一种基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统

本发明是一种基于脑电信号的便携式情绪识别及音乐治疗系统，属于智能电子设备领域。

背景技术：

1、音乐疗法凭借其无创性、经济性及高效性,在缓解情绪障碍、减轻精神压力以及改善生活质量等方面展现出巨大的潜在价值。然而,现有音乐干预方案的实施存在经验主导的倾向,忽视了个体差异,难以精准评估并优化治疗效果,这一缺陷源自对患者情绪状态识别技术的局限性。

2、主流情绪识别技术主要依赖行为数据(语音、文本)、面部表情分析以及生理数据(心率、皮肤电等)解码等,这些数据受个体差异的影响较大,难以客观反映内在情绪状态的波动。另外,某些复杂情绪在外在表现上往往不显著,而生理数据也存在时滞性及易受干扰的问题,导致情绪识别的准确性受到限制。更为关键的是,上述技术缺乏对情绪发生机制的深层解释。

3、因此,将脑电采集技术与音乐疗法相结合,基于生物电信息实现精准的情绪识别,将有助于评估和优化音乐干预方案、提高音乐治疗的个体化水平和整体疗效,为情绪障碍的诊断和治疗开辟新的思路。但当前,大多数脑电信号采集设备所采用的模拟前端芯片是德州仪器(ti)生产的ads1299，尽管该系统具有不错的稳定性表现,但由于芯片产能有限和价格昂贵等因素的制约,其在脑电采集设备的应用推广上存在一定限制。另一方面,现有常规脑电信号采集设备往往体积庞大,对工作环境有着较高要求,这在一定程度上也制约了研究人员在系统开发和产品研发等方面的工作。

技术实现思路

1、为了解决以上问题，本发明提供了一种基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统。该系统包括：

2、模拟前端，其主要功能是采集脑电波模拟信号，本设计采用lh001芯片作为模拟前端核心，连接多个湿电极与受试者头皮，对电极采集到的微弱脑电信号进行放大、滤波、模数转换等处理，再将数据传输至下一级。

3、数据处理，数据处理部分采用树莓派，用于实时接收模拟前端处理后的脑电信号，并且对读取到的脑电信号进行分段、滤波、去噪等预处理，利用小波变换等时频分析方法,将脑电信号分解为多个子带。采用智能算法从预处理后的脑电数据中提取情绪特征，将提取的情绪特征映射到离散情绪类别(如高兴、焦虑、沮丧等)，据识别出的情绪类别。

4、音乐呈现，从音乐数据库中选取对应的种子音乐素材，利用人工智能音乐生成模型对种子音乐进行实时重构,生成情绪对应且动态变化的新音乐素材，将重构后的音乐素材通过扬声器播放给受试者，同时监测受试者的实时脑电反馈，判断情绪状态的变化，进入正反馈循环。

5、有益效果

6、与现有的情绪治疗方案相比，本发明具有以下有益效果：

7、1)相比于图像或语音分析情绪特征，脑电信号可以直接反映大脑的活动状态和用户的情绪变化，这种直接性意味着在理解和反应于用户情绪上的准确度和响应速度上的提高。

8、2)lh001相较于德州仪器的ads1299芯片，具有更灵活的可编程放大增益、更低的输入参考噪声、更好的共模抑制比，内置了右腿驱动环路，且具有更低的成本效益。

9、3)lh001与树莓派具有很小的体积，使该系统可以轻松集成到便携式设备或可穿戴设备中，实现移动脑电波监控和治疗。

10、4)基于脑电信号采用智能算法对音乐进行有机重构，能够实时监测生物信号变化并及时反馈，具有高度准确性和个性化水平，具有更好的情绪疗愈效果。

技术特征：

1.一种基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，包括：模拟前端、信号预处理模块、特征提取模块、情绪分类模块以及音乐呈现模块。

2.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述模拟前端包括lh001芯片和多个湿电极，用于采集受试者头皮电极处的脑电信号，并对所述脑电信号进行放大、滤波、模数转换等预处理后传输。

3.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述数据处理模块，用于实时接收所述预处理后的脑电信号，对其进行分段、滤波、去噪等进一步处理，利用小波变换和独立成分分析算法进行二次去噪，将脑电信号分解为多个子带；采用树莓派单板机实现，具有高度便携性。

4.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述数据处理模块在提取时域、频域和时频域特征，对提取的特征进行标准化、相关性分析和降维，并采用机器学习算法将特征映射到离散情绪类别。

5.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述数据处理模块将标注好情绪类别的数据集按比例划分为训练集和测试集，在训练集上采用交叉验证的策略训练支持向量机等分类器，并在测试集上评估分类器的性能指标。

6.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述音乐呈现模块通过两个映射函数f和g，将脑电信号与音乐元素映射到同一情绪空间，从音乐数据库中选取对应的种子音乐素材，利用生成对抗网络等人工智能音乐生成模型对种子音乐进行实时重构，生成情绪对应且动态变化的新音乐素材并通过扬声器播放。

7.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述音乐呈现模块持续监测用户的生理信号和行为反馈，对映射函数f和g进行闭环优化调整，提高生成音乐与用户情绪状态的匹配度。

8.根据权利要求1所述的基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统，其特征在于，所述包含人机交互界面，用于呈现系统运行状态、治疗数据分析结果等信息，并接收用户输入指令。

技术总结基于现有音乐治疗方案存在经验主导、缺乏个体化等问题，本发明提出了一种基于脑电信号的便携式音乐情绪治疗系统。其创新点在于：直接基于脑电信号监测情绪状态，准确性更高；采用LH001芯片和树莓派，体积小功耗低便于移动使用；通过智能音乐重构技术实现高度个性化的情绪调节。系统实现方式为：模拟前端采集脑电信号并预处理；树莓派对信号进行分段、去噪，利用小波变换等提取时频特征，机器学习算法分类识别情绪状态；根据情绪类别生成智能模型对音乐实时重构播放，同时监测受试者反馈进行闭环调节；设有图形界面呈现系统状态。该系统融合了神经科学、信号处理、音乐治疗、人工智能等多学科知识，为临床和家庭保健带来创新音乐情绪治疗解决方案。技术研发人员：郭滨,许清华,方聪耀,马卫娇,吴锦双,孙伟恒,区嘉伟,任帅祥,卢穗,房佳乐,王浩宇受保护的技术使用者：长春理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11