CN113192601A - 基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法及训练任务 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法及训练任务。本发明的技术方案是：一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，其特征在于：向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。本发明适用于认知康复训练领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法及训练任务。适用于认知康复训练领域。
背景技术
注意力缺陷多动障碍(ADHD)是青少年儿童群体中常见的神经系统失调综合症，主要表现为与年龄和发育水平不相称的注意力，如注意力不集中、注意时间短暂、活动过度，常伴有学习困难、适应困难等，该病的患病率为3％～7％，约有50％～70％左右的患病儿童会将症状持续到成年期，严重影响其学业和家庭生活，损害其身心健康和社会能力。
药物治疗虽然在一定程度上能够改善记忆和注意力，但是许多药物治疗的副作用以及停药后病情的反复让人难以接受。此外，药物治疗对大约20％的ADHD儿童效果不佳或无效。
神经反馈治疗是一种非药物疗法，患者通过持续强化特定频率脑电活动以提高脑皮层唤醒水平，从而缓解ADHD注意力缺陷、多动/冲动症状。研究证实，神经反馈对于ADHD治疗有着积极的影响。有研究表明，采用TBR指标，即脑电特定的功率谱频段比值的神经反馈训练加强了脑神经可塑性和脑功能连接，对脑神经异常的修复和认知功能的提高起了促进作用。
游戏具有较高的趣味性，比较容易被青少年儿童群体所接受，所以常被用于ADHD康复领域。目前主流的认知康复训练系统中的游戏任务多是以训练某个单项能力为主，如注意力、观察力、记忆力、数字认知、图形认知等，但这些训练系统内容较为单调，单项能力短时间提高后，难以长期维持，且没有建立有效的脑-系统-脑回路，不利于脑功能的重塑，存在训练效果不佳的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法及训练任务。
本发明所采用的技术方案是：一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，其特征在于：
向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；
获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；
根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；
在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；
基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。
所述根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数，包括：
基于用户的脑电数据计算相应的TBR值；
将TBR值与专注和不专注条件下的TBR阈值数据求得差值；
基于专注和不专注条件下的TBR差值建立特征向量；
将特征向量输入训练好的SVM模型判断用户是否专注；
判断为专注时，TBR评分分数加分，否则减分。
所述训练任务还包括工作记忆与辨别任务和/或运动任务。
一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练装置，其特征在于，包括：
展示模块，用于向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；
脑电数据获取模块，用于获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；
TBR评分模块，用于根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；
任务评分模块，用于在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；
难度调节模块，基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。
所述TBR评分模块，包括，用于
基于用户的脑电数据计算相应的TBR值；
将TBR值与专注和不专注条件下的TBR阈值数据求得差值；
基于专注和不专注条件下的TBR差值建立特征向量；
将特征向量输入训练好的SVM模型判断用户是否专注；
判断为专注时，TBR评分分数加分，否则减分。
所述训练任务还包括工作记忆与辨别任务和/或运动任务。
一种存储介质，其上存储有可被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练系统，其特征在于，包括：
脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电数据；
数据分析及反馈模块，与所述脑电信号采集模块相连，具有存储器、处理器和用于向用户展示训练任务及TBR评分分数的显示单元，存储器上存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
还包括：
操作输入模块，用于采集用户应对训练任务的操作指令。
一种应用于所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的训练任务，其特征在于，包括：
注意力任务：TBR评分分数越高，物体移动速度越快；
工作记忆与辨别任务：物体移动时，物体移动方向前方会随机出现多种物品中的一种，用户需避开特定物品；
运动任务：物体移动时，物体移动方向前方会随机出现障碍物，用户需在前方出现障碍物时，避开该障碍物。
本发明的有益效果是：本发明通过实时采集的TBR值与专注和不专注条件下TBR阈值数据的差值输入训练好的SVM模型判断用户专注度状态，从而科学的判断用户是在专注或不专注状态。
本发明将脑机接口技术与认知康复训练相结合，将脑电生理指标作为神经反馈，有助于用户在训练过程中大脑神经功能的重塑。
本发明通过运用多任务训练模式，能够在多次训练中同时改善用户的持续注意力，同时增加了用户的辨别能力，工作记忆能力。
本发明通过难度自动调节功能，能够在单次任务结束后根据用户的任务表现和脑电数据进行评分，自动调节下次训练任务的难度等级，使用户在顺利完成任务后仍保持挑战感，在表现不佳时保持训练信心。
本发明能够对用户训练过程中的脑电数据和游戏任务完成度进行评分，并在多轮训练结束后给出具体评估报告，使康复效果得到更为客观、科学的评价，从而辅助康复医师进行训练康复效果的评估。
本发明通过交互式游戏的训练模式，通过设备获得现实或虚拟的反馈，增加了用户的体验感和训练的趣味性，让用户在训练的过程中，放松身心，提高用户训练积极性。
附图说明
图1为实施例的流程图。
具体实施方式
本实施例为一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，包括以下步骤：
向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，训练任务包括注意力任务、工作记忆与辨别任务和运动任务，其中注意力任务基于TBR评分分数进行控制；
获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；
根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；
在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；
基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级；
在完成多轮训练任务后，基于脑电数据和任务表现输出评估报告，脑电数据指各类脑电信号的指标，包括幅值、能量、频谱分析等，可以通过数值、曲线、脑电地形图等形式展现，任务表现具体有数值、曲线等形式，还可以与前序10次的成绩做对比，自动生成曲线。
本实施例中根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，具体包括以下步骤：
从用户的脑电数据中获取用户前额叶区的脑电信号Fp1与Fp2；
通过滤波器从脑电信号Fp1与Fp2中分离出delta，theta，alpha，beta等多个频段的脑电信号，求得脑电信号Fp1和Fp2相应的TBR值tbr_Fp1和tbr_Fp2；
分段求得多组TBR指标叠加平均，强化被试在专注时与不专注时的TBR值，统计多组用户在专注和不专注条件下TBR的阈值数据A_Fp1、A_Fp2和B_Fp1、B_Fp2，多人取平均建立阈值模型；
将实时采集的TBR值与阈值模型求得差值：
diff_Fp1_A＝tbr_Fp1-A_Fp1，
diff_Fp1_B＝tbr_Fp1-B_Fp1，
diff_Fp2_A＝tbr_Fp2-A_Fp2，
diff_Fp2_B＝tbr_Fp2-B_Fp2；
分别取[diff_Fp1_A，diff_Fp2_A]平均值diff_A，取[diff_Fp1_B，diff_Fp2_B]平均值diff_B，建立特征向量[diff_A，diff_B]；
将特征向量[diff_A，diff_B]输入训练好的SVM模型，判断用户是否专注。
本实施例中训练好的SVM模型由大量特征向量[diff_A，diff_B]和相应的用户专注状态输入SVM模型训练后得到。
本实施例还提供一种注意力缺陷多动障碍康复训练装置，包括展示模块、脑电数据获取模块、TBR评分模块、任务评分模块和难度调节模块。
本实施例中展示模块用于向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；脑电数据获取模块用于获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；TBR评分模块用于根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；任务评分模块用于在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；难度调节模块基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。
本实施例还提供一种存储介质，其上存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本实施例中基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
本实施例还提供一种注意力缺陷多动障碍康复训练系统，包括脑电信号采集模块、数据分析及反馈模块和操作输入模块。
本实施例中脑电信号采集模块用于采集用户的脑电数据，包括至少一套脑电采集设备，是非侵入式的设备，采集电极是湿电极，采集通道是8导联等，包含脑电信号处理器，可对采集到的脑电信号进行特征提取和分类，脑电信号特征提取方法包括有谱分析、支持向量机分类等。脑电极分别取前额叶(Fp1，Fp2)，颞叶(F3，Fz，F4)，枕叶(O1，O2)，顶叶(Cz)。
本例中数据分析及反馈模块与脑电信号采集模块相连，接收脑电信号采集模块采集的用户脑电数据。本实施例中数据分析及反馈模块包括至少一台带有显示单元的计算机设备，其中计算机设备可以是台式机、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等，计算机设备具有存储器和处理器，存储器上存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现本实施例中基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
本实施例中操作输入模块接于数据分析及反馈模块上，为完成训练任务或游戏所需的硬件设备，包括鼠标、键盘、方向盘、摇杆、虚拟现实设备等。
本实施例中训练任务的表现形式为跑酷游戏，用户在训练过程中需要完成三个子任务：
注意力任务：用户需集中注意力，TBR评分分数越高，跑步速度越快。用户可观察显示单元上的TBR评分分数，用户持续注意力不足时，TBR得分会下降，当TBR得分低于20分时，游戏得分会被扣3分给予警告。
工作记忆与辨别任务：跑酷时，线路前方会随机出现多种预设物品中的一种，该物品是多种预设物品中随机产生的，用户需要在游戏期间迅速记住特定物品的目标提示，然后在多种不同的物品中，快速地进行辨别，通过外接方向盘上的按键执行跳跃的动作，避开目标提示的特定物体。
运动任务：跑酷时，线路前方会随机出现一些障碍物，用户需通过肢体运动，扭动方向盘避开障碍物，若撞上会被扣分。
本实施例会依据游戏得分的情况，自动调节游戏难度，包括障碍物出现的频率，目标出现的频率，目标出现的种类，人物奔跑的最高速度等。当用户游戏表现较好时，适当提高游戏难度，使用户觉得具有挑战性，保持对游戏的兴趣，当用户游戏表现较差时，适当减轻游戏难度，使用户更容易得分，增加用户的信心。
本实施例通过提取用户脑电信号数据，计算TBR评分分数，在用户进行游戏时，通过显示屏实时反馈给用户，作为神经反馈，给用户监督和激励，使得用户能够更好地完成在游戏中的任务。
Claims (10)
1.一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，其特征在于：
向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；
获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；
根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；
在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；
基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。
2.根据权利要求1所述的基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，其特征在于，所述根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数，包括：
基于用户的脑电数据计算相应的TBR值；
将TBR值与专注和不专注条件下的TBR阈值数据求得差值；
基于专注和不专注条件下的TBR差值建立特征向量；
将特征向量输入训练好的SVM模型判断用户是否专注；
判断为专注时，TBR评分分数加分，否则减分。
3.根据权利要求1所述的基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法，其特征在于：所述训练任务还包括工作记忆与辨别任务和/或运动任务。
4.一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练装置，其特征在于，包括：
展示模块，用于向用户展示一定难度等级的训练任务及实时的TBR评分分数，其中训练任务包含基于TBR评分分数进行控制的注意力任务；
脑电数据获取模块，用于获取用户应对训练任务及TBR评分分数时的脑电数据；
TBR评分模块，用于根据用户的脑电数据定时进行基于TBR值的TBR评分，得到TBR评分分数；
任务评分模块，用于在该次训练任务完成时，基于用户应对训练任务的任务表现进行任务评分，得到任务评分分数；
难度调节模块，基于任务评分分数和TBR评分分数增减下一次训练任务的难度等级。
5.根据权利要求4所述的基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练装置，其特征在于，所述TBR评分模块，包括，用于
基于用户的脑电数据计算相应的TBR值；
将TBR值与专注和不专注条件下的TBR阈值数据求得差值；
基于专注和不专注条件下的TBR差值建立特征向量；
将特征向量输入训练好的SVM模型判断用户是否专注；
判断为专注时，TBR评分分数加分，否则减分。
6.根据权利要求4所述的基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练系统，其特征在于：所述训练任务还包括工作记忆与辨别任务和/或运动任务。
7.一种存储介质，其上存储有可被处理器执行的计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现权利要求1～3任意一项所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
8.一种基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练系统，其特征在于，包括：
脑电信号采集模块，用于采集用户的脑电数据；
数据分析及反馈模块，与所述脑电信号采集模块相连，具有存储器、处理器和用于向用户展示训练任务及TBR评分分数的显示单元，存储器上存储有可被处理器执行的计算机程序，该计算机程序被执行时实现权利要求1～3任意一项所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的步骤。
9.根据权利要求8所述的基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练系统，其特征在于，还包括：
操作输入模块，用于采集用户应对训练任务的操作指令。
10.一种应用于权利要求1～3任意一项所述基于脑机接口的注意力缺陷多动障碍康复训练方法的训练任务，其特征在于，包括：
注意力任务：TBR评分分数越高，物体移动速度越快；
工作记忆与辨别任务：物体移动时，物体移动方向前方会随机出现多种物品中的一种，用户需避开特定物品；
运动任务：物体移动时，物体移动方向前方会随机出现障碍物，用户需在前方出现障碍物时，避开该障碍物。
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