多動症兒童的腦電控制產品設計論文

【摘要】目的：設計一款面向多動症兒童注意力培養的腦電控制玩具產品。方法：兒童對注意力的自我控制能力取決於其大腦神經元細胞網絡連結與穩定程度，這個神經元網絡連結的穩定經過強化訓練可以得到固化。基於腦機交互技術構建兒童思維訓練產品，透過檢測腦電波數據，來控制玩具產品的運動狀態，使孩子的注意力在娛樂的過程中得到提升。結果：基於腦電信號採集和交互控制技術，設計並製作了面向兒童關注力訓練的腦電玩具產品，並進行了相關測試實驗。結論：本產品達到培養孩子注意力的目的，弱化兒童注意力障礙，減輕生活中因爲意力不集中而產生的負面影響。

【關鍵詞】腦電；注意力缺陷綜合種；腦機交互；注意力提升

1前言

注意缺陷多動障礙（ADHD）又稱多動症，臨牀主要表現爲多動、衝動和注意力不集中三大核心症狀，是兒童、青少年中最常見的行爲障礙，也是學齡兒童患病率最高的慢性疾病之一。[1]多動症患者因注意缺陷而常伴有學習困難。多動症對於兒童的智力發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，沒有注意力就是沒有記憶力，良好的專注力是學習成功的基本保障。如今社會的資訊量龐大，各類資訊通道如網絡、遊戲、影視等干擾繁多，孩子更加好動，ADHD現象呈遞增趨勢。多動症兒童本身也很苦惱，有時被誤認爲智力低下，從而影響兒童對學習和生活的信心。針對該病藥物治療可以取得很好的療效，但因存在食慾減退、失眠等不良反應以及潛在的藥物依賴性等風險，使其在臨牀應用上存在侷限性。腦電生物反饋訓練由於療效持久、無不良反應且能夠很好地改善ADHD核心症狀而得到越來越多的應用。本研究應用腦電技術[2,3]開發相關益智玩具開設玩具課程訓練改善ADHD注意力。利用對比前後分心值、緊張值和注意力值來判斷腦電益智玩具實際治療效果。

2腦電訓練對注意力的培養

在過去的幾十年間，國內外的科學家們一直在開發一種被稱爲腦機接口（簡稱BCI）的人機交互技術[4-5]，在這種技術的幫助下，只要大腦能夠擁有正常的思維，哪怕四肢無法活動，其思維波段也能幫助他們交流資訊，發出指令和控制機器。[6]現在，隨着研究的不斷深入，這種技術的應用前景已經十分明朗。該技術可以運用於醫學研究，透過思維訓練與控制對行動不便與注意力不集中的`患者提供幫助，同時也可以運用於兒童的益智教學中。同時，如今有越來越多的的國內外父母開始轉變其育兒方式，逐步開始認識到注意力培養的重要性，並將益智玩具作爲注意力培養、開發兒童創造力和手眼協調性的工具。同時腦電波技術被證實在思維訓練過程中有極好的輔助效果。腦電技術已經成爲了炙手可熱的一個技術。而專業的、透過腦電波思維訓練的人機交互類玩具是目前市場上卻極其缺乏，可謂需求量十分龐大。在國內，企業與高校也認識到思維訓練的重要性，近年來，浙江大學就在腦電波思維控制方面研究成果顯著，例如：猴腦電波控制機械手抓本子拿杯子，利用腦電波診斷網癮等。在企業中，海爾集團率先開發出"腦力波電視"，這款電視可以透過耳機監測腦電波，並轉化爲數字信號，與電視中設定的遊戲進行互動。在國外，尤其是發達國家，對注意力的培養十分重視，俄國教育學家烏申斯基就曾說過：“注意是學習的門戶。”如果不開啟這扇大門,人們就無法學習,也就無法獲得知識與技能。所以越來越多的科技公司投身於腦電波產品的研究與開發中，例如PLX設備公司就推出了XWave頭戴設備，該設備採用了NeuroSky的eSense技術[7]，能收集從腦部釋放到前額的微弱電脈衝，並將這微弱的電脈衝模擬信號轉換爲數字信號。透過XWave頭戴設備,使用者可以透過自己的思維控制iPhone中的特定思維訓練軟件，透過思維控制軟件中圖形的大小與形狀。近年來，人機交互技術領域技術的應用潛力已逐步展現，像浸入式遊戲等的動作識別技術，應用於虛擬世界與現實生活中的遙控機器人及遠程醫療等的觸覺交互技術等等，對於兒童產品高科技化也成爲趨勢，越來越多的人意識到在幼兒及少兒時期智力培養的重要性，透過思維控制技術訓練兒童智力必將成爲一種常見的教育手段。[8]但是目前市面上對兒童智力開發與注意力的培養方面的產品形式十分單一，缺乏實質性作用，而透過思維控制技術訓練注意力的產品就更加缺乏。[9]開發有效的、互動性強的兒童益智產品成爲非常必要的事情

3產品設計思路

本次設計主要針對注意力不集中的兒童進行思維集中訓練，透過腦電設備採集兒童腦電信號，透過無線藍牙技術設備傳輸到Arduino控制芯片上，將信號轉化爲物理機械開關控制器[10]，PWM技術實現腦電信號輸入Arduino控制芯片。裝置透過開關進行傳動過程。整個產品由Mindflex腦電頭套、Arduino控制芯片、電源適配器，電池，藍牙，導線等元件材料共同實現功能。利用這種控制，就可以實現兒童透過自身的注意力集中指數控制玩具，透過這種交互行爲達到訓練提高兒童注意力的效果。本設計是針對兒童羣體的益智玩具[11-14]，所以外觀的設計上要偏向可愛圓潤的造型，避免出現鋒利的直角造型。即能激發使用羣體的興趣又能保證他們的安全，同時又不分散注意力，成功的進行思維集中訓練。結合了調研數據以及對兒童喜好的觀察後，設計了遊戲交互形式與方案。該方案是一款意念控制的泡泡機，泡泡是隨風無規律運動的，並且反射周圍環境的各類自然色。色彩豐富且有很強的互動性，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，透過腦電信號接收放大，啓動泡泡機，使其工作運轉。孩子在娛樂中無形中就鍛鍊了注意力的集中，還可以爲多動症患兒提供輔助治療。透過計算機軟件建模，利用精雕機制作出的泡泡機外部樣式基本模型（如圖1），並在此基礎上進行修改和完善。手工焊接藍牙控制板與Arduino控制板（如圖2），並連接馬達，製作出簡易的控制板模型，並寫入腦電波控制程序進行實驗。本產品效果圖分爲兩個主體，分別爲泡泡機與腦電信號收集耳機。（如圖3）

4交互控制設計

用戶將腦電耳機與泡泡機都接上電源，然後使耳機與泡泡機內的藍牙進行配對，配對過程中腦電耳機的指示燈是藍紅交替閃爍，對當配對成功後藍的指示燈常亮。使用者將耳機佩戴至頭部，集中注意力，腦電信號透過腦電耳機捕獲，再透過藍牙傳輸到泡泡機內單片機上，單片機收到信號後，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，便可以觸及開關使得泡泡機頂部的指示燈亮起，此時就會給機內馬達供電，馬達帶動皮帶轉動，使得風扇轉動。泡泡機成功運轉。反之如果注意力鬆懈的話，則指示燈就會熄滅，馬達也就停止轉動。

5實驗

本研究選取30例（10女，20男）ADHD症狀進行課程訓練。患兒平均年齡8.23歲。研究對象均符合精神疾病診斷與統計手冊，未同時進行藥物治療，並排除聽力障礙、外傷性腦損傷、精神發育遲滯、孤獨症譜系障礙、癲癇及神經系統的其他疾病。本實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ADHD藥物治療。本實驗20次爲一個療程，每週3次，每次訓練30min，並分上下課時，上課時爲15min，休息5min，下課時爲10min。實驗前後對比，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軟件進行統計處理。治療前後比較採用配對f檢驗，P<0.05爲差異具有統計學意義。[15]

6總結

該設計是將當今市場上原有的傳統兒童玩具形式與腦電波思維訓練創意整合設計，整合設計了兒童注意力培養與腦機交換技術的一款玩具，針對目前一些兒童注意力不集中，無法專心學習的現象，設計出了一款具有實際意義，能輔助注意力訓練的兒童玩具。設計過程中始終以兒童的角度思考問題，考慮兒童喜好與其行爲特徵，逐步確立並完善產品形式與產品結構。

參考文獻：

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

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

[3]孫進,張徵,周宏甫．基於腦機接El技術的康復機器人綜述[J].電機工程技術,2010,39(4):13-16．