基于腦電波的注意力訓(xùn)練研究

張 政，張 瑞，聶民坤，班 嵐

（北京科技大學(xué)天津?qū)W院，天津 301830）

1 腦電波的特征

人的大腦由多種神經(jīng)元組成，這些神經(jīng)元之間產(chǎn)生的信號便是腦電波，且神經(jīng)元之間的聯(lián)系可以促使人類產(chǎn)生思維活動。大腦神經(jīng)元在接受來自其他神經(jīng)元信號到一定閾值時，腦電波便會產(chǎn)生。在檢測腦電波信號時，人們主要在頭皮上放置電極，完成電波信號的采集，之后在利用專業(yè)的設(shè)備做好腦電波信號的收集與處理工作。大腦產(chǎn)生的生物電信號便屬于腦電波，且人體不同的思維活動會產(chǎn)生不同類型的腦電波信號，頻率各不相同。同時，不同情緒與心理狀態(tài)下的人，其腦電波也不相同，并隨情緒改變。其中Delta波在人感到困乏時比較活躍，這也是青少年腦波的主要成分；Alpha波在人處于安靜思考狀態(tài)時比較明顯，主要反映人不受外界刺激時的腦波狀態(tài)；Beta波在人情緒激動以及精神亢奮的狀態(tài)下比較明顯；Gamma波反映了人的深層次思考，比如印象以及記憶等。

2 腦電信號采集方法

生理傳感器可以采集腦電信號，之后經(jīng)過降噪等處理后可以得到分析處理的信號。在收集腦電信號方面，當(dāng)前使用最為廣泛的則是系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)電極放置法，其需要在人腦特定的位置放置電極。單極導(dǎo)聯(lián)法與雙極導(dǎo)聯(lián)法均屬于腦電圖機的導(dǎo)聯(lián)方式，其中單極導(dǎo)聯(lián)法主要在人的頭皮位置放置活動的電極，在耳垂上放置無關(guān)電極。雙極導(dǎo)聯(lián)法主要在頭皮上放置兩個活動的電極，期間不使用無關(guān)電極，從而可以采集兩個電極信號之間的差值，減少干擾因素的影響。

3 腦電波注意力訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 系統(tǒng)框架

腦電波注意力系統(tǒng)具備較多的信息量，包括信息獲取、信息傳輸以及信息儲存等過程，在設(shè)計系統(tǒng)時應(yīng)構(gòu)建動態(tài)變化且可擴展、可伸縮的邏輯架構(gòu)。感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層等均屬于腦電波注意力系統(tǒng)的組成部分，學(xué)生佩戴的腦電傳感設(shè)備以及體溫傳感設(shè)備等均屬于感知層，可以獲得有效信息。學(xué)校內(nèi)部的藍(lán)牙以及無線網(wǎng)均屬于網(wǎng)絡(luò)層，可以用于服務(wù)器中傳輸信息。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及支撐平臺等均屬于數(shù)據(jù)層，可以有效儲存與處理相關(guān)信息，以供用戶進行調(diào)用與查閱。應(yīng)用層可以開發(fā)多種應(yīng)用系統(tǒng)，在可視化數(shù)據(jù)信息的同時為用戶展示生理信息的反饋界面。用戶登錄模塊、藍(lán)牙通信模塊、腦電注意力數(shù)據(jù)處理模塊以及腦電集中放松度繪制等均屬于本系統(tǒng)的主要功能。在進行腦電反饋注意力訓(xùn)練過程中包括兩方面的主要信息，一是記錄的歷史數(shù)據(jù)，并將其存儲于數(shù)據(jù)庫中，在分析數(shù)據(jù)時無需使用任何連接設(shè)備。二是注意力訓(xùn)練系統(tǒng)，包括手機與桌面應(yīng)用程序。

3.2 開發(fā)環(huán)境

一是軟件環(huán)境，本系統(tǒng)利用C語言進行開發(fā)，并通過Socket網(wǎng)絡(luò)編程將數(shù)據(jù)存儲于相關(guān)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，通過藍(lán)牙設(shè)備連接腦電設(shè)備與計算機。C語言屬于更為簡潔的語言程序，可以有效實現(xiàn)應(yīng)用程序的開發(fā)工作，屬于可以應(yīng)用于桌面應(yīng)用程序中的高級編程語言，且其可以被移植預(yù)其他版本的操作平臺上，本次系統(tǒng)設(shè)計中使用的C語言開發(fā)系統(tǒng)具備一定的實用性，且可以使用Net平臺的各個代碼庫。SQLSERVER數(shù)據(jù)庫具備強大的應(yīng)用功能，具備一定的易用性與保密性，被廣泛應(yīng)用中各行各業(yè)中，隨著版本的不斷更新，其安全與防滲透性能會愈加完善。輸入用戶指令后，系統(tǒng)會開始正常收集管理相關(guān)數(shù)據(jù)信息，開始相關(guān)工作，且其在客戶端、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)傳輸期間提供了可靠保障。

3.3 硬件環(huán)境

系統(tǒng)設(shè)計主要采用BrainLink設(shè)備，其被放置于人腦的頭皮上，對人體不存在較大影響。采集信號過程中，人體腦前額應(yīng)與采集腦電的支臂進行接觸，工作人員將參考電極夾于耳垂處，從而有效采集相關(guān)的腦電信號。不同于其他采集設(shè)備，BrainLink設(shè)備只需要手機APP或者一臺電腦便可以完成信號的收集，操作簡單，且可以測量多種腦電波數(shù)據(jù)信息。同時，設(shè)備中的ThinkGear芯片可以完成心跳、呼吸以及肌肉等各種噪聲的有效過濾，并完成多方的比較研究。Brainlink設(shè)備屬于可穿戴產(chǎn)品，只需要一個節(jié)點便可以通過接口獲得外界輸出的參數(shù)信息與腦波信號，不需要使用額外的導(dǎo)電膏等材料。數(shù)據(jù)分析時應(yīng)采用eSense}算法，并將信息的處理結(jié)果反饋至使用者，其中Attention eSense代表著測試者的注意力集中程度與做事情的感興趣程度；Medition eSense代表了測試者的思維放松程度。本次系統(tǒng)設(shè)計中主要研究集中度參數(shù)，其范圍在0至100內(nèi)，當(dāng)0至20時，則代表佩戴者注意力不集中，處于心煩的狀態(tài)；當(dāng)數(shù)值為20至40時，佩戴者的注意力輕度不集中，存在少許分心；當(dāng)數(shù)值在40至60時，佩戴者處于一般集中狀態(tài)；當(dāng)數(shù)值在60至80時，佩戴者注意力很集中；當(dāng)數(shù)值在80至100時，佩戴者注意力保持高度集中狀態(tài)。

4 結(jié)束語

隨著新課改的實行，對學(xué)生的綜合素質(zhì)水平提出了更高的要求，以往教育中教師僅通過學(xué)生的面部表情估計其學(xué)習(xí)情況，無法實時了解學(xué)生的注意力情況，降低了教學(xué)效果。隨著教育信息技術(shù)的快速發(fā)展，穿戴設(shè)備也取得了較大進步，可以促進學(xué)生高效學(xué)習(xí)，使其更快適應(yīng)這個快速發(fā)展的社會。本文針對此，對當(dāng)前的腦電波注意力訓(xùn)練系統(tǒng)進行了深度分析，確保教師可以通過學(xué)生的注意力情況采取針對性的訓(xùn)練措施，有效提升其學(xué)習(xí)成績。