基于人工智能技術(shù)的音樂治療對身體機理反應(yīng)及自動療效評估系統(tǒng)

朱 婷何 凌

（1.四川音樂學(xué)院，四川 成都610500；2.四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，四川 成都610065）

0 引言

近年來，音樂治療在中國越來越受關(guān)注，并具有很大的發(fā)展空間和意義。音樂治療學(xué)是一門融合多學(xué)科的邊緣學(xué)科，包括醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、人工智能學(xué)科等。音樂治療應(yīng)用音樂對人體的生理、心理的影響作用，通過特定的音樂，達(dá)到舒緩受試者情緒、改善受試者亞健康狀態(tài)的目的。目前，音樂治療已經(jīng)應(yīng)用在精神疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心腦血管疾病和一些其他疫病[1-13]。

治療過程中，音樂是重要因素之一。而目前國內(nèi)的音樂治療卻存在音樂選擇西方化、音樂體驗過程難監(jiān)測、治療療效難評估等問題。近年來，計算機人工智能技術(shù)飛速發(fā)展，很多技術(shù)已經(jīng)在醫(yī)療領(lǐng)域廣泛使用，將科技發(fā)展的成果應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，實現(xiàn)臨床醫(yī)療現(xiàn)代化、精準(zhǔn)化發(fā)展，是國家對醫(yī)療發(fā)展的規(guī)劃。

現(xiàn)代生活、工作節(jié)奏加快，職業(yè)人群所承受壓力越來越大，心理亞健康現(xiàn)象越來越普遍。本文擬結(jié)合計算機信號處理技術(shù)、醫(yī)學(xué)電子學(xué)儀器和音樂治療手段，探索“音樂治療—身體機理反應(yīng)—自動療效評估”體系，將不同音樂類型對治療療效的影響實體化反映在身體機理變化上，并通過計算機技術(shù)對機理反應(yīng)進(jìn)行定性定量分析，使用統(tǒng)一的評價指標(biāo)體系客觀、系統(tǒng)的評價音樂治療療效，輔助后續(xù)治療，對完整的音樂治療過程意義重大。同時，在一定程度上緩解對音樂治療師高要求、多需求的壓力。

1 語音情感評估—音樂治療—身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)總框圖

語音情感評估—音樂治療—身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)，擬實現(xiàn)音樂治療和療效的定量評估，并可實時監(jiān)測受試者身體反應(yīng)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)治療音樂的類型。其主要流程及功能如圖1所示。

圖1 語音情感評估-音樂治療-身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)總框圖

該系統(tǒng)包括：（1）語音情感評估：擬對測試者的錄音進(jìn)行情感評估，關(guān)注語音反映出來的情緒狀態(tài)，將測試者的心理狀態(tài)初步評定為三個等級：壓力、正常和放松。（2）根據(jù)心理狀態(tài)評估結(jié)果，通過機器學(xué)習(xí)在曲庫中自動選取合適的治療音樂，進(jìn)行第一階段的音樂治療。（3）在第一階段的音樂治療中，實時監(jiān)測測試者的心率指標(biāo)，使用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)定量評估測試者的心理狀態(tài)。若受試者心理狀態(tài)仍為“壓力”或“正常”，將心率指標(biāo)反饋給機器學(xué)習(xí)，綜合語音情感和心率指標(biāo)自動調(diào)整治療音樂類型，進(jìn)行第二階段的音樂治療，循環(huán)此過程直至受試者心理狀態(tài)評估為“放松”。

2 音樂治療曲庫的建立

音樂可以實現(xiàn)對人體生理、心理的刺激作用。根據(jù)音樂對人體的不同刺激，語音情感評估-音樂治療-身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)，擬建立包含“亢奮”“正常”“放松”三種類別的音樂治療曲庫。同時，運用數(shù)字信號處理技術(shù)描述不同類型的音樂所具有的特征，達(dá)到定量評估音樂特點并將其分類的目標(biāo)。

系統(tǒng)擬選取2 000首不同風(fēng)格的音樂作品，提取其音樂信號的聲學(xué)特征。常見的聲學(xué)特征參數(shù)包括時域、頻域與時頻域特征。其中，系統(tǒng)擬提取：（1）表征音樂曲調(diào)速度、節(jié)奏、音量的時域特征：短時過零率、短時能量、短時自相關(guān)函數(shù)；（2）表征音樂演唱者音色的頻域特征：聲道特性參數(shù)；（3）表征音樂曲調(diào)音色的時頻域特征：語譜圖特征參數(shù)[14-15]。

3 基于人工智能技術(shù)的受試者情感類別自動檢測

本系統(tǒng)擬應(yīng)用語音情感計算技術(shù)，實現(xiàn)對受試者情感類別的自動檢測[14-15]。語音情感識別技術(shù)可以通過人工智能算法，通過對受試者語音信號的分析與處理，結(jié)合模式識別算法，實現(xiàn)對受試者情感類別的自動識別。本系統(tǒng)中情感計算的算法流程如圖2所示。

基于語音情感計算的說話人情感類別自動檢測算法包括：包含語音情感特征的聲學(xué)特征參數(shù)提取、構(gòu)造情感特征向量、特征降維和情感特征自動分類識別。

（1）聲學(xué)特征參數(shù)提取：情感語音當(dāng)中包含多種聲學(xué)特征可反映說話人的情感行為的特點。基于語音信號的情感表征參數(shù)的提取，是語音情感計算算法的關(guān)鍵步驟。本系統(tǒng)擬實現(xiàn)對受試者“亢奮”“正常”“放松”三類情感狀態(tài)的自動檢測。當(dāng)受試者處于“亢奮”狀態(tài)下，通常其音調(diào)會上升，語速加快。當(dāng)受試者處于“放松”狀態(tài)下，通常其音調(diào)會下降，語速變得更為平緩，音量會降低。本系統(tǒng)擬提取短時過零率、短時能量、短時自相關(guān)系數(shù)、共振峰、梅爾倒譜系數(shù)，作為該情感計算模塊的語音聲學(xué)特征參數(shù)。

圖2 基于語音情感計算的說話人情感類別自動檢測算法流程圖

（2）情感特征向量構(gòu)造：本系統(tǒng)將上一個步驟中提取的聲學(xué)特征參數(shù)，構(gòu)建為情感特征向量。

（3）特征降維算法：對于上一個步驟中構(gòu)建的情感特征向量，本系統(tǒng)擬應(yīng)用主成分分析法，實現(xiàn)對特征向量的維度空間的降低，以降低系統(tǒng)的計算量。

（4）情感特征自動分類識別：本文擬采用二叉樹型的多分類支持向量機（SVM）進(jìn)行情感特征自動分類，將測試者當(dāng)前的情感狀態(tài)分為“亢奮”“正常”“放松”三類。支持向量機被廣泛應(yīng)用于模式識別領(lǐng)域，支持向量機通過超平面的建立，實現(xiàn)類別的劃分。本系統(tǒng)擬設(shè)計二叉樹型多分類SVM的步驟為：識別當(dāng)前情感是“亢奮”或其他情感；若當(dāng)前情感為其他情感，再繼續(xù)識別為“正常”或者“放松”；最終得出測試當(dāng)前的情感狀態(tài)。

4 基于實時心率信號監(jiān)測的治療音樂反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)

本文擬采用AD8232心電監(jiān)測傳感器模塊，實時采集受試者的心率信息。受試者的心率信息，可能會反映受試者實時的心理狀態(tài)。當(dāng)受試者從亢奮狀態(tài)逐漸放松后，其心率信號會發(fā)生變化。

通過心率信號采集電路，實時采集心率信號后，語音情感評估—音樂治療—身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)基于受試者心率信號值，自動反饋調(diào)節(jié)播放音樂，以達(dá)到音樂治療的效果。其反饋調(diào)節(jié)機制如下：

（1）當(dāng)心率信號大于閾值T1時：語音情感評估—音樂治療—身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)調(diào)節(jié)播放的音樂，播放高度舒緩的音樂信號。

（2）當(dāng)心率信號低于閾值T2時：系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)播放輕度舒緩的音樂，以調(diào)節(jié)受試者情感狀態(tài)。

（3）當(dāng)心率信號值處于T1與T2之間時：系統(tǒng)反饋調(diào)節(jié)播放中度舒緩的音樂。

其中，T1與T2閾值的選擇，系統(tǒng)擬設(shè)置實驗，招募10名志愿者，模擬不同的壓力狀態(tài)下，對T1與T2的閾值進(jìn)行統(tǒng)計分析得到。

5 結(jié)語

近年來，音樂治療在中國越來越受到關(guān)注，具有很大的應(yīng)用與發(fā)展空間。但音樂治療體系并不完善，存在不同類型音樂自動檢測算法研究缺乏；音樂行為及音樂體驗難檢測；音樂治療難以量化評估等問題。因此，本課題結(jié)合計算機信號處理技術(shù)、醫(yī)學(xué)電子學(xué)儀器和音樂治療手段，探索語音情感評估—音樂治療—身體反應(yīng)機理反饋評估系統(tǒng)，將不同音樂類型對治療療效的影響實體化反應(yīng)在身體機理變化上，對機理反應(yīng)進(jìn)行定性定量分析，擬實現(xiàn)音樂治療和療效的定量評估，并可實時監(jiān)測受試者身體反應(yīng)，負(fù)反饋調(diào)節(jié)治療音樂的類型，達(dá)到音樂治療的效果。