基于心電反饋的注意力缺陷多動障礙矯正儀設計

0 引言

　　注意力缺陷多動障礙(Attention Deficit Hy-peractivity Disorder，簡稱ADHD)是兒童和青少年常見的行為問題之一，是由非智力因素引起的一組征候群，通常患兒智力正常或接近正常。其發病原因和發病機制至今不明，目前認為是由多種生物因素、心理和社會因素所致的兒童期行為、情感和認知異常。不同的文化背景和不同地域的患病率不同。國外流行病學資料顯示，AD-HD患病率為3％～10％。我國學齡兒童ADHD的患病率為6％，并有逐年上升的趨勢，男女性別比為4：1。ADHD主要以注意力不集中、多動、沖動任性、認知功能有缺陷、發育延遲、有學習和行為問題為突出表現，同時常常合并多種心理病理表現，其核心問題是自制能力不足。盡管隨著年齡的增長，ADHD兒童的多動水平會下降，但ADHD的很多癥狀可延續到少年，以至成年，并會導致成年后的社會經濟地位低下、受教育程度低，工作能力、社交能力低下。約有1O％的AD-HD患者成年后存在嚴重的精神病或反社會行為問題。隨著醫學模式的改變，越來越多的醫生和家長關注到兒童ADHD，尤其是ADHD患兒成年后的表現和結局，更是人們最關心的問題，因此，做好早期發現，早期干預和治療很有必要。

1 現有治療方法簡介

　　一般來說對注意力缺陷多動障礙的治療方法可分為藥物法和非藥物法。在臨床上通常將這兩種方法結合使用。

　　1．1 藥物治療

　　目前治療ADHD有91％依賴藥物，且療程均在6個月以上。具體治療方式大致如下：

　　(1)中樞神經興奮劑治療

　　簡稱中樞興奮劑，若要療效滿意需維持3個月以上后才可逐漸減量。研究己證實，這類藥物的短期療效十分顯著，有效率為65％～75％，不同劑量作用不同，高劑量可改善認知功能和注意力，低劑量可改善行為、社交技能和沖動。

　　(2)三環類抗抑郁劑

　　對單純ADHD的行為改善最為顯著，但對注意力的療效不理想，且心血管等方面副作用較大。該類藥物可緩解ADHD及抑郁癥狀，其效果與中樞興奮劑相當。

　　(3) a-受體激動荊

　　可樂平(平均劑量為0．2 mg/d)對ADHD行為的改善優于對認知的改善，常用于合并抽動癥的多動兒童。

　　(4)中醫與中藥治療

　　包括針灸療法、耳針療法和中成藥等。治療兒童多動癥有效率為84．8％，治療期間需結合心理疏導。

　　藥物治療可能會造成患者心血管損害、藥物成癮；厭食、腹痛、腸胃功能紊亂；頭暈、頭痛、失眠、肝損害；多疑、狂躁等精神障礙甚至導致心源性猝死。

　　1．2 非藥物治療

　　非藥物制序包括家庭、社會關懷教育，心理輔導治療，傳統行為游戲治療和生物反饋治療等。具體方法如下：

　　(1)家庭與社會關懷治療

　　可由治療師每周給家長和教師講課，教給他們標準的行為技巧，給孩子制訂獎懲規則。多關注孩子的良好行為而有意忽視不良行為，并且要求老師和家長以報告卡的形式互相反映情況，一般培訓時間需8~20周。同時要有目的地指導多動癥兒童與有同情心的伙伴多接觸，這樣不僅可以完成一定的運動量，而且可為他們提供社會化的環境，從而讓他們學會處理人際關系方面的問題。

　　(2)心理輔導治療

　　該方法通過語言的自我指導、角色排演、自我獎賞和自我表揚等方法，來改善和矯正兒童的行為問題。具體的操作由心理治療師來進行。治療師教給患兒一些認知技巧，包括言語自我指導、解決問題方法認知模式建立、自我監督、自我評估和自我強化等。通過角色排演，使兒童在其它場合能夠運用這些技巧控制注意力不集中和沖動行為。一般每周進行治療1~2次，時間需持續數周至數月。

　　(3)傳統游戲治療

　　通過讓患者做同類行為，包括數黑點、夾乒乓球、拼圖；連續計算、回答簡單問題；普通電子游戲等來讓患者保持較長時間的注意力。但是，這些游戲極為枯燥，引不起患者注意或游戲內容不適合治療對象。不能抑制患者注意力的轉移，而且某些游戲(例如網絡游戲)有副作用，容易轉變為網癮等其它心理疾病，且治療效果會受到限制。

　　(4)生物反饋治療

　　生物反饋治療是指利用各種技術，以視覺和聽覺形式顯示體內的某些生理活動，通過指導和自我訓練，有意識地控制這些生理活動，從而達到控制某些病理過程，促進機能恢復的目的。它的理論基礎是“操作性條件反射”。我們的研究目的就是利用心電生物反饋技術來改進患者的注意力缺陷和多動障礙癥狀。

2 心電反饋與注意力缺陷障礙的關系

　　人們普遍認為，心臟是循環系統的動力和樞紐，而思考和情感的功能歸于大腦。然而。隨著科學研究的深入，科學家得以從不同方面重新審視心腦關系以及心臟對身心健康的影響。在我們體內，不同器官和系統都會影響到我們的情感，其中心臟扮演著特別重要的角色。心臟與大腦之間的溝通系統比所有其它人體器官與大腦間的溝通系統都要發達，心臟每跳動一下，不僅輸出血液，也把復雜的神經、激素、壓力、電磁信息傳輸到大腦和全身。它是連接身體、頭腦、情感、精神的節點，是身心這個復雜網絡的入口。

　　因此，心臟的律動并非僅僅實現單一的供血功能，它既反映著、也影響著自主神經系統的狀態。研究發現，從心臟的律動中提取的心率變異性(Heart Rate Variability簡稱HRV)能夠有效地用來考察情緒對自主神經系統的影響，它是顯示身體自主神經系統平衡狀況的動態窗口。

　　在注意力集中情況下，自主神經的兩個部分(交感神經和迷走神經))均處于興奮狀態，其效應對抗后達到平衡，反應在心率上為其凈效應。在安靜狀態下，顯然是迷走神經的影響為主，而隨著運動負荷的增加，迷走的活性降低而交感的興奮性增加。

????? 心電反饋治療的具體機理是應用操作性條件反射的原理，以心電生物反饋儀為手段，通過訓練，使患者的自主神經達到平衡狀態來達到預期目的。應用于人的過程就是利用心電檢測電路將患者的HRV指標檢測和分離出來，然后利用心電反饋技術將該指標傳人患者的矯正游戲程序中。該指標會影響到游戲程序的進程，當該指標滿足要求時，就會以獎勵的方式反饋給患者，反之，就會停止獎勵。即只有注意力集中的情況下，游戲才會順利進行。這樣，通過一段時間的自身調節，便可改變患者的自主神經平衡狀態，從而實現矯正注意力缺陷障礙的目的。

3 系統總體結構

　　本系統集心電數據采集、預處理、A／D轉換及USB傳輸、數據瀏覽(包括QRS波檢測、HRV預處理、R-R間期序列、N-N間期序列)、HRV分析、游戲矯正程序等多功能于一體，主要包括數據采集及預處理、A／D轉換及USB傳輸、數據瀏覽、HRV分析、游戲矯正程序五大功能模塊，且各模塊相對獨立。將這些模塊配置到不同的系統中，即可實現不同的功能，其系統總體框圖如圖1所示。前兩部分為硬件部分，后三部分軟件可在Windows XP平臺下，用VB編寫界面，而用VC編寫處理部分。

4 系統功能

　　本系統由實時心電數據采集與顯示、HRV分析、游戲矯正程序等部分構成。

　　4．1 實時心電數據的采集與顯示

　　心電信號(ECG)經心電放大器放大、濾波及50Hz工頻陷波后送入A／D轉換器，圖2所示是本系統的心電數據采集與預處理電路。本系統采用阿爾泰公司的USB2010AD多功能接口板對經過處理的ECG信號進行采樣，采樣速率為1000 Hz 。在數據采集的同時，ECG波形即在屏幕上實時顯示，數據采集時間也同時顯示在屏幕上，并可由用戶自已控制采集時間的長短。根據HRV分析的需要，數據采集時間最好在30分鐘以上。

4．2 HRV分析

　　對HRV中能夠表征注意力集中度的參量進行提取時，首先要了解心電信號的波形特點，圖3所示是正常人體的心電信號波形圖。

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????? 圖3所示的常規心電圖一般由P，Q，R，S，T構成，圖中，對診斷很有價值的幾個波形參數是P波、R波、QRS復合波、ST段、T波、Q-T間期和TP段，它們分別可從不同角度反映心動周期里一系列綜合向量的變化。心率變異性分析則是通過測量連續正常的QRS波群周期之間的變化(beat to fluctuation)變異數(Variance)，從而反應心率的變化。它不同于常用的以時間為單位的平均心率變化指標(如最大心率或最小心率等)，HRV的大小并不反映心率的快慢。反映竇性心率的應該是P－P間期。所以，更確切地說，HRV分析是測量連續P－P間期之間差異的變異數，然而，P－P間期目前尚難以準確測量，且在一般情況下，P－P間期與R－R間期相等。因此，目前分析均以R－R間期代替P－P間期，或稱N－N間期。HRV在臨床上被用作無創傷性地反映自主神經系統活動的指標。

　　具體的HRV分析可采用散點圖分析法。對于相鄰兩心拍的R－R間期，若以前一心拍R－R間期為橫坐標，后一心拍R－R間期為縱坐標，即可得到Lorenz散點圖。散點圖中包含了HRV的線性和非線性變化趨勢。常人的散點圖大多集中在45°射線附近，自下而上向兩側散開呈彗星狀。通過散點圖可了解被檢測者的自主神經功能狀態。

　　4．3 游戲矯正程序

　　通過一定量的試驗，可以確定注意力集中度正常者的散點圖分布范圍以及患有注意力缺陷障礙患者的散點圖分布范圍，然后在程序中定義一個參量Attention(其類型為BOOL型，注意力集中時，它的返回值為TRUE，反之則為FALSE)，再將該參量引入游戲程序中，患者可以在主程序界面中選擇不同游戲來進行矯正治療。現以其中一款游戲為例來說明其矯正原理。

　　游戲開始后，屏幕上會出現三輛賽車，中間的一輛是由患者本人控制的，其它兩輛是由計算機程序設置自動運行的。設在某個游戲等級時患者本人控制賽車的初始速度為v，其它兩輛賽車的速度總是v的0．8~1．2倍，具體的倍數由計算機在該范圍內形成的隨機數產生。患者本人控制一輛賽車包括了其雙手操作和心電反饋的Attention參量控制兩個方面。對賽道上隨機出現的路障，患者應用手控鍵盤操控賽車躲避。賽車每碰上一個路障，速度降低0．1v，成功繞過路障時賽車速度維持不變。患者在操控游戲的同時，系統可對患者的HRV進行復雜度分析并輸出患者的注意狀態值，注意狀態連續保持5 s則速度增加0．1v。注意狀態保持不到2 s則速度減少0．1v；注意狀態連續保持在2～5 s之間時，維持原有速度。游戲運行30分鐘算一個段落，記錄患者積分。

　　這樣通過長期的不斷的治療，患者最終就會保持一定程度的注意力集中狀態，并最終克服注意力缺陷多動障礙。

5 結束語

　　本系統界面友好，操作方便，集成度高。操作界面由主菜單、子菜單、按鈕、圖標等組成。用鼠標點擊代表實際對象的圖標、菜單、按鈕，便可實現相應的功能。本系統集心電數據采集、預處理、A／D轉換及USB傳輸、數據瀏覽(包括QRS波檢測、HRV預處理、R-R間期序列、N-N間期序列)、HRV分析、游戲矯正程序等多功能于一體，而且針對性很強。由于注意力缺陷多動障礙患者大多處于青少年期，因此，本設計利用電腦游戲來進行治療的方案易于被接受，治療效果較一般傳統的藥物治療和其它治療效果要好。

　　此外，本系統的分析結果表示直觀。系統將心電波形實時還原顯示，可以直觀地看到患者心電波形的變化，同時還可以看到HRV分析后得到的散點圖，這些都便于醫生做出正確合理的治療判斷。