一種支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法與系統的製作方法

2023-09-16 19:53:40

專利名稱：一種支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法與系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及腦電信號檢測、腦功能評估及其訓練反饋技木。
背景技術：
注意力障礙多動綜合症(ADHD)是兒童最常見的現象或狀態，其主要表現為注意 カ不集中、多動及衝動並造成了學習困難等症狀。文獻報導在小學生中大約有59TlO%的兒童患有ADHD，這類患兒如果處理不當，常會影響其學習及性格的發展。有跟蹤研究發現，259Γ50%的患兒在成人期有人格障礙，犯罪行為，在學習和事業上的成就明顯低於同齡人。因此，有人提出需要治療，但藥物僅對部分病例暫時有效果且副作用較大，在歐美ー些國家迄今很少或根本不用藥物資料，而是強調早期發現和早期幹預。隨著現代腦電生物反饋理論與技術的發展，用於人腦的檢測和反饋的工作站式的腦電生物反饋的系統已有開發。但是，國內外市場上常規的腦功能生物反饋儀目前主要還是要藉助於工作站，採集通道多，系統複雜，價格昂貴，反饋訓練過程需要專業人員幹預，難以推廣普及到家庭，限制了其應用範圍。而可攜式腦功能反饋儀則基於ARM與DSP平臺，成本較高，普及到家庭也有一定的困難。腦功能反饋訓練系統在改善注意力障礙多動綜合症(ADHD)方面，有顯著的效果。 但在實際應用中，依然存在很多問題，典型的如下
(1)訓練模式単一市場現存的腦功能反饋訓練系統，以人機互動、音視頻反饋為主，給受試者造成了與機器打交道的冰冷的感覺，容易影響其積極性。如果能讓兩個受試者同時參與，利用其腦電波進行雙人對戰和協同訓練，邊訓練邊交流，可以取得更好的訓練效果。 更進一歩，如果基於hternet網絡的支持，讓雙方能夠克服空間上的限制，進行異地的遠程對戰和訓練，則可以進ー步拓展其應用範圍。(2)訓練過程中需要醫生的指導和幹預傳統的腦功能訓練反饋系統，依賴於醫生的專業知識，這樣就使其應用場所主要限制在醫院。造成這個問題的主要原因是軟體的智能程度不夠，對反饋訓練過程中的閾值設置依賴於醫生的專業知識。如果能夠對受試者的注意力集中水平進行準確地量化分級，從而讓軟體智能地進行閾值設置，並設定訓練難度， 則可降低對醫生的依賴，方便推廣到家庭。(3)訓練場景設置不合理現有的腦功能反饋訓練系統中的反饋訓練，以人機互動進行遊戲，然後音視頻反饋為主。這樣訓練出來的注意力集中水平和模式與孩子在學習、生活中的場景想去甚遠，也不符合家長的意願。如果能在訓練場景的設置中增加類似於考試的模式，則訓練的結果會更有價值。(4)成本太高現有的腦功能反饋訓練系統成本高，售價昂貴，再加上醫院部分的費用，如果長期應用，在經濟上對孩子和家長來說是ー個巨大的挑戰。如果能簡化系統硬體部分的設計，降低其成本，並推廣到家庭，具有非常大的經濟價值和社會效益。本發明設計了ー種支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法與系統，該系統含ー個通道的腦電(EEG)信號採集器，基於PC平臺進行腦電信號分析、特徵參數提取與反饋訓練，並可在hternet網絡的支持下，讓兩個受試者進行雙人對戰和協同訓練，從而克服了時間上和空間上的限制，拓展了系統的應用範圍。另外，系統綜合考察線性參數和非線性參數，對受試者的注意力集中量化分級，從而智能地設置反饋訓練的閾值和難度等級，從而避免了訓練過程中醫生的幹預，方便推廣到家庭。

發明內容
本發明提出ー種支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法與系統，具有低成本的EEG 信號採集硬體，成本低廉，軟體智能化程度高，可對受試者的注意力集中水平進行量化分級，智能地進行閾值設置和難度設定，方便推廣到家庭，並基於PC平臺和hternet網絡，讓兩個受試者可以克服空間上的限制，拓展其應用範圍。支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統方法，設有的腦功能反饋系統支持傳統的人機互動的反饋訓練模式，並支持雙人對戰的反饋訓練模式兩名受試者通過兩臺腦電信號採集終端，利用各自的腦電波進行對戰和協同訓練。腦功能反饋系統對受試者的注意力集中程度進行量化分級，在進行量化分級時不僅計算線性參數，如θ波與β波之間的功率比值(θ/β )，還計算近似熵、樣本熵、多尺度熵和δ-樣本熵基於非線性動力學的複雜性測度，並結合線性參數和非線性參數，利用人 エ神經網絡分類器進行量化分級；支持遊戲和智力題測試等兩種測試和反饋訓練場景，在對受試者進行注意力集中程度的評估吋，既計算短時注意力特徵參數，也計算長時注意力特徵參數，並將二者相結合進行量化分級；系統在量化分級的基礎上，智能地設置受試者反饋訓練的閾值和難度等級。雙人對戰訓練模式又分為本地和網絡遠程兩種子模式在本地一臺PC機上插入兩臺腦電信號採集終端，即可進入雙人對戰的本地模式；在網絡上的兩臺PC機上分別插入腦電信號採集終端，通過網絡的支持進行信息傳輸與人機互動，即可克服地理上的限制，進入雙人對戰的網絡遠程模式。本發明的系統是腦電信號依次經過傳感器、導聯線、放大與濾波、右腿驅動後，經過AD採樣，轉換為數位訊號，經過電氣隔離後通過USB接ロ送入PC機，在PC端安裝有專業軟體，進行EEG信號的分析評估與反饋訓練，訓練可以通過人機互動，本地雙人對戰和網絡遠程雙人對戰等方式進行。系統總體上由EEG信號採集器和PC端專業軟體兩部分組成。其中，EEG信號採集器由前置放大模塊、放大濾波模塊、AD採樣模塊、微處理器模塊、電源與信號隔離模塊、USB 通信模塊、電源模塊等構成。PC端專業軟體由USB通信與控制模塊、SQL資料庫管理模塊、 信號分析模塊、注意力集中程度量化分級模塊、報表輸出模塊、人機互動模塊、實時訓練模塊、對戰訓練模塊、視頻反饋模塊、音頻反饋模塊等構成。EEG信號採集器完成腦電信號的放大、濾波和採樣。輸入傳感器為兩個鍍銀耳夾式電極和ー個電極網固定電極，分別夾於兩側耳垂和固定在頭頂，兩耳側的夾式電極中的一個作為參考電極(右腿驅動負反饋電極)，另外兩個電極構成差分電極，連接到前置放大器的差分輸入端。前置放大器採用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比的儀表放大器INA128。 由AD8606構成放大濾波模塊，實現腦電信號的放大，並通過右腿驅動負反饋，進ー步提高放大器的共模抑制比。放大後的EEG信號經過AD採樣後送入微處理器模塊，並經過隔離後的USB接ロ送到PC機。整個EEG信號採集器由USB總線供電，USB總線的5V電源經過隔離後，再經過電源變換給前端放大器供電，電源噪聲控制在20uVRMS以內，從而保證EEG信號放大與採集的質量。PC端專業EEG分析軟體實現特徵腦電成分如α波(頻率8 13Ηζ)、β波 (1壙32Ηζ)、θ波(4、Ηζ)的提取以及特徵參數(如不同特徵成分功率比值)的計算，以對應不同的腦電活動模式，並將結果以視覺或聽覺的形式反饋給被測試者。與傳統的EEG分析軟體不同的是，本項目的EEG專業分析軟體不僅基於經典的線性時頻分析方法，同時還使用非線性動力學的分析方法，採用腦電信號的近似熵、樣本熵、多尺度熵、S -樣本熵等基於序列複雜性測度的非線性動力學參數來表徵受試者的視覺注意集中程度。並優化設計了人 エ神經網絡分類器，對注意力水平進行了分級量化。除了傳統的腦電訓練反饋模式之外，本項目的EEG分析軟體還引入了遠程雙機對戰模式，可讓兩個受試者利用腦電信號進行對戰，可極大程度地提高受試者的參與熱情。軟體從功能上分為USB通信與控制模塊、SQL資料庫管理模塊、信號分析模塊、注意力集中程度量化分級模塊、報表輸出模塊、人機互動模塊、實時訓練模塊、對戰訓練模塊、 視頻反饋模塊、音頻反饋模塊等10個模塊。USB通信與控制模塊為ー個獨立的線程，負責與EEG信號採集器之間的通信、控制和數據傳輸，並將接收到EEG數據上傳給主線程進行處理。為了更好地進行數據管理，設置了 SQL資料庫管理模塊，該模塊以開源的MySQL 資料庫管理系統為依託，記錄受試者的相關信息，以及訓練過程中的各種數據，並以標準的 SQL語句的形式提供查詢服務。信號分析模塊也是ー個獨立的線程，對訓練過程中採集到的EEG信號進行實時運算，計算各種與注意力集中水平相關的特徵參數。本模塊支持線性參數和非線性參數兩大類特徵參數的計算。線性參數主要基於腦電信號是準平穩信號的假設，然後利用線性的方法計算θ波與β波之間的功率比值。而腦電信號實際上是ー種隨機性很強的非平穩信號，所以基於非線性動力學來提取非線性參數會更加準確，信號分析模塊也支持如近似熵、 樣本熵、多尺度熵、S -樣本熵等基於非線性動力學的複雜性測度的計算。注意力集中程度量化分級模塊主要基於人工神經網絡分類器，通過訓練後的人工神經網絡，對輸入的反映注意力集中水平的線性參數和非線性參數進行綜合評估分類，得到量化分級指標。報表輸出模塊實現用戶腦電檢測和訓練結果報告的多樣化輸出，此模塊依託於 SQL資料庫管理系統的支持，通過標準SQL語句從後臺資料庫中檢索各種數據並生成報表。人機互動模塊實現應用程式框架，友好界面，通過用戶的選擇可以調用後臺各種功能。實時訓練模塊，主要處理利用單臺EEG信號採集器進行人機互動相關的各種訓練邏輯的處理。而對戰訓練模塊則支持本地雙人對戰和網絡遠程對戰兩種模式，通過在同一臺PC上插入兩臺EEG信號採集器，即可啟動本地雙人對戰模式，而在異地兩臺PC上分別插入EEG信號採集器，並通過hternet的支持，即可進入網絡遠程雙人對戰模式。在此兩種對戰模式下，有飛行、賽跑、蹺蹺板、拔河等多種比賽模式，將對戰的結果以音視頻的形式反
6饋給受試者。 本發明所提出的支持對戰模式的新型腦功能反饋訓練系統，基於虛擬儀器技木， 以PC為核心，實現EEG信號的反饋顯示和人機互動，配合高性能的腦電信號放大與採集模塊，構成集數據採集、資料庫管理、分析計算、顯示、反饋訓練、遠程對戰於一體的家用儀器， 以輕鬆的動畫方式實現腦功能模式的訓練。儀器體積小巧、操作方便，成本遠低於國際上エ 作站式的同類儀器，適於向社區和家庭推廣。本發明含一個通道的EEG信號採集器，基於PC 平臺進行腦電信號分析、特徵參數提取與反饋訓練。其特徵為支持本地人機互動、本地雙人對戰，遠程網絡對戰等多種反饋訓練模式。兩個受試者利用兩臺EEG信號採集器，可以在本地，也可以在hternet網絡的支持下，在異地進行雙人對戰和協同訓練，從而克服了時間上和空間上的限制，拓展了系統的應用範圍。另外，系統綜合考察線性參數和非線性參數， 對受試者的注意力集中量化分級，從而智能地設置反饋訓練的閾值和難度等級，從而降低了訓練過程中對醫生的專業知識的依賴，方便推廣到家庭。


圖1、EEG信號採集器結構框圖。
圖2、系統設計總體框圖。
圖3、上位機專業軟體系統框圖。
圖4、信號處理模塊內部結構框圖。
圖5、遊戲模式實時訓練流程圖。
圖6、考試模式實時訓練流程圖。
圖7、本機對戰模式訓練流程圖。
圖8、遠程對戰模式訓練流程圖。
具體實施例方式圖1所示為EEG信號採集器內部結構框圖，EEG數據採集器具有單通道放大器， 採用三個電極分別固定在頭頂和兩側耳垂，兩耳側的其中ー極作為參考電極(右腿驅動電扱)，另外兩個電極連接到腦電前置放大器INA128的差分輸入端。然後經過AD8606構成的放大濾波環節，送入ADC進行採樣，經過隔離後，通過USB接ロ送至PC端進行分析。EEG數據採集器通過USB總線進行供電，USB總線的5V經過D⑶C隔離後，再經LT1962穩壓成4V， 給放大器部分供電，模擬電源部分的噪聲可以控制在20UVms以下。EEG放大器增益為20000，共模抑制比CMRR彡IOOdB,輸入電阻彡100M，短路噪聲< 1 μ Vpp,頻帶帶寬0. 3飛0Hz。AD轉換的主要技術指標單通道、10位解析度，採樣率 IkHz，工作方式中斷。為了簡化EEG信號採集器的設計，降低成本，EEG放大電路內部不設50Hz雙T陷波器，而是在PC端軟體處採用50Hz梳狀濾波器，這是ー種簡單整係數陷波器，對エ頻幹擾及基線漂移進行濾除。我們設計的濾波器用到了減法技木，即用ー個全通網絡減去ー個具有相同傳輸延遲和增益的窄帶帶通濾波器的輸出，得到ー個具有尖鋭陷波特性的陷波器， 其傳遞函數為
權利要求
1.ー種支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統方法，其特徵是設有的腦功能反饋系統支持傳統的人機互動的反饋訓練模式，並支持雙人對戰的反饋訓練模式兩名受試者通過兩臺腦電信號採集終端，利用各自的腦電波進行對戰和協同訓練。
2.根據權利要求1所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法，其特徵是腦功能反饋系統對受試者的注意力集中程度進行量化分級，在進行量化分級時不僅計算線性參數，如 θ波與β波之間的功率比值(θ/β )，還計算近似熵、樣本熵、多尺度熵和δ-樣本熵基於非線性動力學的複雜性測度，並結合線性參數和非線性參數，利用人工神經網絡分類器進行量化分級；支持遊戲和智力題測試等兩種測試和反饋訓練場景，在對受試者進行注意力集中程度的評估吋，既計算短時注意力特徵參數，也計算長時注意力特徵參數，並將二者相結合進行量化分級；系統在量化分級的基礎上，智能地設置受試者反饋訓練的閾值和難度等級。
3.根據權利要求1所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練方法，其特徵是雙人對戰訓練模式又分為本地和網絡遠程兩種子模式在本地一臺PC機上插入兩臺腦電信號採集終端，即可進入雙人對戰的本地模式；在網絡上的兩臺PC機上分別插入腦電信號採集終端， 通過網絡的支持進行信息傳輸與人機互動，即可克服地理上的限制，進入雙人對戰的網絡遠程模式。
4.支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是包括兩名受試者的兩臺腦電信號採集終端，系統包括EEG信號採集器和PC端專業軟體模塊兩部分；EEG信號採集器包括傳感器、導聯線、前置放大模塊、放大濾波模塊、AD採樣模塊、微處理器模塊、電源與信號隔離模塊、USB通信模塊和電源模塊；PC端專業軟體模塊包括USB通信與控制模塊、SQL資料庫管理模塊、信號分析模塊、注意力集中程度量化分級模塊、報表輸出模塊、人機互動模塊、實時訓練模塊、對戰訓練模塊、視頻反饋模塊和音頻反饋模塊；腦電信號依次經過傳感器、導聯線、放大與濾波、右腿驅動後，經過AD採樣，轉換為數位訊號，經過電氣隔離後通過USB接ロ 送入PC端，在PC端專業軟體模塊進行EEG信號的分析評估與反饋訓練；USB通信與控制模塊為ー個獨立的線程，控制軟體模塊與EEG信號採集器之間的通信、控制和數據傳輸，並將接收到EEG數據上傳給主線程進行處理。
5.根據權利要求4所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是EEG信號採集器的傳感器為兩個鍍銀耳夾式電極和ー個電極網固定電極，分別夾於兩側耳垂和固定在頭頂，兩耳側的夾式電極中的一個作為參考電極，另外兩個電極構成差分電極，連接到前置放大器的差分輸入端；前置放大器採用高輸入阻抗、低噪聲、高共模抑制比的儀表放大器 INA128 ；由AD8606構成放大濾波模塊，實現腦電信號的放大。
6.根據權利要求4或5所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是設有給兩名受試者使用的兩臺腦電信號採集終端，對各自的腦電波進行測量，在對受試者進行注意力集中程度的評估吋；系統對測試對象量化分級，智能地設置受試者反饋訓練的閾值和難度等級；兩名受試者對戰和協同訓練，支持雙人對戰的反饋訓練模式。
7.根據權利要求4或5所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是設有支持的SQL資料庫管理系統，對受試者的相關信息以及訓練的歷史數據進行存儲、管理和查詢，並進行報表列印。
8.根據權利要求4或5所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是在進行雙人對戰訓練時，支持飛行、賽跑、蹺蹺板、拔河等多種訓練模式。
9.根據權利要求4或5所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是EEG數據採集器的單通道放大器，頻帶範圍0. 3H廣60Hz，噪聲100dB，支持USB接ロ且通過USB接口供電，應用部分與主機系統之間進行3000V的電源隔離與信號隔1 °
10.根據權利要求4或5所述的支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統，其特徵是EEG數據採集器所採集的數據在上位機專業軟體中進行實時梳狀濾波，濾除基線漂移、50Hzェ頻以及其高次諧波所引起的幹擾。
全文摘要
一種支持對戰模式的腦功能反饋訓練系統方法，支持傳統的人機互動的反饋訓練模式，而且支持雙人對戰的反饋訓練模式。兩名受試者通過兩臺腦電信號採集終端，可以利用各自的腦電波進行對戰和協同訓練。這種雙人對戰訓練模式又分為本地和網絡遠程兩種子模式在本地一臺PC機上插入兩臺腦電信號採集終端，即可進入雙人對戰的本地模式；在網絡上的兩臺PC機上分別插入腦電信號採集終端，通過網絡的支持進行信息傳輸與人機互動，即可克服地理上的限制，進入雙人對戰的網絡遠程模式。支持對戰模式的新型腦功能反饋訓練系統。系統在量化分級的基礎上，智能地設置受試者反饋訓練的閾值和難度等級。
文檔編號A63F9/00GK102553222SQ20121000913
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月13日 優先權日2012年1月13日
發明者何愛軍, 俞政濤, 周昌桂, 成曉雲, 於亞軍, 楊戀, 董慶慶, 高丹華 申請人:南京大學