда стимуляции бинауральными и монофоническими ритмами производились с одинаковой частотой, их влияние на расслабление было очень схожим [26].

Однако в результате многих исследований в области влияния слуховых ритмов было установлено, что реакция стационарного слухового потенциала (ASSR) или коры головного мозга на монофонические ритмы сильнее, чем на бинауральные [24], [29], [30], [32], [34]. Одно из последних исследований даже показало, что бинауральные ритмы слабее захватывают кору головного мозга, чем монофонические [24]. Таким образом, разработка монофонического ритма, способствующего расслаблению, была бы полезна и удобна для человека в современном обществе.

Идеальным методом был бы тот, который способствует расслаблению, не отвлекая внимания пользователя, подающий стимулирующие звуковые сигналы на сверхнизких частотах, которые находятся вне диапазона слышимости человека. Бинауральная и монофоническая стимуляция, способная генерировать биения сверхнизкой частоты, - это вполне подходящий способ содействия релаксации.

Однако при использовании бинауральных звуков могут возникать неприятные ощущения [13], [30], [33]. Они способны вызывать слуховое отторжение и стать возможной причиной головокружения, дискомфорта, а также увеличения уровня тревожности и депрессии [13], [14]. Таким образом, потребность современного человека в расслаблении удовлетворила бы комфортная звуковая стимуляция сверхнизкой частоты.

Поскольку технические устройства для генерации сверхнизких частот стоят очень дорого [46], избежать больших расходов поможет использование биений на сверхнизких частотах. При этом Павлачик-Лущинская и Дударевич [37] показали, что низкочастотные ультразвуковые колебания с частотой 95-130 дБ могут вызывать головную боль, головокружение и тошноту.

Поэтому, чтобы предотвратить подобные эффекты, энергия стимулирующего звука должна быть намного ниже 95 дБ. Человек же, как показали Хурадо и Марквардт [38], способен воспринимать стимулирующие звуки сверхнизкой частоты, даже находящиеся вне диапазона слышимости людей. Таким образом, можно видеть, как важен выбор подходящего биения со сверхнизкой частотой для создания эффективного метода релаксации.

III. ПРЕДЛАГАЕМАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ РЕЛАКСАЦИИ

В данном исследовании мы предлагаем модель релаксационной системы, использующую монофонические ритмы с неслышимыми звуками сверхнизкой частоты, способствующими расслаблению, как показано на Рис. 1. В качестве стимулирующих звуков для эффективного содействия расслаблению были выбраны монофонические ритмы с неслышимыми звуками сверхнизкой частоты (в δ, θ и α-диапазонах). В таблице 1 приведено сравнение спецификации нашего эксперимента с другими связанными с данной проблематикой исследованиями.

Частота стимулирующих звуков, используемых для генерации монофонических ритмов, была выбрана из диапазона, находящегося вне пределов слышимости человека, с целью ограничить ее влияние на поведение людей. Чтобы избежать странного ощущения, связанного с восприятием чистых тонов, были применены эффекты реверберации. В тесте на релаксацию, который мы проанализировали и описали в четвертом разделе (результаты и их обсуждение), для проверки результатов эксперимента используются данные средних значений, дисперсии и F-показателей в ANOVA.

Для генерации монофонических ритмов в предлагаемой системе релаксации был применен генератор импульсов (блок интегрирования электрического сигнала). Монофонический ритм - это интерференционная картина от двух звуковых волн слегка отличающихся частот; он воспринимается как периодическое изменение громкости, высота которой равна разнице между двумя данными частотами.

В данном исследовании стимулирующий сигнал S был сгенерирован с использованием двух косинусоидальных волн и определялся по следующей формуле:

где A - амплитуда косинусоидальных волн, а f₁ и f₂ - их частоты, которые очень близки друг к другу. Следовательно, как показано в формуле (1), первая косинусоидальная волна, равная средней частоте обеих волн, является выражением их взаимодействия и осуществляет быстрые колебания. Вторая косинусоидальная волна изменяется с течением времени медленнее и может рассматриваться как зависящая от времени амплитуда наложенных друг на друга волн. Интерференционную картину этих двух косинусоидальных волн можно обозначить как биение с частотой.

Для эффективного расслабления важно выбрать подходящий монофонический ритм. Чтобы решить проблему звуковой интерференции, мы разработали специальную скрытую звуковую волну, которая была замаскирована внутри частотных диапазонов, и человек не способен сознательно распознать именно эту звуковую волну. Более того, специфические скрытые звуковые волны можно естественным образом интегрировать в звуки окружающей среды, и, таким образом, они успешно преобразуются в один из атмосферных элементов естественного воздушного потока в звуковом поле. В данном исследовании использовались монофонические ритмы в диапазонах δ, θ и α.

Человек может воспринимать звуки в диапазоне частот примерно от 20 Гц до 20 кГц. С возрастом или в связи с потерей слуха эффективность восприятия высоких частот, как правило, постепенно снижается. Если взять в качестве примера людей среднего возраста, то у них диапазон восприятия высоких частот снижается [50] в среднем до 14-17 кГц [51].
Чем выше верхняя граница частотного диапазона, тем дороже обходится приобретение каждой единицы высокоточной акустической системы, а для успешного продвижения предложенной модели необходимо, насколько это возможно, снижать затраты на ее применение.

В связи с этим следует максимально снизить выбранный для звуков воздуха и атмосферы уровень частоты, оставаясь при этом в диапазоне слухового восприятия. В результате проведения некоторых предварительных тестов в рамках данного эксперимента было обнаружено, что людям среднего возраста легко избежать эффекта сознательного распознавания звука при выборе частоты выше 15 кГц благодаря снижению слухового порога восприятия звуков высокой частоты. Однако для молодых людей, безусловно, диапазон частот необходимо увеличить. В ходе более ранних тестов, в которых верхний порог постепенно возрастал с 15 кГц и выше, было обнаружено, что уровень частоты в 18 кГц работает вполне корректно и близок к верхнему пределу слышимости человека. Таким образом, поскольку порог слышимости изменяется в зависимости от частоты (см. Рис. 4, кривая равной громкости [52]), достижение эффекта исключения помех слухового восприятия не представляет больших сложностей.

По причинам, указанным выше, в данном исследовании для создания биений используются высокие частоты; если f₁ = 18 000 Гц и f₂ = 18 009 Гц, то генерируется биение частотой 9 Гц, как показано на рис. 3(а)-(е). На рис. 3(а) показаны синусоидальная волна частотой 18 000 Гц, генерируемая в течение одной секунды (черного цвета), и синусоидальная волна частотой 18 009 Гц (красного цвета). Поскольку плотность высокочастотных линий высока, черная волна частотой 18 009 Гц перекрывается красной волной частотой 18 000 Гц. На рис. 3(б) можно увидеть небольшую часть рис. 3(а). Красная и черная линии постепенно отделяются от начальной точки. На рис. 3(с) показаны смешанные звуковые волны частотой 18 000 Гц и 18 009 Гц, генерируемые на протяжении 1 секунды. Рис. 3(d) демонстрирует профиль периферической модуляции, сформированный смешанным звуковым файлом длительностью 1 секунда, то есть частотой биений 9 Гц. На рис. 3(е) показано быстрое преобразование Фурье (БПФ) самого низкого частотного диапазона смешанной волны.

Существует четко определенное значение энергии - 9 Гц, являющееся именно той частотой биений, которая возникает при наложении волн частотой 18 000 и 18 009 Гц. Если оно непосредственно вычисляется в MATLAB без вывода его в виде звукового файла, то значение БПФ для данной частоты биений может быть масштабировано только после возведения вычисления в квадрат, поскольку звук является разновидностью энергии и должен анализироваться на основе его спектральной мощности.

Как правило, для создания искусственного пространственного звукового поля зала или комнаты использовался эффект реверберации. В отличие от эффектов задержки, эффекты реверберации используют множественные задержки в течение очень короткого промежутка времени, так что человек их не ощущает. Все повторы накладываются друг на друга, чтобы звучать непрерывно. Таким образом, после получения монофонического ритма, была использована универсальная реверберация эффектора пространственного звукового поля для преобразования S в S′ так, чтобы S′ сливалась с естественным пространством. В данном исследовании эффект реверберации был реализован с помощью ревербератора в MATLAB [40].

Хотя в большинстве предыдущих исследований использовались бинауральные ритмы (БР), в последние годы значительное число исследователей все активнее обращается к монофоническим ритмам (МР), потому что при использовании МР нет необходимости прикасаться к человеческому телу. Табл. 1 показывает, что в сравнительном эксперименте по изучению воздействия БР и МР активация, полученная с помощью МР, часто является более выраженной и применимой к более широкому диапазону частот. В экспериментах по сравнению БР и МР при исследовании МР также использовались наушники, что, возможно, связано с применением БР. Предлагаемый подход состоит в том, чтобы пойти дальше и рассмотреть одну из возможных функций МР с точки зрения содействия расслаблению. Кроме того, МР открывают больше возможностей для исследований и разработок.

IV. ТЕСТОВАЯ ПРОВЕРКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМЫ



Чтобы проверить влияние беззвучной акустической системы, резонирующей с мозговыми волнами и работающей в бесшумном режиме, на расслабление, мы сравнили различия в степени релаксации при низких частотах α, θ, δ и в других диапазонах частот с использованием и без использования подобной бесшумной звуковой системы, резонирующей с мозговыми волнами. Как правило, когда люди спят, их мозговые волны сначала проходят через низкий α-диапазон (8-10 Гц), где сознание начинает расслабляться, затем постепенно попадают в θ-диапазон (4-7 Гц), который характеризуется легким сном и сновидениями, и, наконец, входят в δ-диапазон (1-4 Гц), в котором происходит глубокий сон без сновидений.



В данном эксперименте резонансная звуковая частота мозговых волн была представлена средним значением каждого диапазона. Таким образом, эти значения не только характеризуют тот или иной диапазон, но и точно указывают на то, что любые наблюдаемые эффекты были вызваны реакцией именно на эти диапазоны частот, а не на стимулы в других диапазонах [25]. Поэтому в качестве индикаторов α, θ и δ-излучений, связанных с расслаблением и сном, мы использовали частоту 9 Гц для низкого α-диапазона (который имеет большее отношение к процессу расслабления), 5,5 Гц для θ-диапазона и 2 Гц для δ-диапазона, а монофоническое аудиоустройство находилось примерно в метре от испытуемого.



В нашем эксперименте для эмоциональной стимуляции мы использовали игры для мобильных устройств [36], а параметры стимуляции были рассчитаны таким образом, чтобы они находились в правом верхнем квадранте системы координат для описания эмоций по модели «валентность-возбуждение», поскольку именно он относится к мобильным играм [35], [36], [41]. Известно, что мобильные игры обычно создают напряжение и азарт, например, за счет онлайн-сражений, гонок, борьбы за выживание и потери мячей; мы выбрали 'Speed Drifters', 'Arena of Valor', 'Asphalt', 'Brawl Stars' и 'Crazy Arcade' и позволили участникам самим выбрать для себя мобильную игру.



В качестве базового значения для сравнения с сегментами расслабления использовалось возбуждение мозговых волн, связанное с состояниями напряжения. Поскольку эффективным способом воздействия на состояние мозговых волн являются голосовые инструкции [42], [43], в пилотном тесте был опробован метод релаксации с голосовым сопровождением. В отличие от 7-минутного аудиофайла с руководством по релаксации, выпущенного Ассоциацией клинических психологов города Тайнань в 2016 году, мы выбрали простую форму указаний, выраженную мягким доброжелательным языком, которая призывала к расслаблению в течение примерно 10 секунд. Мы сочли ее более подходящей для нашего эксперимента, поскольку 7-минутный материал, содержащий руководство к действию, мог существенно повлиять на эмоции участников и в результате снизить эффективность воздействия. В начале эксперимента рекомендации по релаксации повторялись в течение 3 минут перед первой фазой расслабления и по 10 минут после каждой фазы, когда участники были заняты мобильной игрой.

A. ПРОЦЕДУРА ТЕСТИРОВАНИЯ

В данном эксперименте процедура тестирования была разделена на 9 сегментов, следующих в строгой последовательности. Они включали пять сегментов релаксации (в том числе сегмент предварительной релаксации) и четыре сегмента стимуляции, как показано на рис. 5.

B. ГОЛОСОВЫЕ УКАЗАНИЯ

Экспериментатор в устной форме обозначал начало каждого сегмента. Вводный текст во время сегмента релаксации включал устные подсказки: 'сядьте с закрытыми глазами и отдохните', 'выключите телефон и отключите звук', 'обопритесь на подушку' и 'расслабьтесь как можно больше'. В сегменте эмоционального возбуждения предлагалось 'начать мобильную игру'.


C. ЭМОЦИОНАЛЬНАЯ СТИМУЛЯЦИЯ

Целью сегмента эмоциональной стимуляции было вовлечь участников в мобильную игру, чтобы стимулировать у них мозговое напряжение. Из-за различий в темпе каждой игры и индивидуальных уровнях мастерства мы вынуждены были прекращать эксперимент после достижения испытуемым кульминационного момента игры, который и должен был спровоцировать эмоциональное напряжение. Таким образом, время тестирования у разных участников немного отличалось и составляло от 10 до 15 минут.

D. НАСТРОЙКИ СЕГМЕНТА РЕЛАКСАЦИИ

За исключением периода предварительной релаксации, который длился 3 минуты, продолжительность всех остальных сегментов релаксации составляла 10 минут. В табл. 2 показан порядок тестирования по четырем сегментам релаксации, и бесшумная аудиозапись, резонирующая с мозговыми волнами, воспроизводилась точно в указанной последовательности.


E. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ЭТАПОВ ТЕСТИРОВАНИЯ

Поскольку первоначально было отобрано 12 испытуемых, потребовалось в общей сложности 24 перестановки с комбинациями четырех режимов (три монофонических звуковых режима с δ, θ и низким α-излучением и режим отсутствия стимуляции). Каждый испытуемый тестировался четыре раза, испытуемые были разделены на группы по шесть человек. Добавим, что сами испытуемые не были проинформированы о порядке воспроизведения резонансного диапазона на каждом этапе. Фактический порядок воспроизведения для каждого диапазона частот в эксперименте был следующим. Сначала 24 комбинации с перестановками были расположены по порядку, а затем их последовательность была скорректирована таким образом, чтобы у каждого испытуемого их расположение было более равномерным. Все 24 образованные комбинации, показанные в табл. 2, повторялись у каждых шести участников эксперимента. После первой серии экспериментов, из-за небольшого количества людей, появилось восемь новых испытуемых, которые были объединены в одну серию экспериментов в соответствии с таблицей ниже, а последние два были ранжированы по Участнику 1 и Участнику 2. В будущем, при планировании и проектировании эксперимента, мы будем уделять больше внимания расчету количества участников.


F. ШКАЛА РЕЛАКСАЦИИ

По окончании каждого теста все испытуемые заполняли десятибалльную шкалу релаксации, содержащую один вопрос: 'Оцените степень вашего расслабления в данном сегменте релаксационной активности (заполняется после завершения сегмента; обратите внимание: «1» соответствует минимальной степени расслабления, а «10» – максимальной. Пожалуйста, обведите нужную цифру в кружок). 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10.' Десятибалльную шкалу релаксации можно увидеть в табл. 3. В конце пользователь мог оставить качественную характеристику каждого сегмента релаксации в колонке "Примечания", где он мог описать, насколько расслабленным он или она чувствовали себя на каждом этапе. Мы обсудим эту оценку в следующем разделе.

V. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ


В данном разделе представлены результаты эксперимента, аналитические выводы и их обсуждение, включая проверку аппаратного обеспечения, результаты релаксационных тестов и сравнительный анализ.

A. ПРОВЕРКА АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ


Проверка оборудования и аппаратных средств для физического воспроизведения резонирующего с мозговыми волнами аудиосигнала разделена на тесты выходного электрического сигнала и тесты вибрации звуковых волн. Поскольку резонансные диапазоны звуковых частот δ и θ и низкой α относятся к сверхнизким частотам, подходящего помещения для их тестирования на Тайване практически нет, учитывая местные акустические условия зданий. Поэтому в данном эксперименте для тестирования звуковой вибрации использовались акселерометрические испытания и спектральный анализ.


1) РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА


Значения выходного электрического сигнала монофонических биений низких α (9 Гц), θ (5,5 Гц) и δ (2 Гц) ритмов были записаны и протестированы с помощью осциллографа Agilent DSO-X 2012A.Результаты тестирования электрического сигнала при низких значениях α, θ и δ показаны соответственно на рис.6(а), (b) и (c). За единицу измерения по оси ординат принимается децибел, а ось абсцисс показывает частоту в Гц. Горизонтальный диапазон разделен на десять равных интервалов и установлен в формате от 0 до 10 Гц.


На этих трех графических панелях четко видны основные частоты: 9 Гц, 5,5 Гц и 2 Гц. При данной ширине окна множественные гармоники (4, 6 и 8 Гц) можно увидеть только при частоте 2 Гц. Результаты показали, что прибор генерировал правильную целевую частоту для значений выходного сигнала низких α (9 Гц), θ (5,5 Гц) и δ (2 Гц) ритмов.

2) РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ ВЫХОДНОГО СИГНАЛА ВИБРАЦИИ



В данном исследовании были использованы акселерометр Brüel & Kjær модели 4507-002, анализатор импульсных сигналов Brüel & Kjær 3050-A-060 и программное обеспечение Pulse Labshop, чтобы продемонстрировать, что резонансная аудиостимуляция мозговых волн передавалась с устройства, как показано на рис. 7. Хотя частотные характеристики обычного оборудования измеряют с определенной степенью точности в безэховом пространстве, однако измерение звука малой громкости сверхнизкой частоты в указанном диапазоне выходит пределы возможного на Тайване диапазона измерений безэховых камер.



Тем не менее, высокочувствительный акселерометр вполне пригоден для измерения сигналов низкой амплитуды, а акселерометры, предназначенные для распознавания низкочастотных вибраций, можно использовать для достаточно точного измерения спектра низкочастотных вибраций. Поскольку целевую звуковую волну излучает акустическая система, то можно измерить спектр ее вибрации для тестирования выходного сигнала. Полученные аудиосигналы монофонических биений для низких значений α, θ и δ показаны соответственно на рис. 8(а), (b) и (c).



Результаты эксперимента показали, что предложенным способом можно эффективно генерировать монофонические биения на сверхнизкой частоте. Согласно данным B&K (Тайвань), значения вибрации частотой ниже 3 Гц в реальности должны быть выше полученных при измерении данных из-за ограничений, характерных для самого акселерометра.

B. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТА НА РЕЛАКСАЦИЮ


Тест на релаксацию проводится в соответствии с процедурой, предложенной в части III и описанной в части IV «Тестовая проверка работоспособности системы».


1) ИСПЫТУЕМЫЕ


Для участия в данном эксперименте по оценке степени расслабления у людей без онтологических или неврологических заболеваний были приглашены 20 испытуемых (12 мужчин и 8 женщин). Фактический возраст участников составлял от 20 до 24 лет, а средний возраст - 21,95±0,83 года. Участники эксперимента, помимо прочего, не страдали нарушениями сна, физическими и психическими расстройствами и находились в нормальном состоянии за день до эксперимента, не употребляя продукты или напитки, содержащие кофеин. Каждый испытуемый проходил тестирование четыре раза, в общей сложности 80 процедур, при этом один и тот же участник выполнял только один тест в день. Данный эксперимент был рассмотрен и одобрен Комитетом по этике исследований на людях (HREC) Национального университета Ченг Кунг, Тайнань, Тайвань.



2) СТЕПЕНИ РЕЛАКСАЦИИ И ИХ АНАЛИЗ



В данном исследовании масштаб релаксации анализировался с использованием общих средних значений и статусе σ (сигма)-распределения в F-тестах ANOVA, а также t-тестов для парных выборок. С их помощью сравнивались различия в показателях релаксации между тремя группами монофонической стимуляции и контрольной группой (отмеченной как 'Без ритмов), в которой не использовалось никаких монофонических ритмов.



F-тест ANOVA [45] использовался для того, чтобы установить, имеется ли существенная разница в степени расслабления между тремя сегментами с аудиостимуляцией монофоническими биениями (α, θ, δ) и контрольным сегментом без монофонических биений. Парные t-тесты применялись для проверки эффективности релаксации путем сравнения степени расслабления между группами, прослушивающими звуковой ритм, и контрольной группой.



Четыре сегмента релаксации мы рассматриваем как четыре различных состояния, требующих отдельного обсуждения. Как в ANOVA, так и в парных t-тестах степень расслабления при монофонических ритмах α и δ значительно отличалась по сравнению с контрольной группой. Однако, независимо от того, использовался ли дисперсионный анализ ANOVA или парные t-тесты, монофонические ритмы δ-диапазона проявляли наибольшую эффективность в содействии расслаблению.





a: РЕЗУЛЬТАТЫ РЕЛАКСАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА ОБЩЕМ СРЕДНЕМ ЗНАЧЕНИИ И СТАТУСЕ СИГМА-РАСПРЕДЕЛЕНИЯ



В данном тесте средние и сигма-значения для условий низкого α, θ, δ и состояния 'Без ритмов' были следующими: 7.175±1.5973, 6.8125±1.9297, 7.4±1.6351 и 6,5375±1,7714 соответственно.



Исходя из средних значений, степень расслабления при всех типах монофонических ритмов (низкий α, θ и δ) была выше, чем в контрольном состоянии; среднее значение при δ было самым высоким; распределение средних значений проходило в следующем порядке: δ (7,4) > низкий α-диапазон (7,175) > θ (6,8125) > 'Без ритмов' (6.5375). Сигма-распределение было следующим: низкий α (1,5973) < δ (1,6351) < 'Без ритмов' (1,7714) < θ (1,9297). Изменение степени релаксации в диапазоне низких частот α было наименьшим, за ним следовало δ-излучение, а при монофоническом биении θ оно было наиболее рассеянным, что превышало аналогичный показатель, полученный в контрольных условиях.



b: РЕЗУЛЬТАТЫ РЕЛАКСАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА АНАЛИЗЕ F-ТЕСТА ANOVA



Чтобы подтвердить влияние аудиостимуляции монофоническими ритмами низкой частоты α, θ и δ на расслабление, был использован F-тест ANOVA. С его помощью была произведена оценка того, насколько значимыми были средние эффекты в каждом состоянии. P-значение по критерию Мочли = 0,218 > 0,05 указывало на то, что допущение о сферичности в дисперсионном анализе не было нарушено, поскольку минимальное значение ε составляло 0,333; значение поправки Гринхауса–Гейссера составляло 0,947, а значение по критерию Гин-Фельда - 0,986. Оба показателя превысили норму в 0,75 и подтвердили, что полученные данные не нарушают предположение о сферичности; следовательно, коррекция не требовалась.



F-значение лечебного эффекта составило 5,535, что превысило уровень значимости (р < 0,05), и, таким образом, нулевую гипотезу H₀: µ1 = µ2 = µ3 = µ4 следует отвергнуть. Это означает, что степень релаксации испытуемых значительно отличалась в разных условиях. Кроме того, парные сравнения показали, что уровни расслабления как при монофонических ударах δ, так и при α были значительно выше, чем в контрольных условиях, а расслабление при δ-ритмах было существенно больше, чем при монофонических θ-биениях. Вместе с этим, при проведении данного теста значения релаксации при θ излучении существенно не отличались от аналогичных показателей в контрольных условиях.

B. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТА НА РЕЛАКСАЦИЮ


Тест на релаксацию проводится в соответствии с процедурой, предложенной в части III и описанной в части IV «Тестовая проверка работоспособности системы».


1) ИСПЫТУЕМЫЕ


Для участия в данном эксперименте по оценке степени расслабления у людей без онтологических или неврологических заболеваний были приглашены 20 испытуемых (12 мужчин и 8 женщин). Фактический возраст участников составлял от 20 до 24 лет, а средний возраст - 21,95±0,83 года. Участники эксперимента, помимо прочего, не страдали нарушениями сна, физическими и психическими расстройствами и находились в нормальном состоянии за день до эксперимента, не употребляя продукты или напитки, содержащие кофеин. Каждый испытуемый проходил тестирование четыре раза, в общей сложности 80 процедур, при этом один и тот же участник выполнял только один тест в день. Данный эксперимент был рассмотрен и одобрен Комитетом по этике исследований на людях (HREC) Национального университета Ченг Кунг, Тайнань, Тайвань.



2) СТЕПЕНИ РЕЛАКСАЦИИ И ИХ АНАЛИЗ



В данном исследовании масштаб релаксации анализировался с использованием общих средних значений и статусе σ (сигма)-распределения в F-тестах ANOVA, а также t-тестов для парных выборок. С их помощью сравнивались различия в показателях релаксации между тремя группами монофонической стимуляции и контрольной группой (отмеченной как 'Без ритмов), в которой не использовалось никаких монофонических ритмов.



F-тест ANOVA [45] использовался для того, чтобы установить, имеется ли сущ



c: РЕЗУЛЬТАТЫ РЕЛАКСАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА АНАЛИЗЕ ПАРНЫХ T-ТЕСТОВ



Для подтверждения полученных данных были использованы t-тесты с парными выборками, с помощью которых производилось сравнение степени расслабления у отдельных испытуемых в рамках одного и того же теста при аудиостимуляции монофоническими биениями α, θ и δ-диапазона и без монофонических волн, как показано в таблице 4. Ниже приведен статистический анализ результатов для участника под номером 80:



Значимость различий в степени релаксации предполагала, что ее показатели в условиях аудиостимуляции должны быть выше, чем в условиях отсутствия ритмов, поэтому для анализа использовалось одностороннее значение p. Значимые результаты парных t-тестов показали наилучшие результаты при δ-ритмах (p = 0,0001), за ними следовали α-ритмы (p = 0,0065), а θ-ритмы (p = 0,1195) были наименее значимыми. Объяснения p-значений каждого из трех сегментов приведены ниже:



• Значение p в условиях низкого α-излучения составило 0,0065 (< 0,01), что соответствует строгому стандарту статистической значимости p <0,01. Следовательно, нулевую гипотезу следует отвергнуть. Это означает, что, когда испытуемый находился в состоянии возбуждения, степень релаксации во время аудиостимуляции α-монофоническими ритмами, используемыми специально для содействия расслаблению, была значительно выше, чем степень расслабления при отсутствии монофонических ритмов. Низкий уровень α-излучения наиболее близок к диапазону частот мозговых волн, наблюдаемому в состоянии бодрствования [12], [23], [44], и это также первая фаза, в которую человек попадает при переходе от бодрствования к расслаблению, еще не входя в стадию сна. Кроме того, вероятно, можно ожидать, что значение релаксации при звуковой стимуляции α-монофоническими ритмами могло бы быть еще выше, если бы не относительно непродолжительный период расслабления в данном эксперименте (приблизительно 10-15 минут).



• P-значение при сравнении с θ-ритмами составило 0,1195 (> 0,05), поэтому нулевая гипотеза не может быть отвергнута. Что касается неоднозначной картины общей производительности с θ-излучениями, то вывод заключается в том, что, хотя θ должен быть более спокойным диапазоном мозговых волн, чем низкий α, θ - это состояние дремоты [12], [23], [44], и обычно люди должны сначала пройти через низкую стадию α, прежде чем войти в θ. Однако θ-мозговые волны еще не представляют собой состояние глубокого расслабления и все еще довольно активны. Таким образом, по сравнению с состоянием бодрствующего возбуждения, здесь нет ни легкости низких α-ритмов, ни по-настоящему бессознательного периода расслабления. В данном случае это состояние может представлять собой своего рода 'преднамеренное' расслабление. В определенных ситуациях может быть нелегко перескочить состояние низких α-ритмов и сразу перейти в состояние мозговых волн в диапазоне θ частот, а, следовательно, когда монофонический ритм θ используется отдельно и только в течение короткого периода времени, у человека может возникнуть стрессовое состояние.



• P-значение при сравнении с δ-ритмами составило 0,0001 (<0,001), что соответствовало самому строгому стандарту значимости p<0,001 и было наиболее значимым из трех диапазонов, поэтому нулевую гипотезу следует отклонить. Эти данные указывают на то, что, когда испытуемый находился в возбужденном состоянии, степень расслабления при стимулировании ее только монофоническими δ-ритмами, была значительно выше, чем без них. В целом, уровень релаксации после сегмента с монофоническими δ-биениями была самой высокой из трех условий стимуляции. С точки зрения состояния мозговых волн, δ-диапазон отмечается высоким уровнем расслабления, связанным с глубоким сном и бессознательными состояниями [12], [23], [44], а, следовательно, высокие показатели релаксации при δ-стимуляции во всех аспектах соответствовали ожидаемым результатам.





3) КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТА НА РЕЛАКСАЦИЮ



Используя качественный метод нарративного анализа, можно проследить глубину переживаний и чувства, с которыми испытуемый описывает различные состояния. Благодаря качественному анализу разница между состояниями была четко описана в соответствии с классификационными признаками каждого диапазона частот мозговых волн [12], [23], [44]; описания (расположенные в порядке δ—θ—низкий α —'Нет ритмов') включали следующие фразы: 'Сон — ощущение засыпания в затылочной части — легкая сонливость в затылке — никаких ощущений'; 'Я ощущаю комфортное погружение в сон — я не очень хочу спать, но все тело очень расслаблено — У меня нет особых ощущений, какое-то время я чувствую сонливость — я не хочу спать, появляется легкое ощущение пустоты'; 'Чувство спокойствия — никаких ощущений — ничего особенного — не очень сильное расслабляющее воздействие'; и 'Похоже на засыпание за 3 секунды — похоже на засыпание за 5 секунд — более быстрое засыпание — засыпание медленнее, чем релаксация'.



Стоит особо отметить сегмент δ-резонансной волны. Почти 3/4 нарратива от общего числа записей соответствовало следующим характеристикам δ-диапазона мозговых волн: глубокий сон, сон без сновидений и глубокая релаксация. Он включал такие описания: 'Это самое расслабляющее и комфортное ощущение'; 'Я хочу спать'; 'Я больше не думаю о посторонних вещах, я собираюсь уснуть'; 'Чем дальше, тем большее расслабление я испытываю'; 'Вначале все нормально, а затем хочется заснуть'; 'Спать'; 'Сон, необычайный комфорт!'; 'Я хочу спать. Я действительно засыпаю, это самый расслабляющий сон. Я чувствую, что какая-то внешняя сила заставляет меня заснуть'; 'Тихо, комфортно'; 'Ощущение покоя'; 'Расслабление'; 'Я уже несколько раз впадал в забытье и засыпал'; 'Я даже не чувствую, что сплю'; 'Не могу ни о чем думать'; 'Очень спокоен'; 'Расслабляюсь, пока не погружусь в сон'; 'В первой половине обычные ощущения, во второй половине меня охватывает расслабление; 'Мне стало легче расслабиться'; 'Я хочу быстро заснуть'; 'Я хочу еще поспать'; 'Я ощущаю приятную атмосферу вокруг себя'; 'Ощущение тяжести'; 'Меня накрывает волна глубокого сна, я чувствую себя расслабленным и сонным'; и 'Это похоже на засыпание за 3 секунды'. Приведенные выше описания соответствовали базовым характеристикам δ-диапазона. Более того, некоторые испытуемые быстро засыпали в сегменте δ и не знали, что спали, пока их не будил экспериментатор.



Дельта-волны также должны были прогрессировать, вместе с переходом от низких значений α через θ и до δ; однако в данном эксперименте был предусмотрен отдельный метод тестирования для каждого диапазона частот. В силу этого при качественном описании эксперимента некоторые участники реагировали на расслабление, которое наступало чуть позже полученной аудиостимуляции, что могло влиять на их оценку собственного уровня релаксации по десятибалльной шкале. Следовательно, если мы скорректируем план эксперимента в будущем, логически следуя процессу релаксации (от низкого α через θ до δ) и умеренно увеличивая продолжительность периодов релаксации, ожидаемый эффект расслабления с помощью δ-резонансной аудиостимуляции может превзойти тот, что указан в обратной связи по итогам данного эксперимента.



Примерно 1/3 испытуемых отметили, что по сравнению с δ-ритмами, сегмент θ-ритмов вызывал у них ощущение внутреннего напряжения. Предположительно, это могло происходить из-за непосредственного вхождения в сегмент мозговых волн, характерных для состояния сновидения, минуя этап расслабления, связанный с α-ритмами, что является не вполне естественным способом достижения данного состояния. В 2017 году Д'Атри с коллегами проводил эксперимент по изучению влияния θ-ритмов на сон [53], где использовались θ-ритмы частотой 5 Гц для стимуляции лобно-височной области. Они пришли к выводу, что электроэнцефалография (ЭЭГ) показала высокие характеристики сна, однако шкала сонливости, которую заполнили сами участники, не подтверждала эти данные. В нашем эксперименте были получены аналогичные результаты, а именно - наблюдались относительно незначительные различия в степени релаксации между θ-волной и другими сегментами. Однако по сравнению с данными численного анализа в 4.3.1, обратная связь от испытуемых на взятые отдельно волны θ-диапазона, была более сложной, и включала как высокие показатели релаксации, так и крайне низкие ее значения. Возможно, одновременное применение стимуляции и релаксации в θ-диапазоне выявило еще одну особенность, которая требует дополнительного исследования и обсуждения в будущем.

c: РЕЗУЛЬТАТЫ РЕЛАКСАЦИИ, ОСНОВАННЫЕ НА АНАЛИЗЕ ПАРНЫХ T-ТЕСТОВ



Для подтверждения полученных данных были использованы t-тесты с парными выборками, с помощью которых производилось сравнение степени расслабления у отдельных испытуемых в рамках одного и того же теста при аудиостимуляции монофоническими биениями α, θ и δ-диапазона и без монофонических волн, как показано в таблице 4. Ниже приведен статистический анализ результатов для участника под номером 80:



Значимость различий в степени релаксации предполагала, что ее показатели в условиях аудиостимуляции должны быть выше, чем в условиях отсутствия ритмов, поэтому для анализа использовалось одностороннее значение p. Значимые результаты парных t-тестов показали наилучшие результаты при δ-ритмах (p = 0,0001), за ними следовали α-ритмы (p = 0,0065), а θ-ритмы (p = 0,1195) были наименее значимыми. Объяснения p-значений каждого из трех сегментов приведены ниже:



• Значение p в условиях низкого α-излучения составило 0,0065 (< 0,01), что соответствует строгому стандарту статистической значимости p <0,01. Следовательно, нулевую гипотезу следует отвергнуть. Это означает, что, когда испытуемый находился в состоянии возбуждения, степень релаксации во время аудиостимуляции α-монофоническими ритмами, используемыми специально для содействия расслаблению, была значительно выше, чем степень расслабления при отсутствии монофонических ритмов. Низкий уровень α-излучения наиболее близок к диапазону частот мозговых волн, наблюдаемому в состоянии бодрствования [12], [23], [44], и это также первая фаза, в которую человек попадает при переходе от бодрствования к расслаблению, еще не входя в стадию сна. Кроме того, вероятно, можно ожидать, что значение релаксации при звуковой стимуляции α-монофоническими ритмами могло бы быть еще выше, если бы не относительно непродолжительный период расслабления в данном эксперименте (приблизительно 10-15 минут).



• P-значение при сравнении с θ-ритмами составило 0,1195 (> 0,05), поэтому нулевая гипотеза не может быть отвергнута. Что касается неоднозначной картины общей производительности с θ-излучениями, то вывод заключается в том, что, хотя θ должен быть более спокойным диапазоном мозговых волн, чем низкий α, θ - это состояние дремоты [12], [23], [44], и обычно люди должны сначала пройти через низкую стадию α, прежде чем войти в θ. Однако θ-мозговые волны еще не представляют собой состояние глубокого расслабления и все еще довольно активны. Таким образом, по сравнению с состоянием бодрствующего возбуждения, здесь нет ни легкости низких α-ритмов, ни по-настоящему бессознательного периода расслабления. В данном случае это состояние может представлять собой своего рода 'преднамеренное' расслабление. В определенных ситуациях может быть нелегко перескочить состояние низких α-ритмов и сразу перейти в состояние мозговых волн в диапазоне θ частот, а, следовательно, когда монофонический ритм θ используется отдельно и только в течение короткого периода времени, у человека может возникнуть стрессовое состояние.



• P-значение при сравнении с δ-ритмами составило 0,0001 (<0,001), что соответствовало самому строгому стандарту значимости p<0,001 и было наиболее значимым из трех диапазонов, поэтому нулевую гипотезу следует отклонить. Эти данные указывают на то, что, когда испытуемый находился в возбужденном состоянии, степень расслабления при стимулировании ее только монофоническими δ-ритмами, была значительно выше, чем без них. В целом, уровень релаксации после сегмента с монофоническими δ-биениями была самой высокой из трех условий стимуляции. С точки зрения состояния мозговых волн, δ-диапазон отмечается высоким уровнем расслабления, связанным с глубоким сном и бессознательными состояниями [12], [23], [44], а, следовательно, высокие показатели релаксации при δ-стимуляции во всех аспектах соответствовали ожидаемым результатам.





3) КАЧЕСТВЕННЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТА НА РЕЛАКСАЦИЮ



Используя качественный метод нарративного анализа, можно проследить глубину переживаний и чувства, с которыми испытуемый описывает различные состояния. Благодаря качественному анализу разница между состояниями была четко описана в соответствии с классификационными признаками каждого диапазона частот мозговых волн [12], [23], [44]; описания (расположенные в порядке δ—θ—низкий α —'Нет ритмов') включали следующие фразы: 'Сон — ощущение засыпания в затылочной части — легкая сонливость в затылке — никаких ощущений'; 'Я ощущаю комфортное погружение в сон — я не очень хочу спать, но все тело очень расслаблено — У меня нет особых ощущений, какое-то время я чувствую сонливость — я не хочу спать, появляется легкое ощущение пустоты'; 'Чувство спокойствия — никаких ощущений — ничего особенного — не очень сильное расслабляющее воздействие'; и 'Похоже на засыпание за 3 секунды — похоже на засыпание за 5 секунд — более быстрое засыпание — засыпание медленнее, чем релаксация'.



Стоит особо отметить сегмент δ-резонансной волны. Почти 3/4 нарратива от общего числа записей соответствовало следующим характеристикам δ-диапазона мозговых волн: глубокий сон, сон без сновидений и глубокая релаксация. Он включал такие описания: 'Это самое расслабляющее и комфортное ощущение'; 'Я хочу спать'; 'Я больше не думаю о посторонних вещах, я собираюсь уснуть'; 'Чем дальше, тем большее расслабление я испытываю'; 'Вначале все нормально, а затем хочется заснуть'; 'Спать'; 'Сон, необычайный комфорт!'; 'Я хочу спать. Я действительно засыпаю, это самый расслабляющий сон. Я чувствую, что какая-то внешняя сила заставляет меня заснуть'; 'Тихо, комфортно'; 'Ощущение покоя'; 'Расслабление'; 'Я уже несколько раз впадал в забытье и засыпал'; 'Я даже не чувствую, что сплю'; 'Не могу ни о чем думать'; 'Очень спокоен'; 'Расслабляюсь, пока не погружусь в сон'; 'В первой половине обычные ощущения, во второй половине меня охватывает расслабление; 'Мне стало легче расслабиться'; 'Я хочу быстро заснуть'; 'Я хочу еще поспать'; 'Я ощущаю приятную атмосферу вокруг себя'; 'Ощущение тяжести'; 'Меня накрывает волна глубокого сна, я чувствую себя расслабленным и сонным'; и 'Это похоже на засыпание за 3 секунды'. Приведенные выше описания соответствовали базовым характеристикам δ-диапазона. Более того, некоторые испытуемые быстро засыпали в сегменте δ и не знали, что спали, пока их не будил экспериментатор.



Дельта-волны также должны были прогрессировать, вместе с переходом от низких значений α через θ и до δ; однако в данном эксперименте был предусмотрен отдельный метод тестирования для каждого диапазона частот. В силу этого при качественном описании эксперимента некоторые участники реагировали на расслабление, которое наступало чуть позже полученной аудиостимуляции, что могло влиять на их оценку собственного уровня релаксации по десятибалльной шкале. Следовательно, если мы скорректируем план эксперимента в будущем, логически следуя процессу релаксации (от низкого α через θ до δ) и умеренно увеличивая продолжительность периодов релаксации, ожидаемый эффект расслабления с помощью δ-резонансной аудиостимуляции может превзойти тот, что указан в обратной связи по итогам данного эксперимента.



Примерно 1/3 испытуемых отметили, что по сравнению с δ-ритмами, сегмент θ-ритмов вызывал у них ощущение внутреннего напряжения. Предположительно, это могло происходить из-за непосредственного вхождения в сегмент мозговых волн, характерных для состояния сновидения, минуя этап расслабления, связанный с α-ритмами, что является не вполне естественным способом достижения данного состояния. В 2017 году Д'Атри с коллегами проводил эксперимент по изучению влияния θ-ритмов на сон [53], где использовались θ-ритмы частотой 5 Гц для стимуляции лобно-височной области. Они пришли к выводу, что электроэнцефалография (ЭЭГ) показала высокие характеристики сна, однако шкала сонливости, которую заполнили сами участники, не подтверждала эти данные. В нашем эксперименте были получены аналогичные результаты, а именно - наблюдались относительно незначительные различия в степени релаксации между θ-волной и другими сегментами. Однако по сравнению с данными численного анализа в 4.3.1, обратная связь от испытуемых на взятые отдельно волны θ-диапазона, была более сложной, и включала как высокие показатели релаксации, так и крайне низкие ее значения. Возможно, одновременное применение стимуляции и релаксации в θ-диапазоне выявило еще одну особенность, которая требует дополнительного исследования и обсуждения в будущем.







VI. ЗАКЛЮЧЕНИЕ



В данной статье представлена система релаксации, основанная на звуковой стимуляции неслышимыми монофоническими ритмами, цель которой – помочь людям достичь расслабления. Для этого использовались два генератора сигналов, создававших акустическую ритмическую волну. Двухканальный генератор сигналов с характеристиками ритмических биений излучал сверхнизкие звуковые стимуляции частотой 9 Гц, 5,5 Гц и 2 Гц, соответствующие низким частотам α, θ и δ мозговых волн. Затем резонансный звук был перенесен за пределы диапазона частот, который может различать человеческое сознание, таким образом удалось успешно избежать помех от неприятных для слуха перепадов частот.



В дальнейшем, результаты тестирования и верификации системы показали, что правильно сгенерированные стимулирующие сигналы могут эффективно способствовать расслаблению испытуемых. Среди выделенных для стимуляции монофоническими ритмами α, θ и δ - диапазонов эффекты сегмента δ оказались наиболее значимыми независимо от метода анализа.



При этом были четко выявлены различные степени релаксации как в условиях низкого α, так и в условиях δ-излучения независимо от того, использовался ли дисперсионный анализ ANOVA или парные t-тесты. Подобное применение монофонического сигнального устройства может эффективно способствовать эмоциональному расслаблению человека. Данный проект заслуживает дальнейшей разработки, учитывая высокую стрессовую нагрузку в современном обществе. Поскольку напряжение на работе и в повседневной жизни после окончания учебы только возрастает, изучение степени расслабления при использовании бесшумной резонансной аудиостимуляции мозговых волн будет более актуально для людей, которые не являются студентами.



БЛАГОДАРНОСТЬ ОТ АВТОРОВ



Авторы хотели бы выразить признательность Пан-Синь Ши за его полезные комментарии и предложения, Кун-Хуан Хуану и Сэмюэлю Хсу из Shang Yo Construction Ltd., Тайвань, а также Фу-Цзинь Цзяню, руководителю Hottingger, Brüel & Kjær, Тайвань, за помощь и поддержку в предоставлении соответствующего оборудования. Наборы данных ретроспективной информации для нашего исследования были собраны в Южно-Тайваньском университете науки и техники, Тайнань, Тайвань.

ЧЕНЬ-МИН ЧЕН (член Института инженеров электротехники и электроники IEEE) получил степень бакалавра в области электротехники в Национальном Тайваньском океаническом университете в 1984 году, степень магистра в области электротехники в Национальном университете Чен Гун в 1990 году и степень доктора в области электротехники в Национальном университете Сунь Ятсена в 2008 году. С 2013 года он является профессором кафедры электронной инженерии Южно-Тайваньского университета науки и техники (STUST), Тайвань. С 2018 года - заслуженный профессор Южно-Тайваньского университета науки и техники. Его научные интересы охватывают области электрокерамики, пьезоэлектрических материалов и тонких пленок, сегнетоэлектрических тонких пленок, бессвинцовых датчиков давления и сбора энергии. Он стал пожизненным членом Тайваньского общества исследования материалов (MRS-T), Международного (Тайваньского) Института инноваций в области знаний (TIKI) и Тайваньской ассоциации академических инноваций (TAAI). Он также получил награду Министерства науки и технологий за особые достижения в работе колледжей и университетов (MOST) в 2010, 2011, 2012 и 2015 годах. С 2017 года является членом ПК (программного комитета) конференции ISNST (Международный симпозиум по развитию новых природосберегающих технологий), ежегодно проводимой в STUST; кроме того, в 2019 году он также был секретарем ISNST.


ЦЗЕН-ФАН ЛИН получила степень магистра по композиции на музыкальном факультете Национального университета имени Сунь Ятсена, Гаосюн, Тайвань. В настоящее время она работает над докторской диссертацией на факультете электронной инженерии Южно-Тайваньского университета науки и техники, Тайнань, Тайвань. Параллельно преподает на факультете индустрии популярной музыки Южно-Тайваньского университета науки и техники. Она создала множество компьютерных и электронных музыкальных композиций и получила ряд патентов, связанных с применением звука.


ЙОУ-ДЖУН ЧЕН (член IEEE) получил степень бакалавра математики в Технологическом институте Татунг, Тайбэй, Тайвань, и степень доктора философии в Институте информационной инженерии Национального университета Ченг Кунг, Тайнань, Тайвань, в 1995 и 2000 годах, соответственно. С 2001 по 2005 год работал в качестве исследователя в Центре передовых технологий, лабораториях компьютерных сетей и коммуникаций Научно-исследовательского института промышленных технологий. В настоящее время он является профессором кафедры электротехники Южно-Тайваньского университета науки и техники в Тайнане. Круг его научные интересы включает обработку биомедицинских сигналов, обработку разговорной речи и искусственный интеллект. Он является членом Общества биомедицинской инженерии, Тайваньского общества реабилитационной инженерии и вспомогательных технологий, а также Ассоциации компьютерной лингвистики и обработки китайского языка.


ЛИАН-БИ ЧЕН (старший сотрудник IEEE) получил степени бакалавра и магистра в области электронной инженерии в Национальном университете прикладных наук Гаосюна, Тайвань, в 2001 и 2003 годах соответственно, а также степень доктора наук в области электронной инженерии в Южно-Тайваньском университете науки и технологии, Тайнань, Тайвань, в 2019 году. С 2004 по 2010 год он был зачислен в докторантуру по информатике и программной инженерии в Национальном университете Сунь Ятсена, Гаосюн, Тайвань. В 2008 году проходил стажировку на факультете компьютерных наук Национального университета Сингапура. Он также выступал в роли приглашенного исследователя на факультете компьютерных наук Калифорнийского университета в Ирвайне, Калифорния, США, с 2008 по 2009 год и на факультете компьютерных наук и программной инженерии Университета Васэда, Токио, Япония, в 2010 году. В 2012 году он начал работать в компании BXB Electronics Company Ltd., Гаосюн, в качестве инженера по исследованиям и разработкам, где с 2013 по 2016 год был личным помощником вице-президента. В 2016 году поступил на работу в Южно-Тайваньский университет науки и техники в качестве младшего научного сотрудника и адъюнкт-доцента. В 2020 году поступил на факультет компьютерных наук и информационной инженерии Национального университета науки и техники Пэнху, Тайвань, в качестве доцента и руководителя. Лян-Би Чен является членом IEICE. Он также был членом TPC, членом IPC и рецензентом многих международных конференций и журналов IEEE/ACM. Он получил первый приз за Лучшую статью от IEEE ICASI 2017, награду за Почетное упоминание от IEEE ICAAI 2016, первое место за лучшую Демонстрационную версию от IEEE GCCE (2016-2018) и награду за выдающуюся работу от IEEE LifeTech 2020. Он стал лауреатом премии Студенческого лидерства от Образовательного сообщества IEEE за 2014 год, премии Национальной центральной библиотеки Тайваня "Будущая элита молодых ученых" за 2019 год и премии за Экспертную оценку академии Publons (2018-2019). С 2019 года Лян-Би Чен работает помощником редактора в научном журнале IEEE ACCESS и приглашенным редактором журнала Energies and Applied Sciences. Он также получил награду журнала IEEE ACCESS за выдающуюся работу помощника редактора (2020-2021). С 2022 года он является председателем Технического комитета IoT (TC) в Обществе потребительских технологий IEEE.

1. G. M. Slavich, "Life stress and health: A review of conceptual issues and recent findings", Teach. Psychol., vol. 43, no. 4, pp. 346-355, Oct. 2016.

2.G. S. Shields and G. M. Slavich, "Lifetime stress exposure and health: A review of contemporary assessment methods and biological mechanisms", Social Personality Psychol. Compass, vol. 11, no. 8, Aug. 2017.

3. G. M. Slavich, J. G. Stewart, E. C. Esposito, G. S. Shields and R. P. Auerbach, "The stress and adversity inventory for adolescents (Adolescent STRAIN): Associations with mental and physical health risky behaviors and psychiatric diagnoses in youth seeking treatment", J. Child Psychol. Psychiatry, vol. 60, no. 9, pp. 998-1009, Sep. 2019.

4. J. D. Lie, K. N. Tu, D. D. Shen and B. M. Wong, "Pharmacological treatment of insomnia", Pharmacy Therapeutics, vol. 40, no. 11, pp. 756-768, Nov. 2015.

5. M. Kramer, "Long-term use of sleeping pills in chronic insomnia" in Sleep and Sleep Disorders, Boston, MA USA:Springer, pp. 135-140, 2006.

6. E. Hwang and S. Shin, "The effects of aromatherapy on sleep improvement: A systematic literature review and meta-analysis", J. Alternative Complementary Med., vol. 21, no. 2, pp. 61-68, Feb. 2015.

7. A. Takeda, E. Watanuki and S. Koyama, "Effects of inhalation aromatherapy on symptoms of sleep disturbance in the elderly with dementia", Evidence-Based Complementary Alternative Med., vol. 2017, Mar. 2017.

8. M. de Witte, G.-J. Stams, X. Moonen, A. E. R. Bos and S. van Hooren, "Music therapy for stress reduction: A systematic review and meta-analysis", Health Psychol. Rev., vol. 16, no. 1, pp. 134-159, Nov. 2020.

9. M. da Silva Junior, R. C. de Freitas, W. P. dos Santos, W. W. A. da Silva, M. C. A. Rodrigues and E. F. Q. Conde, "Exploratory study of the effect of binaural beat stimulation on the EEG activity pattern in resting state using artificial neural networks", Cognit. Syst. Res., vol. 54, no. 1, pp. 1-20, May 2019.

10. L. Chaieb, E. C. Wilpert, T. P. Reber and J. Fell, "Auditory beat stimulation and its effects on cognition and mood states", Frontiers Psychiatry, vol. 6, pp. 70, May 2015.

11. L. Harmat, J. Takács and R. Bódizs, "Music improves sleep quality in students", J. Adv. Nursing, vol. 62, no. 3, pp. 327-335, May 2008.

12. C.-Y. Chen, "The Study of different frequencies on binaural beats music for attention or meditation EEG signals", 2013.

13.
M. Lee, C.-B. Song, G.-H. Shin and S.-W. Lee, "Possible effect of binaural beat combined with autonomous sensory meridian response for inducing sleep", Frontiers Hum. Neurosci., vol. 13, pp. 425, Dec. 2019.

14.
W. M. F. W. M. Noor, N. Zaini, H. Norhazman and M. F. A. Latip, "Dynamic encoding of binaural beats for brainwave entrainment", Proc. IEEE Int. Conf. Control Syst. Comput. Eng., pp. 626-630, Nov. 2013.

15.
W. R. Watkins, "Constructive and unconstructive repetitive thought", Psychol. Bull., vol. 134, no. 2, pp. 163-206, Mar. 2008.

16.
M. V. Thoma, R. La Marca, R. Brönnimann, L. Finkel, U. Ehlert and U. M. Nater, "The effect of music on the human stress response", PLoS ONE, vol. 8, no. 8, Aug. 2013.

17. J. J. Alvarsson, S. Wiens and M. E. Nilsson, "Stress recovery during exposure to nature sound and environmental noise", Int. J. Environ. Res. Public Health, vol. 7, no. 3, pp. 1036-1046, Mar. 2010.

18. S.-C. Lee, "The generation of chi by stimulation methods", pp. 117-125, 1989.

19. S.-C. Lee, Scientific Chi-Kong, Suncolor, Taipei, Taiwan, 2017.

20. W. Liu, L. Schaffer, N. Herrs, C. Chollet and S. Taylor, "Improved sleep after qigong exercise in breast cancer survivors: A pilot study", Asia–Pacific J. Oncol. Nursing, vol. 2, no. 4, pp. 232-239, Oct. 2015.


21. N. Jirakittayakorn and Y. Wongsawat, "A novel insight of effects of a 3-Hz binaural beat on sleep stages during sleep", Frontiers Hum. Neurosci., vol. 12, pp. 387, Sep. 2018.


22. B. C. J. Moore, An Introduction to the Psychology of Hearing, Bingley, U.K.:Emerald Group Publishing Limited, 2012.

23. D. A. Brahmankar, R. Dange and V. Mankar, "The effect of resonance on human consciousness", Int. J. Comput. Appl., vol. 3, no. 5, pp. 15-17, Mar. 2012.

24.
H. D. O. Perez, G. Dumas and A. Lehmann, "Binaural Beats through the auditory pathway: From brainstem to connectivity patterns", Eneuro, vol. 7, no. 2, pp. 1-18, 2020.

25.
N. Jirakittayakorn and Y. Wongsawat, "Brain responses to a 6-Hz binaural beat: Effects on general theta rhythm and frontal midline theta activity", Frontiers Neurosci., vol. 11, pp. 365, Jun. 2017.


26.
L. Chaieb, E. C. Wilpert, C. Hoppe, N. Axmacher and J. Fell, "The impact of monaural beat stimulation on anxiety and cognition", Frontiers Hum. Neurosci., vol. 11, pp. 251, May 2017.


27. P. Hübner, Invocation of WorldWorld Conscience, Apr. 2020, [online] Available: https://www.peterhuebner.com/en/index.htm.

28. M. Derner, L. Chaieb, G. Dehnen, T. P. Reber, V. Borger, R. Surges, et al., "Auditory beat stimulation modulates memory-related single-neuron activity in the human medial temporal lobe", Brain Sci., vol. 11, no. 3, pp. 364, Mar. 2021.

29. R. Draganova, B. Ross, A. Wollbrink and C. Pantev, "Cortical steady-state responses to central and peripheral auditory beats", Cerebral Cortex, vol. 18, no. 5, pp. 1193-1200, May 2008.


30.
D. W. Schwarz and P. Taylor, "Human auditory steady state responses to binaural and monaural beats", Clin. Neurophysiol., vol. 116, no. 3, pp. 658-668, 2005.


31. T. L. Goldsby, M. E. Goldsby, M. McWalters and P. J. Mills, "Effects of singing bowl sound meditation on mood tension and well-being: An observational study", J. Evidence-Based Complementary Alternative Med., vol. 22, no. 3, pp. 401-406, Jul. 2017.


32. B. Ross, T. Miyazaki, J. Thompson, S. Jamali and T. Fujioka, "Human cortical responses to slow and fast binaural beats reveal multiple mechanisms of binaural hearing", J. Neurophysiol., vol. 112, no. 8, pp. 1871-1884, Oct. 2014.


33. A. Crespo, M. Recuero, G. Galvez and A. Begoña, "Effect of binaural stimulation on attention and EEG", Arch. Acoust., vol. 38, no. 4, pp. 517-528, Dec. 2013.


34. H. Pratt, A. Starr, H. J. Michalewski, A. Dimitrijevic, N. Bleich and N. Mittelman, "A comparison of auditory evoked potentials to acoustic beats and to binaural beats", Hearing Res., vol. 262, no. 1, pp. 34-44, Apr. 2010.


35.
T.-C. Tsai, "On exploration of categorical and dimensional approaches to emotion: A neurophysiologic study", 2009.

36.
A. Yang, "The relationship among electroencephalography skin conductance response heart rate variability and mental health among smartphone users after receiving texting or calling", 2017.

37.
M. Pawlaczyk-Łuszczynska and A. Dudarewicz, "Impact of very high-frequency sound and low-frequency ultrasound on people–the current state of the art", Int. J. Occupational Med. Environ. Health, vol. 33, no. 4, pp. 389-408, Apr. 2020.


38. C. Jurado and T. Marquardt, "Brain's frequency following responses to low-frequency and infrasound", Arch. Acoust., vol. 45, no. 2, pp. 313-319, 2020.

39. L. Wang, E. Noordanus and A. J. Van Opstal, "Towards real-time detection of auditory steady-state responses: A comparative study", IEEE Access, vol. 9, pp. 108975-108991, 2021.
View Article

40.
Reverberator, Oct. 2021, [online] Available: https://www.mathworks.com/help/audio/ref/reverberator-system-object.html#responsive_offcanvas.

41. Y. Liu, O. Sourina and M. K. Nguyen, "Real-time EEG-based emotion recognition and its applications" in Transactions on Computational Science XII, Cham, Switzerland:Springer Springer, vol. 6670, pp. 256-277, 2011.

42. M. Murugappan, N. Ramachandran and Y. Sazali, "Classification of human emotion from EEG using discrete wavelet transform", J. Biomed. Sci. Eng., vol. 3, no. 4, pp. 390-396, 2010.


43. J. Abitbol, The Power of the Voice, San Diego, CA, USA:Plural Publishing, 2016.

44. S. Danho, W. Schoellhorn and M. Aclan, "Innovative technical implementation of the Schumann resonances and its influence on organisms and biological cells", Proc. IOP Conf. Mater. Sci. Eng., Oct. 2019.


45. Analysis of Variance (ANOVA), Jan. 2022, [online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Analysis_of_variance.

46.
Instruments and Analyzers, Oct. 2021, [online] Available: https://www.bksv.com/en/instruments.

47.
E. Yin, T. Zeyl, R. Saab, D. Hu, Z. Zhou and T. Chau, "An auditory-tactile visual saccade-independent P300 brain–computer interface", Int. J. Neural Syst., vol. 26, no. 1, Feb. 2016.


48.
T. Zeyl, E. Yin, M. Keightley and T. Chau, "Improving bit rate in an auditory BCI: Exploiting error-related potentials", Brain-Comput. Interface, vol. 3, no. 2, pp. 75-87, 2016.


49. Phase, Apr. 2022, [online] Available: https://ptolemy.berkeley.edu/eecs20/week8/phase.html.

50. M. Wereski, "The threshold of hearing", STEAM J., vol. 2, no. 1, pp. 1-4, Sep. 2015.

51.
P. S. Sundar, C. Chowdhury and S. Kamarthi, "Evaluation of human ear anatomy and functionality by axiomatic design", Biomimetics, vol. 6, no. 2, pp. 31, May 2021.

52. Equal-loudness contour, Apr. 2022, [online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Equal-loudness_contour#/media/File:Lindos1.svg.

53. A. D'Atri, C. Romano, M. Gorgoni, S. Scarpelli, V. Alfonsi, M. Ferrara, et al., "Bilateral 5 Hz transcranial alternating current stimulation on fronto-temporal areas modulates resting-state EEG", Scientific Reports, vol. 7, pp. 1-11, Nov. 2017.