專利名稱：注意缺陷障礙癥的個性化矯治方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于醫(yī)學信息處理技術領域，具體地說是涉及一種利用計算機與人腦的信息 交互、在患者玩特定游戲過程中實現(xiàn)注意缺陷障礙的個性化矯治，可用于醫(yī)院臨床通過 非藥物無副作用對少年兒童所患注意缺陷障礙癥的治療。
背景技術：
注意缺陷障礙ADD是少年兒童時期常見的行為障礙性疾病，這種疾病以主動注意 的選擇性和穩(wěn)定性差、易沖動、易分心為主要特征，常見的繼發(fā)障礙有學習困難、品行 障礙以及某些情緒障礙，例如抑郁、自閉或孤獨癥等。
雖然通過藥物治療ADD最早受到重視，但目前還沒有針對ADD的發(fā)病機制而專 門研制的治療藥物，中樞興奮劑構成ADD治療藥物的主流，某些情況下抗抑郁、抗癲 癇發(fā)作藥或抗高血壓藥物都可用于治療ADD,但作用機制均不明確。臨床顯示，約有 60%的患者在藥物的作用下癥狀會得到不同程度緩解，但需長期用藥。隨著患兒年齡的 增長，需要不斷增加劑量才能保持一定療效。然而，對處于身心發(fā)育關鍵時期的少年兒 童來說，藥物治療所產(chǎn)生的副作用卻不容小覷，這些副作用主要包括心血管系統(tǒng)損害、 藥物成癮、厭食、腹痛、頭痛、失眠、肝損害，多疑、狂燥等精神障礙、及心源性猝死， 特別是對于長期用藥物的副作用更加明顯。為此，通過心理行為干預等非藥物方法治療 ADD是近年來開始重視的治療手段。
在對ADD進行的非藥物治療中，行為治療是最主要的方法。行為治療起源于1920 年巴甫洛夫的經(jīng)典條件反射理論和1950年Skinner的操作調(diào)節(jié)反射理論，理論分析了 專注于人的外顯行為與引起該行為的外部刺激之間的關系，提出通過控制外部刺激達到 校正行為的目的；同時認為主動注意不能較長時間保持的異常行為，與正常行為一樣， 都是通過某種學習而獲得并因強化而保持下來的，因此，可以通過另一種學習來逐漸消 除并最終矯正這種異常行為。在行為治療中，適時的獎懲是最為關鍵的。當患者正常行 為出現(xiàn)時給予強化性獎賞，以增加該行為的發(fā)生頻率；當異常行為出現(xiàn)時，不予理睬或 進行處罰，會逐漸減少異常行為的發(fā)生頻率。目前較為典型的行為治療方法有
(1) 在規(guī)定的時間內(nèi)用筷子夾乒乓球、拼圖、數(shù)黑點或者兩手拍球、走平衡木、 獨角椅、滑梯、跳跳床等。根據(jù)患者的病況，設置獎勵標準，達到標準時給予患者喜歡
的小禮物。 一般一周需要訓練4 6次，每次1小時 1.5小時，連續(xù)4 6個月。具體 參見參考文獻"Everett CR, Everett SV. Fa/m7y Hay Therapy /o/ The Guilford
Press. New York, 1999"。
(2) 視覺光點跟蹤、短時記憶、字母識別、字符轉換、連續(xù)計算等一些具體訓練 項目適合對年齡稍大的患兒進行行為治療，其難度依次增加，涉及記憶、注意維持、表 征以及思維等高級心理活動。訓練效果則由患病少兒對目標刺激反應的正確率、反應速 度、漏反應等指標定量估計。
上述這兩種傳統(tǒng)的行為治療方式雖然具有一定的療效且較為持久和無副作用，但由 于治療的過程長，內(nèi)容枯燥，不能針對患者的具體情況個性化設計，且治療進程和獎賞 受家長或教師主觀控制，不易準確掌握時叫，易使兒童厭倦，多數(shù)難以堅持。
(3) 普通的電子游戲治療法。隨著電子信息技術的發(fā)展，1990年代中期有人提出 ADD患者通過玩一些獸通的電子游戲?qū)ζ洚惓Ｐ袨檫M行治療，參見文獻"NemethDG， Creveling CC, et al. A Video Game Computer Sub-Program to Modify the Disinhibition Process in ADHD Adolescents.力/"c/ifves o/ C歸ca^ iVet^o/wyc/io/ogy, 1997， 12 (4): 375-376"。由于ADD患者多處于8 16歲年齡段，喜好電子游戲和動畫，這個方法無 疑對患者的是具有吸引力的。雖然普通電子游戲內(nèi)容豐富有趣，患者可以不感枯燥地長 時間玩，但又由于這些電子游戲不是專門針對ADD少兒治療作用而設計的，因而其內(nèi) 容常常不適合治療對象的需要，甚至有些游戲還會對少年兒童產(chǎn)生成癮的副作用。更重 要的是，患者在玩游戲的過程中也還是會出現(xiàn)注意力的非自主轉移，影響治療效效果。
(4) 基于患者腦電圖EEG中6 -^波的生物反饋療法。通過比較正常少年兒童與 ADD患者腦電圖EEG的時域表現(xiàn)，有學者發(fā)現(xiàn)ADD患者在進行思維相關實驗，例如 連續(xù)運算、對某些目標做出反應時，0波和5波活動增多，而相對的a波和yg波的活動 減少，相較于正常少年兒童的0/yS比值增大，且這些特征在枕葉頂部和額葉部位表現(xiàn) 尤其明顯。進一步的研究發(fā)現(xiàn)，ADD少兒很少產(chǎn)生14Hz以上的y5波活動，而主要是 以4 8Hz的0波活動多見?；谝陨戏治?，有學者提出了基于EEG中0-y8波的生物 反饋療法。參見參考文獻Monastra VJ. Electroencephalographic biofeedback (neurotherap力as a treatment for attention deficit hyperactivity disorder: rationale and empirical foundation. C7h'W fl/id^o/esce/^尸5yc/u'fl"/c C7/"/cs o/iVorf/i ^4/we"'ai, 2005， 14(l):55-82和參考文獻 Kropotov YD, Ponomarev VA, Grin-Yatsenko VA. EEG-Biocontrol Method in Treating the Attention Deficit Hyperactivity Disorder in Children, 他/naw尸/i戶'o/ogy， 2001, 27(4): 496-504。
由于腦電生物反饋療法的療效較為理想且無副作用，所以在臨床上得到普遍使用。
然而，腦電生物反饋療法由于存在以下缺陷限制了其療效的提高1)僅是通過簡單的 EEG頻域分析來確定獎勵的標準，即計算S、 a波和yS波的多少，有些系統(tǒng)直接簡化 到只看0/yS比值的大小，且這些標準對每個患者都是一樣的，無法根據(jù)患者的EEG特 征個性化確定。2)這些波形頻率特征之間的簡單關系是通過比較正常少年兒童與ADD 患者的EEG得來的，并不能完全代表患者當時的注意品質(zhì)。3)要求被試在訓練過程中 靜坐不動，集中注意力去控制屏幕上一個非常簡單的目標，如球體的上升，其內(nèi)容比較 枯燥。而且要求訓練6個月以上，每周三次，每次40分鐘，患者難以堅持；4)在臨床 應用過程中，由醫(yī)師根據(jù)患者的表現(xiàn)調(diào)節(jié)獎勵閾值，主觀隨意性大。因此如何將現(xiàn)代電 子信息技術引入ADD的行為治療，探索新的個性化ADD干預方法，是臨床醫(yī)學的迫 切要求。 發(fā)明的內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述行為治療方法的缺點，提出一種基于腦機交互的注意缺 陷障礙癥ADD的個性化矯治方法及裝置，使患者在與計算機較長時間的游戲互動過程 中，逐步改善其對注意力的合理調(diào)控，增強注意的選擇性和穩(wěn)定性，有效緩解患者癥狀。
本發(fā)明所依據(jù)的機理
(1)注意狀態(tài)的實時測定技術。過去測定患者的注意狀態(tài)，都是在較短時間內(nèi)通 過兒童視覺追蹤目標光點運動測定眼角膜和視網(wǎng)膜間的電信號反應曲線，將測定的曲線 與標準參考曲線進行比較，根據(jù)偏離程度確定患者的病種和程度，如申請?zhí)枮?00218646.2、200420021337.2和200310109026.1的專利文獻均公開了測量注意狀態(tài)的一 些方法。由于ADD患者在短時間內(nèi)注意力完全可能集中，特別是在看到自己感興趣的 東西時，注意力短吋間內(nèi)還可能相當集中，所以上述測定方法的生理病理依據(jù)并不充分 和可靠。
由于注意意識直接受控于大腦，利用反映腦神經(jīng)信息的腦電圖實時測量患者的注意狀態(tài)，比利用眼部生理信號的傳統(tǒng)方法更合理、更方便可行，例如，公開號為 CN101049236的中國專利申請，提出了利用腦電信號的雙譜分析與神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的 方法，將雙譜指數(shù)與事件相關電位的幅度及延遲量作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入?yún)?shù)，利用患者 操作過程中對目標的反應作為監(jiān)督信息來訓練神經(jīng)網(wǎng)絡，可較大幅度提高注意狀態(tài)的識 別率。
(2)受注意狀態(tài)控制的游戲演進與獎勵機制。少年兒童對動畫有著天然的興趣， 游戲是少兒最喜歡的活動，臨床表明，ADD少兒對自己感興趣的目標，其注意力集中 的時間可有不同程度的延長。
根據(jù)以上機理，本發(fā)明的技術思路是利用青少年患者喜歡游戲、爭強好勝的心理特 點，通過測得注意狀態(tài)信息調(diào)控游戲的演進過程和獎勵水平，誘導患者逐步延長主動注 意的保持時間。具體技術方案如下
一、矯治裝置
本發(fā)明的矯治裝置包括
腦電采集電極，用于釆集并連續(xù)記錄腦電信號，輸入給預處理電路；
預處理電路，用于對腦電信號進行放大、濾波、陷波，并通過模數(shù)轉換器輸送給計
算機；
數(shù)字信號處理器DSP，用于對計算機輸入的腦電信號進行經(jīng)驗模式分解，即EMD 分解，并提取分解后各通道的復雜性測度，并送給計算機；
計算機，用于存儲有剔除干擾的預處理程序、數(shù)據(jù)傳送程序、治療專用游 戲程序、及神經(jīng)網(wǎng)絡結構實現(xiàn)與學習訓練的程序，通過這些程序完成對腦電信號的濾波、 數(shù)據(jù)傳輸及對患者注意力的矯治。
上述的矯治裝置，其中腦電采集電極包括記錄電極對A1、 A2和接地電極G，該 記錄電極對置于大腦枕部，參考電極置于大腦的前額上部。
上述的矯治裝置，其中數(shù)字信號處理器DSP與計算機是雙向連接，計算機將軟件 濾波后的腦電信號送給數(shù)字信號處理器DSP， DSP將提取分解信號各通道的復雜性測 度再回送給計算機，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡測定患者當時的注意或非注意狀態(tài)，由測定的當時 注意狀態(tài)控制游戲的操作和得分結果。
上述的矯治裝置，其中所述的通過神經(jīng)網(wǎng)絡結構實現(xiàn)與學習訓練對患者注意力的矯 治，是將患者在游戲中的反應信息輸入給計算機，由訓練算法對神經(jīng)網(wǎng)絡進行有監(jiān)督的訓練，在游戲過程中逐漸形成適應患者特征的個性化網(wǎng)絡節(jié)點參數(shù)配置。 二.矯治方法
技術領域：
本發(fā)明的矯治方法，包括如下過程
(1) 將腦電采集電極A1、 A2和參考電極G放置在患者的頭皮上，通過放大、濾 波，提取原始腦電EEG模擬信號；
(2) 對原始腦電EEG模擬信號轉換成數(shù)字信號，并通過計算機剔除干擾后傳送給 數(shù)字信號處理器DSP;
(3) DSP對剔除干擾后的數(shù)字信號依次進行分段、EMD分解和提取分解后各通 道的復雜性測度，并傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡；
(4) 神經(jīng)網(wǎng)絡通過訓練，確定節(jié)點參數(shù)，并在確定節(jié)點參數(shù)后的神經(jīng)網(wǎng)絡中輸入 各通道復雜性測度，給出患者當時的注意或非注意狀態(tài)的分類結果；
(5) 通過游戲程序延長注意狀態(tài)的保持時間，即由游戲程序根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡給出的 患者當時的注意狀態(tài)，對后續(xù)游戲的演進過程和搏分結果進行調(diào)控，調(diào)動患者的爭勝心， 延長注意狀態(tài)的保持時間。
本發(fā)明具有如下優(yōu)點-
1. 本發(fā)明的電極由于采用單通道，便于使用，并通過與之對應的單通道信號處理， 保證了分析結果的可靠性。
2. 本發(fā)明由于采用了 DSP來對腦點信號進行注意狀態(tài)特征提取，提高了處理速度， 可實時給出分析結果，為在游戲過程中利用分析結果調(diào)節(jié)游戲進程和得分提供了技術基 礎。
3. 本發(fā)明由于采用EMD分解和復雜性測度、神經(jīng)網(wǎng)絡相結合的方法實時分析患者 的注意狀態(tài)，適應了腦電的非線性特性。
4. 本發(fā)明的游戲程序根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡測定患者當時的注意狀態(tài)分類結果，對后續(xù)游 戲的演進過程和得分結果進行調(diào)控，調(diào)動了患者的爭勝心，延長注意狀態(tài)的保持時間。
5. 本發(fā)明由于采用了多種非線性信號處理技術提取患者注意狀態(tài)的準確信息，并 根據(jù)少年兒童喜歡電腦游戲的心理特征，用所提取的這些信息調(diào)控少年兒童喜聞樂見的 電子游戲的演進與獎勵，以調(diào)動患者中樞神經(jīng)的調(diào)控潛力，促進神經(jīng)調(diào)節(jié)功能的逐歩康 復，為臨床ADD的非藥物有效干預提供了新的途徑。
本發(fā)明的目的、特征及優(yōu)點將結合實施例，參照附圖作進一歩的說明。


圖1是本發(fā)明矯治裝置結構示意圖2是本發(fā)明的矯治過程圖3是本發(fā)明采集腦電時所用的電極分布圖4是在不同注意狀態(tài)情況下單道腦電的經(jīng)驗模式分解圖5是本發(fā)明裝置中所用的神經(jīng)網(wǎng)絡結構圖6是利用反傳算法確定神經(jīng)網(wǎng)絡節(jié)點參數(shù)的流程圖7是本發(fā)明游戲調(diào)控過程圖。
具體實施例方式
參照圖l，本發(fā)明的裝置包括計算機、頭皮電極、腦電信號預處理電路、模數(shù)轉 換器電路和數(shù)字信號處理器DSP。其中腦電信號預處理電路由單通道腦電放大器、濾
波器和陷波器組成，放大器增益要保證使得信號幅度處于+5V^^—5V之間，濾波器的 濾波頻率在0.5Hz 70Hz之間，陷波電路則剔除信號中存在的50Hz頻率成分。腦電采 集電極由記錄電極對A1、 A2和接地電極G組成，如圖3所示，使用時將記錄電極對 置于大腦枕部，參考電極置于大腦的前額上部，該腦電采集電極通過屏蔽導聯(lián)線與預處 理電路相連接。預處理電路經(jīng)過12位模數(shù)轉換器與計算機相連，數(shù)字信號處理器DSP 與計算機雙向連接。DSP中包含了對腦電信號進行處理的軟硬件安排，主要實現(xiàn)對腦 電信號進行幾乎實時的EMD分解和分解后各通道的復雜性測度計算；計算機中存儲有 剔除干擾的預處理程序、數(shù)據(jù)傳送程序，及神經(jīng)網(wǎng)絡結構實現(xiàn)、網(wǎng)絡訓練和測試的程序。 腦電信號預處理電路和模數(shù)轉換器電路連續(xù)記錄在矯治過程中的腦電信號并送計算機， 計算機對該腦電信號進行軟件濾波后送數(shù)字信號處理器DSP進行EMD分解，提取分 解信號各通道的復雜性測度并回送給計算機，由計算機將該數(shù)據(jù)作為輸入信號送給神經(jīng) 網(wǎng)絡，由訓練算法對神經(jīng)網(wǎng)絡進行有監(jiān)督的訓練，在游戲過程中逐漸形成適應患者特征 的個性化網(wǎng)絡節(jié)點參數(shù)配置，測定出患者當時的注意或非注意狀態(tài)，由測定的當時注意 狀態(tài)控制游戲的演進和得分情況。
該矯治裝置神經(jīng)網(wǎng)絡的節(jié)點參數(shù)在患者第一次使用時是隨機確定的，以后在工作過 程中可以在受試者反應情況的監(jiān)督下對神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)進行反傳調(diào)整。患者在游戲中的 反應，包括延遲時間、誤反應、漏反應信息通過鍵盤或鼠標進入計算機，由軟件對神經(jīng)網(wǎng)絡進行有監(jiān)督的訓練，在游戲過程中逐漸形成適應患者特征的個性化網(wǎng)絡節(jié)點參數(shù)配 置。系統(tǒng)在每次使用完后會記憶患者的網(wǎng)絡參數(shù)配置,下次矯治開始時可以將參數(shù)載入。 這種有監(jiān)督的參數(shù)調(diào)整會使得網(wǎng)絡的輸出越來越接近正確的分類結果。 參照圖2，本發(fā)明的矯治過程如下
步驟一，提取原始腦電EEG模擬信號。
由醫(yī)護人員或家長將腦電采集所需的腦電采集電極Al、 A2和參考電極G放置在 患者的頭皮上，并使用導電膏以降低電極與頭皮之間的阻抗，通過放大、濾波，提取原 始腦電EEG模擬信號。
步驟二，對原始腦電信號進行模數(shù)轉換并傳送。
將放大濾波后的腦電EEG模擬信號通過模數(shù)轉換器轉換成數(shù)字信號送到計算機， 采樣頻率為每秒1400點。計算機在對該數(shù)據(jù)進行剔除干擾的預處理后，再將腦電信號 數(shù)據(jù)傳送給數(shù)字信號處理器DSP。
. 步驟三，DSP對腦電信號依次進行分段和EMD.分解。
1. 對采集的腦電數(shù)據(jù)進行分段處理，即以每秒采集的1400個點確定為一個段；
2. 釆集到一個段后隨即開始進行如下的EMD分解
(1) 令:c(0為待分析的1400點的腦電信號，確定該信號的所有局部極值點，并將
所有極大值點用三次樣條函數(shù)擬合出原數(shù)據(jù)序列的上包絡線，將所有極小值點用三次樣 條函數(shù)擬合出原數(shù)據(jù)序列的下包絡；
(2) 求上包絡線和下包絡線的均值并記為/n^)，有
<formula>formula see original document page 12</formula>
將/t,(f)看成原信號，重復以上步驟(3a) ~ (3b)，直到&(f)滿足內(nèi)蘊模式函數(shù)分 量的約束條件，確定第一個內(nèi)蘊模式函數(shù)分量為 (0 = ^(0， q(0為信號x《)中的最
高頻率分量；
(3) 用Jc《)減去c"0得到一個去掉高頻分量的差值K^即
<formula>formula see original document page 12</formula>
將KA看成原信號重復步驟(3a) ~ (3b)，可得到c力)，c3^，…，艮Pf "f)-c力),) (c) 當c。W或/;^滿足給定的終止條件，通常使/;W成為一個單調(diào)函數(shù)時，循環(huán)結束；(4)
將式(b)代入(C)式，得到所述待分析的腦電信號X(f)的分解結果為
W),(0 + "0 (d)
式中，為殘余函數(shù)，代表信號的平均趨勢；內(nèi)蘊模式函數(shù)分量C^)，C,W…C"^
分別包含了信號從高到低不同頻率段的成份，每一頻率段包含的成份都是不同的且隨信 號本身變化而變化。
對腦電EMD分解后的波形如圖4，在分解過程中可能會產(chǎn)生多個通道的分量，如 果產(chǎn)生超過7個通道以上的分量，由于超過7個通道的分量信息量過低而舍去，因而從 圖4可見有7個通道的波形。
步驟四，計算各分量c^)，'cJO…c"《)的復雜性測度。
對于一個離散的時間序列(A， jc2,…，xj，取平均值m，令序列中比w大的數(shù)為 1，比w小的數(shù)為零，得到一個(O, 1)序列。在這樣的(0， 1)序列中的一串字符S(&， S2,…，&)后再加一個或一串字符稱為Q，看Q是否屬于SQv ，該SQv是SQ字符串
中減去最后一個字符。如果這個字句前面出現(xiàn)過，這個字符就稱作是"復制"，如果沒 有出現(xiàn)過，則稱為"插入"。"插入"時用一個" "把前后字符分開。下一步把" " 前面的所有字符看作是S，再重復上述操作。
如上述可以用" "把字符串分成段，段的數(shù)目就定義為復雜度c(")。根據(jù)研究， 幾乎所有的(0， 1)序列的c(")在序列趨于無限長時都趨向一個定值，艮卩
<formula>formula see original document page 13</formula>所以，6(")是隨機序列的漸近行為，可以用它來使C(/2)歸一化，就成為了相對復雜度步驟五，神經(jīng)網(wǎng)絡即時確定患者的注意力狀態(tài)。 神經(jīng)網(wǎng)絡采用通用7-6-2-1四層前向多層網(wǎng)絡結構，如圖5所示。
將步驟4計算得到的各個通道的復雜性測度值從DSP送入計算機，作為神經(jīng)網(wǎng)絡 的輸入向量，對祌經(jīng)網(wǎng)絡進行訓練，以確定節(jié)點參數(shù)，完成訓練后神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出即是 系統(tǒng)測定的患者注意狀態(tài)。
參照圖6，神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的過程如下
1) 在患者第一次使用前，先給網(wǎng)絡各節(jié)點賦予一個非零較小的0 0.5之間的隨
機值；
2) 在將所述的復雜性測度作為網(wǎng)絡輸入向量，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層；
3) 計算神經(jīng)網(wǎng)絡的實際輸出，輸出值即為神經(jīng)網(wǎng)絡給出的注意狀態(tài)判斷結果；
4) 計算神經(jīng)網(wǎng)絡的實際輸出與理想輸出的差值，即如果患者對某個游戲目標做出 了反應，正確反應代表注意力集中，輸出正確值應為1.0，錯誤反應代表注意力不集中，a 輸出正確值應為0.0;
5) 判斷步驟4)所述的差值是否符合預先設定的一個容忍標準，如果差值可以容 忍，則訓練完成，神經(jīng)網(wǎng)絡各節(jié)點參數(shù)確定；如果差值不可容忍，則按標準反傳算法公 式反向逐層計算每層神經(jīng)元的局部梯度，逐個修正節(jié)點參數(shù)。
在游戲進行的過程中，患者對游戲過程中的部分目標做出的反應(包括誤反應、漏 反應和反應延遲)會不斷按照上述流程修正網(wǎng)絡節(jié)點的參數(shù)，隨著游戲的進行，網(wǎng)絡輸 出的數(shù)值會越來越準確地代表患者的注意狀態(tài)，最終實現(xiàn)對注意狀態(tài)的即時準確識別。
患者進行一次游戲治療完成后，計算機程序會自動記錄本次使用過程中最終形成的 節(jié)點參數(shù)，下次使用時根據(jù)病人ID直接調(diào)用，不用再次訓練。也就是說，網(wǎng)絡的參數(shù) 配置將是完全個性化的。
步驟六，通過游戲程序延長注意狀態(tài)的保持時間。
參照圖7，本發(fā)明的游戲基本調(diào)控過程如下
A. 患者啟動一個游戲時，腦電記錄與分析同時啟動；
B. 游戲程序根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡輸出的患者當時的注意力集中狀況，確定后續(xù)游戲的演進過程和得分結果
如果注意力集中的時間超過10秒鐘，在患者游戲基本分數(shù)上額外加分5%; 如果患者注意力不集中的時間超過4秒鐘，游戲內(nèi)容將適當增加一些障礙或聲音音 效，提醒患者集中注意力；
如果患者注意力不集中的時間超過IO秒鐘，在患者游戲的基本分數(shù)上將額外減分5%。
通過以上對后續(xù)游戲的演進過程和得分結果的調(diào)控，調(diào)動患者的爭勝心，延長注意 狀態(tài)的保持時間。
應用實例，這里以賽車游戲為例說明本發(fā)明游戲演進與獎賞的機制。
游戲開始后屏幕上會出現(xiàn)三輛賽車，中間的一輛是由患者本人控制的，其他兩輛是 由計算機程序設置自動運行的。賽車的速度可由患者本人選擇的游戲等級改變。設在苯 i^游戲等級時患者本人控制賽車的基本速度為v，其他兩輛賽車的速度總是v的0.8 1.2倍，具體的倍數(shù)由計算機在該范圍內(nèi)形成的隨機數(shù)產(chǎn)生。
患者本人控制的一輛賽車包括了其雙手操作和腦電控制兩個方面。患者操控游戲的 同時，系統(tǒng)對患者腦電進行'EMD分解和復雜度分析并由神經(jīng)網(wǎng)絡輸出患者的注意狀態(tài) 值，專門設計的賽車游戲程序會根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡輸出的患者當時的注意力集中狀況，確定 后續(xù)游戲的演進過程
如果注意力集中的時間超過10秒鐘，在患者游戲的基本分數(shù)上額外加分5%，同 時，患者所控制賽車的基本速度也額外增加5%;
如果患者注意力不集中的時間超過4秒鐘，游戲內(nèi)容將適當增加一些障礙或聲音音 效，提醒患者集中注意力；
如果患者注意力不集中的時間超過IO秒鐘，則在患者游戲的基本分數(shù)上減分5%， 同時，患者所控制賽車的基本速度也減少5%;
對賽道上隨機出現(xiàn)的路障，患者應用手控鍵盤操控賽車躲避。賽車每碰上一個路障，
基本速度降低3%，成功繞過路障時賽車的基本速度維持不變。
受計算機控制的兩輛賽車的速度改變是在患者控制賽車的基本速度上乘一個0.8 1.2范圍內(nèi)的隨機數(shù)。由于患者注意力集中而額外增加的速度不影響計算機控制賽車的 速度。
本發(fā)明利用少年兒童喜歡電腦游戲和爭強好勝的心理特征，在電子游戲中有效延長注意的保持時間，適合對6歲以上少年兒童或成人注意缺陷障礙癥患者進行非藥物治 療。
權利要求
1. 一種注意缺陷障礙的個性化矯治裝置，包括腦電采集電極，用于采集并連續(xù)記錄腦電信號，輸入給預處理電路；預處理電路，用于對腦電信號進行放大、濾波、陷波，并通過模數(shù)轉換器輸送給計算機；數(shù)字信號處理器DSP，用于對計算機輸入的腦電信號進行經(jīng)驗模式分解，即EMD分解，并提取分解后各通道的復雜性測度，并送給計算機；計算機，用于存儲有剔除干擾的預處理程序、數(shù)據(jù)傳送程序、治療專用游戲程序、及神經(jīng)網(wǎng)絡結構實現(xiàn)與學習訓練的程序，通過這些程序完成對腦電信號的濾波、數(shù)據(jù)傳輸及對患者注意力的矯治。
2. 根據(jù)權利要求1所述的矯治裝置，其特征在于腦電采集電極包括:記錄電極對Al、。 A2和接地電極G，該記錄電極對置于大腦枕部，參考電極置于大腦的前額上部。
3. 根據(jù)權利要求1所述的矯治裝置，其特征在于數(shù)字信號處理器DSP與計算機是雙 向連接，計算機將軟件濾波后的腦電信號送給數(shù)一信號處理器DSP， DSP將提取分解信 號各通道的復雜性測度再回送給計算機，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡測定患者當時的注意或非注意 狀態(tài)，由測定的當時注意狀態(tài)控制游戲的操作和得分結果。
4. 根據(jù)權利要求l所述的矯治裝置，其特征在于通過神經(jīng)網(wǎng)絡結構實現(xiàn)與學習訓練 對患者注意力的矯治，是將患者在游戲中的反應信息輸入給計算機，由訓練算法對神經(jīng) 網(wǎng)絡進行有監(jiān)督的訓練，在游戲過程中逐漸形成適應患者特征的個性化網(wǎng)絡節(jié)點參數(shù)配置。
5. —種注意缺陷障礙的個性化矯治方法，包括如下過程(1) 將腦電采集電極Al、 A2和參考電極G放置在患者的頭皮上，通過放大、濾波， 提取原始腦電EEG模擬信號；(2) 對原始腦電EEG模擬信號轉換成數(shù)字信號，并通過計算機剔除干擾后傳送給 數(shù)字信號處理器DSP;(3) DSP對剔除干擾后的數(shù)字信號依次進行分段、EMD分解和提取分解后各通道 的復雜性測度，并傳輸給神經(jīng)網(wǎng)絡；(4) 神經(jīng)網(wǎng)絡通過訓練，確定節(jié)點參數(shù)，并在確定節(jié)點參數(shù)后的神經(jīng)網(wǎng)絡中輸入各 通道復雜性測度，給出患者當時的注意或非注意狀態(tài)的分類結果；(5) 通過游戲程序延長注意狀態(tài)的保持時間，即由游戲程序根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡給出的患 者當時的注意狀態(tài)，對后續(xù)游戲的演進過程和得分結果進行調(diào)控，調(diào)動患者的爭勝心， 延長注意狀態(tài)的保持時間。
6.根據(jù)權利要求5所述的矯治方法，其中步驟(3)所述的EMD分解，是將一個腦 電信號分解成多通道分量，具體過程如下；(3a)令;c")為待分析的1400點的腦電信號，確定該信號的所有局部極值點，并將所有極大值點用三次樣條函數(shù)擬合出原數(shù)據(jù)序列的上包絡線，將所有極小值點用三次樣 條函數(shù)擬合出原數(shù)據(jù)序列的下包絡；(3b)求上包絡線和下包絡線的均值并記為/^(f)，有<formula>formula see original document page 3</formula> (a)將&(0看成原信號，重復以上步驟(3a) ~ (3b)，直到&(f)滿足內(nèi)蘊模式函數(shù)分量的約束條件，確定第一個內(nèi)蘊模式函數(shù)分量為/t^) = Cl(f)， c力)為信號40中的最高頻 率分量；(3c)用x(f)減去Cl(0得到一個去掉高頻分量的差值"^即<formula>formula see original document page 3</formula> (b) 將KA看成原信號重復步驟(3a) ~ (3b)，可得到c^)， c3(f)，，即<formula>formula see original document page 3</formula> (c)當c"(O或r"(O滿足給定的終止條件，通常使^(f)成為一個單調(diào)函數(shù)時，循環(huán)結束； (3d)將式(b)代入(C)式，得到所述待分析的腦電信號J^)的分解結果為<formula>formula see original document page 3</formula> (d) 式中，、(f)為殘余函數(shù)，代表信號的平均趨勢；內(nèi)蘊模式函數(shù)分量c^)，c，力)… (f)分別包含了信號從高到低不同頻率段的成份，每一頻率段包含的成份都是不同的且隨信 號本身變化而變化。
7.根據(jù)權利要求5所述的矯治方法，其中步驟(3)所述的提取分解后各通道的復雜性測度，按如下過程進行(3e)將內(nèi)蘊模式函數(shù)分量中的任一個分量看作時間序列(;q, 12，…，義 )，并取平均值w，令序列中比w大的數(shù)為1,比m小的數(shù)為零，得到一個(0， 1)序列， 并對該序列進行分段；(3f)根據(jù)分段數(shù)目計算復雜度測度C("):式中，c'(n)是分段數(shù)目，= ~"是(0， 1)序列的長度。log2(")
8. 根據(jù)權利要求7所'述的矯治方法，其中步驟(4)所述的神經(jīng)網(wǎng)絡通過i)ll練，確定節(jié)點參數(shù)，按如下過程進行(4a)在患者第一次使用前，先給網(wǎng)絡各節(jié)點賦予一個非零較小的0 0.5之間的隨機值；(4b)在將所述的復雜性測度作為網(wǎng)絡輸入向量，輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入層；(4c)計算神經(jīng)網(wǎng)絡的實際輸出，輸出值即為神經(jīng)網(wǎng)絡給出的注意狀態(tài)判斷結果；(4d)計算神經(jīng)網(wǎng)絡的實際輸出與理想輸出的差值，即如果患者對某個游戲目標做出 了反應，正確反應代表注意力集中，輸出正確值應為l.O，錯誤反應代表注意力不集中， 輸出正確值應為0.0;(4e)判斷步驟(4d)所述的差值是否符合預先設定的一個容忍標準，如果差值可以 容忍，則訓練完成，神經(jīng)網(wǎng)絡各節(jié)點參數(shù)確定；如果差值不可容忍，則按標準反傳算法 公式反向逐層計算每層祌經(jīng)元的局部梯度，逐個修正節(jié)點參數(shù)。
9. 根據(jù)權利要求5所述的矯治方法，其中步驟(5)所述的通過游戲程序延長注意狀 態(tài)的保持時間，按如下過程進行(5a)患者啟動一個游戲時，腦電記錄與分析同時啟動；(5b)游戲程序根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡輸出的患者當時的注意力集中狀況，確定后續(xù)游戲的演進過程和得分結果當注意力集中的時間超過10秒時，為患者游戲額外加分5%;當患者的注意力不集中時，游戲內(nèi)容適當增加一些障礙和聲音音效，提醒患者集中 注意力；當患者注意力不集中的時間超過IO秒時，為患者游戲額外減分5%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種注意缺陷障礙癥的個性化矯治方法及裝置，利用少年兒童喜歡電腦游戲和爭強好勝的心理特征，對患有注意缺陷障礙癥進行矯正。其過程是由頭皮電極記錄原始腦電信號，經(jīng)放大和預處理去除干擾后通過模數(shù)轉換器進入計算機；計算機控制DSP對腦電信號進行分段、經(jīng)驗模式分解和各通道分量的復雜性測度計算；將計算所得復雜度數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入向量，由訓練算法對神經(jīng)網(wǎng)絡進行有監(jiān)督的訓練，神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出測定了患者當時的注意或非注意狀態(tài)；專門設計的游戲程序會根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡測定的注意狀態(tài)即時調(diào)控游戲的演進和得分情況，以延長患者注意的保持時間。本發(fā)明適合對6歲以上少年兒童或成人注意缺陷障礙癥患者進行非藥物治療。
文檔編號G06N3/00GK101284156SQ20081001835
公開日2008年10月15日 申請日期2008年6月2日 優(yōu)先權日2008年6月2日
發(fā)明者李裕宏, 敏 沈, 晨 王, 申華林, 黃力宇 申請人:西安電子科技大學