论文总字数：35847字

摘 要

随着社会经济发展以及人民生活水平的提高，人类在社会生活中的压力增加，逐渐显现了很多神经系统的障碍，也产生了明显疾病性行为。神经反馈作为新兴的神经生物学性功能紊乱的治疗方法，在近几年得到了很大的发展。甚至在一些研究中，虽然伴随一系列其他影响，神经反馈已经显露出等同于或超越其余治疗方法的端倪。而近十几年来飞速发展的脑-机接口技术，也为神经反馈参与到现代医学的治疗中，起到了很大的帮助。

本文基于神经生理学，使用神经反馈技术，对人体脑电信号采集和分析的基础上，开发注意力训练系统。主要针对Beta和alpha节律，对神经脑电信号实现实时的提取，分析特征参数，并对受试者进行反馈，从生理学和心理学进行辅助治疗。主要完成了脑电采集系统的设计、脑电信号分析算法编程、并针对目标治疗人群ADHD设计相应的神经生理学反馈治疗反馈报告，为日后临床研究奠定基础。

关键词：神经反馈，Neurosky，脑-机接口，ADHD，注意力训练

Neurosky Mindwave Based Attention Training System

Abstract

Along with the social economic development and the improvement of people’s life quality, people suffer more from stress these days, which leads to a lot of neuro disorders and apparently disease like behaviors. As a rising treatment to psychological disorders, neurofeedback has been promoted in recent decades. Though there are some side-effects in a few of researches, neurofeedback have has emerged as superior or equivalent to either alternative or no treatment in many of the examined studies. Rapidly developed BCI (Brain Computer Interface) technology has done a great help for neurofeedback to involve modern treatment.

Based on neuro-biological, collecting and analyzing EEG signal, using neurofeedback, this article developed an attention training system. Mainly applying to the Beta and Alpha rhythm, we have real- time neuro EEG signal extracted, feature parameters recognizing and provide patients feedbacks—having adjuvant therapy through biological and psychological. We majored the EEG collecting system design、development, EEG analyzing algorithm programming, prepared for future clinical research and projected treatment for ADHD sufferers.

Keyword: Neurofeedback, Neurosky, BCI, ADHD, Attention Trainning

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪 论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究意义 1

第二章 脑电信号概述 3

2.1脑电的产生 3

2.2脑电特征 3

2.3脑电信号分类 3

2.4脑电信号采集 5

第三章 神经反馈原理 6

3.1 反馈 6

3.2 生物反馈 6

3.3 脑电反馈协议 7

3.3.1.Beta/SMR 7

3.3.2．Alpha/theta 7

3.3.3．皮层慢电位（SCP）训练 7

3.3.4．Alpha波不对称 7

3.3.5. qEEG 7

3.3.6. 亚低频 7

3.3.7. RTfMRI 7

第四章 注意力训练系统的开发 9

4.1 系统组成 9

4.2 脑电耳机介绍 9

4.2.1 Neurosky公司介绍 9

4.2.2 Mindwave脑电耳机介绍 10

4.2.3 Mindwave通信格式 10

4.2.4 Mindwave信号的接收原理 13

4.2.5 信号接收 13

4.3脑波处理算法 14

4.3.1 噪声消除 14

4.3.1.1 眼电信号消除 14

4.3.1.2 SG滤波器平滑降噪 14

4.3.2 窗函数 14

4.3.3 快速傅里叶变换FFT 15

4.3.4 功率谱密度PSD 16

4.3.5 小波与小波变换方法 16

4.4 脑电游戏 17

4.4.1Unity3D介绍 17

4.4.2 游戏开发 17

4.4.2.1 开始场景建立 17

4.4.2.2游戏场景背景 18

4.4.2.3 飞机显示 19

4.4.2.4 炸弹发射 20

4.4.2.5 炸弹爆炸 21

4.4.2.6 坦克的显示 22

4.4.2.7 坦克炮弹与爆炸 22

4.4.2.8 坦克运动 22

4.5 系统编程 25

4.5.1 注意力训练系统简介 25

4.5.2 界面设计 26

4.5.3 疲劳监测算法 29

4.5.4 均值、方差算法 30

4.5.5 训练效果评估算法 30

4.5.6 实验验证 31

第五章 总结与展望 32

第六章 致谢 34

参考文献（References） 35

第一章 绪 论

1.1 研究背景

随着社会经济的发展以及人民生活水平的提高，人类在生产生活中所需要进行的脑力劳动日益加重，这常常会造成压力过大、长时间的过度压力或者一些意外情况的出现，进而造成很多神经系统的障碍，产生明显的疾病性行为，例如抑郁症、精神分裂症、药物滥用、创伤后应激障碍(PTSD)、老年痴呆症等等。当然，也有很多疾病为先天性神经系统障碍，譬如注意缺陷多动障碍(ADHD)，又如自闭症、学习障碍。对于以上神经障碍的研究已经持续了数百年，上一个世代的治疗方法多为电痉挛疗法、药物疗法、手术疗法、谈话疗法等物理性或精神性疗法，而这些疗法通常会无效或带来长久而恶劣的副作用。其中最可靠的谈话疗法则需要整合生物学原理和认知方式来将完成治疗。

神经反馈作为最近几十年间替代旧疗法的新兴的治疗神经生物学性功能紊乱的治疗方法，在近几年已经得到了很强的发展。其对于患者脑部活动波动的的微小控制的实时性对于神经性疾病的治疗应该说有着自己的贡献，甚至在一些经过检验的研究中，神经反馈已经显露出等同于或超越其余治疗方法的端倪，虽然其中仍然伴随着一系列其他影响。

尽管神经反馈一直被人们所向往，但由于种种原因，人们很长时间不能很好地应用神经反馈这一治疗方法，其原因在于神经反馈治疗仪器的普遍昂贵以及种类稀少。而近几十年的在人类大脑表面皮层的神经信号提取能力方面的研究的突飞猛进，或许会使得神经反馈治疗变得简单而廉价，譬如美国Neurosky公司开发的可穿戴式神经信号提取工具，价格低廉又方便携带，而且方便进行二次开发。

1.2 研究意义

在所有的精神障碍性疾病当中，注意缺陷多动障碍(ADHD)是在青少年这一群体中较为常见的一种精神性疾病[1]，患者表现出与年龄不相称的注意力不集中症状，极大的影响了青少年的正常生理心理活动，同时对患者的家人带来了一定负担。在所有儿童之中出现几率为3%-5%的ADHD，其病症有70%-85%的几率会延长到其青春期甚至成年，由此造成的一系列不良影响诸如反社会人格甚至会对整个社会造成危害[2]，所以，尽快尽早的治愈ADHD患者，是神经医学界极为关注的问题。

而对于ADHD的治疗及临床研究，根据美国精神病学会发布的《精神障碍诊断和统计手册》第4版[3]和2011年美国儿科学会发表的儿童青少年多动症诊疗指南，目前最推荐的治疗措施为根据患者的不同年龄水平进行相应的药物治疗、行为治疗、心理治疗或组合治疗：4~6岁建议行为治疗；7~11岁建议药物治疗以及行为治疗；12~18岁建议药物治疗、行为干预和适当的心理治疗。

药物性治疗主要使用三类药物：中枢兴奋剂、非兴奋剂类药物以及可乐定，这三类药物虽然在临床研究以及日常治疗中展现了一定的疗效，但药物治疗需要的时间长，治疗时伴随的副作用也明显，常有厌食、恶心、头痛等症状发生，而且即使不使用兴奋剂类药物，这些症状也仅会减少，不会消失，其中副反应最少的可乐定会产生依赖症状，一但中断，其副作用更为强烈。行为干预则对患儿所在环境甚至患儿家庭、学校提出了较高要求，且并未出现显著疗效，复发率很高[4]。

随着现代医学对人体本身的研究的不断深入，对EEG(Electronencephalogram)的研究不断完善，通过脑电波采集分析进行神经生物反馈的自我治疗方法开始作为ADHD的一种有效的治疗方法而出现。截至今日，全世界已有至少七组可以信赖的RCT性关于治疗ADHD的神经反馈的研究，这些研究不断表明了神经反馈疗法的有效性以及不易复发性[5]。

但由于硬件条件限制，大多数的研究或临床治疗需要在一个复杂的情况下进行：采集设备繁复，反馈方案简单，器械大型，不利于患儿在一个相对放松的环境下接受治疗。本文开发的基于Neurosky的注意力训练系统，基于个人PC端，可以实现较为方便且放松的治疗，设备轻巧，且可以实时反映神经反馈数据，为日后的更为复杂有效的注意力治疗系统提供了思路及模板，也为日后进行相应神经反馈治疗的研究奠定了基础。

第二章 脑电信号概述

2.1脑电的产生

一般常说的脑电波(EEG)，其实是大脑皮质神经元在活动过程中产生的不稳定、波动的电位变化在大脑皮层上测得的电压变化。通常来讲，神经元在活动时，细胞膜内外的Na 、K 离子流入流出，形成电位差，通过局部电流方式在单个细胞上、通过突触在不同细胞之间进行电位传导。

单个神经元在正常状态下为静息电位，细胞膜内电位为负，膜外电位为正。受到刺激后，细胞膜上的钠离子通道打开，大量Na 内流，膜内变为正电位，电位变化的部位和静息电位的部分形成电位差，进而产生微小的电流，也使得兴奋可以在这一神经元上面传递。

而神经元之间的兴奋传导，是依靠突触结构来完成的。突触是前一神经元的轴突末梢分支(突触小体)与后一神经元的突起或细胞体贴附形成的结构。在突触这一结构上，分为突触前膜、突触间隙、突触后膜三个部分。当神经冲动到达突触前膜，突触前膜产生兴奋，同时释放抑制性或兴奋性化学递质，此后，化学递质在分泌后，通过突触间隙定向达到突触后膜，在接收到化学递质后，突触后膜兴奋，并产生突触后电位(抑制或兴奋性)。

在以上两种情况下，皮质神经元都会主动产生电现象。而脑电图测得的皮层电波，则有可能是以下三种原因：神经元膜电位及其波动，神经冲动的传导，由化学递质引起的兴奋或抑制性突触后电位。但经过神经生理学家张香桐的研究表明，我们通过大脑表层可以测得的有节律性的自发的电位变化，其实是大脑皮层内，神经细胞群在发生同步活动时全体的突触后电位的总和[4]。

2.2脑电特征

由于其本身是一个细胞群的突触后电位的总和，脑电波(EEG)是一个近似于物理学中正弦波的波形变化，且不同于单一细胞的电位变化。其振幅、周期、位相共同组成了它的基本特征，比较重要的振幅变化一般分为三种：1) 发育过程中由于年龄缓慢变化而出现的振幅缓慢变化；2) 突然性变化(迅速)；3) 短时变化(一般持续时间为毫秒级至分钟级不等)。EEG的周期指的是相邻两波的波谷之间的时间，而其位相(又称脑波的极性)的含义是不同部位之间的脑波关系[5]。

2.3脑电信号分类

EEG的频率一般在0.1Hz~30Hz之间，按照不同的频率，可以分析出不同的脑波成分，在国际上一般有两种分类方法，和田丰治分类法和Walter分类法[7]：

表2-1 和田丰治分类法

表2-2 Walter分类法

一般情况下，以Alpha波为基准，将Beta波和Gamma波称为快波，同时把Delta波和Theta波称为慢波，经过多年实验研究，现代医学界普遍认为各种不同频率范围的波来自人脑不同的区域，且在人体的生理心理活动中体现了不同的价值。

1) Delta波： 主要来源于皮质内部，会在婴儿以及熟睡的正常人或者患有严重器质性脑病的病人脑内被观察到。

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