一种基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置及方法

技术领域

本发明涉及基于脑电信号的情绪分类技术领域，尤其涉及一种基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置及方法。

背景技术

在众多研究情绪的手段中，脑电信号以其时间分辨率高、不可伪装的特点，受到很多研究人员重视，是情绪研究中的常用方法之一。情绪相关的脑区分布较广，不同脑区对不同情绪的响应幅度有一定差异。基于多通道的脑电数据，综合各脑区的脑电特征，各国学者已经取得了不少有价值的成果。

目前，采用多通道脑电情绪分类的情况下，如采用32位电极通道，虽然信号采样率高，但存在诸多问题。例如多通道脑电信号采集装置的制造及使用成本高昂，需要多达32个采集电极，同时还需要专业的人员辅助调试装置的安装与信号采集。此外，从信号的准确度上看，各采集电极之间彼此产生信号干扰，使大量的采集电极在信号采集过程中的贡献度较低，采集到的脑电信号有效性不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置及方法，用于提高脑电信号采集及分析的精确度。

第一方面，本发明提供一种基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置，包括：以头带为载体的采集电极模块，对脑电信号进行预处理以及通信的主机模块，对脑电信号进行分析的上位机，以及情绪指示模块。其中，采集电极模块佩戴在用户头部采集用户脑电信号，主机模块设置在载体上，且分别与采集电极模块、情绪指示模块电连接，并与上位机产生通信。采集电极模块包括八个采集电极，分布在对应人体额头、头部两侧、后脑的位置。当基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置处于用户穿戴状态，八个采集电极分别与人体头部额叶的两个位置、颞叶的四个位置及枕叶的两个位置一一对应接触。

与现有技术相比，本发明提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置中，八个采集电极和主机模块均设在载体上。八通道采集电极模块的位置与额叶的两个位置、颞叶的四个位置及枕叶的两个位置一一对应。当基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置处于用户穿戴状态，八个采集电极与额叶的两个位置、颞叶的四个位置及所述枕叶的两个位置一一对应接触，分别采集上述八个位置的脑电信号。主机模块和上位机依次对上述脑电信号进行处理，以获得用户的情绪状态，并通过情绪指示模块对用户的情绪状态进行展示，可以直观的了解到用户的情绪状态。本发明提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置，结构简单、制造及使用成本低。同时，减少了采集电极的数量，减少了无效信号，从而提高了脑电信号采集的精确度，且有利于提高主机模块和上位机对脑电信号分析结果的精确度，并减少了主机模块和上位机的工作量。

第二方面，本发明提供一种情绪状态识别方法，应用上述第一方面所述的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置。该情绪状态识别方法包括：

通过八个采集电极获取人体头部相应位置的脑电信号；

通过上位机分析所述脑电信号，获取用户的情绪状态；

通过情绪指示模块展示所述用户的情绪状态。

与现有技术相比，本发明提供的情绪状态识别方法的有益效果与上述第一方面所述的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中多通道脑电信号采集装置的电极分布图；

图2为本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的穿戴示意图；

图3为本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的结构框图；

图4为本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的局部结构示意图；

图5为现有现有技术中情绪识别分类图；

图6为本发明实施例提供的情绪状态识别方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

情绪在日常生活中扮演着重要的角色，积极的情绪不仅能够提升主观幸福感，还能够促进身体与心理的双重健康。与之相比，消极的情绪则会影响人的身心健康及工作状态。

目前，在众多研究情绪的手段中，脑电信号以其时间分辨率高、不可伪装的特点，受到越来越多的研究人员的重视。对脑电信号进行分析是情绪研究中的常用方法之一。与情绪相关的脑电信号分布在头部的不同区域，且区域较广，且头部的不同区域对不同情绪的响应幅度有一定差异。

现有技术中，在双通道的情绪分类方面有一定的研究成果。例如：利用前额两通道的脑电信号，对快乐和悲伤的情绪的区分度，在使用最好的特征和分类器的情况下，区分度可以达到66％。这一结果，意味着双通道的脑电信号是可以进行情绪分类的，但是有一定的局限性，分类效果并不理想。

但是，用户如果想要得到较为准确的情绪状态，则需要采集并分析较多的不同脑区的脑电信号。现有技术中，基于多通道的脑电数据，综合各脑区的脑电特征，各国学者已经取得了不少有价值的成果。

图1示例出了技术中多通道脑电信号采集装置的电极分布图。参照图1，采用多通道脑电情绪分类的情况下，例如：采用32位电极通道或64位电极通道，虽然信号采样率高，但存在诸多问题。例如：多通道脑电信号采集装置的制造及使用成本高昂，需要多达32个采集电极或64个采集电极，同时还需要专业的人员辅助调试装置的安装与信号采集。此外，从信号的准确度上看，各采集电极之间彼此产生信号干扰，使大量的采集电极在信号采集过程中的贡献度较低，采集到的脑电信号有效性不高。

针对上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置。图2示例出了本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的穿戴示意图，图3示例出了本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的结构框图，图4示例出了本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置的结构示意图。

参照图2和图3，本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置可以包括：以头带为载体的采集电极模块、对脑电信号进行预处理以及通信的主机模块、对脑电信号进行分析的上位机、以及情绪指示模块。

在一种可能的实现方式中，参照图3，由于基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置在采集脑电信号的过程中，需要与用户头部接触，因此上述载体2可以是一个环状结构，或者是闭合后可以形成环状的带状结构，但不仅限于此。

在一种示例中，上述载体2可以为柔性载体。例如：柔性载体可以为带状载体或环状载体。柔性载体的材料可以为硅胶材质或纤维材质，但不仅限于此。

在另一种示例中，上述载体2为刚性载体，刚性载体2为环状载体。刚性载体2的材料可以为塑料材质，但不仅限于此。

在一种可能的实现方式中，参照图4，上述八通道采集电极模块可以包括与主机模块电连接的八个采集电极，分布在对应人体额头、头部两侧、后脑的位置。当基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置处于用户穿戴状态，八通道采集电极模块的位置与额叶的两个位置、颞叶的四个位置及枕叶的两个位置一一对应，每个采集电极可以为干电极或湿电极电极贴片。也就是说，本发明实施例提供的八通道采集电极模块3包括的八个采集电极既可以为干电极，也可以为湿电极电极贴片，也可以既有干电极也有湿电极电极贴片。应理解，干电极和湿电极电极贴片是广义上的干电极和湿电极电极贴片。与现有技术相比，本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置减少了采集电极的数量，减少了制造成本。同时，各个区域之间的采集电极之间间距较远，这样可以减少各采集电极之间彼此产生信号的干扰，进一步提高各采集电极采集到的脑电信号的有效性。

应理解，头部不同区域的脑电信号对情绪的响应贡献度不同，因此需要采集对情绪的响应贡献度较大的区域的脑电信号。在实际应用过程中，上述预设值可以为3％。也就是说，响应贡献度大于3％的区域为上述额叶的两个位置、颞叶的四个位置及枕叶的两个位置。上述响应贡献度是指，主机模块对八通道采集电极模块3采集到的脑电信号进行处理后得到的脑电信号的波形的幅度。本发明实施例中的预设区域可以为用户头部的额叶的两个位置、颞叶的四个位置及枕叶的两个位置。

在实际应用过程中，电源用于为主机模块提供电能。电源可以为干电池或可充电电池，但不仅限于此。

在一种示例中，针对有头发的用户，由于八通道采集电极模块3和头皮接触时会有头发阻隔，因此八通道采集电极模块3可以全部选用干电极。至于采用电容式干电极还是阻抗式干电极，可以根据实际情况进行选择，本发明实施例对此不作具体限制。

在另一种示例中，针对光头用户，由于八通道采集电极模块3可以和头皮直接接触，因此八通道采集电极模块可以全部选用湿电极电极贴片。

在一种可能的实现方式中，参照图4，八通道采集电极模块3包括的八个采集电极可拆卸的设在上述载体2接触用户头部的一侧，便于更换。

在一种可能的实现方式中，参照图3，上述主机模块可以包括：预处理电路、与预处理电路电连接的控制器44及通信接口45。每个采集电极均与预处理电路电连接，情绪指示模块46及通信接口45均与控制器44电连接。预处理电路可以用于对每个采集电极采集到的脑电信号进行预处理，并将预处理后的脑电信号传输至控制器44。控制器44对预处理后的脑电信号进行二次处理，得到脑电信号的波形图，并利用通信接口45将脑电信号的波形图传输至上位机1，或利用通信接口45接受上位机1处理后的情绪状态。

在一种示例中，参照图3，上述预处理电路可以包括：信号放大电路41、滤波电路42及模数转换电路43。信号放大电路41的输入端与八通道采集电极模块3电连接，信号放大电路41的输出端与滤波电路42的输入端电连接，滤波电路42的输出端与模数转换电路43电连接，模数转换电路43的输出端与控制器44电连接。

上述信号放大电路41可以用于将八通道采集电极模块3的采集到的脑电信号进行放大。上述滤波电路42用于尽可能减小放大后的脑电信号中的交流成分，保留脑电信号中的直流成分，使滤波后的脑电信号的电压纹波系数降低，波形变得比较平滑。八通道采集电极模块3采集到的脑电信号为模拟信号，但是，控制器44一般仅能处理数字信号。上述模数转换电路43用于将模拟信号转换为数字信号，便于后续控制器44对脑电信号进行分析。

在一种示例中，参照图3，上述控制器44可以为ADS129X系列生理信号处理芯片，该芯片可以支持八个低噪声可编程增益放大器及八个高分辨率同步采样模数转换器，并支持250HZ/S数据采样。

在一种示例中，上述通信接口45可以包括有线通信接口45及无线通信接口45中的一种或两种。也就是说，主机模块上可以仅具有有线通信接口45或无线通信接口45，主机模块上也可以同时具有有线通信接口45及无线通信接口45。

在实际应用过程中，主机模块可以以封装电路板的形式可拆卸的设在载体2上，以不影响用户穿戴为原则。例如：主机模块可以设在载体2与头部后侧、左侧或右侧相对应的位置。当主机模块、载体2或八通道采集电极模块中任一个出现损坏，都可以对其进行更换，可以节约较多的成本。

在一种可能的实现方式中，上述上位机1可以为至少具有通信功能、数据处理功能及图形用户界面的台式电脑、平板电脑等终端设备。上位机1内置有至少一种情绪状态识别算法，用于分析处理至上位机1的脑电信号的波形图。例如：上位机1中内置的情绪状态识别算法至少可以包括特征提取算法及情绪分类算法，用于对上述脑电信号的波形图进行处理，以获取用户的情绪状态，但不仅限于此。上位机1可以具有通信接口45，该通信接口45可以包括有线通信接口45及无线通信接口45中的一种或两种。也就是说，上位机1上可以仅具有有线通信接口45或无线通信接口45，上位机1上也可以同时具有有线通信接口45及无线通信接口45。

在实际应用过程中，上述特征提取算法提取的特征值可以包括：原始特征分类级效果、能量占比与微分熵特征分类效果、不同频段微分熵特征分类效果、不同脑区微分熵特征分类效果，但不仅限于此。采用情绪分类器，利用上述特征值，便可以得到相应的情绪状态。上述情绪分类器中具有相应的情绪分类算法，上述情绪分类器可以包括：支持向量机、决策树BP神经网络，最近邻算法，但不仅限于此。采用本发明实施例提供的基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置，对情绪状态识别的准确率为60％～90％。

在一种可能的实现方式中，上述上位机1还可以具有数据统计功能。也就是说，通过上位机1可以对用户在预设时间段内的情绪状态进行统计、分析，以获取在预设时间段内，用户的情绪分析报告。例如：用户本月/本周做过几次情绪状态识别，及用户在该时间段内出现不同情绪状态的占比、分别在哪些时间段出现相应的情绪状态以及健康关爱提醒。

在一种可能的实现方式中，参照图3，上述情绪指示模块46可以包括音频和或视频指示，由控制器控制指示的开启和关闭。当控制器44接收到上位机1传输的情绪状态后，可以控制情绪指示模块46对处理结果进行语音提示或画面展示，以便于对用户的情绪状态进行展示。

在一种示例中，参照图3，上述情绪指示模块46可以为音频播放组件。例如：音频播放组件可以为蜂鸣器或扬声器。

在另一种示例中，参照图3，上述情绪指示模块46可以为可视化播放组件，所述可视化播放组件为指示灯或显示器。

图5示例了本发明实施例提供的情绪状态分类示意图。参考图5，在实际应用过程中，上述情绪指示模块46可以为位于载体2前侧的四颗LED灯，用于展示用户的情绪状态。例如：当用户的情绪状态为喜悦时，显示青色的LED灯；当用户的情绪状态为平静时，显示绿色的LED灯；当用户的情绪状态为悲伤时，显示灰色的LED灯；当用户的情绪状态为恐惧时，显示橙色的LED灯。又例如：还可以通过语音方式指示用户情绪状态，如当用户情绪为喜悦时，则通过扬声器发出“您现在的心情非常愉悦，真是美美的时刻”。或，当用户情绪为悲伤时，则发出“我感觉您有点悲伤，心事重重可对身体不好哦”，但不仅限于此。

在一种可能的实现方式中，参照图1，上述基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置还可以包括与上述控制器44电连接的存储器47，用于存储控制器44处理后的脑电信号的波形图。存储器47可以是广义上的存储器47，具有存储功能即可，本发明实施例对此不做具体限制。

在实际应用过程中，当上述主机模块仅包括有线通信接口45时，控制器44二次处理后的脑电信号的波形图可以直接存储在存储器47内。当上位机1需要调用控制器44二次处理后的脑电信号的波形图时，可以通过数据传输线将主机模块与上位机1电连接。当上述主机模块至少包括无线通信接口45时，控制器44二次处理后的脑电信号的波形图可以实时传输至上位机1。

本发明实施例还提供了一种情绪状态识别方法，应用上述基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置。图6示例了本发明实施例提供的情绪状态识别方法的流程示意图。参考图6，该情绪状态识别方法可以包括以下步骤：

步骤S101：通过主机模块检测用户是否正确穿戴上述基于脑电信号的可穿戴式情绪识别装置。

步骤S201：通过八个采集电极获取相应位置的脑电信号。

在实际应用过程中，在基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置采集脑电信号之前，需要判断用户是否正确穿戴基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置。当用户正确穿戴基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置时，在固定时间内，例如：10S内，八通道采集电极模块3包括的八个采集电极31均可以采集到相应的脑电信号。如果任意一个采集电极31没有采集到的脑电信号，那么表示用户没有正确穿戴基于脑电信号的可穿戴式情绪状态识别装置。此时，控制器44可以控制情绪指示模块46发出相应的提示。例如：蜂鸣器或扬声器发出警报声，或指示灯显示红色灯以示警告。

步骤S301：通过上位机分析所述脑电信号，获取用户的情绪状态。

步骤S401：通过情绪指示模块展示所述用户的情绪状态。

在实际应用过程中，主机模块对八通道采集电极模块3采集到的八通道的脑电信号进行处理后，得到脑电信号的波形图，并通过通信接口45发送至上位机1，上位机1利用内置的情绪分类算法，对脑电信号的波形图进行情绪状态分类。得到情绪状态分类结果后，上位机1将情绪状态结果发送至脑电处理信号的控制器44，控制器44控制情绪指示模块46对情绪状态进行反馈，以便用户能够直观的了解自己的情绪状态。

在一种可能的实现方式中，上述情绪状态识别方法还可以包括：上位机在预设时间段内，对用户的情绪状态进行统计分析，获取在预设时间段内，用户的情绪分析报告。

在实际应用过程中，上述步骤，可以在步骤步骤S401之前，步骤S301之后，也可以在步骤步骤S401之后。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。