多動(dòng)癥兒童的腦電控制產(chǎn)品設計論文

　　【摘要】目的：設計一款面向多動(dòng)癥兒童注意力培養的腦電控制玩具產(chǎn)品。方法：兒童對注意力的自我控制能力取決于其大腦神經(jīng)元細胞網(wǎng)絡(luò )鏈接與穩定程度，這個(gè)神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò )鏈接的穩定經(jīng)過(guò)強化訓練可以得到固化�；�于腦機交互技術(shù)構建兒童思維訓練產(chǎn)品，通過(guò)檢測腦電波數據，來(lái)控制玩具產(chǎn)品的運動(dòng)狀態(tài)，使孩子的注意力在娛樂(lè )的過(guò)程中得到提升。結果：基于腦電信號采集和交互控制技術(shù)，設計并制作了面向兒童關(guān)注力訓練的腦電玩具產(chǎn)品，并進(jìn)行了相關(guān)測試實(shí)驗。結論：本產(chǎn)品達到培養孩子注意力的目的，弱化兒童注意力障礙，減輕生活中因為意力不集中而產(chǎn)生的負面影響。

　　【關(guān)鍵詞】腦電；注意力缺陷綜合種；腦機交互；注意力提升

　　1前言

　　注意缺陷多動(dòng)障礙（ADHD）又稱(chēng)多動(dòng)癥，臨床主要表現為多動(dòng)、沖動(dòng)和注意力不集中三大核心癥狀，是兒童、青少年中最常見(jiàn)的行為障礙，也是學(xué)齡兒童患病率最高的慢性疾病之一。[1]多動(dòng)癥患者因注意缺陷而常伴有學(xué)習困難。多動(dòng)癥對于兒童的智力發(fā)展和知識積累具有很大的負面影響。注意力是所有能力的基礎，沒(méi)有注意力就是沒(méi)有記憶力，良好的專(zhuān)注力是學(xué)習成功的基本保障。如今社會(huì )的信息量龐大，各類(lèi)信息通道如網(wǎng)絡(luò )、游戲、影視等干擾繁多，孩子更加好動(dòng)，ADHD現象呈遞增趨勢。多動(dòng)癥兒童本身也很苦惱，有時(shí)被誤認為智力低下，從而影響兒童對學(xué)習和生活的信心。針對該病藥物治療可以取得很好的療效，但因存在食欲減退、失眠等不良反應以及潛在的藥物依賴(lài)性等風(fēng)險，使其在臨床應用上存在局限性。腦電生物反饋訓練由于療效持久、無(wú)不良反應且能夠很好地改善ADHD核心癥狀而得到越來(lái)越多的應用。本研究應用腦電技術(shù)[2,3]開(kāi)發(fā)相關(guān)益智玩具開(kāi)設玩具課程訓練改善ADHD注意力。利用對比前后分心值、緊張值和注意力值來(lái)判斷腦電益智玩具實(shí)際治療效果。

　　2腦電訓練對注意力的培養

　　在過(guò)去的幾十年間，國內外的科學(xué)家們一直在開(kāi)發(fā)一種被稱(chēng)為腦機接口（簡(jiǎn)稱(chēng)BCI）的人機交互技術(shù)[4-5]，在這種技術(shù)的幫助下，只要大腦能夠擁有正常的思維，哪怕四肢無(wú)法活動(dòng)，其思維波段也能幫助他們交流信息，發(fā)出指令和控制機器。[6]現在，隨著(zhù)研究的不斷深入，這種技術(shù)的應用前景已經(jīng)十分明朗。該技術(shù)可以運用于醫學(xué)研究，通過(guò)思維訓練與控制對行動(dòng)不便與注意力不集中的患者提供幫助，同時(shí)也可以運用于兒童的益智教學(xué)中。同時(shí)，如今有越來(lái)越多的的國內外父母開(kāi)始轉變其育兒方式，逐步開(kāi)始認識到注意力培養的重要性，并將益智玩具作為注意力培養、開(kāi)發(fā)兒童創(chuàng )造力和手眼協(xié)調性的工具。同時(shí)腦電波技術(shù)被證實(shí)在思維訓練過(guò)程中有極好的輔助效果。腦電技術(shù)已經(jīng)成為了炙手可熱的一個(gè)技術(shù)。而專(zhuān)業(yè)的、通過(guò)腦電波思維訓練的人機交互類(lèi)玩具是目前市場(chǎng)上卻極其缺乏，可謂需求量十分龐大。在國內，企業(yè)與高校也認識到思維訓練的重要性，近年來(lái)，浙江大學(xué)就在腦電波思維控制方面研究成果顯著(zhù)，例如：猴腦電波控制機械手抓本子拿杯子，利用腦電波診斷網(wǎng)癮等。在企業(yè)中，海爾集團率先開(kāi)發(fā)出"腦力波電視"，這款電視可以通過(guò)耳機監測腦電波，并轉化為數字信號，與電視中設定的游戲進(jìn)行互動(dòng)。在國外，尤其是發(fā)達國家，對注意力的培養十分重視，俄國教育學(xué)家烏申斯基就曾說(shuō)過(guò)：“注意是學(xué)習的門(mén)戶(hù)�！比绻�不打開(kāi)這扇大門(mén),人們就無(wú)法學(xué)習,也就無(wú)法獲得知識與技能。所以越來(lái)越多的科技公司投身于腦電波產(chǎn)品的研究與開(kāi)發(fā)中，例如PLX設備公司就推出了XWave頭戴設備，該設備采用了NeuroSky的eSense技術(shù)[7]，能收集從腦部釋放到前額的微弱電脈沖，并將這微弱的電脈沖模擬信號轉換為數字信號。通過(guò)XWave頭戴設備,使用者可以通過(guò)自己的思維控制iPhone中的特定思維訓練軟件，通過(guò)思維控制軟件中圖形的大小與形狀。近年來(lái)，人機交互技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)的應用潛力已逐步展現，像浸入式游戲等的'動(dòng)作識別技術(shù)，應用于虛擬世界與現實(shí)生活中的遙控機器人及遠程醫療等的觸覺(jué)交互技術(shù)等等，對于兒童產(chǎn)品高科技化也成為趨勢，越來(lái)越多的人意識到在幼兒及少兒時(shí)期智力培養的重要性，通過(guò)思維控制技術(shù)訓練兒童智力必將成為一種常見(jiàn)的教育手段。[8]但是目前市面上對兒童智力開(kāi)發(fā)與注意力的培養方面的產(chǎn)品形式十分單一，缺乏實(shí)質(zhì)性作用，而通過(guò)思維控制技術(shù)訓練注意力的產(chǎn)品就更加缺乏。[9]開(kāi)發(fā)有效的、互動(dòng)性強的兒童益智產(chǎn)品成為非常必要的事情

　　3產(chǎn)品設計思路

　　本次設計主要針對注意力不集中的兒童進(jìn)行思維集中訓練，通過(guò)腦電設備采集兒童腦電信號，通過(guò)無(wú)線(xiàn)藍牙技術(shù)設備傳輸到Arduino控制芯片上，將信號轉化為物理機械開(kāi)關(guān)控制器[10]，PWM技術(shù)實(shí)現腦電信號輸入Arduino控制芯片。裝置通過(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行傳動(dòng)過(guò)程。整個(gè)產(chǎn)品由Mindflex腦電頭套、Arduino控制芯片、電源適配器，電池，藍牙，導線(xiàn)等元件材料共同實(shí)現功能。利用這種控制，就可以實(shí)現兒童通過(guò)自身的注意力集中指數控制玩具，通過(guò)這種交互行為達到訓練提高兒童注意力的效果。本設計是針對兒童群體的益智玩具[11-14]，所以外觀(guān)的設計上要偏向可愛(ài)圓潤的造型，避免出現鋒利的直角造型。即能激發(fā)使用群體的興趣又能保證他們的安全，同時(shí)又不分散注意力，成功的進(jìn)行思維集中訓練。結合了調研數據以及對兒童喜好的觀(guān)察后，設計了游戲交互形式與方案。該方案是一款意念控制的泡泡機，泡泡是隨風(fēng)無(wú)規律運動(dòng)的，并且反射周?chē)�環(huán)境的各類(lèi)自然色。色彩豐富且有很強的互動(dòng)性，可以吸引孩子的注意力。這款腦電控制的泡泡機正是利用這一點(diǎn)，通過(guò)腦電信號接收放大，啟動(dòng)泡泡機，使其工作運轉。孩子在娛樂(lè )中無(wú)形中就鍛煉了注意力的集中，還可以為多動(dòng)癥患兒提供輔助治療。通過(guò)計算機軟件建模，利用精雕機制作出的泡泡機外部樣式基本模型（如圖1），并在此基礎上進(jìn)行修改和完善。手工焊接藍牙控制板與Arduino控制板（如圖2），并連接馬達，制作出簡(jiǎn)易的控制板模型，并寫(xiě)入腦電波控制程序進(jìn)行實(shí)驗。本產(chǎn)品效果圖分為兩個(gè)主體，分別為泡泡機與腦電信號收集耳機。（如圖3）

　　4交互控制設計

　　用戶(hù)將腦電耳機與泡泡機都接上電源，然后使耳機與泡泡機內的藍牙進(jìn)行配對，配對過(guò)程中腦電耳機的指示燈是藍紅交替閃爍，對當配對成功后藍的指示燈常亮。使用者將耳機佩戴至頭部，集中注意力，腦電信號通過(guò)腦電耳機捕獲，再通過(guò)藍牙傳輸到泡泡機內單片機上，單片機收到信號后，對信號做出處理，如果腦電信號中的注意力集中指數高的話(huà)，便可以觸及開(kāi)關(guān)使得泡泡機頂部的指示燈亮起，此時(shí)就會(huì )給機內馬達供電，馬達帶動(dòng)皮帶轉動(dòng)，使得風(fēng)扇轉動(dòng)。泡泡機成功運轉。反之如果注意力松懈的話(huà)，則指示燈就會(huì )熄滅，馬達也就停止轉動(dòng)。

　　5實(shí)驗

　　本研究選取30例（10女，20男）ADHD癥狀進(jìn)行課程訓練�；純浩骄�年齡8.23歲。研究對象均符合精神疾病診斷與統計手冊，未同時(shí)進(jìn)行藥物治療，并排除聽(tīng)力障礙、外傷性腦損傷、精神發(fā)育遲滯、孤獨癥譜系障礙、癲癇及神經(jīng)系統的其他疾病。本實(shí)驗課程外不再使用其他干預訓練效果的方法，也確認被試者未再使用相關(guān)ADHD藥物治療。本實(shí)驗20次為一個(gè)療程，每周3次，每次訓練30min，并分上下課時(shí)，上課時(shí)為15min，休息5min，下課時(shí)為10min。實(shí)驗前后對比，分心值平均下降9.1%，緊張值平均下降7.6%，注意力值平均上升12.3%。本研究應用SPSSl0.0軟件進(jìn)行統計處理。治療前后比較采用配對f檢驗，P<0.05為差異具有統計學(xué)意義。[15]

　　6總結

　　該設計是將當今市場(chǎng)上原有的傳統兒童玩具形式與腦電波思維訓練創(chuàng )意整合設計，整合設計了兒童注意力培養與腦機交換技術(shù)的一款玩具，針對目前一些兒童注意力不集中，無(wú)法專(zhuān)心學(xué)習的現象，設計出了一款具有實(shí)際意義，能輔助注意力訓練的兒童玩具。設計過(guò)程中始終以?xún)和�的角度思考�?wèn)題，考慮兒童喜好與其行為特征，逐步確立并完善產(chǎn)品形式與產(chǎn)品結構。

　　參考文獻：

　　[1]任靈敏,張赟,和慧麗等.視聽(tīng)整合連續測試對腦電生物反饋治療ADHD療效的評估[J].首都醫科大學(xué)學(xué)報,2014(5).

　　[2]黃安湖．P300腦電誘發(fā)電位的分類(lèi)識別及在腦機接El中的應用[D]．濟南:山東大學(xué),2008．

　　[3]孫進(jìn),張征,周宏甫．基于腦機接El技術(shù)的康復機器人綜述[J].電機工程技術(shù),2010,39(4):13-16．

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