一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置的制作方法

本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置。

背景技术：

功能磁共振成像(functional magnetic resonance imaging，fMRI)是一种可以用来测量脑区功能激活的成像技术，目前已经广泛应用于神经学和心理学的研究。当人接收到各种外界刺激时，在大脑会产生对应的脑区激活，并且不同的外界刺激会产生不同的激活脑区。fMRI主要用于探测脑内各功能区的位置和对各种刺激的反应程度；在可能涉及脑功能区的手术前，用fMRI技术可以预先知道是否会损伤相应的功能区。同时，fMRI技术也是非损伤性评价和了解脑功能的最重要的方法之一。

在进行fMRI功能磁共振成像实验时，需要根据实验目的设计相应的外界刺激源，通过对被试施加外界刺激，连续记录外界刺激施加前(静息态)后(激活态)的脑部图像，进而处理得到与外界刺激对应的脑区功能激活图，因此fMRI刺激装置是进行神经系统功能成像必不可少的辅助设备，为神经系统功能和心理认知研究提供了极大的便利性，在fMRI系统中占有重要的地位。视觉刺激和听觉刺激是两种最常用的刺激来源，而视觉刺激在人类的神经感官刺激中占了绝大部分，进入大脑的信息70％以上是通过视觉系统接收的，因此视觉研究是脑科学的一个重要方面。目前已经有多家公司提供视听觉刺激装置产品，但是传统的视觉刺激装置只能提供2D平面内的图形刺激，刺激模式相对单一，无法提供更加真实的视觉刺激环境，从而很难得到在真实环境中人类脑区的功能激活图像，使所得到的fMRI研究结果有一定的局限性。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置，将VR虚拟现实(virtual reality)技术与fMRI相结合，应用于人类脑功能的研究。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置，包括：虚拟视觉呈现组件，用于为人体提供虚拟视觉场景；听觉呈现组件，用于为人体提供听觉音频；运动检测反馈组件，用于对人体的运动状态进行检测，并形成反馈信息传递给运行控制组件；运行控制组件，运行控制组件的输入端与运动检测反馈组件连接，接收反馈信息，运行控制组件的输出端分别与虚拟视觉呈现组件和听觉呈现组件连接，为虚拟视觉呈现组件提供视觉刺激信号，为听觉呈现组件提供听觉刺激信号；虚拟视觉呈现组件、听觉呈现组件以及运动检测反馈组件设置于磁体腔内，磁体腔设置于磁体间内，运行控制组件设置于外部设备间。

本发明一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置，包括虚拟视觉呈现组件、听觉呈现组件、运动检测反馈组件和运行控制组件。运行控制组件产生用于生成虚拟现实场景的视觉刺激信号和听觉刺激信号，其中视觉刺激信号经过传输到达虚拟视觉呈现组件，在被试眼前产生3D大视场角的浸入式视觉场景；视觉刺激信号到达听觉呈现装置，在被试耳部产生高品质听觉效果，从而实现虚拟现实环境刺激在被试端的呈现；运动检测反馈组件接收被试者给出的反馈信息，如：手部运动信息，并传递回运行控制组件，运行控制组件通过分析反馈信息，对呈现在被试前的虚拟现实环境刺激进行即时更新，从而使得被试者可以与虚拟现实环境之间进行深度交互。

本发明一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置，可以实现各种用户自定义的虚拟现实场景在被试端的呈现，同时被试与虚拟环境之间拥有良好的交互功能，能够满足更多fMRI实验设计的要求。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，听觉呈现组件和运动检测反馈组件分别通过光纤与用于光电转换的转换器连接，转换器通过连接电缆穿过波导板与运行控制组件连接；

虚拟视觉呈现组件通过屏蔽电缆穿过波导板与运行控制组件连接；

转换器设置于磁体间，波导板设置于磁体间与外部设备间之间。

采用上述优选的方案，保证各部分之间的电磁屏蔽效果，保证得到实验结果的真实有效性。

作为优选的方案，虚拟视觉呈现组件包括：眼罩框架以及设置于眼罩框架内的左呈现组件和右呈现组件，左呈现组件和右呈现组件分别包括：用于显示虚拟视觉刺激图像的OLED屏幕以及设置于OLED屏幕前的VR目镜，OLED屏幕与VR目镜同轴设置。

采用上述优选的方案，使得被试者通过VR目镜可以直接观察到OLED屏幕上呈现的虚拟视觉刺激图像，获得最佳的虚拟视觉效果。

作为优选的方案，OLED屏幕和VR目镜设置于法拉第笼内，且在法拉第笼上靠近VR目镜一侧设有金属网格屏蔽观察窗。

采用上述优选的方案，实现了视频刺激电信号、OLED屏幕与磁共振扫描设备的电磁屏蔽，避免了虚拟视觉呈现装置与磁共振扫描设备之间的相互干扰。

作为优选的方案，在眼罩框架上设有用于调节左、右呈现组件之间距离的第一间距调节组件以及用于调节VR目镜与被试者双眼之间距离的第二间距调节组件。

采用上述优选的方案，第一间距调节组件调节左、右呈现组件之间距离，以适应不同被试者两眼之间的距离。第二间距调节组件调节VR目镜与被试者双眼之间距离，以适应不同被试者的眼部屈光度，从而使被试者能够观察到最清晰的虚拟现实场景。

作为优选的方案，听觉呈现组件包括耳罩框架以及设置于耳罩框架内的音频发生件，耳罩框架与眼罩框架连接。

采用上述优选的方案，将耳罩框架与眼罩框架集成在一起，提高备的集成度，实现一体化VR虚拟现实头戴设备。

作为优选的方案，眼罩框架包括框架本体以及设置于框架本体上向外扩张延伸的喇叭形的包覆翻边，在包覆翻边的内侧表面上依次设有弹性层以及柔性层，在弹性层和柔性层之间设有空气腔，空气腔通过设置于包覆翻边上的气流孔与外界空气设备连接。

采用上述优选的方案，可以有效提高虚拟视觉呈现组件和被试者的贴合度，使被试者与现实场景隔离，仅能观察到虚拟视觉呈现装置内展现的虚拟现实场景，从而获得更加真实的浸入式虚拟视觉效果。

作为优选的方案，外界空气设备通过气流大小调节装置与气流孔连接，气流大小调节装置包括：气流座，在气流座上设有第一通孔，在第一通孔的外侧设有正多边形的滑动凹槽；导向座，设置于气流座的一侧，在导向座上设有与第一通孔对应的第二通孔，在导向座上第二通孔的外侧设有多个导向槽；多个挡片，设置于气流座和导向座之间，在挡片的正反相对两面分别设有第一凸出部和第二凸出部，第一凸出部伸入滑动凹槽内，第二凸出部伸入导向槽内；驱动装置，分别与气流座和导向座连接，驱动装置驱动气流座和导向座转动，改变挡片的位置，从而改变第一通孔和第二通孔的裸露大小。

采用上述优选的方案，外界空气设备可以进行吹气和抽气动作，而气流大小调节装置可以有效调节第一通孔和第二通孔的裸露大小，从而调节气流大小，对空气腔内的空气含量的多少以及变化的速率进行调节。而发明公开的气流大小调节装置可以快速的调节通孔的裸露大小，低噪音，低功率，成本小。

作为优选的方案，在柔性层上设有感光传感器和/或压力传感器，感光传感器和/或压力传感器与气流大小调节装置连接。

采用上述优选的方案，通过感光传感器和/或压力传感器来检测虚拟视觉呈现组件和被试者的贴合度，从而更好的调节气流大小调节装置，使被试者与现实场景隔离，提高实验的效果。

作为优选的方案，在柔性层靠近空气腔的一侧设有多个隔离层，隔离层与柔性层之间形成内腔，在该内腔内设有一个、两个或两个以上的滚珠。

采用上述优选的方案，滚珠可以有效按摩被试者眼部，提高佩戴的舒适度，且多个内腔可以分布在关键点，在关键点处由于有滚珠进行辅助，虚拟视觉呈现组件和被试者的贴合度更好。

附图说明

图1为本发明实施例提供的用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置框架示意图。

图2为本发明实施例提供的虚拟视觉呈现组件的框架示意图。

图3为本发明实施例提供的虚拟视觉呈现组件和听觉呈现组件的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的虚拟视觉呈现组件和听觉呈现组件的内部局部结构示意图。

图5为本发明实施例提供的虚拟视觉呈现组件和听觉呈现组件的俯视图。

图6为本发明实施例提供的运动检测反馈组件的框架示意图。

图7为本发明实施例提供的弹性层、柔性层以及空气腔的局部剖视图之一。

图8为本发明实施例提供的气流座的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的气流座和挡片的结构示意图。

图10为本发明实施例提供的导向座的结构示意图。

图11为本发明实施例提供的弹性层、柔性层以及空气腔的局部剖视图之二。

其中：101磁体间、102设备间、103操作间、104磁体腔、111虚拟视觉呈现组件、112听觉呈现组件、113运动检测反馈组件、114运行控制组件、120波导板、121屏蔽电缆、122光纤、123光纤、124转换器、125连接电缆、201OLED屏幕、202VR目镜、203法拉第笼、204人眼、205HDMI端口、301眼罩框架、3011框架本体、3012包覆翻边、302金属网格屏蔽观察窗、303第一间距调节组件、304第二间距调节组件、401追踪球、402按键手柄、403运动手套、411RS232端口、412USB端口、501弹性层、502柔性层、503空气腔、504隔离层、505内腔、506滚珠、601气流座、602第一通孔、603滑动凹槽、604导向座、605第二通孔、606导向槽、607挡片、608第一凸出部、609第二凸出部。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置的其中一些实施例中，

如图1所示，一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置包括虚拟视觉呈现组件111、听觉呈现组件112、运动检测反馈组件113和运行控制组件114。

虚拟视觉呈现组件111用于为人体提供虚拟视觉场景；听觉呈现组件112用于为人体提供听觉音频；运动检测反馈组件113用于对人体的运动状态进行检测，并形成反馈信息传递给运行控制组件114；运行控制组件114的输入端与运动检测反馈组件113连接，接收反馈信息，运行控制组件114的输出端分别与虚拟视觉呈现组件111和听觉呈现组件112连接，为虚拟视觉呈现组件111提供视觉刺激信号，为听觉呈现组件112提供听觉刺激信号。

虚拟视觉呈现组件111、听觉呈现组件112以及运动检测反馈组件113设置于磁体腔104内，用于在fMRI实验中佩戴在被试身上的相应部位，磁体腔104设置于磁体间101内。其中运行控制组件114放置在外部设备间的操作间103内；磁体腔104位于磁体间101内。虚拟视觉呈现组件111通过屏蔽电缆121与运行控制组件114相连接，听觉呈现组件112、运动检测反馈组件113分别通过光纤122、123连接至转换器124，再通过连接电缆125与运行控制组件114相连接，转换器124用于实现光电转换。屏蔽电缆121和连接电缆125均通过磁体间101和外部设备间的设备间102之间设置的波导板120，穿过设备间102，最终连接到运行控制组件114的相应端口。值得注意的是，磁体腔104可以为一个大型的磁体，而磁体间101为屏蔽房，外部设备间包括用于储藏设备的设备间102和用于操作的操作间103，当然也可以为一个房间或多个房间，其可以根据具体的情况进行调整。

在屏蔽电缆121和连接电缆125中传输的是电信号，在光纤122、123中传输的是光信号。为了避免转换器124和连接电缆125对磁共振成像设备产生干扰，将转换器124放置在磁体间101内尽量远离磁体腔104的位置。

运行控制组件114配备了该套VR虚拟现实刺激装置专用的操作软件，可以支持用户自定义，生成不同的虚拟现实场景的视频和音频刺激信号，用于满足不同的fMRI实验设计要求。其中视觉刺激信号经过屏蔽电缆121到达虚拟视觉呈现组件111，在被试者眼前产生3D大视场角的浸入式视觉场景；听觉刺激信号经过转换器124和光纤122到达听觉呈现组件112，在被试者耳部产生高品质听觉效果，从而实现虚拟现实环境刺激在被试端的呈现；运动检测反馈组件113接收被试者给出的反馈信息，如：手部运动动作信息，并通过光纤123和转换器124传递回运行控制组件114，运行控制组件114通过分析反馈信息，对呈现在被试前的虚拟环境刺激进行即时更新，从而使得被试可以与虚拟现实环境之间进行深度交互。

如图2所示，虚拟视觉呈现组件111的框架示意图，用来将运行控制组件114生成的视觉刺激信号呈现在被试者眼前，使被试者观察到虚拟现实场景。虚拟视觉呈现组件包括：眼罩框架301以及设置于眼罩框架301内的左呈现组件和右呈现组件，左呈现组件和右呈现组件分别包括：用于显示虚拟视觉刺激图像的OLED屏幕201以及设置于OLED屏幕201前的VR目镜202，OLED屏幕201与VR目镜202同轴设置。

为使被试观察到逼真的高清虚拟视觉效果，优选用两块OLED屏幕201来显示视频刺激信号，产生两幅不同的图像，被试双眼204通过VR目镜202，可以直接观察到OLED屏幕201上显示的图像。优选单个OLED屏幕分辨率为1080×1200，从而达到2160×1200的组合分辨率，动态刷新率大于85Hz。

为了避免OLED屏幕201对磁共振成像设备产生干扰，需要将OLED屏幕201和VR目镜202放置在法拉第笼203内，实现OLED屏幕201的电磁屏蔽。

OLED屏幕201的屏蔽电缆121穿过波导板120，经过设备间102到达操作间103，连接至运行控制组件114的HDMI端口205，接收视频电信号。

如图3所示，虚拟视觉呈现组件111和听觉呈现组件的结构示意图，虚拟视觉呈现组件111采用头戴式眼罩设计，使被试者与现实场景隔离，仅能观察到虚拟视觉呈现组件111内展现的虚拟现实场景，从而获得更加真实的浸入式虚拟视觉效果。

虚拟视觉呈现组件111利用眼罩框架301来固定支撑内部结构。

听觉呈现组件112包括耳罩框架以及设置于耳罩框架内的音频发生件，耳罩框架与眼罩框架301连接。

通常，虚拟视觉呈现组件111与听觉呈现组件112是两个独立工作的模块，但本申请将耳罩框架与眼罩框架集成在一起，提高备的集成度，实现一体化VR虚拟现实头戴设备。

如图4和5所示，虚拟视觉呈现组件和听觉呈现组件的内部局部结构示意图。在眼罩框架301内设置了两个法拉第笼203(位于图4中右侧的法拉第笼未示出，以显示内部结构)，每个法拉第笼203内分别设置一块VR目镜202和一块OLED屏幕201，屏蔽电缆121穿过眼罩框架301和法拉第笼203，与OLED屏幕201相连接，传输视频电信号。每块OLED屏幕201和对应的VR目镜202之间的相对位置固定，并且呈同轴布置；法拉第笼203在靠近被试者眼部的一侧设置了金属网格屏蔽观察窗302，使被试左右两眼能够通过VR目镜202，分别观察到OLED屏幕201上显示的两幅不同的视觉刺激图像，从而观察到3D大视场角的浸入式虚拟现实场景。VR目镜202优选采用菲涅尔透镜，相比普通镜片更加轻薄。

在眼罩框架301上设有用于调节左、右呈现组件之间距离的第一间距调节组件303以及用于调节VR目镜与被试者双眼之间距离的第二间距调节组件304。第一间距调节组件303调节左、右呈现组件之间距离，以适应不同被试者两眼之间的距离。第二间距调节组件304调节VR目镜与被试者双眼之间距离，以适应不同被试者的眼部屈光度，从而使被试者能够观察到最清晰的虚拟现实场景。

听觉呈现组件112主要通过采用磁共振专用的光纤式无磁耳机，实现听觉刺激信号在被试端的呈现，在满足磁兼容条件的同时，具有良好的噪声屏蔽效果。

听觉呈现组件112的连接线穿过波导板120，经过设备间102到达操作间103，与运行控制组件114相连接，主要用来呈现虚拟环境中的各种环境音效，以及来自外界的语音指令。

由于在fMRI实验过程中被试的头部固定无法移动，因此无法利用头部进行运动反馈操作，故本申请将运动检测反馈组件113设置于被试者的手部实现反馈功能。

图6所示的是运动检测反馈组件113的框架示意图，主要运动检测反馈组件113包括追踪球401，按键手柄402和运动手套403，来满足不同的fMRI实验场景设计要求。其中追踪球401可以用来完成虚拟现实环境中视角旋转、位置移动的交互动作，按键手柄402可以用来完成在虚拟现实环境中按键反馈等交互动作，运动手套403中包含有若干数量的位置传感器，可以精确的感知被试手部的动作，能够用于更加精细的虚拟现实环境中手部运动的反馈，例如弹奏乐器、驾驶车辆、操作仪器设备等场景。

追踪球401，按键手柄402和运动手套403均采用磁共振兼容设计，不含任何磁性部件，不会对fMRI成像造成干扰，并分别通过光纤123连接至转换器124，转换器124将接收到的光纤信号进行光电转换，再通过连接电缆125穿过波导板120，经过设备间102，最终达到操作间103内的运行控制组件114的RS232端口411或者USB端口412，将检测到的运动信息反馈给运行控制组件114。

为了避免转换器124对磁共振设备工作产生干扰，需要将转换器124放置在磁体间101内远离磁体腔104的位置。

运行控制组件114配备了该套VR虚拟现实刺激装置专用的操作软件，运行控制组件114接收到运动检测反馈组件113反馈回的被试者的反馈信息，并加以分析，对呈现在被试者眼前的虚拟现实视频和音频进行即时更新，实现被试者与虚拟现实环境之间的交互功能。

本发明一种用于功能磁共振成像的虚拟现实刺激装置可以实现3D大视场角的虚拟环境呈现，配合运动检测装置可以使被试与虚拟环境之间进行视角旋转、运动控制等交互。本发明提出了一种将VR虚拟现实技术与fMRI相结合的方式用于人类脑功能的研究，提供更加真实的虚拟环境交互体验，从而得到尽量接近真实环境下的不同的特定场景中人类脑区功能活动分布结果。

如图7所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，眼罩框架301包括框架本体3011以及设置于框架本体3011上向外扩张延伸的喇叭形的包覆翻边3012，在包覆翻边3012的内侧表面上依次设有弹性层501以及柔性层502，在弹性层501和柔性层502之间设有空气腔503，空气腔503通过设置于包覆翻边3012上的气流孔(图中未示出)与外界空气设备(图中未示出)连接。

采用上述优选的方案，可以有效提高虚拟视觉呈现组件111和被试者的贴合度，使被试者与现实场景隔离，仅能观察到虚拟视觉呈现装置内展现的虚拟现实场景，从而获得更加真实的浸入式虚拟视觉效果。

如图8-10所示，进一步，外界空气设备通过气流大小调节装置与气流孔连接，气流大小调节装置包括：气流座601，在气流座601上设有第一通孔602，在第一通孔602的外侧设有正多边形的滑动凹槽603；导向座604，设置于气流座601的一侧，在导向座604上设有与第一通孔602相对应的第二通孔605，在导向座604上第二通孔605外侧设有多个导向槽606；多个挡片607，设置于气流座601和导向座604之间，在挡片607的正反相对两面分别设有第一凸出部608(图中未示出)和第二凸出部609，第一凸出部608伸入滑动凹槽603内，第二凸出部509伸入导向槽606内；驱动装置(图中未示出)，分别与气流座601和导向座604连接，驱动装置驱动气流座601和导向座604转动，改变挡片607的位置，从而改变第一通孔602和第二通孔605的裸露大小。

采用上述优选的方案，外界空气设备可以进行吹气和抽气动作，气流座601和导向座604转动从而可以有效调节第一通孔602和第二通孔605的裸露大小，从而调节气流大小，对空气腔503内的空气含量的多少以及变化的速率进行调节。而发明公开的气流大小调节装置可以快速的调节第一通孔602和第二通孔605的裸露大小，低噪音，低功率，成本小，可以有效的调整空气腔503内的空气含量，保证虚拟视觉呈现组件111和被试者的贴合度。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在柔性层502上设有感光传感器和/或压力传感器，感光传感器和/或压力传感器与气流大小调节装置连接。

进一步，通过感光传感器(图中未示出)和/或压力传感器(图中未示出)来检测虚拟视觉呈现组件111和被试者的贴合度，从而更好的调节气流大小调节装置，使被试者与现实场景隔离，提高实验的效果。

如图11所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在柔性层502靠近空气腔503的一侧设有多个隔离层504，隔离层504与柔性层502之间形成内腔505，在该内腔505内设有一个、两个或两个以上的滚珠506。

采用上述优选的方案，滚珠506可以有效按摩被试者眼部，提高佩戴的舒适度，且多个内腔505可以分布在关键点，在关键点处由于有滚珠506进行辅助，虚拟视觉呈现组件111和被试者的贴合度更好。

以上的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。