專利名稱：用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統的制作方法
技術領域：
用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統
技術領域：
本實用新型屬于訓練器材技術領域，一般地涉及個人旋轉運動時前庭功能及空間定向方面的訓練和評估。
背景技術：
對于人的前庭器官和空間定向有特殊要求的，如飛行員或航天員在滾轉、旋轉、翻轉運動狀態下必須對自身和飛行器在空間運動的姿態、方位保持清醒的認識，這種認識與實際情況不符會導致空間定向障礙(spatial disorientation, SD)。1994-1997年間美國和加拿大等國報告，軍事飛行因空間定向障礙引發的嚴重事故占15% -38%。航空生理學研究表明在多方向交叉旋轉中產生的加速度刺激人的前庭器官是誘發空間定向障礙的原因之一，有時會導致人產生眩暈癥(賈宏博，謝溯江.《空間定向障礙發生機制的研究進展》[J].中華航空航天醫學雜志，2005，4)。可見對于從事復雜空間活動的人員進行前庭器官功 能和空間認知能力訓練尤為必要。已有認知神經科學實驗研究結果顯示，人在進行空間認知活動時有專屬的神經通路(許琴，羅宇，劉嘉.《方向感的加工機制及影響因素》[J].心理科學進展，2010，8)，而神經科學、解剖學研究認為人的神經通路有可塑性，經過系統訓練可以在形狀或結構上發生改變，從而實現對專項能力培養的目的，如鋼琴家負責手指運動的大腦皮層區域神經元比常人粗大，神經突觸數量多(尼克爾斯等(美)，楊雄里等(譯).《神經生物學——從神經元到腦》[M].科學出版社，2003，4)。目前采用的如旋轉椅、旋轉梯、滾輪、秋千等只能進行單向旋轉運動訓練；最為接近的實用型專利“可控式旋轉訓練器”，無法對用戶空間運動的軌跡進行記錄，缺少進行空間認知方面的專項訓練內容和評估功能。

發明內容本實用新型的目的是提供一種能作滾轉、旋轉、俯仰三個軸向運動，產生不斷變化的線速度、角速度，使用戶在作三軸向運動的同時認知客體作一軸向旋轉，將用戶進行方位認知的空間參照系軸向分離，通過用戶判斷自身或認知客體的空間運動姿態、朝向對用戶的前庭功能與空間定向進行訓練和評估。本實用新型的目的是這樣實現的其部件包括圓環、支架、座椅、座椅保護裝置、腳瞪A、支架頂盤、傳動桿、支承軸殼、支承軸、光電傳輸控制鍵盤、光發射器A、光電轉換儀A、光發射器B、光電轉換儀B、數據處理器、顯示屏。其特征在于圓環與支架固定連接，支架與支架頂盤固定連接，支架頂盤與傳動桿轉動連接，傳動桿與支承軸殼固定連接，支承軸殼與支承軸轉動連接，支承軸有底座固定于地面，支承軸高度小于圓環半徑，座椅和腳蹬A固定連接支架，座椅上有座椅保護裝置，光電傳輸控制鍵盤通過線路連接光發射器A，光發射器A有電源與支架頂盤固定連接，光電轉換儀A與傳動桿固定連接并面向光發射器A,光發射器B有電源與支承軸固定連接,光電轉換儀B與支承軸殼固定連接并面向光發射器B，顯示屏、數據處理器與傳動桿固定連接，顯示屏面向座椅，數據處理器有電源通過線路連接顯示屏、光電轉換儀A、光電轉換儀B，數據處理器有人機界面，數據處理器中有數據處理系統，該數據處理系統包括數據庫，用于存儲由人機界面輸入的用戶信息，用于記錄光電轉換儀A、光電轉換儀B接收光發射器A、光發射器B傳輸的信息,用于存儲傳輸給顯不屏的各種刺激信號,用于記錄輸出到顯示屏刺激信號的類型和時間，用于存儲數據分析模塊處理結果；信號隨機系統，用于按光電轉換儀A、光電轉換儀B記錄的旋轉角度為條件，隨機從數據庫提取刺激信號輸出至顯示屏；數據分析模塊，根據光電轉換儀A、光電轉換儀B記錄的旋轉信息，結合圓環半徑、 支承軸高度、支架長短、座椅位置，計算座椅運動軌跡數據，根據座椅運動軌跡數據判斷用戶操作光電傳輸控制鍵盤輸入的應答信息與顯示屏呈現的刺激信號之間的符合程度；數據輸出系統，用于將數據庫內的信息輸出至人機界面或外接設備。所述的數據處理系統在實現前庭功能與空間定向評估方法上的特征在于所述數據處理系統中每個刺激信號對至少一個下面的特性范疇評估注意、記憶和思維；所述的評估基于用戶每個反應時間的平均數，用戶應答正誤率，以及圓環或座椅旋轉速度、角度、圈次進行確定；所述數據庫還包含用統計學方法建立的多個用戶應答信息正誤率及反應時間的常模數據適合于對單個用戶進行評估。所述的用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，其特征在于圓環是圓形或橢圓形，橢圓形長短半徑之比小于10/11。所述的用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，其特征在于圓環上有把手與腳蹬B，兩把手連線的中垂線與座椅縱軸夾角范圍為0度至360度。所述的用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，其特征在于支承軸由支承軸殼、支承軸導桿、支承軸螺帽、導桿活塞、支承軸筒、支承軸底座、彈簧A、彈簧B組成，支承軸筒與支承軸底座固定連接，彈簧A置于支承軸筒內，導桿活塞底部置于彈簧A上，彈簧B穿過支承軸導桿置于導桿活塞頂部，支承軸螺帽固定于支承軸筒頂部，導桿活塞與支承軸筒內壁滑動接觸，支承軸導桿與支承軸螺帽滑動接觸，支承軸殼內壁與支承軸筒外壁滑動接觸，支承軸殼頂部與支承軸導桿轉動連接。所述的用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，其特征在于支承軸殼能與外部動力裝置傳動連接。本實用新型的有益效果為利用該系統同時具備滾轉、旋轉、俯仰運動的特性，結合系統轉動過程中重力、離心力、彈簧張力相互作用帶來的支承軸導桿上下運動，使圓環、座椅線(角)速度發生非線性變化，符合前庭器官只對線(角)加速度刺激產生反應的生理機制，實現了對前庭功能的訓練目的。從空間認知的過程看，旋轉中分離了用戶自身、客體、環境三種空間參照系軸的朝向，提供了三維旋轉環境下的復雜認知情境，用顯示屏上呈現的左右向“箭頭”和“？ ”型等刺激信號，實現了對用戶進行自身朝向判定和客體方向判定等11種信息的考察，鍛煉了用戶空間定向專屬神經通路。用戶在旋轉過程中需要時刻用眼睛跟蹤顯示屏，專注于信息加工，相對于關注前庭刺激發生注意轉移，可減輕因旋轉帶來的生理反應主觀體驗強度，有利于克服眩暈癥。上述功能把人完成空間定向的主要生理器官(前庭、眼睛)和心理活動過程(空間認知)融為一體訓練，可提高從事復雜空間活動人員的前庭功能和空間認知能力，有利于縮短訓練進程。
[0017]圖I、圖2是本實用新型結構示意圖，其中圖I是立體圖、圖2是右視圖；圖3是本實用新型支承軸的局部剖視圖；圖4是本實用新型所述的數據處理系統的信息傳輸與加工框架示意圖；圖5是信號隨機系統按光電轉換儀記錄的旋轉角度產生隨機條件的示意圖；圖I、圖2、圖3的符號及其說明I是把手，2是圓環,3是座椅保護裝置,4是座椅，5是支架，6是腳蹬B，7是光電傳輸控制鍵盤，8是腳蹬A，9是支架頂盤、10是光電轉換儀A，11是傳動桿，12是支承軸，13是光電轉換儀B，14是光發射器B，15是支承軸殼，16是數據處理器，17是顯示屏，18是調心軸承，19是光發射器A，20是支承軸導桿，21是滾子軸承，22是支承軸螺帽，23是滑動軸承A，24是導桿活塞，25是滑動軸承B，26是支承軸筒，27是支承軸底座，28是彈簧A，29是彈簧B。
具體實施方式
以下結合附圖闡述本實用新型的實施例。如圖I、圖2所示，光發射器B14與支承軸底座27固定連接，確定光發射器B14的朝向后，將支承軸底座27固定于地面。把手I、圓環2、座椅4、支架5、腳蹬86、腳蹬八8、支架頂盤9固定連接成整體，支架頂盤9與傳動桿11用調心軸承18轉動連接，其功能是支架頂盤9能以傳動桿11為軸轉動，支架頂盤9轉動軸向與傳動桿11朝向之間可產生角度變化。顯示屏17、數據處理器16與傳動桿11固定連接，顯示屏17朝向座椅4，傳動桿11與支承軸殼15固定連接，支承軸殼15與支承軸導桿20用滾子軸承21轉動連接，其功能是傳動桿11與支承軸殼15能以支承軸導桿20為軸轉動。上述連接方式可產生圓環2或座椅4以傳動桿11為軸在鉛垂面內轉動的同時還能以支承軸導桿20為軸在水平面內轉動，而顯示屏17與圓環2在水平面共同以支承軸導桿20為軸轉動。如圖3所示，支承軸筒26與支承軸底座27固定連接，彈簧A28置于支承軸筒26內，導桿活塞24底部置于彈簧A28上，彈簧B29穿過支承軸導桿20置于導桿活塞24頂部；滑動軸承A23固定于支承軸螺帽22內壁，滑動軸承A23穿過支承軸導桿20并由支承軸螺帽22固定于支承軸筒26頂部，限制彈簧B29、導桿活塞24滑出支承軸筒26 ;滑動軸承B25固定于支承軸殼15內壁下方，滑動軸承B25穿過支承軸筒26外壁，其功能是導桿活塞24可在支承軸筒26內上下滑動，支承軸殼15在支承軸導桿20連帶作用下中沿支承軸筒26外壁上下滑動。如圖I、圖2所示，光電傳輸控制鍵盤7通過線路連接光發射器A19，其功能是傳輸用戶根據顯示屏17呈現的刺激信號做出的應答信息與響應時間；光發射器A19根據座椅4縱軸朝向固定連接于支架頂盤9中心外圍，光電轉換儀AlO相向于光發射器A19并固定連接于傳動桿11，其功能是通過光電轉換裝置記錄支架頂盤9的運動軌跡；光電轉換儀B13相向于光發射器B14并固定連接于支承軸殼15外壁，其功能是通過光電轉換裝置記錄支承軸殼15的運動軌跡；光電轉換儀A10、光電轉換儀B13通過線路連接數據處理器16，其功能是同步傳輸信息至數據處理器16 ;數據處理器16通過線路連接顯示屏17，其功能是將數據處理系統的刺激信號輸出到顯示屏17 ;數據處理器16有人機界面，其功能是用于輸入用戶信息，顯示數據分析模塊處理結果。兩名用戶使用時，打開光發射器A19、光發射器B14、數據處理器16的電源，啟動數據處理系統，輸入用戶A、用戶B個人信息，用戶A先進入座椅4內并用座椅保護裝置3固定，雙腳套入腳蹬AS，手握光電傳輸控制鍵盤7，關注顯示屏17呈現的刺激信號；用戶B進入本系統，雙腳套入腳蹬B6，雙手握把手I ;用戶A、B所受重力使支架頂盤9轉動軸向在調心軸承18的限制范圍內下移，并將作用力通過傳動桿11、支承軸殼15傳遞到支承軸導桿20，導桿活塞24壓縮彈簧A28。用戶B通過手拉把手1，腳踩腳蹬B6，有規律地移動身體重心，使圓環2以傳動桿11為軸旋轉；圓環2轉動中與地面發生摩擦，產生的摩擦力又使圓環2以支承軸導桿20為軸產生旋轉。圓環2旋轉時，由于支承軸12的高度小于圓環2的半徑，用戶A、B在旋轉中產生的離心力作用使支架頂盤9轉動軸向上移，并將作用力傳遞到傳動桿11與支承軸殼15的連接點上，作用力方向為由傳動桿11與支承軸殼15連接點向圓環2圓心的斜直線，作用在連接點上的力分解為沿傳動桿11水平向外與沿支承軸導桿20垂直向上兩個方向，垂直向上的分力拉動支承軸殼15并帶動支承軸導桿20上移，彈簧A28舒張，彈簧B29壓縮，此外還有用戶B操縱圓環2時的拉力、推力反復作用，使支承軸導桿20呈隨機性上下震動狀態，連帶支承軸殼15、傳動桿11、支架5作上下運動，使圓環2以支承軸導桿20為軸旋轉軌 跡成不規則形，產生持續加速度對用戶的前庭器官進行刺激。數據處理系統啟動后經過如圖4的信息傳輸與加工過程光發射器A19、光發射器B14發射的信息經光電轉換儀A10、光電轉換儀B13轉換為圓環2在鉛垂面和水平面內旋轉運動信息輸入數據分析模塊，同時提供給信號隨機系統；信號隨機系統按旋轉角度如圖5為條件，隨機從數據庫提取刺激信號輸出至顯示屏17供用戶A反應；刺激信號包括方向詢問與光簡單反應時；用戶A操作光電傳輸控制鍵盤7將應答信息通過光電發射器A19輸入到數據分析模塊；數據分析模塊根據旋轉信息結合圓環2半徑、支承軸12高度、支架5長短、座椅4位置，計算座椅4運動軌跡數據，根據座椅4運動軌跡數據判斷用戶應答信息與顯示屏呈現的刺激信號之間的符合程度；系統同時記錄用戶A、B的旋轉速度、角度、圈次，并將用戶旋轉信息、應答信息與數據庫多用戶常模比對實現對前庭功能和空間認知水平的客觀評估。然后將分析結果存入數據庫供人機界面或外接設備提取。單用戶使用時，打開光發射器A19、光發射器B14、數據處理器16的電源，啟動數據處理系統，輸入用戶個人信息，用戶進入座椅4內并用座椅保護裝置3固定，雙腳分別套入腳蹬AS，手握光電輸控制鍵盤7，關注顯示屏17呈現的刺激信號；用戶所受重力使支架頂盤9轉動軸向在調心軸承18的限制范圍內下移，并將作用力通過傳動桿11、支承軸殼15傳遞到支承軸導桿20，使導桿活塞24下壓縮彈簧A28。將外部動力裝置與支承軸殼15傳動連接，為本系統提供旋轉動力，使支承軸殼15以支承軸導桿20為軸旋轉，帶動傳動桿11、支架頂盤9、圓環2以支承軸導桿20為軸旋轉；圓環2由于地面摩擦力的作用產生以傳動桿11為軸轉動；用戶在旋轉中產生的離心力作用使支架頂盤9轉動軸向上移，并將作用力傳遞到傳動桿11與支承軸殼15的連接點上，作用力方向為由傳動桿11與支承軸殼15連接點向圓環2圓心的斜直線，作用在連接點上的力分解為沿傳動桿11水平向外與沿支承軸導桿20垂直向上兩個方向，垂直向上的分力拉動支承軸殼15并帶動支承軸導桿20上移，彈簧A28舒張，彈簧B29壓縮，使支承軸導桿20呈隨機性上下震動狀態，連帶支承軸殼15、傳動桿11、支架5上下運動，使圓環2以支承軸導桿20為軸旋轉軌跡成不規則形，產生持續加速度對用戶的前庭器官進行刺激。[0031]數據處理系統啟動后經過如圖4的信息傳輸與加工過程光發射器A19、光發射器B14發射的信息經光電轉換儀A10、光電轉換儀B13轉換為圓環2在鉛垂面和水平面內旋轉運動信息輸入數據分析模塊，同時提供給信號隨機系統；信號隨機系統按旋轉角度如圖5為條件，隨機從數據庫提取刺激信號輸出至顯示屏17供用戶A反應；刺激信號包括方向詢問與光簡單反應時；用戶操作光電傳輸控制鍵盤7將應答信息通過光電發射器A19輸入到數據分析模塊；數據分析模塊根據旋轉信息結合圓環2半徑、支承軸12高度、支架5長短、座椅4位置，計算座椅4運動軌跡數據，根據座椅4運動軌跡數據判斷用戶應答信息與顯示屏呈現的刺激信號之間的符合程度；系統同時記錄用戶的旋轉速度、角度、圈次，并將用戶旋轉信息、應答信息與數據庫多用戶常模比對實現對前庭功能和空間認知水平的客觀評估。然后將分析結果存入數據庫供人機界面或外接設備提取。上述對本實用新型的描述的目的是解釋本實用新型的宗旨和實際應用價值，以上具體實施方式
僅為本實用新型的較佳實例，并不用以限制本實用新型。本實用新型的保護范圍由此處的權利要求和它們的等價物所定義。
權利要求1.一種用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，由圓環(2)、座椅(4)、座椅保護裝置(3)、支架(5)、腳蹬A(S)、支架頂盤(9)、傳動桿(11)、支承軸殼(15)、支承軸(12)、光電傳輸控制鍵盤(7)、光發射器A(19)、光電轉換儀A(IO)、光發射器B(14)、光電轉換儀B(13)、數據處理器(16)、顯示屏(17)組成，其特征在于圓環(2)與支架(5)固定連接，支架(5)與支架頂盤(9)固定連接，支架頂盤(9)與傳動桿(11)轉動連接，傳動桿(11)與支承軸殼(15)固定連接，支承軸殼(15)與支承軸(12)轉動連接，支承軸(12)有底座固定于地面，支承軸(12)高度小于圓環(2)半徑，座椅⑷和腳蹬A(S)固定連接支架(5)，座椅(4)上有座椅保護裝置(3)，光電傳輸控制鍵盤(7)通過線路連接光發射器A(19)，光發射器A(19)有電源與支架頂盤(9)固定連接，光電轉換儀A(IO)與傳動桿(11)固定連接并面向光發射器A(19)，光發射器B(14)有電源與支承軸(12)固定連接，光電轉換儀B(13)與支承軸殼(15)固定連接并面向光發射器B(14)，顯示屏(17)、數據處理器(16)與傳動桿(11)固定連接，顯示屏(17)面向座椅(4)，數據處理器(16)有電源通過線路連接顯示屏(17)、光電轉換儀A (10)、光電轉換儀B (13)，數據處理器(16)有人機界面，數據處理器(16)中有數據處理系統，該數據處理系統包括 數據庫，用于存儲由人機界面輸入的用戶信息，用于記錄光電轉換儀A、B(10、13)接收光發射器A、B(19、14)傳輸的信息，用于存儲傳輸給顯示屏(17)的各種刺激信號，用于記錄輸出到顯示屏(17)刺激信號的類型和時間，用于存儲數據分析模塊處理結果； 信號隨機系統，用于按光電轉換儀A、B (10、13)記錄光發射器A、B (19、14)的旋轉角度信息為條件，隨機從數據庫提取刺激信號輸出至顯示屏(17)；數據輸出系統，用于將數據庫內的信息輸出至人機界面或外接設備。
2.根據權利要求I所述的系統，其特征在于圓環(2)是圓形或橢圓形；橢圓形長短半徑之比小于10/11。
3.根據權利要求2所述的系統，其特征在于圓環(2)上有把手(I)、腳蹬B(6)，兩把手(I)連線的中垂線與座椅(4)縱軸夾角范圍為O度至360度。
4.根據權利要求I所述的系統，其特征在干支承軸(12)由支承軸殼(15)、支承軸導桿(20)、支承軸螺帽(22)、導桿活塞(24)、支承軸筒(26)、支承軸底座(27)、彈簧A (28)、彈簧B (29)組成，支承軸筒(26)與支承軸底座(27)固定連接，彈簧A(28)置于支承軸筒(26)內，導桿活塞(24)底部置于彈簧A(28)上，彈簧B(29)穿過支承軸導桿(20)置于導桿活塞(24)頂部，支承軸螺帽(22)固定干支承軸筒(26)頂部，導桿活塞(24)與支承軸筒(26)內壁滑動接觸，支承軸導桿(20)與支承軸螺帽(22)滑動接觸，支承軸殼(15)內壁與支承軸筒(26)外壁滑動接觸，支承軸殼(15)頂部與支承軸導桿(20)轉動連接。
5.根據權利要求4所述的系統，其特征在干支承軸殼(15)能與外部動カ裝置傳動連接。
專利摘要一種用于前庭功能與空間定向訓練和評估的系統，屬于訓練器材技術領域，由圓環、支架、座椅、座椅保護裝置、腳蹬A、支架頂盤、傳動桿、支承軸殼、支承軸、光電傳輸控制鍵盤、光發射器A、光電轉換儀A、光發射器B、光電轉換儀B、數據處理器、顯示屏組成。系統提供了一種能作滾轉、旋轉、俯仰三個軸向運動，產生不斷變化的線速度、角速度，使用戶在作三軸向運動的同時認知客體作一軸向旋轉，將用戶進行方位認知的空間參照系軸向分離，把人完成空間定向的主要生理器官(前庭、眼睛)和心理活動過程(空間認知)融為一體進行訓練，可以提高和評估從事復雜空間活動人員的前庭功能和空間認知能力，有利于縮短訓練進程。
文檔編號A61B5/16GK202637380SQ20122010990
公開日2013年1月2日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者董燕燕, 曲高峰, 劉海燕, 孟威佳, 朱明 , 邢國友, 白利峰, 林景宏, 呂揚, 李秋雪, 林維麗, 唐文文 申請人:董燕燕, 曲高峰, 劉海燕