一种旋转条件下头动测量装置的制作方法

本发明涉及前庭功能适应性训练技术领域，特别是涉及一种旋转条件下头动测量装置。

背景技术：

科里奥利加速度敏感性检查是空军招飞、航天员选拔以及航空航天等军事人员开展前庭功能适应性训练的重要手段，目前一般通过转椅绕人体z轴旋转，受训者或受试者坐在转椅上，在旋转的同时进行头动来产生科里奥利加速度刺激。转椅旋转过程中的头动幅度和头动频率是衡量科里奥利加速度刺激量的重要指标，目前旋转条件下受试者主动头动测量监测装置尚未见使用报道。科里奥利加速度刺激一般根据设定的头动幅度和频率来估算受试者或受训者的刺激量，对于实施具体情况没有定量监测跟踪。

一般根据科里奥利加速度简易计算公式，计算加速度，刺激量为科里奥利加速度乘以刺激时间。

ac＝αωr……(1)

其中，r---人体半规管半径(cm)，一般按0.3cm计算；

ac---科里奥利加速度值(cm/s²)；

α---受试者头部摆动速度(π/3s^-1)；

ω---转椅的旋转加速度(弧度/s)

多数文献中α以给定的头动摆动速度来进行刺激量计算，无法真实监测实际的头动摆动速度，进而无法保证评价受训者或受试者的科里奥利加速度的精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种旋转条件下头动测量装置，以实现在旋转条件下实时定量检测和记录受试者或受训者头动幅度、头动频率和满足头动幅度要求头动次数，以更准确的评价受训者或受试者的科里奥利加速度刺激量。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种旋转条件下头动测量装置，所述头动测量装置包括转椅、柔性头动检测模块、检测控制模块、头动数据接收模块和头动检测控制软件；

所述转椅用于承载受训者，产生绕人体z轴的不同模式旋转；

所述柔性头动检测模块通过发梢固定魔术贴固定在受试者的头顶正中位置；所述柔性头动检测模块用于检测在转椅旋转条件下受试者的头部相对于受试者矢状面的左偏移角度、右偏移角度；受试者的头部相对于受试者冠状面的前偏移角度和后偏移角度，获得头动检测数据，并将所述头动检测数据发送给所述检测控制模块；

所述检测控制模块固定在所述转椅上，所述检测控制模块与所述头动数据接收模块无线连接，所述检测控制模块用于将所述头动检测数据发送给所述头动数据接收模块；

所述头动数据接收模块与所述头动检测控制软件连接，所述头动数据接收模块用于将所述头动检测数据发送给所述头动检测控制软件；

所述头动检测控制软件用于对所述头动检测数据进行显示和存储，并根据所述头动检测数据确定受试者的头动幅度、头动次数和头动频率。

可选的，所述柔性头动检测模块包括具有双轴倾角检测功能的倾角传感器和柔性载体；

所述倾角传感器固定在所述柔性载体上，所述柔性载体通过发梢固定魔术贴与受试者的头顶固定；

所述倾角传感器与所述检测控制模块连接。

可选的，所述柔性头动检测模块还包括电源滤波电容和rc滤波器；

所述电源滤波电容设置在所述倾角传感器的供电电源的正极与负极之间；

所述rc滤波器设置在所述倾角传感器的输出端。

可选的，所述检测控制模块包括第一滤波电路，运算放大电路、主控制单元和头动数据发送模块；

所述柔性头动检测模块与所述第一滤波电路连接，所述第一滤波电路与所述运算放大电路连接，所述运算放大电路与所述主控制单元连接，所述主控制单元与所述头动数据发送模块连接；

所述头动数据发送模块与所述头动数据接收模块无线连接。

可选的，所述检测控制模块还包括电源转换模块；

所述电源转换模块的输入端与锂电池连接，所述电源转换模块的输出端分别与信号滤波电路，运算放大电路、主控制单元和头动数据发送模块连接；

所述电源转换模块还与所述柔性头动检测模块连接。

可选的，电源转换模块包括第一滤波电容、稳压器和第二滤波电容；

所述稳压器的输入端通过所述第一滤波电容与锂电池连接；

所述稳压器的输出端通过所述第二滤波电容与信号滤波电路，运算放大电路、主控制单元、头动数据发送模块和柔性头动检测模块连接。

可选的，所述检测控制模块还包括电池电量检测模块；

所述电池电量检测模块包括第二滤波电路、双运算放大器；

所述双运算放大器的输入端通过所述第二滤波电路与锂电池连接，所述双运算放大器的输出端与所述主控制单元连接。

可选的，所述头动数据发送模块与所述头动数据接收模块均为蓝牙模块。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种旋转条件下头动测量装置，所述头动测量装置包括转椅、柔性头动检测模块、检测控制模块、头动数据接收模块和头动检测控制软件；所述柔性头动检测模块通过发梢固定魔术贴固定在受试者的头顶正中位置；所述柔性头动检测模块用于检测在转椅旋转条件下受试者的头部相对于受试者矢状面的左偏移角度、右偏移角度；受试者的头部相对于受试者冠状面的前偏移角度和后偏移角度，获得头动检测数据，并将所述头动检测数据通过所述检测控制模块和所述头动数据接收模块上传至头动检测控制软件；所述头动检测控制软件用于对所述头动检测数据进行显示和存储，并根据所述头动检测数据确定受试者的头动幅度、头动次数和头动频率，本发明通过监测头动幅度、头动频率、头动次数解决头动摆动速度、头动实际作用时间的监测，更准确的评价受训者或受试者的科里奥利加速度刺激量。为空军招飞、航天员选拔和训练中科里奥利加速度刺激敏感性检查和训练提供了可靠的定量检测硬件和技术支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的旋转条件下头动测量装置的结构组成示意图；

图2为本发明提供的旋转条件下头动测量装置的结构原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种旋转条件下头动测量装置，以实现在旋转条件下实时定量检测和记录受试者或受训者头动幅度、头动频率和满足头动幅度要求头动次数。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

如图1和2所示，本发明提供一种旋转条件下头动测量装置，所述头动测量装置包括转椅、柔性头动检测模块13、检测控制模块23、头动数据接收模块22和头动检测控制软件21；所述转椅用于承载受训者，产生绕人体z轴的不同模式旋转；所述柔性头动检测模块13通过发梢固定魔术贴14固定在受试者的头顶正中位置；所述柔性头动检测模块用于检测在转椅旋转条件下受试者的头部相对于受试者矢状面的左偏移角度、右偏移角度；受试者的头部相对于受试者冠状面的前偏移角度和后偏移角度，获得头动检测数据，并将所述头动检测数据发送给所述检测控制模块23；所述检测控制模块23固定在转椅靠背上，为头动检测模块供电，与数据接收模块通过蓝牙进行通讯；所述检测控制模块23与所述头动数据接收模块22无线连接，所述检测控制模块23用于将所述头动检测数据发送给所述头动数据接收模块22；所述头动数据接收模块22与所述头动检测控制软件21连接，所述头动数据接收模块22用于将所述头动检测数据发送给所述头动检测控制软件21；所述头动检测控制软件21用于对所述头动检测数据进行显示和存储，并根据所述头动检测数据确定受试者的头动幅度、头动次数和头动频率。

转椅可按照设定的速度剖面曲线，含梯形速度曲线、正弦谐波曲线等设定进行旋转，最大速度可达450°/s。

发梢固定魔术贴14与头动检测模块13直接连接成一体，采用魔术贴将头动检测模块固定在头顶发质上，确保头动检测模块在受试者头动时不滑动，用于准确进行头动初始位置的定标，稳定固定，既不影响受试者形象，头动检测模块13质量轻，对受试者没有较大的压力感。打开检测控制模块电源开关，检查电量，如果电量不足，需提前充电；将头动数据接收模块与电脑连接，打开电脑，打开头动检测控制软件，受试者首先进行左右头动和前后头动的定标，根据训练或检查要求的头动幅度，设定好向左、向右、向前、向后头动的标志物，受试者先头部向前倾30°，保证水平半规管处于水平位，然后开始头动，贴到不同方位的标志物，则达到要求的头动幅度度数，一般向左30°、向右30°、向前低头25°、向后仰头15°。然后转椅可按照设定的旋转曲线开始旋转，受试者根据机务的口令“开始头动”，然后开始进行动头，头动检测控制软件的工作人员同步按键开始头动情况记录，软件实时头部显示头部前、后、左、右的头动度数和曲线，并根据到达定标位置的情况记录头动次数，听到机务“头动结束”口令，受试者停止头动，软件控制人员按键停止头动记录，转椅停止运行。通过软件回放可观察头动整体情况，通过软件的头动检测报告，可得到本次检查的满足头动幅度要求的头动次数和头动频率，根据头动次数和频率以及头动时转椅旋转的角速度和时间，可计算受试者所承受的科里奥利加速度刺激量，作为评定志愿者敏感性的衡量指标。

本发明的头动检测控制软件，对头动幅度，头动频率和头动次数进行显示，能对测试结果进行数据库存储，并支持回顾查看；每次测试时，对头部位置的基准进行标定，保证测量的一致性；开始检测后，实时显示头动幅度的角度值；可以显示左，右，前和后的角度值；显示角度值的实时曲线；开始检测后，头部摆动的幅度达到阈值，进行一次计数，不达到阈值为无效，不计数，达到阈值后，头部回到阈值以下，再次达到阈值进行下次计数；根据每分钟的头动次数，计算得出头动频率进行显示；采用“看门狗”对软件的运行进行监控，如发现程序死机或跑飞的现象，软件自动将程序运行到出问题前的状态，以保证检测的正常进行；在通讯时，采用自动断线连接设计，如出现通讯异常，会重新启动通讯，实现数据不丢失，安全可靠；对采集的数据剔除最大值和最小值，并对3次采集数据计算平均值，进行软件滤波，保证采集数据的稳定。

所述柔性头动检测模块13包括具有双轴倾角检测功能的倾角传感器和柔性载体；所述倾角传感器固定在所述柔性载体上，所述柔性载体通过发梢固定魔术贴与受试者的头顶固定；所述倾角传感器与所述检测控制模块23连接。该头动检测模块选用具有双轴倾角检测功能的倾角传感器，检测范围是±90°，分辨率达0.025°，具有阻尼频率响应、温度补偿，输出信号包括模拟电压输出和spi输出，供电电压为0.3-5.5v。

所述柔性头动检测模块13还包括电源滤波电容和rc滤波器；所述电源滤波电容设置在所述倾角传感器的供电电源的正极与负极之间；所述rc滤波器设置在所述倾角传感器的输出端。本发明在倾角传感器的vcc和gnd直接接有100nf的电容进行滤波，以保证供电的稳定性；在传感器的输出端，采用5.1kω和10nf的低通rc滤波器减少噪声干扰。

可选的，所述检测控制模块23包括第一滤波电路，运算放大电路、主控制单元和头动数据发送模块；所述柔性头动检测模块与所述第一滤波电路连接，所述第一滤波电路与所述运算放大电路连接，所述运算放大电路与所述主控制单元连接，所述主控制单元与所述头动数据发送模块连接；所述头动数据发送模块与所述头动数据接收模块22无线连接。对倾角传感器采集模块输出的电压值进行处理。倾角传感器输出电压为0-5v，主控制单元的采集电压为0-5v，运算放大器采用了射极跟随器原理，进行电流放大，以提高整个放大电路的带负载能力，提供a/d输入电压的稳定性。

所述检测控制模块23还包括电源转换模块；所述电源转换模块的输入端与锂电池连接，所述电源转换模块的输出端分别与信号滤波电路，运算放大电路、主控制单元和头动数据发送模块连接；所述电源转换模块还与所述柔性头动检测模块13连接。电源转换模块包括第一滤波电容、稳压器和第二滤波电容；所述稳压器的输入端通过所述第一滤波电容与锂电池连接；所述稳压器的输出端通过所述第二滤波电容与信号滤波电路，运算放大电路、主控制单元、头动数据发送模块和柔性头动检测模块连接。该检测控制模块23外壳采用abs材料，外壳上有两个led指示灯，分别指示通电状态和电池电量报警状态。绿色指示灯点亮，表示控制模块已经通电工作，红色led指示灯点亮，表示电池电量低，需要充电；控制模块侧面有一个电源开关。检测控制模块为头动检测模块提供5v电源；检测控制模块采用9v可反复充电锂电池供电，采用稳压器进行电源变换，供电电流达1a，输出精度为1％，具有限流功能和过热切断功能，在器件输入和输出端接有10uf的第一滤波电容和100nf的第二滤波电容对电源进行滤波。

所述检测控制模块23还包括电池电量检测模块；所述电池电量检测模块包括第二滤波电路、双运算放大器；所述双运算放大器的输入端通过所述第二滤波电路与锂电池连接，所述双运算放大器的输出端与所述主控制单元连接。为保证测试的正常进行，检测控制模块需要对电池电压进行电量检测，当电量低于一定电压值，控制模块不能正常工作时，需要进行报警提示。采用ha17358进行电量检测，ha17358是单电源供电，具有高增益和内部相位补偿的双运算放大器，电池输出端通过滤波电路接在放大器的输入端，放大器的输出端，接在主控制单元的具有a/d转换功能的输入上，主控制单元根据采集到的电压值，来判断当前的电池电量是否正常。

所述头动数据发送模块与所述头动数据接收模块22均为蓝牙模块。选用具有超低功耗，待机模式只有3ma电流的蓝牙模块，且数据传输具有透传功能，模块设置完，不需要对模块进行通讯操作就能实现数据传输；模块本身具有板载天线，减小外接天线，缩小体积；工作频段为2402-2480mhz，理论最大传输距离20m，接口采用ttl串口，方便与主控制单元进行接口。蓝牙模块收到检测控制模块发送的数据，通过usb接口，将数据传输给头动检测控制软件；接收蓝牙模块输出电平是ttl，计算机usb接口的电平是usb电平，选用了sp3232芯片配合usb转rs232通讯线，实现电平的匹配。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明所提供的一种旋转条件下头动测量装置，所述头动测量装置包括转椅、柔性头动检测模块、检测控制模块、头动数据接收模块和头动检测控制软件；所述柔性头动检测模块通过发梢固定魔术贴固定在受试者的头顶正中位置；所述柔性头动检测模块用于检测在转椅旋转条件下受试者的头部相对于受试者矢状面的左偏移角度、右偏移角度；受试者的头部相对于受试者冠状面的前偏移角度和后偏移角度，获得头动检测数据，并将所述头动检测数据通过所述检测控制模块和所述头动数据接收模块上传至头动检测控制软件；所述头动检测控制软件用于对所述头动检测数据进行显示和存储，并根据所述头动检测数据确定受试者的头动幅度、头动次数和头动频率，实现了在旋转条件下实时定量检测和记录受试者或受训者头动幅度、头动频率和满足头动幅度要求头动次数，为空军招飞、航天员选拔和训练中科里奥利加速度刺激敏感性检查和训练提供了可靠的定量检测硬件和技术支持。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。