基于脑机接口的虚拟冥想训练系统研究

宋逍雄 高瞻 周海昌

摘要：冥想可以改善多种与人生活方式有关的健康问题，包括抑郁症患者的抑郁症状，以及减轻慢性疼痛患者的疼痛感等。将脑机接口技术（BCI）与虚拟现实技术（VR）相结合，设计并实现了基于脑机接口的虚拟现实冥想系统。系统提供沉浸式虚拟环境和引导冥想轨迹，同时使用脑机接口设备进行脑电图（EEG）数据采集，经蓝牙传输到PC端进行分析与处理，监测参与者的心理变化，并实时提供视觉、听觉等系统反馈。研究结果初步证明系统可以帮助用户更好地进行冥想训练。

关键词：虚拟现实；脑机接口；冥想；交互技术

DOI：10.11907/rjdk.173232

中图分类号：TP303

文献标识码：A文章编号：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）是一种综合性的心理与行为训练，其有助于个体建立一种特殊的注意机制，达到心理上的整体提升[1]。经证明，冥想可以改善多种与人生活方式有关的健康问题，包括抑郁症患者的抑郁症状，减轻慢性疼痛患者的疼痛感等[2]。冥想也被证明可以减轻压力，促进身体放松，这对很多人，包括对生活满意度较低的人[3]都是非常有益的。

虛拟现实（VirtualReality，VR）技术诞生于20世纪80-90年代，经过几十年的发展已广泛应用于医疗、教育、娱乐等方面。虚拟现实技术是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，通过对视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让人产生身临其境之感[4]。虚拟现实的沉浸性、交互性、构想性特点可以使用户获得更好的交互体验[5]。因此，本系统采用虚拟现实技术构建适合于冥想的虚拟现实场景。

脑-机接口（Brain-ComputerInterface，BCI）是在人脑和计算机或其它电子设备之间建立不依赖于常规大脑信息输出通路（外周神经和肌肉组织）的全新对外信息交流和控制技术[6-7]，实质为通过脑信号推断人的想法，从而实现人机交流[8]。BCI反馈技术是将EEG信号的识别结果通过形象的视觉或听觉信号[9]反映出来，其目的是通过对人脑进行思维训练以产生最佳的EEG信号。目前BCI研究常用的反馈方式包括滚动条、虚拟导航、光标[10]、光斑[11]、虚拟现实、神经肌肉感觉刺激[12-13]等。其中，在滚动条、虚拟航标、光标、光斑几种反馈方式中，受试者的想象动作通常与得到的反馈不一致，效果较差[14]。因此，本文设计了一种与VR结合的反馈系统。

将BCI技术与虚拟现实技术相结合是近年来在多媒体和娱乐领域出现的一种BCI应用的新形式[15]。实现BCI与VR相结合最简单的方式是设计一个令用户有身临其境感的3D虚拟境，以及可现场传感反馈以便实时使用的BCI系统。BCI-VR系统通常由BCI和VR两部分构成。BCI记录大脑信号，提取其中生理或心理状态特征参数，并对思维意向分类识别进行实时分析处理，以生成控制命令；VR软件则模拟、渲染和建造VE世界，为用户提供反馈并处理来自BCI的命令[16]。

1BCI-VR系统架构设计

本文基于脑机接口技术设计并实现了虚拟现实冥想系统，系统结构如图1所示。该系统主要由两部分构成：脑波信号采集模块与虚拟现实交互反馈模块。其中，脑波信号采集处理模块是将脑立方（Mindwave）采集到的EEG信号经处理后转换为1～100的整数信号，然后通过蓝牙传输给PC端；虚拟现实交互反馈模块采用3DMax建模用户冥想场景，通过蓝牙实时接收数字信号，并将数据存储在数据库中，同时根据信号作出系统交互反馈。受试者可以进行多次训练，实时调整大脑的运动想象方式，从而掌握产生最佳EEG信号的方法。

1.1相关硬件介绍

通过对脑立方（Mindwave）脑电设备、HTCVive虚拟现实头盔、蓝牙传输模块和传输终端等进行软硬件集成，开发基于脑机接口的虚拟冥想训练原型系统，硬件设备如图2所示，主要包括：

（1）脑电信号采集模块。该模块采用脑立方脑电耳机作为BCI接口，通过放置在前额的一个传感器以及放置在耳部的参考电极触点进行脑电波信号测量，然后通过蓝牙与电脑/平板电脑/手机连接，发送或接收数据和信息。其输出采用NeuroSky专利技术的关注度及放松度指数，反映出佩戴者当前的精神状态。同时还可输出原始的脑电波信息以及不同频段的脑电信息。

（2）虚拟现实头盔。HTCVive通过一个头戴式显示器、两个单手持控制器、一个能于空间内同时追踪显示器与控制器的定位系统（Lighthouse）3部分为使用者提供沉浸式体验。头显上是一块OLED屏幕，2K分辨率大大降低了画面颗粒感，用户几乎感觉不到纱门效应；画面刷新率为90Hz，实际体验几乎零延迟，用户不会感到恶心和眩晕；两个单手持控制器可以让用户进行交互；控制器定位系统Lighthouse采用激光和光敏传感器定位确定用户位置，允许用户在一定范围内走动。

1.2系统架构实现

1.2.1BCI信号采集处理

脑电信号采集模块具有蓝牙功能，与电脑连接后会生成连接串行端口号，然后在自行编写的脚本文件中设置对应端口号，即可传输数据。数据传输到已搭建好的Unity软件平台进行处理。脑立方头环首先对原始脑电波信号进行放大，过滤环境噪声及肌肉组织运动产生的干扰，然后通过对处理后的信号进行计算，得到量化的冥想度（Meditation）指数和专注度（Attention）指数。脑立方头环可以针对不同使用者脑电波信号在正常范围内的波动趋势和个体差异进行动态补偿，因而可适用于不同人群与周边环境，并且在不同应用场景下都具有较好的准确性和可靠性。

1.2.2VR交互反馈

VR交互反馈模块包括搭建虚拟场景供用户训练，搭建数据库存储用户数据，设计交互方式反映脑波数据变化，完善系统方便用户操作。

（1）3DMAX建模。首先需要在3DMAX软件中创建适合用户冥想的虚拟场景。本系统共设计了3个场景，如图3所示。场景建立采用粒子效果、动画（Animation）系统、着色器（shader）等Unity3D技术，使场景给用户带来一种舒适的感觉，让用户放松身心，从而更好地进行冥想训练。

（2）数据库建立。每个用户拥有一个账号，用于记录个人信息、训练情况以及训练进程。

（3）设计交互方式。交互方式包括手柄交互和脑波控制物体移动，包括蝴蝶飞行、云吸入与花的生长等，如图4所示。

（4）VR场景完善。在VR反馈平台添加提示面板和若干按钮，优化了反馈系统功能。用户可以根据提示信息自主操作，且系统会实时给出反馈信息，如图5所示。

1.2.3系统应用

被试者戴上脑电采集头环和虚拟现实头盔进行训练，如图6所示。虚拟场景给予被试者视觉与听觉诱导，受试者可以实时查看物体运动与自己想象是否一致，从而不断调整，通过多次训练以产生最佳EEG信号。

在脑机接口系统中，EEG信号经处理后被转换成0～100的数字信号，虚拟现实反馈系统每隔1s通过蓝牙从脑机接口系统端接收数据，如果成功读取到数据，会实时将数据显示到虛拟现实头盔中，场景中的物体会向特定方向移动；如果未读取到数据，则会给出提示信息，直至读取到有效数据为止。

2系统测试

2.1测试过程

脑电采集头环发送的数据格式包括一个“大包”和一个“小包”，其中大包以约1Hz的频率发送，小包以约512Hz的频率发送，即1s内发送512个小包和一个大包。小包数据为脑波原始数据，大包包括冥想度、专注度和EEG的10个数据，数据格式如图7所示。

冥想度和专注度指数分别用于描述被试者进入冥想状态（类似精神放松程度）或专注状态（类似注意力集中程度）的程度。它描述的不是当前精神状态的一个绝对数值，而是当前精神状态活动波动范围的相对数值。数值在40～60之间，表示此刻该项指数的值处于一般范围，这一数值范围类似于常规脑电波测量技术确定的“基线”；数值在60～80之间，表示此刻该项指数值处于“较高值区”，说明当前受试者的专注度或放松度比正常情况下高；数值在80～100之间，表示处于“高值区”，说明受试者处于非常专注或非常放松的状态。同理，如果数值在20～40之间，则表示此时的冥想度和专注度指数水平处于“较低值区”；数值在1～20之间，则意味着处于“低值区”，表示被试者的精神状态表现为不同程度的心烦意乱、焦躁不安等。

图8是同一用户第1次、第5次与第10次分别完成专注度训练的数值变化曲线。

从图8可以看出，被试者在进行专注度训练时，随着训练次数增加，完成训练的时间逐渐减少。从专注度数值变化可看出被试者可以更快地集中注意力，第10次的专注度高值区比第1次与第5次出现得更早。

图9是同一用户第1次、第5次与第10次分别完成冥想度训练的数值变化曲线。

从图9可以看出，被试者在进行冥想度训练时，随着训练次数增加，完成训练的时间逐渐减少。从冥想度数值变化可看出被试者可以更快地放松，第10次的冥想度高值区比第1次与第5次出现得更早。

图10是同一用户第1～12次完成训练的冥想度和专注度标准差变化趋势。

由图10可以看出，随着训练次数增加，专注度与冥想度的标准差值呈递减趋势，最后趋于平稳。被试者开始训练时的专注度和冥想度值较大，说明被试者脑波信号波动幅度大，随着训练次数增加，被试者可以很好地控制自身的EEG信号，所以标准差值逐渐减小直至稳定。

2.2实验总结

基于上述理论基础，以及硬件设备与软件架构的设计实现，本系统将BCI和VR有效结合在一起，可高效准确地采集脑电波数据并传输给VR反馈系统，而逼真的VR场景反馈能有效提高训练效率。用户可以根据系统实时显示的数据调整自身大脑状态，保证冥想训练的顺利进行，同时可以通过历史数据了解自己冥想训练的完成效率，从而继续学习提高。

3结语

本文提出的将BCI与VR相结合的冥想训练系统，与BCI采集处理系统连接简单，与无VR场景的传统BCI交互接口相比，更加直接和直观，并能克服现实环境活动的一些限制。虚拟现实使冥想训练场景具有更好的延展性，可以构建更丰富的适合不同人群的虚拟场景与交互方式。测试结果表明，VR环境的沉浸感和实时交互性更容易激发脑电信号，从而达到减少训练时间和提高训练效率的目的。

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（责任编辑：黄健）