本發(fā)明涉及航空醫(yī)學(xué)工程研究領(lǐng)域，具體來說是一種利用功能近紅外光譜成像系統(tǒng)(fNIRS)結(jié)合陀螺儀監(jiān)測飛行員是否發(fā)生飛行錯(cuò)覺、判斷是何種飛行錯(cuò)覺并在某種飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)觸發(fā)前庭電刺激器發(fā)出相應(yīng)前庭電刺激序列對(duì)抗飛行錯(cuò)覺的裝置。

背景技術(shù)：

空間定向障礙又稱飛行錯(cuò)覺，是指飛行人員在飛行過程中對(duì)飛機(jī)和自身的位置、姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)軌跡等參數(shù)的錯(cuò)誤感知。這種錯(cuò)誤感知如果沒有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理就很容易造成飛行事故。目前研究認(rèn)為，空間定向障礙的本質(zhì)是人體的空間定向器官無法滿足空中三維空間的高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境。因此，飛行員在飛行中不可避免會(huì)發(fā)生空間定向障礙。

空間定向障礙按誘發(fā)因素可分為視覺性空間定向障礙和前庭性空間定向障礙，并且前庭性錯(cuò)覺所致的前庭性空間定向障礙一般更為致命。由于飛行員不能及時(shí)意識(shí)到飛行錯(cuò)覺的發(fā)生，并且缺乏有效的應(yīng)對(duì)措施，空間定向障礙可能引起嚴(yán)重的飛行事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人身傷害。

因此，在本領(lǐng)域迫切需要一種裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：

－對(duì)飛行員的大腦活動(dòng)狀態(tài)和頭部姿勢進(jìn)行監(jiān)測和識(shí)別，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行員發(fā)生了飛行錯(cuò)覺；

－在飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)，能夠?qū)︼w行員進(jìn)行提示，并將飛行員的狀態(tài)發(fā)送給地面控制中心；

－在飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)，能夠?qū)︼w行員施加前庭電刺激，促使飛行員回復(fù)到正確的空間認(rèn)知狀態(tài)。

人體的行為和認(rèn)知和大腦的活動(dòng)密切相關(guān)，而大腦平層的血氧含量是衡量皮層活躍程度的重要指標(biāo)。當(dāng)大腦皮層特定區(qū)域被激活時(shí)表現(xiàn)為含氧血紅蛋白濃度的上升和去氧血紅蛋白濃度的下降。不同種飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)，大腦皮層不同的區(qū)域被激活或抑制，因此表現(xiàn)出不同的血氧特性。fNIRS利用含氧血紅蛋白和去氧血紅蛋白對(duì)不同波長的近紅外光吸收率的差異，通過檢測近紅外光強(qiáng)度的變化可得出血氧濃度的改變。

前庭電刺激是模擬前庭性空間定向障礙的有效手段，同理，可以通過施加補(bǔ)償性的前庭電刺激來糾正飛行錯(cuò)覺，使飛行員恢復(fù)正確的空間認(rèn)知。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種能夠?qū)︼w行員大腦活動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和識(shí)別，并對(duì)發(fā)生飛行錯(cuò)覺的飛行員進(jìn)行補(bǔ)償性前庭電刺激的裝置。

本發(fā)明中的裝置包括：功能近紅外光譜成像裝置，采集飛行員大腦皮層血氧濃度變化信號(hào)，識(shí)別血氧信號(hào)特征，指示飛行員腦活動(dòng)狀態(tài)是否正常，判斷發(fā)生了何種飛行錯(cuò)覺；

陀螺儀，用于獲取飛行員頭部運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)，如飛行員頭部運(yùn)動(dòng)位移、角度和速度，確定飛行錯(cuò)覺的方向和程度，決定前庭電刺激模式；

前庭電刺激裝置向飛行員兩側(cè)耳后乳突施加指定、可控的電刺激，改變飛行員的前庭器官半規(guī)管和耳石的輸入信號(hào)，對(duì)抗空間定向障礙；

控制計(jì)算機(jī)，通過藍(lán)牙與所述前庭電刺激裝置連接，用于控制所述前庭電刺激裝置的刺激類型、刺激電流模式、強(qiáng)度和刺激時(shí)間，實(shí)時(shí)顯示前庭電刺激參數(shù)，并包括功能近紅外光譜成像信號(hào)采集和處理裝置，實(shí)時(shí)記錄飛行員血氧濃度變化；

根據(jù)所述功能近紅外成像裝置識(shí)別的信號(hào)特征結(jié)合所述陀螺儀檢測的數(shù)據(jù)判斷飛行員發(fā)生何種飛行錯(cuò)覺，并基于判斷識(shí)別結(jié)果驅(qū)動(dòng)前庭電刺激裝置產(chǎn)生指定刺激序列，對(duì)于不同的飛行錯(cuò)覺可產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的前庭電刺激方式。

功能近紅外光譜成像裝置包括單片式頭帽、近紅外光源探頭、近紅外光探測器探頭、傳導(dǎo)光纖和主控機(jī)箱：光源和探測器探頭排布在頭帽上，頭帽主體使用軟質(zhì)材料，末端使用金屬固定器，可使頭帽固定在頭部，探頭緊密貼合在頭皮，提高信號(hào)的準(zhǔn)確度，探頭可以安裝和拆卸；三種不同波長的近紅外光由光源探頭發(fā)出，經(jīng)過大腦皮層的吸收和反射被探測器探頭接收；三種波長的近紅外光的強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)了大腦皮層內(nèi)血紅蛋白總量、含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白濃度的變化；主控機(jī)箱內(nèi)包括控制電路、放大電路、光電轉(zhuǎn)換模塊等。

前庭電刺激裝置包括電源、控制電路、導(dǎo)線和電極片等。電刺激電極選用Ag/AgCl電極，電極導(dǎo)線選用心電測量用導(dǎo)聯(lián)線。該裝置可施加三種模式的刺激：對(duì)兩側(cè)耳后乳突進(jìn)行電刺激，對(duì)兩側(cè)耳后乳突和前額進(jìn)行刺激和對(duì)兩側(cè)耳后乳突及左右太陽穴進(jìn)行刺激，來改變被測者的前庭器官半規(guī)管的輸入信號(hào)。刺激電流有五種形式：方波、正弦波、鋸齒波、三角波和直流刺激。電流經(jīng)輸出端通過電極片與人的兩側(cè)乳突耦合，實(shí)現(xiàn)電流與人體的導(dǎo)通。在前庭電刺激控制軟件中預(yù)存了能夠?qū)苟喾N飛行錯(cuò)覺的刺激序列，根據(jù)fNIRS發(fā)送的特征信號(hào)選擇相應(yīng)的刺激序列進(jìn)行刺激。

陀螺儀可以放置在飛行員頭盔內(nèi)側(cè)，可以獲取飛行員頭部運(yùn)動(dòng)和位置參數(shù)，如飛行員頭部運(yùn)動(dòng)位移、角度和速度，確定飛行錯(cuò)覺的方向和程度，結(jié)合fNIRS信號(hào)特征最終決定前庭電刺激模式；

控制計(jì)算機(jī)裝有fNIRS信號(hào)采集軟件，實(shí)時(shí)采集fNIRS信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)處理和模式識(shí)別，將判斷結(jié)果傳送到前庭電刺激器控制軟件。前庭電刺激器與控制計(jì)算機(jī)通過藍(lán)牙連接，通過控制計(jì)算機(jī)中的控制軟件可以設(shè)定前庭電刺激的模式、刺激電流類型、強(qiáng)度和刺激時(shí)間。

有益效果

本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于功能近紅外光譜成像驅(qū)動(dòng)的前庭電刺激空間定向障礙對(duì)抗裝置能夠在飛行中實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行員的大腦活動(dòng)狀態(tài)和頭部姿勢進(jìn)行監(jiān)測和識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行員發(fā)生了飛行錯(cuò)覺。在飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)，不僅可以對(duì)飛行員進(jìn)行提示，還能將飛行員的狀態(tài)發(fā)送給地面控制中心。同時(shí)，在飛行錯(cuò)覺發(fā)生時(shí)，對(duì)飛行員施加前庭電刺激，及時(shí)糾正飛行員錯(cuò)誤的認(rèn)知狀態(tài)。

本發(fā)明利用fNIRS作為腦血氧信號(hào)檢測工具，可便攜安裝到飛行員駕駛艙中，占用空間小，不影響飛行員正常操作。而且相較于fMRI和PET，fNIRS時(shí)間分辨率高，信號(hào)延遲時(shí)間小于1秒，這對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和對(duì)抗飛行錯(cuò)覺起到至關(guān)重要的作用。

本發(fā)明中的fNIRS信號(hào)處理軟件可以自動(dòng)去除信號(hào)中的生理噪聲和運(yùn)動(dòng)偽差，對(duì)飛行員沒有運(yùn)動(dòng)約束，不會(huì)造成任何身體上的不適，可以采集到自然操作狀態(tài)下的準(zhǔn)確信號(hào)。

本發(fā)明將fNIRS與陀螺儀相結(jié)合，前者通過識(shí)別大腦皮層血氧信號(hào)判斷發(fā)生了何種飛行錯(cuò)覺，后者通過測量飛行員頭部運(yùn)動(dòng)的方向、位移、速度和角度進(jìn)一步確定了所發(fā)生飛行錯(cuò)覺的方向性和嚴(yán)重性。fNIRS與陀螺儀信息的綜合可以對(duì)飛行錯(cuò)覺有更為準(zhǔn)確地判斷。

本發(fā)明把前庭電刺激應(yīng)用于空間定向障礙的對(duì)抗，通過改變電刺激方式、電流方向、電流頻率和電流強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)多種飛行錯(cuò)覺的糾正，填補(bǔ)了在飛行過程中實(shí)現(xiàn)飛行錯(cuò)覺的技術(shù)空白。前庭電刺激電流強(qiáng)度和刺激時(shí)間可控，是一項(xiàng)安全可靠的技術(shù)，并且不會(huì)對(duì)飛行員造成身體上的不適或心理上的負(fù)擔(dān)。

本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于功能近紅外光譜成像驅(qū)動(dòng)的前庭電刺激空間定向障礙對(duì)抗裝置改變了目前飛行錯(cuò)覺不易察覺以及發(fā)生飛行錯(cuò)覺只能靠主觀意識(shí)去對(duì)抗的兩個(gè)現(xiàn)狀，提供了一種能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并有效對(duì)抗飛行錯(cuò)覺的措施，用于真實(shí)飛行中避免由飛行錯(cuò)覺引起的飛行事故的發(fā)生，保障飛行員和飛機(jī)的安全，減少人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。

附圖說明

圖1是基于功能近紅外光譜成像驅(qū)動(dòng)的前庭電刺激空間定向障礙對(duì)抗裝置結(jié)構(gòu)圖；

圖2是基于基于功能近紅外光譜成像驅(qū)動(dòng)的前庭電刺激空間定向障礙對(duì)抗裝置工作原理圖。

附圖標(biāo)號(hào)說明

功能近紅外成像主控機(jī)箱1，連接線2，控制計(jì)算機(jī)3，光纖4，金屬固定器5，單片式頭帽主體6，近紅外光源探頭7，近紅外探測器探頭8，前庭電刺激裝置9，導(dǎo)線10，電極片11a、11b、11c、11d、11e，陀螺儀12。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。

本發(fā)明的基于功能近紅外光譜成像驅(qū)動(dòng)的前庭電刺激空間定向障礙對(duì)抗裝置，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本發(fā)明中的裝置包括：功能近紅外光譜成像裝置，采集飛行員大腦皮層腦血氧濃度變化信號(hào)，識(shí)別血氧信號(hào)特征，指示飛行員腦活動(dòng)狀態(tài)是否正常，判斷發(fā)生何種飛行錯(cuò)覺；

陀螺儀12，檢測飛行員頭部姿勢和頭部運(yùn)動(dòng)位移、角度和速度，用于決定前庭電刺激模式；

前庭電刺激裝置9，向飛行員兩側(cè)耳后乳突施加指定、可控的電刺激，改變飛行員的前庭器官半規(guī)管和耳石輸入信號(hào)，對(duì)抗空間定向障礙；

控制計(jì)算機(jī)3，通過藍(lán)牙與所述前庭電刺激裝置連接，用于控制所述前庭電刺激裝置的刺激類型、刺激電流模式、強(qiáng)度和刺激時(shí)間，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)參數(shù)，并包括功能近紅外光譜成像信號(hào)采集和處理裝置，實(shí)時(shí)記錄飛行員血氧濃度變化；

根據(jù)所述功能近紅外成像裝置識(shí)別的信號(hào)特征結(jié)合所述陀螺儀檢測的數(shù)據(jù)判斷飛行員發(fā)生何種飛行錯(cuò)覺，并基于判斷識(shí)別結(jié)果驅(qū)動(dòng)前庭電刺激裝置9產(chǎn)生指定刺激序列，對(duì)于不同的飛行錯(cuò)覺可產(chǎn)生與之對(duì)應(yīng)的前庭電刺激方式。

所述功能近紅外光譜成像裝置包括單片式頭帽6、近紅外光源探頭7、近紅外光探測器探頭8、傳導(dǎo)光纖4和主控機(jī)箱1：光源探頭7和探測器探頭8排布在頭帽主體6上，頭帽主體6使用軟質(zhì)材料，末端使用金屬固定器5，可使頭帽6固定在頭部，探頭緊密貼合在頭皮，提高信號(hào)的準(zhǔn)確度，探頭可以安裝和拆卸；三種不同波長的近紅外光由光源探頭7發(fā)出，經(jīng)過大腦皮層的吸收和反射被探測器探頭8接收；三種波長的近紅外光的強(qiáng)度變化對(duì)應(yīng)了大腦皮層內(nèi)血紅蛋白總量、含氧血紅蛋白、脫氧血紅蛋白濃度的變化；主控機(jī)箱1內(nèi)包括控制電路、放大電路、光電轉(zhuǎn)換模塊等。

所述前庭電刺激裝置9包括電源、控制電路、導(dǎo)線10和電極片11等。電刺激電極11選用Ag/AgCl電極，電極導(dǎo)線10選用心電測量用導(dǎo)聯(lián)線。該裝置可施加三種模式的刺激：對(duì)兩側(cè)耳后乳突進(jìn)行電刺激，對(duì)兩側(cè)耳后乳突和前額進(jìn)行刺激和對(duì)兩側(cè)耳后乳突及左右太陽穴進(jìn)行刺激，來改變飛行員的前庭器官半規(guī)管的輸入信號(hào)。刺激電流有五種形式：方波、正弦波、鋸齒波、三角波和直流刺激。電流經(jīng)輸出端通過電極片與人的兩側(cè)乳突耦合，實(shí)現(xiàn)電流與人體的導(dǎo)通。在前庭電刺激控制軟件中預(yù)存了多種對(duì)抗飛行錯(cuò)覺的刺激序列，根據(jù)fNIRS發(fā)送的特征信號(hào)選擇相應(yīng)的刺激序列進(jìn)行刺激。

所述陀螺儀12可以放置在飛行員頭盔內(nèi)側(cè)，用于獲取飛行員頭部姿勢參數(shù)，結(jié)合fNIRS信號(hào)判斷是否發(fā)生飛行錯(cuò)覺。

所述控制計(jì)算機(jī)3裝有fNIRS信號(hào)采集軟件，實(shí)時(shí)采集fNIRS信號(hào)，并自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)處理和模式識(shí)別，將判斷結(jié)果傳送到前庭電刺激器控制軟件?？刂朴?jì)算機(jī)3與前庭電刺激裝置9由藍(lán)牙連接，通過控制計(jì)算機(jī)中的控制軟件可以設(shè)定前庭電刺激的模式、刺激電流類型、強(qiáng)度和刺激時(shí)間。

本發(fā)明的工作流程如圖2所示。

本發(fā)明的使用用法的具體實(shí)施案例：

首先，按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的探頭排布結(jié)構(gòu)，把近紅外光光源探頭7和近紅外光接收器探頭8安裝在頭帽6的安裝孔上，將頭帽6放置在飛行員頭部，確保探頭直接與頭皮緊密接觸后，按下金屬固定器5固定頭帽。

分別貼在飛行員兩側(cè)耳后乳突，兩側(cè)太陽穴和眉心位置貼上電極貼片，將前庭電刺激五個(gè)電極片11分別固定在五個(gè)電極貼片上。

打開控制計(jì)算機(jī)3中的前庭電刺激控制軟件，通過藍(lán)牙模塊連接到前庭電刺激裝置9。

將fNIRS主控機(jī)箱1通過連接線2與控制計(jì)算機(jī)3連接，打開控制計(jì)算機(jī)3中的fNIRS信號(hào)采集和處理軟件，設(shè)置好信號(hào)采集通道數(shù)量、信號(hào)采集頻率、濾波參數(shù)和光電轉(zhuǎn)換參數(shù)，開始采集血氧信號(hào)。

所述的fNIRS信號(hào)采集和處理軟件可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自動(dòng)采集、處理、轉(zhuǎn)換和識(shí)別，及時(shí)發(fā)現(xiàn)飛行錯(cuò)覺。

fNIRS開始監(jiān)測飛行員大腦皮層血氧信號(hào)，同時(shí)陀螺儀開始記錄頭部運(yùn)動(dòng)參數(shù)，這些參數(shù)將實(shí)時(shí)傳送到地面的控制中心，以便于地面指揮人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件沒有檢查到的異常信號(hào)。

fNIRS的信號(hào)處理軟件自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)處理和識(shí)別，當(dāng)檢查到某種飛行錯(cuò)覺發(fā)生，一方面觸發(fā)報(bào)警信號(hào)，提醒飛行員此時(shí)發(fā)生空間定向障礙，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照儀表顯示信息飛行；另一方面結(jié)合陀螺儀12給出的方位和運(yùn)動(dòng)信息，進(jìn)一步確定飛行錯(cuò)覺的方向性和嚴(yán)重程度，如向左偏還是向右偏，偏航多少角度，速度和加速度分別是多少等。

基于fNIRS和陀螺儀12的判斷結(jié)果，驅(qū)動(dòng)前庭電刺激軟件，fNIRS信號(hào)確定了前庭電刺激的形式，如是三電極刺激或是四電極刺激，采用方波刺激還是正弦波刺激，頻率是多少，陀螺儀給出的信息確定了前庭電刺激的電流方向、強(qiáng)度、持續(xù)的時(shí)間。

前庭電刺激器9開始對(duì)飛行員施加前庭電刺激，同時(shí)繼續(xù)采集血氧信號(hào)，若血氧信號(hào)回復(fù)到正常狀態(tài)，停止施加前庭電刺激，若繼續(xù)表現(xiàn)為飛行錯(cuò)覺狀態(tài)，則繼續(xù)施加前庭電刺激，直到信號(hào)顯示飛行員恢復(fù)到正常認(rèn)知狀態(tài)。

所述的fNIRS信號(hào)處理軟件中保存了多種飛行錯(cuò)覺的信號(hào)特征信息，能夠自動(dòng)進(jìn)行信號(hào)模式識(shí)別，要求識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到80％。

所述的前庭電刺激軟件中保存了對(duì)抗多種空間定向障礙的前庭電刺激模式，如應(yīng)對(duì)向右的傾斜錯(cuò)覺則施加陽極在左側(cè)的直流電刺激。前庭電刺激的電流強(qiáng)度可靈活調(diào)控。

應(yīng)當(dāng)理解的是，在以上敘述和說明中對(duì)本發(fā)明所進(jìn)行的描述只是說明而非限定性的，且在不脫離如所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的前提下，可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行各種改變、變形、和/或修正。