CN110772699A - 基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，包括供电模块、心率变异性采集模块、心率变异性处理模块和主控模块，所述主控模块还连接有视听觉任务呈现模块、训练数据分析模块、报告生成模块和常数数据库模块，所述视听觉任务呈现模块包括分别与主控模块相连的虚拟现实头戴模块和高保真耳机，通过心率变异数据反应注意力水平，通过提供虚拟现实场景，同时提供视听环境对受试者进行训练，隔绝外界视听觉噪音，营造和测试有关的视听觉场景，提高训练效果，并在训练过程中能够反映训练者真实注意力水平。

Description

基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统
技术领域
本发明属于注意力训练技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统。
背景技术
人类认知能力包括定向、知觉、语言、计算、记忆和注意力等能力。注意力是所有认知能力的基础，是人类学习、工作和生活中最关键的因素。现代社会高速发展，各项学习和工作任务对注意力要求逐渐提高。对于儿童来说，只有注意力集中的儿童，才有可能在同样时间内掌握更多知识，或者更高效的掌握知识。孩子注意力不集中，则会出现一系列后果，例如：容易走神，对学习任务缺乏专注，听课效率低、成绩下滑、粗心马虎、作业拖拉，长此以往还会越来越缺乏自信、容易依赖他人，甚至还会容易出现烦躁等极端脾气。对于成人，某些工作的性质如，飞行员，驾驶员，运动员等需要具备高度的注意力控制能力，以保证工作顺利的实施和开展及时间的精准性。因此，对注意力能力的测试，有助于家长教师了解儿童的注意力水平，对注意力水平较低儿童开展干预和训练，或开展适应的教育教学方法，从而更好的关心儿童，关爱他们的成长。对注意力能力的测试，有助于人力资源部门评估雇员在需要注意力能力工作的胜任度，有助于成人自我评估注意力水平，在此基础上开展行之有效的针对性训练，能够提升注意力，进而提升认知能力，更加符合现代社会对人才专注力的要求。
为了实现对注意力的测试和训练，人们进行了长期的探索，例如中国专利公开了一种基于心率变异分析的注意力集中程度的检测装置及方法[申请号：CN101658425A]，以及一种心率变异性分析方法、装置及用途[申请号：CN106551691A]，前述两个方案提出通过心率变异的方式对注意力集中程度进行检测分析等，实现了对注意力的测试，但是上述方案仍然存在部分缺陷：
对比文件只提供了静息态的测试场景，无法完全隔绝外界视听觉噪音信息，更无法营造和测试/训练有关的视听觉场景。但是在信息处理的机制上，人类主要利用视觉、听觉、触觉和嗅觉等通路感知世界。其中视听觉通路接受和感知信息大约为94％。因此视听觉是人类主要的信息处理通路，且脑科学的相关研究认为视听觉功能并不是独立的，健康人的视听觉功能是互相联系的。按照信息处理通路形式上分为视觉、听觉的单一通路处理或视听觉混合双通路处理。因此对信息的注意力也主要体现在这三种视听感觉通路的形式上。但是人脑认知功能极其复杂，人类在认知活动中处理信息并非是单任务，单信息的。外界视听觉信息极其容易影响和干扰单一认知任务的完成效果。因此隔绝外界视听觉噪音信息，营造和测试有关的视听觉场景，对反映训练者真实注意力水平及其重要。
此外心率变异性体现的自主神经系统的功能和活性程度。心率变异性参数异常的人群，常常表现或为紧张，焦虑，失眠；或为对任何事很难感兴趣，反应慢，专注和注意力较差等情况。而10秒为一呼吸周期的呼吸方式，能够调整自主神经系统的交感神经和迷走神经这两套系统的激活程度，自主神经系统的交感神经和迷走神经这两套系统的激活程度可从心率变异性参数体现，同时自主神经系统的交感神经和迷走神经这两套系统的激活程度能够表示用户注意力集成程度。长期的10秒呼吸练习能够重塑自主神经系统的功能，使其失衡的交感神经和迷走神经趋于正常，达到平衡，从而在心率变异性参数体现。即心率变异性可以作为检验注意力集成程度的参数，也可以作为训练注意力效果的参数。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统；
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，包括供电模块、心率变异性采集模块、心率变异性处理模块和主控模块，所述主控模块还连接有视听觉任务呈现模块、训练数据分析模块、报告生成模块和常数数据库模块，所述视听觉任务呈现模块包括分别与主控模块相连的虚拟现实头戴模块和高保真耳机，其中，
虚拟现实头戴模块，用于根据主控模块的命令进行沉浸式视觉信息的呈现；
高保真耳机，用于根据主控模块的命令进行沉浸式听觉信息的呈现；
训练数据分析模块，用于进行训练结果的分析，并与常数数据库模块中相应的参考数据进行对比；
报告生成模块，用于根据受训者的训练情况和参考数据生成相应的训练报告；
常数数据库模块，用于存储包括心率变异参数与注意力程度之间关系的参考数据。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，包括以下步骤：
S1.将视听觉任务呈现模块佩戴在使受训者身上；
S2.提供虚拟现实场景，并在虚拟现实场景中使训练者视野中出现训练文字和/或向受训者播放训练语音；
S3.通过虚拟现实场景、训练文字和/或训练语音引导受训者做注意力训练任务；
S4.在训练过程中采集受试者的心率变异数据，同时对心率变异数据进行训练数据分析并生成训练报告。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，在步骤S4中，根据受试者的心率变异数据变换虚拟现实场景、训练文字及训练语音，以使受试者的心率变异数据所对应的注意力程度逐渐提高。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，在步骤S3中，每次注意力训练包括多个训练任务，每个任务时长持续2～10分钟，相邻任务之间给予预设时间的放松间隔。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述心率变异性采集模块通过采用光电容积法和/或脉搏测量法采集心电信号并提取心率信息。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述心率变异性采集模块的采集位置包括手指、手腕、耳垂和额头中的一个或多个。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述心率变异性采集模块的采集位置为额头，且通过采用光电容积法采集心电信号并提取心率变异数据。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述心率变异性采集模块集成在所述虚拟现实头戴模块中。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述心率变异性采集模块包括500nm-600nm波长的LED光源和光电变换器；
所述LED光源和光电变换器均连接于所述主控模块；
或者，所述虚拟现实头戴模块包括控制模块，所述LED光源和光电变换器均连接于所述控制模块，所述控制模块连接于所述主控模块。
在上述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统中，所述高保真耳机集成在所述虚拟现实头戴模块上，且所述高保真耳机的输入端连接于所述主控模块或控制模块。
本发明相较于现有技术具有以下优点,通过心率变异数据反应注意力水平，通过提供虚拟现实场景，同时提供视听环境对受试者进行训练，隔绝外界视听觉噪音，营造和测试有关的视听觉场景，提高训练效果，并在训练过程中能够反映训练者真实注意力水平；将高保真耳机、虚拟现实头戴模块和心率变异性采集模块集成为一体，简化训练设备结构，减少佩戴步骤，简化佩戴方式。
附图说明
图1是本发明基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统的结构框图；
图2是本发明虚拟现实头戴模块集成高保真耳机的结构示意图；
图3是本发明虚拟现实头戴模块集成心率变异性采集模块的结构示意图；
图4是本发明训练过程的流程示意图。
附图标记：供电模块1；心率变异性采集模块2；LED光源21；光电变换器22；心率变异性处理模块3；视听觉任务呈现模块4；虚拟现实头戴模块41；高保真耳机42；训练数据分析模块5；报告生成模块6；常数数据库模块7；主控模块8。
具体实施方式
以下是本发明的优选实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1所示，本实施例提出了一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，包括供电模块1、心率变异性采集模块2、心率变异性处理模块3和主控模块8，所述主控模块8还连接有视听觉任务呈现模块4、训练数据分析模块5、报告生成模块6和常数数据库模块7，所述视听觉任务呈现模块4包括分别与主控模块8相连的虚拟现实头戴模块41和高保真耳机42，其中，
主控模块8，是整个系统的核心，可为台式计算机主机、笔记本电脑、一体机、单片机等，训练数据分析模块5、报告生成模块6和常数数据库模块7可嵌入于该主控模块8中，主控模块8主要用于完成对视听觉认知任务呈现的控制，训练数据分析模块5的控制，并生成训练报告等操作。
供电模块1，主要为心率变异性采集模块2、心率变异性处理模块3、主控模块8、视听觉任务呈现模块4、训练数据分析模块5、报告生成模块6和常数数据库模块7等供电，提供为3.3-5V直流电源，具体形式可以是主控模块8中USB端口供电或外接直流电源；
虚拟现实头戴模块41，为可头戴的虚拟现实设备，如桌面级别的HTC vive系列头戴，Oculus系统头戴；如移动级别的小鸟看看等设备，用于根据主控模块8的命令进行沉浸式视觉信息的呈现；
高保真耳机42，用于根据主控模块8的命令进行沉浸式听觉信息的呈现；
训练数据分析模块5，用于进行训练结果的分析，并与常数数据库模块7中相应的参考数据进行对比；
报告生成模块6，用于根据受训者的训练情况和参考数据生成相应的训练报告；训练报告可以以图表和文字形式，word或PDF文档形式展示。
常数数据库模块7，用于存储包括心率变异参数与注意力水平之间关系的参考数据，此外，参考数据还包括相邻RR间期差值超过50ms的心博数占总心博数的百分，低频功率、高频功率等参数。
另外，各参考数据按照年龄和性别区分，训练数据分析模块5将训练结果与常数数据库模块7中同年龄段同性别的数据对比，根据对比结果给出注意力水平等信息。
具体地，心率变异性采集模块2通过采用光电容积法和/或脉搏测量法采集心电信号并提取心率信息。心率变异性采集模块2的采集位置包括手指、手腕、耳垂和额头中的一个或多个。
优选地，如图2所示，这里的心率变异性采集模块2集成在虚拟现实头戴模块41中。即心率变异性采集模块2的采集位置为额头，且通过采用光电容积法采集心电信号并提取心率变异数据。具体地，心率变异性采集模块2包括500nm-600nm波长的LED光源21和光电变换器22。本实施例优选515nm-580nm波长的LED光源21。
LED光源21和光电变换器22均连接于所述主控模块8，由主控模块8控制LED光源21的工作以及接收光电变换器22的检测数据。
或者，虚拟现实头戴模块41包括控制模块，LED光源21和光电变换器22均连接于所述控制模块，所述控制模块连接于所述主控模块8。心率变异性采集模块2通过控制模块与主控模块8进行信息交互。
这里将心率变异性采集模块2与虚拟现实头戴模块41整合在一起，随虚拟现实头戴模块41一起佩戴在受训者头上，使心率变异性采集模块2与受训者额头左部贴合，能够与虚拟现实头戴模块41相融合为一体机，佩戴方便。且额头处血管丰富，额区相对其他肢体温度恒定，对光电容积采集法影响小。利用515nm-580nm波长的LED光源21作为激发光源，由光电变换器22接收经人体组织反射的光线，转变为电信号并将其放大和输出。由于脉搏是随心脏的搏动而周期性变化的信号，动脉血管容积也周期性变化，因此光电变换器22的电信号变化周期就是脉搏率。
进一步地，如图3所示，高保真耳机42也集成在所述虚拟现实头戴模块41上，且所述高保真耳机42的输入端连接于所述主控模块8或控制模块。将高保真耳机42、虚拟现实头戴模块和心率变异性采集模块2集成为一体，简化训练设备结构，减少佩戴步骤，每次训练戴上头戴设备即可。
具体地，本实施例基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，包括以下步骤：
S1.将视听觉任务呈现模块4佩戴在使受训者身上；
S2.提供虚拟现实场景，并在虚拟现实场景中使训练者视野中出现训练文字和/或向受训者播放训练语音；
S3.通过虚拟现实场景、训练文字和/或训练语音引导受训者做注意力训练任务；
S4.在训练过程中采集受训者的心率变异数据，同时对心率变异数据进行训练数据分析并生成训练报告。
进一步地，在步骤S4中，根据受训者的心率变异数据变换虚拟现实场景、训练文字及训练语音，以使受训者的心率变异数据所对应的注意力水平逐渐提高。心率变异数据作为响应虚拟现实情境任务的操作参数，一方面能够用来实时评估受训者自主调节心率变异性能力。另一方面能够评价受训者在每次任务中训练的效果。
且如图4所示，在步骤S3中，每次注意力训练包括五个训练任务，每个任务时长持续8～10分钟，一次训练历时约1小时，相邻任务之间给予预设时间如2-5分钟的放松间隔。实验次数根据训练结果确定，注意力程度越快提高，训练次数越少。
下面以实例对本实施例的训练步骤进行详细说明：
首先使受训者静坐，按要求佩戴虚拟现实头戴模块41；然后提供虚拟现实场景，使训练者视野中出现训练文字，同时向受训者播放训练语音以提醒受训者进入状态。开始训练后，在虚拟现实场景中引导受训者进行腹式呼吸，例如虚拟现实场景为停靠在岸边的一条大船，受训者坐在甲板上的躺椅上，海水拍打着岸边和大船。远处的天空有一个热气球，热气球慢慢的上下移动表示呼吸的周期，气球从上运动到下为5秒，此时高保真耳机42播放“呼气”，受训者慢慢的均匀尽可能把气呼出直到完全排出。气球从下运动到上为5秒，此时高保真耳机42播放“吸气”，受训者慢慢的均匀尽可能把气吸入直到完全吸满。以上为一个训练任务实例，这样的训练任务可以有多个，例如10个甚至更多个，从而避免受训者过于熟悉训练场景，感到无聊。
本实施例通过心率变异数据反应注意力水平，通过提供虚拟现实场景，同时提供视听环境对受试者进行训练，隔绝外界视听觉噪音，营造和测试有关的视听觉场景，提高训练效果，并在训练过程中能够反映训练者真实注意力水平。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了供电模块1；心率变异性采集模块2；LED光源21；光电变换器22；心率变异性处理模块3；视听觉任务呈现模块4；虚拟现实头戴模块41；高保真耳机42；训练数据分析模块5；报告生成模块6；常数数据库模块7；主控模块8等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，包括供电模块(1)、心率变异性采集模块(2)、心率变异性处理模块(3)和主控模块(8)，其特征在于，所述主控模块(8)还连接有视听觉任务呈现模块(4)、训练数据分析模块(5)、报告生成模块(6)和常数数据库模块(7)，所述视听觉任务呈现模块(4)包括分别与主控模块(8)相连的虚拟现实头戴模块(41)和高保真耳机(42)，其中，
虚拟现实头戴模块(41)，用于根据主控模块(8)的命令进行沉浸式视觉信息的呈现；
高保真耳机(42)，用于根据主控模块(8)的命令进行沉浸式听觉信息的呈现；
训练数据分析模块(5)，用于进行训练结果的分析，并与常数数据库模块(7)中相应的参考数据进行对比；
报告生成模块(6)，用于根据受训者的训练情况和参考数据生成相应的训练报告；
常数数据库模块(7)，用于存储包括心率变异参数与注意力程度之间关系的参考数据。
2.根据权利要求1所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将视听觉任务呈现模块(4)佩戴在使受训者身上；
S2.提供虚拟现实场景，并在虚拟现实场景中使训练者视野中出现训练文字和/或向受训者播放训练语音；
S3.通过虚拟现实场景、训练文字和/或训练语音引导受训者做注意力训练任务；
S4.在训练过程中采集受试者的心率变异数据，同时对心率变异数据进行训练数据分析并生成训练报告。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，在步骤S4中，根据受试者的心率变异数据变换虚拟现实场景、训练文字及训练语音，以使受试者的心率变异数据所对应的注意力程度逐渐提高。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，在步骤S3中，每次注意力训练包括多个训练任务，每个任务时长持续2～10分钟，相邻任务之间给予预设时间的放松间隔。
5.根据权利要求1-4所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述心率变异性采集模块(2)通过采用光电容积法和/或脉搏测量法采集心电信号并提取心率信息。
6.根据权利要求5所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述心率变异性采集模块(2)的采集位置包括手指、手腕、耳垂和额头中的一个或多个。
7.根据权利要求6所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述心率变异性采集模块(2)的采集位置为额头，且通过采用光电容积法采集心电信号并提取心率变异数据。
8.根据权利要求7所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述心率变异性采集模块(2)集成在所述虚拟现实头戴模块(41)中。
9.根据权利要求8所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述心率变异性采集模块(2)包括500nm-600nm波长的LED光源(21)和光电变换器(22)；
所述LED光源(21)和光电变换器(22)均连接于所述主控模块(8)；
或者，所述虚拟现实头戴模块(41)包括控制模块，所述LED光源(21)和光电变换器(22)均连接于所述控制模块，所述控制模块连接于所述主控模块(8)。
10.根据权利要求9所述的基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统，其特征在于，所述高保真耳机(42)集成在所述虚拟现实头戴模块(41)上，且所述高保真耳机(42)的输入端连接于所述主控模块(8)或控制模块。
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