一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统

1.本发明属于信息技术领域，涉及计算机硬件及软件技术应用，具体涉及一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统。


背景技术：

2.注意力对人们的生活产生着重要的影响。一个人的注意力集中程度直接关系到他们的日常生活。缺乏注意力会对一个人的正常生活产生负面影响，例如，无法专注听课导致学习成绩下降，或者导致社交焦虑等问题。这种情况不仅仅在儿童时期存在，老年人也可能因注意力不集中而影响其日常生活，从而直接影响与他人的交流。在许多疾病中，注意力扮演着重要的角色，如注意力缺陷多动症和老年痴呆症等。这些疾病的治疗在当前也存在着诸多的挑战，为人们带来了困扰。
3.除了对个人的影响外，注意力在工作和学习中也扮演着重要的角色。在现代社会中，每个人都需要处理大量的信息，而注意力是成功的关键之一。无论是完成学业还是工作任务，注意力都是成功的基石。因此，人们需要发展和提高自己的注意力，以便更好地面对日常生活和工作挑战。
4.脑电生物反馈治疗始于20世纪70年代，是一种新型的生物行为疗法，建立在传统行为疗法的基础之上。该方法因具有疗效持久、无不良反应、能够改善患儿认知功能等优势而被用于注意力缺陷及多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder，adhd)、轻度认知障碍(mild cognitive impairment，mci)、老年痴呆(alzheimer's disease，ad)患者的治疗，并逐渐成为主流方向。
5.生物反馈疗法(biofeedback therapy)是指提取机体的生理信号，将其转换为可以被个体感知和理解的形式，个体通过对反馈出来的信号加以认识、体验和学习，通过积极地寻找规律及策略训练，来改善和增强机体功能的目的。脑电反馈式疗法是生物反馈疗法的一种，是指利用脑电特定波段信号或脑电特征作为反馈信号呈现给受试者，通过一段时间的自我调节和强化训练，达到自主调节脑电特征波形及大脑功能状态的目的。脑电反馈式训练方法是将实时脑电信号分析技术与认知功能训练相结合的产物，该方法于上世纪70年代开始出现，在经过不断的研究和发展证实后，凭借无创伤、副作用小的优势，已广泛地用于对癫痫、多动症、脑外伤及老年痴呆等相关认知功能失调疾病的治疗中。
6.近些年来，随着我国各界对儿童教育重视度、老年人关照度的提高，注意力缺陷与认知障碍等问题逐渐受到关注，脑电生物反馈治疗也逐渐受到重视。然而，脑电反馈的注意力训练设备的研发在我国的推行较为困难，主要存在以下问题：
7.其一，目前市场上多是基于脑电反馈的pc机辅助训练系统，价格昂贵，主要应用于医院，成本高，不利于产品的推广。
8.其二，pc机辅助训练系统对应多导联脑电采集方式，需要受过专业训练人员操作，不具有普适性。受试者需要前往医院治疗，电极帽佩戴繁琐，便捷性差。
9.其三，目前市场上的脑电反馈的辅助训练系统反馈措施单调，仅为听觉或视觉刺
激，不需要训练者的互动，难以引起训练者的兴趣，难以坚持，治疗效果不理想。
10.因此，佩戴方便、操作简单、成本低、便携性好、反馈算法精确高效的可适用于家庭的基于脑电反馈的注意力训练设备的研发具有重要意义和广泛需求。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于提供一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，以解决pc机辅助训练系统价格昂贵、电极帽佩戴繁琐、便捷性差、反馈算法不精确等问题。
12.本发明通过以下技术方案实现：
13.一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，包括：无线脑电采集装置、手机app和手机终端；手机app运行在手机终端，手机app包括特征提取模块和训练模块；所述无线脑电采集装置为单导联装置；
14.无线脑电采集装置，用于采集脑电波信号并传输给特征提取模块；
15.特征提取模块，用于从脑电波信号中提取出反映注意力的特征并传输给训练模块；
16.训练模块，用于构建反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，根据反映注意力的特征控制反馈类虚拟场景的变化，并根据反馈类虚拟场景的变化情况给出游戏成绩。
17.优选的，所述无线脑电采集装置包括tmga模块，tmga模块用于采集脑电波信号并传输给特征提取模块。
18.优选的，所述反映注意力的特征为脑电波θ波能量与β波能量的比值和模糊熵。
19.优选的，所述反馈类虚拟场景中显示有运动物体，特征反映的注意力越集中，则运动物体的运动速度越快，此处特征选择能有效检测注意力情况且计算实时性更好的θ波能量与β波能量的比值。
20.进一步的，所述运动物体为火箭，特征反映的注意力越集中，则火箭以越快的速度着陆；手机app还包括游戏数据存储和显示模块，所述游戏数据存储用于存储火箭着陆所用的时间，所述显示模块用于将火箭着陆所用的时间在手机终端上显示。
21.优选的，所述反馈类虚拟场景中显示有静置物体，特征反映的注意力达到预设阈值时，静置物体产生运动，此处特征选择能有效检测注意力情况且检测灵敏度更高的模糊熵。
22.进一步的，静置物体为树上的水果，特征反映的注意力达到预设阈值并保持预设时长时，水果落地；手机app还包括显示模块，所述显示模块用于在手机终端上显示水果落地的完成情况。
23.优选的，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景为舒尔特方格，用户点击舒尔特方格中的数字，如果用户点击顺序与预设顺序不同，则提示出错直至用户点击正确，当舒尔特方格中所有数字都按照预设顺序被点击后训练结束，记录用户点击总共花费的时间；
24.手机app还包括游戏数据存储和显示模块，所述游戏数据存储用于存储用户点击总共花费的时间，所述显示模块用于将用户点击总共花费的时间在手机终端上显示。
25.优选的，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景中显示有图片，点击图片后，会在随机位置生成一个新的图片，若用户找到新
的图片并点击则过关状态为成功，否则过关状态为失败；
26.手机app还包括显示模块，所述显示模块用于将过关状态在手机终端上显示。
27.优选的，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景中显示有多张卡牌，卡牌背面向外，点击卡牌，使卡牌翻转，若连续翻转的两张卡牌的正面图案相同，则这两张卡牌匹配成功，一直显示正面图案，不再翻转，若连续翻转的两张卡牌正面图案不同，则这两张卡牌翻转到背面，直到所有卡牌匹配成功，记录用户总共花费的时间；
28.手机app还包括显示模块，所述显示模块用于将用户总共花费的时间在手机终端上显示。
29.与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
30.本发明中无线脑电采集装置为单导联装置，即仅需一个电极、两个参考电极，两个参考电极佩戴于左右耳垂，电极置于额头即可，佩戴方便，通过手机app在手机终端上运行来实现特征提取及注意力的训练，相较于pc机辅助训练系统价格便宜，且便携性好；无线脑电采集装置与手机app通过短距离无线通信技术进行数据传输，便携性好，价格低，适用于家庭。本发明无线脑电采集装置佩戴方便、操作简单。本发明注意力训练系统通过脑电反馈及训练，提高注意力及认知功能。
31.进一步的，t检验结果显示脑电θ波能量与β波能量的比值，以及模糊熵在adhd、mci、ad患者和正常人间呈现出显著差异，且脑电θ波能量与β波能量的比值计算速度快，模糊熵的检测灵敏度更高，因此，针对两种反馈游戏的特点分别采用脑波能量比值和模糊熵作为脑电生物反馈指标，可以保证反馈的实时性，有效性，灵敏性。
32.进一步的，集成反馈式、非反馈式两种训练模式，可对训练者注意力变化进行动态检测，训练效果好。
33.进一步的，摒弃单调的视听觉反馈方式，使用游戏界面训练，趣味性高，易长期坚持。
附图说明
34.图1为本发明的流程图；
35.图2为本发明的装置佩戴图；
36.图3为本发明的串口调试设备数据提取图；
37.图4为本发明的脑电波五种节律；
38.图5为本发明的节律组合特征；
39.图6为本发明的独立样本t检验各特征值下的统计量；
40.图7为本发明的独立样本t检验的均值结果柱形图；
41.图8为本发明的“火箭登录”游戏；
42.图9为本发明的“水果采摘”游戏；
43.图10为本发明的“舒尔特方格“游戏；(a)、(b)、(c)、(d)分别为不同游戏级别；
44.图11为本发明的“图片闪记”游戏；
45.图12为本发明的“卡牌翻翻乐”游戏；
46.图13为本发明的游戏数据存储及显示模块。
具体实施方式
47.为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
48.本发明提供了一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，如图1所示，包括：
49.无线脑电采集装置，用于采集脑电波信号并通过蓝牙传输模块传输给特征提取模块，为一款头带式单导联设备；
50.特征提取模块，用于从脑电波信号中提取出反映注意力的特征并传输给训练模块；
51.训练模块，用于构建反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，根据反映注意力的特征控制反馈类虚拟场景的变化，记录反馈类虚拟场景变化至预设状态所花费的时间，以测试和提升个人注意力水平；
52.游戏数据存储，用于存储所述花费的时间。
53.显示模块，用于将所述花费的时间或者反馈类虚拟场景变化的情况在手机终端上显示，以便用户根据成绩调整训练计划。
54.上述技术方案的原理：如图2所示，用户将无线脑电采集装置佩戴在头部，测量头部前额叶脑电信号，具体是将无线脑电采集装置中两个参考电极别佩戴于左右耳垂，将电极置于额头，当大脑产生思考、情绪时，该电极可以准确识别此时大脑内部所产生的电脉冲，提取出使用者的脑电波信号。该无线脑电采集装置核心是其内置的tgam模块，该tgam模块可以处理并输出脑电波信号质量、原始脑电波等信息。同时，tmga模块在进行脑波预处理时会通过调制、数字滤波、a/d转换等技术获得清晰的数字信号。tmga模块具有强大的抗干扰能力，其能对噪声、信号伪影进行去除，保证数字信号的准确性。
55.无线脑电采集装置采样频率每秒512次，预处理后tgma模块以相同频率输出给蓝牙传输模块一个大包与一个小包。发送513个包所花费的时间是一秒左右，发送的包有小包和大包两种：其中512个为小包，小包的格式是aa aa04 80 02xxhigh xxlow xxchecksum前面的aa aa 04 80 02是不变的，后三个字节是一直变化的，xxhigh和xxlow组成了原始数据rawdata，xxchecksum就是校验和。所以一个小包里面只包含了一个对开发者来说有用的数据，那就是rawdata，可以说一个小包就是一个原始数据，大约每秒钟会有512个原始数据。第513个这个大包里面显示出了不同频段的脑电波的相对大小关系。如图3所示，为串口传输界面显示的数据流传输大小包的数据样式。蓝牙传输模块通过检查校验和来解析原始数据，逐位取反后与校验和核对，不同则舍弃该数据，保持丢包率在10％以下，最终得到脑电波信号并传输给特征提取模块。
56.获取脑电波信号后，特征提取模块进行熵特征提取和频域特征提取。
57.在脑电波信号中，熵可以反映大脑信息处理能力，是人脑的基本特征。在人脑特征提取时，通常采用近似熵、样本熵、排列熵和模糊熵进行信号分析。经比较，本发明使用模糊熵算法进行脑电波信号特征提取，最终从脑电波信号中提取得到模糊熵。
58.如图4所示，脑电波按照频率被划分为5种节律，代表大脑处于不同的状态。
59.由于不同年龄段的人或同一测试对象在不同病理生理状态下会表现出不同的脑电节律特征，但在大脑清醒并专注的状态下，脑电节律通常表现出如下的统一性：出现频率较β波更高的γ波，其波幅范围不定，而正常人在清醒状态只出现少量θ波节律。当人从注意
力集中状态进入不集中状态时，大脑皮层会受到抑制，此时大脑中的慢波逐渐增加，而快波成分减少。因此，如图5所示，以低频慢波能量作为分子，以高频快波能量作为分母的多种节律组合特征，包括θ波能量与β波能量的比值f1，及f2、f3、f4，以此消除不同受试者eeg节律基线上的个体差异同时反应受试者的注意力集中程度。
60.t检验是考察两个均值间是否有统计学差异的方法，如图6所示，得到了独立样本t检验的结果，包括t检验结果、显著性p值、效应量cohen's d值，分析每个p值是否小于0.05或者0.01，若小于0.05或者0.01则呈显著性，可以说明两组数据之间存在显著性差异，是作为反馈的较好指标。根据图7可得出结论：模糊熵和f1特征在adhd患者和正常人间呈现出显著差异，而f2、f3、f4特征则无显著差异。因此模糊熵和f1特征是作为脑电生物反馈的较好指标，即反映注意力的特征。
61.为了追求训练中反馈的有效性，可选择特征量f1和模糊熵作为脑电生物反馈指标，f1值越小注意力越集中，模糊熵越小注意力越集中。与此同时，f1计算速度显著快于模糊熵，模糊熵的检测灵敏度比f1更高，因而在软件模块的脑电反馈训练中，在动态反馈游戏中为了追求训练中反馈的实时性和有效性，选择特征量f1作为脑电生物反馈指标，在静态反馈游戏中为了追求训练中反馈的精确性和有效性，选择特征量模糊熵作为脑电生物反馈指标。
62.进入训练模块，如图1所示，训练模块构建的虚拟场景即游戏分为脑电反馈类与非反馈类。
63.用户游玩脑电反馈类游戏时，需先将手机蓝牙打开，与无线脑电采集装置进行连接，通过蓝牙连接实现脑电波采集数据传输。若用户未能成功连接蓝牙，该训练模块会自动提示连接失败。本项目在此模块设计了“火箭登陆”与“水果采摘”两款小游戏。如图8所示，在“火箭登陆”游戏中，用户需要集中注意力来为火箭加速，使其更快地实现着陆，游戏数据存储用于存储火箭着陆所用的时间，所述显示模块用于将火箭着陆所用的时间在手机终端上显示。如图9所示，在“水果采摘”游戏中，用户需要集中注意力并使反映注意力的特征达到预设阈值并保持预设时长来实现水果的采摘，所述显示模块用于在手机终端上显示水果落地的完成情况。该训练模块通过无线脑电采集装置得到使用者反映注意力的特征，利用实时反馈的特征f1控制火箭飞行速度，实时反馈的特征模糊熵控制水果采摘结果。使用者注意力越集中，火箭下落速度越快、采摘水果数量越多。当火箭成功着陆，“火箭登陆”游戏结束；当所有水果全部采摘完毕，“水果采摘”游戏结束。
64.用户游玩脑电非反馈类游戏时，注意力训练核心是舒尔特方格。如图10所示，舒尔特方格训练法，是先将一系列数字打乱随机排列在方格里面，使用者需要按顺序点击方格里面的数据，如果用户点击错误，系统会自动提示出错直至用户点击正确，当所有数字都按照顺序被点击后训练结束。手机app会自动记录使用者点击总共花费的时间，并以时间长短来反应用户此时的注意力水平，所述游戏数据存储用于存储用户点击总共花费的时间，所述显示模块用于将用户点击总共花费的时间在手机终端上显示。在舒尔特方格的动态练习中，使用者需要高度集中注意力来寻找数字，将此过程不断重复，可以提高大脑集中注意力的功能。手机app中设置了四种不同难度的舒尔特方格，分别为3*3、5*5、7*7、9*9，用户可根据自身情况逐步提高训练难度。
[0065]“图片闪记”游戏，点击“开始游戏”后，出现三个鞋子的图片，然后任意点击其中之
一开始游戏。若点击“返回”，则回到主菜单界面。每一张图片中会在随机位置生成一个新的鞋子图片，玩家需要成功找出并点击从而进入下一关。如图11所示，在前十五关时，其余的鞋子图片位置不会发生移动改变，只会新生成新的鞋子图片。通过十五关后，每次出现新的鞋子图片的时候，全局的鞋子位置顺序将被改变。中间“难度提升”页面若点击“继续游戏”则进入新游戏页面，鞋子顺序打乱；若点击“返回主菜单”则回到图片闪记游戏开始前的提示界面。若没有点击到正确的图案，则会显示游戏失败，可以选择“再玩一次”进入游戏刚开始的界面，也可以点击“返回主界面”回到游戏开始前的提示界面。
[0066]“卡牌翻翻乐”游戏，进入游戏后，跳转至难度设置界面，难度设置完成后，点击“开始”按钮则开始游戏，进入图12游戏界面。进行游戏需先点击“开始”按钮，开始计时，之后点击卡牌，使卡牌翻转，若连续翻转的两张卡牌正面图案相同，则这两张卡牌匹配成功，一直显示正面图案，不再翻转。若连续翻转的两张卡牌正面图案不同，则这两张卡牌会立刻翻转到背面，直到所有卡牌匹配成功，停止计时，所述显示模块用于将用户总共花费的时间在手机终端上显示。
[0067]
手机app中的sqlite数据库会自动记录并保存用户的每一次训练信息。如图13所示，用户在使用舒尔特方格进行训练后，手机app会保存此次训练的日期时间、训练难度、花费时间，记录于该用户的数据表中。用户在进行脑电反馈训练后，手机app也会记录下此次训练的日期时间、火箭降落的总时间。获得这些训练数据后，该手机app会依据数据绘制曲线，使训练结果的呈现更加直观。
[0068]
本发明是基于android移动平台设计的脑电反馈式注意力训练系统，应用脑电采集处理、脑电反馈和软件开发等技术，实现了用户登录注册、脑电反馈注意力训练和数据记录分析等多功能模块组合，主要用于注意力认知功能障碍者的辅助训练。
[0069]
本发明脑电采集选用单导联便携式装置和干电极，性价比高，便于居家使用；训练模块基于android studio进行开发，价格低廉，方便快捷；集成反馈式、非反馈式的注意力训练模式，训练效果好；摒弃单调的视听觉反馈方式，使用游戏界面训练，界面丰富化、卡通化，趣味性高，易长期坚持。

技术特征：
1.一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，包括：无线脑电采集装置、手机app和手机终端；手机app运行在手机终端，手机app包括特征提取模块和训练模块；所述无线脑电采集装置为单导联装置；无线脑电采集装置，用于采集脑电波信号并传输给特征提取模块；特征提取模块，用于从脑电波信号中提取出反映注意力的特征并传输给训练模块；训练模块，用于构建反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，根据反映注意力的特征控制反馈类虚拟场景的变化。2.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，所述无线脑电采集装置包括tmga模块，tmga模块用于采集脑电波信号并传输给特征提取模块。3.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，所述反映注意力的特征为脑电波θ波能量与β波能量的比和/或模糊熵。4.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，所述反馈类虚拟场景中显示有运动物体，特征反映的注意力越集中，则运动物体的运动速度越快；所述特征为脑电波θ波能量与β波能量的比。5.根据权利要求4所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，所述运动物体为火箭，特征反映的注意力越集中，则火箭以越快的速度着陆；手机app还包括游戏数据存储和显示模块，所述游戏数据存储用于存储火箭着陆所用的时间，所述显示模块用于将火箭着陆所用的时间在手机终端上显示。6.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，所述反馈类虚拟场景中显示有静置物体，特征反映的注意力达到预设阈值时，静置物体产生运动；所述特征为模糊熵。7.根据权利要求6所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，静置物体为树上的水果，特征反映的注意力达到预设阈值并保持预设时长时，水果落地；手机app还包括显示模块，所述显示模块用于在手机终端上显示水果落地的完成情况。8.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景为舒尔特方格，用户点击舒尔特方格中的数字，如果用户点击顺序与预设顺序不同，则提示出错直至用户点击正确，当舒尔特方格中所有数字都按照预设顺序被点击后训练结束，记录用户点击总共花费的时间；手机app还包括游戏数据存储和显示模块，所述游戏数据存储用于存储用户点击总共花费的时间，所述显示模块用于将用户点击总共花费的时间在手机终端上显示。9.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景中显示有图片，点击图片后，会在随机位置生成一个新的图片，若用户找到新的图片并点击则过关状态为成功，否则过关状态为失败；手机app还包括显示模块，所述显示模块用于将过关状态在手机终端上显示。10.根据权利要求1所述的基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，其特征在于，训练模块，还用于构建非反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，所述非反馈类虚拟场景中显示有多张卡牌，卡牌背面向外，点击卡牌，使卡牌翻转，若连续翻转的两张卡牌的正面图案相
同，则这两张卡牌匹配成功，一直显示正面图案，不再翻转，若连续翻转的两张卡牌正面图案不同，则这两张卡牌翻转到背面，直到所有卡牌匹配成功，记录用户总共花费的时间；手机app还包括显示模块，所述显示模块用于将用户总共花费的时间在手机终端上显示。

技术总结
本发明提供一种基于脑电反馈的家庭式注意力训练系统，包括：无线脑电采集装置、手机APP和手机终端；手机APP运行在手机终端，手机APP包括特征提取模块、训练模块；所述无线脑电采集装置为单导联装置；无线脑电采集装置，用于采集脑电波信号并传输给特征提取模块；特征提取模块，用于从脑电波信号中提取出反映注意力的特征并传输给训练模块；训练模块，用于构建反馈类虚拟场景并在手机终端上显示，根据反映注意力的特征控制反馈类虚拟场景的变化。本发明可以解决PC机辅助训练系统价格昂贵、电极帽佩戴繁琐、便捷性差、反馈算法不精确等问题。反馈算法不精确等问题。


技术研发人员：徐进 吴敏 于腾龙 周怡心 蒲婧楠 安睿川 王一卓 李宣逸
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/20