本發明屬于醫療器械領域，具體涉及一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置。

背景技術：

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是一種可以用來測量腦區功能激活的成像技術，目前已經廣泛應用于神經學和心理學的研究。當人接收到各種外界刺激時，在大腦會產生對應的腦區激活，并且不同的外界刺激會產生不同的激活腦區。fMRI主要用于探測腦內各功能區的位置和對各種刺激的反應程度；在可能涉及腦功能區的手術前，用fMRI技術可以預先知道是否會損傷相應的功能區。同時，fMRI技術也是非損傷性評價和了解腦功能的最重要的方法之一。

在進行fMRI功能磁共振成像實驗時，需要根據實驗目的設計相應的外界刺激源，通過對被試施加外界刺激，連續記錄外界刺激施加前(靜息態)后(激活態)的腦部圖像，進而處理得到與外界刺激對應的腦區功能激活圖，因此fMRI刺激裝置是進行神經系統功能成像必不可少的輔助設備，為神經系統功能和心理認知研究提供了極大的便利性，在fMRI系統中占有重要的地位。視覺刺激和聽覺刺激是兩種最常用的刺激來源，而視覺刺激在人類的神經感官刺激中占了絕大部分，進入大腦的信息70％以上是通過視覺系統接收的，因此視覺研究是腦科學的一個重要方面。目前已經有多家公司提供視聽覺刺激裝置產品，但是傳統的視覺刺激裝置只能提供2D平面內的圖形刺激，刺激模式相對單一，無法提供更加真實的視覺刺激環境，從而很難得到在真實環境中人類腦區的功能激活圖像，使所得到的fMRI研究結果有一定的局限性。

技術實現要素：

為了解決上述技術問題，本發明提出了一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置，將VR虛擬現實(virtual reality)技術與fMRI相結合，應用于人類腦功能的研究。

為了達到上述目的，本發明的技術方案如下：

一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置，包括：虛擬視覺呈現組件，用于為人體提供虛擬視覺場景；聽覺呈現組件，用于為人體提供聽覺音頻；運動檢測反饋組件，用于對人體的運動狀態進行檢測，并形成反饋信息傳遞給運行控制組件；運行控制組件，運行控制組件的輸入端與運動檢測反饋組件連接，接收反饋信息，運行控制組件的輸出端分別與虛擬視覺呈現組件和聽覺呈現組件連接，為虛擬視覺呈現組件提供視覺刺激信號，為聽覺呈現組件提供聽覺刺激信號；虛擬視覺呈現組件、聽覺呈現組件以及運動檢測反饋組件設置于磁體腔內，磁體腔設置于磁體間內，運行控制組件設置于外部設備間。

本發明一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置，包括虛擬視覺呈現組件、聽覺呈現組件、運動檢測反饋組件和運行控制組件。運行控制組件產生用于生成虛擬現實場景的視覺刺激信號和聽覺刺激信號，其中視覺刺激信號經過傳輸到達虛擬視覺呈現組件，在被試眼前產生3D大視場角的浸入式視覺場景；視覺刺激信號到達聽覺呈現裝置，在被試耳部產生高品質聽覺效果，從而實現虛擬現實環境刺激在被試端的呈現；運動檢測反饋組件接收被試者給出的反饋信息，如：手部運動信息，并傳遞回運行控制組件，運行控制組件通過分析反饋信息，對呈現在被試前的虛擬現實環境刺激進行即時更新，從而使得被試者可以與虛擬現實環境之間進行深度交互。

本發明一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置，可以實現各種用戶自定義的虛擬現實場景在被試端的呈現，同時被試與虛擬環境之間擁有良好的交互功能，能夠滿足更多fMRI實驗設計的要求。

在上述技術方案的基礎上，還可做如下改進：

作為優選的方案，聽覺呈現組件和運動檢測反饋組件分別通過光纖與用于光電轉換的轉換器連接，轉換器通過連接電纜穿過波導板與運行控制組件連接；

虛擬視覺呈現組件通過屏蔽電纜穿過波導板與運行控制組件連接；

轉換器設置于磁體間，波導板設置于磁體間與外部設備間之間。

采用上述優選的方案，保證各部分之間的電磁屏蔽效果，保證得到實驗結果的真實有效性。

作為優選的方案，虛擬視覺呈現組件包括：眼罩框架以及設置于眼罩框架內的左呈現組件和右呈現組件，左呈現組件和右呈現組件分別包括：用于顯示虛擬視覺刺激圖像的OLED屏幕以及設置于OLED屏幕前的VR目鏡，OLED屏幕與VR目鏡同軸設置。

采用上述優選的方案，使得被試者通過VR目鏡可以直接觀察到OLED屏幕上呈現的虛擬視覺刺激圖像，獲得最佳的虛擬視覺效果。

作為優選的方案，OLED屏幕和VR目鏡設置于法拉第籠內，且在法拉第籠上靠近VR目鏡一側設有金屬網格屏蔽觀察窗。

采用上述優選的方案，實現了視頻刺激電信號、OLED屏幕與磁共振掃描設備的電磁屏蔽，避免了虛擬視覺呈現裝置與磁共振掃描設備之間的相互干擾。

作為優選的方案，在眼罩框架上設有用于調節左、右呈現組件之間距離的第一間距調節組件以及用于調節VR目鏡與被試者雙眼之間距離的第二間距調節組件。

采用上述優選的方案，第一間距調節組件調節左、右呈現組件之間距離，以適應不同被試者兩眼之間的距離。第二間距調節組件調節VR目鏡與被試者雙眼之間距離，以適應不同被試者的眼部屈光度，從而使被試者能夠觀察到最清晰的虛擬現實場景。

作為優選的方案，聽覺呈現組件包括耳罩框架以及設置于耳罩框架內的音頻發生件，耳罩框架與眼罩框架連接。

采用上述優選的方案，將耳罩框架與眼罩框架集成在一起，提高備的集成度，實現一體化VR虛擬現實頭戴設備。

作為優選的方案，眼罩框架包括框架本體以及設置于框架本體上向外擴張延伸的喇叭形的包覆翻邊，在包覆翻邊的內側表面上依次設有彈性層以及柔性層，在彈性層和柔性層之間設有空氣腔，空氣腔通過設置于包覆翻邊上的氣流孔與外界空氣設備連接。

采用上述優選的方案，可以有效提高虛擬視覺呈現組件和被試者的貼合度，使被試者與現實場景隔離，僅能觀察到虛擬視覺呈現裝置內展現的虛擬現實場景，從而獲得更加真實的浸入式虛擬視覺效果。

作為優選的方案，外界空氣設備通過氣流大小調節裝置與氣流孔連接，氣流大小調節裝置包括：氣流座，在氣流座上設有第一通孔，在第一通孔的外側設有正多邊形的滑動凹槽；導向座，設置于氣流座的一側，在導向座上設有與第一通孔對應的第二通孔，在導向座上第二通孔的外側設有多個導向槽；多個擋片，設置于氣流座和導向座之間，在擋片的正反相對兩面分別設有第一凸出部和第二凸出部，第一凸出部伸入滑動凹槽內，第二凸出部伸入導向槽內；驅動裝置，分別與氣流座和導向座連接，驅動裝置驅動氣流座和導向座轉動，改變擋片的位置，從而改變第一通孔和第二通孔的裸露大小。

采用上述優選的方案，外界空氣設備可以進行吹氣和抽氣動作，而氣流大小調節裝置可以有效調節第一通孔和第二通孔的裸露大小，從而調節氣流大小，對空氣腔內的空氣含量的多少以及變化的速率進行調節。而發明公開的氣流大小調節裝置可以快速的調節通孔的裸露大小，低噪音，低功率，成本小。

作為優選的方案，在柔性層上設有感光傳感器和/或壓力傳感器，感光傳感器和/或壓力傳感器與氣流大小調節裝置連接。

采用上述優選的方案，通過感光傳感器和/或壓力傳感器來檢測虛擬視覺呈現組件和被試者的貼合度，從而更好的調節氣流大小調節裝置，使被試者與現實場景隔離，提高實驗的效果。

作為優選的方案，在柔性層靠近空氣腔的一側設有多個隔離層，隔離層與柔性層之間形成內腔，在該內腔內設有一個、兩個或兩個以上的滾珠。

采用上述優選的方案，滾珠可以有效按摩被試者眼部，提高佩戴的舒適度，且多個內腔可以分布在關鍵點，在關鍵點處由于有滾珠進行輔助，虛擬視覺呈現組件和被試者的貼合度更好。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置框架示意圖。

圖2為本發明實施例提供的虛擬視覺呈現組件的框架示意圖。

圖3為本發明實施例提供的虛擬視覺呈現組件和聽覺呈現組件的結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的虛擬視覺呈現組件和聽覺呈現組件的內部局部結構示意圖。

圖5為本發明實施例提供的虛擬視覺呈現組件和聽覺呈現組件的俯視圖。

圖6為本發明實施例提供的運動檢測反饋組件的框架示意圖。

圖7為本發明實施例提供的彈性層、柔性層以及空氣腔的局部剖視圖之一。

圖8為本發明實施例提供的氣流座的結構示意圖。

圖9為本發明實施例提供的氣流座和擋片的結構示意圖。

圖10為本發明實施例提供的導向座的結構示意圖。

圖11為本發明實施例提供的彈性層、柔性層以及空氣腔的局部剖視圖之二。

其中：101磁體間、102設備間、103操作間、104磁體腔、111虛擬視覺呈現組件、112聽覺呈現組件、113運動檢測反饋組件、114運行控制組件、120波導板、121屏蔽電纜、122光纖、123光纖、124轉換器、125連接電纜、201OLED屏幕、202VR目鏡、203法拉第籠、204人眼、205HDMI端口、301眼罩框架、3011框架本體、3012包覆翻邊、302金屬網格屏蔽觀察窗、303第一間距調節組件、304第二間距調節組件、401追蹤球、402按鍵手柄、403運動手套、411RS232端口、412USB端口、501彈性層、502柔性層、503空氣腔、504隔離層、505內腔、506滾珠、601氣流座、602第一通孔、603滑動凹槽、604導向座、605第二通孔、606導向槽、607擋片、608第一凸出部、609第二凸出部。

具體實施方式

下面結合附圖詳細說明本發明的優選實施方式。

為了達到本發明的目的，一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置的其中一些實施例中，

如圖1所示，一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置包括虛擬視覺呈現組件111、聽覺呈現組件112、運動檢測反饋組件113和運行控制組件114。

虛擬視覺呈現組件111用于為人體提供虛擬視覺場景；聽覺呈現組件112用于為人體提供聽覺音頻；運動檢測反饋組件113用于對人體的運動狀態進行檢測，并形成反饋信息傳遞給運行控制組件114；運行控制組件114的輸入端與運動檢測反饋組件113連接，接收反饋信息，運行控制組件114的輸出端分別與虛擬視覺呈現組件111和聽覺呈現組件112連接，為虛擬視覺呈現組件111提供視覺刺激信號，為聽覺呈現組件112提供聽覺刺激信號。

虛擬視覺呈現組件111、聽覺呈現組件112以及運動檢測反饋組件113設置于磁體腔104內，用于在fMRI實驗中佩戴在被試身上的相應部位，磁體腔104設置于磁體間101內。其中運行控制組件114放置在外部設備間的操作間103內；磁體腔104位于磁體間101內。虛擬視覺呈現組件111通過屏蔽電纜121與運行控制組件114相連接，聽覺呈現組件112、運動檢測反饋組件113分別通過光纖122、123連接至轉換器124，再通過連接電纜125與運行控制組件114相連接，轉換器124用于實現光電轉換。屏蔽電纜121和連接電纜125均通過磁體間101和外部設備間的設備間102之間設置的波導板120，穿過設備間102，最終連接到運行控制組件114的相應端口。值得注意的是，磁體腔104可以為一個大型的磁體，而磁體間101為屏蔽房，外部設備間包括用于儲藏設備的設備間102和用于操作的操作間103，當然也可以為一個房間或多個房間，其可以根據具體的情況進行調整。

在屏蔽電纜121和連接電纜125中傳輸的是電信號，在光纖122、123中傳輸的是光信號。為了避免轉換器124和連接電纜125對磁共振成像設備產生干擾，將轉換器124放置在磁體間101內盡量遠離磁體腔104的位置。

運行控制組件114配備了該套VR虛擬現實刺激裝置專用的操作軟件，可以支持用戶自定義，生成不同的虛擬現實場景的視頻和音頻刺激信號，用于滿足不同的fMRI實驗設計要求。其中視覺刺激信號經過屏蔽電纜121到達虛擬視覺呈現組件111，在被試者眼前產生3D大視場角的浸入式視覺場景；聽覺刺激信號經過轉換器124和光纖122到達聽覺呈現組件112，在被試者耳部產生高品質聽覺效果，從而實現虛擬現實環境刺激在被試端的呈現；運動檢測反饋組件113接收被試者給出的反饋信息，如：手部運動動作信息，并通過光纖123和轉換器124傳遞回運行控制組件114，運行控制組件114通過分析反饋信息，對呈現在被試前的虛擬環境刺激進行即時更新，從而使得被試可以與虛擬現實環境之間進行深度交互。

如圖2所示，虛擬視覺呈現組件111的框架示意圖，用來將運行控制組件114生成的視覺刺激信號呈現在被試者眼前，使被試者觀察到虛擬現實場景。虛擬視覺呈現組件包括：眼罩框架301以及設置于眼罩框架301內的左呈現組件和右呈現組件，左呈現組件和右呈現組件分別包括：用于顯示虛擬視覺刺激圖像的OLED屏幕201以及設置于OLED屏幕201前的VR目鏡202，OLED屏幕201與VR目鏡202同軸設置。

為使被試觀察到逼真的高清虛擬視覺效果，優選用兩塊OLED屏幕201來顯示視頻刺激信號，產生兩幅不同的圖像，被試雙眼204通過VR目鏡202，可以直接觀察到OLED屏幕201上顯示的圖像。優選單個OLED屏幕分辨率為1080×1200，從而達到2160×1200的組合分辨率，動態刷新率大于85Hz。

為了避免OLED屏幕201對磁共振成像設備產生干擾，需要將OLED屏幕201和VR目鏡202放置在法拉第籠203內，實現OLED屏幕201的電磁屏蔽。

OLED屏幕201的屏蔽電纜121穿過波導板120，經過設備間102到達操作間103，連接至運行控制組件114的HDMI端口205，接收視頻電信號。

如圖3所示，虛擬視覺呈現組件111和聽覺呈現組件的結構示意圖，虛擬視覺呈現組件111采用頭戴式眼罩設計，使被試者與現實場景隔離，僅能觀察到虛擬視覺呈現組件111內展現的虛擬現實場景，從而獲得更加真實的浸入式虛擬視覺效果。

虛擬視覺呈現組件111利用眼罩框架301來固定支撐內部結構。

聽覺呈現組件112包括耳罩框架以及設置于耳罩框架內的音頻發生件，耳罩框架與眼罩框架301連接。

通常，虛擬視覺呈現組件111與聽覺呈現組件112是兩個獨立工作的模塊，但本申請將耳罩框架與眼罩框架集成在一起，提高備的集成度，實現一體化VR虛擬現實頭戴設備。

如圖4和5所示，虛擬視覺呈現組件和聽覺呈現組件的內部局部結構示意圖。在眼罩框架301內設置了兩個法拉第籠203(位于圖4中右側的法拉第籠未示出，以顯示內部結構)，每個法拉第籠203內分別設置一塊VR目鏡202和一塊OLED屏幕201，屏蔽電纜121穿過眼罩框架301和法拉第籠203，與OLED屏幕201相連接，傳輸視頻電信號。每塊OLED屏幕201和對應的VR目鏡202之間的相對位置固定，并且呈同軸布置；法拉第籠203在靠近被試者眼部的一側設置了金屬網格屏蔽觀察窗302，使被試左右兩眼能夠通過VR目鏡202，分別觀察到OLED屏幕201上顯示的兩幅不同的視覺刺激圖像，從而觀察到3D大視場角的浸入式虛擬現實場景。VR目鏡202優選采用菲涅爾透鏡，相比普通鏡片更加輕薄。

在眼罩框架301上設有用于調節左、右呈現組件之間距離的第一間距調節組件303以及用于調節VR目鏡與被試者雙眼之間距離的第二間距調節組件304。第一間距調節組件303調節左、右呈現組件之間距離，以適應不同被試者兩眼之間的距離。第二間距調節組件304調節VR目鏡與被試者雙眼之間距離，以適應不同被試者的眼部屈光度，從而使被試者能夠觀察到最清晰的虛擬現實場景。

聽覺呈現組件112主要通過采用磁共振專用的光纖式無磁耳機，實現聽覺刺激信號在被試端的呈現，在滿足磁兼容條件的同時，具有良好的噪聲屏蔽效果。

聽覺呈現組件112的連接線穿過波導板120，經過設備間102到達操作間103，與運行控制組件114相連接，主要用來呈現虛擬環境中的各種環境音效，以及來自外界的語音指令。

由于在fMRI實驗過程中被試的頭部固定無法移動，因此無法利用頭部進行運動反饋操作，故本申請將運動檢測反饋組件113設置于被試者的手部實現反饋功能。

圖6所示的是運動檢測反饋組件113的框架示意圖，主要運動檢測反饋組件113包括追蹤球401，按鍵手柄402和運動手套403，來滿足不同的fMRI實驗場景設計要求。其中追蹤球401可以用來完成虛擬現實環境中視角旋轉、位置移動的交互動作，按鍵手柄402可以用來完成在虛擬現實環境中按鍵反饋等交互動作，運動手套403中包含有若干數量的位置傳感器，可以精確的感知被試手部的動作，能夠用于更加精細的虛擬現實環境中手部運動的反饋，例如彈奏樂器、駕駛車輛、操作儀器設備等場景。

追蹤球401，按鍵手柄402和運動手套403均采用磁共振兼容設計，不含任何磁性部件，不會對fMRI成像造成干擾，并分別通過光纖123連接至轉換器124，轉換器124將接收到的光纖信號進行光電轉換，再通過連接電纜125穿過波導板120，經過設備間102，最終達到操作間103內的運行控制組件114的RS232端口411或者USB端口412，將檢測到的運動信息反饋給運行控制組件114。

為了避免轉換器124對磁共振設備工作產生干擾，需要將轉換器124放置在磁體間101內遠離磁體腔104的位置。

運行控制組件114配備了該套VR虛擬現實刺激裝置專用的操作軟件，運行控制組件114接收到運動檢測反饋組件113反饋回的被試者的反饋信息，并加以分析，對呈現在被試者眼前的虛擬現實視頻和音頻進行即時更新，實現被試者與虛擬現實環境之間的交互功能。

本發明一種用于功能磁共振成像的虛擬現實刺激裝置可以實現3D大視場角的虛擬環境呈現，配合運動檢測裝置可以使被試與虛擬環境之間進行視角旋轉、運動控制等交互。本發明提出了一種將VR虛擬現實技術與fMRI相結合的方式用于人類腦功能的研究，提供更加真實的虛擬環境交互體驗，從而得到盡量接近真實環境下的不同的特定場景中人類腦區功能活動分布結果。

如圖7所示，為了進一步地優化本發明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術相同，不同之處在于，眼罩框架301包括框架本體3011以及設置于框架本體3011上向外擴張延伸的喇叭形的包覆翻邊3012，在包覆翻邊3012的內側表面上依次設有彈性層501以及柔性層502，在彈性層501和柔性層502之間設有空氣腔503，空氣腔503通過設置于包覆翻邊3012上的氣流孔(圖中未示出)與外界空氣設備(圖中未示出)連接。

采用上述優選的方案，可以有效提高虛擬視覺呈現組件111和被試者的貼合度，使被試者與現實場景隔離，僅能觀察到虛擬視覺呈現裝置內展現的虛擬現實場景，從而獲得更加真實的浸入式虛擬視覺效果。

如圖8-10所示，進一步，外界空氣設備通過氣流大小調節裝置與氣流孔連接，氣流大小調節裝置包括：氣流座601，在氣流座601上設有第一通孔602，在第一通孔602的外側設有正多邊形的滑動凹槽603；導向座604，設置于氣流座601的一側，在導向座604上設有與第一通孔602相對應的第二通孔605，在導向座604上第二通孔605外側設有多個導向槽606；多個擋片607，設置于氣流座601和導向座604之間，在擋片607的正反相對兩面分別設有第一凸出部608(圖中未示出)和第二凸出部609，第一凸出部608伸入滑動凹槽603內，第二凸出部509伸入導向槽606內；驅動裝置(圖中未示出)，分別與氣流座601和導向座604連接，驅動裝置驅動氣流座601和導向座604轉動，改變擋片607的位置，從而改變第一通孔602和第二通孔605的裸露大小。

采用上述優選的方案，外界空氣設備可以進行吹氣和抽氣動作，氣流座601和導向座604轉動從而可以有效調節第一通孔602和第二通孔605的裸露大小，從而調節氣流大小，對空氣腔503內的空氣含量的多少以及變化的速率進行調節。而發明公開的氣流大小調節裝置可以快速的調節第一通孔602和第二通孔605的裸露大小，低噪音，低功率，成本小，可以有效的調整空氣腔503內的空氣含量，保證虛擬視覺呈現組件111和被試者的貼合度。

為了進一步地優化本發明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術相同，不同之處在于，在柔性層502上設有感光傳感器和/或壓力傳感器，感光傳感器和/或壓力傳感器與氣流大小調節裝置連接。

進一步，通過感光傳感器(圖中未示出)和/或壓力傳感器(圖中未示出)來檢測虛擬視覺呈現組件111和被試者的貼合度，從而更好的調節氣流大小調節裝置，使被試者與現實場景隔離，提高實驗的效果。

如圖11所示，為了進一步地優化本發明的實施效果，在另外一些實施方式中，其余特征技術相同，不同之處在于，在柔性層502靠近空氣腔503的一側設有多個隔離層504，隔離層504與柔性層502之間形成內腔505，在該內腔505內設有一個、兩個或兩個以上的滾珠506。

采用上述優選的方案，滾珠506可以有效按摩被試者眼部，提高佩戴的舒適度，且多個內腔505可以分布在關鍵點，在關鍵點處由于有滾珠506進行輔助，虛擬視覺呈現組件111和被試者的貼合度更好。

以上的僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明創造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發明的保護范圍。