基于心电反馈的注意力缺陷多动障碍矫正仪设计

3 系统总体结构

本系统集心电数据采集、预处理、A／D转换及USB传输、数据浏览(包括QRS波检测、HRV预处理、R-R间期序列、N-N间期序列)、HRV分析、游戏矫正程序等多功能于一体，主要包括数据采集及预处理、A／D转换及USB传输、数据浏览、HRV分析、游戏矫正程序五大功能模块，且各模块相对独立。将这些模块配置到不同的系统中，即可实现不同的功能，其系统总体框图如图1所示。前两部分为硬件部分，后三部分软件可在Windows XP平台下，用VB编写界面，而用VC编写处理部分。



4 系统功能

本系统由实时心电数据采集与显示、HRV分析、游戏矫正程序等部分构成。

4．1 实时心电数据的采集与显示

心电信号(ECG)经心电放大器放大、滤波及50Hz工频陷波后送入A／D转换器，图2所示是本系统的心电数据采集与预处理电路。本系统采用阿尔泰公司的USB2010AD多功能接口板对经过处理的ECG信号进行采样，采样速率为1000 Hz 。在数据采集的同时，ECG波形即在屏幕上实时显示，数据采集时间也同时显示在屏幕上，并可由用户自已控制采集时间的长短。根据HRV分析的需要，数据采集时间最好在30分钟以上。



4．2 HRV分析

对HRV中能够表征注意力集中度的参量进行提取时，首先要了解心电信号的波形特点，图3所示是正常人体的心电信号波形图。



图3所示的常规心电图一般由P，Q，R，S，T构成，图中，对诊断很有价值的几个波形参数是P波、R波、QRS复合波、ST段、T波、Q-T间期和TP段，它们分别可从不同角度反映心动周期里一系列综合向量的变化。心率变异性分析则是通过测量连续正常的QRS波群周期之间的变化(beat to fluctuation)变异数(Variance)，从而反应心率的变化。它不同于常用的以时间为单位的平均心率变化指标(如最大心率或最小心率等)，HRV的大小并不反映心率的快慢。反映窦性心率的应该是P－P间期。所以，更确切地说，HRV分析是测量连续P－P间期之间差异的变异数，然而，P－P间期目前尚难以准确测量，且在一般情况下，P－P间期与R－R间期相等。因此，目前分析均以R－R间期代替P－P间期，或称N－N间期。HRV在临床上被用作无创伤性地反映自主神经系统活动的指标。

具体的HRV分析可采用散点图分析法。对于相邻两心拍的R－R间期，若以前一心拍R－R间期为横坐标，后一心拍R－R间期为纵坐标，即可得到Lorenz散点图。散点图中包含了HRV的线性和非线性变化趋势。常人的散点图大多集中在45°射线附近，自下而上向两侧散开呈彗星状。通过散点图可了解被检测者的自主神经功能状态。

4．3 游戏矫正程序

通过一定量的试验，可以确定注意力集中度正常者的散点图分布范围以及患有注意力缺陷障碍患者的散点图分布范围，然后在程序中定义一个参量Attention(其类型为BOOL型，注意力集中时，它的返回值为TRUE，反之则为FALSE)，再将该参量引入游戏程序中，患者可以在主程序界面中选择不同游戏来进行矫正治疗。现以其中一款游戏为例来说明其矫正原理。

游戏开始后，屏幕上会出现三辆赛车，中间的一辆是由患者本人控制的，其它两辆是由计算机程序设置自动运行的。设在某个游戏等级时患者本人控制赛车的初始速度为v，其它两辆赛车的速度总是v的0．8"1．2倍，具体的倍数由计算机在该范围内形成的随机数产生。患者本人控制一辆赛车包括了其双手操作和心电反馈的Attention参量控制两个方面。对赛道上随机出现的路障，患者应用手控键盘操控赛车躲避。赛车每碰上一个路障，速度降低0．1v，成功绕过路障时赛车速度维持不变。患者在操控游戏的同时，系统可对患者的HRV进行复杂度分析并输出患者的注意状态值，注意状态连续保持5 s则速度增加0．1v。注意状态保持不到2 s则速度减少0．1v；注意状态连续保持在2～5 s之间时，维持原有速度。游戏运行30分钟算一个段落，记录患者积分。

这样通过长期的不断的治疗，患者最终就会保持一定程度的注意力集中状态，并最终克服注意力缺陷多动障碍。

5 结束语

本系统界面友好，操作方便，集成度高。操作界面由主菜单、子菜单、按钮、图标等组成。用鼠标点击代表实际对象的图标、菜单、按钮，便可实现相应的功能。本系统集心电数据采集、预处理、A／D转换及USB传输、数据浏览(包括QRS波检测、HRV预处理、R-R间期序列、N-N间期序列)、HRV分析、游戏矫正程序等多功能于一体，而且针对性很强。由于注意力缺陷多动障碍患者大多处于青少年期，因此，本设计利用电脑游戏来进行治疗的方案易于被接受，治疗效果较一般传统的药物治疗和其它治疗效果要好。

此外，本系统的分析结果表示直观。系统将心电波形实时还原显示，可以直观地看到患者心电波形的变化，同时还可以看到HRV分析后得到的散点图，这些都便于医生做出正确合理的治疗判断。