一种脑电波可听化精神状态检测方法及实现该方法的系统与流程

本发明涉及脑电波检测技术领域，更具体地说，涉及一种脑电波可听化精神状态检测方法及实现该方法的系统。

背景技术：

随着人们生活节奏越来越快，生活压力增加，心理健康状态受到了大家越来越多的关注。现在主要有三种方式获取人们的精神状态状况：1、自评量表；2、基于人体面部表情和语音；3、基于人体生理信号。基于自评量表对精神状态进行评估，操作简单，结果简单直接，但是在答题时主观性强，真实度和可信度不高；基于表情、语音的情绪识别系统操作简单，不需要特殊设备，缺点是不能保证情绪识别的可靠性，因为表情和语音易伪装，人们可以通过伪装表情和语音语调来掩饰自己的真实情绪，且这种伪装不易被发现；基于生理信号对精神状态评估，由于生理信号不易伪装，因此可信度比较高。

脑电波是可识别人们精神状态的生理信号。目前，对脑电波信号的情绪识别一般是从视觉出发，即采集脑电波信号之后进行放大、滤波，变成数字信号储存并采用显示仪器进行显示；后续查看脑电波信号波形并进行波形分析，得出精神状态评估结果。但是采用显示仪器显示脑电波信号会增加设备生产成本和开发成本，且不够生动形象，也不便于操作。

技术实现要素：

为克服现有技术中的缺点与不足，本发明的一个目的在于提供一种脑电波可听化精神状态检测方法；该方法可通过听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，使脑电波信号形象地进行输出，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作便捷。本发明的另一个目的在于提供一种实现上述脑电波可听化精神状态检测方法、可通过听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化的系统。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种脑电波可听化精神状态检测方法，其特征在于：采集被试者的脑电波信号，将脑电波信号进行放大和滤波；将脑电波信号映射为脑波音乐；将脑波音乐进行播放，以采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听取脑电波信息的时刻变化。

脑电波信号的频率范围通常在1～40hz，而人耳能够听到的声音在20～20000hz，因此自然状态下人们感受不到脑电波的存在。本发明中，从听觉角度出发，将人耳听不到的脑电波信号映射为人们可以听到的脑波音乐；可通过听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，使脑电波信号形象地进行输出，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作更加便捷；应用于医学领域对精神状态评估的应用中，可辅助心理治疗师对被试者进行精神状态评估。

优选地，所述将脑电波信号映射为脑波音乐，是指：提取设定时间内脑电波信号的周期、频率、振幅和平均功率，并将脑电波信号的周期或频率映射为脑波音乐的音长，将脑电波信号的振幅和平均功率分别映射为脑波音乐的音高和音强；提取设定时间内脑电波信号的左右脑神经元活动强度，将脑电波信号的左右脑神经元活动强度映射为脑波音乐的音乐调性，从而生成脑波音乐。

脑电波信号的周期是指相邻的两个波谷或波峰之间的时间间隔，单位为ms。脑电波信号的频率指相同周期的脑电波信号在1秒内重复出现的次数，单位为hz或周期/秒。把脑电波信号的周期或频率映射为脑波音乐的音长，用音乐节奏的快慢来表示脑电波信号的不同频率。

脑电波信号的振幅是指脑电波信号波动的幅度大小。脑电波信号的节律随大脑皮层活动状态的不同而变化；当大脑活动比较少时，大脑皮层许多神经元的电活动步调趋于一致，就出现频率较低而振幅较高的节律，称为同步化；当大脑活动比较剧烈，神经元的电活动不大一致时，就表现为高频率低振幅的节律，称为去同步化。音乐的音高与频率间呈对数关系，音高的范围称为音域，音域较高的乐曲，比较欢快明亮，而音域较低的乐曲，则比较深沉平稳。利用振幅与音高的相似点，将脑电波信号的振幅映射为脑波音乐的音高，用音高来反映大脑的神经元活动强烈程度。

脑电波信号的平均功率是脑电波信号的能量特征，反映了脑电波信号的能量分布情况，而音乐的音强反映了声源的能量大小，因此将脑电波信号的平均功率映射为脑波音乐的音强，用音强来强调较剧烈的神经元活动。

在情绪的脑半球问题上，效价假说是重要理论之一。效价假说理论认为人类大脑左半球支配积极情感，右半球支配消极情感。而在音乐中，不同的调式也能反映不同的情绪，如大调式音乐容易诱发正性情绪，而小调式音乐则容易诱发负性情绪。根据大脑左右半球神经元活动强度的不同，来映射出不同调式的脑波音乐。

综上所述，脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度分别映射为脑波音乐的音长、音高、音强和音乐调性，可生成不同快慢、不同欢快明亮程度、不同强度、不同调性的脑波音乐。通过听取脑波音乐即可获取脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度这几项重要信息。

优选地，在将脑波音乐进行播放之后，获取脑波音乐，分析脑波音乐的音长、音高、音强和音乐调性，得到精神状态评估结果。

一种实现上述脑电波可听化精神状态检测方法的脑电波可听化精神状态检测系统，其特征在于：包括：

用于采集被试者脑电波信号，并将脑电波信号进行放大和滤波的脑电采集模块；

用于将脑电波信号通过映射方式生成脑波音乐的脑波可听化模块；

以及用于播放脑波音乐的脑波音乐播放模块；

所述脑电采集模块和脑波可听化模块信号连接；脑波可听化模块与脑波音乐播放模块信号连接。

本发明中，从听觉角度出发，将人耳听不到的脑电波信号映射为人们可以听到的脑波音乐；可采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，使脑电波信号形象地进行输出，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作更加便捷；应用于医学领域对精神状态评估的应用中，可辅助心理治疗师对被试者进行精神状态评估。

优选地，所述脑波可听化模块提取设定时间内脑电波信号的周期、振幅和平均功率，并将脑电波信号的周期、振幅和平均功率分别映射为脑波音乐的音长、音高和音强；提取设定时间内脑电波信号的左右脑神经元活动强度，将脑电波信号的左右脑神经元活动强度映射为脑波音乐的音乐调性，从而生成脑波音乐。

优选地，还包括用于提取脑波音乐的特征来对精神状态进行评估，得出精神状态评估结果的精神状态评估模块；所述脑波可听化模块与精神状态评估模块信号连接。

优选地，所述精神状态评估模块获取脑波音乐和脑电波信号；对脑波音乐进行时间分割，提取设定时间内的音长、音高、音强和音乐调性；同时对脑电波信号进行时间分割，提取脑电波信号的时域特征和频域特征，然后进行学习和分类，得到精神状态评估结果。

优选地，还包括用于将精神状态评估结果进行显示的显示模块；显示模块与精神状态评估模块信号连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：

1、本发明中，可采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，使脑电波信号形象地进行输出，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作便捷；

2、本发明中，脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度分别映射为脑波音乐的音长、音高、音强和音乐调性，可生成不同快慢、不同欢快明亮程度、不同强度、不同调性的脑波音乐；通过听取脑波音乐即可获取脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度这几项重要信息。

附图说明

图1是本发明脑电波可听化精神状态检测系统的结构框图；

图2是本发明脑电波可听化精神状态检测系统中脑电采集模块的原理框图；

图3是本发明脑电波可听化精神状态检测系统中脑波可听化模块的原理框图；

图4是本发明脑电波可听化精神状态检测系统中脑波音乐播放模块的原理框图；

图5是实施例二脑电波可听化精神状态检测系统的结构框图；

图6是实施例二脑电波可听化精神状态检测系统中精神状态评估模块的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例一

本实施例一种脑电波可听化精神状态检测方法，采集被试者的脑电波信号，将脑电波信号进行放大和滤波；将脑电波信号映射为脑波音乐；将脑波音乐进行播放，以采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听取脑电波信息的时刻变化。

脑电波信号的频率范围通常在1～40hz，而人耳能够听到的声音在20～20000hz，因此自然状态下人们感受不到脑电波的存在。本发明中，从听觉角度出发，将人耳听不到的脑电波信号映射为人们可以听到的脑波音乐；可采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，使脑电波信号形象地进行输出，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作更加便捷；应用于医学领域对精神状态评估的应用中，可辅助心理治疗师对被试者进行精神状态评估。

优选地，所述将脑电波信号映射为脑波音乐，是指：提取设定时间内脑电波信号的周期、频率、振幅和平均功率，并将脑电波信号的周期或频率映射为脑波音乐的音长，将脑电波信号的振幅和平均功率分别映射为脑波音乐的音高和音强；提取设定时间内脑电波信号的左右脑神经元活动强度，将脑电波信号的左右脑神经元活动强度映射为脑波音乐的音乐调性，从而生成脑波音乐。

为实现上述脑电波可听化精神状态检测方法，本实施例提供一种脑电波可听化精神状态检测系统，如图1所示，包括脑电采集模块、脑波可听化模块和脑波音乐播放模块。脑电采集模块和脑波可听化模块信号连接；脑波可听化模块与脑波音乐播放模块信号连接。

如图2所示，脑电采集模块用于采集被试者脑电波信号，并将脑电波信号进行放大和滤波；脑电采集模块可以是脑电采集头带、头盔、帽子等可穿戴设备。脑电采集模块可采用stm32芯片进行控制和处理，首先将可穿戴设备戴在被试者头部，使电极稳定接触被试者头皮表面，然后进行导联选择，采集多导联的脑电波信号，将采集到的脑电波信号进行前置放大，以得到比较强烈的信号，之后进行后置放大和滤波操作，最后输出脑电波信号。

如图3所示，脑波可听化模块用于将脑电波信号通过映射方式生成脑波音乐的。脑波可听化模块提取设定时间内脑电波信号的周期、振幅和平均功率，并将脑电波信号的周期、振幅和平均功率分别映射为脑波音乐的音长、音高和音强；提取设定时间内脑电波信号的左右脑神经元活动强度，将脑电波信号的左右脑神经元活动强度映射为脑波音乐的音乐调性，采用音乐合成软件生成脑波音乐。

脑电波信号的周期是指相邻的两个波谷或波峰之间的时间间隔，单位为ms。脑电波信号的频率指相同周期的脑电波信号在1秒内重复出现的次数，单位为hz或周期/秒。把脑电波信号的周期或频率映射为脑波音乐的音长，用音乐节奏的快慢来表示脑电波信号的不同频率。

脑电波信号的振幅是指脑电波信号波动的幅度大小。脑电波信号的节律随大脑皮层活动状态的不同而变化；当大脑活动比较少时，大脑皮层许多神经元的电活动步调趋于一致，就出现频率较低而振幅较高的节律，称为同步化；当大脑活动比较剧烈，神经元的电活动不大一致时，就表现为高频率低振幅的节律，称为去同步化。音乐的音高与频率间呈对数关系，音高的范围称为音域，音域较高的乐曲，比较欢快明亮，而音域较低的乐曲，则比较深沉平稳。利用振幅与音高的相似点，将脑电波信号的振幅映射为脑波音乐的音高，用音高来反映大脑的神经元活动强烈程度。

脑电波信号的平均功率是脑电波信号的能量特征，反映了脑电波信号的能量分布情况，而音乐的音强反映了声源的能量大小，因此将脑电波信号的平均功率映射为脑波音乐的音强，用音强来强调较剧烈的神经元活动。

在情绪的脑半球问题上，效价假说是重要理论之一。效价假说理论认为人类大脑左半球支配积极情感，右半球支配消极情感。而在音乐中，不同的调式也能反映不同的情绪，如大调式音乐容易诱发正性情绪，而小调式音乐则容易诱发负性情绪。根据大脑左右半球神经元活动强度的不同，来映射出不同调式的脑波音乐。

综上所述，脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度分别映射为脑波音乐的音长、音高、音强和音乐调性，可生成不同快慢、不同欢快明亮程度、不同强度、不同调性的脑波音乐。通过听取脑波音乐即可获取脑电波信号的周期/频率、振幅、平均功率和左右脑神经元活动强度这几项重要信息。

如图4所示，脑波音乐播放模块用于播放脑波音乐。生成的脑波音乐通过脑波音乐播放模块，如扬声器、耳机、骨传导耳机等播放出来，被试者和/或心理治疗师可以听到脑电波信号映射出来的脑波音乐，听取精神状态。

本发明中，从听觉角度出发，将人耳听不到的脑电波信号映射为人们可以听到的脑波音乐；可采用听觉实时获取被试者的脑电波信息并听觉感知脑电波信息的时刻变化，不需要采用查看脑电波信号波形和对波形进行分析，操作更加便捷；应用于医学领域对精神状态评估的应用中，可辅助心理治疗师对被试者进行精神状态评估。

实施例二

本实施例一种脑电波可听化精神状态检测方法，与实施例一的区别在于：在将脑波音乐进行播放之后，获取脑波音乐，分析脑波音乐的音长、音高、音强和音乐调性，得到精神状态评估结果。

脑电波可听化精神状态检测系统还包括用于提取脑波音乐的特征来对精神状态进行评估，得出精神状态评估结果的精神状态评估模块；脑波可听化模块与精神状态评估模块信号连接，如图5所示。

精神状态评估模块获取脑波音乐和脑电波信号；对脑波音乐进行时间分割，提取设定时间内的音长、音高、音强和音乐调性；同时对脑电波信号进行时间分割，提取脑电波信号的时域特征和频域特征，然后进行学习和分类，得到精神状态评估结果。精神状态评估模块对脑电波信号以时间t为周期进行时间分割，得到若干脑电碎片，然后提取各个脑电碎片的时域特征和频域特征，通过分类器进行情绪分类，从而评估被试者的精神状态得出精神状态评估结果。时域特征包括均值、中值、方差和峰值；所述频域特征包括功率谱和微分熵；分类器是指svm分类器、随机森林分类器和宽度学习系统分类器中的任一种。

精神状态评估结果采用pad情感模型中的愉悦度和唤醒度来表示；如大调式脑波音乐对应的愉悦度高，表示正面情绪；小调式音乐脑波音乐对应的愉悦度低，表示负面情绪；较快速度、动力强、多变化的脑波音乐对应的唤醒度高，表示强烈的情绪；较慢速、低音、少变化的脑波音乐对应的唤醒度低，表示较弱的情绪。根据愉悦度和唤醒度，可以判断被试者的精神状态，如焦虑时为低愉悦度、高唤醒度，疲倦消沉时为低愉悦度、低唤醒度，兴奋时为高愉悦度、高唤醒度等。

脑电波可听化精神状态检测系统还包括用于将精神状态评估结果进行显示的显示模块；显示模块与精神状态评估模块信号连接。显示模块优选为移动端或pc端显示。

所有的数据优选以无线通信方式发送至云平台进行管理和存储，方便进行数据的保存和模型校正。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。