[发明专利]一种基于前额脑电信号的脑力负荷在线检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及脑力负荷检测领域，特别涉及一种基于前额脑电信号的脑力负荷在线检测方法。

背景技术

近年来，随着信息技术的飞速发展，在操作任务中人的脑力负荷程度不断加大，脑力负荷已成为系统设计中必须考虑的重要课题，其检测技术引起广泛的关注。脑力负荷，指作业人员为达到业绩标准而付出的注意力大小，其涉及到完成某项任务时的工作要求、时间压力、作业人员的能力和努力程度，以及任务不顺利时的挫折感等。

由定义可知，脑力负荷是一个多维的概念，目前脑力负荷测量的方法主要有如下4类：(1)主观测量法：该方法要求操作者陈述特定操作过程中的脑力负荷体验，或根据脑力负荷体验对操作活动进行难度顺序的排列，通常要给出一些定义和规则以指导操作人员的评估；(2)主任务测量法：通过测量主任务操作绩效来评估操作者的脑力负荷大小，常用绩效指标有执行速度、准确率、反应时和错误率等；(3)次任务测量法：该方法指操作人员被要求同时做两件工作，操作人员把主要精力放在主任务上，当他有多余的能力时，尽量做辅助任务。常用的辅任务有选择反应、追踪任务、监视、记忆、数字计算、时间估计等；(4)生理学测量法：通过测量操作者的某些生理指标的变化来反映其脑力负荷的变化。主观测量法简单无干扰，但由于易受个体特征、认知策略以及个体的心理和生理状况等多种因素影响，其评定结果容易出现较大的偏差；任务测量法效度较高，但任务绩效与脑力负荷的关系不一定是简单的线性关系；由于生理参数的客观、实时性，因此生理学测量法是在线检测脑力负荷的首选方法。

脑电(EEG)是脑神经细胞的电生理活动在大脑皮层或头皮表面表现出的电现象，它包含了丰富能够反映生理、心理状态的信息，其节律随着精神状态的变化而不断改变，不同的脑力负荷程度会使脑电信号产生不同的变化。因此，根据脑电信号的变化，可推测大脑活动的功能状态，从而检测出特定任务的脑力负荷强度。实际脑电信号中都包含有趋势、突变、事件的开始与结束等特征，这些变化中蕴含着非常重要的信息，脑电信号可以看作是发生在不同时间尺度上不同结构的重叠结果。

传统的脑电信号采集方法需要配备多导联电极帽，实验时需要打导电膏，操作较复杂，并且给受试者带来不适，影响了其操作绩效的发挥，这些均为脑力负荷在线检测方法与仪器的研发带来了挑战。

发明内容

本发明提供了一种基于前额脑电信号的脑力负荷在线检测方法，本发明只需要采集人头部前额的两导脑电信号，简化了操作，通过采集前额脑电，结合小波多尺度熵及支持向量机，提高了脑力负荷分类正确率，详见下文描述：

一种基于前额脑电信号的脑力负荷在线检测方法，所述方法包括以下步骤：

（1）采用银/氯化银电极作为传感器采集前额脑电信号；

（2）采用脑电放大器对前额脑电信号进行放大、滤波处理，随后进行数据预处理，获取到处理后前额脑电信号；

（3）编写刺激任务为n-back；

（4）从处理后前额脑电信号中提取小波多尺度熵特征；

（5）通过支持向量机对小波多尺度熵特征进行模式识别，得到的结果即为该数据的脑力负荷等级以及识别正确率。

所述采用银/氯化银电极作为传感器采集前额脑电信号的操作为：

在前额设置有两导采集电极，在左右耳设置两导参考电极，两导参考电极作为接地端输入放大器，前额脑电信号采集使用单极导联方式。

所述从处理后前额脑电信号中提取小波多尺度熵特征的操作为：

1）采用小波分解，将前额脑电信号进行8个尺度的信号分解与重构；

2）对于给定的t个点的重构后前额脑电信号X(t)将其表示为序列{X(i)}，将序列{X(i)}按顺序组成m维矢量，即X_m(i)=[X(i),X(i+1),…,X(i+m-1)]；

3）计算矢量X_m(i)与其余矢量X_m(j)之间的距离d[X_m(i),X_m(j)]；

4）给定一个相似容限r值，对每一个i值统计d[X_m(i),X_m(j)]<r的数目，以及此数目与总的距离数目t-m-1的比值

5）求对所有i值的平均值B^m(r)；

6）增加维数为m+1，构造m+1维矢量，重复步骤1）-4）的操作，得到对所有i值的平均值B^m+1(r)；