CN110882465A - 基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统及方法 - Google Patents

Abstract

基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统及方法，涉及注意力训练系统。注意力训练系统包括信号采集模块、信号接收模块、处理分析模块、指令反馈模块和应用程序模块；信号采集模块用于检测脑电信号和用于采集运动状态；信号接收模块用于将采集到的信号传送给处理分析模块；处理分析模块用于对采集信号放大、滤波和频域信号变换，以及用于对信号进行分析产生分析结果；指令反馈模块用于接收处理分析模块的信号并对程序应用模块产生指令，指令反馈模块的输入端接处理分析模块的输出端，指令反馈模块的输出端接程序应用模块；应用程序模块用于将收集到的数据处理统计汇总。有效解决注意力不集中、多动等注意力缺陷。

Description

基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统及方法

技术领域

本发明涉及注意力训练系统，尤其是涉及一种基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统及方法。

背景技术

注意力是指人的心理活动指向和集中某种事物的能力。注意力缺失可以导致多动症和学习障碍，多见于儿童及青少年，其两个突出表现：活动过多和注意力分散。患儿因此在学校不能接受良好的教育，厌学、逃学、成绩下降；长大后也因基础知识的贫乏，难以学到生活必需的技能，就业困难，而影响终生。目前对注意力缺失导致多动症的治疗主要限于神经刺激性和镇静性药物，这样的药物都有许多的副作用，对处于身体发育阶段的少年儿童会造成不少伤害。

近年来，随着科技的不断发展，对脑电信号的采集、解析、存储及显示技术成为脑电监护的核心技术，脑电采集可以将被测者的脑电图变化情况进行直观显示，从而直观了解被测者的心理及精神状态，还可以用于检测神经系统疾病。

发明内容

本发明的目的在于提供有效解决注意力不集中、多动等注意力缺陷症状的一种基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统。

本发明的另一目的在于提供一种基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法。

所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统包括信号采集模块、信号接收模块、处理分析模块、指令反馈模块和应用程序模块；所述信号采集模块用于检测脑电信号和用于采集运动状态；信号采集模块的输入端接人体头部和肢体，信号采集模块的输出端接信号接收模块；所述信号接收模块用于将采集到的信号传送给处理分析模块；信号接收模块的输入端接信号采集模块，信号接收模块的输出端接处理分析模块；所述处理分析模块用于对采集信号放大、滤波和频域信号变换，以及用于对信号进行分析产生分析结果；处理分析模块的输入端分别连接信号接收模块和应用程序模块，处理分析模块的输出端接指令反馈模块；所述指令反馈模块用于接收处理分析模块的信号并对程序应用模块产生指令，指令反馈模块的输入端接处理分析模块的输出端，指令反馈模块的输出端接程序应用模块；所述应用程序模块用于将接到的处理信号统计汇总，并将收集到的数据处理统计汇总，将信息结果传输到数据库。

所述信号接收模块用于将采集到的信号传送给处理分析模块可通过蓝牙传输或WIFI等无线方式传送到处理分析模块。

所述信号采集模块可包括传感器、脑电信号采集器、运动信号采集器；所述脑电信号采集器可采用RHD2216芯片；所述运动信号采集器可采用MPU9150芯片。所述脑电信号采集器佩戴在人体头部，用于检测脑电信号；所述运动信号采集器可佩戴在人体肢体多个部位，用于采集运动状态。

所述处理分析模块包括STM32芯片和FPGA芯片；STM32可采用STM32F407芯片；处理分析模块可外接蓝牙音箱和SD存储卡。

所述指令反馈模块与处理分析模块可以通讯协议无线网络的方式传输信号。

所述指令反馈模块可采用与设备相互辅助的移动电子设备，如手机、平板、电脑等。

所述应用程序模块可通过微信公众号或发送短信等方式将汇总后的信息数据反馈给用户。

所述信号采集模块、信号接收模块、处理分析模块、指令反馈模块可外接电源。所述电源可采用可充电电源，优选便携式锂电池。

所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法，包括以下步骤：

1)将信号采集模块以及信号接收模块(同时也可将手环部运动信号采集装置)给被测者佩戴并开启；

2)通过脑电传感器与运动传感器采集被测者在交互中产生的脑电信号和运动信号，将采集到的信号传输给计算分析设备MCU微处理器；

3)处理分析模块的MCU微处理器通过信号接收模块接受采集到的脑电肌电信号；将脑电信号的θ波与β波的比值作为注意力的判断参数；

4)处理分析模块的MCU处理器对信号初步处理后自动将信号通过蓝牙传输协议等方式传送到移动电子设备中；

5)移动电子设备接受到信号后，判断被测者所处注意力的状态，调整音乐播放模式，在养成型小游戏中给予相应的惩罚或奖励，将新接受的数据填入数据库，数据经过分析调整后，经由指令反馈模块将结果传输给医师或家长；

6)根据移动电子设备接受到信号的注意力状态判断，在被测者的耳机设备中进行父母录制提示声音的反馈；

7)在一个时间阶段中，应用程序模块可将此阶段接收到的所有数据整理自动统计分析成折线图，直观显示被测者注意力状态的改变。

与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

1、本发明是基于脑电波信号采集处理分析的注意力训练，本发明是基于脑电的注意力情况分析及干预，可以有效解决注意力不集中、多动等其他注意力缺陷的症状。

2、使用脑部信号与运动信号双信号采集方式，对使用对象的状态判断更为准确。

3、后续信号处理分析过程为无线传输、自动模式使用十分方便，佩戴合适即可。

4、在后期辅助以更为全面的数据累计统计分析，可以对对象某一时间阶段的情况进行观察，并将此信息保留下来方便家长、医师的使用。

5、对信号采集、处理分析所使用的设备进行自我研究和全新设计，设备体积好，安全性高，便捷性得到了改善。

附图说明

图1为本发明实施例的基于脑电与运动状态反馈的系统结构示意图。

图2为本发明实施例的基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法的流程示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

参见图1和2，所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统包括信号采集模块1、信号接收模块2、处理分析模块3、指令反馈模块4和应用程序模块5；

所述信号采集模块1用于检测脑电信号和用于采集运动状态；信号采集模块1的输入端接人体头部和肢体，信号采集模块1的输出端接信号接收模块2；

所述信号接收模块2用于将采集到的信号传送给处理分析模块3；信号接收模块2的输入端接信号采集模块1，信号接收模块2的输出端接处理分析模块3；

所述处理分析模块3用于对采集信号放大、滤波和频域信号变换，以及用于对信号进行分析产生分析结果；处理分析模块3的输入端分别连接信号接收模块1和应用程序模块5，处理分析模块3的输出端接指令反馈模块4；

所述指令反馈模块4用于接收处理分析模块3的信号并对程序应用模块5产生指令，指令反馈模块4与处理分析模块3以通讯协议无线网络的方式传输信号，指令反馈模块4的输入端接处理分析模块3的输出端，指令反馈模块4的输出端接程序应用模块5；

所述应用程序模块5用于将接到的处理信号统计汇总，并将收集到的数据处理统计汇总，将信息结果传输到数据库；

所述信号接收模块2用于将采集到的信号传送给处理分析模块3可通过蓝牙传输或WIFI等无线方式传送到处理分析模块3。

所述信号采集模块1可包括传感器、脑电信号采集器、运动信号采集器；所述脑电信号采集器可采用RHD2216芯片；所述运动信号采集器可采用MPU9150芯片。

所述脑电信号采集器佩戴在人体头部，用于检测脑电信号；

所述运动信号采集器佩戴在人体肢体，用于采集运动状态；

所述信号接收模块包括佩戴在头部的HC-05蓝牙芯片装置，HC-05蓝牙芯片装置位于额头前部；

所述处理分析模块包括STM32芯片和FPGA芯片；STM32可采用STM32F407芯片；处理分析模块可外接蓝牙音箱和SD存储卡。

所述指令反馈模块可采用与设备相互辅助的移动电子设备，如手机、平板、电脑等。指令反馈模块既可以在儿童手中，或是由儿童佩戴的耳机，通过MCU微处理器处理后的信号，分析出儿童所处的多动状态，将相对应的音乐、游戏增益或损失反馈给儿童。另外的反馈设备也指在父母手中的移动电子设备，将儿童的实时情况以及建议反馈给父母。

所述应用程序模块5可通过用户关注微信公众号或系统发送短信等方式将汇总后的信息数据反馈给用户。

所述信号采集模块1、信号接收模块2、处理分析模块3、指令反馈模块4和应用程序模块5可外接电源。所述电源可采用可充电电源，优选便携式锂电池。

信号采集模块可采用脑电信号采集设备干电极传感器和信号初步处理装置SD卡主控芯片外加信号等。

脑部信号采集：脑部传感器采用干电极方式，测量出幅度为20～200mV的脑电波波形图。

人体前额部位设备采集到的脑电信号按频率分可分为δ、θ、α、β四种节律波，在主控芯片中同过对采集到的信号进行傅里叶变换，将其区分开来。

注意力缺陷多动症儿童表现出θ脑电活动以及θ/β功率比值增加，α和β活动降低，主控芯片再将区分开的信号进行各频率波占比分析，可判断出儿童是否患有多动症以及多动症的严重程度。

至少一个传感器包括用于检测脑电信号的脑电传感器佩戴于人体颈部额头，和采集运动这状态的运动传感器位于人体颈部、手腕、脚踝处。

信号接收模块包括至少一个传感器通道，用于接受至少一个传感器采集的信号。

处理分析模块用于对采集信号放大、滤波和频域信号变换，以及用于对信号进行分析产生分析结果。

应用程序模块接受到处理分析模块的处理信号数据，可以设置为输出相应的音乐响应，或者执行相应养成型小游戏，并将收集到的数据深度处理统计汇总，将其传输到数据库或关联父母的手机、手环提醒。

运动传感器是用于检测用户各部位运动的传感器配置，可采用InvenSense公司推出的全球第一款整合性9轴运动处理组件MPU9150芯片作为关键的传感器。同一个硅芯片集成一个3轴陀螺仪，一个3轴加速度计和一个3轴磁力计。进行动作计数功能，将收集到的信号发送至主控芯片进行处理。)

通过通信协议无线发送至手机分析。通信协议包括蓝牙通信和WIFI通信。

信号采集模块设备位于额头处，设置于头戴式装置上，头戴式测量装置连接计算分析设备MCU微处理器。

在计算分析设备MCU微处理器上执行的控制应用连续不断地处理接受到的信号，并在此基础上进行一定的处理，生成一个脑部注意力与运动信号按一定比例占比的综合评价。

反馈模块：结合SD卡接收存储脑电波形数据，管理音乐播放；采用音乐疗法，针对不同程度病症儿童采用不同方式的治疗，形成反馈网络。即当脑电波和计数统计得到的数据表明儿童处于多动且注意力不集中状态时，将采用舒缓音乐进行音乐疗法，促使儿童进入放松状态。对于儿童，手机部分执行养成型小游戏，对儿童的不同表现在游戏中进行不同程度的奖惩，从而培养儿童专注力，减少多动症状。

处理分析模块MCU微处理器通过脑电传感器提供的神经反馈信号确定用户的θ/β功率比值，指示用户关注或关注水平。θ/β越低，用户关注水平越高，θ/β越高，用户关注水平越低。

身体传感器-惯性测量装置(运动信号传感器)：利用IMU惯性系统建立三维感应，可在颈部、手腕、脚踝处佩戴，采集到的运动信号同样传输到计算分析设备MCU微处理器。

供电设备部分可采用Li电池聚合物电池，其能量密度较高。

本发明可以更进一步设计应用，用户信息可进行交互作用。数据可以包括平均值、直方图、数据的完整记录等。可根据用户每天的数据进行周度及月度的信息汇总统计，评价用这一阶段的多动表现以及改善情况。

数据库的建立：可在手机微信平台等建立多动症患者社区以及多动症儿童家长社区。不同患病儿童家长和医生连接互通，及时交流和获取相关意见和建议；及时收集处理数据将其填入数据库并与医师进行医患交互。多动症儿童患者的家长之间也可以通过平台进行经验交流分享。建立大数据库，在保密的前提下，将用户的脑电波进行汇总对比，及时更新和优化脑电波采集算法，并为临床研究提供相关数据参数。

家长提醒设备：在程序应用模块手机接收传输的数据，若判断儿童多动状态极为严重，可通过网络传输的方式，将信息反馈到家长的手机、手环中，并将采集数据传输到数据库中；对动作信号进行统计处理，判断儿童所处状态，一旦儿童运动信号表达为倒地不起等异常信号便立即回报于客户终端。

语音提示于电子设备中，对于处于多动状态的儿童进行语音播放的提示。其语音可以是由父母提前录制。

音乐情绪管理：可以通过播放音乐对受训者进行情绪管理，可采用古典音乐与流行音乐相结合的方式，对儿童行为状态进行潜移默化的影响。当检测到异常脑电波时会通过及时提示受训者进行行为矫正。

注意力集中养成：可以通过给受训者发送趣味小游戏，吸引儿童注意力，培养精神集中状态习惯，对儿童进行正向积极引导，延长注意力集中时间。

全景态感知系统：可以利用VR设备拓展，减少外界干扰因素。利用震动和语音提示效果，对儿童所处状态进行及时提醒。

本发明实施例的基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法的流程示意图，基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法具体包括以下步骤：

1)被测者主要与手机及耳机等设备进行操作交互。

2)通过至少一个脑电传感器与多个运动IMU惯性测量单元采集被测者在交互中产生的脑电信号和运动信号，将采集到的信号传输给处理分析设备MCU微处理器。

3)处理分析模块设备MCU微处理器通过信号接收模块接受采集到的脑电肌电信号。

4)处理分析模块设备MCU微处理器进行采集信号的放大、滤波和频域信号变换。计算分析处理模块将脑电信号的θ波与β波的比值作为注意力的判断参数。

具体的采集信号的初处理，由设备MCU微处理器来处理。

5)处理分析模块设备MCU微处理器将处理好的信号通过蓝牙传输协议传输到手机中。

6)手机接受到信号后，判断被测者所处注意力的状态，调整音乐播放模式，在养成型小游戏中给予相应的惩罚或奖励，将新接受的数据填入数据库。数据经过分析调整后，经由指令反馈模块将结果传输给医师和家长。

7)根据手机接受到信号的注意力状态判断，可在耳机设备中进行父母录制提示声音的反馈。

8)根据被测者的脑电信号和运动状态，可选择一定频率的测量，即再次重复上述步骤，获得被测者的实时状态。

9)在一个时间阶段中，应用程序模块可将此阶段接收到的所有数据整理成折线图，显示被测者注意力状态的改变。

本发明实施例具有以下特点：

脑电信号采集：在信号采集模块中，具体脑部传感器可采用干电极采集方式。干电极相较于湿电极，具有简易舒适、低成本的优点，适合应用于家庭医疗。相较于植入式电极阵列，该设备更加安全，对于脑细胞并无物理损伤。通过信号采集设备测量出幅度为20～200mV的脑电波波形图，即

è(4－7Hz)、á(8－13Hz)、

除此之外，在觉醒并专注于某一事时，常可见一种频率较

波更高的

波，其频率为30～80Hz，波幅范围不定；而在睡眠时还可出现另一些波形较为特殊的正常脑电波，如驼峰波、ó波、

波、

-复合波、ì波等。脑电信号EEG多动症ADHD关系，多动症儿童0波增多，d波和B波减少。θ慢波活动增加、θ/β功率比增加是典型特征。α和β活动减弱是注意力下降的主要特征。脑电信号芯片采用RHD2216芯片，可以自定义数据采集脑电图信号。

计算分析：具体的脑电波信号采集后，之后采用放大器对采集到的波形进行放大并除杂，信号采样结果通过脑部信号芯片RHD2216进行处理，将信号以波形图形式发送至处理分析模块，根据不同种类波峰频率不同的特点，利用傅里叶变换将数种波峰区别开来，将其中主要频率提取出进行对比。将所收集到的脑电波与预先在主芯片中存入的正常和异常脑电波数据作对比。将误差过大的数据移入可疑脑电波组，其余纳入异常组。将异常组和可疑组脑电信号发送到家长和责任医生终端，进行进一步的临床分析。同时，根据FPGA的处理速度快、可容代码少的特点，采用FPGA设计，使得设备处理速度大幅加快。设备核心部分可以更加小巧，散热问题也得以解决。

运动测量单元：具体的注意力缺陷检测也和动作检测结合，当儿童的动作次数高于正常儿童，脑电波也处于活跃状态，表示儿童此时处于注意力不集中，即可采用相应的措施。

无线连接：设备采用2.4GHz信号无线传输和蓝牙传输，有效增加传输速度，同时降低设备能量损耗。方便设备间互联互通，降低风险性。

安全方面：可充电电源优选便携式锂电池为脑电信号采集器，运动信号采集器，处理芯片供电。电压采用24V安全电压，对人体是安全电压，保证了设备整体的安全性；采取多重安全防护措施。当电流超过额定电流20％时，保险丝熔断，设备停止供电；硅胶包裹，减少设备裸露程度，有效保证设备安全性。

Claims (10)

1.基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于包括信号采集模块、信号接收模块、处理分析模块、指令反馈模块和应用程序模块；所述信号采集模块用于检测脑电信号和用于采集运动状态；信号采集模块的输入端接人体头部和肢体，信号采集模块的输出端接信号接收模块；所述信号接收模块用于将采集到的信号传送给处理分析模块；信号接收模块的输入端接信号采集模块，信号接收模块的输出端接处理分析模块；所述处理分析模块用于对采集信号放大、滤波和频域信号变换，以及用于对信号进行分析产生分析结果；处理分析模块的输入端分别连接信号接收模块和应用程序模块，处理分析模块的输出端接指令反馈模块；所述指令反馈模块用于接收处理分析模块的信号并对程序应用模块产生指令，指令反馈模块的输入端接处理分析模块的输出端，指令反馈模块的输出端接程序应用模块；所述应用程序模块用于将接到的处理信号统计汇总，并将收集到的数据处理统计汇总，将信息结果传输到数据库。

2.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述信号接收模块将采集到的信号通过蓝牙传输或WIFI无线方式传送到处理分析模块。

3.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述信号采集模块包括传感器、脑电信号采集器和运动信号采集器。

4.如权利要求3所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述脑电信号采集器采用RHD2216芯片；所述运动信号采集器采用MPU9150芯片。

5.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述处理分析模块包括STM32芯片和FPGA芯片。

6.如权利要求5所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述STM32采用STM32F407芯片；处理分析模块外接蓝牙音箱和SD存储卡。

7.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述指令反馈模块与处理分析模块以通讯协议无线网络的方式传输信号。

8.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述指令反馈模块采用与设备相互辅助的移动电子设备，如手机、平板或电脑。

9.如权利要求1所述基于脑电与运动状态反馈的注意力训练系统，其特征在于所述信号采集模块、信号接收模块、处理分析模块、指令反馈模块外接电源；所述电源可采用可充电电源，优选便携式锂电池。

10.基于脑电与运动状态反馈的注意力训练方法，其特征在于包括以下步骤：

1)将信号采集模块以及信号接收模块给被测者佩戴并开启；

2)通过脑电传感器与运动传感器采集被测者在交互中产生的脑电信号和运动信号，将采集到的信号传输给处理分析模块；

3)处理分析模块的MCU微处理器通过信号接收模块接受采集到的脑电肌电信号；将脑电信号的θ波与β波的比值作为注意力的判断参数；

4)处理分析模块的MCU处理器对信号初步处理后自动将信号通过蓝牙传输协议等方式传送到移动电子设备中；

5)移动电子设备接受到信号后，判断被测者所处注意力的状态，给予相应的惩罚或奖励，将新接受的数据填入数据库，数据经过分析调整后，经由指令反馈模块将结果传输给医师或家长；

6)根据移动电子设备接受到信号的注意力状态判断，在被测者的耳机设备中进行父母录制提示声音的反馈；

7)在一个时间阶段中，应用程序模块可将此阶段接收到的所有数据整理自动统计分析成折线图，直观显示被测者注意力状态的改变。

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