CN113520396B - 基于脑电溯源成像的视觉持续注意力训练与测试系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于脑电溯源成像的视觉持续注意力训练与测试系统，包括视觉持续注意力训练装置和视觉持续注意力测试装置，所述视觉持续注意力训练装置包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围。该装置可以提高训练者的视觉持续注意力且能量化训练效果。

Description

基于脑电溯源成像的视觉持续注意力训练与测试系统
本申请是中国专利申请号为ZL 202011048202.5、发明名称为“视觉持续注意力训练装置、训练与测试系统及其方法”的专利的分案申请，其全文引用于此。
技术领域
本发明属于视觉持续注意力训练领域，具体涉及一种视觉持续注意力训练装置、训练与测试系统及其方法。
背景技术
视觉持续注意力对于高阶认知和现实世界活动至关重要。如今，年轻人的生活充满了媒介多任务处理，比如使用手机、电脑等。研究表明，过度的媒介多任务处理会在一定程度上影响人的视觉持续注意功能，例如导致注意控制能力下降、容易分心、经常走神、自我满足感差以及学习成绩差。面对媒介多任务处理和众多注意力挑战，有研究表明高达43％的年轻人倾向于使用处方兴奋剂来改善视觉持续注意力，提高学业表现。但是，滥用药物会导致并发症(如抑郁)甚至威胁生命的后果。此外，未发现滥用处方兴奋剂能真正增强视觉持续注意力。因此，需要无创安全的新方法来提高年轻人的视觉持续注意力。
特殊人群(比如空中管制员等)的工作依赖于良好的视觉持续注意力，对此，也急需专门针对视觉持续注意力训练和/或测试的系统。
目前，尽管已经开发了冥想以及基于计算机的游戏来进行注意力训练，但是这些方法存在不足，它们可能会导致精神疲惫和视觉疲劳，或者需要经过培训的专家数月面对面的教学，同时，这些方法都没有针对性地对视觉持续注意力进行相关研究，而视觉通常用于接收百分之八十以上的信息量，这使得视觉持续注意力的研究更为迫切且意义重大。此外，目前的这些注意力训练通常没有提供反馈，而且训练效果没有得到量化。
因此，有必要研究一种视觉持续注意力训练装置、训练与测试系统及其方法来解决上述的一个或多个技术问题。
发明内容
为解决上述至少一个技术问题，申请人经过长期研究发现，感觉运动系统具有神经可塑性，触觉训练可以跨通道迁移改善年轻人的视觉持续注意力，前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量可以用于表征测试者的视觉持续注意力。与目前的触觉训练都专注于触觉注意力本身不同，本申请的研究成果突破了该思维惯式，取得了意想不到的成果。
基于以上研究发现，根据本发明一方面，提供了一种视觉持续注意力训练装置，其特征在于包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围，计算机用于根据压力传感器检测的手指按压的压力值是否处于或大于所述预定范围来分别控制颈部振动器或手指振动器振动。
根据本发明又一方面，还提供了一种视觉持续注意力训练与测试系统，其特征在于包括：
视觉持续注意力训练装置，包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围，计算机用于根据压力传感器检测的手指按压的压力值是否处于或大于所述预定范围来分别控制颈部振动器或手指振动器振动；以及
视觉持续注意力测试装置，包括数学运算任务测试单元、持续注意力反应测试单元、脑电信号采集单元以及分析单元，所述数学运算任务测试单元和持续注意力反应测试单元用于测试视觉持续注意力，所述脑电信号采集单元用于采集测试者在视觉持续注意力测试期间的脑电数据，所述分析单元根据脑电数据获取前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量，该大脑激活量用于表征测试者的视觉持续注意力。
根据本发明又一方面，所述脑电信号采集单元为高密度脑电信号采集单元。
根据本发明又一方面，所述颈部振动器或手指振动器用于在振动过程中对训练者施加和输入触觉信号。
根据本发明又一方面，所述视觉持续注意力训练装置通过闭环的触觉训练来跨通道迁移训练视觉持续注意力。
根据本发明又一方面，所述持续注意力反应测试单元包括目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块以及探针问题测试模块。
根据本发明又一方面，目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者仅在看见目标数字时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；非目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者在看见目标数字以外的非目标数字时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；探针问题测试模块用于测试过程中实时调查测试者是否心智游移。
根据本发明又一方面，所述数学运算任务测试单元用于确定测试者的总体准确率和计算效率，所述目标刺激测试模块用于获得目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述非目标刺激测试模块用于获得非目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述探针问题测试模块用于获得无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率、以及不知道自己心智游移的比率。
根据本发明又一方面，所述视觉持续注意力测试装置根据所述大脑激活量确定测试者的第一视觉持续注意力值。
根据本发明又一方面，第一视觉持续注意力值Z1＝aX1+bY1，X1为前额叶区域的大脑激活量，Y1为感觉运动皮层的大脑激活量，a和b为对应的系数。
根据本发明又一方面，所述视觉持续注意力测试装置进一步根据所述总体准确率和计算效率、遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数、以及无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率和不知道自己心智游移的比率确定测试者的第二视觉持续注意力值；优选地，所述视觉持续注意力测试装置根据第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值确定测试者的视觉持续注意力值。
根据本发明又一方面，第二视觉持续注意力值Z2＝a1Y2+b1M2+c1F2+d1T2，其中Y2为运算任务测试分值，M2为目标刺激测试分值，F2为非目标测试分值，T2为探针问题测试分值，a1、b1、c1、d1为对应的系数。
根据本发明又一方面，还提供了一种视觉持续注意力训练与测试方法，其特征在于采用前述的视觉持续注意力训练与测试系统进行视觉持续注意力训练与测试。
本发明可以获得以下一个或多个技术效果：
1.相比于其它现有训练系统，该系统(装置)可通过闭环的触觉训练来跨通道迁移训练视觉持续注意力，从而提高训练者的视觉持续注意力，不会出现精神疲惫和视觉疲劳，也不会产生药物副作用；
2.通过前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量即生物标志物来表征视觉持续注意力，这使得测试结果更为客观，而不会受到测试者的主观因素的影响；
3.通过第一和第二视觉持续注意力值(即两个值)确定测试者的视觉持续注意力值，可以得到更加准确的测试结果，以弥补单一值的局限；也可以避免单个值异常时无法获得测试结果的问题。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为根据本发明一种优选实施例的利用视觉持续注意力训练与测试系统中的目标刺激测试模块进行目标刺激测试的示意图。
图2为根据本发明又一种优选实施例的训练前后利用数学运算任务测试单元、目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块进行测试的结果示意图。
图3为根据本发明又一种优选实施例的训练前后的ERP信号示意图。
图4为根据本发明又一种优选实施例的训练前后的大脑激活(感觉运动皮层)的变化示意图。
图5为根据本发明又一种优选实施例的训练前后的大脑激活(前额叶区域)的变化示意图。
具体实施方式
下面结合附图，通过优选实施例来描述本发明的最佳实施方式，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
申请人经过长期研究发现，感觉运动系统具有神经可塑性，触觉训练可以跨通道迁移改善年轻人的视觉持续注意力，前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量可以用于表征测试者的视觉持续注意力。
根据本发明一种优选实施方式，基于上述研究发现，提供了一种视觉持续注意力训练装置，其特征在于包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围，计算机用于根据压力传感器检测的手指按压的压力值是否处于或大于所述预定范围来分别控制颈部振动器或手指振动器振动。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种视觉持续注意力训练与测试系统，其包括视觉持续注意力训练装置和视觉持续注意力测试装置。
优选地，视觉持续注意力训练装置，包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围，计算机用于根据压力传感器检测的手指按压的压力值是否处于或大于所述预定范围来分别控制颈部振动器或手指振动器振动。
优选地，视觉持续注意力测试装置包括数学运算任务测试单元、持续注意力反应测试单元、脑电信号采集单元以及分析单元，所述数学运算任务测试单元和持续注意力反应测试单元用于测试视觉持续注意力，所述脑电信号采集单元用于采集测试者在视觉持续注意力测试期间的脑电数据，所述分析单元根据脑电数据获取前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量，该大脑激活量用于表征测试者的视觉持续注意力。
优选地，所述脑电信号采集单元为高密度脑电信号采集单元。高密度脑电信号采集单元是指128导联及以上的脑电信号采集单元。
有利地，本发明的训练装置无创安全且方便价廉，有效利用了触觉通道既可以进行感觉运动输入又可以进行感觉运动输出的特点，让训练者按压传感器按钮进行训练的同时提供实时的触觉反馈，形成闭环的训练系统，可更好地用来提高被试的视觉持续注意力。优选地，仅通过触觉的闭环训练，而屏蔽其它感官例如听觉视觉等，能够更有效地提高训练效果。与不屏蔽听觉和/或视觉进行训练相比，本发明能够提升30％以上的训练效果。
优选地，如图4-5所示，本发明的测试装置，可实现前额叶区域的激活量范围达到3300-3900pA.m，感觉运动区达到2500-4000pA.m。与其它较小的检出范围相比，大的激活量检出范围更有利于量化视觉持续注意力。
根据本发明又一优选实施方式，所述颈部振动器或手指振动器用于在振动过程中对训练者施加和输入触觉信号。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力训练装置通过闭环的触觉训练来跨通道迁移训练视觉持续注意力。
根据本发明又一优选实施方式，所述持续注意力反应测试单元包括目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块以及探针问题测试模块。
根据本发明又一优选实施方式，目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者仅在看见目标数字3时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；非目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者在看见目标数字3以外的非目标数字时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；探针问题测试模块用于测试过程中实时调查测试者是否心智游移。
有利地，非目标刺激测试模块与目标刺激测试模块的结合可以提供更全面的测试结果。进一步，探针问题测试模块在进行目标刺激测试和非目标刺激测试期间实时进行，可以进一步提高测试结果的准确性。
根据本发明又一优选实施方式，所述数学运算任务测试单元用于确定测试者的总体准确率和计算效率，所述目标刺激测试模块用于获得目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述非目标刺激测试模块用于获得非目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述探针问题测试模块用于获得无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率、以及不知道自己心智游移的比率。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力测试装置根据所述大脑激活量确定测试者的第一视觉持续注意力值。优选地，第一视觉持续注意力值Z1＝aX1+bY1，X1为前额叶区域的大脑激活量，Y1为感觉运动皮层的大脑激活量，a和b为对应的系数。该系数的最优值可以通过经验来确定。例如，可将第一视觉持续注意力值作为测试结果。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力测试装置进一步根据所述总体准确率和计算效率、遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数、以及无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率和不知道自己心智游移的比率确定测试者的第二视觉持续注意力值。例如，可将第一视觉持续注意力值作为测试结果。
优选地，第二视觉持续注意力值Z2＝a1Y2+b1M2+c1F2+d1T2，其中Y2为运算任务测试分值，M2为目标刺激测试分值，F2为非目标测试分值，T2为探针问题测试分值，a1、b1、c1、d1为对应的系数。这些系数的最优值可以通过经验来确定。可以理解的是，运算任务测试分值根据所述总体准确率和计算效率来确定。目标刺激测试分值以及非目标测试分值根据对应的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数确定。探针问题测试分值根据无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率、以及不知道自己心智游移的比率确定。
优选地，所述视觉持续注意力测试装置根据第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值确定测试者的视觉持续注意力值。例如，可以对第一和第二视觉持续注意力值取均值作为测试结果。当例如持续注意力反应测试中按键故障、数学运算任务测试中总时间等参数失真的情形下，可能会引起第二视觉持续注意力值异常(比如明显偏离第一视觉持续注意力值)，此时则可以排出异常值，并将第一视觉持续注意力值作为测试结果。同时，可以提示可能存在按键故障等等。此外，例如当脑电采集单元采集的信号明显异常时，则将第二视觉持续注意力值作为测试结果。可见，本发明能够为测试者更稳定地提供测试结果。第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值可以采用10分制或100分制等等。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种视觉持续注意力训练与测试方法，其特征在于采用前述的视觉持续注意力训练与测试系统进行视觉持续注意力训练与测试。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种视觉持续注意力测试装置，其特征在于包括数学运算任务测试单元、持续注意力反应测试单元、脑电信号采集单元以及分析单元，所述数学运算任务测试单元和持续注意力反应测试单元用于测试视觉持续注意力，所述脑电信号采集单元用于采集测试者在视觉持续注意力测试期间的脑电数据，所述分析单元根据脑电数据获取前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量，该大脑激活量用于表征测试者的视觉持续注意力。
根据本发明又一优选实施方式，所述持续注意力反应测试单元包括目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块以及探针问题测试模块。
根据本发明又一优选实施方式，目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者仅在看见目标数字3时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；非目标刺激测试模块用于在计算机屏幕上随机显示数字1到9时，在要求测试者在看见目标数字3以外的非目标数字时才按键的情形下，采集测试者的按键数据；探针问题测试模块用于测试过程中实时调查测试者是否心智游移。
根据本发明又一优选实施方式，所述数学运算任务测试单元用于确定测试者的总体准确率和计算效率，所述目标刺激测试模块用于获得目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述非目标刺激测试模块用于获得非目标刺激测试中的遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数，所述探针问题测试模块用于获得无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率、以及不知道自己心智游移的比率。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力测试装置根据所述大脑激活量确定测试者的第一视觉持续注意力值。第一视觉持续注意力值Z1＝aX1+bY1，X1为前额叶区域的大脑激活量，Y1为感觉运动皮层的大脑激活量，a和b为对应的系数。例如，可将第一视觉持续注意力值作为测试结果。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力测试装置进一步根据所述总体准确率和计算效率、遗漏错误率、执行错误率和反应时间变异性系数、以及无心智游移的比率、知道自己心智游移的比率和不知道自己心智游移的比率确定测试者的第二视觉持续注意力值。例如，可将第一视觉持续注意力值作为测试结果。
优选地，所述视觉持续注意力测试装置根据第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值确定测试者的视觉持续注意力值。例如，可以对第一和第二视觉持续注意力值取均值作为测试结果。当例如持续注意力反应测试中按键故障、数学运算任务测试中总时间等参数失真的情形下，可能会引起第二视觉持续注意力值异常(比如明显偏离第一视觉持续注意力值)，此时则可以排出异常值，并将第一视觉持续注意力值作为测试结果。同时，可以提示可能存在按键故障等等。此外，例如当脑电采集单元采集的信号明显异常时，则将第二视觉持续注意力值作为测试结果。可见，本发明能够为测试者更稳定地提供测试结果。具体地，可以根据经验对各个参数设置相应的权重，进而获得第二视觉持续注意力值。
根据本发明又一优选实施方式，所述视觉持续注意力测试装置通过所述分析单元确定所述第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值。
根据本发明又一优选实施方式，为第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值设置不同的权重，并根据所述权重确定测试者的视觉持续注意力值。有利地，第一视觉持续注意力值的权重为0.8-0.9，第二视觉持续注意力值的权重为0.1-0.2。这样的设置可以进一步提高测试结果的准确性。
根据本发明又一优选实施方式，第二视觉持续注意力值明显偏离第一视觉持续注意力值时，将第一视觉持续注意力值作为测试结果。
根据本发明又一优选实施方式，所述第一视觉持续注意力值的权重大于第二视觉持续注意力值的权重。
根据本发明又一优选实施方式，还提供了一种视觉持续注意力测试方法，其特征在于采用前述的视觉持续注意力测试装置进行视觉持续注意力测试，该方法包括以下步骤：
利用目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块以及探针问题测试模块进行目标刺激测试、非目标刺激测试和探针问题测试，其中，探针问题测试随机穿插于目标刺激测试以及非目标刺激测试的过程中；
在测试过程中脑电信号采集单元实时采集测试者的脑电信号；
分析单元根据目标刺激测试、非目标刺激测试和探针问题测试确定第一视觉持续注意力值，根据所述脑电信号确定前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量和第二视觉持续注意力值，且根据第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值确定测试者的视觉持续注意力值。
本发明可以获得以下一个或多个技术效果：
1.相比于其它现有训练系统，该系统(装置)可通过闭环的触觉训练来跨通道迁移训练视觉持续注意力，从而提高训练者的视觉持续注意力，不会出现精神疲惫和视觉疲劳，也不会产生药物副作用；
2.通过前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量即生物标志物来表征视觉持续注意力，这使得测试结果更为客观，而不会受到测试者的主观因素的影响；
3.通过第一和第二视觉持续注意力值(即两个值)确定测试者的视觉持续注意力值，可以得到更加准确的测试结果，以弥补单一值的局限；也可以避免单个值异常时无法获得测试结果的问题。
实施例2
在实施例1的基础上，本实施例旨在进一步验证相关研究成果。
根据本发明一种优选实施方式，提供了一种视觉持续注意力训练方法，该方法基于纯粹的触觉刺激和触觉反馈，可用于提高年轻人的视觉持续注意力。同时本发明综合应用行为学和电生理(128导联脑电)技术，量化视觉持续注意力训练效果。首先，在训练前(第一天)设计持续注意力反应测试(SART))和数学运算任务来测试被试的视觉持续注意力水平；其次，应用注意力训练装置(系统)对被试(测试者)进行为期5天(第二天到第六天)的注意力训练；然后，在训练后(第七天)对被试进行视觉持续注意力测试，测试任务与第一天基本相同，分别为持续注意力反应测试和数学运算任务，其中仅数学运算任务所用的表格数字顺序略有改动；最后，对采集到的行为学数据(例如反应时，错误率)和脑电数据进行分析，包括滤波、去噪等预处理，事件相关电位(ERPs)波形的提取，脑电的溯源成像(包括正问题和逆问题的求解)等操作，寻找表征持续注意力变化的生物标志物。
优选地，进行注意力训练实验设计。整个实验持续了7天，包括1)训练前：进行数学运算任务(Math)和持续注意力反应任务(SART)测试，同时记录脑电(EEG)信号；2)触觉训练；以及3)训练后：采用Math和SART对被试持续注意力进行测试，同时记录EEG信号。在第2天到第6天，实验组的参与者在触觉训练过程中佩戴耳塞和眼罩。在第1天和第7天，实验组的参与者通过脑电图记录执行了Math和SART任务时的EEG信号。对照组的参与者仅在第1天和第7天进行了数学运算任务测试和EEG记录。
优选地，持续注意力反应测试(SART)包括：(a)SART范式。对于实时探针(probe)，随机提出了三个问题之一，并等待测试者回答。
(b)SART块(即目标刺激测试模块)中的目标(数字3)刺激。参见图1，其示出了目标刺激测试的示意图，对于目标刺激(例如数字3)，要求测试者通过按键做出响应，而忽略所有其他数字。(c)Control块(即非目标刺激测试模块)中的非目标(数字3)刺激，要求参与者通过按键响应除数字3之外的所有数字(1-2、4-9)。
通过上述实验，图2示出了训练前后利用数学运算任务测试单元、目标刺激测试模块、非目标刺激测试模块进行测试的结果。具体地，图2中，(a)和(b)显示了触觉训练后Math任务表现的提高，具体包括受训者(训练者)总体准确率(ACC)和计算效率的提高，(b)中的计算效率使用RT/ACC,即反应时除以正确率，因此值越小表示计算效率越高。实验组和对照组在训练后差异显著；(c)和(d)训练后SART任务表现提高，具体包括受训者在SART块和Control块中遗漏错误率降低。而对照组在训练前后无显著变化。*P<0.05,**P<0.01,n.s.表示无显著区别。这表明通过本发明的视觉持续注意力测试装置的训练，可以显著提高训练者的视觉持续注意力。
进一步，图3示出了训练前后的ERP信号示意图。具体地，基于触觉通道的训练后，Pz通道的ERP(事件相关电位通道信号)变化如图3中的(a)所示。(a)显示在目标和非目标刺激测试条件下ERP波形均显示N200和P300成分。时间以毫秒为单位，幅度以μV为单位；(b)显示训练后目标刺激的P300振幅变化。在进行训练后，P300振幅显著增加。P300的时间窗为280-448毫秒。*P<0.05,**P<0.01,n.s.表示无显著区别。
进一步，图4示出了训练前后的大脑激活(感觉运动皮层)的变化示意图；图5示出了训练前后的大脑激活(前额叶区域)的变化示意图。具体地，图4-5表明，触觉训练在P300时间窗(280-448毫秒)内显著增加了前额叶和感觉运动皮层的大脑激活。激活程度以pA.m为单位，范围为0到4000。
优选地，以下通过视觉持续注意力测试任务的设计、基于触觉通道的视觉持续注意力训练装置、训练效果量化装置三个模块来进一步说明实验细节，但本发明并不限于此。
视觉持续注意力测试任务的设计
整个实验持续了7天，包括1)训练前：进行数学运算任务(Math)和持续注意力反应任务(SART)的测试，同时记录脑电(EEG)信号；2)触觉训练；以及3)训练后：采用Math和SART对被试持续注意力进行测试，同时记录EEG信号。
对于视觉持续注意力的测试，设计了数学运算任务(Math)和持续注意力反应测试(SART)任务。该任务具体为：将实验说明和16行阿拉伯数字打印在一张A4纸上，每行有52个数字，范围是从0到9。这些数字以不同的权重随机分布，例如，0出现的次数少于其他数字。在训练前和训练后阶段执行了两个不同的数学运算任务。更具体地说，在每一行中，列出的数字和数字顺序完全不同，但是所有数字出现的次数，以及相邻和为10的数字对在前后测阶段是一样的。实验中，被试坐在舒适的椅子上，并有充足的照明和良好的书写条件(即在A4纸下垫上书写板)。在运算任务期间，要求被试识别和标记所有两个相邻和等于10的数字。在整个任务中，要求被试尽可能快且准确地逐行完成。此外，不允许被试回头检查和修改。总时间由秒表记录。
为衡量数学运算任务的行为学表现，计算了以下指标。1)总体正确率(ACC)；2)总体反应时(RT)；3)计算效率，为被试完成每一个正确数字对所用的时间。其计算公式如下所示：
Figure BDA0003199618460000131
Figure BDA0003199618460000132
其中，x为被试找对的所有和为10的数字对的数量，N为数学运算任务中所有和为10的数字对的数量，RT为总体反应时，即被试完成任务所需的时间，单位为毫秒(ms)。
持续注意力反应测试(SART)是一种“是/不是”的任务。在当前的研究中，将SART设置两个子任务，由一个目标刺激测试模块(SART块)和一个非目标刺激测试模块(控制块)组成。这两个模块都包括310个正式实验试次和30个练习试次。数字1到9在黑色的计算机屏幕上以白色形式随机显示。在SART块中，数字3是不频繁出现的目标刺激，其他数字(1-2、4-9)是频繁出现的非目标。要求被试看见数字3快速按键，而看见所有其他数字就忽略。相反，在控制块中，数字3是频繁出现的非目标刺激。要求被试通过对除数字3之外的所有数字(1-2、4-9)作出按键响应。在每个试次中，数字以随机顺序居中显示在计算机屏幕的中央。每个数字显示250毫秒(ms)，然后显示900毫秒的持续时间掩码，该掩码由中间出现的十字(“+”)组成。数字以预定且准随机的方式显示，因此相同的数字不会聚类。15个实时探针问题随机显示在屏幕上。这些探针问题有三种，用来调查被试是否心智游移(俗称走神)：“您刚才心智游移了吗？如果您心智游移了，请按1”；“如果您知道自己刚才心智游移了，请按2”；“如果您刚才心智游移了但是您没觉察到，请按3”。在整个任务中，参与者都坐在舒适的椅子上，并被指示要尽可能快而准确地做出响应。
为了衡量SART的行为学表现，计算出以下指标：1)遗漏错误率，是指被试对“是”试次(目标刺激)本应该进行按键反应但是没有反应的错误比率；2)执行错误率；指被试对“不是”试次(非目标刺激)本不该进行按键反应但是做出反应的错误比率；3)反应时间变异性系数(RTCV)，是通过将每个探针之前的八个试次的标准差除以其平均值而得出的；4)对探究性问题的回答，包括无心智游移的比率(Q1)，知道自己心智游移的比率(Q2)和不知道自己心智游移的比率(Q3)。其计算公式如下所示：
Figure BDA0003199618460000141
Figure BDA0003199618460000142
Figure BDA0003199618460000143
Figure BDA0003199618460000144
Figure BDA0003199618460000145
Figure BDA0003199618460000146
其中，xomiss表示被试对“是”试次(目标刺激)本应该进行按键反应但是没有反应的错误数，Nomiss表示“是”试次(目标刺激)的总数，xcommiss表示被试对“不是”试次(非目标刺激)本不该进行按键反应但是做出反应的错误数，Ncommiss表示“不是”试次(非目标刺激)总数，σ是每个探针之前的八个试次的反应时标准差，mean RT是每个探针之前的八个试次的平均反应时，xnoMW是被试按键为1(即回答“没有心智游移”)的个数，xMW1是被试按键为2(即回答“知道自己心智游移”)的个数，xMW2是被试按键为3(即回答“不知道自己心智游移”)的个数，Nprobe是探针问题的总个数，取值是15。
基于触觉通道的视觉持续注意力训练装置
本发明中视觉持续注意力训练装置是一种闭环自适应指尖操纵装置。实验设备包括六轴力传感器系统(ATI工业自动化公司，ATI Nano17，阿佩克斯，北卡罗来纳州)，一对头戴式耳罩，眼罩，触觉器和计算机。参加者戴上眼罩和耳罩以阻止听觉和视觉干扰。所有刺激，包括反馈，都是触觉刺激。在触觉训练中，被试按压力传感器按钮，并用双手的食指或中指将力保持在约1.5牛顿。如果产生的力的大小在所需范围内，则颈部振动器将振动以提示成功。如果作用力太大，位于相应手指上的振动器将开始振动，以指示减小作用力。如果力太小，则没有反馈。被试需要判断哪个手指的力较小，并据此进行调整。触觉训练包括4个模块(总共80个试验)，每天的实验持续约40分钟，包括设置和练习时间。每天的实际训练时间约为32分钟，而总的实际训练时间约为160分钟。
训练效果量化装置
研究表明，高密度脑电(EEG)采集能够有效地对前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量进行检出，近红外光学图像技术则难以检出。故利用高密度脑电(EEG)采集与溯源成像等EEG分析技术，提取了相关的生物标志物，来量化基于触觉通道的注意力训练效果。训练效果量化装置包括脑电数据预处理模块、ERP波形分析模块、EEG溯源成像模块和统计分析模块。
(1)脑电数据采集和预处理模块
使用128导联HydroCel传感器阵列电极帽和GES 300放大器记录了脑电图。电极Cz用作参考。以250Hz采样率记录数据。根据心理生理研究学会提出的现行指南，电极阻抗保持在50kΩ以下。
脑电数据的预处理过程如下。首先使用0.5赫兹(Hz)高通有限脉冲响应(FIR)滤波器和100Hz低通FIR滤波器对连续的EEG数据进行滤波。其次，根据目标刺激测试和非目标刺激测试两个条件对连续的EEG数据进行了分段。对于数据分段，使用数字刺激呈现的那一刻作为起点，将连续EEG数据分割为相对于起点前-1000到后1000ms的段(epoch)。再次，我们使用50Hz陷波滤波器消除工频干扰。最后，独立成分分析用于识别和去除反映残留肌肉活动，眼睛运动，眨眼相关活动和其他伪影的成分。
(2)ERP波形分析模块
在完成伪迹去除后，在每种条件下(是/不是)，将所有被试所有实验试次在Pz通道的epoch进行平均，并画出波形图(如图3中的(a)所示)。通过提取每个被试在280到448ms的时间窗(对应P300)和100到280ms的时间窗(对应N200)中平均epoch的最大幅值，来计算P300和N200的幅值。通过提取P300和N200时间窗内平均epoch中最大幅值相对应的时间点，计算出每个被试的P300和N200的潜伏期。
(3)EEG溯源成像模块
源成像技术已将脑电图从一维感测或二维映射转变为三维成像，以映射动态分布的大脑活动(主要来自皮层)，具有更高的时间(1毫秒)和更高的空间分辨率(5-10毫米)。密集阵列EEG的存在可以感知头皮上电活动的时空分布。EEG溯源成像的分析步骤如下。首先使用OpenMEEG BEM建立了一个正向模型，然后计算了噪声协方差矩阵。接下来，使用标准化的低分辨率脑电磁层析成像(sLORETA)算法来解决反问题。最后，将大脑激活的结果可视化。
(4)统计分析模块
为了测试前(第一天)和测试后(第七天)被试在不同阶段之间的行为学表现差异(例如遗漏错误)，我们使用了配对t检验。协方差分析(ANCOVA)模型用于测试训练后行为学和ERPs数据的在实验组和对照组之间的组间差异。计算时将训练后的行为学和ERPs数据(例如，训练前数学运算任务的计算效率)作为因变量，将测试前行为学和ERPs数据(例如，测试后数学运算任务的计算效率)作为协变量，将组别(实验组与对照组)作为自变量。
关于EEG溯源成像数据的统计分析，使用置换t检验来检验不同大脑区域的激活差异。Desikan-Killiany图谱将整个大脑表面划分为68个大脑区域。当检查通过脑电图源成像测量的大脑激活差异时，使用了插入到Brainstorm中的错误发现率(FDR)校正模型来调整所有合并的P值，以控制不同大脑区域的多重比较。所有t检验均为双边检验，α＝0.05。还计算了Cohen’s d以估计效应量的大小。如果将Cohen’s d＝0.2的值视为较小的效应量，则0.5表示中等效应量，而0.8表示较大的效应量。
行为学的结果如图2所示，ERP分析的结果如图3所示，大脑激活的激活如图4-5所示。除了行为学指标(如遗漏率、计算效率)外，Pz通道的P300成分的更大振幅以及大脑前额叶和感觉运动区更强的激活能够作为生物标志物，表征视觉持续注意力。
有利地，本发明应用了行为学和高密度脑电技术，采用EEG溯源分析等方法，从行为-脑多层面研究持续注意力的训练效果，并且找到了表征视觉持续注意力提高的客观生物标志物，能够很好地量化视觉持续注意力和训练效果。
优选地，本发明的视觉持续注意力训练装置不仅可以用于年轻人的视觉持续注意力训练，而且可以用于患有注意力缺陷(比如ADHD)的病人和特殊人群(比如空中管制员)的视觉持续注意力训练。
本发明可以获得以下一个或多个技术效果：
1.相比于其它现有训练系统，该系统(装置)可通过闭环的触觉训练来跨通道迁移训练视觉持续注意力，从而提高训练者的视觉持续注意力，不会出现精神疲惫和视觉疲劳，也不会产生药物副作用；
2.通过前额叶和/或感觉运动皮层的大脑激活量即生物标志物来表征视觉持续注意力，这使得测试结果更为客观，而不会受到测试者的主观因素的影响；
3.通过第一和第二视觉持续注意力值(即两个值)确定测试者的视觉持续注意力值，可以得到更加准确的测试结果，以弥补单一值的局限；也可以避免单个值异常时无法获得测试结果的问题。
可以理解的是，上述各个实施例之间可以相互组合，以产生又一实施例。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种基于脑电溯源成像的视觉持续注意力训练与测试系统，其特征在于包括：
视觉持续注意力训练装置，包括耳罩、眼罩、触觉器、压力传感器、手指振动器、颈部振动器以及计算机，训练者戴上眼罩和耳罩，重复用双手的食指和/或中指持续按压触觉器预定时间，并将力保持为预定范围，计算机用于根据压力传感器检测的手指按压的压力值是否处于或大于所述预定范围来分别控制颈部振动器或手指振动器振动；以及
视觉持续注意力测试装置，包括数学运算任务测试单元、持续注意力反应测试单元、高密度脑电信号采集单元以及分析单元，所述数学运算任务测试单元和持续注意力反应测试单元用于测试视觉持续注意力，所述高密度脑电信号采集单元用于采集测试者在视觉持续注意力测试期间的脑电数据，所述分析单元根据脑电数据进行溯源成像获取前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量，测试者的视觉持续注意力通过该前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量表征；
其中，第一视觉持续注意力值Z1=aX1+bY1，X1为前额叶区域的大脑激活量，Y1为感觉运动皮层的大脑激活量，a和b为对应的系数。
2.根据权利要求1所述的视觉持续注意力训练与测试系统，其特征在于所述视觉持续注意力测试装置根据所述前额叶和感觉运动皮层的大脑激活量确定测试者的第一视觉持续注意力值；所述数学运算任务测试单元和持续注意力反应测试单元用于测试第二视觉持续注意力，所述视觉持续注意力测试装置根据第一视觉持续注意力值和第二视觉持续注意力值确定测试者的视觉持续注意力值。
3.一种视觉持续注意力训练与测试方法，其特征在于采用权利要求1-2任一项所述的系统进行视觉持续注意力训练与测试。
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