多动症儿童的脑电控制产品设计论文
【摘要】目的：设计一款面向多动症儿童注意力培养的脑电控制玩具产品。方法：儿童对注意力的自我控制能力取决于其大脑神经元细胞网络链接与稳定程度，这个神经元网络链接的稳定经过强化训练可以得到固化。基于脑机交互技术构建儿童思维训练产品，通过检测脑电波数据，来控制玩具产品的运动状态，使孩子的注意力在娱乐的过程中得到提升。结果：基于脑电信号采集和交互控制技术，设计并制作了面向儿童关注力训练的脑电玩具产品，并进行了相关测试实验。结论：本产品达到培养孩子注意力的目的，弱化儿童注意力障碍，减轻生活中因为意力不集中而产生的负面影响。
【关键词】脑电；注意力缺陷综合种；脑机交互；注意力提升
1前言
注意缺陷多动障碍（ADHD）又称多动症，临床主要表现为多动、冲动和注意力不集中三大核心症状，是儿童、青少年中最常见的行为障碍，也是学龄儿童患病率最高的慢性疾病之一。[1]多动症患者因注意缺陷而常伴有学习困难。多动症对于儿童的智力发展和知识积累具有很大的负面影响。注意力是所有能力的基础，没有注意力就是没有记忆力，良好的专注力是学习成功的基本保障。如今社会的信息量庞大，各类信息通道如网络、游戏、影视等干扰繁多，孩子更加好动，ADHD现象呈递增趋势。多动症儿童本身也很苦恼，有时被误认为智力低下，从而影响儿童对学习和生活的信心。针对该病药物治疗可以取得很好的疗效，但因存在食欲减退、失眠等不良反应以及潜在的药物依赖性等风险，使其在临床应用上存在局限性。脑电生物反馈训练由于疗效持久、无不良反应且能够很好地改善ADHD核心症状而得到越来越多的应用。本研究应用脑电技术[2,3]开发相关益智玩具开设玩具课程训练改善ADHD注意力。利用对比前后分心值、紧张值和注意力值来判断脑电益智玩具实际治疗效果。
2脑电训练对注意力的培养
在过去的几十年间，国内外的科学家们一直在开发一种被称为脑机接口（简称BCI）的人机交互技术[4-5]，在这种技术的帮助下，只要大脑能够拥有正常的思维，哪怕四肢无法活动，其思维波段也能帮助他们交流信息，发出指令和控制机器。[6]现在，随着研究的不断深入，这种技术的应用前景已经十分明朗。该技术可以运用于医学研究，通过思维训练与控制对行动不便与注意力不集中的患者提供帮助，同时也可以运用于儿童的益智教学中。同时，如今有越来越多的的国内外父母开始转变其育儿方式，逐步开始认识到注意力培养的重要性，并将益智玩具作为注意力培养、开发儿童创造力和手眼协调性的工具。同时脑电波技术被证实在思维训练过程中有极好的辅助效果。脑电技术已经成为了炙手可热的一个技术。而专业的、通过脑电波思维训练的人机交互类玩具是目前市场上却极其缺乏，可谓需求量十分庞大。在国内，企业与高校也认识到思维训练的重要性，近年来，浙江大学就在脑电波思维控制方面研究成果显著，例如：猴脑电波控制机械手抓本子拿杯子，利用脑电波诊断网瘾等。在企业中，海尔集团率先开发出"脑力波电视"，这款电视可以通过耳机监测脑电波，并转化为数字信号，与电视中设定的游戏进行互动。在国外，尤其是发达国家，对注意力的培养十分重视，俄国教育学家乌申斯基就曾说过：“注意是学习的门户。”如果不打开这扇大门,人们就无法学习,也就无法获得知识与技能。所以越来越多的科技公司投身于脑电波产品的.研究与开发中，例如PLX设备公司就推出了XWave头戴设备，该设备采用了NeuroSky的eSense技术[7]，能收集从脑部释放到前额的微弱电脉冲，并将这微弱的电脉冲模拟信号转换为数字信号。通过XWave头戴设备,使用者可以通过自己的思维控制iPhone中的特定思维训练软件，通过思维控制软件中图形的大小与形状。近年来，人机交互技术领域技术的应用潜力已逐步展现，像浸入式游戏等的动作识别技术，应用于虚拟世界与现实生活中的遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术等等，对于儿童产品高科技化也成为趋势，越来越多的人意识到在幼儿及少儿时期智力培养的重要性，通过思维控制技术训练儿童智力必将成为一种常见的教育手段。[8]但是目前市面上对儿童智力开发与注意力的培养方面的产品形式十分单一，缺乏实质性作用，而通过思维控制技术训练注意力的产品就更加缺乏。[9]开发有效的、互动性强的儿童益智产品成为非常必要的事情
3产品设计思路
本次设计主要针对注意力不集中的儿童进行思维集中训练，通过脑电设备采集儿童脑电信号，通过无线蓝牙技术设备传输到Arduino控制芯片上，将信号转化为物理机械开关控制器[10]，PWM技术实现脑电信号输入Arduino控制芯片。装置通过开关进行传动过程。整个产品由Mindflex脑电头套、Arduino控制芯片、电源适配器，电池，蓝牙，导线等元件材料共同实现功能。利用这种控制，就可以实现儿童通过自身的注意力集中指数控制玩具，通过这种交互行为达到训练提高儿童注意力的效果。本设计是针对儿童群体的益智玩具[11-14]，所以外观的设计上要偏向可爱圆润的造型，避免出现锋利的直角造型。即能激发使用群体的兴趣又能保证他们的安全，同时又不分散注意力，成功的进行思维集中训练。结合了调研数据以及对儿童喜好的观察后，设计了游戏交互形式与方案。该方案是一款意念控制的泡泡机，泡泡是随风无规律运动的，并且反射周围环境的各类自然色。色彩丰富且有很强的互动性，可以吸引孩子的注意力。这款脑电控制的泡泡机正是利用这一点，通过脑电信号接收放大，启动泡泡机，使其工作运转。孩子在娱乐中无形中就锻炼了注意力的集中，还可以为多动症患儿提供辅助治疗。通过计算机软件建模，利用精雕机制作出的泡泡机外部样式基本模型（如图1），并在此基础上进行修改和完善。手工焊接蓝牙控制板与Arduino控制板（如图2），并连接马达，制作出简易的控制板模型，并写入脑电波控制程序进行实验。本产品效果图分为两个主体，分别为泡泡机与脑电信号收集耳机。（如图3）
4交互控制设计
用户将脑电耳机与泡泡机都接上电源，然后使耳机与泡泡机内的蓝牙进行配对，配对过程中脑电耳机的指示灯是蓝红交替闪烁，对当配对成功后蓝的指示灯常亮。使用者将耳机佩戴至头部，集中注意力，脑电信号通过脑电耳机捕获，再通过蓝牙传输到泡泡机内单片机上，单片机收到信号后，对信号做出处理，如果脑电信号中的注意力集中指数高的话，便可以触及开关使得泡泡机顶部的指示灯亮起，此时就会给机内马达供电，马达带动皮带转动，使得风扇转动。泡泡机成功运转。反之如果注意力松懈的话，则指示灯就会熄灭，马达也就停止转动。
5实验
本研究选取30例（10女，20男）ADHD症状进行课程训练。患儿平均年龄8.23岁。研究对象均符合精神疾病诊断与统计手册，未同时进行药物治疗，并排除听力障碍、外伤性脑损伤、精神发育迟滞、孤独症谱系障碍、癫痫及神经系统的其他疾病。本实验课程外不再使用其他干预训练效果的方法，也确认被试者未再使用相关ADHD药物治疗。本实验20次为一个疗程，每周3次，每次训练30min，并分上下课时，上课时为15min，休息5min，下课时为10min。实验前后对比，分心值平均下降9.1%，紧张值平均下降7.6%，注意力值平均上升12.3%。本研究应用SPSSl0.0软件进行统计处理。治疗前后比较采用配对f检验，P<0.05为差异具有统计学意义。[15]
6总结
该设计是将当今市场上原有的传统儿童玩具形式与脑电波思维训练创意整合设计，整合设计了儿童注意力培养与脑机交换技术的一款玩具，针对目前一些儿童注意力不集中，无法专心学习的现象，设计出了一款具有实际意义，能辅助注意力训练的儿童玩具。设计过程中始终以儿童的角度思考问题，考虑儿童喜好与其行为特征，逐步确立并完善产品形式与产品结构。
参考文献：
[1]任灵敏,张赟,和慧丽等.视听整合连续测试对脑电生物反馈治疗ADHD疗效的评估[J].首都医科大学学报,2014(5).
[2]黄安湖．P300脑电诱发电位的分类识别及在脑机接El中的应用[D]．济南:山东大学,2008．
[3]孙进,张征,周宏甫．基于脑机接El技术的康复机器人综述[J].电机工程技术,2010,39(4):13-16．
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