人体感觉冲突诱发装置 【技术领域】
本发明涉及生物医学工程研究领域，具体地说是涉及一种人体感觉冲突诱发装置。
背景技术
人体完成各种运动都依赖于视觉系统、前庭器官和本体感受器三者感觉信息的输入，以及中枢神经系统的整合协调。其中，视觉信号是最重要的信息来源，80～90％的外界信息是通过视觉系统传入的；前庭器官通过内耳的半规管和耳石能敏感的感知头部的微小运动变化，所以前庭信号在保持身体平衡、空间定向、感知运动状态等方面时刻都发挥着重要作用；此外，本体感受器包括肌肉、肌腱、关节内的感受器，主要感知运动器官的位置变化。
这些系统均参与维持机体姿势和活动，其中任何一个感受器功能不正常，或者某些输入信息之间产生矛盾时，都将会使人形成感觉冲突，进而导致对自身空间位置的判断发生障碍，即发生空间定向障碍，甚至导致运动障碍和运动病的发生。晕车、晕船、晕机等就是感觉冲突导致运动病的表现形式，给人们正常使用交通工具带来了诸多不便，严重困扰着人们的生活和旅行。而在航空航天活动中，经调查，几乎所有飞行员、航天员均发生过不同程度的空间定向障碍。
已有的研究证实视觉与前庭觉信息间的冲突是引起空间定向障碍常见的原因。并且，在针对运动病发病机制的诸多研究中，感觉冲突理论已经得到了广泛的认同。感觉冲突理论主要认为不适宜的运动环境或运动环境中不习惯因素的刺激通过视觉器官、前庭器官和本体感受器传入中枢神经系统，导致人形成感觉冲突。但是，具体的发病机制至今仍未阐明，使得预防和治疗措施缺乏针对性而难以奏效。
目前针对运动病的防治措施大体分为药物防治和非药物防治两种。现有的研究结果表明药物防治的效果较优，尤其是抗胆碱药物。但是药物所造成的副作用也不可避免，如会抑制中枢神经系统功能，引起嗜睡、视觉模糊，损害人的记忆力等，尤其不宜用于正在进行作业的人员。故基于非药物治疗的研究势在必行，现有的研究手段主要包括适应性前庭功能锻炼、减少诱发因素等，但治疗效果有待进一步的改善。
因此，在本领域迫切需要一种装置，其能够实现以下功能中的一项或多项：
-通过单独或同时改变视觉信号、前庭信号和本体感觉信号，引发人体感觉冲突；
-通过改变刺激的方式和强度，引发人体不同类型和程度的感觉冲突。
【发明内容】
目前诱发感觉冲突一般仅从一种途径进行刺激，并且刺激强度是固定的，不易调节。为了解决这一问题，本发明提供了一种能够通过视觉、前庭觉和本体感觉单独或联合刺激诱发人体感觉冲突的人体感觉冲突诱发装置，并且刺激的程度可以调节，该人体感觉冲突诱发装置：
-可以对视觉信号、前庭信号和本体感觉信号进行有选择的单一刺激，也可以通过多种信号进行组合刺激；
-三种信号的刺激程度可以实现分别调节；
-可以用于诱发不同类型和程度的感觉冲突；
-可以用于对感觉冲突条件下人体行为功能的测试和训练。
本发明的人体感觉冲突诱发装置包括：倒视装置、前庭电刺激装置和本体感觉刺激装置，且均与设计的一个头盔相连接。
倒视装置可以是上下倒视镜或者左右倒视镜，用于把被测者眼睛所接收的视觉信号进行上下或者左右颠倒，从而造成被测者视觉冲突。上下倒视镜为一个等腰直角三棱镜，通过特定的支架固定于头盔前的挡板上。上下倒视镜的高度可以方便调节。左右倒视镜为一对等腰直角三棱镜，每个倒视镜通过特定的支架单独固定于头盔前的挡板上，其固定方式和高度调整方法与上下倒视镜相似，同时每个倒视镜还可以在头盔前的挡板上左右滑动进行调节，从而适应佩戴者的两眼瞳距。
前庭电刺激装置，通过对两侧耳后乳突进行直流电刺激，用于改变被测者的前庭器官半规管和耳石的输入信号，从而造成被测者的前庭感觉冲突。该装置包括电源、电极片、控制电路及连接电路等。电流经输出端通过电极片与人的两侧乳突耦合，实现电流与人体的导通。为了适应不同人的乳突位置，电极片可以在支架上调节，同时支架也可相对头盔进行调节。通过控制电路可以使直流恒流电源产生0～3mA的恒定直流电，并可实时改变刺激电流的方向和幅度。
本体感觉刺激装置，采用电动机式按摩器，通过振动用于改变被测者颈部肌肉和/或肌腱中本体感受器对躯体运动的感觉信号，从而造成本体感觉冲突。该装置由电源、控制电路和封装于振动头内部的电动机、弹簧轴、弹簧、偏心轮组成。电动机通过弹簧轴带动偏心轮高速转动，偏心轮使振动头产生振动。因振动头的振动直接受偏心轮的影响，改变电动机的转速即可调节振动头的振动频率。振动头可进行三维的运动和旋转，从而与选择地刺激肌肉紧密接触，达到振动的效果。
前庭电刺激装置和本体感觉刺激装置的电源和控制电路均封装并固定于头盔顶部。前庭电刺激装置和本体感觉刺激装置的手动操作控制部分通过遥控实现。前庭电刺激的遥控发射操作器包括调节电流方向的开关和电流大小的旋钮，本体感觉刺激的遥控发射操作器包括控制左右侧振动头振动的两个开关和分别改变刺激频率的两个旋钮，两个遥控发射操作器集成在一个遥控发射装置上。遥控的接收电路与其他电路一同封装固定在头盔顶部。遥控器上LED亮的一侧代表该侧为刺激电流的阳极，显示屏可实时显示刺激电流的幅值。
通过该装置所实现的不同类型和程度的感觉冲突，将可用于人体在感觉冲突条件下平衡和手操作控制等能力的测试；进而可用于对人体在感觉冲突条件下进行相关训练，提高其对感觉冲突的耐受能力，降低运动病的发生机率；同时还可比较各种训练方法的差异，最终寻找到最优的训练方式。
本发明的有益效果如下：
本发明设计的感觉冲突诱发装置可以适用于不同人，倒视镜的位置可以根据佩戴者的眼高进行上下调节，左右倒视镜在此基础上还能根据佩戴者的瞳距进行左右调节；前庭电刺激的电极片可以与佩戴者的乳突实现良好耦合；本体感觉刺激的刺激头可以与选择的颈部各肌肉或肌腱完全接触并产生振动。根据一个实施例，前庭电刺激的刺激电流可以在0～3mA的范围内调整，以恒定电流经乳突对前庭器官进行电刺激；本体感觉刺激的振动可以在每分钟5000～10000次。
由此可见，本发明能够实现从视觉、前庭觉和本体感觉中的一种或多种组合途径对人体感觉冲突进行诱发，同时刺激的程度可以实时调节。本装置还可以用于感觉冲突条件下人体行为能力的测试和相关训练。
【附图说明】
图1是根据本发明的一个实施例的感觉冲突诱发装置的透视图，其倒视装置包括一个上下倒视镜。
图2是根据本发明的一个实施例的感觉冲突诱发装置的透视图，其倒视装置包括一个左右倒视镜。
图3是根据本发明的一个实施例的感觉冲突诱发装置的前庭电刺激和本体感觉刺激的综合遥控发射操作器。
【具体实施方式】
如图1、图2、图3所示，根据本发明的实施例的人体感觉冲突诱发装置包括：倒视镜1a、1b、前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3，且均与设计的一个头盔4相连接，以及改变前庭电刺激和本体感觉刺激类型和程度的一个遥控发射操作器5。前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3的手动操作控制部分通过遥控实现，两个装置的电源、控制电路及遥控的接收电路均封装在一个电路盒6中并固定于头盔顶部。其中，倒视镜1a、1b通过螺钉7a、7b固定在头盔前面的挡板8的槽8a上，头盔4的后侧连接有一个圆弧状的固定装置9，前庭电刺激装置通过两个螺钉10与圆弧状的固定装置9相连，本体感觉刺激装置3通过一个连接杆11与圆弧状的固定装置9相连。
前庭电刺激的遥控发射操作器5包括电流方向调节开关12和电流大小调节旋钮13，本体感觉刺激操作器5包括控制左右侧振动头振动的两个开关14和分别改变刺激频率的两个旋钮15。
倒视装置包括倒视镜1a、1b；倒视镜1a、1b可以是上下倒视镜1a(图1)或者左右倒视镜1b(图2)，用于把人眼接收的视觉信号进行上下或者左右颠倒，造成视觉冲突。
根据本发明的一个实施例，如图1所示，上下倒视镜1a为一个50mm＊50mm＊200mm的等腰直角三棱镜，底面由铁皮包裹固定，其上焊有四个螺钉7a，每个螺钉7a由上下两个螺母固定于头盔前的挡板上。上下倒视镜的高度可以通过旋转螺母实现调节。受试者佩戴头盔4后，可自行将倒视镜调到眼睛正前方，保证其中心平面与眼睛同高，景物通过三棱镜等腰的两面反射后进入人眼，形成上下倒像，造成纵向的视觉冲突。
根据本发明的一个实施例，如图2所示，左右倒视镜1b为一对50mm＊50mm＊60mm的等腰直角三棱镜，每个倒视镜1b的侧面分别由铁皮包裹固定，其上各焊有两个螺钉7b，每个螺钉7b由上下两个螺母固定于头盔前的挡板上。左右倒视镜的高度可以通过旋转螺母实现调节。同时固定倒视镜的螺母可以在头盔4前的挡板8上左右滑动，通过左右移动倒视镜来适应佩戴者的两眼瞳距。由于等腰直角三棱镜是竖直放置，故景物通过后形成左右倒像，造成横向的视觉冲突。
根据本发明的一个实施例，挡板8的槽8a既适合于安装螺钉7a，也适合于按照螺钉7b，即，上下倒视镜1a和左右倒视镜1b在挡板8上的安装是可互换的。
根据本发明的一个实施例，如图1和图2所示，前庭电刺激装置2，包括直流恒流电源、一对电极片16、控制电路及连接电路等，经电极片16对两侧耳后乳突进行可控制的直流电刺激，用于改变人体前庭器官半规管和耳石的输入信号，造成前庭感觉冲突。通过遥控控制电路可以产生0～3mA的恒定直流电，并可实时改变刺激电流的方向和幅度。前庭电刺激装置2的正负输出端分别通过两个电极片16与人两侧的耳后乳突耦合，用于刺激电流与人体的导通，并使通过的电流为设定值。受试者佩戴头盔4后，实验操作者通过旋转螺钉(10)上螺母使弧状杆(17)上下调节与受试者乳突同高，并将设置在弹簧19的末端的电极片16贴到耳后乳突位置，弧状杆17上有两个可以沿杆移动的套环18，可调节弹簧19的位置，确保电极片16适应不同人的乳突位置。弹簧19可以施加一定的压力，保证电极片16与人体乳突的良好耦合，避免电刺激过程中产生放电火花造成人体的疼痛感觉。当实验操作者通过遥控开启电路后，可以通过开关12和旋钮13分别调节电流的方向和大小，遥控器5上LED 20亮的一侧代表该侧为刺激电流的阳极，电流显示屏21可实时显示刺激电流的幅值。经实验证明，受试者身体会向阳极电刺激的一侧发生偏转，造成前庭感觉冲突。
根据本发明的一个实施例，如图1和图2所示，本体感觉刺激装置3包括振动头22，振动头22内部设置有电动机、弹簧轴、弹簧、偏心轮，用于通过由电动机驱动的振动头22的振动，来改变人体颈部肌肉和肌腱中本体感受器对躯体运动的感觉信号，造成本体感觉冲突。电动机通过弹簧轴带动偏心轮高速转动，偏心轮使振动头22产生振动。因振动头22的振动直接受偏心轮的影响，改变电动机的转速即可调节振动头22的振动频率。受试者佩戴头盔4后，将两个振动头22置于颈后至肩部肌肉处，振动头22在连接转杆23上可以左右和前后移动，连接转杆23可以通过螺纹在连接杆11上旋转，连接杆11可以在头盔4后侧的圆弧状固定装置9上进行上下调节，实现振动头22的三维运动和旋转，从而与选择的刺激肌肉紧密接触，达到振动的效果，进而造成本体感觉冲突。
该装置通过单独或组合使用倒视镜1a、1b，前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3可用于改变视觉信号、前庭信号和本体感觉信号，引发人体感觉冲突；通过改变刺激的方式和强度，引发人体不同类型和程度的感觉冲突。
实施例1 左右倒视和前庭电刺激装置的组合使用诱发感觉冲突
本装置可通过左右倒视镜1b和前庭电刺激装置2引发受试者的感觉冲突，在此基础上对受试者进行步态的测试。受试者佩戴上头盔4，将倒视镜1b的中心平面调节到和眼高同样的位置，同时左右调节两个倒视镜1b以适合两眼瞳距；调节前庭电刺激装置2的螺钉10和套环18，使电极片16恰好与双侧耳后乳突贴合并通过弹簧19的压力使其充分接触。实验操作者开启总电源开关24，同时受试者开始睁眼沿直线前进，行进过程中，实验操作者可以通过遥控的开关12和旋钮13调节前庭电刺激装置2的电流大小和方向，并通过遥控器上的LED 20和电流显示屏21分别实时观察阳极方向和电流值。利用三维运动捕捉系统对受试者的步态的运动学参数进行测量，利用测力台对动力学参数进行测量，利用测力板对足-地压力分布规律进行测量。
实施例2 前庭电刺激和本体感觉刺激装置的组合使用诱发感觉冲突
本装置可通过前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3引发受试者的感觉冲突，在此基础上对受试者进行手平衡能力的检测。受试者佩戴上头盔4，调节前庭电刺激装置2的螺钉10和套环18，使电极片16恰好与双侧耳后乳突贴合并通过弹簧19的压力使其充分接触；将本体感觉刺激装置3的振动头22在连接转杆23上可以左右和前后移动，上下调节连接杆11和转动连接转杆23，使振动头与选择的刺激肌肉紧密接触。实验操作者开启总电源开关24，测试过程中受试者闭眼保持手臂水平。实验操作者可以通过遥控的开关12和旋钮13调节前庭电刺激装置的电流大小和方向，并通过遥控器上的LED20和电流显示屏21分别实时观察阳极方向和电流值，通过遥控开关14和旋钮15还可以控制本体感觉刺激装置单侧或双侧振动以及振动的频率。利用三维运动捕捉系统对受试者的手的运动学参数进行测量从而分析手的稳定性。
实施例3 上下倒视镜、前庭电刺激装置和本体感觉刺激装置的组合使用诱发感觉冲突
本装置可通过上下倒视镜1a、前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3引发受试者的感觉冲突，在此基础上对受试者进行空间定向能力的检测和训练。受试者佩戴上头盔4，将倒视镜1a的中心平面调节到和眼高同样的位置；调节前庭电刺激装置2的螺钉10和套环18，使电极片16恰好与双侧耳后乳突贴合并通过弹簧19的压力使其充分接触；调节本体感觉刺激装置3的振动头22与选择的刺激肌肉紧密接触。在空间有8个LED分别摆放在正方体的八个顶点，实验过程中，随机使一个LED发光作为目标位置。在检测阶段，LED发光3秒后消失，受试者用食指去指示记忆中的目标位置，利用三维运动捕捉系统对指示位置进行检测并与目标位置进行对比。在训练阶段，LED始终发光，受试者用食指指示目标位置并不断进行修正。在实验中，使用者会根据要求调节前庭电刺激和本体感觉刺激的类型和程度，调节的方式和实施例2相同。
在列举的这些实施例中，根据测试和训练需要，上下倒视镜1a和左右倒视镜1b可以互换，并且倒视镜1、前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3可以在实验中单独、两两组合或三者组合使用达到不同感觉冲突类型和程度。通过倒视镜1、前庭电刺激装置2和本体感觉刺激装置3会分别给受试者造成视觉冲突、前庭感觉冲突和本体感觉冲突，对受试者的行走产生影响，本发明装置可用于对受试者在多种感觉冲突条件下的行为进行分析测试，并研究不同强度的刺激对感觉冲突的影响，也可用于人体在感觉冲突条件下的相关训练，提高其对感觉冲突的耐受能力，降低运动病的发生机率。同时还可比较各种训练方法的差异，寻找到最优的训练方式。
附图标号说明
上下倒视镜1a，左右倒视镜1b，前庭电刺激装置2，本体感觉刺激装置3，头盔4，遥控发射操作器5，电路盒6，倒视镜固定螺钉7a、7b，挡板8，挡板上的槽8a，圆弧状的固定装置9，前庭电刺激固定螺钉10，本体感觉刺激连接杆11，前庭电刺激电流方向开关12，前庭电刺激电流旋钮13，本体感觉刺激开关14，本体感觉刺激频率旋钮15，电极片16，弧状杆17，套环18，弹簧19，LED 20，电流显示屏21，振动头22，连接转杆23，总电源开关24
应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。