[发明专利]基于脑电信号的学习注意力评价系统

说明书

本发明公开了一种基于脑电信号的学习注意力评价系统，包括：脑电采集子系统，用于采集脑电信号，进行预处理，去除工频干扰和基线，并将脑电信号传输至脑电分析子系统；脑电分析子系统用于分析采集到的脑电信号，提取时域特征和频域特征作为注意力分类的特征向量，将特征向量输入注意力分类器，得出注意力等级；学习状态显示提醒子系统将脑电分析子系统得出的注意力等级反馈至学生和教师处；实现学生注意力的实时监测，解决学生学习状态难以客观评价的技术问题。

技术领域

本发明属于注意力检测技术领域，具体涉及一种基于脑电信号的学习注意力评价系统。

背景技术

课堂学习状态的检测是教与学过程中的重要环节。传统的课堂检测方式往往以课堂提问、随堂测验、观察学生表情等手段为主，教师往往无法兼顾到每位学生的学习状态，且判断结果随机性大、主观性强。因此，实现学生学习状态的客观有效检测显得尤为重要。近年来，随着脑机接口技术的飞速发展，使得仅仅通过对脑电信号的采集与分析来实现对人体心理活动的捕捉成为可能。注意力作为一种心理活动，在学生的学习活动中起着重要作用。学生课堂注意力集中程度的高低，在较大程度上反映了学生的听课质量与学习状态。大量文献指出，脑电信号各节律波的活动情况与人体所处的注意力状态具有紧密的联系。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于脑电信号的学习注意力评价系统，实现学生注意力的实时监测，解决学生学习状态难以客观评价的技术问题。

本发明采用如下技术方案，为每位学生配备一台便携式脑电采集设备，利用可穿戴脑电采集设备采集学生的脑电数据，通过分析班级学生的脑电数据用以实时评价学生的注意力状态，实时反映学生的学习与教师的授课情况，并将结果经由手机APP或PC端程序的方式反馈给学生和教师，从而达到学习注意力实时反馈的效果，一种基于脑电信号的学习注意力评价系统，具体包括：脑电采集子系统、脑电分析子系统和学习状态显示提醒子系统，其中，

脑电采集子系统用于采集脑电信号，进行预处理，去除工频干扰和基线，并将脑电信号传输至脑电分析子系统；

脑电分析子系统用于分析采集到的脑电信号，提取时域特征和频域特征作为注意力分类的特征向量，将特征向量输入注意力分类器，得出注意力等级；

学习状态显示提醒子系统将脑电分析子系统得出的注意力等级反馈至学生和教师处。

优选地，所述脑电采集子系统使用TI公司的ADS1298芯片作为模拟前端，采集顶叶P7、P3、Pz、P4和P8导联的脑电信号；使用TI公司的CC2652R微处理器进行脑电信号的预处理和脑电信号传输。

优选地，所述脑电采集子系统进行预处理包括带通滤波和去除基线，构造数字带通滤波器，去除50Hz工频干扰；利用最小二乘法拟合基线，并将基线从原始脑电信号中去除。

优选地，所述脑电采集子系统和脑电分析子系统之间的通信通过Zigbee星型组网实现，脑电分析子系统作为主机以轮询的方式向脑电采集子系统请求数据，脑电采集子系统收到指令后即回传指定长度的脑电信号数据。

优选地，所述脑电采集子系统包括固定用顶梁，内含供电及数据传输处理单元，数据传输处理单元用于接收脑电信号数据，并对脑电信号进行预处理及传输；采集用干电极，采集用干电极通过弹性部件连接于顶梁之上；耳部参考电极，采集用干电极和耳部参考电极将采集的信号传输至数据传输处理单元。

优选地，所述脑电分析子系统提取的频域特征为δ波、θ波、α波和β波四个频段的功率值，时域特征为样本熵和标准差、一阶差分均值、二阶差分均值，构建特征向量，采用的注意力分类器为概率神经网络PNN，将注意力等级分为高、中、低三类。

优选地，所述概率神经网络PNN的训练样本为公开数据库与实验数据，其中公开数据库为DEAP数据库，实验数据为对被测试者进行注意力实验得到的被测试者的注意力自评等级数据。