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浅谈一种ADHD患儿便携式脑电生物反馈治疗仪

2020-03-01 433 上传者：管理员

摘要：文中所提到的ADHD患儿便携式脑电生物反馈治疗的仪器将通过设备对受试者脑电信号的采集、预处理、频域、时域处理和分析，有效地提取脑电信号中的特征参数，从而反应大脑皮层前额部位脑电活动节律。利用受试者自己的主观意识调节活动，从而达到治疗和促进健康效果的目的。

关键词：
ADHD
便携式脑电
听觉信号
生物反馈
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1、引言

生物反馈原理是利用设备仪器从患者那里收集视觉或听觉信号，揭示人体内部神经系统的正常或异常活动。在药物和理疗之后，为了控制身体内的内部活动而不被认识到的生理活动是另一种新的方法，将电信号反馈给受试者。利用受试者自己的主观意识调节活动，从一种提升注意力的便携脑电反馈仪的设计，从而达到治疗和促进健康效果的目的。

本文研究了一种ADHD患儿便携式脑电生物反馈治疗的仪器，使用便携式脑电生物反馈治疗仪将大脑皮层前额部位脑电活动节律反馈出来，对特定脑电活动进行针对性的训练，通过某一频段的脑电波选择性强化训练，从而达到预期的治疗目的。

目前在医疗机构中教广泛使用生物反馈技术，脑电生物反馈是生物反馈系统比较常用的一种。主要工作原理为通过设备对受试者脑电信号的采集、预处理、频域、时域处理和分析，有效地提取脑电信号中的特征参数，从而反映大脑活动的功能状态，现在是基础生理科学研究和临床应用研究的一种重要手段。基于注意缺陷多动障碍（ADHD）的脑电生物反馈训练系统是一种发展迅速的治疗儿童多动症的有效方法，且已经逐渐成为治疗儿童多动症的主要方向。其原理是在大脑生物反馈治疗系统的帮助下，反馈大脑皮层各个区域的脑电活动节奏；并通过训练来训练特定的脑电活动，以选择性地加强一定频段内的脑电波，达到所期望的治疗目的。尽管在中国，有的高校如清华大学、复旦大学、重庆大学和北京理工大学也都在从事脑电波相关研究。然而，这些系统存在一些不足之处，如采样频率不足、采集波形失真、放大器电路抗干扰能力弱以及信号分析中的技术不够先进等问题。如今，基于传统多导湿式电极的脑电图生物反馈技术已在比较多的医疗机构中也得到了广泛的应用，但由于这种设备其价格昂贵，且体积较大、佩戴电极麻烦不便，无法在普通家庭中普及。因此，在昂贵的医院中，有必要简化和使用脑电图生物反馈装置。进入大众市场是脑电图反馈发展的趋势。

2、脑电训练对ADHD的影响

据科学研究证实，只要大脑接受正确的训练，就能实现自我重塑，提高工作效率，只要训练方法正确，我们的大脑和神经系统都是具有可塑性的。在实际使用中，保持良好的行为鼓励和重复训练。根据脑实际放电情况，脑电生物反馈能快速及时反馈训练情况和实时反应训练内容。ADHD受试者必须要集中注意力才能达到预期训练的目标。通过这种反复训练方式，鼓励受试者刺激大脑神经，增加神经元，提高神经递质的传递效率，提高大脑信息传递效率，使受试者能够在反复训练的情况下迅速提高注意力。通过鼓励大脑的SMR（有效波段）和抑制分心波和高β波（低效波段），它可以增加SMR波的产生，减少高β波的干扰，使受试者自我提高控制自己大脑的能力，增加多动症患者的注意力。脑电生物反馈训练效果持久，经临床研究验证并无不良反应，可明显改善注意缺陷多动障碍的核心症状。

3、产品设计思路

本设计主要由以下主要部件组成，专注度训练，便携式头带电极、硬件电路对脑电信号进行采集及相应的滤波处理、特征值提取，专注度算法及模型搭建，输出实际有效的实时专注值，并利用声、光等效果实时反馈训练情况。实现方案技术框图如图1所示。

3.1 主要研究内容

脑电生物反馈治疗系统的软硬件设计，涉及注意力训练，便携式头带电极、硬件电路对脑电信号进行采集及相应的滤波处理、特征值提取，注意力算法及模型搭建。循序渐进的注意力方法训练。

3.2 关键技术

3.2.1 脑电采集模块设计

脑电图（EEG）是一种低频微弱最小只有几个微伏的脑电波信号，在进行有效的处理、分析、记录和显示之前，必须将其信号放大到系统所能正确识别的大小。多动症儿童脑电图放大是处理系统设计的重要组成部分。由于脑电信号容易被使用环境噪声和如心电、肌电等其它信号干扰，EEG信号会混杂着这些噪声。这些噪音和干扰需要很好的剔除，如果不能被很好地抑制和消除，这些噪音就会随着大脑的信号而被放大。所以要有效去除肌电、心电、眼动等信号和环境因素带来的干扰。具体包括如下硬件结构：

（1）脑电信号前置处理电路；

（2）输入缓冲放大级的设计；

（3）程控多级放大电路；

（4）脉冲抑制电路；

（5）驱动电路；

（6）高通、低通滤波电路；

（7）信号采集A/D及处理电路；

（8）传输电路。

3.2.2控制处理模块设计

采用干式电极采集额头部位脑电波，目前医疗机构多通道的脑电设备一般都使用湿电极，配套繁琐，还需涂抹导电膏，耗时耗力。相比之下，干式电极脑电图设备更容易使用，消除了洗发水和导电膏的麻烦。可以做成便携式设备。采用松紧式头戴固定干式电极，可以有效的固定在额头部并能使电极和额头充分可靠接触。脑电信号经电极拾取后，脑电信号经过前置放大电路、滤波放大电路、限幅限位电路、信号调理等电路后经A/D数模转换器转化为数字信号，并采用隔离器件（如光耦）传递给控制处理芯片。系统采用32位ARM嵌入式处理器STM32F401作为控制模块的核心器件。接收到数字信号后，首先利用特定的数字滤波器设计脑电信号进行50Hz工频滤波，设计0.5Hz到40Hz带通的带通滤波器，然后对进行频域、时域的脑电信号分析处理，提取特征值。最后传输到PC端显示，打印，数据还可以存储在电脑或SD卡上。采用电池供电和无线传输信号，以隔离环境带来的干扰。电路采用静电保护设计，能充分抵御接触6000V，空气放电8000V的ESD静电标准测试。

3.2.3 特征整合算法

利用FFT和小波变换提取有用的特征波形。同时开发专注度算法及模型搭建，用优势波形及特征值计算专注度，并搭建基于ADHD的专注度训练实时反馈脑电指标模型。

3.2.4 游戏化训练方案设计

儿童进行各种心理活动的一项必要条件是专注，直接影响到儿童学习和生活等各个方的主要原因是专注质量和专注的稳定性。注意力涣散是许多多动、学习困难儿童产生的问题的关键因素。本系统基于神经学、脑科学，综合心理学和生理学原理为基础，借助于声、光等显示技术，针对儿童注意力的集中性、持久性、广度、分配及转移灵活性等多方面进行训练。如采用个人想象力训练，也可以采用智能设备如游戏、舒尔特方格、图片、声音等方法进行正确的训练。

4、结论

本研究选取10例(6女4男)具有注意力缺陷症状的小朋友进行训练。受试者平均年龄8-12岁。受试者均符合精神疾病诊断与统计手册,未同时进行其他任何治疗。本实验总共持续30天，每天1次,每次训练15分钟。实验前后对比所有使用者的大脑SMR明显上升，分心波及高β波均明显降低，注意力都得到比较大的提升。理论上该设备对成年人的注意力训练也有很好的作用。目前该系统已达到小批量生产的能力，将会应用在更多人群，惠及更多人群。

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