Нелінійна динаміка біосигналів: застосування схеми Чуа для аналізу психоемоційних станів
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2026-1(97)-412-420Ключові слова:
нелінійна динаміка, теорія хаосу, схема Чуа, імпеданс шкіри, психоемоційні стани, детектори стресуАнотація
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.
Посилання
Mintser, O.P. (ed.) (2010), Suchasni metody i zasoby dlia vyznachennia i diahnostuvannia emotsiinoho stresu, VNTU, Vinnytsia.
Avrunin, O.H., Semenets, V.V., Abakumov, V.H. et al. (2019), Osnovy reiestratsii ta analizu biosyhnaliv, KhNURE, Kharkiv.
Muthuswamy, B. and Chua, L.O. (2019), «Chua circuit: a paradigm for chaos», International Journal of Bifurcation and Chaos, Vol. 29, No. 3.
Khrapko, S.M., Shpatar, P.M. and Politanskyi, L.F. (2017), «Modyfikovanyi neavtonomnyi henerator khaotychnykh syhnaliv na osnovi skhemy Chua», Naukovi zapysky UNDIZ, No. 2 (46), pp. 90–97.
Njitacke, Z.T., Fozin, T.F., Tchapga, C.T. et al. (2020), «Control of coexisting attractors with preselection of the survived attractor in multistable Chua’s system: a case study», Complexity, Vol. 2020, No. 1.
Li, C. and Sprott, J.C. (2020), «Multistability and hidden attractors in Chua’s circuit», Nonlinear Dynamics, Vol. 100, No. 2, pp. 1455–1473.
Pham, V.-T., Jafari, S. and Volos, C. (2021), «A review of chaotic circuits and hidden attractors», Entropy, Vol. 23, No. 5, 532 р.
Boccaletti, S., Kurths, J., Osipov, G. et al. (2020), Synchronization of chaotic systems: recent advances, physics reports, Vol. 544, pp. 1–122.
Wang, X. and Chen, G. (2021), «Adaptive control and synchronization of chaotic systems», IEEE Transactions on Circuits and Systems I, Vol. 68, No. 5, pp. 2013–2026.
Bao, H. and Hu, A. (2022), «Parameter-dependent dynamics and bifurcations in Chua systems», Chaos, Solitons & Fractals, Vol. 158.
Liu, H., Wang, Y. and Liu, Z. (2022), «Chaos-based weak signal detection: a review», Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 162.
Rashid, N., Ali, M. and Khan, S. (2024), «Stress detection using wearable biosensors and machine learning», MethodsX, Vol. 12.
Yadav, N., Kumar, R. and Singh, S. (2025), «AI-integrated wearable sensors for health monitoring», Nanoscale Advances, Vol. 7, pp. 1234–1248.
Snitsar, Ye.V. and Khudetskyi, I.Yu. (2022), «Vyznachennia zhyttiezdatnosti tkanyny vymiriuvanniam elektrychnykh parametriv. Teoretychne doslidzhennia», Biomedychna inzheneriia ta tekhnolohiia, Vol. 2, pp. 8–13.
«Vymiriuvannia impedansu biolohichnykh tkanyn», [Online], available at: https://studfile.net/preview/5376428/
Sukholeister, O. and Nakonechnyi, A. (2023), «Stratehii zlyttia fiziolohichnykh syhnaliv ta rozpiznavannia emotsii», Vymiriuvalna ta obchysliuvalna tekhnika v tekhnolohichnykh protsesakh, No. 4, pp. 34–43.
Silva, A.M., Campa, F., Stagi, S. et al. (2023), «The bioelectrical impedance analysis (BIA) international database: aims, scope, and call for data», European Journal of Clinical Nutrition, No. 77, pp. 1143–1150.
Список використаної літератури:
Сучасні методи і засоби для визначення і діагностування емоційного стресу : монографія / за заг. ред. О.П. Мінцера. – Вінниця : ВНТУ, 2010. – 228 с.
Основи реєстрації та аналізу біосигналів : навч. посібн. / О.Г. Аврунін, В.В. Семенець, В.Г. Абакумов та ін. – Харків : ХНУРЕ, 2019. – 400 с.
Muthuswamy B. Chua circuit: a paradigm for chaos / B.Muthuswamy, L.O. Chua // International Journal of Bifurcation and Chaos. – 2019. – Vol. 29, № 3.
Храпко С.М. Модифікований неавтономний генератор хаотичних сигналів на основі схеми Чуа / С.М. Храпко, П.М. Шпатар, Л.Ф. Політанський // Наукові записки УНДІЗ. – 2017. – № 2 (46). – С. 90–97.
Control of Coexisting Attractors with Preselection of the Survived Attractor in Multistable Chua’s System: A Case Study / Z.T. Njitacke, T.F. Fozin, C.T. Tchapga and other // Complexity. – 2020. – Vol. 2020, № 1. – 16 p.
Li C. Multistability and hidden attractors in Chua’s circuit / C.Li, J.C. Sprott // Nonlinear Dynamics. – 2020. – Vol. 100, № 2. – P. 1455–1473.
Pham V.-T. A review of chaotic circuits and hidden attractors / V.-T. Pham, S.Jafari, C.Volos // Entropy. – 2021. – Vol. 23, № 5. – 532 р.
Synchronization of chaotic systems: recent advances : physics reports / S.Boccaletti, J.Kurths, G.Osipov and other. – 2020. – Vol. 544. – P. 1–122.
Wang X. Adaptive control and synchronization of chaotic systems / X.Wang, G.Chen // IEEE Transactions on Circuits and Systems I. – 2021. – Vol. 68, № 5. – P. 2013–2026.
Bao H. Parameter-dependent dynamics and bifurcations in Chua systems / H.Bao, A.Hu // Chaos, Solitons & Fractals. – 2022. – Vol. 158.
Liu H. Chaos-based weak signal detection: a review / H.Liu, Y.Wang, Z.Liu // Mechanical Systems and Signal Processing. – 2022. – Vol. 162.
Rashid N. Stress detection using wearable biosensors and machine learning / N.Rashid, M.Ali, S.Khan // MethodsX. – 2024. – Vol. 12.
Yadav N. AI-integrated wearable sensors for health monitoring / N.Yadav, R.Kumar, S.Singh // Nanoscale Advances. – 2025. – Vol. 7. – P. 1234–1248.
Сніцар Є.В. Визначення життєздатності тканини вимірюванням електричних параметрів. Теоретичне дослідження / Є.В. Сніцар, І.Ю. Худецький // Біомедична інженерія та технологія. – 2022. – № 2. – С. 8–13.
Вимірювання імпедансу біологічних тканин [Електронний ресурс]. – Режим доступу : https://studfile.net/preview/5376428/.
Сухолейстер О. Стратегії злиття фізіологічних сигналів та розпізнавання емоцій / О.Сухолейстер, А.Наконечний // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. – 2023. – № 4. – С. 34–43.
The bioelectrical impedance analysis (BIA) international database: aims, scope, and call for data / A.M. Silva, F.Campa, S.Stagi and other // Eur J Clin Nutr. – 2023. – № 77. – Р. 1143–1150.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2026 Оксана Леонідівна Коренівська, Юлія В’ячеславівна Богоявленська, Василь Борисович Бенедицький
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
