基于觸屏點擊的舒爾特方格注意力訓練及效果量化分析

賀一興, 胡聲靖, 張喜洋, 王朋, 王索剛

(天津醫科大學生物醫學工程與技術學院, 天津 300070)

注意力是人對特定對象的指向和集中的心理活動,是感知、思維、想象和記憶等正常心理和認知活動的重要條件[1]。隨著移動互聯網技術發展及網絡課堂學習的廣泛開展,大學生、中學生、小學生在移動設備上學習的場景越發普遍,隨之出現的碎片化學習注意力失焦問題也愈發凸顯[2-3]。信息的接受將消耗接受者的注意力,過量的信息會導致注意力貧乏。在使用移動設備學習時,學習者受社交媒體、即時通信軟件等各類干擾更容易暫停學習活動并將注意力轉移到學習之外[4]。這種碎片化的學習和注意力不集中對其學習質量產生非常嚴重的負面影響。因此如何提高學習者注意力水平保證學習效果變得更加關鍵。

對注意力的評估測量通常采用紙筆作業測驗法、生物信號反饋法等[5-9]。但其受測試實施者主觀影響較大或受限于特定硬件設備,且缺乏量化評定標準。視聽整合連續執行測試(integrated visual and auditory continuous performance test,IVA-CPT)是一套注意力輔助診斷及療效評價的評估系統。系統通過任務中重復出現的視聽刺激和受試者對刺激的反應衡量其整體注意力能力和操作控制能力。廣泛應用于臨床注意力缺陷多動癥等注意力疾病診斷和治療效果量化評估[10]。舒爾特方格訓練是一個經典注意力提升訓練范式[11-12],它可以有效訓練視覺注意力以及注意力的轉移、分配、穩定性和廣度等特征要素[13]。劉日華等[14]研究發現,舒爾特方格訓練能夠有效提高射箭運動員的注意力和項目成績。盧宏亮等[13]研究表明,舒爾特方格訓練對健康大學生的注意力提升有明顯效果。但當前這些研究中均以任務完成時間和正確率為標準,維度單一且缺少量化評價指標。

眼球運動和注意力有著直接密切的聯系[12, 15-18]。注視軌跡、注視時間、目標區域內注視點分布、注視次數等眼動參數的分析能夠為研究提供多維度數據和多層次的結果判定依據[19-21]。呂貞等[22]通過眼動行為分析了駕駛人精神負荷變化情況?；诖?提出并開發基于觸屏點擊的舒爾特方格訓練程序,利用眼動參數和IVA-CPT測試商數得分從多維度量化評價舒爾特方格訓練效果。研究成果對提高兒童青少年及成人注意力水平具有現實意義。

1 材料和方法

1.1 受試者

募集32名18～22歲在校大學生參與本次實驗,所有受試者均身體健康,右利手,視力正?；蛐Ｕ！o報告既往精神類疾病病史,參與實驗期間無任何藥物、酒精或其他任何興奮類物質服用行為。本研究遵循天津醫科大學倫理委員會各項要求,參與項目前所有受試者均詳細了解實驗內容和相關注意事項,閱讀并簽署了實驗知情同意書。

1.2 訓練方案設計

受試者被隨機分為實驗組和對照組2組,每組16人。32位受試者在項目開始時進行IVA-CPT測試,以測定其初始注意力狀態水平。隨后,實驗組每3天接受一次注意力訓練任務,在為期一個月的項目周期中參與完成10次訓練(T1～T10)。每次訓練中受試者需完成15組舒爾特方格訓練,對照組無訓練任務。訓練周期結束后所有受試者再次進行IVA-CPT水平測試,評定每人的注意力狀態。

1.3 實驗范式

舒爾特方格訓練在環境光線昏暗、安靜無干擾房間進行。訓練系統由計算機、觸屏顯示器和眼動儀組成,主要包括前臺內容顯示、觸控交互和后臺數據采集等模塊。軟件功能由Unity2020開發而得。采用的舒爾特方格為標準的5階(5×5的1～25數字矩陣),系統隨機生成方格內的數字排列,并呈現于觸屏顯示器,受試者點擊觸屏后由觸控交互模塊接收并判斷響應是否正確,同時系統后臺同步記錄所有觸屏響應的時間、位置和眼動數據等狀態信息。如圖1所示,實驗中受試者面前約60 cm處放置一塊17 in(1 in=2.54 cm)觸屏顯示器,刷新率60 Hz。屏幕底部安裝有tobii-5 眼動儀,用于采集受試者眼動數據。受試者通過點擊觸屏完成任務,需按從小到大的順序依次用右手點擊1～25中每個數字,數字隨機排序。受試者點擊“1”時系統自動開始計時,點擊“25”后計時停止。受試者參加訓練前接受教學講解實驗步驟和操作方法,待其完全理解規則后正式開始訓練。在每次訓練任務中受試者需完成15組舒爾特方格訓練,每組訓練間有1 min休息。

圖1 實驗示意Fig.1 Illustration of experiment

開發的這套基于觸屏實現的舒爾特方格注意力訓練范式擺脫了傳統紙筆訓練模式下對專業技術人員引導監督的依賴。實現了對訓練數據采集、記錄、分析的數字化。實現無感數據記錄的同時大大提高訓練數據的準確度,節省人力資源成本?？梢詽M足大規模、高重復性訓練需求,能夠廣泛應用于學校、家庭、社區等場景。

IVA-CPT測試是一個包括13 min聲音和視覺刺激的測試系統。測試任務是對500個包括目標和干擾的測驗做出反應。測試任務要求受試者在聽到或看到“1”時點擊鼠標左鍵;在聽到或看到“2”時不做出反應。根據受試者在測試中的反應時間、反應沖動和注意力不集中錯誤可以量化評估其注意力狀態水平。IVA-CPT結果商數可分成兩個部分:反應控制商數和注意商數,其結果分析可對人的狀態做出最全面的評價。IVA-CPT分析提供了6個整體綜合商數和22個基本商數,本研究選用2個整體綜合商數和6個主要基本商數作為統計參數。整體綜合商數包括綜合注意商數(full scale attention quotient, FAQ)和綜合控制商數(full scale response control quotient, FRCQ);基本商數為謹慎商數(prudence visual quotient, PRV)、一致性商數(consistency visual quotient, CONV)、毅力商數(stamina visual quotient, STMV)、警醒商數(vigilance visual quotient, VIV)、注意商數(focus visual quotient, FOCV)和速度商數(mean visual reaction time quotient, MNV)。這些商數是客觀科學地衡量受試者機體整體協調能力、意志控制能力、反應變化的敏感程度、注意力集中程度和反應速度等的重要商數。

針對傳統注意力評估手段存在的主觀性強,缺乏量化評估標準,數據采集過程煩瑣復雜等問題,采用IVA-CPT系統實現對注意力水平的全面、量化、標準化的客觀評判。

1.4 數據采集記錄

訓練過程中受試者完成一組舒爾特方格訓練所用時間記為反應時,實驗系統自動記錄該反應時。利用tobii-5眼動儀采集實驗過程中受試者眼動數據,tobii-5眼動儀是一款非佩戴式眼動儀,通過角膜反射采集眼動數據,因此可在不妨礙受試者正常測試的情況下,采集其眼動數據。其工作范圍為距人眼45～100 cm,采樣頻率為60 Hz,精度為0.5°～1°,時延為(15±5) ms。

1.5 實驗數據分析

將得到的原始數據進行初步處理,使用MATLAB R2021b繪制注視點分布區域圖。通過繪制注視點分布區域圖,將注視點落在屏幕上舒爾特方格顯示區域時的注視點認定為有效注視點。計算受試者在每次訓練中的注視點數、平均掃視長度、平均掃視速度、回視次數等眼動數據。這些數據可反映出受試者在訓練過程中精神集中狀態。每次訓練任務中受試者會完成15組舒爾特方格訓練任務,其平均完成時間能夠表明訓練中受試者的反應速度與注意力集中狀況。完成任務耗時短且任務期間有效注視點占比大的表示注意力集中度高,通過對這些指標的分析來評定受試者的訓練是否取得效果。

利用IBM SPSS Statistics 27對第一次和最后一次訓練參數進行配對樣本t檢驗分析。同時對實驗組和對照組IVA-CPT商數進行獨立樣本t檢驗分析。P<0.05表示具有顯著性差異。

2 結果分析

2.1 眼動數據結果

在實驗組的訓練中記錄眼動相關數據和任務完成反應時間等行為學數據。分析受試者在第一次訓練(T1)和最后一次訓練(T10)的數據結果。

如圖2所示,將受試者在訓練中的眼動落點分布畫出,得到有效注視點分布。

圖2 有效注視點分布Fig.2 Distribution of effective fixation points

圖2中顏色深淺和區域位置能夠反映出受試者在任務中注意力集中區域。對第一次訓練(T1)和最后一次訓練(T10)的眼動參數進行配對樣本t檢驗,結果如表1所示。受試者經訓練后其注視時間、回視次數均降低,平均掃視長度和平均掃視速度明顯提高且結果具有顯著性差異。定義落在舒爾特方格區域的注視點為有效注視點,統計分析整個任務過程中有效注視點占所有注視點的比例,發現經過10次訓練受試者有效注視點占比從89.3%提升至95.7%。

表1 實驗組首末次訓練眼動指標對比Table 1 Comparison of eye movement between the first and last training in the experimental group

實驗組16位受試者在每次訓練中完成任務的平均反應時間如表2所示。

表2 實驗組訓練中平均反應時間Table 2 Average reaction time of the experimental group

計算所有受試者完成舒爾特方格任務的平均反應時間如圖3所示。

圖3 訓練反應時間Fig.3 Reaction time statistics in training

從圖3可以看出,隨著訓練的開展,受試者在任務中耗時明顯降低即反應速度明顯提高。對T1和T10反應時間進行配對樣本t檢驗,結果具有顯著性。表明實驗組受試者經過10次訓練注意力的整體水平有顯著提升。結果表明,在反應時、注視時間、平均掃視長度和回視次數方面,T1和T10之間的差異均具有統計學意義。而注視點數、有效區域內注視點數、平均掃視速度等不具有統計學差異。

2.2 IVA-CPT商數結果

所有受試者在訓練開始第1天(D1)和第30天(D30)進行IVA-CPT評估測試,通過對兩次測試的商數指標分析來評估本研究所設計的注意力訓練是否對受試者注意力狀態產生影響。

圖4為訓練前后實驗組與對照組的FAQ對比分析。在訓練前實驗組與對照組測試得分無顯著差異,即注意力水平接近。實驗組經過舒爾特方格訓練后FAQ顯著提高,且實驗組訓練前后得分,實驗組與對照組得分間的差異具有顯著性。表明訓練對被試的注意力水平產生了顯著影響。

圖4 訓練前后實驗組與對照組FAQ商數均值Fig.4 Mean FAQ of the experimental group and the control group before and after training

表3為實驗組和對照組每位受試者兩次測試的各項商數結果。表4為實驗組在訓練前后的8個商數值變化,可以看出訓練前后實驗組受試者的IVA-CPT各主要商數均得到不同程度提高。在綜合商數方面, FAQ相較FRCQ提升更多。FAQ主要反應受試者大腦反應能力、反應速度、對反應變化的敏感程度等。已有研究證明舒爾特方格訓練可以有效訓練注意力集中、分配、控制能力,拓展視幅,提高視覺穩定性、辨別力和定向搜索能力[23],實驗組受試者經過訓練后FAQ、VIV、MNV均顯著提高,用量化指標印證了舒爾特方格訓練能夠改善并提高注意力。FRCQ主要衡量受試者機體整體協調能力和意志控制能力,CONV、STMV等代表受試者在長時間任務過程中前后反應能力的一致性和全程保持穩定的能力,受試者訓練后,這些商數指標有提高,且商數提高差異均具有顯著性。

表3 所有受試者IVA-CPT測試結果Table 3 IVA-CPT test results of all participants

表4 實驗組訓練前后IVA-CPT商數Table 4 IVA-CPT quotients of experimental group before and after training

IVA-CPT測試結果(表4)顯示,訓練前(D1)實驗組和對照組FAQ商數無統計學差異,與已有研究中人群得分相符。實驗組經過訓練后在IVA-CPT測試中取得了更高的分數。實驗組訓練前后的商數得分有統計學差異(P<0.05),在第30天(D30)對照組的IVA-CPT商數與實驗組相比也有統計學差異(P<0.05)。結果表明:與不做訓練相比,本研究所采用的舒爾特方格訓練能夠顯著鍛煉受試者的反應速度、機體協調能力、注意力集中程度等,這體現在經過訓練的受試者各主要IVA-CPT商數指標相較自身訓練前以及未經訓練的對照組都有了顯著提高。

3 討論

以IVA-CPT商數為注意力水平評定指標,選取舒爾特方格任務作為注意力訓練任務。搭建了注意力訓練觸屏反饋系統,利用Unity系統開發了實驗所需訓練內容。使用觸屏代替傳統紙筆模式,實現對受試者每次點擊正誤的自動實時判斷。系統還同步記錄所有觸點坐標和點擊時刻等并保存詳細記錄文檔,不僅擺脫了人工監督的專業局限性,更保證了訓練數據的真實性和準確性。訓練時當系統檢測到第一個觸屏點擊信號時自動開始計時,最后一個目標被點擊時計時自動停止,實現訓練耗時的精確無感記錄,為后續結果分析提供可靠保障。

引入眼動監測模塊,在受試者進行舒爾特訓練過程中對其眼動數據實現無感采集,實現對訓練過程中受試者的注意力狀態分析。相較于傳統舒爾特方格訓練范式以訓練耗時作為單一評價指標,眼動模塊的融合引入提升了評價維度,無感監測訓練過程中視點軌跡等數據,填補過程中的數據空白。在視覺搜索注意力訓練的同時監測反映受試者注意力水平的多種參數,并實現訓練先后注意力程度改變的量化分析。在研究方案設計上采用觸屏、眼動儀等設備,充分利用其高采樣率、高精確度的優勢,保證行為學數據采集精度。舒爾特方格訓練軟件模塊的開發過程中也充分融合軟硬件各自特點,試訓練內容生成顯示、觸屏點擊響應反饋、眼動儀數據記錄與同步等協調配合。實現了舒爾特方格訓練的無監督,數據采集的無感自動和分析維度的有效多元。提供了一套高效便捷的注意力訓練方案。

已有研究證明視覺搜索有效性訓練能夠提高注意力能力[12],實驗結果表明,受試者在舒爾特方格訓練后中注視時間和反應時間降低,且二者具有一致性。若受試者訓練中出現失神、發呆、被外部環境干擾等注意力問題時,會導致注視時間和反應時間變長。注視點數可以反映個體的知覺加工范圍大小,注視點數越少知覺加工范圍越大。研究中受試者訓練后期注視點數顯著減少,表明隨著訓練過程推進,視覺加工能力增強。掃視長度越長則視覺加工能力和信息提取能力越強,注意力水平也越高?；匾暣螖捣从呈茉囌咴谌蝿罩凶⒁饬兴?回視次數越多表明其搜尋目標能力越弱,視覺搜索過程中注意力不集中也會導致頻繁回視。訓練后期回視次數減少的同時掃視長度也增加,表明其知覺廣度和視覺信息處理能力都得到提高。有效注視點占比反映任務過程中受試者將注意力集中在任務本身的程度。若注視點更多的落在有效區外,則表明受試者更容易被外界環境干擾所吸引,注意力水平較低。經過10次訓練有效注視點占比由89.3%提高到95.7%,受試者專注程度也有所提高。受試者經10次訓練,回視次數顯著降低,平均掃視長度、平均掃視速度和有效注視點占比都得到明顯提高,即注意力水平得到提升。

IVA-CPT測試中,受試者訓練后與訓練前相比其2個整體綜合商數和6個主要基本商數得到提升且差異具有顯著性。綜合注意商數由警醒商數、注意商數和速度商數加權計算而來。警醒商數分值低則反映注意力轉移、失神和疏忽等問題。注意商數則用于衡量受試者保持響應速度的能力。速度商數代表大腦反應能力。受試者經過訓練上述商數都有了提高。從實驗組和對照組的結果對比來看,在訓練前兩組受試者商數水平無顯著差異具備可比性,訓練后顯現出統計學差異,說明所采用的基于舒爾特方格和眼動分析的注意力訓練能夠提升受試者的反應能力、反應速度和注意力水平。

4 結論

受試者通過舒爾特方格任務訓練能夠提高注視效率,強化視覺搜索能力,從而提高注意力水平。通過對訓練中眼動數據的分析發現,訓練后受試者的注視時間縮短,掃視距離增加,回視次數減少且有效注視點占比明顯提高。訓練平均反應時間也隨著訓練次數的增加呈顯著下降。訓練后實驗組受試者的IVA-CPT測試商數都有顯著提升,未經訓練的對照組則無顯著差異,表明注意力水平通過適當方法訓練可以得到有效提升。

所提出的基于觸屏點擊的舒爾特方格訓練方法能夠提高注意力水平且所采用的反應時間、注視點分布、注視時間、掃視長度、回視次數等指標能夠有效地量化反映注意力水平。基于IVA-CPT評價方法和觸屏技術,創新性融合開發眼動檢測和舒爾特方格訓練范式,實現對注意力水平和訓練效果的多元化評估和交叉驗證。著力實現了人機交互訓練的便捷化、標準化、無人化,對注意力水平量化評估和訓練提升的研究與實踐具有一定理論價值和參考意義。該系統和評估方法也具有作為一種兒童注意力缺陷多動障礙癥訓練方法和應用的潛力。