基于功能性近红外光谱技术的专注力检测、训练系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测、训练系统和方法，系统包括可穿戴fNIR传感装置和智能终端；可穿戴fNIR传感装置中的fNIR控制模块控制fNIR信号发射模块中信号发射源的开关和光谱波长、fNIR信号采集模块中传感器的开关以及信号通道的开关，循环采集不同光谱长度下，各个信号通道上的近红外光谱信号，并传输至智能终端；所述终端设备通过内置的专注力分析模块，实现实时将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标。

【技术实现步骤摘要】
基于功能性近红外光谱技术的专注力检测、训练系统和方法
本专利技术公开了一种基于功能性近红外光谱技术(fNIR)的专注力检测、训练系统和方法。
技术介绍
现有的技术存在采用fNIR功能性近红外光谱技术测量大脑皮层的含氧血红蛋白和脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的含量，来表征大脑在接受外界刺激或思维过程中不同区域的反应和功能表达的技术方案；但是现有技术中采用的具体的传感设备有不同的缺陷，有的体积较大和重量较重，不适于对象穿戴。有的使用有线数据传输这限制了使用的范围；而且现有技术无法明确血红蛋白含量与专注力之间的关系，也无法将血红蛋白含量转化为专注度得分。现有的技术也没有建立通过检测血红蛋白含量来训练专注度的有效应用。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种基于功能性近红外光谱技术(fNIR)的专注力检测、训练系统和方法，能够基于功能性近红外光谱技术(fNIR)检测大脑专注力，结果准确可靠。一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，包括可穿戴fNIR传感装置和智能终端；所述可穿戴fNIR传感装置包括fNIR控制模块、m个fNIR传感器检测单元Gi(i＝1,2,...,m)、fNIR信号处理模块、fNIR信号存储模块和fNIR信号传输模块；每个fNIR传感器检测单元包括一个fNIR信号发射模块和一个fNIR信号采集模块；所述fNIR控制模块：控制fNIR信号发射模块中信号发射源的开关和光谱波长，fNIR信号采集模块中传感器的开关以及信号通道的开关，确保采样流程有序进行；并控制fNIR信号存储模块和fNIR信号传输模块的工作；所述fNIR信号发射模块：通过信号发射源发射近红外光谱信号，可按要求发射不同波长的红外光谱信号；所述fNIR信号采集模块：无创实时采集反射回来的不同波长的近红外光谱信号；所述fNIR信号处理模块：对fNIR信号采集模块采集的近红外光谱信号进行模拟放大和模数转换；所述fNIR信号存储模块：用于信号存储；所述fNIR信号传输模块：通过无线传输技术(蓝牙等)直接将信号传送给配对的终端设备(如手机，便携电脑等)；所述智能终端接收可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号，将其转换为血红蛋白含量信息(包括大脑皮层的含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白以及总血红蛋白的含量)，再量化为专注度得分。每个fNIR信号发射模块包括2个信号发射源(LED阵列)S1和S2，能发射730nm和850nm测试红外光谱；所述fNIR信号采集模块包括8个传感器D1～D8，能够将反射回来的近红外光谱信号经光电耦合转换成模拟电子信号；S1和D1～D5之间各存在一条信号通道，分别记为CS1D1,CS1D2,CS1D3,CS1D4,CS1D5；S2和D4～D8之间各存在一条信号通道，分别记为CS2D4CS2D5,CS2D6,CS2D7,CS2D；信号通道用于相应的发射源和传感器通信；用SSxDy代表发射源Sx和传感器Dy之间的信号通道上的信号，即发射源Sx发射的近红外光谱信号反射回来后传感器Dy接收到的信号；fNIR控制模块通过多路开关选择性采集各信号通道上的信号。所述智能终端内置有专注力分析模块，用于接收可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号，将其转换为血红蛋白含量信息，再量化为专注度得分；或者，所述智能终端通过网络与中心服务器通信连接，将可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号传送给中心服务器；中心服务器通过内置有专注力分析模块，用于将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化为专注度得分。所述可穿戴fNIR传感装置的所有功能模块集成于一个便携式穿戴设备内。一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测方法，采用以上系统检测大脑专注力，方法的具体步骤为：可穿戴fNIR传感装置中的fNIR控制模块控制fNIR信号发射模块中信号发射源的开关和光谱波长、fNIR信号采集模块中传感器的开关以及信号通道的开关，循环采集不同光谱长度下，各个信号通道的近红外光谱信号，并传输至智能终端；在单机模式下，所述终端设备通过内置的专注力分析模块，实现实时近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标。在网络模式下，所述终端设备将无线获取的信号通过网络发往中心服务器；中心服务器通过内置的专注力分析模块，将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标。所述专注力分析模块将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标，具体包括以下步骤：首先，对采集到的近红外光谱信号进行滤波，去除其中的噪音等杂波；在每个时间点，将当前时间点对应的滤波后的近红外光谱信号强度和前一个时间点对应滤波后的的近红外光谱信号强度相减，即是该时间点近红外光谱强度变化量；然后，根据比尔‐朗伯定律，通过以下公式将不同波长的光谱强度变化量转换成含氧血红蛋白脱氧血红蛋白ΔCHbR的变化量及总血红蛋白变化量ΔCHbT：其中，λ1、λ2为光谱长度，分别为730nm和850nm；和分别表示含氧血红蛋白对波长为λ1和λ2的近红外光谱的吸收系数，的分别表示脱氧血红蛋白对波长为λ1、λ2的近红外光谱的吸收系数，Lλ为所检测到的特定波长λ的光子的总平均路径长度，Lλ＝DPFλ*D，DPF是路径倒数参数，其取值与波长和目标对象的年龄有关(本专利技术采用了如下的经验公式计算：Y是目标对象的年龄。根据最终产品的目标对象的年龄范围，取目标对象的年龄的平均值作为Y)；和分别表示波长为λ1和λ2的近红外光谱强度变化量；再将由第i(1,2,…,m)个fNIR传感器检测单元中第j(1,2,…,n)个信号通道在某时间窗口内第k(1,2,…,K)个时间点采集的近红外光谱信号转换得到的血红蛋白含量信息记为(Xkij,1,Xkij,2,Xkij,3)；并将(Xkij,1,Xkij,2,Xkij,3)输入到训练好的神经网络，通过机器自学习，将血红蛋白含量信息转换成专注度得分ykij∈(0,1)；再计算该时间窗口内第k个时间点的专注度得分：最后，计算该时间窗口内的综合专注度得分其中wk表示该时间窗口内第k个时间点的专注度得分权值。所述对采集到的近红外光谱信号进行滤波是采用5阶巴特沃斯滤波器对采集到的近红外光谱信号进行滤波：其中，θ＝5，f0为截止频率，取f0＝0.1Hz，|H(f)|是滤波后信号的振幅；f为采集到的近红外光谱信号经过傅立叶变化转化得到的相应的频域信号；将|H(f)|经过反傅立叶变化转换回时域信号，得到滤波后的近红外光谱信号强度。所述初始化中，设置窗口程度K＝5，信号通道数量n＝5，fNIR传感器检测单元数量m＝8。本专利技术可以根据综合专注度得分判断大脑状态是专注度高度集中、专注度一般集中还是专注度分散；若判定为专注度高度集中、判断为专注度一般集中，判断为专注度分散。本专利技术可以将专注度状态反馈至移动终端，对测试者进行提醒。一种基于功能性近红外光谱技术的专注力训练方法，将基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统和方法应用于学习或游戏项目的难度和进程调节；包括以下步骤：首先，采用基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统和方法获得综合专注度得分然后，根据综合专注度得分自适应调节学习或游戏项目的难度和进程；自适应调节学习或游戏项目难度和进程的具体方法为：若且出错率低(≤10％本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，其特征在于，包括可穿戴fNIR传感装置和智能终端；所述可穿戴fNIR传感装置包括fNIR控制模块、m个fNIR传感器检测单元G

【技术特征摘要】
1.一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，其特征在于，包括可穿戴fNIR传感装置和智能终端；所述可穿戴fNIR传感装置包括fNIR控制模块、m个fNIR传感器检测单元Gi(i＝1,2,...,m)、fNIR信号处理模块、fNIR信号存储模块和fNIR信号传输模块；每个fNIR传感器检测单元包括一个fNIR信号发射模块和一个fNIR信号采集模块；所述fNIR控制模块：控制fNIR信号发射模块中信号发射源的开关和光谱波长，fNIR信号采集模块中传感器的开关以及信号通道的开关，确保采样流程有序进行；并控制fNIR信号存储模块和fNIR信号传输模块的工作；所述fNIR信号发射模块：通过信号发射源发射近红外光谱信号，可按要求发射不同波长的红外光谱信号；所述fNIR信号采集模块：无创实时采集反射回来的不同波长的近红外光谱信号；所述fNIR信号处理模块：对fNIR信号采集模块采集的近红外光谱信号进行模拟放大和模数转换；所述fNIR信号存储模块：用于信号存储；所述fNIR信号传输模块：通过无线传输技术直接将信号传送给配对的终端设备；所述智能终端接收可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号，将其转换为血红蛋白含量信息，再量化为专注度得分。2.根据权利要求1所述的基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，其特征在于，每个fNIR信号发射模块包括2个信号发射源S1和S2，能发射730nm和850nm红外光谱信号；所述fNIR信号采集模块包括8个传感器D1～D8，能够将反射回来的近红外光谱信号经光电耦合转换成模拟电子信号；S1和D1～D5之间各存在一条信号通道；S2和D4～D8之间各存在一条信号通道；fNIR控制模块通过多路开关选择性采集各信号通道上的信号。3.根据权利要求1所述的基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，其特征在于，所述智能终端内置有专注力分析模块，用于将可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化为专注度得分；或者，所述智能终端通过网络与中心服务器通信连接，将可穿戴fNIR传感装置采集的近红外光谱信号传送给中心服务器；中心服务器内置有专注力分析模块，用于近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标。4.根据权利要求1所述的基于功能性近红外光谱技术的专注力检测系统，其特征在于，所述可穿戴fNIR传感装置的所有功能模块集成于一个便携式穿戴设备内。5.一种基于功能性近红外光谱技术的专注力检测方法，其特征在于，采用以上系统检测大脑专注力，具体步骤为：可穿戴fNIR传感装置中的fNIR控制模块控制fNIR信号发射模块中信号发射源的开关和光谱波长、fNIR信号采集模块中传感器的开关以及信号通道的开关，循环采集不同光谱长度下，各个信号通道上的近红外光谱信号，并传输至智能终端；在单机模式下，所述终端设备通过内置的专注力分析模块，实现实时将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标；在网络模式下，所述终端设备将无线获取的信号通过网络发往中心服务器；中心服务器通过内置的专注力分析模块，将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标。6.根据权利要求5所述的基于功能性近红外光谱技术的专注力检测方法，其特征在于，所述专注力分析模块将近红外光谱信号转换为血红蛋白含量信息，再量化成专注力指标，具体包括以下步骤：首先，对采集到的近红外光谱信号进行滤波，去除其中的噪音等杂波；在每个时间点，将当前时间点对应的滤波后的近红外光谱信号强度和前一个时间点对...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏伟，
申请(专利权)人：魏伟，
类型：发明
国别省市：湖南,43