$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
מחקר זה נערך בהתאם להנחיות ועדת האתיקה של אוניברסיטת קוז'ואו. פרוטוקול המחקר אושר על ידי מועצת הביקורת המוסדית של אוניברסיטת צ'וז'ואו (IRB) תחת מספר אישור QZU-IRB-2026-037. כל המשתתפים נתנו הסכמה מדעת לפני הכללתם במחקר.
הכנה ניסיונית וגיוס משתתפים
הניסוי כלל ארבעה שלבים (איור 1): הכנה, תכנון ניסוי, בניית מודל וניתוח תוצאות. בשלב ההכנה, מטרות המחקר הוגדרו בהתבסס על סקירת ספרות על טיפול במוזיקה, רכישת נתוני EEG ומודלים של למידה עמוקה. בשלב עיצוב הניסוי, גויסו 30 משתתפים בריאים לביצוע משימות האזנה למוזיקה. נרשמו אותות EEG ודירוגי היכרות עם מוזיקה. נתוני EEG תוקנו וחולקו לחלונות של 2048 דגימות עם חפיפה של 1024 מדגמים. מאפייני היכרות שולבו עם נתוני EEG כקלטי מודל. נבנו שני מודלים, CNN+RNN ו-EEGNet. שכבות CNN חילצו תכונות זמן–תדר, ו-LSTM דו-כיווני תפס תלות זמנית. שכבה מחוברת לחלוטין עם פונקציית הפעלה של softmax שימשה לסיווג. המודלים אומנו עם גודל אצווה של 50 ל-30 אפוקים, באמצעות אופטימייזר אדם. הוטלו נשירה והפסקה מוקדמת. הביצועים הוערכו בעיקר באמצעות דיוק כמדד המדווח, כאשר מדדי דיוק, זיכרון וציון F1 חושבו גם הם להערכה נוספת.
סביבה ניסיונית והקמת ציוד
הניסוי נערך בחדר שקט וסגור וללא הפרעות חיצוניות, כאשר טמפרטורת החדר נשמרה על 27 מעלותצלזיוס. הציוד הבא שימש: מכשיר EEG (Muse S, InteraXon Inc.), מערכת EEG בעלת ארבעה ערוצים (TP9, AF7, AF8, TP10) עם קצב דגימה של 256 הרץ; אוזניות E3000 האחרונות באוזניים; ומחשב לרכישת נתונים שמריץ את Muse SDK ו-Lab Streaming Layer (LSL).
לפני כל מפגש ניסוי, משטחי מגע האוזניים באוזניות נוקו באלכוהול כדי להבטיח היגיינה ולהפחית את הסיכון לזיהום צולב. אוזניות Muse S הותקנו לכל משתתף, מה שהבטיח מגע יציב בין ארבע האלקטרודות היבשות (TP9, AF7, AF8, TP10) לבין העור. אם איכות האות הייתה ירודה, מיקום רצועת הראש הותאמה עד שהושגו אותות יציבים. המשתתפים ישבו על כיסא נוח עם תמיכה בגב והונחו לשמור על עיניים עצומות, להימנע מדיבור ולהפחית תנועות גוף גדולות במהלך הניסוי.
הכנת גירוי מוזיקלי
הוכנו שלושה ז'אנרים מוזיקליים: רוק, לירי (בלדה) ומוזיקת פולק. כל ז'אנר כלל שלושה שירים סיניים, בסך הכל תשעה שירים. כדי לשלוט בהבדלים בהיכרות מוזיקלית, נבחרו שירים בכל ז'אנר לפי הקריטריונים הבאים: שיר ישן אחד; שיר פופולרי אחד כיום (ממצעד השירים המובילים של ספוטיפיי); ושיר חדש אחד (ממצעד Spotify New Releases).
כל שיר נערך לקטע אודיו סטנדרטי, החל מהפתיחה, אחריו הבית, ומסתיים בפזמון הראשון, עם אורך כולל של 90–130 שניות. לכל שיר הוקצה מזהה ייחודי (למשל, R1–R3, B1–B3, F1–F3) לצורך תיוג נתונים וניהול קבצים נוספים.
הליך ניסויי והקלטת שאלונים
לפני הניסוי הרשמי, נערך מבחן עוצמת קול על ידי השמעת קטע אודיו מבחן. המשתתפים כיוונו את הווליום לרמה שהייתה ברורה, נוחה ולא רועשת מדי, ושמרו על יציבות לאורך כל הניסוי. סדר ההשמעה של תשעת השירים היה אקראי (למשל, באמצעות טבלת מספרים אקראית או אקראיות תוכנה) כדי להפחית אפקטים של הסדר. כל המשתתפים השלימו את משימות ההאזנה למוזיקה באופן עצמאי. כל קטע מוזיקלי הוצג מהפתיחה ועד הפזמון הראשון, שנמשך 90–130 שניות. סופק מנוחה של 30 שניות בין השירים. במהלך תקופה זו, המשתתפים מילאו שאלון היכרות באמצעות פלטפורמה מקוונת (Questionnaire Star). המשתתפים דירגו את ההיכרות שלהם עם כל שיר באמצעות סולם ליקרט בן חמש נקודות (1 = זר לחלוטין; 5 = מאוד מוכר). תווית ההעדפה של המשתתף לכל שיר נרשמה (0 = אי-אהבה; 1 = אהבה) בהתאם לשיטת הסיווג הבינארית המוגדרת מראש. ההליך הניסויי המלא מוצג באיור 2.
רכישת EEG ורישום נתונים
נתוני EEG נאספו באמצעות ערכת הפיתוח הרשמית של Muse והועברו דרך Lab Streaming Layer (LSL). נתוני ה-EEG המתאימים לכל שיר נשמרו כקבצי ערכים מופרדים בפסיקים (CSV), שכללו לפחות את השדות הבאים: חותמת זמן (מילישניות); אותות EEG גולמיים מארבעה ערוצים (TP9, AF7, AF8, TP10); ציון היכרות מוקלט ידנית (1–5); ותווית העדפה (0/1). נעשה שימוש בקונבנציה עקבית של מתן שמות קבצים (למשל, S01_R1.csv לציין משתתף 01 ושיר רוק 1) כדי להקל על עיבוד אוטומטי ומעקב.
עיבוד נתונים מוקדם, נרמול וחלון
אותות EEG הוקלטו באמצעות מכשיר EEG ארבעה ערוצי Muse S עם קצב דגימה של 256 הרץ, ותוכניות מותאמות אישית פותחו באמצעות ערכת הפיתוח הרשמית. נתוני EEG גולמיים נאספו דרך שכבת הזרמת המעבדה (LSL) ונשמרו בפורמט CSV. קבצי ה-CSV כללו את העמודות הבאות: חותמת זמן (מילישניות), ערכי EEG בארבעה ערוצים (TP9, AF7, AF8, TP10), דירוגי היכרות עם מוזיקה למשתמש (1–5), ודירוגי העדפת מוזיקה למשתמשים.
מספר הנתונים הכולל תואם למספר חלונות שנוצרים לכל משתתף ולכל יצירה מוזיקלית, מה שמוביל למערך נתונים בקנה מידה גדול בהתאם לסכמת החלון. בניסוי המקורי, העדפת המוזיקה יוצגה כתווית בינארית (0 = אי-אהבה, 1 = לייק), מה שעשוי להוביל לדיוק מלאכותי גבוה ולהכללה מוגבלת של המודל.
כדי לשפר את המשמעות המעשית של משימת החיזוי, תוויות ההעדפה הוסבו לסולם דירוג רב-רמות: 0 = לא מסכים בתוקף; 1 = לא מסכים; 2 = נייטרלי; 3 = מסכים; 4 = מסכים מאוד.
לפני למידת המכונה, הנתונים היו סטנדרטיים וחולקו לחלונות של 2048 דגימות כל אחד, כאשר 1024 דגימות חופפות בין חלונות סמוכים כדי לשמור על המשכיות זמנית. בנוסף, הוחל הגדלת נתונים להגדלת מספר דגימות ההכשרה ולהפחתת הסיכון להתאמה יתר.
ארכיטקטורת מודלים
מודל המחקר כלל שלוש שכבות קונבולוציונליות, שלוש שכבות איגוד, ושכבה מחוברת לחלוטין. שימש Maximum Pooling לבחירת תכונות, הוחל dropout להפחתת התאמת יתר, והפלט הסופי נוצר באמצעות שכבת סיווג softmax. כל חלון קלט כלל אותות EEG בארבעה ערוצים (2048 דגימות בחלון) ואפשרות היכרות. הפלט ייצג דירוג העדפה של חמש מחלקות. הארכיטקטורה מוצגת באיור 3, ופרמטרי המודל מפורטים בטבלה 2.
אימון מודלים ואימות הדדי
מערך הנתונים חולק באקראי ל-80% להכשרה ו-20% לבדיקות. בוצעה אימות הדדי פי עשרה, כאשר תת-קבוצה אחת שימשה לאימות ותשעת הנותרים לאימון בכל איטרציה. תהליך זה חזר על עצמו עשר פעמים, והתוצאות אוחדו. היפרפרמטרים של האימון הוגדרו כך: Epochs = 30; גודל אצווה = 50; אופטימייזר = אדם; פונקציית אובדן = קרוסאנטרופיה קטגורית; מדד הערכה = דיוק. ביצועי הדגם הוקלטו בתנאי EEG בלבד ו-EEG + היכרות, הן לכל הז'אנרים יחד והן לז'אנרים בודדים.
שיטות ניתוח סטטיסטי
ניתוח הנתונים בוצע באמצעות פייתון 3.10 עם TensorFlow 2.12, Keras 2.12 ו-MNE-Python 1.3. עיבוד וניתוח נתונים בוצעו באמצעות Pandas 2.1 ו-NumPy 1.26. מדדי ביצועים מתוך האימות הצולב של 10 פעמים נאספו, וחושבו ערכי ממוצע וסטיית תקן. השוואות סטטיסטיות בין מצבים בוצעו באמצעות מבחני t זוגיים או מבחני דירוג חתום של וילקוקסון, עם רמת מובהקות של P < 0.05.