基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统及反馈方法

本发明属于一种能够反馈干预的疲劳及情绪检测系统，具体涉及一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统及反馈方法。

背景技术：

1、在经济社会发展的过程中，科技进步，全球化，以及经济繁荣不断演进。然而，随着生活节奏加快和工作压力增加，许多人常常受到疲劳和消极情绪的困扰。另外，长时间繁忙和高强度的工作，也会导致身心疲惫、精力不集中和情绪低落，这种状态可能会进一步影响人们的工作效率，身体机能，以及整体的生活满意度。

2、目前，已有的疲劳及情绪检测方法为：通过人脸识别判定个体的情绪及疲劳状态；基于心电呼吸指标检测疲劳及情绪变化；采用脑电监测的方式判定疲劳及情绪状态。检测后的干预方法主要有：蜂鸣器报警、语音提示、经颅直流电刺激等方式。上述检测方法中，均是针对单一指标，无法有效判定生理状态，不能作为大部分人的疲劳及情绪指标。另外，实现上述检测和干预方法的相关装置便携性较差，无法长期监测调制生理状态，也无法根据生理指标的变化实时自主调控疲劳及情绪状态。

技术实现思路

1、本发明针对现有疲劳及情绪检测以及相关干预方法，存在无法有效判定生理状态，也无法根据生理指标的变化实时进行自主调控的技术问题，提供一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统及反馈方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提出一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，包括：

4、采集单元，用于采集脑电信号和脉搏信号；

5、第一信号处理单元，用于对脑电信号和脉搏信号进行模拟放大，得到第一信号；

6、第二信号处理单元，用于对所述第一信号进行滤波处理，得到第二信号；

7、识别单元，用于对所述第二信号进行模式识别，得到表征疲劳及情绪状态的数据；

8、刺激单元，用于根据表征疲劳及情绪状态的数据，生成对应的电流信号，对用户施加电刺激。

9、进一步地，所述采集单元包括环耳状脑电电极采集装置和耳垂脉搏电极采集装置；

10、所述环耳状脑电电极采集装置包括底座，以及安装在底座上的参考电极、接地电极和脑电采集电极；所述底座呈弧形；所述参考电极、接地电极和脑电采集电极外围均固定有吸盘，用于吸附于用户耳部；

11、所述耳垂脉搏电极采集装置包括夹持体，以及安装在夹持体上的两个脉搏采集电极；两个脉搏采集电极相对设置。

12、进一步地，所述参考电极、接地电极和脑电采集电极均为ag/agcl电极；

13、所述脉搏采集电极内嵌设有光电二极管和光敏探测器。

14、进一步地，还包括头戴安装架；

15、所述头戴安装架呈弧形，与用户头部位于两耳间的轮廓相适配；

16、所述刺激单元安装在头戴安装架的一端，所述耳垂脉搏电极采集装置和环耳状脑电电极采集装置安装在头戴安装架的另一端；

17、所述第一信号处理单元、第二信号处理单元和识别单元均安装在头戴安装架上。

18、第二方面，本申请提出一种基于多生理参数的反馈方法，包括：

19、对采集的脑电信号和脉搏信号进行模拟放大，得到第一信号；

20、对所述第一信号进行滤波处理，得到第二信号；

21、对所述第二信号进行模式识别，得到表征疲劳及情绪状态的数据；

22、根据表征疲劳及情绪状态的数据，生成对应的电流信号，用于施加至用户。

23、进一步地，所述对所述第二信号进行模式识别，包括：

24、将所述第二信号中的脑电信号部分按时间顺序转换为脑电时间序列；

25、采用卷积神经网络和循环神经网络级联结构对脑电时间序列和第二信号中的脉搏信号部分进行模式识别。

26、进一步地，所述卷积神经网络和循环神经网络级联结构包括依次相连的卷积神经网络、第一全连接层、循环神经网络、第二全连接层和softmax层；

27、所述卷积神经网络，用于提取和处理脑电时间序列的空间信息，并从第二信号中的脉搏信号部分捕获脉搏信号的空间信息；

28、所述第一全连接层，用于对脑电时间序列的空间信息和脉搏信号的空间信息进行下采样和特征转换，得到第一空间信息；

29、所述循环神经网络，用于提取和处理脑电时间序列的时间信息，并接收处理第二信号中脉搏信号部分的时间序列信息；

30、所述第二全连接层，用于对脑电时间序列的时间信息和脉搏信号部分的时间序列信息进行下采样和特征转换，得到第一时间信息；

31、所述softmax层，用于对所述第一空间信息和所述第一时间信息进行结合，得到表征疲劳及情绪状态的数据。

32、进一步地，所述循环神经网络为lstm；

33、所述卷积神经网络包括block1、block2和block3；

34、所述block2和block3中添加有残差结构。

35、进一步地，所述残差结构的连接方式为间接连接。

36、进一步地，所述残差结构定义如下：

37、y'＝f(x,{wi})+wsx

38、其中，y'表示残差网络的输出，f(x,{wi})表示残差映射，x表示生理信号数据，wi表示权重矩阵，ws表示1*1的卷积核。

39、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

40、1.本发明提出一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，刺激单元根据采集的脑电信号和脉搏信号的处理结果生成对应的电流信号，用于对用户施加相应的电刺激，相较于传统的耳廓迷走神经刺激装置需要手动控制，不能同时实时感知生理状态指标的变化，无法衡量刺激对疲劳及情绪的调控效果，而本发明的调控系统，可以边采集边施加刺激，既可以手动干预也可以自动执行。另外，传统的调控系统仅针对单一生理指标，无法全方位进行衡量，可能会出现漏判或者误判的情况，而本发明是综合了脑电信号和脉搏信号，能够更全面的了解使用者的生理状态，为准确判断提供了有力支持，也能进一步提高系统的实用性和便携性。

41、2.本发明中的采集单元可设计为环耳状脑电电极采集装置和耳垂脉搏电极采集装置，分别用于采集脑电信号和脉搏信号，还可以对应安装在头戴安装架上。传统的脑电信号采集设备一般为脑电帽，脑电帽的佩戴较为复杂，需要多名实验人员协作，每个电极还需注射导电膏，再在实验人员的帮助下正确佩戴，还要不断校准脑电帽的阻抗及位置。而本发明的结构设计，解决了传统脑电帽佩戴使用繁杂的问题，设计了耳部脑电采集设备，具备便携式采集的特点，特种作业人员可自行佩戴并无需打入导电膏，也具备长时程采集的优势。

42、3.本发明还提出了一种基于多生理参数的反馈方法，具备上述调控系统的优势。另外，采用卷积神经网络和循环神经网络级联结构进行脑电信号和脉搏信号的模式识别，还可以在卷积神经网络的结构中添加残差结构，使本发明识别更加准确，处理更加快速，进而能够实现更加精准的反馈。

技术特征：

1.一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，其特征在于：所述采集单元(14)包括环耳状脑电电极采集装置(13)和耳垂脉搏电极采集装置(12)；

3.根据权利要求2所述基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，其特征在于：所述参考电极(2)、接地电极(3)和脑电采集电极(4)均为ag/agcl电极；

4.根据权利要求2或3所述基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统，其特征在于：还包括头戴安装架(10)；

5.一种基于多生理参数的反馈方法，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述基于多生理参数的反馈方法，其特征在于，所述对所述第二信号进行模式识别，包括：

7.根据权利要求6所述基于多生理参数的反馈方法，其特征在于，所述卷积神经网络和循环神经网络级联结构包括依次相连的卷积神经网络、第一全连接层、循环神经网络、第二全连接层和softmax层；

8.根据权利要求7所述基于多生理参数的反馈方法，其特征在于：所述循环神经网络为lstm；

9.根据权利要求8所述基于多生理参数的反馈方法，其特征在于：所述残差结构的连接方式为间接连接。

10.根据权利要求9所述基于多生理参数的反馈方法，其特征在于：所述残差结构定义如下：

技术总结
本发明属于一种能够反馈干预的疲劳及情绪检测系统，针对现有疲劳及情绪检测以及相关干预方法，存在无法有效判定生理状态，也无法根据生理指标的变化实时进行自主调控的技术问题，提供一种基于多生理参数的疲劳抑制与情绪调控系统及反馈方法，采集单元用于采集脑电信号和脉搏信号，第一信号处理单元用于对脑电信号和脉搏信号进行模拟放大，得到第一信号，第二信号处理单元用于对所述第一信号进行滤波处理，得到第二信号，识别单元用于对所述第二信号进行模式识别，得到表征疲劳及情绪状态的数据，刺激单元用于根据表征疲劳及情绪状态的数据，生成对应的电流信号，对用户施加电刺激。

技术研发人员：黄子罡,陈翔,唐甲豪,王旭尧
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11