一种基于非遗古乐频率处方的自适应脑机交互方法及系统与流程

本发明涉及人工智能，具体为一种基于非遗古乐频率处方的自适应脑机交互方法及系统。

背景技术：

1、音乐疗法（music therapy）作为一种利用音乐体验改善个体生理、心理和认知健康的非药物干预手段，已有较为广泛的应用基础。近年来，随着脑机接口（brain-computerinterface, bci）技术、人工智能算法和可穿戴生理传感技术的快速发展，基于实时生理反馈的个性化音乐干预逐渐成为研究热点。

2、现有音乐疗法多采用通用型音乐播放列表或按固定曲库分类推荐，未充分考量用户个体在脑电生理状态、心理特质和文化背景方面的差异，导致干预效果因人而异且波动较大；虽然部分方案尝试通过主观问卷进行音乐偏好匹配，但缺乏基于客观生理信号的量化处方生成机制，无法实现因人、因时、因场景的动态适配。现有脑机接口系统多用于外部设备控制（如机械臂操控、字符输入），较少将脑电信号的实时变化作为音乐干预参数的调整依据。部分具备反馈功能的音乐干预系统，其脑电采集通常采用多通道（8通道及以上）医用级设备，成本高昂、佩戴复杂、使用门槛高，难以向家庭及日常场景推广；仅采用单通道消费级脑电采集时，因信号易受肌电伪迹、运动伪迹、电极接触不良等因素干扰，现有系统普遍存在反馈可靠性不足、误调整率偏高的问题，无法形成稳健的闭环干预。现有音乐疗法主要依赖用户主观自评量表（如焦虑自评量表、视觉模拟评分）进行疗效评估，缺乏基于脑电频段能量、状态指数等客观生理指标的量化评价体系；并且，现有系统的干预策略多为固定参数预设，不具备从历史会话数据中学习和优化处方策略的能力，导致系统无法随使用次数增加而持续提升个性化适配效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于非遗古乐频率处方的自适应脑机交互方法及系统，以解决上述背景技术中提到的现有的缺乏个性化处方的量化生成方法、无法实现基于单通道脑电的实时闭环反馈调整、疗效评估缺乏客观工程指标等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、根据本发明的一个方面，提供一种基于非遗古乐频率处方的自适应脑机交互方法，所述方法包括：

4、采集用户的脑电信号并提取脑电状态特征，获取非遗古乐音频数据及古乐特征，所述古乐特征包括频谱特征、节奏特征、调式特征、音色特征、五音标签或处方标签中的至少一种；

5、根据用户目标状态、所述脑电状态特征和所述古乐特征，生成包含处方音乐参数的处方对象，根据所述处方对象向用户输出处方音乐，并在输出过程中持续或间歇采集用户的脑电信号；

6、根据实时或阶段性采集的脑电状态与所述用户目标状态之间的差异，对所述处方对象中的参数进行自适应调整，在满足预设结束或暂停条件时，停止或暂停处方输出，并生成会话状态信息和处方执行记录。

7、基于前述方案，所述采集用户的脑电信号并提取脑电状态特征包括：

8、通过三电极单通道脑电采集结构采集脑电信号，所述三电极包括有效脑电电极、参考电极和接地电极；

9、对所述脑电信号进行预处理，所述预处理包括带通滤波、陷波滤波和小波阈值去噪中的至少一种；

10、对预处理后的脑电信号进行伪迹检测，将满足伪迹判据的信号窗口标记为无效窗口，不参与脑电状态特征提取；

11、对有效信号窗口采用welch法进行频谱估计，提取delta、theta、alpha、beta、gamma频段能量、脑电主频、频段比例和状态指数中的至少一种作为所述脑电状态特征。

12、基于前述方案，所述获取非遗古乐音频数据及古乐特征包括：

13、对非遗古乐音频执行重采样和响度归一化；

14、通过短时傅里叶变换、恒q变换、chroma特征提取、基频估计或非负矩阵分解中的至少一种，提取音频的频谱特征、节奏特征、调式特征或音色特征；

15、基于五声音阶模板匹配，计算音频片段归属宫、商、角、徵、羽的概率向量，生成所述五音标签。

16、基于前述方案，所述处方对象还包括播放时长、音量范围、混音比例、双耳节拍差频、调制深度和反馈调整规则；

17、所述处方音乐包含君音、臣音、佐音和使音四类音轨，所述四类音轨的比例根据所述用户目标状态与当前脑电状态的差异进行自适应调整，各音轨的比例在预设上下限范围内变化。

18、基于前述方案，按照所述处方对象向用户输出处方音乐的同时，还输出嗅觉交互信号、视觉交互信号或触觉交互信号中的至少一种辅助感官输出；

19、所述嗅觉交互信号包括香薰种类、释放速率、释放持续时间和释放间隔；

20、所述视觉交互信号包括光色、亮度、闪烁频率和呼吸灯周期；

21、所述触觉交互信号包括振动频率、振动强度、振动包络和工作时长；

22、所述处方音乐与所述辅助感官输出通过会话时间戳在预设同步阈值内协同输出。

23、基于前述方案，所述对所述处方对象中的参数进行自适应调整包括：

24、计算当前脑电状态与所述用户目标状态之间的偏差量及变化趋势；

25、采用分级调整机制，按一级调整、二级调整、三级调整的优先级逐级执行参数调整；

26、所述一级调整包括调整音量、淡入淡出时间和混音比例；

27、所述二级调整包括调整双耳节拍差频、调制深度和节奏密度；

28、所述三级调整包括切换曲目片段、更换种子音、改变香薰类型、切换灯光节律模式或变换振动模式；

29、当连续多个反馈窗口未达到目标状态时，按一级至三级顺序逐级调整。

30、基于前述方案，所述自适应调整受安全约束层限制；

31、所述安全约束层包括声压安全阈值、单次调整限幅和禁止动作规则；

32、所述声压安全阈值包括预设的舒适播放声压范围和预设的峰值声压上限；

33、所述单次调整限幅包括：音量单次变化限制在预设渐变步长范围内，双耳节拍差频单次变化限制在预设频率调整步长范围内，调制深度单次变化限制在预设调制调整步长范围内；

34、当用户反馈不适、伪迹率超过预设阈值或目标状态已达标时，禁止执行增强型调整动作；

35、系统在触发安全约束时进入安全保持状态，仅允许淡出、降强度或结束会话操作。

36、根据本发明的另一方面，提供一种基于非遗古乐频率处方的自适应脑机交互系统，该系统包括：

37、脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电信号并输出经预处理后的脑电数据；

38、脑电状态识别模块，用于从所述脑电数据中提取脑电状态特征；

39、非遗古乐特征库模块，用于存储非遗古乐音频数据及其古乐特征，所述古乐特征包括频谱特征、节奏特征、调式特征、音色特征、五音标签或处方标签中的至少一种；

40、处方生成模块，用于根据用户目标状态、所述脑电状态特征和所述古乐特征，生成包含处方音乐参数的处方对象；

41、交互输出模块，用于根据所述处方对象向用户输出处方音乐；

42、闭环反馈模块，用于根据实时或阶段性采集的脑电状态与所述用户目标状态之间的差异，对所述处方对象中的参数进行自适应调整；

43、会话管理模块，用于判断预设的结束或暂停条件，并在条件满足时停止或暂停处方输出，以及生成会话状态信息或处方执行记录。

44、基于前述方案，所述脑电信号采集模块为三电极单通道脑电采集模块，包括有效脑电电极、参考电极、接地电极、模数转换单元和阻抗检测单元；

45、所述有效脑电电极布置于前额fp1或fp2位置，参考电极和接地电极布置于非毛发区；

46、所述有效脑电电极为银氯化银干电极或柔性电极；

47、所述阻抗检测单元用于在采集过程中持续监测电极接触阻抗，当阻抗超过预设阈值时生成提示信号。

48、基于前述方案，所述交互输出模块还包括以下至少一种辅助输出单元：

49、嗅觉输出单元，包括香薰胶囊仓、微泵或微孔阵列控制单元，用于根据处方对象控制香薰种类、释放速率和释放间隔；

50、视觉输出单元，包括rgb led灯组，用于根据处方对象控制光色、亮度和呼吸灯周期；

51、触觉输出单元，包括线性谐振马达或压电振动器，用于根据处方对象控制振动频率、振动强度和振动包络；

52、所述处方音乐与所述辅助输出单元的输出信号通过会话时间戳在预设同步阈值内协同输出。

53、由上述技术方案可知，本发明与现有技术相比至少具备以下优点和积极效果：本发明通过建立非遗古乐音频特征库，利用短时傅里叶变换、恒q变换、chroma特征提取、基频估计和五声音阶模板匹配等数字信号处理方法，将民族古乐的音高、调式、频谱和节奏特征转化为可量化的处方参数，并与用户实时脑电状态进行映射匹配；相比现有单纯依赖通用音乐曲库的方案，本发明的处方音乐具有明确的文化根源和可计算的频率特征，在实现文化传承的同时确保技术方案的可复现性和可验证性。采用三电极单通道脑电采集结构，有效电极、参考电极和接地电极的配合布局既降低硬件成本和佩戴复杂度，又保证信号质量；通过完整的单通道预处理链路（带通滤波、陷波滤波、小波阈值去噪）和严格的伪迹检测与有效性门控机制（validwindow标记），有效剔除肌电、运动和接触不良等干扰，显著提高单通道eeg闭环反馈的可靠性。采用规则库约束与机器学习（或强化学习）模型相融合的决策架构，规则库确保基础安全性和响应及时性，学习型模型根据历史有效会话样本（按结束原因编码赋予差异化样本权重）持续优化决策策略；使多设备端的处方策略能够在不泄露用户原始脑电数据的前提下实现群体进化，随着使用规模的扩大，系统个性化适配能力不断增强。在听觉处方音乐的基础上，可选地集成嗅觉（隐藏式香薰可控释放）、视觉（rgb led灯光节律）和触觉（振动频率与包络引导）三条辅助交互通道，并通过统一会话时间戳实现多通道信号的毫秒级同步输出；相比单一听觉刺激，四感协同能够营造更加沉浸的干预环境，提高用户的依从性和状态引导效率。通过天维参数（时间节律与日周期）、地维参数（使用场景与环境标签）和人维参数（个体eeg指纹、中医体质标签）的多维度融合，在用户尚未产生任何反馈数据之前即可生成具有个体化基础的初始处方对象；通过eeg指纹特征向量与中医体质分类模型的映射，将传统中医体质学说与现代脑电生理信号建立了可计算的关联，为非遗古乐处方的个体化选择提供具有文化特色和生理依据的初始化策略。

54、本发明应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。