Publication: Detecting mental fatigue in online learners using EEG-based emotional metrics and ensemble learning
cris.virtual.orcid | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# | |
cris.virtualsource.department | 0aa5f93e-7517-4994-9415-6ce08f6fe3cc | |
cris.virtualsource.orcid | 0aa5f93e-7517-4994-9415-6ce08f6fe3cc | |
dc.contributor.author | Hossain, Md Farhad | |
dc.contributor.supervisor | Hamwira Sakti Yaacob | |
dc.contributor.supervisor | Faizah Idrus | |
dc.date.accessioned | 2025-03-26T02:25:56Z | |
dc.date.available | 2025-03-26T02:25:56Z | |
dc.date.issued | 2024 | |
dc.description.abstract | Mental fatigue is a brain state that causes energy levels to decline due to engagement in a prolonged period of cognitive tasks, such as online learning. It results attention deficits and poor academic performance by reducing focus and engagement during online learning sessions. It is essential to address mental fatigue early because it leads to permanent cognitive deficits and emotional impairments. Existing subjective assessments like surveys, interviews and self-report questionnaires are time-consuming and often reported as bias, since humans cannot accurately measure their cognitive performance. Although there are numerous machine learning (ML) approaches for mental fatigue detection using electroencephalogram (EEG) signals, there is a lack of study on mental fatigue detection among online learners. Therefore, this study aims to use EEG-derived emotional states metrics for mental fatigue detection by identifying existing EEG-based emotional metrics and mental fatigue detection techniques through literature review, then developing and evaluating machine learning models. Thus, this study employs Emotiv Performance Metrics (EPM) including engagement, excitement, interest, stress and relaxation. The mental fatigue detection consists of EPM metrics collection using an Emotiv Insight headset, and ML model development including Logistic Regression (LR), Support Vector Machine (SVM), Multilayer Perceptron (MLP) and Ensemble Learning model. A total of 10 students participated in the data collection session. However, data from only 8 participants were included in the mental fatigue detection. The two participants were excluded based on the Chalder fatigue Scale (CFS). One participant pre-CFS score is 4, which defines that he is already in a fatigue state. Other participants pre-CFS and post-CFS score was less than 4, that indicates the participants did not fatigue during the learning session. The findings of descriptive analysis, correlation analysis and statical analysis show the significance of EPM between the fatigue and non-fatigue sessions. The mental fatigue detection models show reliable and consistent performance. Notably, the Ensemble model exhibits the most consistency and reliability in the subject-dependent analysis with average accuracy 0.91, F1-score 0.91, ROC AUC score 0.96 and cross validation 0.87, where subject-independent analysis with accuracy 0.75, F1-score 0.76, ROC AUC 0.83 and cross-validation mean 0.75. This evident that the subject-dependent models are more consistent than the subject-independent model. The findings are also evident that EPM emotional states are crucial features in the mental fatigue detection for online learners. Furthermore, the findings of this research lead to proposes a real-time mental fatigue intervention framework for online learners, where mental fatigue detection is achieved using EPM emotional metrics and Ensemble learning. Future studies need to investigate the influence factors of emotional states and mental fatigue to evaluate the mental fatigue intervention framework. A comprehensive investigation is required for subject-independent and subject-dependent based mental fatigue detection and intervention techniques. | |
dc.description.abstractarabic | الإرهاق العقلي هو حالة دماغية تسبب انخفاض مستويات الطاقة بسبب الانخراط في فترة طويلة من المهام الإدراكية، مثل التعلم عبر الإنترنت. ويسبب ذلك ضعف في الانتباه والأداء الأكاديمي نتيجة قلة التركيز والمشاركة أثناء جلسات التعلم عبر الإنترنت. ومن الضروري معالجة الإرهاق العقلي في وقت مبكر لأنه يؤدي إلى عجز إدراكي دائم واضطرابات عاطفية. التقييمات الذاتية الحالية، مثل الاستطلاعات والمقابلات والاستبياناتالذاتية، تستغرق وقتًا طويلاً وغالبًا ما يتم الإبلاغ عنها كتحيز، لأن البشر لا يمكنهم قياس أدائهم الإدراكي بدقة. على الرغم من وجود العديد من الأساليب التي تعتمد على التعلم الآلي (ML) للكشف عن الإجهاد العقلي باستخدام إشارات تخطيط كهربية الدماغ (EEG) ، إلا أن هناك نقصًا في الدراسات المتعلقة بالكشف عن الإرهاق العقلي بين المتعلمين عبر الإنترنت. لذلك، تهدف هذه الدراسة إلى استخدام مقاييس الحالات العاطفية المستمدة من EEG للكشف عن الإرهاق العقلي من خلال تحديد المقاييس العاطفية الحالية المستندة إلى EEG وتقنيات الكشف عن الإجهاد العقلي من خلال مراجعة الأدبيات، ثم تطوير وتقييم نماذج تعلم الآلة. لذلك، تعتمد هذه الدراسة على مقاييس الأداء من Emotiv (EPM) التي تشمل المشاركة، والإثارة، والاهتمام، والضغط، والاسترخاء. تتكون عملية الكشف عن الإرهاق العقلي من جمع مقاييس EPM باستخدام سماعة رأس Emotiv Insight ، وتطوير نماذج تعلم آلي تشمل الانحدار اللوجستي (LR) ، وآلة دعم المتجهات (SVM) ،والشبكات العصبية متعددة الطبقات (MLP) ، ونموذج التعلم التجميعي (Ensemble Learning) . شاركت مجموعة من 10 طلاب في جلسة جمع البيانات، ولكن تم تضمين بيانات 8 مشاركين فقط في عملية الكشف عن الإرهاق العقلي. حيث تم استبعاد مشاركين اثنين بناءً على مقياس تشالدر للإجهاد (CFS) . حيث أظهر أحد المشاركين درجة CFS قبل الجلسة تساوي 4، مما يشير إلى أنه كان في حالة إجهاد بالفعل. بينما كانت درجات CFS قبل وبعد الجلسة لبقية المشاركين أقل من 4، مما يشير إلى أنهم لم يتعرضوا للإجهاد أثناء جلسة التعلم. أظهرت نتائج التحليل الوصفي، التحليل الارتباطي، والتحليل الإحصائي أهمية مقاييس EPM بين الجلسات المتعبة وغير المتعبة. أ وظهرت نماذج الكشف عن الإرهاق العقلي أداءً موثوقًا ومتسقًا. بشكل ملحوظ، أظهر نموذج التعلم التجميعي (Ensemble) الاتساق والموثوقية الأكبر في التحليل المعتمد على الموضوع بمتوسط دقة 0.91 ، ودرجة F1 تساوي 0.91 ، ودرجة ROC AUC تساوي 0.96 ، وتحقق تقاطع متوسط 0.87 . بينما في التحليل المستقل عن الموضوع، حقق النموذج دقة تبلغ 0.75 ، ودرجة F1 تساوي 0.76 ، ودرجة ROC AUC تساوي 0.83 ، ومتوسط التحقق المتقاطع 0.75 . وهذا يدل بوضوح على أن النماذج المعتمدة على الموضوع أكثر اتساقًا من النماذج المستقلة عن الموضوع. كما أظهرت النتائج أن الحالات العاطفية وفقًا لمقاييس EPM هي سمات أساسية للكشف عن الإرهاق العقلي بين المتعلمين عبر الإنترنت. بالإضافة إلى ذلك، تقود نتائج هذه الدراسة إلى اقتراح إطار تدخل في الوقت الفعلي للإرهاق العقلي للمتعلمين عبر الإنترنت، حيث يتم الكشف عن الإجهاد العقلي باستخدام مقاييس EPM العاطفية والتعلم التجميعي. تحتاج الدراسات المستقبلية إلى التحقيق في العوامل المؤثرة على الحالات العاطفية وإرهاق العقل لتقييم إطار التدخل المقترح. وهناك حاجة إلى تحقيق شامل للكشف عن إرهاق العقل وتقنيات التدخل المستندة إلى التحليل المعتمد على الموضوع والمستقل عن الموضوع | |
dc.description.cpsemail | cps2u@iium.edu.my | |
dc.description.degreelevel | Master | |
dc.description.email | emamulfarhat@gmail.com | |
dc.description.funder | IIUM SEJAHTERA AWARD | |
dc.description.identifier | Thesis : Detecting mental fatigue in online learners using EEG-based emotional metrics and ensemble learning / by Md Farhad Hossain | |
dc.description.identity | G2121261Mdfarhadhossain | |
dc.description.kulliyah | Kulliyyah of Information and Communication Technology (KICT) | |
dc.description.nationality | BANGLADESH | |
dc.description.notes | Thesis (MCST)--International Islamic University Malaysia, 2024. | |
dc.description.physicaldescription | 1 online resource (xxi, 182 leaves) ; color illustrations. | |
dc.description.programme | Master of Computing (Computer Science and Information Technology) | |
dc.identifier.uri | https://studentrepo.iium.edu.my/handle/123456789/32854 | |
dc.language.iso | en | |
dc.publisher | Kuala Lumpur : Kulliyyah of Information and Communication Technology, International Islamic University Malaysia, | |
dc.rights | OWNED BY IIUM | |
dc.subject | EEG;Mental Fatigue;BCI | |
dc.title | Detecting mental fatigue in online learners using EEG-based emotional metrics and ensemble learning | |
dc.type | master thesis | |
dspace.entity.type | Publication | |
oairecerif.author.affiliation | #PLACEHOLDER_PARENT_METADATA_VALUE# |
Files
Original bundle
1 - 1 of 1
Loading...
- Name:
- G2121261Mdfarhadhossain_SEC.pdf
- Size:
- 36.36 MB
- Format:
- Adobe Portable Document Format
- Description:
- Full text