基于心電反饋的注意力缺陷多動(dòng)障礙矯正儀設(shè)計(jì)

基于心電反饋的注意力缺陷多動(dòng)障礙矯正儀設(shè)計(jì)

0 引言

　　注意力缺陷多動(dòng)障礙(Attention Deficit Hy-peractivity Disorder，簡(jiǎn)稱ADHD)是兒童和青少年常見(jiàn)的行為問(wèn)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?；蚪咏！Ｆ浒l(fā)病原因和發(fā)病機(jī)制至今不明，目前認(rèn)為是由多種生物因素、心理和社會(huì)因素所致的兒童期行為、情感和認(rèn)知異常。不同的文化背景和不同地域的患病率不同。國(guó)外流行病學(xué)資料顯示，AD-HD患病率為3％～10％。我國(guó)學(xué)齡兒童ADHD的患病率為6％，并有逐年上升的趨勢(shì)，男女性別比為4：1。ADHD主要以注意力不集中、多動(dòng)、沖動(dòng)任性、認(rèn)知功能有缺陷、發(fā)育延遲、有學(xué)習(xí)和行為問(wèn)題為突出表現(xiàn)，同時(shí)常常合并多種心理病理表現(xiàn)，其核心問(wèn)題是自制能力不足。盡管隨著年齡的增長(zhǎng)，ADHD兒童的多動(dòng)水平會(huì)下降，但ADHD的很多癥狀可延續(xù)到少年，以至成年，并會(huì)導(dǎo)致成年后的社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(yán)重的精神病或反社會(huì)行為問(wèn)題。隨著醫(yī)學(xué)模式的改變，越來(lái)越多的醫(yī)生和家長(zhǎng)關(guān)注到兒童ADHD，尤其是ADHD患兒成年后的表現(xiàn)和結(jié)局，更是人們最關(guān)心的問(wèn)題，因此，做好早期發(fā)現(xiàn)，早期干預(yù)和治療很有必要。

　　1 現(xiàn)有治療方法簡(jiǎn)介

　　一般來(lái)說(shuō)對(duì)注意力缺陷多動(dòng)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(jié)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(gè)月以上。具體治療方式大致如下：

　　(1)中樞神經(jīng)興奮劑治療

　　簡(jiǎn)稱中樞興奮劑，若要療效滿意需維持3個(gè)月以上后才可逐漸減量。研究己證實(shí)，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(rèn)知功能和注意力，低劑量可改善行為、社交技能和沖動(dòng)。

　　(2)三環(huán)類抗抑郁劑

　　對(duì)單純ADHD的行為改善最為顯著，但對(duì)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(dāng)。

　　(3) a-受體激動(dòng)荊

　　可樂(lè)平(平均劑量為0．2 mg/d)對(duì)ADHD行為的改善優(yōu)于對(duì)認(rèn)知的改善，常用于合并抽動(dòng)癥的多動(dòng)兒童。

　　(4)中醫(yī)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(dòng)癥有效率為84．8％，治療期間需結(jié)合心理疏導(dǎo)。

　　藥物治療可能會(huì)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(dǎo)致心源性猝死。

　　1．2 非藥物治療

　　非藥物制序包括家庭、社會(huì)關(guān)懷教育，心理輔導(dǎo)治療，傳統(tǒng)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(huì)關(guān)懷治療

　　可由治療師每周給家長(zhǎng)和教師講課，教給他們標(biāo)準(zhǔn)的行為技巧，給孩子制訂獎(jiǎng)懲規(guī)則。多關(guān)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(zhǎng)以報(bào)告卡的形式互相反映情況，一般培訓(xùn)時(shí)間需8~20周。同時(shí)要有目的地指導(dǎo)多動(dòng)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(yùn)動(dòng)量，而且可為他們提供社會(huì)化的環(huán)境，從而讓他們學(xué)會(huì)處理人際關(guān)系方面的問(wèn)題。

　　(2)心理輔導(dǎo)治療

　　該方法通過(guò)語(yǔ)言的自我指導(dǎo)、角色排演、自我獎(jiǎng)賞和自我表?yè)P(yáng)等方法，來(lái)改善和矯正兒童的行為問(wèn)題。具體的操作由心理治療師來(lái)進(jìn)行。治療師教給患兒一些認(rèn)知技巧，包括言語(yǔ)自我指導(dǎo)、解決問(wèn)題方法認(rèn)知模式建立、自我監(jiān)督、自我評(píng)估和自我強(qiáng)化等。通過(guò)角色排演，使兒童在其它場(chǎng)合能夠運(yùn)用這些技巧控制注意力不集中和沖動(dòng)行為。一般每周進(jìn)行治療1~2次，時(shí)間需持續(xù)數(shù)周至數(shù)月。

　　(3)傳統(tǒng)游戲治療

　　通過(guò)讓患者做同類行為，包括數(shù)黑點(diǎn)、夾乒乓球、拼圖；連續(xù)計(jì)算、回答簡(jiǎn)單問(wèn)題；普通電子游戲等來(lái)讓患者保持較長(zhǎng)時(shí)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(nèi)容不適合治療對(duì)象。不能抑制患者注意力的轉(zhuǎn)移，而且某些游戲(例如網(wǎng)絡(luò)游戲)有副作用，容易轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)癮等其它心理疾病，且治療效果會(huì)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(shù)，以視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)形式顯示體內(nèi)的某些生理活動(dòng)，通過(guò)指導(dǎo)和自我訓(xùn)練，有意識(shí)地控制這些生理活動(dòng)，從而達(dá)到控制某些病理過(guò)程，促進(jìn)機(jī)能恢復(fù)的目的。它的理論基礎(chǔ)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(shù)來(lái)改進(jìn)患者的注意力缺陷和多動(dòng)障礙癥狀。

　　2 心電反饋與注意力缺陷障礙的關(guān)系

　　人們普遍認(rèn)為，心臟是循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力和樞紐，而思考和情感的功能歸于大腦。然而。隨著科學(xué)研究的深入，科學(xué)家得以從不同方面重新審視心腦關(guān)系以及心臟對(duì)身心健康的影響。在我們體內(nèi)，不同器官和系統(tǒng)都會(huì)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(tǒng)比所有其它人體器官與大腦間的溝通系統(tǒng)都要發(fā)達(dá)，心臟每跳動(dòng)一下，不僅輸出血液，也把復(fù)雜的神經(jīng)、激素、壓力、電磁信息傳輸?shù)酱竽X和全身。它是連接身體、頭腦、情感、精神的節(jié)點(diǎn)，是身心這個(gè)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的入口。

　　因此，心臟的律動(dòng)并非僅僅實(shí)現(xiàn)單一的供血功能，它既反映著、也影響著自主神經(jīng)系統(tǒng)的狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，從心臟的律動(dòng)中提取的心率變異性(Heart Rate Variability簡(jiǎn)稱HRV)能夠有效地用來(lái)考察情緒對(duì)自主神經(jīng)系統(tǒng)的影響，它是顯示身體自主神經(jīng)系統(tǒng)平衡狀況的動(dòng)態(tài)窗口。

　　在注意力集中情況下，自主神經(jīng)的兩個(gè)部分(交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)))均處于興奮狀態(tài)，其效應(yīng)對(duì)抗后達(dá)到平衡，反應(yīng)在心率上為其凈效應(yīng)。在安靜狀態(tài)下，顯然是迷走神經(jīng)的影響為主，而隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)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(jī)理是應(yīng)用操作性條件反射的原理，以心電生物反饋儀為手段，通過(guò)訓(xùn)練，使患者的自主神經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)來(lái)達(dá)到預(yù)期目的。應(yīng)用于人的過(guò)程就是利用心電檢測(cè)電路將患者的HRV指標(biāo)檢測(cè)和分離出來(lái)，然后利用心電反饋技術(shù)將該指標(biāo)傳人患者的矯正游戲程序中。該指標(biāo)會(huì)影響到游戲程序的進(jìn)程，當(dāng)該指標(biāo)滿足要求時(shí)，就會(huì)以獎(jiǎng)勵(lì)的方式反饋給患者，反之，就會(huì)停止獎(jiǎng)勵(lì)。即只有注意力集中的情況下，游戲才會(huì)順利進(jìn)行。這樣，通過(guò)一段時(shí)間的自身調(diào)節(jié)，便可改變患者的自主神經(jīng)平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)矯正注意力缺陷障礙的目的。

　3 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)集心電數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、A／D轉(zhuǎn)換及USB傳輸、數(shù)據(jù)瀏覽(包括QRS波檢測(cè)、HRV預(yù)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(shù)據(jù)采集及預(yù)處理、A／D轉(zhuǎn)換及USB傳輸、數(shù)據(jù)瀏覽、HRV分析、游戲矯正程序五大功能模塊，且各模塊相對(duì)獨(dú)立。將這些模塊配置到不同的系統(tǒng)中，即可實(shí)現(xiàn)不同的功能，其系統(tǒng)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(tái)下，用VB編寫界面，而用VC編寫處理部分。

　　4 系統(tǒng)功能

　　本系統(tǒng)由實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)采集與顯示、HRV分析、游戲矯正程序等部分構(gòu)成。

　　4．1 實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)的采集與顯示

　　心電信號(hào)(ECG)經(jīng)心電放大器放大、濾波及50Hz工頻陷波后送入A／D轉(zhuǎn)換器，圖2所示是本系統(tǒng)的心電數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理電路。本系統(tǒng)采用阿爾泰公司的USB2010AD多功能接口板對(duì)經(jīng)過(guò)處理的ECG信號(hào)進(jìn)行采樣，采樣速率為1000 Hz 。在數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，ECG波形即在屏幕上實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)采集時(shí)間也同時(shí)顯示在屏幕上，并可由用戶自已控制采集時(shí)間的長(zhǎng)短。根據(jù)HRV分析的需要，數(shù)據(jù)采集時(shí)間最好在30分鐘以上。

　　4．2 HRV分析

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

　　圖3所示的常規(guī)心電圖一般由P，Q，R，S，T構(gòu)成，圖中，對(duì)診斷很有價(jià)值的幾個(gè)波形參數(shù)是P波、R波、QRS復(fù)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(dòng)周期里一系列綜合向量的變化。心率變異性分析則是通過(guò)測(cè)量連續(xù)正常的QRS波群周期之間的變化(beat to fluctuation)變異數(shù)(Variance)，從而反應(yīng)心率的變化。它不同于常用的以時(shí)間為單位的平均心率變化指標(biāo)(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(yīng)該是P－P間期。所以，更確切地說(shuō)，HRV分析是測(cè)量連續(xù)P－P間期之間差異的變異數(shù)，然而，P－P間期目前尚難以準(zhǔn)確測(cè)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(wú)創(chuàng)傷性地反映自主神經(jīng)系統(tǒng)活動(dòng)的指標(biāo)。

　　具體的HRV分析可采用散點(diǎn)圖分析法。對(duì)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(biāo)，后一心拍R－R間期為縱坐標(biāo)，即可得到Lorenz散點(diǎn)圖。散點(diǎn)圖中包含了HRV的線性和非線性變化趨勢(shì)。常人的散點(diǎn)圖大多集中在45°射線附近，自下而上向兩側(cè)散開(kāi)呈彗星狀。通過(guò)散點(diǎn)圖可了解被檢測(cè)者的自主神經(jīng)功能狀態(tài)。

　　4．3 游戲矯正程序

　　通過(guò)一定量的試驗(yàn)，可以確定注意力集中度正常者的散點(diǎn)圖分布范圍以及患有注意力缺陷障礙患者的散點(diǎn)圖分布范圍，然后在程序中定義一個(gè)參量Attention(其類型為BOOL型，注意力集中時(shí)，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(lái)進(jìn)行矯正治療?，F(xiàn)以其中一款游戲?yàn)槔齺?lái)說(shuō)明其矯正原理。

　　游戲開(kāi)始后，屏幕上會(huì)出現(xiàn)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(jì)算機(jī)程序設(shè)置自動(dòng)運(yùn)行的。設(shè)在某個(gè)游戲等級(jí)時(shí)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(shù)由計(jì)算機(jī)在該范圍內(nèi)形成的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生?；颊弑救丝刂埔惠v賽車包括了其雙手操作和心電反饋的Attention參量控制兩個(gè)方面。對(duì)賽道上隨機(jī)出現(xiàn)的路障，患者應(yīng)用手控鍵盤操控賽車躲避。賽車每碰上一個(gè)路障，速度降低0．1v，成功繞過(guò)路障時(shí)賽車速度維持不變?；颊咴诓倏赜螒虻耐瑫r(shí)，系統(tǒng)可對(duì)患者的HRV進(jìn)行復(fù)雜度分析并輸出患者的注意狀態(tài)值，注意狀態(tài)連續(xù)保持5 s則速度增加0．1v。注意狀態(tài)保持不到2 s則速度減少0．1v；注意狀態(tài)連續(xù)保持在2～5 s之間時(shí)，維持原有速度。游戲運(yùn)行30分鐘算一個(gè)段落，記錄患者積分。

　　這樣通過(guò)長(zhǎng)期的不斷的治療，患者最終就會(huì)保持一定程度的注意力集中狀態(tài)，并最終克服注意力缺陷多動(dòng)障礙。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)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(biāo)等組成。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊代表實(shí)際對(duì)象的圖標(biāo)、菜單、按鈕，便可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本系統(tǒng)集心電數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理、A／D轉(zhuǎn)換及USB傳輸、數(shù)據(jù)瀏覽(包括QRS波檢測(cè)、HRV預(yù)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(duì)性很強(qiáng)。由于注意力缺陷多動(dòng)障礙患者大多處于青少年期，因此，本設(shè)計(jì)利用電腦游戲來(lái)進(jìn)行治療的方案易于被接受，治療效果較一般傳統(tǒng)的藥物治療和其它治療效果要好。

　　此外，本系統(tǒng)的分析結(jié)果表示直觀。系統(tǒng)將心電波形實(shí)時(shí)還原顯示，可以直觀地看到患者心電波形的變化，同時(shí)還可以看到HRV分析后得到的散點(diǎn)圖，這些都便于醫(yī)生做出正確合理的治療判斷。