一种脑电生物反馈的注意力训练系统试验方法

许泽举，王冰冰，吴佳武，罗 通，潘家辉

(华南师范大学 软件学院，广东 南海 528225)

0 引言

注意力对青少年的发展有着至关重要的影响。根据2014年中国青少年注意力状况调查，仅有 58.8%的学生能在上课时集中注意力，而能够坚持集中注意力达30分钟以上的仅有39.7%。揭示了我国青少年的注意力状况不容乐观的现状。无法持续性集中注意力，不仅会影响青少年的学习和生活状况，严重者甚至会发展成注意缺陷多动障碍综合征（Attention Deficit and Hyperactivity Disorder，ADHD），并遗传到下一代。因此，如何研发出一种能普遍应用的治疗方案，帮助青少年提升注意力水平并强化对注意力的控制能力，具有重大的现实研究意义。

过去青少年注意力的训练方式主要集中在量表和药物手段上，不仅训练效果十分有限，而且一旦训练者脱离训练一段时间，其注意力水平便逐渐恢复到原本状况[1]。近些年伴随着生物电信号技术的突破，产生了一系列新的交互技术，包括脑电交互技术、眼电交互技术和肌电交互技术[2]。这些技术利用人体产生的生物电信号作为一种数字信号，并应用在一系列领域中，例如，在肌电交互技术上，Meeker使用连续遥操作子空间的肌电控制机械手臂[3]；在脑电技术上，Roschke和 Aldenhoff利用脑电信号设备研究了人的大脑在睡眠时的脑电波变化[4]。在这三种技术中，基于脑电的交互技术在注意力训练方面表现出很大的潜力，学者David Vernon采用脑电交互技术对青少年进行增强 SMR波、抑制beta波的干预，在经过一个月的训练后发现健康被试的注意力得到了积极改善[5]；Ronghuan对ADHD儿童采用脑电交互技术进行多个疗程后发现其注意力和短时记忆力均有所提高；学者郭琳琳设计了一款治疗ADHD儿童的系统并进行了被试实验，结果显示了该系统短期内提升了被试的注意力[6]。

现阶段仍旧没有一款针对正常青少年人群的注意力训练系统，且我国青少年注意力处于不容乐观的状况，因此，本文设计一套基于脑电生物反馈技术的注意力训练系统，不仅能帮助青少年解决日常生活中的注意力困难，也能避免其进一步发展成ADHD患者，具有重要的意义和价值。

1 基于脑电生物反馈的注意力训练系统

1.1 系统描述

本文设计了一套基于脑电生物反馈的注意力训练系统，帮助在日常学习与生活中存在注意力水平低下现象或有提升注意力水平需求的青少年训练其注意力，包括提升注意力水平和增强注意力调控能力。整体设计思路是设计基于脑电生物反馈信号的严肃游戏，通过脑机接口设备采集到使用者的脑电生物电信号并经过傅里叶变换等一系列数据处理操作得到注意力水平数值，将注意力水平数值作为一个维度输入到严肃游戏模块控制游戏参数，游戏模块以任务的形式要求使用者不断提高注意力集中性和稳定性以达到任务要求，最终达到提升注意力水平的目的。整个系统的设计流程框架如图1所示。

图1 系统整体流程Fig.1 The overall workflow of the system

1.2 用脑电信号作为识别注意力水平信号的基本原理

1.2.1 脑电信号的采集

脑电信号是由德国科学家 Hans Bergerz在1929年研究发现的一种生物电信号[7]，这种生物电信号由人的大脑内存在的数以万计的神经元细胞产生，当脑细胞的细胞膜内外特定离子浓度差达到一定水平时便会产生电位，即动作电位，而脑电信号本质上就是这些在神经元之间传递的动作电位。人的大脑思维活动会让神经元细胞之间不断产生这种生物电信号，甚至睡眠时大脑中也有脑电信号在不断产生，科学家们为了检测到人脑中的脑电波，设计了两种检测脑电信号的方法，分别是对大脑进行开颅手术后接入电极的侵入式方法和将电极放置在头皮处再通过硬件设备收集和过滤噪声的非侵入式方法[8]。

本文采用非侵入式的脑电信号检测方法，其中通过硬件对信号进行收集和处理流程如图 2所示。

图2 硬件采集信号流程Fig.2 Workflows of the hardware-based signal acquisition

1.2.2 电极检测位置的选取

人的大脑是一个复杂的生物系统，生物学上将大脑划分为额叶区、顶叶区、枕叶区和颞叶区等脑区，不同脑区代表着不同的功能和作用，在通过电极检测人的脑电信号时，不同位置所检测出来的脑电信号往往有较大差别[9]。研究发现，位于人脑前半部的额叶区专门负责大脑中非任务性的长期记忆，与人的情绪和注意力息息相关，当额叶区损伤时，伴随着情感表达能力下降、注意力不能集中和记忆力丧失等症状出现在患者身上[8]。

因此，额叶区通常是与注意力相关的研究的首选电极放置点，综合考虑，本文将选取国际脑电图学会发布的 10-20系统电极放置法中的 Fp1电极作为测量位置，即人的左前额叶，来作为测量青少年脑电信号的脑部位置。

1.2.3 脑电信号的转换

为了研究脑电信号与人脑不同思维活动的联系，科学家们进行了大量研究，目前国际上有几类对脑电信号的划分方法，其中应用最广泛的一种是将脑电信号按时域频率由低到高划分为delta、Theda、alpha、beta等四种节律或脑电波的方法[10]，为此，需要将获取到的脑电信号从频域信号转化为时域信号，其关键步骤是傅里叶反变换。

傅里叶反变换是一种特殊的积分变换，用于将满足一定条件的某个函数表示成正弦基函数的线性组合或者积分，具体到脑电信号，它能够将难以处理的脑电频域信号转换成了易于分析的时域信号，并利用一些工具对这些时域信号进行处理，傅里叶反变换公式为：

其中w代表频率，t代表时间，f(w)与e(iwt)内积，只有在 t时刻才不为零，叠加的结果就是f(t)在t时刻对应的值。傅里叶反变换公式将脑电信号有频域转化为时域，便于接下来对脑电信号划分成 delta、Theda、alpha、beta脑电波[10]。四种节律或脑电波的频率、幅度范围和代表如表 1所示。

表1 不同节律波的特征Tab.1 Characteristics of different rhythm waves

1.2.4 注意力指标的选取

近些年来越来越多的研究发现 TBR指标（Theda波和beta波的比值）能够作为大脑注意力水平的一个特征参数，如康奈尔大学的Snyder发现 TBR指标能够作为区分注意缺陷多动障碍患者和正常人的一个指标[11]，国内学者钟昆通过研究也发现了 TBR指标能够代表人的注意力水平，可见TBR指标作为一个注意力水平指标具备合理性和可行性。TBR指标的定义为：

其中ETheda和EBeta是Theda和Beta节律的能量值。

1.3 注意力指标BATR的提出

本文通过研究，发现脑电波中alpha波也与人的注意力息息相关，经常处于 alpha波状态能够引导出人的潜在脑力，使记忆力、集中力提升，并使灵感、创造力得到尽情发挥，例如，根据脑波和声学原理所开发的 alpha脑波音乐不仅能够安定情绪，还能够开发注意力和集中力。因此，本文在 TBR指标的基础上创造性地提出一个新的注意力指标，该指标使用到三个脑电波段的数值，其定义为：

其中Ealpha是alpha波段的能量值，上述公式显示 BATR指标与注意力水平呈正相关关系，BATR的数值越大，代表大脑的注意力水平越高，反之数值越小则代表大脑的注意力水平越低。本文将通过实验来验证BATR指标的有效性。

1.4 严肃游戏的设计原理与实现

本文设计了一种作用于严肃游戏的生物反馈机制，以视觉和听觉的奖惩反馈形式来操纵青少年在其他情况下意识不到或感觉不到的注意力相关生理活动，由此达到控制大脑内部相关生理活动的目的，即不断地诱导青少年在游戏过程中有意提升其注意力与专注度，最终达到注意力训练的效果。严肃游戏的生物反馈机制如图 3所示。

图3 严肃游戏的注意力反馈机制Fig.3 Attention feedback mechanism for serious games

为了更好地提升青少年的注意力，本文基于注意力稳定性的定义“在特定的任务情境下注意力能够长时间保持的一种状态”，将注意力稳定性划分成两个维度，分别是注意力的集中性和持续性，并设计出单独针对持续性或集中性的单独训练模式和同时针对持续性和集中性的综合训练模式,以其中的推箱子游戏为例，以综合训练模式的为例，设计思路如图4所示。

图4 严肃游戏的综合训练模式Fig.4 Comprehensive training mode for serious games

在综合训练模式中人物的力量基于用户的注意力水平，只有注意力水平超过基准值时的力量才能够推动箱子前进，并产生一系列视觉和听觉上的奖励反馈，而当注意力超过基准值持续一段时间时，角色的移动速度将得到提升，在整个过程中用户注意力持续性和集中性均进行了提升训练。游戏实现界面如图5所示。

图5 严肃游戏界面Fig.5 Interface of serious games

2 实验方案

2.1 前期准备

实验设备为NeuroSky MindWave mobile，包含TGAM（ThinkGear AM）模块，最高支持60HZ的采集频率。系统界面使用 Visual Studio 2019平台开发。

实验被试中，男性11名，女性9名，且均为年龄18～22岁的青年，智力正常。实验环境通风良好，光线和温度适宜的安静室内。每次实验开始之前，受试者将会有一系列的训练和准备时间，大约5-10分钟，从而使受试者降低紧张感、提高注意力、了解实验规范并熟悉实验流程。同时测试人员将对试验方式以及实验环境进行严格的控制，以保证一些无关因素对脑电信号采集的结果带来干扰。

2.2 实验设计

根据实验被试按自身真实情况填写的 MARIS表以及在测试人员帮助下填写的舒尔特方格量表，我们从中选择30名受试者，并划分为BATR实验组（10名）、TBR实验组（10名）与对照组（10名）。

实验按照控制变量法的模式进行，在整个实验过程中，对照组不进行实验训练，实验组需要进行每周三次的为期一个月的注意力训练实验，不同实验组采用不同的指标（TBR指标或BATR指标）映射注意力水平。其次，对照组和实验组都要每周进行一次注意力检测实验（填写舒尔特方格与 MAAS量表），记录其注意力水平变化。注意力训练实验内容如下：

测试人员完成设备与 PC机的蓝牙连接，受试者佩戴好设备并坐在指定位置上后，测试人员开启系统。屏幕上显示严肃游戏的画面，受试者按游戏画面提示完成任务，一旦完成当前关卡任务则由测试人员选择下一关卡，整个过程持续15分钟，实验结束后，受试者需要填写MARS表和舒尔特表，记录下当时的注意力水平。

由于受试者都是第一次接触脑机接口设备，为了帮助受试者更好地适应实验环境和得到更加有效的注意力训练，实验设置了4个梯度的训练难度，初始难度能够帮助受试者快速地适应佩戴脑机接口设备的环境，消除新鲜感，后续不断提高的难度有助于诱导受试者不断提高自身的注意力水平以完成任务。整个实验设计流程如下图所示：

3 实验结果与结论

3.1 实验结果

取部分被试实验数据进行可视化，结果如图7～图9所示。

图7 TBR 实验组被试的注意力水平变化Fig.7 Changes in attention level of subjects in the TBR experimental group

图8 BA TR实验组被试的注意力水平变化Fig.8 Changes in attention level of subjects in the BATR experimental group

图9 对照组被试的注意力水平变化Fig.9 Changes in the attention level of the control group

3.2 实验结果分析

对比TBR实验组与对照组，发现对照组整体的注意力水平在整个实验周期内维持在正常波动范围内，而TBR实验组的注意力水平呈现较为明显的变化，在第一周注意力水平呈缓慢提高的趋势，在第2至3周呈现出较快的提高趋势。经分析，第一周是被试逐渐适应脑机接口设备和实验环境的适应周，因此提升效果收到一定的限制。由此可见，在实验计划的训练下，本文设计的包含生物反馈机制和严肃游戏的注意力训练系统能够在一定程度上提升实验被试的注意力水平。

对比TBR实验组与BATR实验组发现，BATR实验组的注意力水平同样呈现出较为明显的提升，在经过第一周的适应期后训练效果逐步可见，初步验证了BATR指标与TBR指标一样具备作为注意力指标的有效性。

为了更加科学地证明上述结论，我们假设实验组与对照组训练前后的注意力水平都没有显著性差异，并对已经完成训练的两组实验组和对照组的注意力水平分别进行了训练前后数据进行两配对样本的非参数检验，结果如下表所示：

表2 TBR 实验组的非参数检验Tab.2 Non-parametric test of TBR experimental group

表3 BA TR实验组的非参数检验Tab.3 Non-parametric test of BATR experimental group

表4 对照组的非参数检验Tab.4 Non-parametric test of the control group

由非参数检验结果表格可以看出，BATR实验组的 Z统计量为-2.703，对应的概率 P值为0.007，在显著性水平α为 0.05下，由于概率 P值小于显著性水平，因此拒接原假设，认为BATR实验组训练前后的注意力水平有显著性差异，即有显著效果。同理可以得出TBR实验组在训练前后的注意力水平有显著差异，而对照组在训练前后的注意力水平没有显著差异。因此，经过非参数检验的验证，进一步证实了上述结论，即BATR指标能够作为脑电领域中一项新的注意力指标，而本文设计的生物反馈机制及注意力训练系统同样具有有效性与可行性，能够为青少年提高注意力水平提供一种有效手段。

4 总结

本文主要研究了基于脑电生物反馈的注意力训练系统。由于现阶段有 41.2%的青少年不能在课堂上集中注意力，揭示了青少年注意力状况不容乐观的状况，与此同时国内缺少面对普通青少年的注意力训练系统。基于此本文创造性地提出一项新的注意力指标BATR和一种作用于严肃游戏的生物反馈机制，并在此基础上设计了一款基于脑电生物反馈的注意力训练系统。该系统通过使用一款便携式的脑机接口设备采集到脑电生数据，然后进行傅里叶反变换等数据处理流程，实现了对生数据进行降噪滤波和时频转换等一系列预处理操作。其次，在基于时域频率将脑电信号划分成4种代表不同含义的脑电波后，本文创造性地提出一项新的注意力指标 BATR，作为输入严肃游戏模块的注意力水平，与此同时，本文也提出一种能够应用在注意力训练上的生物反馈机制，并专门针对注意力品质和青少年设计了三款严肃游戏。

本文通过邀请30名被试进行了实验，最终两配对样本的非参数检验结果显示，BATR和TBR实验组的被试在实验前后的注意力水平存在显著性差异，而对照组不存在显著性差异。一方面证明了本系统能够有效地提升青少年的注意力水平，另一方面也证明了本文所设计的BATR指标和生物反馈机制在反映和训练青少年注意力水平上的有效性。这对于日常学习和生活中受注意力不集中所困扰的青少年有重要意义。未来我们将不断改进本系统，并落实到实际应用场景。