CN115282430A - 一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统及训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统及训练方法，利用该系统训练实现用户空间注意力水平显著。该系统包括脑电设备、虚拟设备和VR手柄控制器；虚拟设备，用于显示三维虚拟环境，虚拟三维环境中包括多个相同的标识，该标识中的部分在第一设定时间内发生变化，并在第一设定时间结束后部分变化标识恢复；在第二设定时间内所有标识移动，且在第二设定时间内，基于脑电设备反馈的枕叶区a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；在第二设定时间结束后小球停止移动；脑电设备，用于采集用户枕叶区a波段功率并将反馈给虚拟设备；VR手柄，用于发射检测射线，选择虚拟设备所显示的标识。

Description

一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统及训练 方法
技术领域
本发明涉及一种用于空间注意力提升的神经反馈训练系统及训练方法，属于注意力训练技术领域。
背景技术
有一种基于EEG神经反馈注意力调节系统(公开号：CN111887845A)，包括 EEG信号采集模块、EEG信号处理模块和神经反馈控制模块。该现有技术采用非侵入式的EEG信号采集对人体无损伤且效果显著，克服了现有的药物治疗方法副作用大，以及行为、心理治疗方法疗效甚微等问题，同时EEG信号时间分辨率高，对实时性能的表现较好；通过采集被试EEG信号，从而使得对大脑活跃区域的定位结果更加准确；通过视屏显示和语音输出训练结果，被试更加直接明了的得到训练情况并有助于调整下次训练；EEG信号采集及处理过程具有省时简单、分析速度快、成本低、结果重现性好等特点。训练系统功能齐全简单，极大的提高了被试体验。
该系统基于普通的显示器，无法营造虚拟现实环境才有的空间感和沉浸感。在进行空间注意力训练时无法取得更好的结果。该系统没有根据用户当前的注意力水平对当前显示的内容进行动态的调节，而是通过输出任务绩效刺激用户，这在用户注意力状态不好时容易出现自暴自弃的效果，影响训练水平。该系统是非连续的段落式训练，无法提供连续的训练体验影响训练效果。
目前有一种基于虚拟现实和眼动追踪的认知评估与矫正训练系统(公开号：CN113192600A)，涉及疾病诊断、预警及治疗技术领域，具体方案为：包括眼动追踪模块、评估模块和训练模块，评估模块和训练模块分别与眼动追踪模块信号连接；眼动追踪模块包括VR设备，VR设备中通过VR眼镜获取患者眼部图像和屏幕上注视点的二维坐标，眼部图像包括瞳孔中心和角膜反射点；评估模块包括注意力评估模块、执行功能评估模块和工作记忆评估模块；训练模块包括注意力训练模块、执行功能训练模块和记忆力训练模块。结合虚拟现实技术和眼动追踪技术用于严肃游戏，能够集合认知功能和训练功能于一体，具有很好的现实意义。
该发明是基于眼动追踪的认知评估训练系统，也即通过追踪并分析眼动数据判定当前用户的认知水平。该系统的判定依据是屏幕上注视点的二维坐标，这在进行三维空间注意力训练时很容易产生误判。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种面向虚拟现实环境的基于神经反馈技术的空间注意力训练方法，通过训练实现用户空间注意力水平显著提升的同时学会更好的调控自身大脑活动。
一方面，本申请实施例一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，该系统包括脑电设备、虚拟设备和VR手柄控制器；
所述虚拟设备，用于显示三维虚拟环境，所述虚拟三维环境中包括多个相同的标识，该标识中的部分在第一设定时间内发生变化，并在第一设定时间结束后部分变化标识恢复；在第二设定时间内所有标识移动，且在第二设定时间内，基于脑电设备反馈的枕叶区a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；在第二设定时间结束后小球停止移动；
所述脑电设备，用于采集用户枕叶区a波段功率并将反馈给所述虚拟设备；
VR手柄，用于发射检测射线，选择虚拟设备所显示的标识。
进一步地，本发明当脑电设备反馈的a波段功率低于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变小，若此时透明度已达最低，则不调整；当脑电设备反馈的a波段功率高于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变大，若此时透明度已达最高，则不调整。
进一步地，本发明所述预先的设定的动态阈值为在先多次测试用户枕叶区a 波段功率的均值。
进一步地，本发明所述三维环境中，所述标识的移动为匀速运动，当所述标识碰到三维虚拟环境边界时，反弹并沿着新的线性轨迹继续运动。
进一步地，本发明所述标识为小球，所述该标识中的部分在第一设定时间内发生变化为：在第一设定时间内发生变化内，部分小球的颜色发生变化。
进一步地，本发明还包括机械臂，所述机械臂用于为所述虚拟设备提供支撑。
进一步地，本发明所述第一设定时间为1s，所述第二设定时间为6s；所述虚拟环境的中的小球为10个，发生颜色变化的小球为3个。
另一方面，本申请实施例一种用于空间注意力提升的神经反馈训练方法，具体过程为：
在三维虚拟环境显示多个相同的标识；
在第一设定时间内，多个相同的标识中的部分发生变化，在第一设定时间结束时，部分发生变化的标识恢复；
在第二设定时间内，多个相同的标识开始运动，同时当第二设定时间内，基于采集的用户枕叶区a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；
第二设定时间结束，多个相同的标识停止移动。
进一步地，本发明当采集的用户枕叶区a波段功率低于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变小，若此时透明度已达最低，则不调整，当采集的用户的a波段功率高于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变大，若此时透明度已达最高，则不调整。
进一步地，本发明所述预先的设定的动态阈值为在先多次测试用户枕叶区a 波段功率的均值。
有益效果：
第一，本发明利用虚拟现实技术的高沉浸感和高空间感为用户提供空间注意力训练环境，在训练中通过神经反馈技术，基于用户枕叶区α波段功率，来调整虚拟环境中标识，以达到提升空间注意力水平的目的。
第二、本发明在注意力训练时，一旦用户分心或注意力不集中，a波段功率会高于预先设定的动态阈值，此时令标识的透明度变大，需要用户耗费更多的注意力来跟踪目标，该系统能够显著提升空间注意力水平。
第三、本方明采用了动态阈值的神经反馈技术，即预先的设定的动态阈值为在先多次测试用户枕叶区a波段功率的均值，能够避免在训练中产生挫折、放弃等负面情绪。
第四、本方案采用单一电极POz处的脑电功率作为调控指标，同传统神经反馈训练相比，实施更加简便快速。
第五，该方法不仅能够短期提升空间注意力，多次训练后也能显著改善用户的空间注意力水平。该方案融合了认知神经科学与计算机科学的内容，为提升空间注意力水平提供了一种新的训练方法。
第六、本发明可以运用到儿童注意力缺陷治疗、空间认知能力增强等一系列医学或教育领域中，拥有广大的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本系统虚拟设备显示的训练环境的示意图；
图2为单次训练的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合；并且，基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
本申请实施例一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，该系统包括脑电设备、虚拟设备及VR手柄控制器；所述虚拟设备，用于显示三维虚拟环境，所述虚拟三维环境中包括多个相同的标识，该标识中的部分在第一设定时间内发生变化，并在第一设定时间结束后所有标识移动，在第二设定时间结束后所有标识停止移动；在第二设定时间内，基于脑电设备反馈的a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识的变化；所述脑电设备，用于采集用户的a波段功率并将反馈给所述虚拟设备；VR手柄控制器，用于发射检测射线，选择虚拟设备中的标识。
本实施例虚拟训练系统，利用虚拟现实技术的高沉浸感和高空间感为用户提供空间注意力训练环境，在训练中通过神经反馈技术抑制用户枕叶区α波段功率，以达到提升空间注意力水平的目的。该系统不仅能够短期提升空间注意力，多次训练后也能显著改善用户的空间注意力水平。在具体实施时，脑电设备可以采用Compumedics公司的NeuroScan系统，虚拟设备可以采用HTC VIVE PRO 2.0头戴式显示器，以提供3D虚拟视觉反馈。
本申请实施例一种用于空间注意力提升的神经反馈训练方法，如图2所示，具体过程为：
在三维虚拟环境显示多个相同的标识；在第一设定时间内，多个相同的标识中的部分发生变化，在第一设定时间结束时，部分发生变化的标识恢复；在第二设定时间内，多个相同的标识开始运动，同时当第二设定时间内，基于采集的用户的a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；在第二设定时间结束后，所有标识停止移动。
本实施例的训练任务使用了多目标跟踪范式。具体实施时，受试者穿戴并调试设备，开始试验阶段，虚拟三维环境会随机出现10个相同的小球。在接下来的1s时间内，3个目标球体变成红色，1s时间结束后3个目标球体变为原来的颜色，并开始无序匀速移动，用户需要跟踪刚才变成红色的3个目标球体。当球体匀速移动，碰到墙壁时会反弹并沿着新的线性轨迹继续移动。用户则需要在球体移动的6s内集中注意力跟踪目标球体。在小球停止移动后用交互手柄将跟踪的3个目标球体选择出来。交互手柄会发射检测射线，选中的小球会变紫色，最后正确的跟踪目标会再次显现。只有3个目标球体全部选中才会被认为成功。完整的任务分为5个阶段，每个阶段由上述30次相同实验阶段组成，持续时长约60分钟。
在具体实施时，脑电设备采用Compumedics公司的NeuroScan系统，虚拟设备使用HTC VIVE PRO 2.0头戴式显示器提供3D虚拟视觉反馈，并将VR头盔固定在机械臂上，以避免VR头盔压迫对脑电信号采集的影响。脑电设备由脑电帽和脑电放大器组成并在脑电帽电极上填充电解质凝胶降低阻抗。在脑电和虚拟设备放置好后，用户拿着一个VR手柄控制器坐在VR设备工作区内开始训练，如图1所示。
本申请又一实施例，所述当第二设定时间内，基于采集的用户的a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化的具体为：本发明当脑电设备反馈枕叶区a波段功率低于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变小，若此时透明度已达最低，则不调整，当脑电设备反馈枕叶区a波段功率高于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变大，若此时透明度已达最高，则不调整。
神经反馈是通过枕叶区脑电的α波段功率的变化以及虚拟现实环境中小球透明度的变化实现的。在小球移动的6s中，根据用户实时脑电信号提供视觉反馈，当用户集中注意力跟踪目标球体时(α功率低于动态阈值)，小球透明度变小，此时用户很容易分辨出小球，如果此时透明度已达最低则不调整。但是一旦被试分心或注意力不集中时(α功率能量高于动态阈值)，小球会逐渐变透明，即小球的透明度变高。面对变透明的小球，被试需要耗费更多的注意力资源跟踪目标球体，这时注意力集中程度提高小球透明度加深。
在具体实施时，通过Compumedics NeuroScan Curry 8软件与synps 2系统采集脑电数据。脑电帽中电极位置符合国际10-20标准，参考电极为CPz，采集电极位置为POz。采样频率为1kHz，电极阻抗降到10kkΩ以下，放大器中启用了0.5Hz和60Hz之间的在线带通滤波器和50Hz陷波滤波器，以滤除高频噪声、基线漂移和电源线干扰。对POz电极处脑电功率的计算采用matlab内置的短时傅里叶变换函数进行，每30ms计算一次。
本申请又一实施例，本训练系统动态阈值为计算自前5次实验阶段的平均功率。这种设定能够有效避免用户因为难以达到设定水平而出现的沮丧、放弃现象。
本申请实实施例基于虚拟现实技术营造高沉浸的三维空间环境，基于三维多目标跟踪范式对空间注意力进行训练，且利用当前POz处脑电功率同动态阈值的对比结果调控小球的透明度，利用该系统能够显著提升空间注意力水平。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，该系统包括脑电设备、虚拟设备和VR手柄控制器；
所述虚拟设备，用于显示三维虚拟环境，所述虚拟三维环境中包括多个相同的标识，该标识中的部分在第一设定时间内发生变化，并在第一设定时间结束后部分变化标识恢复；在第二设定时间内所有标识移动，且在第二设定时间内，基于脑电设备反馈的枕叶区a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；在第二设定时间结束后小球停止移动；
所述脑电设备，用于采集用户枕叶区a波段功率并将反馈给所述虚拟设备；
VR手柄，用于发射检测射线，选择虚拟设备所显示的标识。
2.根据权利要求1所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，当脑电设备反馈的枕叶区a波段功率低于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变小，若此时透明度已达最低，则不调整，当采集的用户的a波段功率高于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变大，若此时透明度已达最高，则不调整。
3.根据权利要求1或2所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，所述预先的设定的动态阈值为在先多次测试用户枕叶区a波段功率的均值。
4.根据权利要求1或2所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，所述三维环境中，所述标识的移动为匀速运动，当所述标识碰到三维虚拟环境边界时，反弹并沿着新的线性轨迹继续运动。
5.根据权利要求1或2所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，所述标识为小球，所述该标识中的部分在第一设定时间内发生变化为：在第一设定时间内发生变化内，部分小球的颜色发生变化。
6.根据权利要求1所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，还包括机械臂，所述机械臂用于为所述虚拟设备提供支撑。
7.根据权利要求5所述用于空间注意力能力提升的神经反馈训练系统，其特征在于，所述第一设定时间为1s，所述第二设定时间为6s；所述虚拟环境的中的小球为10个，发生颜色变化的小球为3个。
8.一种用于空间注意力提升的神经反馈训练方法，其特征在于，具体过程为：
在三维虚拟环境显示多个相同的标识；
在第一设定时间内，多个相同的标识中的部分发生变化，在第一设定时间结束时，部分发生变化的标识恢复；
在第二设定时间内，多个相同的标识开始运动，同时当第二设定时间内，基于采集的用户枕叶区a波段功率与预先设定的动态阈值的比较结果，控制标识发生变化；
第二设定时间结束，多个相同的标识停止移动。
9.根据权利要求8所述用于空间注意力提升的神经反馈训练方法，其特征在于，当采集的用户枕叶区a波段功率低于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变小，若此时透明度已达最低，则不调整，当采集的用户的a波段功率高于预先设定的动态阈值时，所述控制标识变化为：透明度变大，若此时透明度已达最高，则不调整。
10.根据权利要求8或9用于空间注意力提升的神经反馈训练方法，其特征在于，所述预先的设定的动态阈值为在先多次测试用户枕叶区a波段功率的均值。
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