团队黄海云副研究员在IEEE TBME发表可穿戴脑机接口的最新成果

新型可穿戴脑电BCI系统实现实时注意力监测与调节

近日,团队副研究员黄海云博士与2022级研究生陈洁在生物医学工程领域的权威期刊IEEE Transactions on Biomedical Engineering (JCR Q1, 中科院二区)上发表“Real-Time Attention Regulation and Cognitive Monitoring Using a Wearable EEG-based BCI”的研究成果。论文的通讯作者为华南师范大学潘家辉教授和华南理工大学李远清教授。该论文自2024年1月14日提交,于2024年9月24日正式被接收。

注意力调节对提高学习和工作效率、维护精神健康至关重要。然而,随着生活节奏的加快,注意力障碍问题日益普遍,对个体的心理健康和生活质量构成挑战。传统的评估方法如行为观察和眼动追踪无法精确反映大脑的实时活动,而脑电图(EEG)作为直接反映中枢神经系统活动的方式,为注意力的评估和提升提供了新途径。基于EEG的脑机接口(BCI)系统在评估和增强注意力方面显示出潜力,尽管当前的BCI系统多依赖于昂贵且笨重的设备。

为了克服这些限制,团队联合华南脑控开发了一种新型的可穿戴EEG头带,配合实时神经反馈的BCI系统,以促进注意力调节能力。这种系统不仅能更便捷地评估和改善健康人群的注意力,也为治疗注意力缺陷多动障碍(ADHD)和自闭症谱系障碍(ASD)等认知障碍提供了新工具。通过长期实验验证,这种BCI系统在提高受试者的注意力调节能力方面取得了显著效果,推动了BCI技术在实际应用中的进展。

本研究研发了一种新型的可穿戴BCI系统,通过实时神经反馈实现有效的注意力调节和认知监测(如下图)。该系统整合了一款轻便的单通道EEG头带和无线数据流,以实现实时分析。通过长期注意力调节实验,验证了该系统在提高健康受试者注意力调节能力方面的有效性,并进一步探讨了注意力调节的神经机制。具有在线输出功能的可穿戴BCI系统可以极大地推动BCI技术的实用应用。

在实验中,20名健康受试者被随机分为实验组和对照组,进行了为期12天的长期注意力调节实验。实验包括10个调节会话和2个基线评估。实验结果表明,实验组的平均注意力水平从0.625提高到0.812,而对照组没有显著改善,从而证明了本文研发系统的有效性。实验结果表明,所提出的方法在神经模式和认知反应方面都增强了受试者的注意力调节能力。

上图通过相位锁定值(PLV)方法揭示了实验组(BCI组)在注意力调节训练前后脑网络连接和属性的显著变化。与训练前相比,训练后(Post EEG评估)的脑网络显示出连接数量的显著增加,尤其在额叶和顶部区域的网络连接更为密集。此外,注意力状态下的聚类系数(Clu)和全局效率(Ge)在训练后均有显著提升,反映出通过BCI系统的训练能够增强脑网络的功能性和效率。

相比之下,对照组的脑网络连接和属性在训练前后(Pre和Post EEG评估)未显示出显著差异。这一发现进一步强调了BCI系统在促进注意力调节能力方面的潜在效果。结合EEG的深入脑网络分析和认知量表测试结果,研究证实了长期神经反馈训练对提高受试者注意力调节能力的有效性。因此,该BCI系统不仅为普通人提供了优化注意力的工具,也为注意力障碍患者带来了新的治疗希望。


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