針對ADHD患者腦電生物反饋治療的游戲系統設計

吳佳武，劉金明，許澤舉，潘家輝

（華南師范大學 軟件學院，廣東 佛山 528225）

0 引言

注意缺陷多動障礙ADHD，俗稱多動癥，是一種兒童時期常見的，以注意力不集中、多動、沖動為主要表現的慢性神經發育障礙性疾病，中國有4.2%～6.5%的兒童青少年都患有ADHD。

ADHD的治療分為藥物治療和非藥物治療，藥物治療是主要的治療方式，而非藥物治療則作為藥物治療的有效輔助。目前的非藥物治療可以分為心理行為治療、家庭治療，腦電生物反饋治療這3類。腦電生物反饋治療的原理是利用設備儀器收集患者的腦電信號，將腦電信號通過聲音、圖像等手段實時反饋給患者，患者利用自己的主觀意識選擇性地強化或抑制某一頻段的腦電，從而達到治療和矯正的目的。大量的研究表明腦電生物反饋治療對于提高人們的注意力和短時記憶力有顯著的效果，能夠有效改善ADHD臨床癥狀，證實了運用腦電生物反饋技術治療ADHD的療效[1-2]。

目前，腦電生物反饋訓練儀在市場上己經隨處可見，如美國Autogenics公司生產的A620腦電神經生物反饋儀，該生物反饋儀已經廣泛地用于ADHD 人群的注意力訓練中，但其價格昂貴，一般家庭負擔不起；潤之杰大腦生物反饋治療儀是國內比較著名的腦電生物反饋，但其體積龐大，一般只能用于專門的醫院或康復機構使用，患者不能隨時隨地進行訓練，同時價格也不菲[3-5]。

針對這一現象，本文提出了針對ADHD兒童患者腦電生物反饋治療的游戲系統。該系統以腦電波游戲作為主要訓練手段，運用閾值判斷算法建立獎勵反饋機制，激發患者參與治療的興趣，提高腦電生物反饋治療的治療效果。患者通過自己的賬號進入游戲后，系統將借助Mindware系列腦機接口對患者的腦電波信號進行提取處理并存儲，實時監測患者的注意力狀態，當患者注意力高的時候，系統將在游戲中給予玩家視覺和聽覺的“興奮時刻”（exciting moment），從而鼓勵患者在訓練時保持注意力集中的狀態，增加患者參與腦電生物反饋技術的輔助治療的積極性。同時，該系統設計輕巧，成本不高，攜帶便捷，為ADHD患者居家治療矯正提供了可能和便利[8-10]。

1 系統設計

本文設計了針對ADHD兒童患者腦電生物反饋治療的游戲系統，該系統由腦電采集系統和具備獎勵機制的腦電游戲兩部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 系統結構框架

腦電采集系統主要是指腦機接口設備，該設備內置生物傳感器、參考電極以及由控制機、信號調理電路，模數變換器和微控制單元集成的智能芯片。腦點游戲則由游戲主題軟件、GUI界面顯示和數據庫構成。系統的設計思路是設計具備獎勵反饋機制的腦電游戲，要求ADHD患者佩戴腦機接口設備進行游戲，在患者游戲過程中，腦電采集系統通過生物傳感器和參考電極采集患者的腦電信號，并將該信號傳入到智能芯片中進行處理，得到包括患者與腦電信號有關的一系列數據值，再通過藍牙無線傳輸技術傳輸到安裝在PC端的腦電游戲；腦電游戲接收到患者的腦電信號后進行加權平均計算和區分度增強處理得到患者的專注度指數。一方面，實時將該指數在畫面中以棒狀條的方式顯示給玩家，供玩家主觀地調整自己的注意力和專注度，達到矯正的目的；另一方面，使用閾值判斷算法對患者的專注度指數進行判斷，若達到設定好的閾值，則給予患者正反饋獎勵，激發患者矯正的積極性。

2 腦電信號采集的實現

2.1 基本原理

腦電信號（Electroencephalogram,EEG）是由大腦神經細胞活動時所產生的電波信號，該信號可以通過在頭皮上放置電極采集獲得，研究表明，腦電信號中含有大量有價值且區分度較高的生理信息和病理信息，如與睡眠有關的δ波等，其中就包括了與注意力和專注度有關的β波和θ波。同時，人在不同精神狀態、不同情緒下的腦電信號有所不同，在人體因某些疾病發生病理性變化時，也會出現一些特殊的病理波。因此，人們可以通過一定的技術提取腦電信號中的特定參數作為監控指標，并利用這些參數進行腦功能訓練，從而達到對患者的認知功能、行為障礙進行鍛煉和矯正的目的。

2.2 基本實現流程

本系統采用NeuroSky公司開發的MindWave腦機接口設備，該設備采用單級導聯方式，利用放置在前額的生物傳感器和耳部的參考電極對患者前額部位（神經科學稱之為FP1區）的腦電信號進行測量和采集，并使用內置ThinkGear技術的智能集成芯片對患者的腦電信號進行放大、濾波等預處理[11]，其硬件對腦電信號的采集處理流程如圖2所示。

圖2 腦電信號的采集處理流程

預處理后的腦電信號將進一步使用NeuroSky eSense的專利算法進行數據分析，得到包括信號強弱、專注度attention數值在內的數據值，通過無線藍牙傳輸技術傳送到腦電游戲，為其后續的數值處理、數據顯示、獎勵反饋機制觸發提供了數據支持和便利。

3 腦電游戲設計

3.1 腦電信號輸入處理算法

3.1.1 專注度指數的計算

腦電游戲通過藍牙無線傳輸接收到與專注度有關的腦電信號主要有θ波數值、β1波數值、β2波數值、attention數值等腦電數值。其中，θ波與精神狀態有關，在遇到挫折或不開心時，θ波會較高，而精神愉悅時，θ波則會有所降低；β1波和β2波都屬于β波，β波與精神緊張與情緒激動有關，一般當腦電信號中出現了β波，就可以認為大腦皮層處于興奮狀態；attention數值是MindWave腦機接口設備使用NeuroSky eSense的專利算法計算而得的數值，該數值用以表征患者精神“集中度”水平或“專注度”水平的強烈程度，其數值范圍是0到100，當患者心煩意亂、精神恍惚、注意力不集中以及焦慮等精神狀態都將降低專注度指數的數值。

傳統的腦電生物反饋治療一般使用θ與β的功率比（即TBR）來表示ADHD患者專注度水平，由文獻［4］可知，該方式具有科學依據。但由于人腦活動比較復雜，腦電易受外界干擾因素，加上腦機接口設備本身的誤差，系統用腦機接口采集到的腦電信號常常會出現變化巨大，波動性高的現象，如圖3所示，如果直接采用TBR數值作為腦電游戲的判斷閾值，建立獎勵反饋機制，將導致患者進行游戲時游戲畫面效果驟變，體驗感降低。

圖3 腦電信號波形圖

為了提高腦電游戲體驗，本文提出了一種基于加權平均的專注度計算方法，將計算得到concentration數值作為表征ADHD兒童患者專注度的指數數值，表達式為：

其中，attention數值是利用NeuroSky eSense的專利算法算出的表征患者專注度水平的數值；由于TBR與專注度水平是負相關的，而attention數值與患者的專注度水平成正相關，因此計算公式需要采用BTR（即β與θ的功率比）與attention數值相加權，從而計算出表征ADHD兒童患者的專注度的指數concentration。經過加權平均計算下來的專注度指數能夠較好地均衡采樣點之間的差值，使數值的變化比較平緩，提高游戲的流暢度和體驗感。

3.1.2 專注度指數的區分度增強處理

盡管改進了傳統的專注度計算方法，使得計算得出的concertration數值變化趨于平緩，但這也使得數值的區分度出現一定程度的降低，對ADHD患者腦電信號的準確性產生一定的影響。因此，需要模仿圖像對比度增強的方式，對數據的區分度進行增強處理。圖像對比度增強的算法一般有：

（1）線性增強。

設原圖像灰度值f(n,m)∈[a,b]，線性增強后的取值g(n,m)∈[c,d],則：

其中,稱為變換函數的斜率。

（2）指數增強。

設原圖像灰度值f(n,m)，指數增強后的取值g(n,m)，則

其中λ和γ為常數，根據實際情況設定。為避免底數為0的情況需要加上偏移量ε。

（3）對數增強。

設原圖像灰度值f(n,m)，指數增強后的取值g(n,m)，則

其中λ為調節常數，根據實際要求設置。

由于腦電信號非線性且波動較大，故本文采用指數增強的方式對加權平均得到的concentration進行區別度增強,具體方式如下：

將圖3相同的數值經過加權平均處理和區別度增強后得到圖4，可以看出處理得到的表征ADHD患者專注度水平的數值具有變化平緩，區分度高的特點，這樣就可以達到在提高腦電游戲的流程性和體驗感的同時又能保證專注度指數的準確性的目的。

圖4 處理后的腦電信號波形圖

3.2 游戲設計

本游戲系統以經典的飛機大戰游戲為題材，采用面向對象的設計方式設計出了一款適合ADHD患者的訓練矯正的PC端豎版過關游戲，這款游戲玩法簡單，緊張刺激，有利于患者上手和注意力的集中。

游戲過程中，患者需要操作主角飛機進行擊打和躲避敵人飛行物來獲取相應的分數通關，當達到每一關的目標分值時，患者成功過關；若當游戲主角的生命值耗盡時仍未達到目標分值，則游戲結束，患者過關失敗；游戲主角擁有5條生命值，每次碰撞到敵人飛行物則消耗一條生命值。游戲共設有5個關卡，不同關卡有不同的過關難度，關卡難度由第一關到第五關依次遞增，代表著不同的恢復等級，患者能夠達到的關卡數越高說明其恢復效果越好，反之則患者恢復效果較差。

當患者游戲訓練時，系統將實時采集患者的腦電波獲取玩家的專注度，并通過棒狀條實時顯示在游戲畫面中供患者觀察，當患者出現注意力集中，專注度高的時候，游戲將會給予患者相應的正反饋獎勵，激勵患者持續保持高專注度的狀態，高專注度的狀態將有利于游戲的通關。 圖5是腦電波游戲訓練流程圖。

圖5 腦電波游戲訓練流程

3.3 游戲功能與架構

針對ADHD患者訓練使用的腦電游戲與普通的游戲所需要的功能有所不同，為了本系統設計的游戲符合訓練時候的需要，游戲需具備以下功能：

（1）注冊登錄：不同患者應該用不同的賬號進行訓練，患者初次登錄系統時需要先進行患者注冊。注冊成功后, 患者通過自己的賬號信息進入游戲。

（2）專注度檢測：為了保證游戲的正常運行和訓練正常進行，增加游戲的魯棒性，游戲需要在患者進行訓練前對患者的專注度進行檢測，當且僅當游戲能夠正常接收到患者的專注度數值時，患者方可進入游戲。

（3）專注度顯示：將患者的專注度以棒狀條的形式實時顯示在游戲畫面中反饋給患者，以便患者能夠利用自己的主觀意識選擇性地強化或抑制某一頻段的腦電，從而達到治療和矯正的目的。

（4）患者控制：患者在游戲中通過鍵盤來控制游戲主角的移動和攻擊，通過鼠標來選擇暫停、設置以及重新開始游戲的選項。

（5）特效音效：游戲背景音效，游戲主角攻擊、釋放技能、死亡時, 系統會給出相應的特效或者音效, 使游戲的畫面感和浸入感增強，提高患者訓練的興趣。

（6）游戲設置：游戲能夠設置背景音樂、音效的開啟和關閉，以滿足患者個人喜好和滿足訓練時環境的需要。

圖6描述了本文提出的腦電波游戲整體結構，該游戲主要包括界面層和功能層，界面層包括菜單、設置、游戲、登錄、檢測等5個界面，是腦電波游戲與患者進行交互的層級；功能層則是每個界面具備的功能，如菜單界面應該包括開始游戲、游戲設置等功能[12]。

圖6 腦電波游戲整體結構

3.4 獎勵反饋機制的建立

獎勵反饋機制的作用，一方面是通過在患者集中注意力，專注度高的時候給予其視覺和聽覺上的“興奮時刻”（exciting moment），激發患者主動保持高專注度的積極性，起到加強腦電生物反饋治療的效果；另一方面也是增加游戲的趣味性，提高兒童患者按照醫囑進行訓練矯正的興趣。

本系統游戲采用閾值判斷算法建立與患者專注度有關的獎勵反饋機制。將通過藍牙無線傳輸接收到與專注度有關的腦電信號進行加權平均計算和區分度增強后得到的concertration數值作為出表征患者專注度水平的專注度指數。同時選取速度、攻擊力和大招三個的獎勵因子，規定以下的規則：

（1）速度：患者游戲時的專注度越高，患者控制的游戲主角的移動速度就會越快，躲避敵人飛機將更為輕松。相應的，患者游戲時的專注度越低，患者控制的游戲主角的移動速度就會越慢，躲避敵人飛機也將更為困難。

（2）攻擊力：游戲主角移動的速度一樣，患者游戲時的專注度越高，游戲主角的攻擊力也越大，擊打敵人飛機也較為輕松，反之游戲主角的攻擊力越低，擊打敵人飛機也更為困難。

（3）大招：當游戲檢測到患者在游戲訓練中的專注度水平超過對應的閾值，游戲主角將釋放大招，將游戲畫面中的敵人全部擊殺，當游戲主角釋放大招時，游戲將發出音效和炫酷的畫面特效，給予患者聽覺和視覺的“興奮時刻”（exciting moment）。具體的算法流程偽代碼如下：

算法1:閾值判斷偽代碼

輸入：患者專注度指數concentration

輸出：void

（1）初始化游戲主角速度V=1，攻擊力T=1；

（2）if（concentration＜=20）then

（3）V=1；T=1；

（4）else if（concentration＜=50&&concentration＞=20）then

（5）V=3；T=3；

（6）else if（concentration＜=80&&concentration＞=50）then

（7）V=5；T=6；

（8）else if（concentration＞= 80）then

（9）V=7；T=10；

（10）end if

（11）If（concentration＞=95）then

（12）釋放大招

（13）end if

4 實驗和結果

本次實驗在windows 10 64位操作系統的系統環境下，以Visual Studio工具為平臺，采用NeuroSky公司的MindWave mobile2“意念”耳機獲取實驗對象腦電信號，實驗物理環境選在通風良好,沒有多余的磁場干擾，光線和溫度適宜的安靜室內。

每次實驗開始前，需要引導實驗對象進行思維專注度“熱身”，過程約2～3分鐘，同時讓他們了解實驗流程和規則，讓實驗對象降低緊張度，提高專注度，進入實驗狀態。

4.1 系統整體測試

系統整體測試旨在測試本游戲系統的功能在實際運用時是否能夠正常實現，如圖7為系統運行時部分測試結果圖。

圖7 測試結果圖

測試表明，系統能夠正常登錄注冊；當實驗對象沒有佩戴腦機接口設備時，系統能夠給予提示；實驗對象可以根據個人喜好進入游戲設置界面對背景音樂和音效進行設置；當實驗對象在游戲過程中，游戲畫面會通過棒狀條的方式實時向實驗對象反饋其專注度指數，獎勵反饋機制也能正常觸發；游戲設計的五個關卡均能正常運行；整個實驗過程中，游戲界面較為流暢，實驗對象游戲體驗感良好。

4.2 游戲系統注意力訓練實驗

為了測試系統注意力訓練效果，我們邀請5名男性ADHD患者兒童和5名女性ADHD患者兒童作為實驗對象。選好實驗對象后，使用舒爾特方格對他們的專注度水平進行測試，采取早中晚各測試一次，取平均值的方式記錄十位ADHD實驗對象在使用本游戲系統進行鍛煉前的專注度水平。之后引導十位實驗對象進行為期3個月的專注度訓練，在3個月內每天定期讓十位受試者登錄本游戲系統進行訓練矯正一次。3個月后，再次對十位實驗對象的專注度水平進行測試，同樣采取早中晚各測試一次，取平均值的方式記錄十位實驗對象在經過為期3個月訓練矯正后的專注度水平。

測試結果如圖8所示，圖8（a）為十位實驗對象在使用本游戲系統進行訓練前舒爾特方格的測試結果，圖8（b）為十位實驗對象在使用本游戲系統進行為期3個月后舒爾特方格的測試結果，圖8（c）為十位實驗對象訓練前后舒爾特方格的測試對比結果。

圖8 實驗結果

由圖8可知，十位實驗對象在訓練前完成一次舒爾特方格需要的時間分別為42.04s、39.22s、45.25s、36.36s、37.24s、44.43s、38.19s、32.38s、35.34s、33.59s；平均完成時間為38.4s；使用本游戲系統進行定期訓練3個月后，完成一次舒爾特方格需要的時間分別為35.62s、34.39s、39.18 s、31.65s、30.96s、36.97s、32.14s、26.86s、30.21s、27.28s。平均完成時間為32.53s。十位實驗對象在訓練后，完成一次舒爾特方格的所需的時間相比訓練前平均減少了5.87s。

為了對測試結果進行顯著性檢驗，需要先分別對數據進行正態性檢驗，由于樣本量比較小，可使用S-W檢驗，結果如表1和表2所示。

表 1 訓練前的正態性檢驗

表2 訓練后的正態性檢驗

由表1和表2可知，訓練前和訓練后，十位實驗對象完成一次舒爾特方格所需的時間數值在進行S-W檢驗之后的P值均大于0.05，說明無論是訓練前還是訓練后，時間數值均沒有呈現出顯著性，即意味著兩組數據均具備正態性特質，服從正態分布性質。

基于兩組數據都服從正態分布性質，我們可以使用獨立樣本t檢驗來研究訓練后十位實驗對象專注度提高的顯著性，分析結果如表3所示。

表3 t檢驗分析結果

從表3可以看出，對訓練前后的十組數據進行t檢驗分析之后的P值小于0.01，意味訓練前后，兩組樣本數據出現了顯著性差異，具體來說，十位實驗對象在經過3個月的訓練后完成一次舒爾特方格所需的時間相比訓練前有了顯著性的減少，即ADHD兒童患者在經過訓練后，專注度水平有了顯著性提高。

由上述實驗結果可知，十位實驗對象在使用本游戲系統進行為期3個月的定期訓練矯正后，其完成一次舒爾特方格所需的時間相比訓練前平均降低了5.87s，專注度水平有了顯著性的提高。

5 結語

本文主要研究了ADHD兒童患者腦電生物反饋治療的游戲系統，該系統以腦電游戲作為主要訓練手段，使用成本低廉的MindWave Moblie2設備采集患者腦電信號，為了讓采集得到的腦電信號使用于腦電游戲系統，對腦電信號進行加權平均計算和區分度增強處理，并將處理得到患者的專注度指數實時呈現在游戲畫面中反饋給患者。與市面上其它便攜低廉的腦電生物反饋治療系統不同，該系統通過在腦電游戲中利用閾值判斷算法建立的獎勵反饋機制，有效地激發患者參與治療的興趣，進一步提高了腦電生物反饋治療的治療效果，解決了市面上缺乏廉價輕巧且具有趣味性的腦電生物反饋治療系統的問題。同時，該系統設計輕巧，成本不高，攜帶便攜，也為ADHD患者居家治療矯正提供了可能和便利。