CN106798562B - 基于近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用功能近红外光谱成像装置结合陀螺仪监测飞行员是否发生飞行错觉、判断是何种飞行错觉并在某种飞行错觉发生时触发前庭电刺激器发出相应刺激序列对抗飞行错觉的装置，包括：功能近红外光谱成像装置，用于采集飞行员飞行过程中大脑皮层血氧浓度信号，识别血氧信号特征，判断是否发生飞行错觉；陀螺仪，用于检测飞行员头部运动情况；前庭电刺激装置，用于施加前庭电刺激，改变人体前庭器官半规管输入信号，对抗飞行错觉；控制计算机，用于控制前庭电刺激装置的刺激方式、刺激电流模式、强度和刺激时间，实时显示相关参数。本发明通过上述装置能够监测人在飞行过程中的空间认知状态，在发生飞行错觉时及时施加前庭电刺激，对抗空间定向障碍。

Description

基于近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗 装置

技术领域

本发明涉及航空医学工程研究领域，具体来说是一种利用功能近红外光谱成像系统(fNIRS)结合陀螺仪监测飞行员是否发生飞行错觉、判断是何种飞行错觉并在某种飞行错觉发生时触发前庭电刺激器发出相应前庭电刺激序列对抗飞行错觉的装置。

背景技术

空间定向障碍又称飞行错觉，是指飞行人员在飞行过程中对飞机和自身的位置、姿态和运动轨迹等参数的错误感知。这种错误感知如果没有被及时发现并处理就很容易造成飞行事故。目前研究认为，空间定向障碍的本质是人体的空间定向器官无法满足空中三维空间的高速运动环境。因此，飞行员在飞行中不可避免会发生空间定向障碍。

空间定向障碍按诱发因素可分为视觉性空间定向障碍和前庭性空间定向障碍，并且前庭性错觉所致的前庭性空间定向障碍一般更为致命。由于飞行员不能及时意识到飞行错觉的发生，并且缺乏有效的应对措施，空间定向障碍可能引起严重的飞行事故，造成巨大的经济损失和人身伤害。

因此，在本领域迫切需要一种装置，其能够实现以下功能：

－对飞行员的大脑活动状态和头部姿势进行监测和识别，能够及时发现飞行员发生了飞行错觉；

－在飞行错觉发生时，能够对飞行员进行提示，并将飞行员的状态发送给地面控制中心；

－在飞行错觉发生时，能够对飞行员施加前庭电刺激，促使飞行员回复到正确的空间认知状态。

人体的行为和认知和大脑的活动密切相关，而大脑平层的血氧含量是衡量皮层活跃程度的重要指标。当大脑皮层特定区域被激活时表现为含氧血红蛋白浓度的上升和去氧血红蛋白浓度的下降。不同种飞行错觉发生时，大脑皮层不同的区域被激活或抑制，因此表现出不同的血氧特性。fNIRS利用含氧血红蛋白和去氧血红蛋白对不同波长的近红外光吸收率的差异，通过检测近红外光强度的变化可得出血氧浓度的改变。

前庭电刺激是模拟前庭性空间定向障碍的有效手段，同理，可以通过施加补偿性的前庭电刺激来纠正飞行错觉，使飞行员恢复正确的空间认知。

发明内容

本发明提供了一种能够对飞行员大脑活动状态进行监测和识别，并对发生飞行错觉的飞行员进行补偿性前庭电刺激的装置。

本发明中的装置包括：功能近红外光谱成像装置，采集飞行员大脑皮层血氧浓度变化信号，识别血氧信号特征，指示飞行员脑活动状态是否正常，判断发生了何种飞行错觉；

陀螺仪，用于获取飞行员头部运动和位置参数，如飞行员头部运动位移、角度和速度，确定飞行错觉的方向和程度，决定前庭电刺激模式；

前庭电刺激装置向飞行员两侧耳后乳突施加指定、可控的电刺激，改变飞行员的前庭器官半规管和耳石的输入信号，对抗空间定向障碍；

控制计算机，通过蓝牙与所述前庭电刺激装置连接，用于控制所述前庭电刺激装置的刺激类型、刺激电流模式、强度和刺激时间，实时显示前庭电刺激参数，并包括功能近红外光谱成像信号采集和处理装置，实时记录飞行员血氧浓度变化；

根据所述功能近红外成像装置识别的信号特征结合所述陀螺仪检测的数据判断飞行员发生何种飞行错觉，并基于判断识别结果驱动前庭电刺激装置产生指定刺激序列，对于不同的飞行错觉可产生与之对应的前庭电刺激方式。

功能近红外光谱成像装置包括单片式头帽、近红外光源探头、近红外光探测器探头、传导光纤和主控机箱：光源和探测器探头排布在头帽上，头帽主体使用软质材料，末端使用金属固定器，可使头帽固定在头部，探头紧密贴合在头皮，提高信号的准确度，探头可以安装和拆卸；三种不同波长的近红外光由光源探头发出，经过大脑皮层的吸收和反射被探测器探头接收；三种波长的近红外光的强度变化对应了大脑皮层内血红蛋白总量、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度的变化；主控机箱内包括控制电路、放大电路、光电转换模块等。

前庭电刺激装置包括电源、控制电路、导线和电极片等。电刺激电极选用Ag/AgCl电极，电极导线选用心电测量用导联线。该装置可施加三种模式的刺激：对两侧耳后乳突进行电刺激，对两侧耳后乳突和前额进行刺激和对两侧耳后乳突及左右太阳穴进行刺激，来改变被测者的前庭器官半规管的输入信号。刺激电流有五种形式：方波、正弦波、锯齿波、三角波和直流刺激。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。在前庭电刺激控制软件中预存了能够对抗多种飞行错觉的刺激序列，根据fNIRS发送的特征信号选择相应的刺激序列进行刺激。

陀螺仪可以放置在飞行员头盔内侧，可以获取飞行员头部运动和位置参数，如飞行员头部运动位移、角度和速度，确定飞行错觉的方向和程度，结合fNIRS信号特征最终决定前庭电刺激模式；

控制计算机装有fNIRS信号采集软件，实时采集fNIRS信号，并自动进行信号处理和模式识别，将判断结果传送到前庭电刺激器控制软件。前庭电刺激器与控制计算机通过蓝牙连接，通过控制计算机中的控制软件可以设定前庭电刺激的模式、刺激电流类型、强度和刺激时间。

有益效果

本发明设计的基于功能近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置能够在飞行中实现对飞行员的大脑活动状态和头部姿势进行监测和识别，及时发现飞行员发生了飞行错觉。在飞行错觉发生时，不仅可以对飞行员进行提示，还能将飞行员的状态发送给地面控制中心。同时，在飞行错觉发生时，对飞行员施加前庭电刺激，及时纠正飞行员错误的认知状态。

本发明利用fNIRS作为脑血氧信号检测工具，可便携安装到飞行员驾驶舱中，占用空间小，不影响飞行员正常操作。而且相较于fMRI和PET，fNIRS时间分辨率高，信号延迟时间小于1秒，这对于及时发现和对抗飞行错觉起到至关重要的作用。

本发明中的fNIRS信号处理软件可以自动去除信号中的生理噪声和运动伪差，对飞行员没有运动约束，不会造成任何身体上的不适，可以采集到自然操作状态下的准确信号。

本发明将fNIRS与陀螺仪相结合，前者通过识别大脑皮层血氧信号判断发生了何种飞行错觉，后者通过测量飞行员头部运动的方向、位移、速度和角度进一步确定了所发生飞行错觉的方向性和严重性。fNIRS与陀螺仪信息的综合可以对飞行错觉有更为准确地判断。

本发明把前庭电刺激应用于空间定向障碍的对抗，通过改变电刺激方式、电流方向、电流频率和电流强度实现多种飞行错觉的纠正，填补了在飞行过程中实现飞行错觉的技术空白。前庭电刺激电流强度和刺激时间可控，是一项安全可靠的技术，并且不会对飞行员造成身体上的不适或心理上的负担。

本发明设计的基于功能近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置改变了目前飞行错觉不易察觉以及发生飞行错觉只能靠主观意识去对抗的两个现状，提供了一种能够及时发现并有效对抗飞行错觉的措施，用于真实飞行中避免由飞行错觉引起的飞行事故的发生，保障飞行员和飞机的安全，减少人身伤亡和经济损失。

附图说明

图1是基于功能近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置结构图；

图2是基于基于功能近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置工作原理图。

附图标号说明

功能近红外成像主控机箱1，连接线2，控制计算机3，光纤4，金属固定器5，单片式头帽主体6，近红外光源探头7，近红外探测器探头8，前庭电刺激装置9，导线10，电极片11a、11b、11c、11d、11e，陀螺仪12。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步详述本发明。

本发明的基于功能近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置，其结构图如图1所示。

本发明中的装置包括：功能近红外光谱成像装置，采集飞行员大脑皮层脑血氧浓度变化信号，识别血氧信号特征，指示飞行员脑活动状态是否正常，判断发生何种飞行错觉；

陀螺仪12，检测飞行员头部姿势和头部运动位移、角度和速度，用于决定前庭电刺激模式；

前庭电刺激装置9，向飞行员两侧耳后乳突施加指定、可控的电刺激，改变飞行员的前庭器官半规管和耳石输入信号，对抗空间定向障碍；

控制计算机3，通过蓝牙与所述前庭电刺激装置连接，用于控制所述前庭电刺激装置的刺激类型、刺激电流模式、强度和刺激时间，实时显示相关参数，并包括功能近红外光谱成像信号采集和处理装置，实时记录飞行员血氧浓度变化；

根据所述功能近红外成像装置识别的信号特征结合所述陀螺仪检测的数据判断飞行员发生何种飞行错觉，并基于判断识别结果驱动前庭电刺激装置9产生指定刺激序列，对于不同的飞行错觉可产生与之对应的前庭电刺激方式。

所述功能近红外光谱成像装置包括单片式头帽6、近红外光源探头7、近红外光探测器探头8、传导光纤4和主控机箱1：光源探头7和探测器探头8排布在头帽主体6上，头帽主体6使用软质材料，末端使用金属固定器5，可使头帽6固定在头部，探头紧密贴合在头皮，提高信号的准确度，探头可以安装和拆卸；三种不同波长的近红外光由光源探头7发出，经过大脑皮层的吸收和反射被探测器探头8接收；三种波长的近红外光的强度变化对应了大脑皮层内血红蛋白总量、含氧血红蛋白、脱氧血红蛋白浓度的变化；主控机箱1内包括控制电路、放大电路、光电转换模块等。

所述前庭电刺激装置9包括电源、控制电路、导线10和电极片11等。电刺激电极11选用Ag/AgCl电极，电极导线10选用心电测量用导联线。该装置可施加三种模式的刺激：对两侧耳后乳突进行电刺激，对两侧耳后乳突和前额进行刺激和对两侧耳后乳突及左右太阳穴进行刺激，来改变飞行员的前庭器官半规管的输入信号。刺激电流有五种形式：方波、正弦波、锯齿波、三角波和直流刺激。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。在前庭电刺激控制软件中预存了多种对抗飞行错觉的刺激序列，根据fNIRS发送的特征信号选择相应的刺激序列进行刺激。

所述陀螺仪12可以放置在飞行员头盔内侧，用于获取飞行员头部姿势参数，结合fNIRS信号判断是否发生飞行错觉。

所述控制计算机3装有fNIRS信号采集软件，实时采集fNIRS信号，并自动进行信号处理和模式识别，将判断结果传送到前庭电刺激器控制软件。控制计算机3与前庭电刺激装置9由蓝牙连接，通过控制计算机中的控制软件可以设定前庭电刺激的模式、刺激电流类型、强度和刺激时间。

本发明的工作流程如图2所示。

本发明的使用用法的具体实施案例：

首先，按照预先设计好的探头排布结构，把近红外光光源探头7和近红外光接收器探头8安装在头帽6的安装孔上，将头帽6放置在飞行员头部，确保探头直接与头皮紧密接触后，按下金属固定器5固定头帽。

分别贴在飞行员两侧耳后乳突，两侧太阳穴和眉心位置贴上电极贴片，将前庭电刺激五个电极片11分别固定在五个电极贴片上。

打开控制计算机3中的前庭电刺激控制软件，通过蓝牙模块连接到前庭电刺激装置9。

将fNIRS主控机箱1通过连接线2与控制计算机3连接，打开控制计算机3中的fNIRS信号采集和处理软件，设置好信号采集通道数量、信号采集频率、滤波参数和光电转换参数，开始采集血氧信号。

所述的fNIRS信号采集和处理软件可以实现对信号的自动采集、处理、转换和识别，及时发现飞行错觉。

fNIRS开始监测飞行员大脑皮层血氧信号，同时陀螺仪开始记录头部运动参数，这些参数将实时传送到地面的控制中心，以便于地面指挥人员及时发现软件没有检查到的异常信号。

fNIRS的信号处理软件自动进行信号处理和识别，当检查到某种飞行错觉发生，一方面触发报警信号，提醒飞行员此时发生空间定向障碍，应当严格按照仪表显示信息飞行；另一方面结合陀螺仪12给出的方位和运动信息，进一步确定飞行错觉的方向性和严重程度，如向左偏还是向右偏，偏航多少角度，速度和加速度分别是多少等。

基于fNIRS和陀螺仪12的判断结果，驱动前庭电刺激软件，fNIRS信号确定了前庭电刺激的形式，如是三电极刺激或是四电极刺激，采用方波刺激还是正弦波刺激，频率是多少，陀螺仪给出的信息确定了前庭电刺激的电流方向、强度、持续的时间。

前庭电刺激器9开始对飞行员施加前庭电刺激，同时继续采集血氧信号，若血氧信号回复到正常状态，停止施加前庭电刺激，若继续表现为飞行错觉状态，则继续施加前庭电刺激，直到信号显示飞行员恢复到正常认知状态。

所述的fNIRS信号处理软件中保存了多种飞行错觉的信号特征信息，能够自动进行信号模式识别，要求识别准确率达到80％。

所述的前庭电刺激软件中保存了对抗多种空间定向障碍的前庭电刺激模式，如应对向右的倾斜错觉则施加阳极在左侧的直流电刺激。前庭电刺激的电流强度可灵活调控。

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。

Claims (3)

1.基于近红外光谱成像驱动的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置，其特征在于，包括：

功能近红外光谱成像装置，采集飞行员大脑皮层脑血氧浓度变化信号，识别血氧信号特征，指示飞行员脑活动状态是否正常，判断发生何种飞行错觉；

陀螺仪，检测飞行员头部姿势和头部运动位移、角度和速度，用于决定前庭电刺激模式；前庭电刺激装置，向飞行员两侧耳后乳突施加指定、可控的电刺激，改变飞行员的前庭器官半规管和耳石的输入信号，对抗空间定向障碍；

控制计算机，通过蓝牙与所述前庭电刺激装置连接，用于控制所述前庭电刺激装置的刺激类型、刺激电流模式、强度和刺激时间，实时显示相关参数，并包括功能近红外光谱成像信号采集和处理装置，实时记录飞行员血氧浓度变化；

根据所述功能近红外光谱成像装置识别的信号特征结合所述陀螺仪检测的数据判断飞行员发生何种飞行错觉，并基于判断识别结果驱动前庭电刺激装置产生指定刺激序列，对于不同的飞行错觉可产生与之对应的前庭电刺激方式；

前庭电刺激装置对飞行员施加前庭电刺激，同时继续采集血氧信号，若血氧信号回复到正常状态，停止施加前庭电刺激，若继续表现为飞行错觉状态，则继续施加前庭电刺激，直到信号显示飞行员恢复到正常认知状态。

2.根据权利要求1所述的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置，其特征在于，所述控制计算机预存有对抗多种飞行错觉的刺激序列，用于提供给所述前庭电刺激装置。

3.根据权利要求1所述的前庭电刺激空间定向障碍对抗装置，其特征在于，所述功能近红外光谱成像装置包括多个探头，多个探头排布在单片式头帽上，头帽装有金属固定器，使头帽可以牢固地固定在飞行员头上，探头与头皮紧密接触，提高了功能近红外光谱成像信号的准确性。