[发明专利]基于脑电意念的智能运动耳机及其实现方法与系统

权利要求书

1.一种基于脑电意念的智能运动耳机的实现方法，其特征在于：基于脑电意念的智能运动耳机包括电源和耳机本体，耳机本体包括头戴、耳机控制模块和发声单元，头戴的两端分别设有发声单元，耳机控制模块内置在头戴中，其特征在于：还包括脑电信号采集模块、脑电信号预处理模块、识别模块和储存模块，脑电信号采集模块、脑电信号预处理模块、识别模块和储存模块分别内置在头戴中，脑电信号采集模块包括干态电极传感器1a、干态电极传感器1b、干态电极传感器1c和干态电极传感器1d，干态电极传感器1a、干态电极传感器1b、干态电极传感器1c和干态电极传感器1d分别设于头戴上，脑电信号采集模块通过脑电信号预处理模块连接识别模块，识别模块连接储存模块；还包括eSIM模块，eSIM模块内置在头戴中，eSIM模块与耳机控制模块连接，eSIM模块采用eSIM NB-IOT通信模组M5310，识别模块采用STM32F072RB芯片；干态电极传感器1a与干态电极传感器1d、干态电极传感器1b与干态电极传感器1c分别双极并联，干态电极传感器1a与干态电极传感器1d分别设于头戴的两端，干态电极传感器1b与干态电极传感器1c分别设于头戴的两端且设于干态电极传感器1a与干态电极传感器1d之间；干态电极传感器1a与干态电极传感器1d、干态电极传感器1b与干态电极传感器1c均采用主动型干态电极传感器，该基于脑电意念的智能运动耳机的实现包括以下步骤，

S1、采集：进行脑电信号采集，采用干电极脑电采集技术，由脑电信号采集模块中的四个单数据通道采集的干态电极传感器1a、1b、1c、1d通过设定的采样频率进行脑电信号采集；

S2、预处理：对采集的脑电信号进行预处理，由脑电信号预处理模块接收脑电采集模块采集到的脑电信号，脑电信号预处理模块进行脑电信号的滤波与放大；

S3、分类：通过脑电特征提取模型获得分类结果，对步骤S2预处理后的脑电信号，采用结合独立分量分析ICA和小波分析的脑电特征提取方法进行特征提取，获得分类结果；

步骤S3中，采用结合独立分量分析ICA和小波分析的脑电特征提取方法进行特征提取，获得分类结果，具体为，

S31、对步骤S2预处理后的脑电信号进行二进小波变换，脑波信号的二进小波变换的定义式为：其中，c_i，j二进小波系数，k为整数，为小波函数，为二进小波函数，其逆变换式为：其中，x_j(t)表示信号x(t)在某一刻度(2^j)下的分量；

对于从脑电信号采集模块测得的2导脑电数据，对每导数据x_i进行正交小波分解；采用长度为4的Daubechis小波，以层数为4，按如上公式分解，每导数据被分解为5个子带信号：

原信号与每个子带的频率分布关系为：其中，f_s为采样频率；

S32、选取子带，具体为，根据需要选择同一尺度或多个尺度下的各导脑电多个子带的组合，来组成独立分量分析的输入：其中，式中，n、m为所选择的子带范围；

脑电信号有5个主要频带：Delta(0-4Hz)、Theta(4-8Hz)、Alpha(8-15Hz)、Beta(15-30Hz)和Gamma(30-60Hz)，由上述子带信号的频率范围公式，得到五个脑电频带对应的子带：为了增强5个脑电频带特征，选择n＝1，m＝5，即：将上述结果作为独立分量分析的输入；

S33、通过扩展Infomax算法求取分离矩阵，具体为，独立分量分析即从n个通道获得n个观测信号x_i，每个观测信号是n个独立源信号s_i的线性混合，即：x＝As，其中，x＝(x₁，x₂，...x_n)^T，s＝(s₁，s₂，...s_n)^T，A为常数且A不为0；ICA通过分离矩阵W将独立分量将多通道信源中分离出来，即：u＝Wx，其中，u是对真实信源s的逼近；考虑到脑电信号同时包含超高斯和亚高斯分布的独立分量成分，采用基于信息极大准则的扩展Infomax算法进行分离矩阵估计，扩展最大熵算法的解混矩阵调节公式为：其中，μ为学习步长，依具体情况进行自适应调整，I为单位矩阵，K为对角矩阵，对角元素如下：

k_ii＝1(超高斯信号)

k_ii＝-1(亚高斯信号)

故由递推公式W(k+1)＝W(k)+μΔW可求得矩阵W；

S34、求解独立分量，具体为，将矩阵W代回上述公式，得到独立分量u＝(u₁,u₂,…u_n)^T；

S4、训练：采用反向传播算法将步骤S3中所得分类结果带入前馈神经网络训练，求取参数隐含层神经元数n、权重矩阵W，得到基于前馈神经网络的脑电特征深度学习模型；

S5、识别：对实时采集的脑电信号进行识别，将步骤S4得到的参数直接预设在识别模块中，即，将S4建立的脑电特征深度学习模型预置在识别模块中，将运动者运动过程中实时采集到的脑电信号数据，通过预处理模块预处理后，输入识别模块后，得到相应的分类结果；

S6、控制：对耳机控制模块发送指令，经识别模块的处理器运算后得到的分类结果，与存储模块中的分类结果进行比对，得到对应的嵌入式指令，将嵌入式指令发送给耳机控制模块；

步骤S7、通过eSIM模块进行通话控制，实现收到来电、接听电话、挂断电话的控制，并将相关控制信息发送给耳机控制模块。