宋逍雄 高瞻 周海昌

摘要：冥想可以改善多種與人生活方式有關(guān)的健康問題，包括抑郁癥患者的抑郁癥狀，以及減輕慢性疼痛患者的疼痛感等。將腦機接口技術(shù)（BCI）與虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）相結(jié)合，設(shè)計并實現(xiàn)了基于腦機接口的虛擬現(xiàn)實冥想系統(tǒng)。系統(tǒng)提供沉浸式虛擬環(huán)境和引導(dǎo)冥想軌跡，同時使用腦機接口設(shè)備進(jìn)行腦電圖（EEG）數(shù)據(jù)采集，經(jīng)藍(lán)牙傳輸?shù)絇C端進(jìn)行分析與處理，監(jiān)測參與者的心理變化，并實時提供視覺、聽覺等系統(tǒng)反饋。研究結(jié)果初步證明系統(tǒng)可以幫助用戶更好地進(jìn)行冥想訓(xùn)練。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實；腦機接口；冥想；交互技術(shù)

DOI：10.11907/rjdk.173232

中圖分類號：TP303

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2018）007-0019-04

Abstract：Meditationpracticescanimprovevarioushealthproblemssuchasreliefofdepressionfordepressivepatientsandpainforpatientswithchronicdiseases.Thisarticlecombinesbrain-machineinterface（BCI）technologywithvirtualrealitytechnologytodesignandimplementameditationsystembasedonbrain-computerinterfaceofvirtualreality.Thesystemprovidesimmersivevirtualenvironmentandthetrajectoryofguidedmeditations；meanwhileitcollectselectroencephalogram（EEG）databythebrainmachineinterfacedevice.TheEEGdatawhicharetherecordsofparticipants'psychologicalchangesandovisualandauditoryfeedbackistransmittedviabluetoothtothePCforanalysisandprocessing.Theresultsshowthatthesystemcanpromotethepracticeofmeditationtraining.

KeyWords：virtualreality；brain-computerinterface；meditationtraining；interactivetechnology

0引言

冥想（Meditation）是一種綜合性的心理與行為訓(xùn)練，其有助于個體建立一種特殊的注意機制，達(dá)到心理上的整體提升[1]。經(jīng)證明，冥想可以改善多種與人生活方式有關(guān)的健康問題，包括抑郁癥患者的抑郁癥狀，減輕慢性疼痛患者的疼痛感等[2]。冥想也被證明可以減輕壓力，促進(jìn)身體放松，這對很多人，包括對生活滿意度較低的人[3]都是非常有益的。

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術(shù)誕生于20世紀(jì)80-90年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、教育、娛樂等方面。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，通過對視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人產(chǎn)生身臨其境之感[4]。虛擬現(xiàn)實的沉浸性、交互性、構(gòu)想性特點可以使用戶獲得更好的交互體驗[5]。因此，本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建適合于冥想的虛擬現(xiàn)實場景。

腦-機接口（Brain-ComputerInterface，BCI）是在人腦和計算機或其它電子設(shè)備之間建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路（外周神經(jīng)和肌肉組織）的全新對外信息交流和控制技術(shù)[6-7]，實質(zhì)為通過腦信號推斷人的想法，從而實現(xiàn)人機交流[8]。BCI反饋技術(shù)是將EEG信號的識別結(jié)果通過形象的視覺或聽覺信號[9]反映出來，其目的是通過對人腦進(jìn)行思維訓(xùn)練以產(chǎn)生最佳的EEG信號。目前BCI研究常用的反饋方式包括滾動條、虛擬導(dǎo)航、光標(biāo)[10]、光斑[11]、虛擬現(xiàn)實、神經(jīng)肌肉感覺刺激[12-13]等。其中，在滾動條、虛擬航標(biāo)、光標(biāo)、光斑幾種反饋方式中，受試者的想象動作通常與得到的反饋不一致，效果較差[14]。因此，本文設(shè)計了一種與VR結(jié)合的反饋系統(tǒng)。

將BCI技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合是近年來在多媒體和娛樂領(lǐng)域出現(xiàn)的一種BCI應(yīng)用的新形式[15]。實現(xiàn)BCI與VR相結(jié)合最簡單的方式是設(shè)計一個令用戶有身臨其境感的3D虛擬境，以及可現(xiàn)場傳感反饋以便實時使用的BCI系統(tǒng)。BCI-VR系統(tǒng)通常由BCI和VR兩部分構(gòu)成。BCI記錄大腦信號，提取其中生理或心理狀態(tài)特征參數(shù)，并對思維意向分類識別進(jìn)行實時分析處理，以生成控制命令；VR軟件則模擬、渲染和建造VE世界，為用戶提供反饋并處理來自BCI的命令[16]。

1BCI-VR系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文基于腦機接口技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實冥想系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩部分構(gòu)成：腦波信號采集模塊與虛擬現(xiàn)實交互反饋模塊。其中，腦波信號采集處理模塊是將腦立方（Mindwave）采集到的EEG信號經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換為1～100的整數(shù)信號，然后通過藍(lán)牙傳輸給PC端；虛擬現(xiàn)實交互反饋模塊采用3DMax建模用戶冥想場景，通過藍(lán)牙實時接收數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，同時根據(jù)信號作出系統(tǒng)交互反饋。受試者可以進(jìn)行多次訓(xùn)練，實時調(diào)整大腦的運動想象方式，從而掌握產(chǎn)生最佳EEG信號的方法。

1.1相關(guān)硬件介紹

通過對腦立方（Mindwave）腦電設(shè)備、HTCVive虛擬現(xiàn)實頭盔、藍(lán)牙傳輸模塊和傳輸終端等進(jìn)行軟硬件集成，開發(fā)基于腦機接口的虛擬冥想訓(xùn)練原型系統(tǒng)，硬件設(shè)備如圖2所示，主要包括：

（1）腦電信號采集模塊。該模塊采用腦立方腦電耳機作為BCI接口，通過放置在前額的一個傳感器以及放置在耳部的參考電極觸點進(jìn)行腦電波信號測量，然后通過藍(lán)牙與電腦/平板電腦/手機連接，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)和信息。其輸出采用NeuroSky專利技術(shù)的關(guān)注度及放松度指數(shù)，反映出佩戴者當(dāng)前的精神狀態(tài)。同時還可輸出原始的腦電波信息以及不同頻段的腦電信息。

（2）虛擬現(xiàn)實頭盔。HTCVive通過一個頭戴式顯示器、兩個單手持控制器、一個能于空間內(nèi)同時追蹤顯示器與控制器的定位系統(tǒng)（Lighthouse）3部分為使用者提供沉浸式體驗。頭顯上是一塊OLED屏幕，2K分辨率大大降低了畫面顆粒感，用戶幾乎感覺不到紗門效應(yīng)；畫面刷新率為90Hz，實際體驗幾乎零延遲，用戶不會感到惡心和眩暈；兩個單手持控制器可以讓用戶進(jìn)行交互；控制器定位系統(tǒng)Lighthouse采用激光和光敏傳感器定位確定用戶位置，允許用戶在一定范圍內(nèi)走動。

1.2系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)

1.2.1BCI信號采集處理

腦電信號采集模塊具有藍(lán)牙功能，與電腦連接后會生成連接串行端口號，然后在自行編寫的腳本文件中設(shè)置對應(yīng)端口號，即可傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭汛罱ê玫腢nity軟件平臺進(jìn)行處理。腦立方頭環(huán)首先對原始腦電波信號進(jìn)行放大，過濾環(huán)境噪聲及肌肉組織運動產(chǎn)生的干擾，然后通過對處理后的信號進(jìn)行計算，得到量化的冥想度（Meditation）指數(shù)和專注度（Attention）指數(shù)。腦立方頭環(huán)可以針對不同使用者腦電波信號在正常范圍內(nèi)的波動趨勢和個體差異進(jìn)行動態(tài)補償，因而可適用于不同人群與周邊環(huán)境，并且在不同應(yīng)用場景下都具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性。

1.2.2VR交互反饋

VR交互反饋模塊包括搭建虛擬場景供用戶訓(xùn)練，搭建數(shù)據(jù)庫存儲用戶數(shù)據(jù)，設(shè)計交互方式反映腦波數(shù)據(jù)變化，完善系統(tǒng)方便用戶操作。

（1）3DMAX建模。首先需要在3DMAX軟件中創(chuàng)建適合用戶冥想的虛擬場景。本系統(tǒng)共設(shè)計了3個場景，如圖3所示。場景建立采用粒子效果、動畫（Animation）系統(tǒng)、著色器（shader）等Unity3D技術(shù)，使場景給用戶帶來一種舒適的感覺，讓用戶放松身心，從而更好地進(jìn)行冥想訓(xùn)練。

（2）數(shù)據(jù)庫建立。每個用戶擁有一個賬號，用于記錄個人信息、訓(xùn)練情況以及訓(xùn)練進(jìn)程。

（3）設(shè)計交互方式。交互方式包括手柄交互和腦波控制物體移動，包括蝴蝶飛行、云吸入與花的生長等，如圖4所示。

（4）VR場景完善。在VR反饋平臺添加提示面板和若干按鈕，優(yōu)化了反饋系統(tǒng)功能。用戶可以根據(jù)提示信息自主操作，且系統(tǒng)會實時給出反饋信息，如圖5所示。

1.2.3系統(tǒng)應(yīng)用

被試者戴上腦電采集頭環(huán)和虛擬現(xiàn)實頭盔進(jìn)行訓(xùn)練，如圖6所示。虛擬場景給予被試者視覺與聽覺誘導(dǎo)，受試者可以實時查看物體運動與自己想象是否一致，從而不斷調(diào)整，通過多次訓(xùn)練以產(chǎn)生最佳EEG信號。

在腦機接口系統(tǒng)中，EEG信號經(jīng)處理后被轉(zhuǎn)換成0～100的數(shù)字信號，虛擬現(xiàn)實反饋系統(tǒng)每隔1s通過藍(lán)牙從腦機接口系統(tǒng)端接收數(shù)據(jù)，如果成功讀取到數(shù)據(jù)，會實時將數(shù)據(jù)顯示到虛擬現(xiàn)實頭盔中，場景中的物體會向特定方向移動；如果未讀取到數(shù)據(jù)，則會給出提示信息，直至讀取到有效數(shù)據(jù)為止。

2系統(tǒng)測試

2.1測試過程

腦電采集頭環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式包括一個“大包”和一個“小包”，其中大包以約1Hz的頻率發(fā)送，小包以約512Hz的頻率發(fā)送，即1s內(nèi)發(fā)送512個小包和一個大包。小包數(shù)據(jù)為腦波原始數(shù)據(jù)，大包包括冥想度、專注度和EEG的10個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

冥想度和專注度指數(shù)分別用于描述被試者進(jìn)入冥想狀態(tài)（類似精神放松程度）或?qū)Ｗ顟B(tài)（類似注意力集中程度）的程度。它描述的不是當(dāng)前精神狀態(tài)的一個絕對數(shù)值，而是當(dāng)前精神狀態(tài)活動波動范圍的相對數(shù)值。數(shù)值在40～60之間，表示此刻該項指數(shù)的值處于一般范圍，這一數(shù)值范圍類似于常規(guī)腦電波測量技術(shù)確定的“基線”；數(shù)值在60～80之間，表示此刻該項指數(shù)值處于“較高值區(qū)”，說明當(dāng)前受試者的專注度或放松度比正常情況下高；數(shù)值在80～100之間，表示處于“高值區(qū)”，說明受試者處于非常專注或非常放松的狀態(tài)。同理，如果數(shù)值在20～40之間，則表示此時的冥想度和專注度指數(shù)水平處于“較低值區(qū)”；數(shù)值在1～20之間，則意味著處于“低值區(qū)”，表示被試者的精神狀態(tài)表現(xiàn)為不同程度的心煩意亂、焦躁不安等。

圖8是同一用戶第1次、第5次與第10次分別完成專注度訓(xùn)練的數(shù)值變化曲線。

從圖8可以看出，被試者在進(jìn)行專注度訓(xùn)練時，隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，完成訓(xùn)練的時間逐漸減少。從專注度數(shù)值變化可看出被試者可以更快地集中注意力，第10次的專注度高值區(qū)比第1次與第5次出現(xiàn)得更早。

圖9是同一用戶第1次、第5次與第10次分別完成冥想度訓(xùn)練的數(shù)值變化曲線。

從圖9可以看出，被試者在進(jìn)行冥想度訓(xùn)練時，隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，完成訓(xùn)練的時間逐漸減少。從冥想度數(shù)值變化可看出被試者可以更快地放松，第10次的冥想度高值區(qū)比第1次與第5次出現(xiàn)得更早。

圖10是同一用戶第1～12次完成訓(xùn)練的冥想度和專注度標(biāo)準(zhǔn)差變化趨勢。

由圖10可以看出，隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，專注度與冥想度的標(biāo)準(zhǔn)差值呈遞減趨勢，最后趨于平穩(wěn)。被試者開始訓(xùn)練時的專注度和冥想度值較大，說明被試者腦波信號波動幅度大，隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，被試者可以很好地控制自身的EEG信號，所以標(biāo)準(zhǔn)差值逐漸減小直至穩(wěn)定。

2.2實驗總結(jié)

基于上述理論基礎(chǔ)，以及硬件設(shè)備與軟件架構(gòu)的設(shè)計實現(xiàn)，本系統(tǒng)將BCI和VR有效結(jié)合在一起，可高效準(zhǔn)確地采集腦電波數(shù)據(jù)并傳輸給VR反饋系統(tǒng)，而逼真的VR場景反饋能有效提高訓(xùn)練效率。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)實時顯示的數(shù)據(jù)調(diào)整自身大腦狀態(tài)，保證冥想訓(xùn)練的順利進(jìn)行，同時可以通過歷史數(shù)據(jù)了解自己冥想訓(xùn)練的完成效率，從而繼續(xù)學(xué)習(xí)提高。

3結(jié)語

本文提出的將BCI與VR相結(jié)合的冥想訓(xùn)練系統(tǒng)，與BCI采集處理系統(tǒng)連接簡單，與無VR場景的傳統(tǒng)BCI交互接口相比，更加直接和直觀，并能克服現(xiàn)實環(huán)境活動的一些限制。虛擬現(xiàn)實使冥想訓(xùn)練場景具有更好的延展性，可以構(gòu)建更豐富的適合不同人群的虛擬場景與交互方式。測試結(jié)果表明，VR環(huán)境的沉浸感和實時交互性更容易激發(fā)腦電信號，從而達(dá)到減少訓(xùn)練時間和提高訓(xùn)練效率的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]任俊，黃璐，張振新.基于心理學(xué)視域的冥想研究[J].心理科學(xué)進(jìn)展，2010，18（5）：857-864.

[2]PLEWS-OGANM，OWENSJE，GOODMANM，etal.Briefreport：apilotstudyevaluatingmindfulness-basedstressreductionandmassageforthemanagementofchronicpain[J].JournalofGeneralInternalMedicine，2005，20（12）：1136-1138.

[3]HAYESS，STROSAHLK，WILSONK.Acceptanceandcommitmenttherapy：anexperientialapproachtobehaviorchange[J].EncyclopediaofPsychotherapy，1999，9（1）：1-8.

[4]孔文麗，薛召軍，陳龍.基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的腦機接口技術(shù)研究進(jìn)展[J].電子測量與儀器學(xué)報，2015（3）：317-327.

[5]胡衛(wèi)哄，劉道光，王倩.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].山東省青年管理干部學(xué)院學(xué)報，2007（6）：139-141.

[6]WOLPAWJR，BIRBAUMERN，MCFARLANDDJ，etal.Brain-computerinterfacesforcommunicationandcontrol[J].ClinNeurophysial，2002（1）：767-791.

[7]WOLPAWJR，BIRBAUMERN，HEETDERKSWJ，etal.Brain-computerinterfacetechnology：areviewofthefirstinternationalmeeting[J].IEEETransactionsonRehabilitationEngineering，2000，8（2）：164-173.

[8]楊幫華，顏國正，嚴(yán)榮國.腦-機接口研究進(jìn)展[J].中國醫(yī)療器械雜志，2005，29（5）：353-357.

[9]孫進(jìn)，張征，周宏甫.基于腦機接口技術(shù)的康復(fù)機器人綜述[J].機電工程技術(shù)，2010，39（4）：13-16.

[10]RAMOSA.ProprioceptivefeedbackinBCI[C].IEEEEMBSConferenceonNeuralEngineeringAntalya，2009：279-282.

[11]WANGY，GAOX，HONGB，etal.Brain-computerinterfacesbasedonvisualevokedpotentials[J].IEEEEngineeringinMediineandBiologyMagazine，2008，27（5）：64-71.

[12]王雅.基于腦機接口技術(shù)的偏癱輔助康復(fù)系統(tǒng)的研制[D].天津：天津大學(xué)，2005.

[13]VAUGHANTM，MCFARLANDDJ，SCHALKG，etal.ThewadsworthBCIresearchanddevelopmentprogram：athomewithBCI[J].IEEETransactionsonNeuralSystems&RehabilitationEngineeringaPublicationoftheIEEEEngineeringinMedicine;&BiologySociety;，2006，14（2）：229-233.

[14]楊幫華，劉麗，陸文宇，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的腦機交互反饋系統(tǒng)設(shè)計[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2011，30（4）：401-404.

[15]王國慶，吳廣茂，劉天時.虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)及其應(yīng)用[J].航空計算技術(shù)，1994（2）：1-6.

[16]孔文麗，薛召軍，陳龍.基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的腦機接口技術(shù)研究進(jìn)展[J].電子測量與儀器學(xué)報，2015（3）：317-327.

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