多媒体脑波反馈儿童学习训练方法及训练仪

摘要

一种利用多媒体技术将生物反馈原理应用到儿童学习中的学习训练法及训练仪，训练法步骤：1.多媒体儿童学习游戏训练开始；2.采集儿童脑电波，每间隔10毫秒计算脑电波13－30Hz的β波段功率谱密度值；3.当后一结果与前一结果的β波段功率谱密度值之差大于阈值5时，游戏就会往胜利进行，反之则向负向进行。本法利用多媒体技术多制作的学习游戏，将生物反馈原理应用到儿童的学习中以影响认知活动的改变，通过这一脑波反馈的训练过程，充分调动儿童的内在潜力，训练提高儿童集中注意力，动画内容与小学生课本的知识相联系，将学习、娱乐与训练融为一体。训练仪操作简单、使用方便成本低廉。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用多媒体技术将生物反馈原理应用到儿童学习中的学习训练法。本发明还涉及为应用该学习训练法所研发的训练仪。

背景技术

近代科学已发现，人类大脑会发出脑电波，根据脑电波的频率不同从应用的角度习惯上将其分为4个频段：0.5-3Hz之间的称为δ波，又叫“深睡波”；4-7Hz之间的称为θ波，又叫“浅睡波”；8-13Hz之间的称为α波，又叫“松弛波”；14-30Hz之间或者更高的称为β波，又叫“兴奋波”；各种波可同时存在。正常人清醒工作状态时的脑电波在14Hz以上，甚至可达30Hz或更高。实验表明，通过强化13-16Hz的感觉运动节律(SMR波，β波范围内的脑波)和抑制4-7Hz的慢波能够改善注意力不集中、冲动性、轻度多动的状况；提高作业的完成技巧和组织技巧；使行为和学业改善、成绩提高、自尊感增强、工作能力提高、更加意识到自己的潜力。因此，可以利用脑电生物反馈这种方法、途径来提高学习效率。它是应用操作性条件反射的原理，以神经反馈为手段，通过训练选择性地强化某一频段的脑电波、充分调动使用者的内在潜力，将旧的动力规式打破，形成新的、有益的动力规式，使学者积极参与学习以达到预期目的。尤其是年龄在7岁以上的儿童使用该方法学习的效率更佳，与传统的药物疗法相比，脑电生物反馈疗法更能充分调动使用者的内在潜力，使使用者积极参与。

现有的儿童学习机主要是单方向靠视听刺激来激励儿童学习，到目前为止，国内还未见任何产品是将生物反馈原理应用到儿童的学习中的。

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题，就是提供一种根据脑电波β波的功率谱密度值的变化，控制多媒体儿童学习游戏动画内容的变化趋势，选择性地训练强化某一频段的脑电波，以影响儿童认知活动的改变，充分调动儿童的内在潜力，将学习、娱乐与训练融为一体，从而提高儿童学习兴趣的多媒体脑波反馈儿童学习训练方法。

多媒体脑波反馈儿童学习训练方法的步骤为：

1、多媒体儿童学习训练游戏开始；

2、采集儿童脑电波，每间隔1-10毫秒计算脑电波13-30Hz的β波段功率谱密度值；

3、当后一结果与前一结果的β波段功率谱密度值之差大于或等于某设定的阈值时，多媒体学习娱乐游戏就会往胜利或优势的方向进行，反之则往相反方向进行。

所述的多媒体学习游戏为利用多媒体技术特殊编制的学习游戏动画向儿童提供视听刺激，动画的内容与课本知识相联系，并将学习、娱乐与训练融为一体。

所述的采集儿童脑电波为：将3个脑电波采集电极分别贴在儿童头顶正中的中央区采集点、耳垂参考点和眉心接地点采集脑电波，并取中央区采集点与耳垂参考点之间的电位差来计算脑电波β波段的功率谱密度值。

所述的计算β波段功率谱密度值为：将采集到的脑电波电位差经运算放大、A/D模数转换成数字信号，再经光电隔离后通过FFT运算进行滤波，之后进行DTMF的提取运算，实时提取各个波段的实时波幅值和频率值，分离出β波段的相应值，来计算出β波段功率谱密度，每10毫秒计算一次功率谱密度值。

所述的阈值为5(可根据自身情况调节)。

本训练学习方法将生物反馈原理应用到儿童的学习中以影响认知活动的改变，利用多媒体技术编制特殊的学习游戏动画向儿童提供视听刺激，不断变化的动画内容传入儿童大脑连续呈示，继而有相应的脑波的不断变化；根据脑波的功率谱密度值的数值情况，又驱动动画内容的不断变化，不断提供新的刺激，反馈脑波随之也相应地不断变化，通过控制动画内容的变化趋势，选择性地训练强化某一频段的脑电波，可影响儿童认知活动的改变。训练过程中还可不断显示脑波的变化和受试者注意力集中的程度以及操作积分。通过这一脑波反馈的训练过程，达到训练儿童注意力集中与学习的目的。本学习训练方法将小学生的课本知识内容结合到学习游戏的反馈内容中来，学习游戏动画内容与小学生课本的知识相联系，既能让儿童在训练的过程中改善注意力不集中的状况，反馈内容的趣味性也能让儿童更能够融入到训练中来，积极配合训练过程，让训练效果更佳，而且更能让儿童在训练的过程中学习或复习课本知识，让其对学习的兴趣更浓。

本发明所要解决的第二个技术问题，就是提供一种为应用上述学习训练法所研发的训练仪。

本发明的多媒体脑波反馈儿童学习训练仪，设有：

脑电波采集处理模块：由依次电连接的脑电波采集电极、模拟信号采集电路、模拟信号放大电路、模数转换电路和光电隔离电路组成，采集电极有3个，分别贴在头顶正中的中央区采集点和耳垂参考点、前额正中接地点，前额正中接地点有分路经电阻后分接采集点与参考点，取中央区采集点与耳垂参考点之间的电位差输入模拟信号采集电路；

中央控制系统：植有安装了包括游戏的控制应用软件的嵌入式系统，游戏输出至音频及视频输出模块最后到音频及视频装置；通过系统软件的运行，将采集到的脑电波信号数据通过FFT算法进行滤波取1-34HZ波段，采用Goertzel算法和多窗口法来计算出脑电波频率在13-30Hz的β波的功率谱值，并计算出当前功率谱值和前一时间功率谱值的差值来作为游戏反馈的驱动，游戏开始时设定一个阈值，当该功率谱差值达到或超过设定的阈值的时候，游戏就往胜利或优势的方面进行，反之则朝相反方向进行，通过Display部分就会在外接显示设备中显示出来；

视频输出模块，将视频数字信号进行模拟转换；

音频输出模块，控制音频信号的输出；

视频装置，通过视频接口与视频输出模块连接；

音频装置，通过音频接口与音频输出模块连接；

存储单元，起到信息存储作用；

开关单元，通过控制整个电路板的电源供应来控制电路板的工作与否；

各模块及端口、接口、存储单元、开关单元分别与中央控制系统通过总线传输和接受指令；

电路板由一电源模块供电。

所述的电源进行电气隔离后为脑电波采集处理模块的放大器部分提供单独的电源。

所述的中央控制系统外接有数据输入输出端口，其提供usb接口和rs232串口，用来与外接U盘或PC机通信。

所述的中央控制系统外接有网络接口，通过此接口与外接PC机相连接，可以对中央控制系统上的软件程序进行调试及来传输相关信息。

所述的视频装置为电脑显示器和电视机，分别通过VGA接口和TV接口与中央控制系统连接。

所述的音频装置为蓝牙耳机或喇叭。

装置的软件系统由以下模块构成：

——脑电处理模块，接受经ADC转换和数字滤波后的信号，并进行功率谱密度换算，最后提取出β波段的实时波幅值和频率值，从而计算出功率谱密度值；

——游戏驱动模块，以脑电处理模块得到的实时β波段的功率谱密度变化值作为游戏进程的控制参数，使利用多媒体技术特殊编制的学习游戏动画根据β波段的功率谱密度值变化而变化，变化的动画通过视频和音频输出。

本训练仪利用多媒体技术多制作的学习游戏动画，将生物反馈原理应用到儿童的学习中以影响认知活动的改变，通过这一脑波反馈的训练过程，充分调动儿童的内在潜力，训练提高儿童集中注意力，学习游戏动画内容与小学生课本的知识相联系，将学习、娱乐与训练融为一体，且适合国人使用、操作简单、使用方便成本低廉。

训练仪为家用便携式仪器，使用单片机技术，把所有程序功能都集成在一块单片机上，把脑波采集、滤波等所有软件功能集成在一小块电路板芯片中，采用DTMF的提取运算来得到β波的实时波幅值和频率值，并且通过硬件滤波，大大提高运算速度，从而更好的保证反馈训练的实时性；训练仪直接采取β波段作为驱动信号，直接影响于大脑。产品的软件是针对电路板芯片独立开发的，作为刺激源的动画可通过USB接口随时更新，全中文说明的图形界面，电脑键盘简化为几个常用的按键，操作简单、易懂，符合国内患者的应用习惯，尤其适用于家庭使用。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本发明的训练仪作进一步的详细说明。

图1是本发明实施例总的电路连接方框图；

图2是实施例的脑电波采集处理模块电路图；

图3是实施例的音频输出模块电路图；

图4是实施例的存储单元电路图；

图5是实施例的中央控制系统与地板的连接器电路图；

图6是实施例的网络接口模块电路图；

图7是实施例的电路板的电源部分电路图；

图8是实施例的USB、RSR232接口数据传输模块电路图；

图9是实施例的开关电路图；

图10是实施例视频输出模块电路图；

图11中的部分起到的是固定电路板的作用；

图12是实施例的电极位置俯视图；

图13是实施例的电极位置侧视图。

具体实施方法：

如图1所示，本发明的多媒体脑波反馈儿童学习训练仪实施例的结构原理图，其硬件包括：脑电波采集处理模块1和中央控制系统2、音频输出模块3、视频输出模块4、视频装置5、音频装置6、数据传输端口单元7、网络接口单元8、存储单元9和开关单元10，各模块及端口、接口、存储单元、开关单元分别与中央控制系统通过总线传输和接受指令，整个训练仪内有一电源模块11(图7)为整块电路板提供5V直流电源；

其中：

脑电波采集处理模块(参见图2)，由依次电连接的脑电波采集电极、模拟信号采集电路、芯片放大电路、模数转换电路和光电隔离电路组成；采集电极有3个，由于三个电极和耳机都集中在使用者头部，因此本发明将其固定在一个头盔内侧分别对应于人头顶正中的中央区采集点、耳垂参考点和前额正中接地点，这样便于电极在儿童头部的固定，使电极不易因儿童的好动而脱落，采集电极通过与头皮(见图12、13)的接触采集脑电波，取中央区采集点与耳垂参考点之间的电位差通过AD620芯片进行信号放大，传输到Ads8320芯片进行模数转换，将放大的模拟信号转换成数字信号，芯片Ads8320的AD SCLK、AD SDO以及AD NCS端口与ADuM2400芯片中的相应端口相连接，将转换后的数字信号在ADuM2400中进行光电隔离，然后通过总线EGPIO3传输到中央控制系统的MCU进行计算处理；脑电波采集处理模块的放大器部分由电源进行电气隔离后单独提供；

中央控制系统：其ARM9平台移植有eCos操作系统及其驱动程序和本发明的生物反馈软件，植有安装了包括游戏的控制应用软件的嵌入式系统，游戏输出至音频及视频输出模块最后到音频及视频装置；通过系统软件的运行，将采集到的脑电波信号数据通过FFT算法进行滤波取1-34HZ波段，采用Goertzel算法和多窗口法来计算出脑电波频率在13-30Hz的β波的功率谱值，并计算出当前功率谱值和前一时间功率谱值的差值来作为游戏反馈的驱动，游戏开始时设定一个阈值(该阈值在游戏开始之前就预先设定的，其值存储在Memory中)，当该功率谱差值达到或超过预先设定的阈值的时候，游戏就往胜利或优势的方面进行，反之则向负向进行，通过视频输出模块Display就会在外接显示设备中显示出来；

音频输出模块Audio部分(见图3)控制音频信号的输出，UDA1341TS芯片为音频控制芯片，MCU中将音乐播放指令通过总线传输到该控制芯片，该控制芯片通过外接音频装置蓝牙耳机或喇叭播放音乐。在游戏训练开始后，中央控制系统就会发出指令到本模块，然后通过外接的音频设备播放出游戏训练的背景音乐；

视频输出模块Display部分(图10)将视频数字信号进行模拟转换，由于TV或者VGA都是用来输出模拟信号的，所以该部分通过74hc04芯片将数字信号进行模拟转换，然后通过VGA、TV控制芯片U15 VGA7005CTV，将视频信息通过外接的视频装置电脑显示器或者TV显示出来；

数据传输端口USB&RS232部分(图8)，该部分提供USB和RS232接口，MAX3232芯片控制RS232串口的连接，USB HOST控制USB接口的信息传递，用来与外接U盘或PC机通信；

网络接口Ethernet部分(图6)，通过网络线来传输相关信息，该部分是通过RTL8201芯片起作用，在调试电路板中软件时通过该接口与外接PC机相连接，通过网络线来传输相关信息，可以对中央控制系统上的软件程序进行调试和传输相关信息；

存储单元(图4)K912808U0C芯片起到信息存储作用，用作数据缓冲和即时运算结果的临时保存，通过总线与MCU相连接；

开关单元(图9)，通过控制整个电路板的电源供应来控制电路板的工作与否。

本训练仪的软件系统由以下模块构成：

——脑电处理模块，接受经ADC转换和数字滤波后的信号，并进行功率谱密度换算，最后提取出β波段的实时波幅值和频率值，从而计算出功率谱密度值。

——游戏驱动模块，以脑电处理模块得到的实时β波段的功率谱密度变化值作为游戏进程的控制参数，使利用多媒体技术特殊编制的学习游戏动画根据β波段的功率谱密度值变化而变化。变化的动画通过视频和音频输出。

系统的软件功能及实现方法如下：

开发平台和开发工具

本发明的功率谱密度计算、β波段提取程序和动画播放程序都是用eCos操作系统下的C++编译器编译的。

系统软件的具体实现

训练仪的软件部分主要实现脑电信号的数字滤波、功率谱密度计算、β波功率谱密度值提取和动画播放。

数字滤波程序：

利用快速傅立叶变换算法把缓冲区波形数据实时转换到频域，用衰减因子虑除频带1-34Hz以外的外界干扰信号。滤波完毕后再进行快速傅立叶逆变换，使波形重新转换为时域信号输出到功率谱密度计算程序。

功率谱密度计算及β波段提取程序：

通过对已进行滤波处理的脑电信号进行DTMF的提取运算来提取θ、α、β各个波段的实时波幅值和频率值，从而计算出功率谱密度。然后选择出β波段的功率谱密度值。

所述的功率谱密度值的运算间隔为10毫秒。

动画播放程序：

在本发明的系统中，有一个功率谱密度参考值(阈值)，为游戏开始前用户设定的游戏难度，默认值为5。游戏开始画面为游戏序列的中间某一幅图片。在游戏进行过程中，后一秒钟得到的β波功率谱密度值与前一秒得到的β波功率谱密度值平均值作比较，得出的差值再与参考值作比较，大于参考值，则图片序列以正顺序依次读入内存，并通过VGA/TV接口显示到外设上，反馈给使用者；若差值小于参考值，则图片序列以相反顺序依次读入内存，并显示到外设上。若差值持续大于参考值，则程序提取更轻松的音乐输出；若差值持续小于参考值，则程序改为提取较紧张的音乐输出。两种音乐的切换采用淡出淡入的连接方式，使整个训练过程的多媒体反馈保持连贯而且顺畅。

所有游戏均以一定顺序排列的图片序列来储存。在游戏进行过程中，用实时计算出的β波功率谱密度值与预先设定的阈值进行比较，用比较结果决定动画图片和音乐读取的顺序，对使用者实时反馈。

多媒体脑波反馈儿童学习训练方法的实施例：

首先，给训练的儿童佩戴电极，也就是本训练仪的头盔，3个脑电波采集电极分别贴在儿童头顶正中的中央区采集点、耳垂参考点和眉心接地点采集脑电波，将训练仪连接显示器或电视机；

启动训练仪，选择游戏和难度为5(阈值)，开始播放学习游戏，游戏的内容与课本知识相联系，并将学习、娱乐与训练融为一体；

这时，儿童的脑电信号经过采集电极输入，并取中央区采集点与耳垂参考点之间的电位差经运算放大、A/D模数转换成数字信号，再经光电隔离后通过FFT运算进行滤波，之后进行DTMF的提取运算，每一秒提取一次各个波段的实时波幅值和频率值，以此计算出功率谱密度，提取计算脑电波13-30Hz的β波段功率谱密度值(再经过工频滤波后送给ADC，ADC将其实时转换为数字信号后经过光电隔离后进行数字滤波，然后送到MCU，MCU通过调用系统软件对波形数据进行频率转换，变为β波功率谱密度变化)来驱动动画播放，经VGA/TV接口和音频接口输出到显示器/TV和耳机反馈给儿童。儿童接收到视频和音频的反馈信息后，大脑自我调节，变化的脑波经过仪器实时转换为功率谱密度值，并驱动动画实时变化，实时反馈，实时输出到显示器/TV上显示。

当儿童的β波后一秒与前一秒的功率谱密度值之差大于或等于阈值5时，游戏向胜利的趋势发展，当儿童的β波功率谱密度变化值持续维持在阈值之上，则游戏达到胜利，并显示出一定分数的奖励；若β波功率谱密度变化值低于阈值，游戏则向失败的方面进行，并减去一定分数作为惩罚。在额定时间内，利用游戏不断变化的内容提供视听刺激，传入使用者的大脑，向使用者连续呈示，引起其认知活动的改变，继而有相应的脑电波的不断变化，根据脑波的功率谱密度值的数值情况，再引起动画内容的不断变化，不断提供新的刺激，脑电波也相应地不断变化，影响认知活动的改变。通过这一脑波反馈的训练过程，使儿童逐渐习惯性产生β波，即注意力集中，从而达到反馈训练的目的。

多媒体学习游戏为利用多媒体技术特殊编制的动画向儿童提供视听刺激，动画的内容与课本知识相联系，例如：就一减法数学题而言，在刺激动画中描述了在树上停留的5只小鸟，当训练过程中注意力集中，功率谱密度值差值高过设定的阈值时，发出的剑就能够射中其中的一只小鸟，(达到了脑波训练的目的)，这时会出现与之相应的一道应用题：树上有5只鸟，被猎人射掉了一只，树上还剩几只鸟？如果想进行下一内容的训练，就必须先答对此题目(达到的与课本结合的目的)。如此便将学习、娱乐与训练融为一体。

作为多媒体的反馈源，反馈动画选择了符合中国教育背景及国人习惯的游戏方式，当儿童β波的功率谱差值达到某一阈值的时候(阈值因人而异，处理模块能通过带上电极后采集换算出，也可由训练者自己进行阈值的设置)，游戏就能通关或者说往胜利的方向走，反之则不。