[发明专利]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

说明书

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。

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；