[发明专利]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

摘要

本发明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。

主权项

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；/n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_i、fNIR信号处理模块、fNIR信号存储模块和fNIR信号传输模块，其中i＝1,2,...,m；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；/n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；/n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；/n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；/n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；/n所述fNIR信号存储模块：用于信号存储；/n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；/n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，具体包括以下步骤：/n首先，对采集到的近红外光谱信号进行滤波，去除其中的杂波；/n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；/n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ΔC_HbR的变化量及总血红蛋白变化量ΔC_HbT：/n /n /n /n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，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，L^λ为所检测到的特定波长λ的光子的总平均路径长度，其取值与波长和目标对象的年龄有关，λ＝λ₁,λ₂；和分别表示波长为λ₁和λ₂的近红外光谱强度变化量；/n再将由第i个fNIR传感器检测单元中第j个信号通道在某时间窗口内第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(X_kij,1,X_kij,2,X_kij,3)；并将(X_kij,1,X_kij,2,X_kij,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y_kij∈(0,1)；其中，i＝1,2,…,m，j＝1,2,…,n，k＝1,2,…,K；/n再计算该时间窗口内第k个时间点的专注度得分：/n最后，计算该时间窗口内的综合专注度得分其中w_k表示该时间窗口内第k个时间点的专注度得分权值。/n