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用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统

阅读：108发布：2024-02-16

专利汇可以提供用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于训练器材技术领域，一般地涉及个人旋转运动时前庭功能及空间定向方面的训练和评估，由圆环、支架、座椅、座椅保护装置、脚蹬A、支架顶盘、传动杆、支承轴壳、支承轴、光电传输控制键盘、光发射器A、光电转换仪A、光发射器B、光电转换仪B、数据处理器、显示屏组成。系统提供了一种能作滚转、旋转、俯仰三个轴向运动，产生不断变化的线速度、角速度，使用户在作三轴向运动的同时认知客体作一轴向旋转，将用户进行方位认知的空间参照系轴向分离，把人完成空间定向的主要生理器官(前庭、眼睛)和心理活动过程(空间认知)融为一体进行训练，可以提高和评估从事复杂空间活动人员的前庭功能和空间认知能力，有利于缩短训练进程。，下面是用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种由圆环(2)、座椅(4)、座椅保护装置(3)、支架(5)、脚蹬A(8)、支架顶盘(9)、传动杆(11)、支承轴壳(15)、支承轴(12)、光电传输控制键盘(7)、光发射器A(19)、光电转换仪A(10)、光发射器B(14)、光电转换仪B(13)、数据处理器(16)、显示屏(17)组成的用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统，其特征在于圆环(2)与支架(5)固定连接，支架(5)与支架顶盘(9)固定连接，支架顶盘(9)与传动杆(11)转动连接，传动杆(11)与支承轴壳(15)固定连接，支承轴壳(15)与支承轴(12)转动连接，支承轴(12)有底座固定于地面，支承轴(12)高度小于圆环(2)半径，座椅(4)和脚蹬A(8)固定连接支架(5)，座椅(4)上有座椅保护装置(3)，光电传输控制键盘(7)通过线路连接光发射器A(19)，光发射器A(19)有电源与支架顶盘(9)固定连接，光电转换仪A(10)与传动杆(11)固定连接并面向光发射器A(19)，光发射器B(14)有电源与支承轴(12)固定连接，光电转换仪B(13)与支承轴壳(15)固定连接并面向光发射器B(14)，显示屏(17)、数据处理器(16)与传动杆(11)固定连接，显示屏(17)面向座椅(4)，数据处理器(16)有电源通过线路连接显示屏(17)、光电转换仪A(10)、光电转换仪B(13)，数据处理器(16)有人机界面，数据处理器(16)中有数据处理系统，该数据处理系统包括：
数据库，用于存储由人机界面输入的用户信息，用于记录光电转换仪A、B(10、13)接收光发射器A、B(19、14)传输的信息，用于存储传输给显示屏(17)的各种刺激信号，用于记录输出到显示屏(17)刺激信号的类型和时间，用于存储数据分析模块处理结果；
信号随机系统，用于按光电转换仪A、B(10、13)记录光发射器A、B(19、14)的旋转角度信息为条件，随机从数据库提取刺激信号输出至显示屏(17)；
数据分析模块，根据光电转换仪A、B(10、13)记录的旋转信息，结合圆环(2)半径、支承轴(12)高度、支架(5)长短，座椅(4)位置，计算座椅(4)运动轨迹数据，根据座椅(4)运动轨迹数据判断用户操作光电传输控制键盘(7)输入的应答信息与显示屏(17)呈现的刺激信号之间的符合程度；
数据输出系统，用于将数据库内的信息输出至人机界面或外接设备。
2.根据权利要求1所述的数据处理系统在实现前庭功能与空间定向评估方法上的特征在于：
1)所述数据处理系统中每个刺激信号对至少一个下面的特性范畴评估：注意、记忆和思维；
2)所述的评估基于用户每个反应时间的平均数进行确定；
3)所述的评估基于用户应答正误率进行确定；
4)所述的评估基于圆环(2)或座椅(4)的旋转速度、角度、圈次进行确定；
5)所述数据库还包含多个用户应答信息正误率及反应时间的常模数据适合于对单个用户进行评估。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于圆环(2)是圆形或椭圆形；椭圆形长短半径之比小于10/11。
4.根据权利要求1、3所述的系统，其特征在于圆环(2)上有把手(1)、脚蹬B(6)，两把手(1)连线的中垂线与座椅(4)纵轴夹角范围为0度至360度。
5.根据权利要求1、3、4所述的系统，其特征在于支承轴(12)由支承轴壳(15)、支承轴导杆(20)、支承轴螺帽(22)、导杆活塞(24)、支承轴筒(26)、支承轴底座(27)、弹簧A(28)、弹簧B(29)组成，支承轴筒(26)与支承轴底座(27)固定连接，弹簧A(28)置于支承轴筒(26)内，导杆活塞(24)底部置于弹簧A(28)上，弹簧B(29)穿过支承轴导杆(20)置于导杆活塞(24)顶部，支承轴螺帽(22)固定于支承轴筒(26)顶部，导杆活塞(24)与支承轴筒(26)内壁滑动接触，支承轴导杆(20)与支承轴螺帽(22)滑动接触，支承轴壳(15)内壁与支承轴筒(26)外壁滑动接触，支承轴壳(15)顶部与支承轴导杆(20)转动连接。
6.根据权利要求1、3、4、5所述的系统，其特征在于支承轴壳(15)能与外部动力装置传动连接。

说明书全文

用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统

【技术领域】

[0001] 本发明属于训练器材技术领域，一般地涉及个人旋转运动时前庭功能及空间定向方面的训练和评估。【背景技术】

[0002] 对于人的前庭器官和空间定向有特殊要求的，如飞行员或航天员在滚转、旋转、翻转运动状态下必须对自身和飞行器在空间运动的姿态、方位保持清醒的认识，这种认识与实际情况不符会导致空间定向障碍(spatial disorientation，SD)。1994-1997年间美国和加拿大等国报告，军事飞行因空间定向障碍引发的严重事故占15％-38％。航空生理学研究表明在多方向交叉旋转中产生的加速度刺激人的前庭器官是诱发空间定向障碍的原因之一，有时会导致人产生眩晕症(贾宏博，谢溯江.《空间定向障碍发生机制的研究进展》[J].中华航空航天医学杂志，2005，4)。可见对于从事复杂空间活动的人员进行前庭器官功能和空间认知能力训练尤为必要。已有认知神经科学实验研究结果显示，人在进行空间认知活动时有专属的神经通路(许琴，罗宇，刘嘉.《方向感的加工机制及影响因素》[J].心理科学进展，2010，8)，而神经科学、解剖学研究认为人的神经通路有可塑性，经过系统训练可以在形状或结构上发生改变，从而实现对专项能力培养的目的，如钢琴家负责手指运动的大脑皮层区域神经元比常人粗大，神经突触数量多(尼克尔斯等(美)，杨雄里等(译).《神经生物学——从神经元到脑》[M].科学出版社，2003，4)。目前采用的如旋转椅、旋转梯、滚轮、秋千等只能进行单向旋转运动训练；最为接近的实用型专利“可控式旋转训练器”，无法对用户空间运动的轨迹进行记录，缺少进行空间认知方面的专项训练内容和评估功能。【发明内容】

[0003] 本发明的目的是提供一种能作滚转、旋转、俯仰三个轴向运动，产生不断变化的线速度、角速度，使用户在作三轴向运动的同时认知客体作一轴向旋转，将用户进行方位认知的空间参照系轴向分离，通过用户判断自身或认知客体的空间运动姿态、朝向对用户的前庭功能与空间定向进行训练和评估。

[0004] 本发明的目的是这样实现的：其部件包括圆环、支架、座椅、座椅保护装置、脚蹬A、支架顶盘、传动杆、支承轴壳、支承轴、光电传输控制键盘、光发射器A、光电转换仪A、光发射器B、光电转换仪B、数据处理器、显示屏。

[0005] 其特征在于圆环与支架固定连接，支架与支架顶盘固定连接，支架顶盘与传动杆转动连接，传动杆与支承轴壳固定连接，支承轴壳与支承轴转动连接，支承轴有底座固定于地面，支承轴高度小于圆环半径，座椅和脚蹬A固定连接支架，座椅上有座椅保护装置，光电传输控制键盘通过线路连接光发射器A，光发射器A有电源与支架顶盘固定连接，光电转换仪A与传动杆固定连接并面向光发射器A，光发射器B有电源与支承轴固定连接，光电转换仪B与支承轴壳固定连接并面向光发射器B，显示屏、数据处理器与传动杆固定连接，显示屏面向座椅，数据处理器有电源通过线路连接显示屏、光电转换仪A、光电转换仪B，数据处理器有人机界面，数据处理器中有数据处理系统，该数据处理系统包括：

[0006] 数据库，用于存储由人机界面输入的用户信息，用于记录光电转换仪A、光电转换仪B接收光发射器A、光发射器B传输的信息，用于存储传输给显示屏的各种刺激信号，用于记录输出到显示屏刺激信号的类型和时间，用于存储数据分析模块处理结果；

[0007] 信号随机系统，用于按光电转换仪A、光电转换仪B记录的旋转角度为条件，随机从数据库提取刺激信号输出至显示屏；

[0008] 数据分析模块，根据光电转换仪A、光电转换仪B记录的旋转信息，结合圆环半径、支承轴高度、支架长短、座椅位置，计算座椅运动轨迹数据，根据座椅运动轨迹数据判断用户操作光电传输控制键盘输入的应答信息与显示屏呈现的刺激信号之间的符合程度；

[0009] 数据输出系统，用于将数据库内的信息输出至人机界面或外接设备。

[0010] 所述的数据处理系统在实现前庭功能与空间定向评估方法上的特征在于：所述数据处理系统中每个刺激信号对至少一个下面的特性范畴评估：注意、记忆和思维；所述的评估基于用户每个反应时间的平均数，用户应答正误率，以及圆环或座椅旋转速度、角度、圈次进行确定；所述数据库还包含用统计学方法建立的多个用户应答信息正误率及反应时间的常模数据适合于对单个用户进行评估。

[0011] 所述的用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统，其特征在于圆环是圆形或椭圆形，椭圆形长短半径之比小于10/11。

[0012] 所述的用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统，其特征在于圆环上有把手与脚蹬B，两把手连线的中垂线与座椅纵轴夹角范围为0度至360度。

[0013] 所述的用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统，其特征在于支承轴由支承轴壳、支承轴导杆、支承轴螺帽、导杆活塞、支承轴筒、支承轴底座、弹簧A、弹簧B组成，支承轴筒与支承轴底座固定连接，弹簧A置于支承轴筒内，导杆活塞底部置于弹簧A上，弹簧B穿过支承轴导杆置于导杆活塞顶部，支承轴螺帽固定于支承轴筒顶部，导杆活塞与支承轴筒内壁滑动接触，支承轴导杆与支承轴螺帽滑动接触，支承轴壳内壁与支承轴筒外壁滑动接触，支承轴壳顶部与支承轴导杆转动连接。

[0014] 所述的用于前庭功能与空间定向训练和评估的系统，其特征在于支承轴壳能与外部动力装置传动连接。

[0015] 本发明的有益效果为：利用该系统同时具备滚转、旋转、俯仰运动的特性，结合系统转动过程中重力、离心力、弹簧张力相互作用带来的支承轴导杆上下运动，使圆环、座椅线(角)速度发生非线性变化，符合前庭器官只对线(角)加速度刺激产生反应的生理机制，实现了对前庭功能的训练目的。从空间认知的过程看，旋转中分离了用户自身、客体、环境三种空间参照系轴的朝向，提供了三维旋转环境下的复杂认知情境，用显示屏上呈现的左右向“箭头”和“？”型等刺激信号，实现了对用户进行自身朝向判定和客体方向判定等11种信息的考察，锻炼了用户空间定向专属神经通路。用户在旋转过程中需要时刻用眼睛跟踪显示屏，专注于信息加工，相对于关注前庭刺激发生注意转移，可减轻因旋转带来的生理反应主观体验强度，有利于克服眩晕症。上述功能把人完成空间定向的主要生理器官(前庭、眼睛)和心理活动过程(空间认知)融为一体训练，可提高从事复杂空间活动人员的前庭功能和空间认知能力，有利于缩短训练进程。

[0016] 【附图名称及其说明】

[0017] 图1、图2是本发明结构示意图，其中图1是立体图、图2是右视图；

[0018] 图3是本发明支承轴的局部剖视图；

[0019] 图4是本发明所述的数据处理系统的信息传输与加工框架示意图；

[0020] 图5是信号随机系统按光电转换仪记录的旋转角度产生随机条件的示意图；

[0021] 图1、图2、图3的符号及其说明：1是把手，2是圆环，3是座椅保护装置，4是座椅，5是支架，6是脚蹬B，7是光电传输控制键盘，8是脚蹬A，9是支架顶盘、10是光电转换仪A，
11是传动杆，12是支承轴，13是光电转换仪B，14是光发射器B，15是支承轴壳，16是数据处理器，17是显示屏，18是调心轴承，19是光发射器A，20是支承轴导杆，21是滚子轴承，22是支承轴螺帽，23是滑动轴承A，24是导杆活塞，25是滑动轴承B，26是支承轴筒，27是支承轴底座，28是弹簧A，29是弹簧B。
【具体实施方式】

[0022] 下面结合附图阐述本发明的实施例。

[0023] 如图1、图2所示，光发射器B14与支承轴底座27固定连接，确定光发射器B14的朝向后，将支承轴底座27固定于地面。把手1、圆环2、座椅4、支架5、脚蹬B6、脚蹬A8、支架顶盘9固定连接成整体，支架顶盘9与传动杆11用调心轴承18转动连接，其功能是支架顶盘9能以传动杆11为轴转动，支架顶盘9转动轴向与传动杆11朝向之间可产生角度变化。显示屏17、数据处理器16与传动杆11固定连接，显示屏17朝向座椅4，传动杆11与支承轴壳15固定连接，支承轴壳15与支承轴导杆20用滚子轴承21转动连接，其功能是传动杆11与支承轴壳15能以支承轴导杆20为轴转动。上述连接方式可产生圆环2或座椅4以传动杆11为轴在铅垂面内转动的同时还能以支承轴导杆20为轴在水平面内转动，而显示屏17与圆环2在水平面共同以支承轴导杆20为轴转动。

[0024] 如图3所示，支承轴筒26与支承轴底座27固定连接，弹簧A28置于支承轴筒26内，导杆活塞24底部置于弹簧A28上，弹簧B29穿过支承轴导杆20置于导杆活塞24顶部；滑动轴承A23固定于支承轴螺帽22内壁，滑动轴承A23穿过支承轴导杆20并由支承轴螺帽
22固定于支承轴筒26顶部，限制弹簧B29、导杆活塞24滑出支承轴筒26；滑动轴承B25固定于支承轴壳15内壁下方，滑动轴承B25穿过支承轴筒26外壁，其功能是导杆活塞24可在支承轴筒26内上下滑动，支承轴壳15在支承轴导杆20连带作用下中沿支承轴筒26外壁上下滑动。

[0025] 如图1、图2所示，光电传输控制键盘7通过线路连接光发射器A19，其功能是传输用户根据显示屏17呈现的刺激信号做出的应答信息与响应时间；光发射器A19根据座椅4纵轴朝向固定连接于支架顶盘9中心外围，光电转换仪A10相向于光发射器A19并固定连接于传动杆11，其功能是通过光电转换装置记录支架顶盘9的运动轨迹；光电转换仪B13相向于光发射器B14并固定连接于支承轴壳15外壁，其功能是通过光电转换装置记录支承轴壳15的运动轨迹；光电转换仪A10、光电转换仪B13通过线路连接数据处理器16，其功能是同步传输信息至数据处理器16；数据处理器16通过线路连接显示屏17，其功能是将数据处理系统的刺激信号输出到显示屏17；数据处理器16有人机界面，其功能是用于输入用户信息，显示数据分析模块处理结果。

[0026] 两名用户使用时，打开光发射器A19、光发射器B14、数据处理器16的电源，启动数据处理系统，输入用户A、用户B个人信息，用户A先进入座椅4内并用座椅保护装置3固定，双脚套入脚蹬A8，手握光电传输控制键盘7，关注显示屏17呈现的刺激信号；用户B进入本系统，双脚套入脚蹬B6，双手握把手1；用户A、B所受重力使支架顶盘9转动轴向在调心轴承18的限制范围内下移，并将作用力通过传动杆11、支承轴壳15传递到支承轴导杆20，导杆活塞24 压缩弹簧A28。

[0027] 用户B通过手拉把手1，脚踩脚蹬B6，有规律地移动身体重心，使圆环2以传动杆11为轴旋转；圆环2转动中与地面发生摩擦，产生的摩擦力又使圆环2以支承轴导杆20为轴产生旋转。圆环2旋转时，由于支承轴12的高度小于圆环2的半径，用户A、B在旋转中产生的离心力作用使支架顶盘9转动轴向上移，并将作用力传递到传动杆11与支承轴壳15的连接点上，作用力方向为由传动杆11与支承轴壳15连接点向圆环2圆心的斜直线，作用在连接点上的力分解为沿传动杆11水平向外与沿支承轴导杆20垂直向上两个方向，垂直向上的分力拉动支承轴壳15并带动支承轴导杆20上移，弹簧A28舒张，弹簧B29压缩，此外还有用户B操纵圆环2时的拉力、推力反复作用，使支承轴导杆20呈随机性上下震动状态，连带支承轴壳15、传动杆11、支架5作上下运动，使圆环2以支承轴导杆20为轴旋转轨迹成不规则形，产生持续加速度对用户的前庭器官进行刺激。

[0028] 数据处理系统启动后经过如图4的信息传输与加工过程：光发射器A19、光发射器B14发射的信息经光电转换仪A10、光电转换仪B13转换为圆环2在铅垂面和水平面内旋转运动信息输入数据分析模块，同时提供给信号随机系统；信号随机系统按旋转角度如图5为条件，随机从数据库提取刺激信号输出至显示屏17供用户A反应；刺激信号包括方向询问与光简单反应时；用户A操作光电传输控制键盘7将应答信息通过光电发射器A19输入到数据分析模块；数据分析模块根据旋转信息结合圆环2半径、支承轴12高度、支架5长短、座椅4位置，计算座椅4运动轨迹数据，根据座椅4运动轨迹数据判断用户应答信息与显示屏呈现的刺激信号之间的符合程度；系统同时记录用户A、B的旋转速度、角度、圈次，并将用户旋转信息、应答信息与数据库多用户常模比对实现对前庭功能和空间认知水平的客观评估。然后将分析结果存入数据库供人机界面或外接设备提取。

[0029] 单用户使用时，打开光发射器A19、光发射器B14、数据处理器16的电源，启动数据处理系统，输入用户个人信息，用户进入座椅4内并用座椅保护装置3固定，双脚分别套入脚蹬A8，手握光电输控制键盘7，关注显示屏17呈现的刺激信号；用户所受重力使支架顶盘9转动轴向在调心轴承18的限制范围内下移，并将作用力通过传动杆11、支承轴壳15传递到支承轴导杆20，使导杆活塞24下压缩弹簧A28。

[0030] 将外部动力装置与支承轴壳15传动连接，为本系统提供旋转动力，使支承轴壳15以支承轴导杆20为轴旋转，带动传动杆11、支架顶盘9、圆环2以支承轴导杆20为轴旋转；圆环2由于地面摩擦力的作用产生以传动杆11为轴转动；用户在旋转中产生的离心力作用使支架顶盘9转动轴向上移，并将作用力传递到传动杆11与支承轴壳15的连接点上，作用力方向为由传动杆11与支承轴壳15连接点向圆环2圆心的斜直线，作用在连接点上的力分解为沿传动杆11水平向外与沿支承轴导杆20垂直向上两个方向，垂直向上的分力拉动支承轴壳15并带动支承轴导杆20上移，弹簧A28舒张，弹簧B29压缩，使支承轴导杆20呈随机性上下震动状态，连带支承轴壳15、传动杆11、支架5上下运动，使圆环2以支承轴导杆20为轴旋转轨迹成不规则形，产生持续加速度对用户的前庭器官进行刺激。

[0031] 数据处理系统启动后经过如图4的信息传输与加工过程：光发射器A19、光发射器B14发射的信息经光电转换仪A10、光电转换仪B13转换为圆环2在铅垂面和水平面内旋转运动信息输入数据分析模块，同时提供给信号随机系统；信号随机系统按旋转角度如图5为条件，随机从数据库提取刺激信号输出至显示屏17供用户A反应；刺激信号包括方向询问与光简单反应时；用户操作光电传输控制键盘7将应答信息通过光电发射器A19输入到数据分析模块；数据分析模块根据旋转信息结合圆环2半径、支承轴12高度、支架5长短、座椅4位置，计算座椅4运动轨迹数据，根据座椅4运动轨迹数据判断用户应答信息与显示屏呈现的刺激信号之间的符合程度；系统同时记录用户的旋转速度、角度、圈次，并将用户旋转信息、应答信息与数据库多用户常模比对实现对前庭功能和空间认知水平的客观评估。然后将分析结果存入数据库供人机界面或外接设备提取。

[0032] 上述对本发明的描述的目的是解释本发明的宗旨和实际应用价值，以上具体实施方式仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明。本发明的保护范围由此处的权利要求和它们的等价物所定义。

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