多動癥兒童的腦電控制產(chǎn)品設計論文
【摘要】目的：設計一款面向多動癥兒童注意力培養(yǎng)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)絡鏈接與穩(wěn)定程度，這個神經(jīng)元網(wǎng)絡鏈接的穩(wěn)定經(jīng)過強化訓練可以得到固化。基于腦機交互技術構建兒童思維訓練產(chǎn)品，通過檢測腦電波數(shù)據(jù)，來控制玩具產(chǎn)品的運動狀態(tài)，使孩子的注意力在娛樂的過程中得到提升。結果：基于腦電信號采集和交互控制技術，設計并制作了面向兒童關注力訓練的腦電玩具產(chǎn)品，并進行了相關測試實驗。結論：本產(chǎn)品達到培養(yǎng)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）又稱多動癥，臨床主要表現(xiàn)為多動、沖動和注意力不集中三大核心癥狀，是兒童、青少年中最常見的行為障礙，也是學齡兒童患病率最高的慢性疾病之一。[1]多動癥患者因注意缺陷而常伴有學習困難。多動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。如今社會的信息量龐大，各類信息通道如網(wǎng)絡、游戲、影視等干擾繁多，孩子更加好動，ADHD現(xiàn)象呈遞增趨勢。多動癥兒童本身也很苦惱，有時被誤認為智力低下，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，但因存在食欲減退、失眠等不良反應以及潛在的藥物依賴性等風險，使其在臨床應用上存在局限性。腦電生物反饋訓練由于療效持久、無不良反應且能夠很好地改善ADHD核心癥狀而得到越來越多的應用。本研究應用腦電技術[2,3]開發(fā)相關益智玩具開設玩具課程訓練改善ADHD注意力。利用對比前后分心值、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(yǎng)
在過去的幾十年間，國內(nèi)外的科學家們一直在開發(fā)一種被稱為腦機接口（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信息，發(fā)出指令和控制機器。[6]現(xiàn)在，隨著研究的不斷深入，這種技術的應用前景已經(jīng)十分明朗。該技術可以運用于醫(yī)學研究，通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，同時也可以運用于兒童的益智教學中。同時，如今有越來越多的的國內(nèi)外父母開始轉變其育兒方式，逐步開始認識到注意力培養(yǎng)的重要性，并將益智玩具作為注意力培養(yǎng)、開發(fā)兒童創(chuàng)造力和手眼協(xié)調(diào)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(jīng)成為了炙手可熱的一個技術。而專業(yè)的、通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(nèi)，企業(yè)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(wǎng)癮等。在企業(yè)中，海爾集團率先開發(fā)出"腦力波電視"，這款電視可以通過耳機監(jiān)測腦電波，并轉化為數(shù)字信號，與電視中設定的游戲進行互動。在國外，尤其是發(fā)達國家，對注意力的培養(yǎng)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。”如果不打開這扇大門,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于腦電波產(chǎn)品的研究與開發(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[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(shù)字信號。通過XWave頭戴設備,使用者可以通過自己的思維控制iPhone中的特定思維訓練軟件，通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(xiàn)，像浸入式游戲等的'動作識別技術，應用于虛擬世界與現(xiàn)實生活中的遙控機器人及遠程醫(yī)療等的觸覺交互技術等等，對于兒童產(chǎn)品高科技化也成為趨勢，越來越多的人意識到在幼兒及少兒時期智力培養(yǎng)的重要性，通過思維控制技術訓練兒童智力必將成為一種常見的教育手段。[8]但是目前市面上對兒童智力開發(fā)與注意力的培養(yǎng)方面的產(chǎn)品形式十分單一，缺乏實質(zhì)性作用，而通過思維控制技術訓練注意力的產(chǎn)品就更加缺乏。[9]開發(fā)有效的、互動性強的兒童益智產(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行思維集中訓練，通過腦電設備采集兒童腦電信號，通過無線藍牙技術設備傳輸?shù)紸rduino控制芯片上，將信號轉化為物理機械開關控制器[10]，PWM技術實現(xiàn)腦電信號輸入Arduino控制芯片。裝置通過開關進行傳動過程。整個產(chǎn)品由Mindflex腦電頭套、Arduino控制芯片、電源適配器，電池，藍牙，導線等元件材料共同實現(xiàn)功能。利用這種控制，就可以實現(xiàn)兒童通過自身的注意力集中指數(shù)控制玩具，通過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]，所以外觀的設計上要偏向可愛圓潤的造型，避免出現(xiàn)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，同時又不分散注意力，成功的進行思維集中訓練。結合了調(diào)研數(shù)據(jù)以及對兒童喜好的觀察后，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，泡泡是隨風無規(guī)律運動的，并且反射周圍環(huán)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，通過腦電信號接收放大，啟動泡泡機，使其工作運轉。孩子在娛樂中無形中就鍛煉了注意力的集中，還可以為多動癥患兒提供輔助治療。通過計算機軟件建模，利用精雕機制作出的泡泡機外部樣式基本模型（如圖1），并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），并連接馬達，制作出簡易的控制板模型，并寫入腦電波控制程序進行實驗。本產(chǎn)品效果圖分為兩個主體，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
用戶將腦電耳機與泡泡機都接上電源，然后使耳機與泡泡機內(nèi)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，腦電信號通過腦電耳機捕獲，再通過藍牙傳輸?shù)脚菖輽C內(nèi)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(shù)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(nèi)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。反之如果注意力松懈的話，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癥狀進行課程訓練。患兒平均年齡8.23歲。研究對象均符合精神疾病診斷與統(tǒng)計手冊，未同時進行藥物治療，并排除聽力障礙、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(tǒng)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次為一個療程，每周3次，每次訓練30min，并分上下課時，上課時為15min，休息5min，下課時為10min。實驗前后對比，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軟件進行統(tǒng)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(tǒng)計學意義。[15]
6總結
該設計是將當今市場上原有的傳統(tǒng)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(yǎng)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(xiàn)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.視聽整合連續(xù)測試對腦電生物反饋治療ADHD療效的評估[J].首都醫(yī)科大學學報,2014(5).
[2]黃安湖．P300腦電誘發(fā)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,張征,周宏甫．基于腦機接El技術的康復機器人綜述[J].電機工程技術,2010,39(4):13-16．
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