便携式工作记忆评测与训练装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种便携式工作记忆评测与训练装置，包括平板电脑、无线信号中转器、便携式脑电采集与分析系统和云服务器，所述平板电脑通过无线信号中转器分别与便携式脑电采集与分析系统和云服务器进行双向通信；所述无线信号中转器与平板电脑的输入输出数据接口相连接；所述云服务器通过无线信号中转器读取平板电脑中的数据。发明不但能够解决3-6岁儿童以及特殊儿童(如多动症儿童、孤独症儿童、学习困难儿童)工作记忆能力的评测和训练问题，还可以用于延缓老年人智力衰退，拥有较广的适用性和适用性，具有广阔的市场前景。
【专利说明】便携式工作记忆评测与训练装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及教育和心理评测领域，具体涉及一种便携式工作记忆评测与训练装置。
【背景技术】
[0002]工作记忆是指在执行认知任务过程中用来暂时监控、保持、存储和刷新信息的能力，是高级认知过程的一个基础支撑结构。《实验儿童心理学》和《美国科学院院刊》等众多著名期刊都报道，工作记忆可以比IQ(智力)测试更好地测量人们的智力水平、且能更好地预测学生今后的学业情况。《科学通报》报道，通过工作记忆训练可以提高流体智力水平。工作记忆能力可以作为评价人们处理信息和完成复杂任务的能力的重要指标，因此对工作记忆能力的评测与训练具有十分重要的意义。
[0003]在现有技术中，工作记忆评测与训练所采用的主要是行为学方法。具体实现手段主要是通过计算机软件界面呈现不同的任务和范式(主流的任务和范式包括视觉空间工作记忆任务、数字广度任务、词语广度任务、选择反应时任务、复述、“n-back”任务等)，通过这些任务和范式，可以对言语信息和视觉信息的工作记忆能力进行评测和训练。由于计算机操作需要使用键盘和鼠标等交互设备，因此现有的工作记忆测量和训练方法主要适用于6岁以上正常人群。
[0004]此外，有专利《改善认知功能的方法和组合物》(CN200780030479.1)和《通过施用紫檀芪减轻氧化应激并改善工作记忆的方法》(CN200880110318.8)公布了利用药物提升工作记忆的方法。这些药物学方法只适合于6岁以上人群，且没有开展基于脑功能信息感知的评测与训练方法研究，目前亟待从“脑-行为”视角研究工作记忆能力的评测和训练问题，特别是亟待解决3-6岁儿童以及特殊儿童(如多动症儿童、孤独症儿童、学习困难儿童)工作记忆能力的评测和训练问题。
[0005]综上，目前亟待从“脑-行为”视角研究工作记忆能力的评测和训练问题，特别是亟待解决3-6岁儿童、特殊儿童(如多动症儿童、孤独症儿童、学习困难儿童)以及特殊老年人的工作记忆能力的评测和训练问题。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明的目的在于解决现有技术中工作记忆测量与训练仪器没有涉及脑功能信息感知、且不适合3-6岁儿童群体等缺陷，提供一种便携式工作记忆评测与训练
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[0007]技术方案:本发明的一种便携式工作记忆评测与训练装置，包括平板电脑、无线信号中转器、便携式脑电采集与分析系统和云服务器，所述平板电脑通过无线信号中转器分别与便携式脑电采集与分析系统和云服务器进行双向通信；所述无线信号中转器与平板电脑的输入输出数据接口相连接；所述云服务器通过无线信号中转器读取平板电脑中的数据。
[0008]其中，平板电脑是整个装置的控制中心，一方面，平板电脑控制脑电信号与刺激呈现之间的同步，另一方面能够将用户操作平板电脑时的行为响应信息以及便携式脑电采集与分析系统发送来的信息等数据进行集中分析处理，以达到对用户的工作记忆能力进行评测和训练。而云服务器则可以通过无线信号中转器读取平板电脑在工作记忆能力进行评测和训练过程中所涉及的所有数据，这些数据经过处理后供用户查询和后续分析使用。
[0009]进一步的，所述平板电脑内设置有任务调度模块、刺激呈现模块、USB接口驱动模块、行为数据采集与分析模块、脑电信号分析模块、数据融合分析模块和生物反馈模块，所述任务调度模块首先通过刺激呈现模块产生虚拟现实场景，用户按照设计场景内容进行某种操作，所述行为数据采集与分析模块同步记录用户在操作过程中的行为响应并通过算法获得计算结果；同时，所述脑电信号分析模块通过无线信号中转器实时获取便携式脑电采集与分析系统传输来的脑电信息；所述数据融合分析模块对工作记忆能力水平进行感知和估计，该工作记忆能力评估结果通过生物反馈模块反馈输入到刺激呈现模块最终形成闭环控制环路。其中，行为响应包括正确率及其分布、反应时及其分布等信息。
[0010]进一步的，所述便携式脑电采集与分析系统封装于头戴式外壳中，包括微处理器、双导脑电采集模块、无线收发模块和SD卡读写模块，所述微处理器将双导脑电采集模块采集的原始脑电信号进行分析处理并提取出反映大脑活动节律的脑电波功率谱；所述SD卡读写模块将脑电波功率谱存储于SD卡中并由无线收发模块实时发送至平板电脑。
[0011]进一步的，所述双导脑电采集模块采用干电极，将脑电信号采集的头皮位置设置于双侧前额叶，参考电极和地电极分别位布置在左右耳垂处。
[0012]进一步的，所述行为响应包括正确率及其分布和反应时及其分布；脑电波节律包括S波(其波段为1-3Ηζ)、Θ波(其波段为4-7Ηζ)、α波(其波段为8_13Ηζ)、β波(其波段为14-25ΗΖ)和Y波(其波段在25Hz以上)。
[0013]进一步的，所述无线信号中转器包括微处理器、无线收发模块、无线网络模块和串口转USB接口模块，所述微处理器通过串口转USB接口模块与平板电脑的USB接口相连，并通过无线收发模块与便携式脑电采集与分析系统进行双向无线通讯，还通过无线网络模块与云服务器进行双向通信。
[0014]上述的无线信号中转器与平板电脑的输入输出数据接口相连使得用户可以在平板电脑上定制任何无线通信协议与外接设备相连，进而克服了在现有技术中，平板电脑只有蓝牙、WiFi和3G/4G这几种无线通信协议的弊端。
[0015]为了方便用户查询历史记录、个性化定制训练任务以及远程咨询专家，所述云服务器为Browser/Server结构，采用“PHP+MySQL”进行架构，包括Web服务器、数据库服务器和互联网；若用户有数据查询和服务需求时，用户首先通过平板电脑的浏览器经由访问互联网访问Web服务器，再通过Web服务器访问数据库服务器。
[0016]有益效果:与现有技术相比，本发明具有以下优点:
[0017](I)本发明从脑-行为整合视角下解决工作记忆评测与训练问题，建立工作记忆能力评测的关键脑电及行为指标，实现对工作记忆能力水平的感知和估计，并将这些工作记忆能力感知计算结果实时反馈到人机交互界面，能够实现对工作记忆能力的训练。
[0018](2)本发明采用能诱发不同工作记忆负荷水平的虚拟场景作为刺激，记录用户在与虚拟场景进行人机交互过程中的行为响应，并同步记录用户在人机交互过程中左右前额叶皮层的脑电节律功率谱，且这些数据将被用于工作记忆负荷水平的实时在线评估，并将评估结果实时反馈以动态改变虚拟场景的进程，经过多次反馈就可以达到测量和训练工作记忆的目的。
[0019](3)本发明利用平板电脑产生虚拟现实环境，并采用最先进的人机交互技术，评测和训练的生态性好，可以准确获得3-6岁儿童的行为学指标。
[0020](4)本发明突破现有技术只采用了行为学和药物学方法的弊端，采用了便携式脑电信号获取技术，可以方便获得3-6岁儿童在行为操作过程中与工作记忆密切相关的脑电信息。
[0021](5)本发明通过修改平板电脑底层驱动，能够在平板电脑上定制任何通信协议，克服了目前平板电脑只有蓝牙、WiFi和3G/4G这几种无线通信协议的弊端。
[0022](6)本发明采用云服务器对数据进行存储，便于用户查询历史记录，还可定制个性化训练任务定制和专家远程咨询服务等。
[0023]综上所述，本发明不但能够解决3-6岁儿童以及特殊儿童(如多动症儿童、孤独症儿童、学习困难儿童)工作记忆能力的评测和训练问题，还可以用于延缓老年人智力衰退，拥有较广的适用性和适用性，具有广阔的市场前景。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为本发明的整体组成框架图；
[0025]图2为本发明中便携式脑电采集与分析系统的组成框图；
[0026]图3为本发明中无线信号中转器的组成框图；
[0027]图4为本发明中平板电脑的软件系统组成框图；
[0028]图5为本发明中云服务器的组成框图。
【具体实施方式】
[0029]下面对本发明技术方案结合附图进行详细说明。
[0030]如图1至图5所示，本发明的一种便携式工作记忆评测与训练装置，包括平板电脑30、无线信号中转器20、便携式脑电采集与分析系统10和云服务器40，平板电脑30通过无线信号中转器20分别与便携式脑电采集与分析系统10和云服务器40进行双向通信；无线信号中转器20与平板电脑30的输入输出数据接口相连接；云服务器40通过无线信号中转器20读取平板电脑30中的数据。
[0031]本实施例中，平板电脑30内设置有任务调度模块、刺激呈现模块、USB接口驱动模块、行为数据采集与分析模块、脑电信号分析模块、数据融合分析模块和生物反馈模块，任务调度模块首先通过刺激呈现模块产生虚拟现实场景，用户按照设计场景内容进行某种操作，行为数据采集与分析模块同步记录用户在操作过程中的行为响应并通过算法获得计算结果；同时，脑电信号分析模块通过无线信号中转器20实时获取便携式脑电采集与分析系统10传输来的脑电信息(即反映大脑活动节律的脑电波功率谱)，并经过时间序列分析算法获得最后的脑功能评测结果；数据融合分析模块从“脑-行为”整合视角建立工作记忆能力评测的关键脑电及行为指标以实现对工作记忆能力水平进行感知和估计，该工作记忆能力评估结果通过生物反馈模块反馈输入到刺激呈现模块最终形成闭环控制环路，最终构建起人机交互界面以实现对工作记忆能力的训练。
[0032]本实施例中，便携式脑电采集与分析系统10封装于头戴式外壳中，包括包括微处理器、无线收发模块、SD卡读写模块、双导脑电采集模块、电源调节与管理模块、锂电池和USB充电模块等模块单元。通过与计算机的USB接口或者与带USB接口的AC-DC器件相连，USB充电模块可实现对锂电池的充电功能进而对本系统进行供电；由于锂电池输出电压范围为3.7-4.2V，电源调节与管理模块可以对本系统所有模块提供稳定可靠的3.3V和5V电源。
[0033]上述双导脑电采集模块由干电极、三级放大电路、带通滤波器、A/D转换器等单元组成，将脑电信号采集的头皮位置设置于双侧前额叶，参考电极和地电极分别位布置在左右耳垂处，由干电极获得的脑电信号经过三级放大电路放大后再经过带通滤波器获得信噪比较高的信号，该信号再经过高精度A/D转换器处理后获得稳定的原始脑电信号；微处理器将原始脑电信号进行分析处理并提取出反映大脑活动节律的脑电波功率谱；SD卡读写模块将脑电波功率谱存储于SD卡中并由无线收发模块实时发送至平板电脑30。
[0034]本实施例中，行为响应包括正确率及其分布和反应时及其分布；脑电波节律包括δ波、Θ波、α波、β波和Υ波。
[0035]本实施例中，无线信号中转器20包括微处理器、无线收发模块、无线网络模块和串口转USB接口模块，微处理器通过串口转USB接口模块与平板电脑30的USB接口相连，并通过无线收发模块与便携式脑电采集与分析系统10进行双向无线通讯，还通过无线网络模块与云服务器40进行双向通信。
[0036]本实施例中，云服务器40为Browser/Server结构,采用“PHP+MySQL”进行架构，包括Web服务器、数据库服务器和互联网；若用户有数据查询和服务需求时，用户首先通过平板电脑30的浏览器经由访问互联网访问Web服务器，再通过Web服务器访问数据库服务器。
【权利要求】
1.一种便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:包括平板电脑、无线信号中转器、便携式脑电采集与分析系统和云服务器，所述平板电脑通过无线信号中转器分别与便携式脑电采集与分析系统和云服务器进行双向通信；所述无线信号中转器与平板电脑的输入输出数据接口相连接；所述云服务器通过无线信号中转器读取平板电脑中的数据。
2.根据权利要求1所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述平板电脑内设置有任务调度模块、刺激呈现模块、USB接口驱动模块、行为数据采集与分析模块、脑电信号分析模块、数据融合分析模块和生物反馈模块，所述任务调度模块首先通过刺激呈现模块产生虚拟现实场景，用户按照设计场景内容进行某种操作，所述行为数据采集与分析模块同步记录用户在操作过程中的行为响应并通过算法获得计算结果；同时，所述脑电信号分析模块通过无线信号中转器实时获取便携式脑电采集与分析系统传输来的脑电信息；所述数据融合分析模块对工作记忆能力水平进行感知和估计，该工作记忆能力评估结果通过生物反馈模块反馈输入到刺激呈现模块最终形成闭环控制环路。
3.根据权利要求1所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述便携式脑电采集与分析系统封装于头戴式外壳中，包括微处理器、双导脑电采集模块、无线收发模块和SD卡读写模块，所述微处理器将双导脑电采集模块采集的原始脑电信号进行分析处理并提取出反映大脑活动节律的脑电波功率谱；所述SD卡读写模块将脑电波功率谱存储于SD卡中并由无线收发模块实时发送至平板电脑。
4.根据权利要求3所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述双导脑电采集模块采用干电极，将脑电信号采集的头皮位置设置于双侧前额叶，参考电极和地电极分别位布置在左右耳垂处。
5.根据权利要求3所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述行为响应包括正确率及其分布和反应时及其分布；脑电波节律包括δ波、Θ波、α波、β波和Υ波。
6.根据权利要求1所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述无线信号中转器包括微处理器、无线收发模块、无线网络模块和串口转USB接口模块，所述微处理器通过串口转USB接口模块与平板电脑的USB接口相连，并通过无线收发模块与便携式脑电采集与分析系统进行双向无线通讯，还通过无线网络模块与云服务器进行双向通信。
7.根据权利要求1所述的便携式工作记忆评测与训练装置，其特征在于:所述云服务器为Browser/Server结构，采用“PHP+MySQL”进行架构，包括Web服务器、数据库服务器和互联网；当用户有数据查询和服务需求时，用户首先通过平板电脑的浏览器经由访问互联网访问Web服务器，再通过Web服务器访问数据库服务器。
【文档编号】A61B5/0476GK104306006SQ201410547268
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月15日 优先权日:2014年10月15日
【发明者】禹东川 申请人:东南大学