CN1231176C - 测定个人专注程度的方法 - Google Patents

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Abstract

一种检测个人的注意力集中程度用的方法，它包括下述步骤：从至少一个与个人的额叶保持电连接关系的第一传感器(24)获取有代表性的额叶脑电波信号；从至少一个与较为电中性的位置保持电连接关系的第二传感器(22)获取有代表性的参考信号；从上述有代表性的额叶脑电波信号中减去上述有代表性的参考信号以产生一差值额叶脑电波信号，并对此差值额叶脑电波信号进行处理，以便产生表示个人注意力集中程度的注意力指标信号，其中该注意力指标信号与差值额叶脑电波信号的振幅量度的任何数学变算成反比；将此注意力指标信号输入一装置；以及按照要求重复这些步骤。上述数学变换可能涉及其振幅、功率或任何方面的线性的、对数的或指数的变换。

Description

测定个人专注程度的方法
技术领域
本发明领域涉及一些测定个人的注意力集中，专心和/或感兴趣程度的方法，这种测定是通过对至少一种从个人躯体，例如从个人的头，而且一般是从大脑的额叶发出的信号的测量来实现的。更具体地说，本发明涉及一种通过对至少一种从个人躯体发出的信号的测量来测定个人注意力集中程度的方法，其间，还将对这种从躯体发出的信号进行处理并作为一种注意力指标(attention indicator)整合进一计算机程序，如视频游戏中，因而可由此提供附加的输入信号。再更具体地说，本发明涉及一种检测使用者的专心、感兴趣和/或注意力的单一集中(single-pointed focus of attention)的新方法。
背景技术
大脑产生一些电信号，频率至少为0-40赫兹(“Hz”)，它们是可从头皮进行测量的。这些信号构成了EEG，也就是脑电图。所有先前的与EEG有关的专利和发明都是基于智力构架(intellectualframework)上的，它明确规定：频率大约为0-4Hz的信号通常表示一种深度睡眠状态(所谓的“δ”波段)；频率大约为4-8Hz的信号通常表示幻想或做白日梦的状态(所谓的“θ”波段)；频率大约为8-13Hz的信号表示一种警觉但内心活动又不多的状态(即所谓的“α”波段)；频率为13Hz的信号表示一种警戒状态(vigilant state)(即所谓的“β”波段)。
尽管这可能对于从大多数大脑皮层测得的信号都是真的，但该发明却是以第一申请人的研究为基础的，该研究表明，在大脑的前额和前额中央的中线部分，围绕脑电图上标为FCz，Fz，AFz和FPz位置的部分都能可靠地显示出一种额外的现象。这些区域覆盖了执行注意力的网络的一些部分，在这些区域内集中于一目标上的注意力会使所有这些有组织的脑电波图案(organized brainwave patterns)在强度上减小。推测来看，它们是被一较高频率的非常随机的皮层活动图案所取代，这将是很难用传统的EEG仪器来测量的，因为脑电波会被头骨所衰减。本发明通过在一个或多个上述位置上测量频率为040Hz的有组织的EEG输出信号的减小来监测注意力集中、专心和感兴趣的程度。当集中注意力一般发生在0-11Hz之间时，在振幅或功率上的衰减就最大。据申请人所知，还没有一种教导提出把此额叶EEG信号的抑制应用于提供注意力指标的方法。
理想的是提供一种检测这种脑电波输出信号的减小和将这种信号整合进计算机程序如视频游戏的方法。
更理想的是提供一种检测产生于个人大脑的信号，并由它导出对于个人注意力集中程度、对于特殊经历的专心或感兴趣水平度量的方法。
例如，授予Ayers的美国专利No.5,571,057就公开了一种用于选择预先安排的一些目视图像系列以反应从使用者躯体，例如从使用者的头部发出的生物电信号的装置和方法。但是，还需要提供一种方法来检测由个人大脑产生的电信号并将这检测到的信号整合进带有或不带有图像的计算机程序，如象视频游戏中，使得由此提供的额外输入信号可改变、影响、调节和改进这种按照复杂的可定制的方式运行的计算机程序，如象视频游戏的操作。
例如，Ugo等人的欧洲专利申请No.177,075简略地讲述了一种用于电子游戏的电子系统，其中可由使用者的手操纵的一些现存的手动控制，可完全被直接由从使用者大脑发出的一些信号操纵的等效控制所取代。但是，还需要提供一种检测由个人大脑产生的信号的方法，最好是用安放在上述中线位置的单一EEG传感器来进行检测，并且通过一种对使用者的专心、感兴趣和/或注意力单一集中(one-pointedfocus of attention)的程度有反应和/或适用的方法来对这些信号加以处理。此外还需要提供一种能处理此被检测到的信号，并将其整合进计算机程序(如视频游戏)的方法，其中计算机程序(如视频游戏)的手动控制(如象用操纵杆，键盘，鼠标或其它的类似输入装置)都能被由前述被检测信号导出的复杂的控制输入启动或补充，但它们并不会完全被这复杂的控制输入取代。此外，根据使用者的注意力指标就能改进这种游戏的驱动逻辑。
发明内容
本发明是一种检测和处理响应使用者对计算机程序(如视频游戏)的专心、兴趣和/或单一注意力集中程度的EEG信号的方法。例如，很多计算机程序，如象视频游戏或娱乐教育系统(edutainnmentsystem)[“娱乐教育”是教育和娱乐两字的组合]都包括一或多个输入装置，如操纵杆、键盘、鼠标或其它类似的输入装置，以便在实现所玩具体游戏节目的目标的过程中控制和影响它的运行。作为另一例子，很多计算机程序，如视频游戏，通过创造一虚拟人物的方法将单个的游戏者置入一虚拟世界之中，游戏者通过操纵几个连接在计算机(如视频游戏系统)上的输入装置就可控制这虚拟人物的动作，犹如游戏者自己就身处这虚拟世界之中一样。那时游戏者就控制这虚拟人物的动作来实现该计算机程序的主要目标，举例说如揭开神秘宇宙的秘密或打败虚拟之敌。
本发明提供一种方法，通过它使用者可以无缝地将他的思维焦点和意向(mental focus and intention)整合进这由计算机程序(如视频游戏或教育娱乐程序)所展现的虚拟世界中。例如，本发明提供一种可供游戏者穿戴的发带或头套(headband or headset)，其中安置在发带或头套上的传感器可检测出从游戏者头部(更具体地说是从游戏者大脑)发出的可测量的原始信号，这些信号都是在与游戏者注意力集中程度相应的频率范围内。
检测从个人躯体发出的信号的优选位置是在个人大脑的前额或前额中央的中线部分，并在或靠近常常叫做FCz，Fz，AFz，和FPz的位置处，在这些位置上个人对于一目标的专心或单一的注意力集中会使有组织的脑电波图案的强度减小。一般来说，理想信号的检测可能出现在两条线界定的区域之内，每条线都延伸在两耳垂之间，一条通过鼻子的最浅部分(即鼻根)，而一条通过头的最高的最中心部分(即头顶)向前2.54厘米的点。本发明可通过在前述位置上测量频率为0-40Hz的有组织的EEG输出信号的减弱来测定对于个人正在盯着的目标的注意力集中程度，和由此显示的个人对这目标的感兴趣程度。可以看出，输出信号强度的最大减弱出现在0-11Hz的频带范围内。
发带传感器可检测由游戏者正在发出的反应游戏者注意力水平的原始信号。这种原始信号可通过一接口单元转换成一功能性注意力指标(functional Attention Indicator)，然后将它输出到计算机程序如视频游戏系统中，以便启动或补充可由游戏者操纵的现有手动控制。
该功能性注意力指标可整合进计算机程序如视频游戏或教育娱乐程序中，以便提供任意一种能反应游戏者的专心、放松(此处被定义为专心的反面)或兴趣水平的控制方法。这样，本发明就可用来改进眼，脑，手之间的协调。例如，在游戏者的目的是使一个目标在他的操纵下运动直到赶上另一被计算机程序(如视频游戏程序)难以捉摸地控制和移动的目标为止的场合，游戏者的被测目标的亮度或清晰度在游戏者对它的注意力松懈时就可能变得不那么强。只有当游戏者充分专心于他的目标时，他的目标才会以足够的分辩率显现出来，以便使他能按照游戏目的的要求来控制它。另外，在此游戏方面的手动控制(如用操纵杆或鼠标上的滑动件或按钮启动)之前，就可要求此个人具有足够的专心程度。作为另一个例子，一预定的阈值水平或游戏者的专心水平的迅速提高，可以用来触发预定的游戏事件，举例来说，如象虚拟枪的开火。再者，尽管这目标仍是手动驾驭的，但当游戏者专注更强烈时，他的游戏目标的运动速度就可以增大。
本发明的目的是提供一种检测从个人躯体一部分，举例来说如从个人的头部发出的EEG信号并由这种信号导出一种注意力指标信号的方法，这种指标信号是个人的专心、松懈或兴趣的指示。
本发明的另一目的是提供一种检测、处理从个人躯体一部分例如从个人的头部发出的信号，并将这经检测处理的信号整合进计算机程序如视频游戏之中的方法，其中由此提供的额外输入信号就会影响该计算机程序如视频游戏的运作。
本发明的又一目的是提供一种检测、处理从个人躯体一部分例如从个人的头部发出的信号，并将这经检测、处理的信号整合进计算机程序如视频游戏或教育娱乐程序之中的方法，其中虽然计算机程序如视频游戏的手动控制件(例如象视频游戏的操纵杆、键盘、鼠标或其它的类似输入装置)都不会被替换，但它们却会被由本发明设备检测的信号导出的控制输入信号所启动或补充。
本发明的又另一目的是提供一种检测、处理从个人躯体一部分例如从个人头部发出的信号，并将此经检测、处理的信号整合进计算机程序如视频游戏或教育娱乐程序之中的方法，其中由此检测的该信号来自于个人的大脑，其中该信号被置于个人头部额中线或额中心区或其附近的单个或多个EEG传感器检测。
本发明还有另一个目的是提供一种检测、处理和整合从个人躯体一部分例如从个人的头部发出的信号的方法，其中由此检测到的信号被用来帮助个人提高他的专心程度，以及提高他在更专注和不那么专注两状态之间轮转的能力。
本发明的另一目的是提供一种方法，使用这种方法就可在个人参与或被动经历一些事件，如象上课、看电影、广告、视频游戏，或运动等事件时，就可通过将这些脑电波的专注信号输入计算机程序来监测和记录个人的注意力、专心或感兴趣程度。
本发明的又一目的是把这种脑电波注意力指标用作生物反馈来帮助使用者训练，从而提高他的注意力和提高他在紧张的专注状态和较松懈状态之间的轮转能力。此外，本发明还包括利用口头指令来帮助使用者将他的注意力焦点转移到其它的感觉输入(sensory input)和/或智力经历(mental experiences)或各种学习或工作任务上。当使用者同时正在完成其它任务时，特别是在视窗计算机环境中完成任务时，它还包括对使用者的生物反馈信息的视听演示，以便改善使用者的工作和学习成效，以及完成任务的坚持力。生物反馈协议(biofeedbackprotocol)就是可用于这种目的一种规范，当使用者正全神贯注时就保持安静，但当脑电波的注意力指标移到某阈值以上时，就会用发出愉快的声音来温和地提醒使用者集中注意力。但是，本发明还想象出了一些其它的协议，在同时发生一些事件时，可通过使用功能性注意力指标来鼓励使用者集中注意力。
更具体地说，本发明包括一种确定个人的注意力集中程度的方法，它包括下述步骤：从至少一个与个人的额叶保持电连接关系的第一传感器获取有代表性的额叶脑电波信号；从至少一个与较为电中性的位置保持电连接关系的第二传感器获取有代表性的参考信号；从上述有代表性的额叶脑电波信号中减去上述有代表性的参考信号以产生一差值额叶脑电波信号(difference frontal lobe brainwave signal)，并对此差值额叶脑电波信号进行处理，以便产生表示个人注意力集中程度的注意力指标信号(A指标信号)，其中该注意力指标信号与差值额叶脑电波信号的振幅量度的任何数学变算成反比；将此注意力指标信号输入一装置；以及按照要求重复这些步骤。上述数学变换可能涉及其振幅、功率或任何方面的线性的、对数的或指数的变换。相反的关系可以通过很多的数学方法获得，这些方法包括但不限于下面这些：(1)从任一固定数减去该数学变换值；(2)用该数学变换值去除一固定数。
其中所述至少一个第一传感器可在由两条线界定的区域内获取所述额叶脑电波信号，这两条线的每一条都在所述个人的两耳垂之间延伸，一条通过被称为鼻根这个人鼻子的最浅部分，而另一条线通过被称为头顶的这个人头部的最高的最中心部分向前2.54厘米的点。
其中所述至少一个第一传感器可在一平分线两侧5.08厘米之内的位置上测量所述额叶脑电波信号，这条平分线横穿所述两条线并将所述区域分成相等的两块。
本发明的更进一步的目的是监测该注意力指标，并由此记录和记住游戏者的偏爱以便以后在该视频游戏中使用，或便于开发者在以后改进该游戏和/或创造将来的游戏时使用。本发明还可用于记录、记住并随后分析和比较那些正在经历某些感受的使用者的兴趣程度，如看电影或广告、使用教育材料、参加讨论会或上课的兴趣程度。此外，作为这种游戏的人工智能的部分，对于出现的事件的注意力指标会受监测，以便能根据特定的使用者或使用者的“类型”对未来出现的事件加以改变。
根据本发明，提供了一种利用脑电波信号来影响正在计算机上运行的程序的方法，它包括下述步骤：
a.从与个人的额叶处于电连接关系的至少一个第一传感器获取一具有代表性的额叶脑电波信号；
b.从与一较为电中性的位置处于电连接关系的至少一个第二传感器获取一具有代表性的参考信号；
c.从所述具有代表性的额叶脑电波信号减去所述具有代表性的参考信号以便产生一差值额叶脑电波信号，并对该差值额叶脑电波信号进行处理以便产生一表示所述个人的注意力集中程度的指标信号；
d.将所述表示所述个人的注意力集中程度的指标信号输入到所述计算机，这里，所述计算机从至少一个其它的输入装置接收至少一个其它的输入信号，而且该经处理的信号可改变所述至少一个其它输入信号的影响；以及
e.按照需要，重复步骤a-d。
根据本发明，提供了一种利用脑电波信号来影响正在计算机上运行的程序的方法，它包括下述步骤：
a.从与个人的额叶处于电连接关系的至少一个第一传感器获取一具有代表性的额叶脑电波信号；
b.从与一较为电中性的位置处于电连接关系的至少一个第二传感器获取一具有代表性的参考信号；
c.从所述具有代表性的额叶脑电波信号减去所述具有代表性的参考信号以便产生一差值额叶脑电波信号，并对该差值额叶脑电波信号进行处理以便产生一表示所述个人的注意力集中程度的指标信号；
d.将所述表示所述个人的注意力集中程度的指标信号输入到所述计算机，并利用该经处理的信号来修改驱动所述程序的逻辑。
附图说明
结合下述附图参照后面的描述将会更好的理解本发明，在这些附图中相同的数字是指相同的部件，其中：
图1是按照本发明所述的发带的透视图，它示出了与单一处理单元的连接；
图2是安装在图1所示发带上的第一传感器的侧视剖面图，它是沿图1中的剖线2-2剖开的；
图3是图2所示的第一传感器的前视剖面图，它是沿图2的剖线3-3剖开的；
图4是戴在使用者头上并与计算机程序如视频游戏或教育娱乐系统有工作关联的图1所示发带的侧视图；
图5是表示注意力指标信号如何能用来影响操纵杆和鼠标输入的流程图；
图6是表示注意力指标的考查目标如何被取样和被记录的流程图；
图7是表示与一事件相应的注意力指标如何能被监测和如何能与其它事件的注意力指标比较，并因此被用来改变未来的事件类型的可能性的流程图；
图8是表示一使用了两个第一传感器和两个第二传感器而并没有电连接的头戴耳机的简化图。
具体实施方式
参考图1，按照本发明优选实施例的用来检测由个人躯体例如个人的头部发出的信号的发带10，包括一弹性带状构件12，一额叶(或前额)传感器单元24和一对耳部传感器单元20，22(传感器单元20是以虚线画出的)。如下面所述，该额叶传感器单元24是被Lexel牢固地连接在此带状构件12的内侧表面13上。如下面所述，该耳部传感器单元20，22被牢固地连接在此带状构件12的内侧表面13上。另外，该额叶传感器单元24(如图中所示)和耳部传感器单元20，22都可被可拆卸地连接在带状构件12上，例如用钩环型固定件14来连接。这种带状构件12是用任一适合的能纵向伸缩的弹性编织材料构造的。
该额叶传感器单元24和耳部传感器单元20，22与一接口单元30处于电协同连接，以便该接口单元30从上述额叶传感器单元24接收“活动”信号(“active”signal)(额叶脑电波信号)，从第一耳部传感器单元20接收一“背景”信号，和从第二耳部传感器单元22接收一种“参考”信号。这些传感器单元20，22，24都被三芯的屏蔽电缆45电连接到接口单元30上，其中的一根芯线44与额叶传感器单元24电连接，其中的第二根芯线40与第一耳部传感器单元20电连接，而其中的第三根芯线42与第二耳部传感器单元22电连接。这些传感器单元20，22，24通过和经由它们的相应芯线40，42，44协同合作以便向接口单元30提供一原始信号，它代表一种正从个人头部发出的未经滤波、未经处理的脑电图(“EEG”)信号，如后面所述上述发带就固定在该头部。另外，上述参考信号可通过将此来自传感器20，22的信号短路“连接”或“合并”来获得；背景信号可从使用者的头皮或躯体的任何其它部位通过任何连接件获取。用与计算机系统90正确连接所需要类型的电缆80，按照所采用连接的特定类型，如通过连接到计算机串口、并口或辅助操纵杆口或者类似的输入，将该接口单元30与计算机系统90(图4)电连接起来，采用那种入口视具体系统而定。值得注意力的是，术语“计算机”是一个广泛而一般的术语，可用于任何接收输入信号和执行计算机程序的系统。“计算机”包括所有种类的普通“PC”，它包括膝上型计算机、台式计算机、便携式计算机或手提式计算机、它们都能运行多个单一功能程序、游戏厅的视频游戏、家用视频游戏(home console video game)，或由Sega和Nintendo之类厂商生产的手持游戏，虚拟现实的游戏和人工智能系统。而且，“计算机”也可能是指多台计算机。例如，两个拥有个人计算机的用户可以直接或通过互联网把计算机连接起来。每台个人计算机都可向这些计算机之一提供那个人的注意力指标，然后该计算机之一就可利用此指标来改变呈现给那一个人或两个人的事件。再者，“计算机”还可以包括一种具有记录或存储信息和/或事件的功能的装置。
另外参看图2，前额传感器单元24包括一块基本是圆柱形的海绵26，其一端27为楔形，该楔形端是从其外周21沿着由该楔形确定的基本平直的上下表面到基本平直的边刃。该海绵26的楔形端27涂敷有一层使用户感觉舒适的电绝缘的、很柔软的、不渗液的材料50，例如Lexel。该楔形可减小头带10的“翻滚”从而不好与用户连接的趋向。将上述额叶传感器单元24牢固地附着在带状构件12的内表面13上，其方法包括，第一次用不渗液材料50如Lexel涂敷相应海绵的一端，当这不渗液材料50干燥后，再用此不渗液材料50第二次涂敷海绵的这一端，并将相应海绵的这一端附着在带状构件12的内表面13上并使该不渗液材料50干燥。将该端27的基本平直的上表面和下表面中不论那一个，最好是将两者，牢固地附着在内表面13上。在此不渗液材料干燥的同时应向海绵施加足够的压力，以使该带状构件12的编织纤维植入该硬化的不渗液材料50中。另外，可通过例如钩环型固定件14将上述额叶传感器单元24可拆卸地附着在该带状构件12的内表面13上，而上述钩环型固定件14可由Lexel粘结在表面50和13上。
该耳部传感器单元20，22各自都包括一基本上是圆柱或楔形的其上涂敷有不渗液材料50的海绵。将此耳部传感器单元20，22牢固地附着在该带状构件12的内表面13上，其方法包括，首先用不渗液材料50涂敷相应海绵的一端，当这不渗液材料50干燥后，再用该不渗液材料50第二次涂敷该海绵的这一端，并将相应海绵的这一端附着在带状构件12的内表面13上，并使此不渗液材料50干燥。在此不渗液材料干燥的同时应向海绵施加足够的压力，以使该带状构件12的编织纤维植入该硬化的不渗液材料50中。耳部传感器单元20，22的构造与前额传感器单元24在所有其它方面都是相似的，因而就想将上述关于前额传感器单元24的讨论用作该耳部传感器单元20，22的说明。这还包括对另一钩环型固定件14的讨论。
把这些传感器固定在很靠近上述那些头皮和耳部的必要测量点上的一种另外的方法的构成是通过将三个电极安装在一耳机上，如在Cowan的共同未决的美国专利申请序列号08/590,405中详细描述的那样，在此引入作为参考。该额叶传感器可安装在柔性的金属延伸件上，该延伸件被铆接在上述耳机带的顶部。两个耳部传感器可安装在该头戴受话器的耳机上。安装固定可由Lexel或类似的化合物实现，可以用，也可不用钩环固定件。
另外参看图3，它提供有一在其外周21和中心部分之间的部分通过海绵26并朝向该海绵的纵向中心区的横向切口28。该横向切口28与一纵向切口29相沟通，该纵向切口是在该横向切口28与该海绵26的一里面23之间，部分地通过海绵26，正对着其楔形端27。
上述的第二条芯线44伸进该横向切口28，而且靠摩擦力固定在由纵向切口29限定的相对里面之间的海绵26中。套在第二芯线44内的一些导线46由芯线伸出，并在朝向海绵26的里面23的纵向切口29中被磨损和缠绕，足以通过导电溶液来与头皮产生电连接。虽然EEG的电极可能与第二芯线44相连，但耐蚀的磨损的导线46例如不锈钢制的导线，已经表明在检测脑电波信号方面是很满意的。这种不渗液材料50将第二芯线44粘结到海绵26上，由此可减小芯线44与海绵分离的趋向。
回头再来参看图1，这些芯线40，42，44从它们相应的传感器单元20，22，24中伸出，经过带状构件12并从标有参考数18的单一位置穿出带状构件12。将电缆45的外皮剥去，以便能使这些芯线40，42，44在此带状构件中分岔。
参看图4，一用户60将该发带10戴在他的头62上，以便将额叶传感器单元24牢牢地顶在用户的前额64上，同时将耳部传感器单元20，22顶在用户耳朵66(只画了一个)的相应上部位置上。最好将额叶传感器单元20定位以便检测来自AFz部位的信号，它大体是正好在发线之下的头部中线上。但是，它可以被安置在由两条线界定的区域内的很多覆盖着额叶的部位上，这两条线中的每一条都延伸在两耳垂之间，一条通过鼻子的最浅部分(即鼻根)，而一条通过头的最高的最中心部分(即头顶)向前2.54厘米的点。在用户将发带10戴在他头上之前，都要先将每个传感器单元在导电溶液例如盐水中浸泡并挤干几次，或将少量的这种导电溶液浇注在这些传感器单元20，22，24的各纵向切口29中。该导电溶液确保这些芯线40，42，44的磨损端部46与用户的前额64之间的电连接。涂层50将该导电溶液保留在海绵26中，并防止该溶液的加快干燥，它同时也可保持用户的最大舒适度。将这些芯线40，42，44连接到设置在接口单元30上的相应的插销30a，32a，34a上，而此接口单元是由一条电缆80连接到计算机或视频游戏系统90上，如上所述。另外，也可以使用带有三根导线的单一连接器。
参看图5，图中表示一种方法，用来将如上所述由发带10(图1)检测到的原始信号输入100整合进计算机程序如视频游戏程序500之中，其间，用户对这些程序的操作可通过用头带输入100补充现存的手动控制例如操纵杆输入200和/或鼠标输入300的方法来促进。在虚线的矩形框之内是该游戏程序的直接输入子系统115。
在图5中，来自120的脑电波分析输入对象或注意力指标信号(或A指标)被用来影响操纵杆的开火按钮、操纵杆的X轴、鼠标的左击按钮以及鼠标的X轴。为了实现这种影响，该脑电波增强的操纵杆对象(Brainwave Enhanced Joystick Object)230是：
操纵杆.开火按钮＝Int(操纵杆.开火按钮*A指标)
操纵杆.按钮02＝操纵杆.按钮02
操纵杆.按钮03＝操纵杆.按钮03
操纵杆.按钮04＝操纵杆.按钮04
操纵杆.按钮05＝操纵杆.按钮05
操纵杆.X轴＝操纵杆.X轴+(0.1+A指标)
操纵杆.Y轴＝操纵杆.Y轴
而且脑电波增强的鼠标对象330是：
鼠标.鼠标左点击＝Int(鼠标左点击*A指标)
鼠标.鼠标右点击＝鼠标.鼠标右点击
鼠标.X轴＝鼠标.X轴+(0.1+A指标)
鼠标.Y轴＝鼠标.Y轴
这只是一例子，而且任一种输入或一些输入的任意组合都可能受该注意力指标的影响。
另外，或者此外，该注意力指标可用来直接修改程序变量。例如，随着注意力的增强，可能使由游戏者产生的损害增大，也可使由游戏者产生的损坏减小。例如，在“中断”一激光束时，注意力集中在某一水平的游戏者所引起的损害比注意力集中在一较低水平的游戏者所引起的损害小。而且，该游戏的积分值也可能增加或减小，这与注意力指标值有关。
由发带10的传感器20，22，24所检测到的原始信号102被方框105内的接口单元30放大，数字化并滤波，以便提供一种频率在0-40Hz之间的经过处理的信号108，然后将它的例如总功率或振幅值输出到正在计算机上运行的脑电波分析程序(“BAP”)110中，其中该脑电波分析计算机可以是与主计算机例如视频游戏系统90分开的，也可是它的一软件子集或其它的子程序。通过对所有频率在0-40Hz之间的处理信号108的总强度进行测量和处理，该BAP 110就可从上述被接收的处理信号108导出一特定的注意力程度112。当此经处理的信号108的总强度减小时，该专心、兴趣和/或注意力集中的程度就增加。为了便于用户了解他的注意力程度，可将此注意力指标在一希望的时段上进行平均。
相关的专注/兴趣水平信号被称为注意力指标信号。有意或无意的注意力都可影响该注意力指标(或A指标)。例如，该游戏者可通过强制或故意注意力来提高A指标。另外，这A指标也会只因对正玩的游戏施诡计而增大；由于游戏者对他这时正在做的事情变得有兴趣，因而注意力较强地集中于这事情，也会引起A指标的无意增大。
可通过消除由于外部影响在里面引起的突然变化，例如由于眼睛或头部的突然移动所引起的突然变化，可使BAP接收的原始信号102更加可靠。在方框105内的接口单元30可包括一数字滤波器，或任何等效的时间平均滤波装置，以便消除信号强度上的突然增大或减小。
另外，该接口单元30也可向BAP 110提供一在1-40Hz的宽频范围内(例如在2-11Hz的范围内)并介于任意两值之间的处理信号108。这样，这里所描述的方法就可集中在一具体的注意力类型上，然后它将被整合进游戏程序500。
该BAP 110产生一输出即注意力指标112，在希望的范围内(例如从0到10的范围)它随专心、兴趣或注意力集中程度的增大而增大。该注意力指标可随具体用户的困难参数而改变，也可随BAP 110进行的自动修改而改变，这就可通过将它与用户的过去表现进行比较来调节它。
BAP的输出112可通过一些数据传输协议(data transportprotocols)，例如所谓动态数据交换(“DDE”)协议，或所谓的对象链接与嵌入(“OLE”)协议输出到游戏程序500的游戏程序直接输入子系统(“GPDIS”)115中，它利用了带有Microsoft商标的DirectX和直接输入数据交换协议来接收和整合来自数字输入装置(如操纵杆200或鼠标300)的输入信号，GPDIS则通过通常的装置驱动分别获取装置驱动212和312。
更具体地说，如图所示，该GPDIS 115被编程，以便对于每一输入装置来说都包括一脑电波增强的操纵杆对象230或脑电波增强的鼠标对象330。例如，在游戏程序500只要求从操纵杆输入的地方，该GPDIS 115就会产生一个与之相应的增强对象的情况230。类似地，在游戏程序500只要求从鼠标输入的地方，该GPDIS 115就会产生一个与之相应的增强对象的情况330。在很多计算机程序如视频游戏程序中，输入可以要求来自不只一个操纵杆或鼠标；对于这种情形，该GPDIS 115就会产生很多与每一操纵杆或鼠标相对应的情况。在每种情形下，都可对这些对象进行组态和定制以便以希望的方式适当地增强输入数据。
在从这些输入装置接收数据之后，GPDIS 115将把这输入数据传送给与它相应的脑电波增强对象。在这里这种数据将按预定的希望方式被修改，或者与BAP数据合并。在前面说明的例子中，按照对图5的较早讨论，该操纵杆的开火按钮与X轴及鼠标的左击健与X轴都会受影响。
作为一个例子，在一QUAKE之类的动作游戏中，人们可以进行直接与专心水平有关的向前移动。在本发明的一个例子中，如果游戏者已将操纵杆向前推并全神贯注，则他们就能很快运行通过游戏；而且如果不是全神贯注，则他们就会走得很慢。在这种情形中，该对象230就会形成由操纵杆输入对象220获得的操纵杆的X轴变量和注意力指标变量的乘积，此注意力变量已被增加了一个小的常数(如0.1)，以便在注意力分散时还能缓慢运动。如果游戏者一点也不想移动，它就应将此操纵杆的X轴变量设定在0上，从而就不会产生移动。但是，如果此操纵杆的X轴变量不设定在0上，更确切地说是设定在表示游戏者打算以一希望的速度移动的模拟数上，而且该注意力指标变量又是一相当高的数时(例如，直到10)，则该游戏者的游戏模块(gamepiece)也会很快运行通过游戏。
作为另一个例子是，在QUAKE这同一游戏中，直接联系他们的专注水平来增大游戏者武器的最大开火速度可能是可取的。由于这种直接输入的改进，因而当这游戏者正全神贯注时，他们用他们的武器开火的速度就比在注意力分散时快得多得多。在这种情形下，对象230总被设定成注意力指标变量与操纵杆的开火按钮变量的乘积。如果两者之一或两者都是0时，则武器就不会开火。但是，如果该操纵杆的开火按钮变量是一个二进制的“1”，表示游戏者想要开火，而且注意力指标变量又是一个超过预先设定的阈值数时，则游戏者的武器就会频频开火。这种注意力指标的灵敏度和阈值可由用户来规定和加以组态，和/或可由被软件和硬件或两者中任何一种驱动的算法来自动调整。
这种脑电波增强的鼠标对象330可以被按同样方式组态，以便增强鼠标的输入和来自注意力指标的输入，从而在同一QUAKE游戏中达到同样希望的效果。类似地，一种对象也可对于任何其它的输入装置例如头部跟踪器进行组态，所以图5的这个例子并不会将发明范围限制在影响操纵杆和/鼠标的输入上。
因此，对于每一个别的输入装置都可限定许多的对象情况。具体参考上述发带或耳机输入112来说，当BAP 110表明用户的注意力和/或松懈已达阈值水平时，该输入对象的情况120就会记录下来。
每个对象230，330从各输入对象120，220，320取回数据，并按照该程序将这些数据组合起来。这样，操纵杆和鼠标控制就被发带的输入100所补充。例如，游戏程序500通常可能需要用户按压设置在操纵杆上的一按钮，以便执行计算机程序如视频游戏中的某种动作。但是，通过将发带输入100与操纵杆输入200组合起来，该GPDIS115就可能使用户用他获得的预定注意力水平代替他用躯体按压操纵杆的按钮，同时还可保持该视频游戏的其它控制特性。注意力指标112与来自操纵杆200和鼠标300的输入数据整合，就允许用户用脑电波输入100替代或改变具体的一些控制而不需修改现有的计算机程序，如视频游戏500。更具体地说，GPDIS 115将通过DirectX-Acquire指令420输出该对象数据，它通过直接输入装置：GetDeviceStatus和直接输入装置：GetDeviceData的指令430从由对象230，330产生的一些情况来接收状态和/或趋向数据。上文描述的这种过程是一连续的过程，其中，每个对象的当前情况都不断被新的输入值所更新。
另一种选择是，对上述信号的滤波、数字化、取平均、处理以及整合，都可由硬连接的电子线路而不由如上文所述的软件手段来完成，也可由软件和硬件联合处理的办法来完成。另外，其它的游戏控制台(gaming console)例如索尼游戏站、西佳萨杜恩(Sega Saturn)、超级任天堂64、300M2，Apple Pippin以及各种类型的游戏厅游戏(arcade game)都在本发明的范围内。
图6和图7都表示该系统对人工智能的使用情况。图6表示怎样能监测注意力指标和记录下游戏者的偏爱以便以后使用。例如，可以将游戏者的偏爱记录下来并加以分析，以便随后影响当前游戏，在下次玩时影响该游戏，或使游戏开发者回顾游戏者的偏爱并改进它，为将来的观众提高游戏的品质和趣味。例如，如果通过查看上述的记录数据发现游戏的一部分的A指标比另一部分的A指标小很多，则设计者就可去掉游戏的这一部分。而且还可将此编程到游戏中。例如，如果可能取三条路径，而路径1的A指标又比路径2和3的A指标小很多，则该游戏就可能改变，使得在将来就只有路径2和3提供给这个游戏者或其它未来的游戏者们。
图6详细描述了怎样将前面获得的注意力指标112与当前的事件类型联系起来记录l用取样号(Sample Number)]并列表于该计算机程序或视频游戏中。随后再重新计算每种事件类型的注意力指标平均值。
同样地，为了评价使用者在具体经历电影、广告、教育以及其它计算机程序时的兴趣水平，可联系上述经历呈现给使用者时经历的时间代码来对注意力指标112进行记录和列表。在向一群使用者展示这些经历之后，就可用任一已知的方法对每种经历的注意力指标进行平均和统计分析。
就图6的具体例子来说，该注意力指标的考察对象是在虚线的矩形框中，而且那些流程图的箭头提供流程的方向。在左上角的标号为1的程序块的功能是：从游戏获得事件类型，设定样本(Samp)＝上一次记录号。标号为2的程序块的功能是：从注意力指标获得当前的兴趣水平。标号为3的程序块的功能是：判断样本＝0？，如果是，就转到标号为5的程序块，它的功能是：产生一新的数据库记录表并设置为当前。如果不是，则转到标号为4的程序块，其功能是：将类型和注意力指标值添加到下一入口。标号为6的程序块的功能是：判断样本＝0？，如果是，就转到标号为7的程序块，其功能是：样本＝样本+1。如果不是，则转到标号为8的程序块，其功能是：计算注意力指标的平均值(对于事件类型)并记录保存。标号为10的程序块的功能是：从游戏核查当前的事件类型(CTE)。标号为9的程序块的功能是：判断CTE与上一事件是相同的吗？如果是，转到先前介绍过的标号为7的程序块。如果不是，则转到标号为11的程序块，其功能是：样本＝0。
图7表示如何才能改进该游戏以适合个别游戏者的口味或适合一定的游戏者群落的口味。例如，如果在一游戏中一具体的游戏者提出选择武器，而且对弓和箭已表现出的兴趣典型地大于对火箭筒的兴趣，则可改变游戏的军火库和弹药的位置，以便提供弓的类型比军火库的火箭筒多，箭的选择也比弹药位置上的炮弹多。
作为另一个例子，在一足球游戏中，游戏者面前可能出现一些传球或奔跑的机会，而且对这两种选择的每一种来说，由他的由注意力指标所定量的兴趣水平都可进行平均。然后在相继的游戏中，那种产生较高平均注意力指标的事件类型就可能较为频繁的呈现给该游戏者。这种呈现给那个人或另一个人可以通过任何手段，例如用听觉，视觉，触觉、嗅觉、味觉手段，或其它手段来实现。
就图7的具体例子来看，这类事件的决定对象是在虚线矩形框中，而且该流程图的箭头提供流程的方向。在左上角的标号为1的程序块的功能是：获取所选事件类型的记录号。标号为2的程序块的功能是：判断记录号是大于10吗？如果是，就转到标号为4的程序块，其功能是：从所选事件类型的上一记录荻取平均值。如果不是，就转到标号为3的程序块，其功能是：将选择的概率增加一差数“m”。标号为5的程序块的功能是：将平均值与其它可能类型进行比较。标号为6的程序块的功能是：判断平均值比所有其它的都大吗？如果是，就转到先前描述过的程序块3。如果不是，就转到标号为7的程序块，其功能是：将选择的概率减小一差数“m”。
最后，尽管已将本发明描述为：利用一第一传感器来测量额叶脑电波信号并利用一第二传感器来测量参考信号，然后从该额叶脑电波信号减去该参考信号以产生差值信号，然而也可以使用任何数量的第一和第二传感器。例如，可将两个第一传感器安放在发线附近并在通过佩带者鼻子的垂线两侧等距离的位置上。可以使用两个第二传感器，占据各耳垂的位置。于是，可以把来自两第一传感器的信号进行数学组合和把来自两第二传感器的信号进行数学组合，以便分别产生一合成的额叶信号和一合成的参考信号。然后将这两合成信号相减并象以前那样进行处理。如果只使用一个第一传感器和一个第二传感器，则所代表的信号就是由第一和第二传感器获得的那些。如果使用了不只一个第一和第二传感器，则所代表的信号就是合成的额叶信号和合成的参考信号。
作为怎样才能实现这一点的例子，在图8中画出了一个简化的耳机图像，象先前描述的那样，没有画出电连接，而且与Cowan的08/590,405号申请有关。这种耳机包括两个包含在额叶传感器单元24中的第一额叶传感器，每一个都附着在一柔性的可调的金属延伸件上。该金属延伸件被附着在耳机带上。最好是通过一钩环型材料将此传感器单元24可拆卸地连在上述延伸件上，以便对于不同的佩带者来说都可对这传感单元24进行调整。这种可拆卸的连接也有利于将传感器单元内的海绵浸湿。这种耳机还包括有两个包含在传感器单元22内的第二传感器，它们中的每一个都安置在一耳垫中。
虽然本发明以通过一些详细阐述的具体实施例作了描述，但应明白，这仅是些例证，本发明不必受限于此，因为在这里并没有详细描述另外的实施例，其对于本领域的技术人员根据本公开将会成为显而易见的事。因此，预计可做的改进既不会偏离上述的本发明精神也不会偏离上述的本发明范围。

Claims (31)

1.一种用来确定个人注意力集中程度的方法，它包括下述步骤：
a.从与所述个人的额叶处于电连接关系的至少一个第一传感器获取一具有代表性的额叶脑电波信号；
b.从与一较为电中性的位置处于电连接关系的至少一个第二传感器获取一具有代表性的参考信号；
c.从所述具有代表性的额叶脑电波信号减去所述具有代表性的参考信号以便产生一差值额叶脑电波信号，并对该差值额叶脑电波信号进行处理以便产生一表示所述个人的注意力集中程度的指标信号，所述指标信号与所述差值额叶脑电波信号的振幅量度的任何数学变换成反比；
d.将所述指标信号输入一装置；以及
e.按照需要，重复步骤a-d。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个第一传感器可在由两条线界定的区域内获取所述额叶脑电波信号，这两条线的每一条都在所述个人的两耳垂之间延伸，一条通过被称为鼻根这个人鼻子的最浅部分，而另一条线通过被称为头顶的这个人头部的最高的最中心部分向前2.54厘米的点。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于：所述至少一个第一传感器可在一平分线两侧5.08厘米之内的位置上测量所述额叶脑电波信号，这条平分线横穿所述两条线并将所述区域分成相等的两块。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于：所述至少一个第二传感器可从至少一个所述个人的耳垂获取所述具有代表性的参考信号。
5.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述指标信号代表在低频波段上的所述差值额叶脑电波信号的总振幅水平。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：所述低频波段局限于不大于40Hz的频率。
7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述指标信号代表在低频波段上的所述差值额叶脑电波信号的总功率水平。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于：所述低频波段局限于不大于40Hz的频率。
9.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：处理所述差值额叶脑电波信号的步骤包括消除眼睛移动和其它的假象的影响。
10.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述装置是一计算机，而且输进计算机中的所述指标信号可被正在这计算机上运行的程序使用，以便给所述个人提供所述个人注意力集中程度的指示。
11.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述装置是一计算机，而且输进计算机中的所述指标信号可被正在这计算机上运行的程序使用，以便影响该程序的执行。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述装置至少接收一个其它的输入信号，而且所述指标信号可对所述至少一个其它的输入信号的影响进行补充。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于：所述装置还接收至少一个额外的输入信号，所述至少一个额外的输入信号不同于所述至少一个其它的输入信号，而且所述指标信号不对所述至少一个额外的输入信号的影响进行补充。
14.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述程序所使用的指标信号可影响呈现在所述个人眼前的对象。
15.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：所述程序所使用的指标信号影响呈现在另一个人眼前的对象。
16.按照权利要求11所述的方法，其特征在于：它还包括将所述个人归到所选个人类别之中，并利用来自先前处于所述所选类别中的个人的指标信号来影响呈现在所述个人眼前的对象的步骤。
17.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述装置起着记录仪的作用，而且所述指标信号被记录下来，并将它与至少一个事件关联起来。
18.按照权利要求17所述的方法，其特征在于：将来自几个人的所述指标信号同时记录下来，并把所述指标信号与至少一个事件关联起来。
19.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个第一传感器包含多个第一传感器，而且所述具有代表性的额叶脑电波信号乃是多个额叶脑电波信号的组合，并且所述多个脑电波信号中的每一个都是从所述至少一个第一传感器中的不同的第一传感器获得的。
20.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述至少一个的第二传感器包含多个第二传感器，而且所述具有代表性的参考信号乃是多个参考信号的组合，并且所述多个参考信号中的每一个都是从所述至少一个第二传感器中的不同的第二传感器获得的。
21.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：所述第一传感器是安装在所述个人头部上的一个软性的支持体中。
22.按照权利要求21所述的方法，其特征在于：所述软性支持体进一步包括：
a.一可施加压力的软性带状构件，用来使所述至少一个第一传感器与所述个人的头部保持电连接的关系；
b.一第一传感器单元，它附着在所述软性带状构件上，所述第一传感器单元包括一安置所述第一传感器的第一海绵体；
c.所述第一传感器被隔开，使得当把该软性支持体安置于所述个人头上时，所述第一传感器将处在可获取所述具有代表性的额叶脑电波信号的位置上。
23.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：所述第一海绵体具有一包含有三角形部分和矩形部分的梯形横切面，该三角形部分与所述软性的带状构件相衔接。
24.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：所述第一海绵体部分地被软性电绝缘胶性化合物所覆盖，因此产生一贮液池。
25.按照权利要求24所述的方法，其特征在于：所述胶性化合物被用来将该第一传感器单元粘结在该软性带状构件上。
26.按照权利要求24所述的方法，其特征在于：一钩环型固定件被用来将该第一传感器单元固定在该软性带状构件上。
27.按照权利要求22所述的方法，其特征在于：所述软性带状构件是一弹性带状构件。
28.按照权利要求21所述的方法，其特征在于：所述软性支持体是一耳机，它带有至少一个附着其上的软金属制成的延伸件，所述至少一个延伸件具有一附着其上的第一传感器单元，该第一传感器单元包括所述至少一个第一传感器；所述第一传感器单元被隔开，使得当把该耳机戴在所述个人头上时，所述第一传感器单元将处在可测量额叶脑电波信号的位置上。
29.按照权利要求28所述的方法，其特征在于：所述耳机包括至少一个耳罩，这至少一个耳罩装载一第二传感器单元，该第二传感器单元又包括至少一个第二传感器。
30.一种利用脑电波信号来影响正在计算机上运行的程序的方法，它包括下述步骤：
a.从与个人的额叶处于电连接关系的至少一个第一传感器获取一具有代表性的额叶脑电波信号；
b.从与一较为电中性的位置处于电连接关系的至少一个第二传感器获取一具有代表性的参考信号；
c.从所述具有代表性的额叶脑电波信号减去所述具有代表性的参考信号以便产生一差值额叶脑电波信号，并对该差值额叶脑电波信号进行处理以便产生一表示所述个人的注意力集中程度的指标信号；
d.将所述表示所述个人的注意力集中程度的指标信号输入到所述计算机，这里，所述计算机从至少一个其它的输入装置接收至少一个其它的输入信号，而且该经处理的信号可改变所述至少一个其它输入信号的影响；以及
e.按照需要，重复步骤a-d。
31.一种利用脑电波信号来影响正在计算机上运行的程序的方法，它包括下述步骤：
a.从与个人的额叶处于电连接关系的至少一个第一传感器获取一具有代表性的额叶脑电波信号；
b.从与一较为电中性的位置处于电连接关系的至少一个第二传感器获取一具有代表性的参考信号；
c.从所述具有代表性的额叶脑电波信号减去所述具有代表性的参考信号以便产生一差值额叶脑电波信号，并对该差值额叶脑电波信号进行处理以便产生一表示所述个人的注意力集中程度的指标信号；以及
d.将所述表示所述个人的注意力集中程度的指标信号输入到所述计算机，并利用该经处理的信号来修改驱动所述程序的逻辑。
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