專利名稱：智能心理身心反饋訓(xùn)練裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種生物反饋訓(xùn)練系統(tǒng)，特別涉及一種配有三維 實時動畫畫面與聲效、畫面聲效與人身心狀態(tài)緊密互動的智能心理身 心反饋訓(xùn)練裝置。
背景技術(shù)：
著名美國心理學(xué)家、生物反饋學(xué)說的創(chuàng)始人米勒(Miller NE)， 于1967年提出的內(nèi)臟學(xué)習(xí)理論——"生物反饋"。生物反饋訓(xùn)練，是 在行為療法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型心理治療技術(shù)方法。它利用 現(xiàn)代生理科學(xué)儀器，通過人體內(nèi)生理信息的自身反饋，使受訓(xùn)者經(jīng)過 特殊訓(xùn)練后，進(jìn)行有意識的"意念"控制和心理訓(xùn)練，從而達(dá)到調(diào)節(jié) 身心平衡、防病治病的目的。
將生物反饋和松弛反應(yīng)訓(xùn)練相結(jié)合，可以使人更快、更有效地 通過訓(xùn)練學(xué)會使用松弛反應(yīng)來對抗，并消除一般的心理、情緒應(yīng)激癥. 狀。
生物反饋訓(xùn)練是一個學(xué)習(xí)的過程，在這個過程中，受訓(xùn)者是學(xué) 習(xí)的主體，他對自己訓(xùn)練的快慢、效果負(fù)責(zé)，而系統(tǒng)設(shè)備會根據(jù)受訓(xùn) 者成功或正確的行為反應(yīng)給予一定的強(qiáng)化和鼓勵，并反饋給受訓(xùn)者， 起到輔助受訓(xùn)者、強(qiáng)化受訓(xùn)者動機(jī)的作用。正是因為這樣的一個主動 與反饋的良好結(jié)合，使得生物反饋訓(xùn)練無痛苦、無副作用，并且非常 有效的幫助人控制自己的生理過程。最后，受訓(xùn)者學(xué)會了一套控制自 我、調(diào)節(jié)身心平衡的方法，這樣在日常生活工作中，就能得心應(yīng)手地 處理所遇到的各種事件，達(dá)到了訓(xùn)練的目的，也真正反應(yīng)了生物反饋 訓(xùn)練在調(diào)節(jié)身心平衡、防病治病等方面所具有非常高的實用價值。
3生物反饋儀使用電子設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視人的內(nèi)部生理學(xué)上的狀態(tài)和 給予反饋幫助使用者學(xué)習(xí)去如何控制這些狀態(tài)，去激活、平衡、釋放 和從中進(jìn)行恢復(fù)。在通常情況下，會有一個教練，他會指導(dǎo)整個過程， 對結(jié)果進(jìn)行解釋，并提出建議。生物反饋系統(tǒng)一般會給予使用者是否 繼續(xù)進(jìn)度的信息。同時，如果你有使用困難，你可以從系統(tǒng)中的指導(dǎo) 者那得到幫助，以改變你的狀態(tài)。
生物反饋儀通過測量人體的生理指標(biāo)作為基礎(chǔ)的輸入數(shù)據(jù)。人心 臟的電生理活動在很久以前人們就知道并且逐漸掌握了記錄及分析
的方法一心電圖(ECG)。特別是隨著現(xiàn)代醫(yī)療科技的不斷進(jìn)步，動態(tài)心 電圖(Holter)的應(yīng)用為人們提供了長程監(jiān)測的手段。就在這種發(fā)展過 程中，我們注意觀察到一些有意義的現(xiàn)象，即心跳每搏之間的時間 (P-P，實際上都使用R-R間期，因R-R間期易測量)間期不一致，但其 中蘊(yùn)含著一定的生理信息。這種心跳間期有節(jié)律的波動被稱作心率變 異性(Heart Rate Variability, HRV) 。 1965年Hon和Lee首先發(fā)現(xiàn) 胎兒不適時,最先反映出來的是其R-R間期變異。Sayers等(1973)研 究了精神負(fù)荷對RR間期變異的作用。Ewing等(1976)和李之源等 (1983)對糖尿病患者測試RR間期差異以檢測自主神經(jīng)受損情況。. 1977年Wolf等首先發(fā)現(xiàn)了 HRV降低與心梗死亡高危性有聯(lián)系。1981 年Akselrod等使用功率譜分析方法來定量評價逐跳之間的心血管控 制情況。80年代初HRV主要用于勞動工效學(xué)中對體力負(fù)荷和精神負(fù) 荷的評價研究。到80年代末HRV開始在臨床醫(yī)學(xué)上受到重視，并被認(rèn) 為是急性心梗死亡預(yù)后的有效和獨(dú)立的指標(biāo)。90年代以來，國內(nèi)有較 多心臟植物神經(jīng)活性評定方法的報道。
另一方面，隨著性價比更高的高性能圖形顯示芯片的出現(xiàn)，三維 圖像技術(shù)的應(yīng)用范圍被進(jìn)一步大大擴(kuò)展了。虛擬現(xiàn)實實驗室環(huán)境、虛 擬制造設(shè)計中心、軍事擬真培訓(xùn)等傳統(tǒng)領(lǐng)域，采用了大型的圖形顯示 計算系統(tǒng)，創(chuàng)造出一系列展現(xiàn)與交互應(yīng)用。隨著人們對聽視覺體驗要求的日益提高，生物反饋儀上應(yīng)用三維圖像技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢。
實用新型內(nèi)容
本實用新型的技術(shù)問題是要提供一種交互式參與，使受訓(xùn)練者在 虛擬的想象空間中學(xué)會控制自我身心的智能心理身心反饋訓(xùn)練裝置。 為了解決以上的技術(shù)問題，本實用新型提供了一種智能心理身心
反饋訓(xùn)練裝置，該裝置設(shè)置一微處理器MCU， 一指夾式脈搏傳感器， 一臺PC機(jī)， 一臺大屏幕顯示屏和一個頭戴式液晶顯示器，指夾式脈 搏傳感器置于受訓(xùn)練者手指上，受訓(xùn)練者戴上液晶顯示器，微處理器 MCU采集受訓(xùn)練者的脈搏信息，經(jīng)處理后調(diào)用PC機(jī)內(nèi)存中的三維動 畫圖景畫面，顯示于受訓(xùn)練者頭戴的液晶顯示器或者大屏幕顯示屏 上，同時播出立體音響與受訓(xùn)練者溝通。
所述播放的圖景畫面和立體音響，與受訓(xùn)練者的適時心態(tài)變化相 適應(yīng)。
所述微處理器MCU分析處理受訓(xùn)練者脈搏信息調(diào)用與受訓(xùn)練者 心態(tài)相適應(yīng)的圖景畫面和立體音響，設(shè)有使受訓(xùn)練者身心放松的音 樂、激勵用語、評價語，圖景畫面隨受訓(xùn)練者心態(tài)的放松或緊張，播 出輕松的畫面或嚴(yán)肅緊張的畫面。
受訓(xùn)練者處于一個安靜的環(huán)境，坐于一安樂椅上。
本實用新型利用電子傳感器獲取受試者的生物信號，準(zhǔn)確測定神 經(jīng)一肌肉和自主神經(jīng)系統(tǒng)的正常和異常活動狀況，并把這些信息轉(zhuǎn)化 為計算機(jī)可識別的電子信號，控制系統(tǒng)中的三維動畫情境。當(dāng)受訓(xùn)練 者按照系統(tǒng)提供的指導(dǎo)畫面和語音進(jìn)行自我訓(xùn)練時，就能實時地了解 自己當(dāng)前的心理狀態(tài)，立即感知到訓(xùn)練的效果。以這種親身參與、實 時地調(diào)節(jié)的方式，讓受訓(xùn)練者學(xué)會控制自我，平衡自我身心的目的
本實用新型的優(yōu)越功效在于 1) 交互式參與本實用新型基于實時三維動畫技術(shù)，提供了參與者"活"的情景與場景，讓使用者以交互式參與的方式控制場 景的景物，來學(xué)會平衡身體心理的機(jī)能；
2) 沉浸性體驗本實用新型所帶來的全新聽視覺體驗，用戶通過 配備大屏幕的屏幕或配戴立體影院眼鏡，可以完全沉浸在系統(tǒng) 創(chuàng)造的虛擬環(huán)境中。這種臨境的體驗感是全所未有的震撼；
3) 想象性感覺本實用新型通過智能的傳感器精確捕獲人的生物 信號，通過三維動畫畫面貼切地表現(xiàn)使用者的狀態(tài)，從真正意 義上實現(xiàn)了 "身心隨動"，使受訓(xùn)練者在虛擬的想象空間中逐步 學(xué)會控制自我身心。


圖1為本實用新型反饋訓(xùn)練流程圖2為本實用新型裝置的設(shè)置圖3為本實用新型的原理電路圖； 圖中標(biāo)號說明
1—頭戴式液晶顯示器； 2—頭戴式液晶顯示器的連接線； 3—指夾式脈搏傳感器； 4—脈搏傳感器的連接線；
5—PC機(jī)； 6—大屏幕顯示屏；
7—椅。
具體實施方式
請參閱附圖所示，對本實用新型作進(jìn)一步地描述。
如圖1和圖2所示，本實用新型提供了一種智能心理身心反 饋訓(xùn)練裝置，該裝置設(shè)置一微處理器MCU， 一指夾式脈搏傳感器3， 一臺PC機(jī)5， 一臺大屏幕顯示屏6和一個頭戴式液晶顯示器1，指夾 式脈搏傳感器3置于受訓(xùn)練者手指上，受訓(xùn)練者戴上液晶顯示器1， 微處理器MCU采集受訓(xùn)練者的脈搏信息，經(jīng)處理后調(diào)用PC機(jī)內(nèi)存中的三維動畫圖景畫面，顯示于受訓(xùn)練者頭戴的液晶顯示器1或者大屏
幕顯示屏6上，同時播出立體音響與受訓(xùn)練者溝通。
所述播放的圖景畫面和立體音響，與受訓(xùn)練者的適時心態(tài)變化相 適應(yīng)。
所述微處理器MCU分析處理受訓(xùn)練者脈搏信息調(diào)用與受訓(xùn)練者 心態(tài)相適應(yīng)的圖景畫面和立體音響，設(shè)有使受訓(xùn)練者身心放松的音 樂、激勵用語、評價語，圖景畫面隨受訓(xùn)練者心態(tài)的放松或緊張，播 出輕松的畫面或嚴(yán)肅緊張的畫面。
受訓(xùn)練者處于一個安靜的環(huán)境，坐于一安樂椅7上。
指夾式脈搏傳感器3分為傳感器硬件部分、傳感器數(shù)字電路部分 與PC機(jī)通訊接口部分。
傳感器硬件部分的主要構(gòu)成是一塊壓電陶瓷片及簡易的指夾式 機(jī)械裝置，壓電陶瓷片位于指夾式機(jī)械裝置的下部。使用者將一手指 (通常是中指或食指)放在指夾式機(jī)械裝置中，然后夾住，并正好按住 壓電陶瓷片。壓電陶瓷片將捕獲脈搏的信號，以電位信號的形式將脈 搏信號傳輸?shù)絺鞲衅麟娐贰?br> 傳感器電路為模擬電器與數(shù)字電路的結(jié)合。模擬電路包含整流、. 放大、模數(shù)轉(zhuǎn)換等電器元件，將傳感器硬件部分捕獲的脈搏電位信號 轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。數(shù)字電路部分主要為一單片機(jī)，以一定的頻率對脈搏 數(shù)字信號進(jìn)行采樣，并且通過接口與上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行通訊。
指夾式脈搏傳感器3電路中的數(shù)字電路部分主要由一片單片機(jī) 構(gòu)成，單片機(jī)具有以串口通訊與上位機(jī)(PC機(jī))進(jìn)行通訊的能力，兩 者間只需要連接一根串口線。此外，還可以通過將串口接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換 成USB接口的形式與上位機(jī)進(jìn)行通訊，該種方式的實現(xiàn)，需要一根串 口線和USB轉(zhuǎn)換線。
本實用新型的PC機(jī)5使用脈搏傳感器的連接線4通過串口或USB 接口與指夾式脈搏傳感器3進(jìn)行連接。此外，它還通過視頻信號分頻器連接工作站液晶顯示器、大屏幕液晶顯示器(電視機(jī))，或通過頭
戴式液晶顯示器的連接線2連接頭戴式液晶顯示器1，并連接立體聲 音響設(shè)備，
本實用新型主要由下面幾部分工作
a) 智能控制組件由輸入設(shè)備管理器、生物信號處理模塊、消 息處理中樞構(gòu)成。由輸入設(shè)備管理器主要進(jìn)行鍵盤、鼠標(biāo)等常用計算 機(jī)輸入設(shè)備的管理和捕獲相關(guān)輸入信號。生物信號處理模塊主要處理 指夾式脈搏傳感器的信號并進(jìn)行分析轉(zhuǎn)換，它通過讀取串口或USB接 口傳輸來的脈搏信號。將進(jìn)行相關(guān)的運(yùn)算，實時計算出與人本體身心 狀態(tài)有意義相關(guān)的指標(biāo)，如脈搏跳動數(shù)、HRV (心率變異率)等指標(biāo)。 這些指標(biāo)的計算結(jié)果，將作為智能心理身心反饋訓(xùn)練系統(tǒng)實時反映給 使用者，以供進(jìn)行有效反饋評價的依據(jù)。消息處理中樞，它負(fù)責(zé)系統(tǒng) 整個消息的收集轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)，這些消息包括輸入設(shè)備的消息、生物信號 處理模塊發(fā)出的消息及系統(tǒng)內(nèi)部消息；
b) 三維視覺組件由用戶界面模塊、虛擬三維實體模塊、背景
交互視頻模塊等構(gòu)成。用戶界面模塊主要為圖形的用戶界面，它提供 用戶與系統(tǒng)交互的界面，由窗口、按鈕、下拉框等常用的軟件控件組 成。虛擬三維實體模塊，主要控制三維的場景與場景中的三維物體。 三維場景、物體的運(yùn)動與變化是實時進(jìn)行的，與使用者使用本系統(tǒng)的 進(jìn)程及當(dāng)前身心狀態(tài)有密切的關(guān)系。背景交互視頻模塊主要控制在三 維場景中音、視頻的播放，主要控制播放系統(tǒng)的提示語音、教學(xué)引導(dǎo)
視頻等；
c) 模型運(yùn)行組件由核心運(yùn)行模塊驅(qū)動，集成地圖/場景驅(qū)動模 塊、交互行為驅(qū)動模塊、情節(jié)驅(qū)動模塊等。核心運(yùn)行模塊驅(qū)動控制整 體的軟件運(yùn)行進(jìn)度，它協(xié)調(diào)整個軟件的各個模塊的功能。集成地圖/ 場景驅(qū)動模塊可以集中的裝載三維訓(xùn)練場景。交互行為驅(qū)動模塊，主 要依據(jù)生物信號處理模塊處理得出的指標(biāo)控制三維場景的變化。情節(jié)
8驅(qū)動模塊可以以情節(jié)進(jìn)度的方式控制身心訓(xùn)練的過程。
本實用新型顯示輸出的實現(xiàn)工作站PC機(jī)5通過視頻信號分頻 器聯(lián)接工作站液晶顯示器、大屏幕液晶顯示器(電視機(jī))或頭戴式液 晶顯示器l等顯示設(shè)備，輸出的畫面將顯示在其上。視頻信號的聯(lián)接
方式有很多種，常用的有VGA信號聯(lián)接，S端子信號聯(lián)接及HDMI信 號聯(lián)接，具體的聯(lián)接方式?jīng)Q定于計算機(jī)顯卡的信號輸出支持能力。
本實用新型音效輸出的實現(xiàn)工作站PC機(jī)5通過聲卡上的音頻 輸出接口聯(lián)接立體聲音響設(shè)備，系統(tǒng)的輸出音效將通過其進(jìn)行輸出。
多通道信號集線器的實現(xiàn)(團(tuán)體訓(xùn)練使用)當(dāng)本實用新型用于團(tuán)
體訓(xùn)練時，將配置多通道信號集線器，各個受訓(xùn)練者佩戴的指夾式脈
搏傳感器3通過信號集合線，連接到多通道信號集線器，多通道信號 集線器內(nèi)部為模擬電路與數(shù)字電路的集成，模擬電路部分實現(xiàn)信號的 濾波、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字電路進(jìn)行信號的集成與編碼，并通過串 口或USB接口的方式，將處理好的信號傳輸?shù)焦ぷ髡綪C機(jī)5。
如圖3所示，脈搏傳感器3電路的主要功能是把傳感器采集到的 脈搏模擬信號進(jìn)行放大，然后經(jīng)過MCU進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換處理，通過USB 口以一定的波特率發(fā)送到PC端口。脈搏傳感器電路主要包括模擬信. 號放大模塊、MCU模塊、串口通訊模塊、電源模塊。模擬信號放大部 分使用了 2塊TLC 27L2C芯片，將微弱的脈搏傳感器信號(20mV左右) 進(jìn)行放大到2V左右。MCU模塊使用了PIC 16F690芯片，前端與模擬 信號放大模塊相接并以一定的頻率對信號進(jìn)行采集，同時通過變換電 阻值分壓可以實現(xiàn)不同的信號放大級別和設(shè)置信號值的基準(zhǔn)線;其后 端與CP2102相連接，CP2102芯片將TTL電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，與PC端口 使用USB接口進(jìn)行聯(lián)接。此外，CP2102芯片外圍還使用了 1117S穩(wěn) 壓電源提供3. 3V的電壓。
本實用新型的工作過程是 1)準(zhǔn)備啟動階段受訓(xùn)練者躺靠在躺椅上，保持平靜，將指夾式脈搏傳感器3夾在右手或左手的中指上，指夾式脈搏傳感器3 隨著手指騰空著。工作人員啟動本實用新型；
2) 數(shù)據(jù)采集階段受訓(xùn)練者躺靠在躺椅上，在系統(tǒng)語音的提示下， 看著系統(tǒng)的大屏幕顯示屏6的畫面進(jìn)行身心的放松。本實用新 型的自動開啟對受訓(xùn)練者的基礎(chǔ)生物數(shù)據(jù)的采集，在經(jīng)過20秒 左右之后，可以基本測定出受訓(xùn)練者的每秒心跳脈搏數(shù)，心率 變異率等數(shù)據(jù)；
3) 項目訓(xùn)練階段受訓(xùn)練者在系統(tǒng)語音的提示下進(jìn)行身心反饋訓(xùn) 練的單個訓(xùn)練項目。在每個訓(xùn)練項目前，會出現(xiàn)語音、文字的 說明，指導(dǎo)受訓(xùn)練者該如何學(xué)會放松。隨后，受訓(xùn)練者進(jìn)行放 松。不同的訓(xùn)練項目，會有不同的訓(xùn)練場景。以"玫瑰花開" 訓(xùn)練項目為例，當(dāng)受訓(xùn)練者進(jìn)行放松訓(xùn)練時，屏幕上會出現(xiàn)一 朵剛開始緊閉的玫瑰花及相當(dāng)?shù)谋尘爱嬅?。?dāng)受訓(xùn)練者進(jìn)行放 松時，通過對受訓(xùn)練者每秒心跳脈搏數(shù)、心率變異率變化規(guī)律 的測定，相對受訓(xùn)練者放松時玫瑰花會逐漸開放，當(dāng)受訓(xùn)練者 心情緊張時，玫瑰花會慢慢緊閉，由此通過玫瑰花開合的情況 可以顯式的表現(xiàn)出受訓(xùn)練者當(dāng)前的狀態(tài)。其它訓(xùn)練項目也是相 同的邏輯和原理，因此畫面與受訓(xùn)練者的身心放松狀態(tài)達(dá)到隨 動的效果；
4) 訓(xùn)練評估階段受訓(xùn)練者在單個訓(xùn)練項目訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)會 顯示出受訓(xùn)練者完成訓(xùn)練項目各種信息與數(shù)據(jù)結(jié)果，這包括項 目訓(xùn)練的進(jìn)度，平均每秒心跳脈搏數(shù)，平均心率變異率等等。
權(quán)利要求1、一種智能心理身心反饋訓(xùn)練裝置，其特征在于該裝置設(shè)置一微處理器MCU，一指夾式脈搏傳感器，一臺PC機(jī)，一臺大屏幕顯示屏和一個頭戴式液晶顯示器，指夾式脈搏傳感器置于受訓(xùn)練者手指上，受訓(xùn)練者戴上液晶顯示器，微處理器MCU采集受訓(xùn)練者的脈搏信息，經(jīng)處理后調(diào)用PC機(jī)內(nèi)存中的三維動畫圖景畫面，顯示于受訓(xùn)練者頭戴的液晶顯示器或者大屏幕顯示屏上，同時播出立體音響與受訓(xùn)練者溝通。
2、 按權(quán)利要求1所述的智能心理身心反饋訓(xùn)練裝置，其特征在于所述微處理器MCU分析處理受訓(xùn)練者脈搏信息，調(diào)用與受訓(xùn)練 者心態(tài)相適應(yīng)的圖景畫面和立體音響播放。
專利摘要一種智能心理身心反饋訓(xùn)練裝置，該裝置設(shè)置一微處理器MCU，一指夾式脈搏傳感器，一臺PC機(jī)，一臺大屏幕顯示屏和一個頭戴式液晶顯示器，指夾式脈搏傳感器置于受訓(xùn)練者手指上，受訓(xùn)練者戴上液晶顯示器，微處理器MCU采集受訓(xùn)練者的脈搏信息，經(jīng)處理后調(diào)用PC機(jī)內(nèi)存中的三維動畫圖景畫面，顯示于受訓(xùn)練者頭戴的液晶顯示器或者大屏幕顯示屏上，同時播出立體音響與受訓(xùn)練者溝通。本實用新型的優(yōu)點是具有交互式參與、沉浸性體驗、想象性感覺特點，基于實時三維動畫技術(shù)，提供了參與者“活”的情景與場景，讓使用者以交互式參與的方式控制場景的景物，來學(xué)會平衡身體心理的機(jī)能。
文檔編號A61M21/00GK201299884SQ200820153848
公開日2009年9月2日 申請日期2008年10月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月9日
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