基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法技术

基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，使用电动牙刷、耳机、声卡或智能手机三种设备；耳机与声卡的麦克风接口相连；步骤包括信号时序切割；利用左右声道功率判断左右牙区；设计粗糙度算法用自然频率差异鉴别上下颌骨，包括自然频带特征提取，基于自然频带特征的判别阈值计算，基于判别阈值的牙区判断。本发明专利技术基于耳机逆向信号获取传感数据，无需额外复杂设备，设备廉价，识别精度高，计算快开销小。本发明专利技术构建的物理模型无需训练，可以直接利用一组刷牙数据对参数进行求解，为刷牙监控系统提供了新的牙位识别方案，可以有效监督用户刷牙过程，对提高用户口腔健康水平有重要意义。对提高用户口腔健康水平有重要意义。对提高用户口腔健康水平有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法


[0001]本专利技术属于人机交互的声波感知
，具体涉及一种基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法。

技术介绍

[0002]研究表明电动牙刷的刷牙时长对提升口腔健康程度有重要作用。足够的刷牙时长可以有效去除牙斑菌，使得用户口腔健康长期保持良好水平。
[0003]设计精确有效的刷牙位置监控系统对用户刷牙情况进行提醒和记录会有助于提高用户的刷牙完成度，进而提高用户的口腔健康水平。
[0004]然而现有技术中尚不存在能够自动判断电动牙刷在口腔中所处位置的方法。只有首先解决以什么样的途径进行信号采集，进而设计出对采集的信号如何识别的方案，才能实现电动牙刷在口腔中的定位，进而实现各牙齿的刷牙时长统计，为口腔健康提供可靠的数据。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，实现电动牙刷在口腔中位置的识别。
[0006]本专利技术的技术构思是建立了一个颅骨到耳蜗骨传导路径的声衰减模型，通过计算声衰减程度定位当前刷牙位置，进而能够在基于刷牙位置识别功能的基础上，实现各牙齿的刷牙时长统计。每次刷牙后，系统可以对用户漏刷、刷牙时长不足的位置进行提醒，从而督促用户进行完整的牙齿清洁。
[0007]基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，其特征是该方法使用电动牙刷、耳机、声卡或智能手机三种设备；耳机与声卡的麦克风接口相连，或与智能手机的3.5mm接口相连；牙刷是独立的设备，不与其他设备连接；
[0008]该方法包括以下步骤：
[0009]1)以门牙牙缝为界，将牙床分为上左、上右、下左、下右4个牙区，先佩戴耳机，后启动电动牙刷开始刷牙，电动牙刷的振动使颅骨产生4个牙区的骨传导声波信号，利用耳机作为传感器获得逆向信号以感知该声波信号，其中所述声卡或智能手机的采集频率记为fs；
[0010]2)逆向信号的转换与时序切割
[0011]采集到的每一组逆向信号经AD转换为离散数字信号，以实时序列形式缓存，经时序切割，得到定长序列；所述时序切割是将切割窗口长度设为n，即两个声道各接收到n个采样点时截断，再执行下一次切割；
[0012]离散数字信号经切割后形成以n
×
2形式存储的2
‑
d数组，左声道信号序列定义为s
l
(i)，右声道信号序列定义为s
r
(i)，其中i表示序列索引，i＝0,
…
,n
‑
1；
[0013]3)牙区判别方法的构建，包括3.1)左右牙区判别方法与3.2)上下牙区判别方法
[0014]3.1)左右牙区判别方法是对左右声道功率进行对比
[0015]一个窗口的离散数字信号的左声道功率p
l
、右声道功率p
r
的计算方法为：
[0016][0017]当p
l
>p
r
时判定该窗口对应的刷牙位置为左牙区，当p
l
<p
r
时判定该窗口对应的刷牙位置为右牙区；
[0018]3.2)上下牙区判别方法是利用上下颌骨不同的自然频率进行判断
[0019]电动牙刷工作时产生的振动频率与ERS主峰频率一致，记为F
main
，频带宽度设为40Hz，其频带区间称为主频带；上颌骨自然频率设为500Hz，下颌骨自然频率设为1200Hz；自然频率的频带宽度设为200Hz，其频带区间称为自然频带；
[0020]采用以下方法从逆向信号中判别上下牙区，包括3.2.1)自然频带特征提取步骤，3.2.2)基于自然频带特征的判别阈值计算步骤，以及3.2.3)基于判别阈值的牙区判断步骤；
[0021]所述3.2.1)自然频带特征提取是将信号序列s(i)经FFT运算并归一化，转换为序列f(i)，称之为频域序列，序列总长度依然为n，对于频率区间[F1,F2]，从序列f(i)中分别找到与F1,F2最接近的频域所对应的索引值i，记为i1、i2；频率区间[F1,F2]内粗糙度Ra为i1到i2范围内频域的归一化的二阶差分平方和；
[0022]之后计算高频带和低频带排除主频带后的粗糙度Ra
h
和Ra
l
；
[0023]再计算Ra
h
和Ra
l
两者之差RaD，作为最终的自然频带特征：
[0024]RaD＝Ra
h
‑
Ra
l
[0025]所述3.2.2)判别阈值计算包括分别计算上、下牙区各组逆向信号RaD值的均值，判别阈值是上、下牙区RaD均值的平均；
[0026]4)牙区判别，先判断左右牙区，后判断上下牙区
[0027]对窗口中的一组逆向信号，先根据步骤3.1)判断左右牙区，后根照前述步骤3.2.1)计算RaD值，并与步骤3.2.2)得到的阈值进行对比，当大于阈值时判定为上牙区，当小于阈值时判定为下牙区，从而判断出该窗口对应4个牙区中的哪一个。
[0028]所述步骤2)中，为避免后续计算中的频谱泄漏(计算机二进制运算导致频谱峰值邻域出现额外频带的现象)，使所述时序切割的窗口长度n满足以下条件：n∈R
n
，R
n
与采样频率率fs有关：
[0029][0030]所述3.2.1)自然频带特征提取中，区间[F1,F2]内粗糙度Ra的计算方式如下：
[0031]首先，将信号序列s(i)经FFT运算并归一化，转换为序列f(i)，称之为频域序列，序列总长度依然为n，相邻f(i)之间存在一个与n和fs有关固定的步进频率F
step
，依据奈奎斯特采样定理，计算公式为：
[0032][0033]其次建立函数I(F
obj
)，
[0034]I(F
obj
)＝argmin
i
|i
·
F
step
‑
F
obj
|，i＝0,
…
,n
‑
1，
[0035]argmin
i
是使后式达到最小值时i的取值，其作用是对于给定的频域F
obj
从序列f(i)中找出与F
obj
最接近的索引值i；
[0036]再计算序列f(i)的一阶前向差分：
[0037]Δf(i)＝f(i+1)
‑
f(i),i∈[1,n
‑
1]∩N
[0038]进而计算f(i)的二阶前向差分：
[0039]Δ2f(i)＝Δf(i+1)
‑
Δf(i),i∈[1,n
‑
2]∩N
[0040]由于是双声道，因此需要对左右声道s
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，其特征是该方法使用电动牙刷、耳机、声卡或智能手机三种设备；耳机与声卡的麦克风接口相连，或与智能手机的3.5mm接口相连；牙刷是独立的设备，不与其他设备连接；该方法包括以下步骤：1)以门牙牙缝为界，将牙床分为上左、上右、下左、下右4个牙区，先佩戴耳机，后启动电动牙刷开始刷牙，电动牙刷的振动使颅骨产生4个牙区的骨传导声波信号，利用耳机作为传感器获得逆向信号以感知该声波信号，其中所述声卡或智能手机的采集频率记为fs；2)逆向信号的转换与时序切割采集到的每一组逆向信号经AD转换为离散数字信号，以实时序列形式缓存，经时序切割，得到定长序列；所述时序切割是将切割窗口长度设为n，即两个声道各接收到n个采样点时截断，再执行下一次切割；离散数字信号经切割后形成以n
×
2形式存储的2
‑
d数组，左声道信号序列定义为s
l
(i)，右声道信号序列定义为s
r
(i)，其中i表示序列索引，i＝0,
…
,n
‑
1；3)牙区判别方法的构建，包括3.1)左右牙区判别方法与3.2)上下牙区判别方法3.1)左右牙区判别方法是对左右声道功率进行对比一个窗口的离散数字信号的左声道功率p
l
、右声道功率p
r
的计算方法为：当p
l
>p
l
时判定该窗口对应的刷牙位置为左牙区，当p
l
<p
r
时判定该窗口对应的刷牙位置为右牙区；3.2)上下牙区判别方法是利用上下颌骨不同的自然频率进行判断电动牙刷工作时产生的振动频率与ERS主峰频率一致，记为F
main
，频带宽度设为40Hz，其频带区间称为主频带；上颌骨自然频率设为500Hz，下颌骨自然频率设为1200Hz；自然频率的频带宽度设为200Hz，其频带区间称为自然频带；采用以下方法从逆向信号中判别上下牙区，包括3.2.1)自然频带特征提取步骤，3.2.2)基于自然频带特征的判别阈值计算步骤，以及3.2.3)基于判别阈值的牙区判断步骤；所述3.2.1)自然频带特征提取是将信号序列s(i)经FFT运算并归一化，转换为序列f(i)，称之为频域序列，序列总长度依然为n，对于频率区间[F1,F2]，从序列f(i)中分别找到与F1,F2最接近的频域所对应的索引值i，记为i1、i2；频率区间[F1,F2]内粗糙度Ra为i1到i2范围内频域的归一化的二阶差分平方和；之后计算高频带和低频带排除主频带后的粗糙度Ra
h
和Ra
l
；再计算Ra
h
和Ra
l
两者之差RaD，作为最终的自然频带特征：RaD＝Ra
h
‑
Ra
l
所述3.2.2)判别阈值计算包括分别计算上、下牙区各组逆向信号RaD值的均值，判别阈值是上、下牙区RaD均值的平均；4)牙区判别，先判断左右牙区，后判断上下牙区对窗口中的一组逆向信号，先根据步骤3.1)判断左右牙区，后根照前述步骤3.2.1)计算RaD值，并与步骤3.2.2)得到的阈值进行对比，当大于阈值时判定为上牙区，当小于阈值
时判定为下牙区，从而判断出该窗口对应4个牙区中的哪一个。2.如权利要求1所述的基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，其特征是所述步骤2)中，为避免后续计算中的频谱泄漏(计算机二进制运算导致频谱峰值邻域出现额外频带的现象)，使所述时序切割的窗口长度n满足以下条件：n∈R
n
，R
n
与采样频率率fs有关：3.如权利要求1所述的基于耳机逆向信号的电动牙刷口腔定位方法，其特征是所述3.2.1)自然频带特征提取中，区间[F1,F2]内粗糙度Ra的计算方式如下：首先，将信号序列s(i)经FFT运算并归一化，转换为序列f(i)，称之为频域序列，序列总长度依然为n，相邻f(i)之间存在一个与n和fs有关固定的步进频率F
step
，依据奈奎斯特采样定理，计算公式为：其次建立函数I(F
obj
)，I(F
obj
)＝argmin
i
|i
·
F
step
‑
F
obj
|，i＝0,
…
,n
‑
1，argmin
i
是使后式达到最小值时i的取值，其作用是对于给定的频域F
obj
从序列f(i)中找出与F
obj
最接近的索引值i；再计算序列f(i)的一阶前向差分：Δf(i)＝f(i+1)
‑
f(i...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪锋，王阳，姜雪婷，姜雨霏，鲍晨煜，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：