一種腦電生物反饋的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)試驗方法

許澤舉，王冰冰，吳佳武，羅 通，潘家輝

(華南師范大學(xué) 軟件學(xué)院，廣東 南海 528225)

0 引言

注意力對青少年的發(fā)展有著至關(guān)重要的影響。根據(jù)2014年中國青少年注意力狀況調(diào)查，僅有 58.8%的學(xué)生能在上課時集中注意力，而能夠堅持集中注意力達(dá)30分鐘以上的僅有39.7%。揭示了我國青少年的注意力狀況不容樂觀的現(xiàn)狀。無法持續(xù)性集中注意力，不僅會影響青少年的學(xué)習(xí)和生活狀況，嚴(yán)重者甚至?xí)l(fā)展成注意缺陷多動障礙綜合征（Attention Deficit and Hyperactivity Disorder，ADHD），并遺傳到下一代。因此，如何研發(fā)出一種能普遍應(yīng)用的治療方案，幫助青少年提升注意力水平并強化對注意力的控制能力，具有重大的現(xiàn)實研究意義。

過去青少年注意力的訓(xùn)練方式主要集中在量表和藥物手段上，不僅訓(xùn)練效果十分有限，而且一旦訓(xùn)練者脫離訓(xùn)練一段時間，其注意力水平便逐漸恢復(fù)到原本狀況[1]。近些年伴隨著生物電信號技術(shù)的突破，產(chǎn)生了一系列新的交互技術(shù)，包括腦電交互技術(shù)、眼電交互技術(shù)和肌電交互技術(shù)[2]。這些技術(shù)利用人體產(chǎn)生的生物電信號作為一種數(shù)字信號，并應(yīng)用在一系列領(lǐng)域中，例如，在肌電交互技術(shù)上，Meeker使用連續(xù)遙操作子空間的肌電控制機械手臂[3]；在腦電技術(shù)上，Roschke和 Aldenhoff利用腦電信號設(shè)備研究了人的大腦在睡眠時的腦電波變化[4]。在這三種技術(shù)中，基于腦電的交互技術(shù)在注意力訓(xùn)練方面表現(xiàn)出很大的潛力，學(xué)者David Vernon采用腦電交互技術(shù)對青少年進(jìn)行增強 SMR波、抑制beta波的干預(yù)，在經(jīng)過一個月的訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)健康被試的注意力得到了積極改善[5]；Ronghuan對ADHD兒童采用腦電交互技術(shù)進(jìn)行多個療程后發(fā)現(xiàn)其注意力和短時記憶力均有所提高；學(xué)者郭琳琳設(shè)計了一款治療ADHD兒童的系統(tǒng)并進(jìn)行了被試實驗，結(jié)果顯示了該系統(tǒng)短期內(nèi)提升了被試的注意力[6]。

現(xiàn)階段仍舊沒有一款針對正常青少年人群的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)，且我國青少年注意力處于不容樂觀的狀況，因此，本文設(shè)計一套基于腦電生物反饋技術(shù)的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)，不僅能幫助青少年解決日常生活中的注意力困難，也能避免其進(jìn)一步發(fā)展成ADHD患者，具有重要的意義和價值。

1 基于腦電生物反饋的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)描述

本文設(shè)計了一套基于腦電生物反饋的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)，幫助在日常學(xué)習(xí)與生活中存在注意力水平低下現(xiàn)象或有提升注意力水平需求的青少年訓(xùn)練其注意力，包括提升注意力水平和增強注意力調(diào)控能力。整體設(shè)計思路是設(shè)計基于腦電生物反饋信號的嚴(yán)肅游戲，通過腦機接口設(shè)備采集到使用者的腦電生物電信號并經(jīng)過傅里葉變換等一系列數(shù)據(jù)處理操作得到注意力水平數(shù)值，將注意力水平數(shù)值作為一個維度輸入到嚴(yán)肅游戲模塊控制游戲參數(shù)，游戲模塊以任務(wù)的形式要求使用者不斷提高注意力集中性和穩(wěn)定性以達(dá)到任務(wù)要求，最終達(dá)到提升注意力水平的目的。整個系統(tǒng)的設(shè)計流程框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體流程Fig.1 The overall workflow of the system

1.2 用腦電信號作為識別注意力水平信號的基本原理

1.2.1 腦電信號的采集

腦電信號是由德國科學(xué)家 Hans Bergerz在1929年研究發(fā)現(xiàn)的一種生物電信號[7]，這種生物電信號由人的大腦內(nèi)存在的數(shù)以萬計的神經(jīng)元細(xì)胞產(chǎn)生，當(dāng)腦細(xì)胞的細(xì)胞膜內(nèi)外特定離子濃度差達(dá)到一定水平時便會產(chǎn)生電位，即動作電位，而腦電信號本質(zhì)上就是這些在神經(jīng)元之間傳遞的動作電位。人的大腦思維活動會讓神經(jīng)元細(xì)胞之間不斷產(chǎn)生這種生物電信號，甚至睡眠時大腦中也有腦電信號在不斷產(chǎn)生，科學(xué)家們?yōu)榱藱z測到人腦中的腦電波，設(shè)計了兩種檢測腦電信號的方法，分別是對大腦進(jìn)行開顱手術(shù)后接入電極的侵入式方法和將電極放置在頭皮處再通過硬件設(shè)備收集和過濾噪聲的非侵入式方法[8]。

本文采用非侵入式的腦電信號檢測方法，其中通過硬件對信號進(jìn)行收集和處理流程如圖 2所示。

圖2 硬件采集信號流程Fig.2 Workflows of the hardware-based signal acquisition

1.2.2 電極檢測位置的選取

人的大腦是一個復(fù)雜的生物系統(tǒng)，生物學(xué)上將大腦劃分為額葉區(qū)、頂葉區(qū)、枕葉區(qū)和顳葉區(qū)等腦區(qū)，不同腦區(qū)代表著不同的功能和作用，在通過電極檢測人的腦電信號時，不同位置所檢測出來的腦電信號往往有較大差別[9]。研究發(fā)現(xiàn)，位于人腦前半部的額葉區(qū)專門負(fù)責(zé)大腦中非任務(wù)性的長期記憶，與人的情緒和注意力息息相關(guān)，當(dāng)額葉區(qū)損傷時，伴隨著情感表達(dá)能力下降、注意力不能集中和記憶力喪失等癥狀出現(xiàn)在患者身上[8]。

因此，額葉區(qū)通常是與注意力相關(guān)的研究的首選電極放置點，綜合考慮，本文將選取國際腦電圖學(xué)會發(fā)布的 10-20系統(tǒng)電極放置法中的 Fp1電極作為測量位置，即人的左前額葉，來作為測量青少年腦電信號的腦部位置。

1.2.3 腦電信號的轉(zhuǎn)換

為了研究腦電信號與人腦不同思維活動的聯(lián)系，科學(xué)家們進(jìn)行了大量研究，目前國際上有幾類對腦電信號的劃分方法，其中應(yīng)用最廣泛的一種是將腦電信號按時域頻率由低到高劃分為delta、Theda、alpha、beta等四種節(jié)律或腦電波的方法[10]，為此，需要將獲取到的腦電信號從頻域信號轉(zhuǎn)化為時域信號，其關(guān)鍵步驟是傅里葉反變換。

傅里葉反變換是一種特殊的積分變換，用于將滿足一定條件的某個函數(shù)表示成正弦基函數(shù)的線性組合或者積分，具體到腦電信號，它能夠?qū)㈦y以處理的腦電頻域信號轉(zhuǎn)換成了易于分析的時域信號，并利用一些工具對這些時域信號進(jìn)行處理，傅里葉反變換公式為：

其中w代表頻率，t代表時間，f(w)與e(iwt)內(nèi)積，只有在 t時刻才不為零，疊加的結(jié)果就是f(t)在t時刻對應(yīng)的值。傅里葉反變換公式將腦電信號有頻域轉(zhuǎn)化為時域，便于接下來對腦電信號劃分成 delta、Theda、alpha、beta腦電波[10]。四種節(jié)律或腦電波的頻率、幅度范圍和代表如表 1所示。

表1 不同節(jié)律波的特征Tab.1 Characteristics of different rhythm waves

1.2.4 注意力指標(biāo)的選取

近些年來越來越多的研究發(fā)現(xiàn) TBR指標(biāo)（Theda波和beta波的比值）能夠作為大腦注意力水平的一個特征參數(shù)，如康奈爾大學(xué)的Snyder發(fā)現(xiàn) TBR指標(biāo)能夠作為區(qū)分注意缺陷多動障礙患者和正常人的一個指標(biāo)[11]，國內(nèi)學(xué)者鐘昆通過研究也發(fā)現(xiàn)了 TBR指標(biāo)能夠代表人的注意力水平，可見TBR指標(biāo)作為一個注意力水平指標(biāo)具備合理性和可行性。TBR指標(biāo)的定義為：

其中ETheda和EBeta是Theda和Beta節(jié)律的能量值。

1.3 注意力指標(biāo)BATR的提出

本文通過研究，發(fā)現(xiàn)腦電波中alpha波也與人的注意力息息相關(guān)，經(jīng)常處于 alpha波狀態(tài)能夠引導(dǎo)出人的潛在腦力，使記憶力、集中力提升，并使靈感、創(chuàng)造力得到盡情發(fā)揮，例如，根據(jù)腦波和聲學(xué)原理所開發(fā)的 alpha腦波音樂不僅能夠安定情緒，還能夠開發(fā)注意力和集中力。因此，本文在 TBR指標(biāo)的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地提出一個新的注意力指標(biāo)，該指標(biāo)使用到三個腦電波段的數(shù)值，其定義為：

其中Ealpha是alpha波段的能量值，上述公式顯示 BATR指標(biāo)與注意力水平呈正相關(guān)關(guān)系，BATR的數(shù)值越大，代表大腦的注意力水平越高，反之?dāng)?shù)值越小則代表大腦的注意力水平越低。本文將通過實驗來驗證BATR指標(biāo)的有效性。

1.4 嚴(yán)肅游戲的設(shè)計原理與實現(xiàn)

本文設(shè)計了一種作用于嚴(yán)肅游戲的生物反饋機制，以視覺和聽覺的獎懲反饋形式來操縱青少年在其他情況下意識不到或感覺不到的注意力相關(guān)生理活動，由此達(dá)到控制大腦內(nèi)部相關(guān)生理活動的目的，即不斷地誘導(dǎo)青少年在游戲過程中有意提升其注意力與專注度，最終達(dá)到注意力訓(xùn)練的效果。嚴(yán)肅游戲的生物反饋機制如圖 3所示。

圖3 嚴(yán)肅游戲的注意力反饋機制Fig.3 Attention feedback mechanism for serious games

為了更好地提升青少年的注意力，本文基于注意力穩(wěn)定性的定義“在特定的任務(wù)情境下注意力能夠長時間保持的一種狀態(tài)”，將注意力穩(wěn)定性劃分成兩個維度，分別是注意力的集中性和持續(xù)性，并設(shè)計出單獨針對持續(xù)性或集中性的單獨訓(xùn)練模式和同時針對持續(xù)性和集中性的綜合訓(xùn)練模式,以其中的推箱子游戲為例，以綜合訓(xùn)練模式的為例，設(shè)計思路如圖4所示。

圖4 嚴(yán)肅游戲的綜合訓(xùn)練模式Fig.4 Comprehensive training mode for serious games

在綜合訓(xùn)練模式中人物的力量基于用戶的注意力水平，只有注意力水平超過基準(zhǔn)值時的力量才能夠推動箱子前進(jìn)，并產(chǎn)生一系列視覺和聽覺上的獎勵反饋，而當(dāng)注意力超過基準(zhǔn)值持續(xù)一段時間時，角色的移動速度將得到提升，在整個過程中用戶注意力持續(xù)性和集中性均進(jìn)行了提升訓(xùn)練。游戲?qū)崿F(xiàn)界面如圖5所示。

圖5 嚴(yán)肅游戲界面Fig.5 Interface of serious games

2 實驗方案

2.1 前期準(zhǔn)備

實驗設(shè)備為NeuroSky MindWave mobile，包含TGAM（ThinkGear AM）模塊，最高支持60HZ的采集頻率。系統(tǒng)界面使用 Visual Studio 2019平臺開發(fā)。

實驗被試中，男性11名，女性9名，且均為年齡18～22歲的青年，智力正常。實驗環(huán)境通風(fēng)良好，光線和溫度適宜的安靜室內(nèi)。每次實驗開始之前，受試者將會有一系列的訓(xùn)練和準(zhǔn)備時間，大約5-10分鐘，從而使受試者降低緊張感、提高注意力、了解實驗規(guī)范并熟悉實驗流程。同時測試人員將對試驗方式以及實驗環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格的控制，以保證一些無關(guān)因素對腦電信號采集的結(jié)果帶來干擾。

2.2 實驗設(shè)計

根據(jù)實驗被試按自身真實情況填寫的 MARIS表以及在測試人員幫助下填寫的舒爾特方格量表，我們從中選擇30名受試者，并劃分為BATR實驗組（10名）、TBR實驗組（10名）與對照組（10名）。

實驗按照控制變量法的模式進(jìn)行，在整個實驗過程中，對照組不進(jìn)行實驗訓(xùn)練，實驗組需要進(jìn)行每周三次的為期一個月的注意力訓(xùn)練實驗，不同實驗組采用不同的指標(biāo)（TBR指標(biāo)或BATR指標(biāo)）映射注意力水平。其次，對照組和實驗組都要每周進(jìn)行一次注意力檢測實驗（填寫舒爾特方格與 MAAS量表），記錄其注意力水平變化。注意力訓(xùn)練實驗內(nèi)容如下：

測試人員完成設(shè)備與 PC機的藍(lán)牙連接，受試者佩戴好設(shè)備并坐在指定位置上后，測試人員開啟系統(tǒng)。屏幕上顯示嚴(yán)肅游戲的畫面，受試者按游戲畫面提示完成任務(wù)，一旦完成當(dāng)前關(guān)卡任務(wù)則由測試人員選擇下一關(guān)卡，整個過程持續(xù)15分鐘，實驗結(jié)束后，受試者需要填寫MARS表和舒爾特表，記錄下當(dāng)時的注意力水平。

由于受試者都是第一次接觸腦機接口設(shè)備，為了幫助受試者更好地適應(yīng)實驗環(huán)境和得到更加有效的注意力訓(xùn)練，實驗設(shè)置了4個梯度的訓(xùn)練難度，初始難度能夠幫助受試者快速地適應(yīng)佩戴腦機接口設(shè)備的環(huán)境，消除新鮮感，后續(xù)不斷提高的難度有助于誘導(dǎo)受試者不斷提高自身的注意力水平以完成任務(wù)。整個實驗設(shè)計流程如下圖所示：

3 實驗結(jié)果與結(jié)論

3.1 實驗結(jié)果

取部分被試實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化，結(jié)果如圖7～圖9所示。

圖7 TBR 實驗組被試的注意力水平變化Fig.7 Changes in attention level of subjects in the TBR experimental group

圖8 BA TR實驗組被試的注意力水平變化Fig.8 Changes in attention level of subjects in the BATR experimental group

圖9 對照組被試的注意力水平變化Fig.9 Changes in the attention level of the control group

3.2 實驗結(jié)果分析

對比TBR實驗組與對照組，發(fā)現(xiàn)對照組整體的注意力水平在整個實驗周期內(nèi)維持在正常波動范圍內(nèi)，而TBR實驗組的注意力水平呈現(xiàn)較為明顯的變化，在第一周注意力水平呈緩慢提高的趨勢，在第2至3周呈現(xiàn)出較快的提高趨勢。經(jīng)分析，第一周是被試逐漸適應(yīng)腦機接口設(shè)備和實驗環(huán)境的適應(yīng)周，因此提升效果收到一定的限制。由此可見，在實驗計劃的訓(xùn)練下，本文設(shè)計的包含生物反饋機制和嚴(yán)肅游戲的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)能夠在一定程度上提升實驗被試的注意力水平。

對比TBR實驗組與BATR實驗組發(fā)現(xiàn)，BATR實驗組的注意力水平同樣呈現(xiàn)出較為明顯的提升，在經(jīng)過第一周的適應(yīng)期后訓(xùn)練效果逐步可見，初步驗證了BATR指標(biāo)與TBR指標(biāo)一樣具備作為注意力指標(biāo)的有效性。

為了更加科學(xué)地證明上述結(jié)論，我們假設(shè)實驗組與對照組訓(xùn)練前后的注意力水平都沒有顯著性差異，并對已經(jīng)完成訓(xùn)練的兩組實驗組和對照組的注意力水平分別進(jìn)行了訓(xùn)練前后數(shù)據(jù)進(jìn)行兩配對樣本的非參數(shù)檢驗，結(jié)果如下表所示：

表2 TBR 實驗組的非參數(shù)檢驗Tab.2 Non-parametric test of TBR experimental group

表3 BA TR實驗組的非參數(shù)檢驗Tab.3 Non-parametric test of BATR experimental group

表4 對照組的非參數(shù)檢驗Tab.4 Non-parametric test of the control group

由非參數(shù)檢驗結(jié)果表格可以看出，BATR實驗組的 Z統(tǒng)計量為-2.703，對應(yīng)的概率 P值為0.007，在顯著性水平α為 0.05下，由于概率 P值小于顯著性水平，因此拒接原假設(shè)，認(rèn)為BATR實驗組訓(xùn)練前后的注意力水平有顯著性差異，即有顯著效果。同理可以得出TBR實驗組在訓(xùn)練前后的注意力水平有顯著差異，而對照組在訓(xùn)練前后的注意力水平?jīng)]有顯著差異。因此，經(jīng)過非參數(shù)檢驗的驗證，進(jìn)一步證實了上述結(jié)論，即BATR指標(biāo)能夠作為腦電領(lǐng)域中一項新的注意力指標(biāo)，而本文設(shè)計的生物反饋機制及注意力訓(xùn)練系統(tǒng)同樣具有有效性與可行性，能夠為青少年提高注意力水平提供一種有效手段。

4 總結(jié)

本文主要研究了基于腦電生物反饋的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)。由于現(xiàn)階段有 41.2%的青少年不能在課堂上集中注意力，揭示了青少年注意力狀況不容樂觀的狀況，與此同時國內(nèi)缺少面對普通青少年的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)?；诖吮疚膭?chuàng)造性地提出一項新的注意力指標(biāo)BATR和一種作用于嚴(yán)肅游戲的生物反饋機制，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款基于腦電生物反饋的注意力訓(xùn)練系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過使用一款便攜式的腦機接口設(shè)備采集到腦電生數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行傅里葉反變換等數(shù)據(jù)處理流程，實現(xiàn)了對生數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪濾波和時頻轉(zhuǎn)換等一系列預(yù)處理操作。其次，在基于時域頻率將腦電信號劃分成4種代表不同含義的腦電波后，本文創(chuàng)造性地提出一項新的注意力指標(biāo) BATR，作為輸入嚴(yán)肅游戲模塊的注意力水平，與此同時，本文也提出一種能夠應(yīng)用在注意力訓(xùn)練上的生物反饋機制，并專門針對注意力品質(zhì)和青少年設(shè)計了三款嚴(yán)肅游戲。

本文通過邀請30名被試進(jìn)行了實驗，最終兩配對樣本的非參數(shù)檢驗結(jié)果顯示，BATR和TBR實驗組的被試在實驗前后的注意力水平存在顯著性差異，而對照組不存在顯著性差異。一方面證明了本系統(tǒng)能夠有效地提升青少年的注意力水平，另一方面也證明了本文所設(shè)計的BATR指標(biāo)和生物反饋機制在反映和訓(xùn)練青少年注意力水平上的有效性。這對于日常學(xué)習(xí)和生活中受注意力不集中所困擾的青少年有重要意義。未來我們將不斷改進(jìn)本系統(tǒng)，并落實到實際應(yīng)用場景。