宋逍雄 高瞻 周海昌

摘要：冥想可以改善多種與人生活方式有關的健康問題，包括抑郁癥患者的抑郁癥狀，以及減輕慢性疼痛患者的疼痛感等。將腦機接口技術（BCI）與虛擬現(xiàn)實技術（VR）相結合，設計并實現(xiàn)了基于腦機接口的虛擬現(xiàn)實冥想系統(tǒng)。系統(tǒng)提供沉浸式虛擬環(huán)境和引導冥想軌跡，同時使用腦機接口設備進行腦電圖（EEG）數(shù)據(jù)采集，經(jīng)藍牙傳輸?shù)絇C端進行分析與處理，監(jiān)測參與者的心理變化，并實時提供視覺、聽覺等系統(tǒng)反饋。研究結果初步證明系統(tǒng)可以幫助用戶更好地進行冥想訓練。

關鍵詞：虛擬現(xiàn)實；腦機接口；冥想；交互技術

DOI：10.11907/rjdk.173232

中圖分類號：TP303

文獻標識碼：A文章編號：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）是一種綜合性的心理與行為訓練，其有助于個體建立一種特殊的注意機制，達到心理上的整體提升[1]。經(jīng)證明，冥想可以改善多種與人生活方式有關的健康問題，包括抑郁癥患者的抑郁癥狀，減輕慢性疼痛患者的疼痛感等[2]。冥想也被證明可以減輕壓力，促進身體放松，這對很多人，包括對生活滿意度較低的人[3]都是非常有益的。

虛擬現(xiàn)實（VirtualReality，VR）技術誕生于20世紀80-90年代，經(jīng)過幾十年的發(fā)展已廣泛應用于醫(yī)療、教育、娛樂等方面。虛擬現(xiàn)實技術是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三維空間的虛擬世界，通過對視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓人產(chǎn)生身臨其境之感[4]。虛擬現(xiàn)實的沉浸性、交互性、構想性特點可以使用戶獲得更好的交互體驗[5]。因此，本系統(tǒng)采用虛擬現(xiàn)實技術構建適合于冥想的虛擬現(xiàn)實場景。

腦-機接口（Brain-ComputerInterface，BCI）是在人腦和計算機或其它電子設備之間建立不依賴于常規(guī)大腦信息輸出通路（外周神經(jīng)和肌肉組織）的全新對外信息交流和控制技術[6-7]，實質(zhì)為通過腦信號推斷人的想法，從而實現(xiàn)人機交流[8]。BCI反饋技術是將EEG信號的識別結果通過形象的視覺或聽覺信號[9]反映出來，其目的是通過對人腦進行思維訓練以產(chǎn)生最佳的EEG信號。目前BCI研究常用的反饋方式包括滾動條、虛擬導航、光標[10]、光斑[11]、虛擬現(xiàn)實、神經(jīng)肌肉感覺刺激[12-13]等。其中，在滾動條、虛擬航標、光標、光斑幾種反饋方式中，受試者的想象動作通常與得到的反饋不一致，效果較差[14]。因此，本文設計了一種與VR結合的反饋系統(tǒng)。

將BCI技術與虛擬現(xiàn)實技術相結合是近年來在多媒體和娛樂領域出現(xiàn)的一種BCI應用的新形式[15]。實現(xiàn)BCI與VR相結合最簡單的方式是設計一個令用戶有身臨其境感的3D虛擬境，以及可現(xiàn)場傳感反饋以便實時使用的BCI系統(tǒng)。BCI-VR系統(tǒng)通常由BCI和VR兩部分構成。BCI記錄大腦信號，提取其中生理或心理狀態(tài)特征參數(shù)，并對思維意向分類識別進行實時分析處理，以生成控制命令；VR軟件則模擬、渲染和建造VE世界，為用戶提供反饋并處理來自BCI的命令[16]。

1BCI-VR系統(tǒng)架構設計

本文基于腦機接口技術設計并實現(xiàn)了虛擬現(xiàn)實冥想系統(tǒng)，系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)主要由兩部分構成：腦波信號采集模塊與虛擬現(xiàn)實交互反饋模塊。其中，腦波信號采集處理模塊是將腦立方（Mindwave）采集到的EEG信號經(jīng)處理后轉換為1～100的整數(shù)信號，然后通過藍牙傳輸給PC端；虛擬現(xiàn)實交互反饋模塊采用3DMax建模用戶冥想場景，通過藍牙實時接收數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，同時根據(jù)信號作出系統(tǒng)交互反饋。受試者可以進行多次訓練，實時調(diào)整大腦的運動想象方式，從而掌握產(chǎn)生最佳EEG信號的方法。

1.1相關硬件介紹

通過對腦立方（Mindwave）腦電設備、HTCVive虛擬現(xiàn)實頭盔、藍牙傳輸模塊和傳輸終端等進行軟硬件集成，開發(fā)基于腦機接口的虛擬冥想訓練原型系統(tǒng)，硬件設備如圖2所示，主要包括：

（1）腦電信號采集模塊。該模塊采用腦立方腦電耳機作為BCI接口，通過放置在前額的一個傳感器以及放置在耳部的參考電極觸點進行腦電波信號測量，然后通過藍牙與電腦/平板電腦/手機連接，發(fā)送或接收數(shù)據(jù)和信息。其輸出采用NeuroSky專利技術的關注度及放松度指數(shù)，反映出佩戴者當前的精神狀態(tài)。同時還可輸出原始的腦電波信息以及不同頻段的腦電信息。

（2）虛擬現(xiàn)實頭盔。HTCVive通過一個頭戴式顯示器、兩個單手持控制器、一個能于空間內(nèi)同時追蹤顯示器與控制器的定位系統(tǒng)（Lighthouse）3部分為使用者提供沉浸式體驗。頭顯上是一塊OLED屏幕，2K分辨率大大降低了畫面顆粒感，用戶幾乎感覺不到紗門效應；畫面刷新率為90Hz，實際體驗幾乎零延遲，用戶不會感到惡心和眩暈；兩個單手持控制器可以讓用戶進行交互；控制器定位系統(tǒng)Lighthouse采用激光和光敏傳感器定位確定用戶位置，允許用戶在一定范圍內(nèi)走動。

1.2系統(tǒng)架構實現(xiàn)

1.2.1BCI信號采集處理

腦電信號采集模塊具有藍牙功能，與電腦連接后會生成連接串行端口號，然后在自行編寫的腳本文件中設置對應端口號，即可傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭汛罱ê玫腢nity軟件平臺進行處理。腦立方頭環(huán)首先對原始腦電波信號進行放大，過濾環(huán)境噪聲及肌肉組織運動產(chǎn)生的干擾，然后通過對處理后的信號進行計算，得到量化的冥想度（Meditation）指數(shù)和專注度（Attention）指數(shù)。腦立方頭環(huán)可以針對不同使用者腦電波信號在正常范圍內(nèi)的波動趨勢和個體差異進行動態(tài)補償，因而可適用于不同人群與周邊環(huán)境，并且在不同應用場景下都具有較好的準確性和可靠性。

1.2.2VR交互反饋

VR交互反饋模塊包括搭建虛擬場景供用戶訓練，搭建數(shù)據(jù)庫存儲用戶數(shù)據(jù)，設計交互方式反映腦波數(shù)據(jù)變化，完善系統(tǒng)方便用戶操作。

（1）3DMAX建模。首先需要在3DMAX軟件中創(chuàng)建適合用戶冥想的虛擬場景。本系統(tǒng)共設計了3個場景，如圖3所示。場景建立采用粒子效果、動畫（Animation）系統(tǒng)、著色器（shader）等Unity3D技術，使場景給用戶帶來一種舒適的感覺，讓用戶放松身心，從而更好地進行冥想訓練。

（2）數(shù)據(jù)庫建立。每個用戶擁有一個賬號，用于記錄個人信息、訓練情況以及訓練進程。

（3）設計交互方式。交互方式包括手柄交互和腦波控制物體移動，包括蝴蝶飛行、云吸入與花的生長等，如圖4所示。

（4）VR場景完善。在VR反饋平臺添加提示面板和若干按鈕，優(yōu)化了反饋系統(tǒng)功能。用戶可以根據(jù)提示信息自主操作，且系統(tǒng)會實時給出反饋信息，如圖5所示。

1.2.3系統(tǒng)應用

被試者戴上腦電采集頭環(huán)和虛擬現(xiàn)實頭盔進行訓練，如圖6所示。虛擬場景給予被試者視覺與聽覺誘導，受試者可以實時查看物體運動與自己想象是否一致，從而不斷調(diào)整，通過多次訓練以產(chǎn)生最佳EEG信號。

在腦機接口系統(tǒng)中，EEG信號經(jīng)處理后被轉換成0～100的數(shù)字信號，虛擬現(xiàn)實反饋系統(tǒng)每隔1s通過藍牙從腦機接口系統(tǒng)端接收數(shù)據(jù)，如果成功讀取到數(shù)據(jù)，會實時將數(shù)據(jù)顯示到虛擬現(xiàn)實頭盔中，場景中的物體會向特定方向移動；如果未讀取到數(shù)據(jù)，則會給出提示信息，直至讀取到有效數(shù)據(jù)為止。

2系統(tǒng)測試

2.1測試過程

腦電采集頭環(huán)發(fā)送的數(shù)據(jù)格式包括一個“大包”和一個“小包”，其中大包以約1Hz的頻率發(fā)送，小包以約512Hz的頻率發(fā)送，即1s內(nèi)發(fā)送512個小包和一個大包。小包數(shù)據(jù)為腦波原始數(shù)據(jù)，大包包括冥想度、專注度和EEG的10個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式如圖7所示。

冥想度和專注度指數(shù)分別用于描述被試者進入冥想狀態(tài)（類似精神放松程度）或?qū)Ｗ顟B(tài)（類似注意力集中程度）的程度。它描述的不是當前精神狀態(tài)的一個絕對數(shù)值，而是當前精神狀態(tài)活動波動范圍的相對數(shù)值。數(shù)值在40～60之間，表示此刻該項指數(shù)的值處于一般范圍，這一數(shù)值范圍類似于常規(guī)腦電波測量技術確定的“基線”；數(shù)值在60～80之間，表示此刻該項指數(shù)值處于“較高值區(qū)”，說明當前受試者的專注度或放松度比正常情況下高；數(shù)值在80～100之間，表示處于“高值區(qū)”，說明受試者處于非常專注或非常放松的狀態(tài)。同理，如果數(shù)值在20～40之間，則表示此時的冥想度和專注度指數(shù)水平處于“較低值區(qū)”；數(shù)值在1～20之間，則意味著處于“低值區(qū)”，表示被試者的精神狀態(tài)表現(xiàn)為不同程度的心煩意亂、焦躁不安等。

圖8是同一用戶第1次、第5次與第10次分別完成專注度訓練的數(shù)值變化曲線。

從圖8可以看出，被試者在進行專注度訓練時，隨著訓練次數(shù)增加，完成訓練的時間逐漸減少。從專注度數(shù)值變化可看出被試者可以更快地集中注意力，第10次的專注度高值區(qū)比第1次與第5次出現(xiàn)得更早。

圖9是同一用戶第1次、第5次與第10次分別完成冥想度訓練的數(shù)值變化曲線。

從圖9可以看出，被試者在進行冥想度訓練時，隨著訓練次數(shù)增加，完成訓練的時間逐漸減少。從冥想度數(shù)值變化可看出被試者可以更快地放松，第10次的冥想度高值區(qū)比第1次與第5次出現(xiàn)得更早。

圖10是同一用戶第1～12次完成訓練的冥想度和專注度標準差變化趨勢。

由圖10可以看出，隨著訓練次數(shù)增加，專注度與冥想度的標準差值呈遞減趨勢，最后趨于平穩(wěn)。被試者開始訓練時的專注度和冥想度值較大，說明被試者腦波信號波動幅度大，隨著訓練次數(shù)增加，被試者可以很好地控制自身的EEG信號，所以標準差值逐漸減小直至穩(wěn)定。

2.2實驗總結

基于上述理論基礎，以及硬件設備與軟件架構的設計實現(xiàn)，本系統(tǒng)將BCI和VR有效結合在一起，可高效準確地采集腦電波數(shù)據(jù)并傳輸給VR反饋系統(tǒng)，而逼真的VR場景反饋能有效提高訓練效率。用戶可以根據(jù)系統(tǒng)實時顯示的數(shù)據(jù)調(diào)整自身大腦狀態(tài)，保證冥想訓練的順利進行，同時可以通過歷史數(shù)據(jù)了解自己冥想訓練的完成效率，從而繼續(xù)學習提高。

3結語

本文提出的將BCI與VR相結合的冥想訓練系統(tǒng)，與BCI采集處理系統(tǒng)連接簡單，與無VR場景的傳統(tǒng)BCI交互接口相比，更加直接和直觀，并能克服現(xiàn)實環(huán)境活動的一些限制。虛擬現(xiàn)實使冥想訓練場景具有更好的延展性，可以構建更豐富的適合不同人群的虛擬場景與交互方式。測試結果表明，VR環(huán)境的沉浸感和實時交互性更容易激發(fā)腦電信號，從而達到減少訓練時間和提高訓練效率的目的。

參考文獻：

[1]任俊，黃璐，張振新.基于心理學視域的冥想研究[J].心理科學進展，2010，18（5）：857-864.

[2]PLEWS-OGANM，OWENSJE，GOODMANM，etal.Briefreport：apilotstudyevaluatingmindfulness-basedstressreductionandmassageforthemanagementofchronicpain[J].JournalofGeneralInternalMedicine，2005，20（12）：1136-1138.

[3]HAYESS，STROSAHLK，WILSONK.Acceptanceandcommitmenttherapy：anexperientialapproachtobehaviorchange[J].EncyclopediaofPsychotherapy，1999，9（1）：1-8.

[4]孔文麗，薛召軍，陳龍.基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的腦機接口技術研究進展[J].電子測量與儀器學報，2015（3）：317-327.

[5]胡衛(wèi)哄，劉道光，王倩.虛擬現(xiàn)實技術在教育教學中的應用與研究[J].山東省青年管理干部學院學報，2007（6）：139-141.

[6]WOLPAWJR，BIRBAUMERN，MCFARLANDDJ，etal.Brain-computerinterfacesforcommunicationandcontrol[J].ClinNeurophysial，2002（1）：767-791.

[7]WOLPAWJR，BIRBAUMERN，HEETDERKSWJ，etal.Brain-computerinterfacetechnology：areviewofthefirstinternationalmeeting[J].IEEETransactionsonRehabilitationEngineering，2000，8（2）：164-173.

[8]楊幫華，顏國正，嚴榮國.腦-機接口研究進展[J].中國醫(yī)療器械雜志，2005，29（5）：353-357.

[9]孫進，張征，周宏甫.基于腦機接口技術的康復機器人綜述[J].機電工程技術，2010，39（4）：13-16.

[10]RAMOSA.ProprioceptivefeedbackinBCI[C].IEEEEMBSConferenceonNeuralEngineeringAntalya，2009：279-282.

[11]WANGY，GAOX，HONGB，etal.Brain-computerinterfacesbasedonvisualevokedpotentials[J].IEEEEngineeringinMediineandBiologyMagazine，2008，27（5）：64-71.

[12]王雅.基于腦機接口技術的偏癱輔助康復系統(tǒng)的研制[D].天津：天津大學，2005.

[13]VAUGHANTM，MCFARLANDDJ，SCHALKG，etal.ThewadsworthBCIresearchanddevelopmentprogram：athomewithBCI[J].IEEETransactionsonNeuralSystems&RehabilitationEngineeringaPublicationoftheIEEEEngineeringinMedicine;&BiologySociety;，2006，14（2）：229-233.

[14]楊幫華，劉麗，陸文宇，等.基于虛擬現(xiàn)實技術的腦機交互反饋系統(tǒng)設計[J].北京生物醫(yī)學工程，2011，30（4）：401-404.

[15]王國慶，吳廣茂，劉天時.虛擬現(xiàn)實（VR）技術及其應用[J].航空計算技術，1994（2）：1-6.

[16]孔文麗，薛召軍，陳龍.基于虛擬現(xiàn)實環(huán)境的腦機接口技術研究進展[J].電子測量與儀器學報，2015（3）：317-327.

（責任編輯：黃健）