研究分析：基于脑电生物反馈原理的注意力训练系统
【导读】
青少年普遍存在注意力低下、无法持续集中等现象，为此我们设计了一套基于脑电生物反馈的注意力训练系统，并创造性地提出一项新的注意力指标 BATR 和一种作用于严肃游戏的生物反馈机制。
一方面，我们设计了一种以视、听觉训练注意力的生物反馈机制，并融入针对注意力的不同品质和青少年人群的特点研发的三款严肃游戏中；另一方面，通过脑机接口设备选取脑区中与注意力显著相关的 Fp1 电极位置，提取出脑电生数据并使用傅里叶反变换进行频域、时域信号的转换，在时域频率下将其划分为 4 种代表不同含义的脑电波，选取其中的三类脑电波并创造性地提出一款新的注意力水平指标 BATR，作为输入严肃游戏模块的注意力数值。以验证应用于注意力训练的生物反馈机制的可行性。
设计原理注意力对青少年的发展有着至关重要的影响。根据中国青少年注意力状况调查，仅有 58.8%的学生能在上课时集中注意力，而能够坚持集中注意力达 30 分钟以上的仅有 39.7%。揭示了我国青少年的注意力状况不容乐观的现状。无法持续性集中注意力，不仅会影响青少年的学习和生活状况，严重者甚至会发展成注意缺陷、多动障碍，并遗传到下一代。
本套系统的整体设计思路是设计基于脑电生物反馈信号的严肃游戏，通过脑机接口设备采集到使用者的脑电生物电信号并经过傅里叶变换等一系列数据处理操作得到注意力水平数值，将注意力水平数值作为一个维度输入到严肃游戏模块控制游戏参数，游戏模块以任务的形式要求使用者不断提高注意力集中性和稳定性以达到任务要求，最终达到提升注意力水平的目的。
脑电信号的采集研究发现，位于人脑前半部的额叶区专门负责大脑中非任务性的长期记忆，与人的情绪和注意力息息相关，当额叶区损伤时，伴随着情感表达能力下降、注意力不能集中和记忆力丧失等症状出现在患者身上。
因此，额叶区通常是与注意力相关的研究的首选电极放置点，综合考虑，本系统将选取国际脑电图学会发布的 10-20 系统电极放置法中的 Fp1电极作为测量位置，即人的左前额叶，来作为测量青少年脑电信号的脑部位置。
训练用游戏的设计思路本系统设计了一种作用于严肃游戏的生物反馈机制，以视觉、听觉的奖惩反馈形式来操纵青少年在其他情况下意识不到或感觉不到的注意相关生理活动，由此达到控制大脑内部相关生理活动的目的，即不断地诱导青少年在游戏过程中有意提升其注意力与专注度，最终达到注意力训练的效果。
在综合训练模式中，基于学生的注意力水平，只有注意力水平超过基准值时的力量才能够完成标准动作（如推动箱子前进），并产生一系列视觉和听觉上的奖励反馈，而当注意力超过基准值持续一段时间时，角色的移动速度将得到提升，在整个过程中用户注意力持续性和集中性均进行了提升训练。
效果对比根据实验被试按自身真实情况填写的 MARIS表以及在测试人员帮助下填写的舒尔特方格量表，我们从深圳某小学中，选择 30 名受试者，平均年龄8.75岁（±1.24岁）并划分为 BATR实验组（10 名）、TBR 实验组（10 名）与对照组（10 名）。
由于受试者都是第一次接触脑机接口设备，为了帮助受试者更好地适应实验环境和得到更加有效的注意力训练，实验设置了 4 个梯度的训练难度，初始难度能够帮助受试者快速地适应佩戴脑机接口设备的环境，消除新鲜感，后续不断提高的难度有助于诱导受试者不断提高自身的注意力水平以完成任务。
本系统设计的包含生物反馈机制和严肃游戏的注意力训练系统能够在一定程度上提升实验被试的注意力水平。
结论经过30次训练，取部分被试实验数据进行可视化，结果如图所示：
本系统设计的，包含生物反馈机制和严肃游戏的注意力训练系统，能够提升实验被试的注意力水平。
参考文献《基于脑电生物反馈的注意力训练系统》
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