一種提升注意力的便攜腦電反饋儀的設計

文/姚建江

1 引言

生物反饋原理是利用設備儀器從患者那里收集視覺或聽覺信號，揭示人體內(nèi)部神經(jīng)系統(tǒng)的正常或異常活動。在藥物和理療之后，為了控制身體內(nèi)的內(nèi)部活動而不被認識到的生理活動是另一種新的方法，將電信號反饋給受試者。利用受試者自己的主觀意識調(diào)節(jié)活動，從而達到治療和促進健康效果的目的。

目前在醫(yī)療機構中教廣泛使用生物反饋技術，腦電生物反饋是生物反饋系統(tǒng)比較常用的一種。主要工作原理為通過設備對受試者腦電信號的采集、預處理、頻域、時域處理和分析，有效地提取腦電信號中的特征參數(shù)，從而反映大腦活動的功能狀態(tài)，現(xiàn)在是基礎生理科學研究和臨床應用研究的一種重要手段。

基于注意缺陷多動障礙（ADHD）的腦電生物反饋訓練系統(tǒng)是一種發(fā)展迅速的治療兒童多動癥的有效方法，且已經(jīng)逐漸成為治療兒童多動癥的主要方向。其原理是在大腦生物反饋治療系統(tǒng)的幫助下，反饋大腦皮層各個區(qū)域的腦電活動節(jié)奏；并通過訓練來訓練特定的腦電活動，以選擇性地加強一定頻段內(nèi)的腦電波，達到所期望的治療目的。

盡管在中國，有的高校如清華大學、復旦大學、重慶大學和北京理工大學也都在從事腦電波相關研究。然而，這些系統(tǒng)存在一些不足之處，如采樣頻率不足、采集波形失真、放大器電路抗干擾能力弱以及信號分析中的技術不夠先進等問題。如今，基于傳統(tǒng)多導濕式電極的腦電圖生物反饋技術已在比較多的醫(yī)療機構中也得到了廣泛的應用，但由于這種設備其價格昂貴，且體積較大、佩戴電極麻煩不便，無法在普通家庭中普及。因此，在昂貴的醫(yī)院中，有必要簡化和使用腦電圖生物反饋裝置。進入大眾市場是腦電圖反饋發(fā)展的趨勢。

2 腦電訓練對ADHD的影響

據(jù)科學研究證實，只要大腦接受正確的訓練，就能實現(xiàn)自我重塑，提高工作效率，只要訓練方法正確，我們的大腦和神經(jīng)系統(tǒng)都是具有可塑性的。

在實際使用中，保持良好的行為鼓勵和重復訓練。根據(jù)腦實際放電情況，腦電生物反饋能快速及時反饋訓練情況和實時反應訓練內(nèi)容。ADHD 受試者必須要集中注意力才能達到預期訓練的目標。通過這種反復訓練方式，鼓勵受試者刺激大腦神經(jīng)，增加神經(jīng)元，提高神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞效率，提高大腦信息傳遞效率，使受試者能夠在反復訓練的情況下迅速提高注意力。通過鼓勵大腦的SMR（有效波段）和抑制分心波和高β 波（低效波段），它可以增加SMR 波的產(chǎn)生，減少高β 波的干擾，使受試者自我提高控制自己大腦的能力，增加多動癥患者的注意力。腦電生物反饋訓練效果持久，經(jīng)臨床研究驗證并無不良反應，可明顯改善注意缺陷多動障礙的核心癥狀。

3 產(chǎn)品設計思路

本設計主要由以下主要部件組成，專注度訓練，便攜式頭帶電極、硬件電路對腦電信號進行采集及相應的濾波處理、特征值提取，專注度算法及模型搭建，輸出實際有效的實時專注值，并利用聲、光等效果實時反饋訓練情況。實現(xiàn)方案技術框圖如圖1所示。

3.1 主要研究內(nèi)容

腦電生物反饋治療系統(tǒng)的軟硬件設計，涉及注意力訓練，便攜式頭帶電極、硬件電路對腦電信號進行采集及相應的濾波處理、特征值提取，注意力算法及模型搭建。

循序漸進的注意力方法訓練。

3.2 關鍵技術

3.2.1 腦電采集模塊設計

腦電圖（EEG）是一種低頻微弱最小只有幾個微伏的腦電波信號，在進行有效的處理、分析、記錄和顯示之前，必須將其信號放大到系統(tǒng)所能正確識別的大小。多動癥兒童腦電圖放大是處理系統(tǒng)設計的重要組成部分。由于腦電信號容易被使用環(huán)境噪聲和如心電、肌電等其它信號干擾，EEG 信號會混雜著這些噪聲。這些噪音和干擾需要很好的剔除，如果不能被很好地抑制和消除，這些噪音就會隨著大腦的信號而被放大。所以要有效去除肌電、心電、眼動等信號和環(huán)境因素帶來的干擾。具體包括如下硬件結構：

（1）腦電信號前置處理電路；

（2）輸入緩沖放大級的設計；

（3）程控多級放大電路；

（4）脈沖抑制電路；

（5）驅動電路；

（6）高通、低通濾波電路；

（7）信號采集A/D 及處理電路；

（8）傳輸電路。

3.2.2 控制處理模塊設計

圖1

采用干式電極采集額頭部位腦電波，目前醫(yī)療機構多通道的腦電設備一般都使用濕電極，配套繁瑣，還需涂抹導電膏，耗時耗力。相比之下，干式電極腦電圖設備更容易使用，消除了洗發(fā)水和導電膏的麻煩。可以做成便攜式設備。采用松緊式頭戴固定干式電極，可以有效的固定在額頭部并能使電極和額頭充分可靠接觸。

腦電信號經(jīng)電極拾取后，腦電信號經(jīng)過前置放大電路、濾波放大電路、限幅限位電路、信號調(diào)理等電路后經(jīng)A/D 數(shù)模轉換器轉化為數(shù)字信號，并采用隔離器件（如光耦）傳遞給控制處理芯片。系統(tǒng)采用32 位ARM 嵌入式處理器STM32F401 作為控制模塊的核心器件。接收到數(shù)字信號后，首先利用特定的數(shù)字濾波器設計腦電信號進行50Hz 工頻濾波，設計0.5Hz 到40Hz 帶通的帶通濾波器，然后對進行頻域、時域的腦電信號分析處理，提取特征值。最后傳輸?shù)絇C 端顯示，打印，數(shù)據(jù)還可以存儲在電腦或SD 卡上。

采用電池供電和無線傳輸信號，以隔離環(huán)境帶來的干擾。電路采用靜電保護設計，能充分抵御接觸6000V，空氣放電8000V 的ESD靜電標準測試。

3.2.3 特征整合算法

利用FFT 和小波變換提取有用的特征波形。同時開發(fā)專注度算法及模型搭建，用優(yōu)勢波形及特征值計算專注度，并搭建基于ADHD的專注度訓練實時反饋腦電指標模型。

3.2.4 游戲化訓練方案設計

兒童進行各種心理活動的一項必要條件是專注，直接影響到兒童學習和生活等各個方的主要原因是專注質(zhì)量和專注的穩(wěn)定性。注意力渙散是許多多動、學習困難兒童產(chǎn)生的問題的關鍵因素。本系統(tǒng)基于神經(jīng)學、腦科學，綜合心理學和生理學原理為基礎，借助于聲、光等顯示技術，針對兒童注意力的集中性、持久性、廣度、分配及轉移靈活性等多方面進行訓練。

如采用個人想象力訓練，也可以采用智能設備如游戲、舒爾特方格、圖片、聲音等方法進行正確的訓練。

4 結論

本研究選取10 例( 6 女4 男) 具有注意力缺陷癥狀的小朋友進行訓練。受試者平均年齡8 - 12 歲。受試者均符合精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊，未同時進行其他任何治療。本實驗總共持續(xù)30 天，每天1 次，每次訓練15 分鐘。實驗前后對比所有使用者的大腦SMR 明顯上升，分心波及高β 波均明顯降低，注意力都得到比較大的提升。

理論上該設備對成年人的注意力訓練也有很好的作用。目前該系統(tǒng)已達到小批量生產(chǎn)的能力，將會應用在更多人群，惠及更多人群。