CN115542545A - 一种基于注意力跟踪交互的vr医学仿真训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗仿真技术领域，具体为一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，包括框架，所述框架设有用于贴合人体面部的内凹曲面，所述框架上远离内凹曲面一侧安装有显示组件、音响组件以及微型计算机，所述微型计算机用于控制整个VR设备，所述微型计算机通过导线连接体感反馈装置，所述框架上设有用于与使用者固定的固定装置。还包括减负结构，所述框架上安装有减负结构，所述减负结构用于减轻固定装置和VR设备本身的重量对使用者头部的压迫。本发明通过在框架上安装吸盘和可悬停支架组成的减负结构，所述减负结构能减轻头带式固定装置对使用者头部的压迫。

Description

一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置

技术领域

本发明涉及医疗仿真技术领域，具体为一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置。

背景技术

VR(虚拟现实)技术广泛应用于各行各业，借助计算机、显示屏和音响等设备产生一个逼真的三维视觉、触觉、听觉等多种感官体验的虚拟世界，从而使处于虚拟世界中的人产生一种身临其境的感觉。

在医疗领域，现有VR设备广泛应用于对医学教学、新手培训、技能测试、技术学习、手术计划、患者康复测试等多方面。

尤其是对于进行脑部手术或者脊椎手术后的患者，可能存在神经受损或者治疗不彻底等遗留问题，从而导致注意力下降或者难以集中注意力等手术后遗症，现有技术往往通过医护人员对患者进行一定程度的测试，然而不同水平的医护人员的测试方法和测试效果往往难以达到统一，除不同水平医护人员外，不同外部环境也会导致测试结果的偏差，干扰因素过多，仅仅通过医护人员，往往无法客观科学地获取测试结果。

因此需VR设备对患者注意力进行跟踪检查，通过可控的声音，视觉画面以及患者对此的体感交互反馈，如肢体的动作，躯干的动作，语言的反馈等，以观察患者术后治疗情况和恢复情况，以便确定后续的治疗方案，同时还可以通过VR设备仿真模拟如过马路，开关门窗，做家务等生活场景，跟踪训练患者的注意力，让经历相关手术的患者能更快适应生活，提高治疗效果。

基于设备体积和病房环境，现有能应用于病房环境的VR设备均为小型头戴式VR设备，需弹性头带将VR设备固定于患者正面头部，然而对于头部手术术后的患者，弹性头带会压迫手术伤口，或者因头部包扎绷带导致头戴式VR设备不能很好地和患者进行头戴式固定，进而影响VR设备的测试效果和训练效果。

为此，提出一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，通过在框架上安装吸盘和可悬停支架组成的减负结构，所述减负结构能减轻头带式固定装置对使用者头部的压迫，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，包括框架，所述框架设有用于贴合人体面部的内凹曲面，所述框架上远离内凹曲面一侧安装有显示组件、音响组件以及微型计算机，所述微型计算机用于控制整个VR设备，所述微型计算机通过导线连接体感反馈装置，所述框架上设有用于与使用者固定的固定装置。出于成本和空间考虑，现有技术能应用在医学仿真训练领域的VR设备均为头戴式VR设备，固定装置多为倒“T”字形头带或者环形头带，利用头带自身的弹性将VR设备固定在使用者头部，为使用者提供逼真的三维视觉和立体的听觉，浸入式体验能带来更接近现实的虚拟场景，能更好模拟现实场景以达到仿真训练的条件。

所述框架上安装有减负结构，所述减负结构用于减轻固定装置和VR设备本身的重量对使用者头部的压迫，所述减负结构包括安装在框架上的多个吸盘，所述吸盘均位于框架上内凹曲面一侧，且吸盘的吸附面和内凹曲面平齐，所述吸盘为微型球头吸盘，吸盘为空腔负压式吸盘，球头端为封闭空腔结构，吸盘吸嘴端设有开口，吸盘吸嘴端材料可以采用柔性硅胶材料，具有弹性好舒适性高，亲肤性能好，亦可使用金属吸盘，如心电图的胸吸盘一样，虽然舒适性略差，但能提供良好的密封性从而提供可靠稳定的吸力。

所述框架上设有用于控制吸盘吸力的调整框，所述调整框位于框架上凹曲面一侧，所述框架侧壁固定连接有弹簧轴，所述调整框分为上框和下框，所述上框和下框通过弹簧轴连接，多个所述吸盘均位于调整框和框架之间。

所述调整框的上框和下框在相互运动可以一次性同时挤压到所有的吸盘，一次性控制所有吸盘的吸附和脱落，减少吸盘进行单独吸附或者脱落，且弹簧轴能同时实现按压后复位功能，提高使用的便利性，同时，通过调整小轴上的调节环，调整弹簧压缩量，从而可以调整吸盘球头端挤压前后的体积差，利用体积差产生的真空度的差别，从而可以调整吸盘的吸力，以便适应不同的使用者或者不同的使用姿势，进一步提高了便利性和实用性。

每个所述吸盘之间固定均填充黑色高密度海绵。海绵可以自动填充框架和人体面部的缝隙，减少外部光线对VR设备内部显示的干扰，黑色可以减少光线穿透的量，高密度海绵可以提供更好的缓震减压的效果，减少吸盘吸附带来的不适感，同时还可以实现透气和吸汗等功能，提高患者的使用舒适度。

所述框架上设有用于减轻使用者面部载荷的减压支架，所述减压支架分为安装部和固定部，所述安装部为靠近框架一端设有安装架，安装架设有强磁片二，所述强磁片二侧面设有弹簧压片式卡扣，所述框架的侧面均布置有凸出的且形状和强磁片二相同的强磁片一，且强磁片二和强磁片一外表面一侧的磁性相反，每个所述强磁片一侧面均设有倒钩形凹槽，强磁片一和强磁片二在互相靠近时能互相吸引，能完成自动定位，能减少固定安装时定位对准的时间，直到强磁片一和强磁片二完全吸附时，强磁片二侧面设有的弹簧压片式卡扣自动扣入强磁片一侧面的倒钩形凹槽，则此时能完成减压支架和框架的锁止固定，相比于单独使用磁吸定位吸附，磁吸配合卡扣安装，能进一步保证减压支架和框架的锁止稳定性。

所述固定部为多段可折叠式连接杆，且相邻两段连接杆连接结构包括扭簧和阻尼转轴，且相邻两个阻尼转轴为空间交错垂直设置，所述阻尼转轴的最小阻力等于扭簧的最大弹力，所述固定部远离安装部一端设有与病床固定的螺纹式固定夹板。

固定部为多段可折叠式连接杆，连接杆的段数越多，灵活度越高，但稳定性和刚度更差，段数越低灵活度越低，但稳定性和刚度越高，可以具体根据需求选择，相邻两个阻尼转轴为空间交错垂直设置能使整个连接杆系统能实现更宽广的调节范围，扭簧和阻尼转轴能让相邻两段连接杆连接结构具有一定的刚性和弹性，在使用过程中具有一定的缓震和支撑作用，避免使用VR设备过程中患者只能使用完全固定的姿势而导致肌肉不适，给予患者使用时小幅度的自由度，提高使用的舒适度，阻尼转轴的最小阻力等于扭簧的最大弹力，即静摩擦力平衡，能保证没有外力作用时，整个减压支架可以实现行程内任意位置的悬停，患者在使用坐姿或者侧卧时，减压支架不会对框架产生额外的拖拽力，提高使用的舒适度，同时减压支架可以实现行程内任意位置的悬停，也能方便医护人员对VR设备的安装和拆除，而不会担心在操作其他设备时VR设备产生位移导致干扰医护人员的操作，当患者熟悉使用后，可以将吸盘换成更舒适的硅胶等黏性亲肤材质，可以提高减压支架作为固定装置的占比。

所述安装部和固定部通过条形退火软韧金属连接。

安装部和固定部通过条形退火软韧金属连接，可以实现小幅度内任意角度的万向调节，补充减压支架转动的死角范围，可以参考摄影器材的八爪鱼式三脚架，提高实用性和患者的舒适度，退火软韧金属可以采用棒材或者管材，材料型号可以使用铜、铝或者铁，退火处理后金属韧性和疲劳强度具有较大提升，提高使用寿命和力学稳定性。

所述体感反馈装置与微型计算机的连接方式为无线连接。

相比于有线连接，无线连接能摆脱线材的束缚，不会因为使用过程患者的动作幅度过大导致线材拖拽VR设备，导致VR设备脱落，提高使用的便利性。当患者恢复好，弹性头带不会影响伤口时，可以将固定装置切换成头戴式，体感反馈装置与微型计算机的连接方式也可以相应改为无线连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、当脑部手术或者脊椎手术后的患者需要使用本发明的VR设备进行注意力测试或者术后复健时，当患者平卧时，本发明仅通过安装在框架上的多个微型球头吸盘即可将VR设备与患者固定，不需要头戴式固定结构，不会因弹性头带压迫患者手术头部伤口，也不会因为伤口包扎导致弹性头带无法固定。

2、当患者使用坐姿或者侧卧时，多个微型球头吸盘共同配合下，仍可将VR设备与患者固定，同时配合使用可多角度调节的减压支架，减缓微型球头吸盘对患者脸部的载荷，提高佩戴舒适度，也提高VR设备与患者固定，防止VR设备使用中出现掉落损坏。

3、VR设备的框架上设有控制吸盘吸力的调整框，调整框可以一次性开关所有吸盘，即调整框的一次操作即可同时安装或者取下所有的吸盘，同时还可以对调整框的一次操作同时调整吸盘的吸力，以适应不同的患者和不同的使用姿势。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的框架部分俯视图；

图3为图2的A-A剖视图；

图4为图3的B部放大图；

图5为阻尼转轴和扭簧配合示意图；

图6为本发明框架和减压支架安装配合示意图。

图中：1、框架；2、吸盘；3、调整框；4、上框；5、下框；6、弹簧轴；7、压缩弹簧；8、调节环；9、海绵；10、减压支架；11、安装部；12、固定部；13、安装架；14、强磁片二；15、强磁片一；16、卡扣；17、扭簧；18、阻尼转轴；19、固定夹板；20、金属条。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，详请参阅图1至图6，本发明提供一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，具体实施方式如下：

实施例一：

使用场景：开颅手术，患者开始苏醒，患者使用平卧姿态，短时进行注意力测试，以此判定神经反应是否正常，以确定手术是否影响患者头部注意力反射区。

由于患者是平卧姿态，头部包扎，为了防止弹性头戴压迫伤口，同时也为了减少患者术后头部的移动，因此不可使用头戴式固定装置，由于只是短时间进行注意力测试，短时间的使用，VR设备的自重不会压迫影响到患者伤口，可以先不使用减压支架10进行固定，由于患者处于平卧姿态，VR设备的紧固力不需要很大，此时医护人员将旋转调节环8，将压缩弹簧7的压缩量增大，上框4和下框5被拉至互相靠近，上框4和下框5和框架1配合将吸盘2的球头端挤压，此时吸盘2的球头空腔体积减少，吸盘2产生的吸力会相应减少，减少患者面部的载荷，提高患者的舒适度。

调整好吸盘2吸力后，将显示组件、音响组件以及微型计算机等安装到框架1上形成VR设备整体，医护人员手持VR设备，双手握持VR设备的侧面，将上框4和下框5互相挤压直到弹簧轴6最大行程，此时吸盘2的球头空腔体积处于最小空间，此时将VR设备的凹曲面一侧对准患者面部，轻轻将VR设备放置在患者面部，吸盘2接触患者面部，此时解除对上框4和下框5挤压，则上框4和下框5会在压缩弹簧7的回复力下复位，吸盘2的球头空腔体形状开始复位，由此产生的负压会将吸盘2紧紧吸附在患者面部，医护人员此时可以松手，VR设备也会被固定在患者面部，此时吸盘2之间均固定填充的黑色高密度弹性海绵9，能增加VR设备和患者面部的接触面积，减少患者面部的载荷，提高患者的舒适度，同时弹性海绵9还能自动填充吸盘2和患者面部的缝隙，避免外部光线干扰VR设备内部的显示，黑色高密度弹性海绵9能隔绝光线，即使少量缝隙无法被完全填充，海绵9的黑色边缘也能减少光线对VR设备内部的显示干扰。

此时患者可以根据VR设备逼真的三维视觉显示和立体声音响做出反馈，如回答显示设备产生的画面显示飞过几只鸟，飞行中有鸟掉队了，飞行过程中还剩几只，什么颜色的或者什么样式的，患者答复正确，则可以判定视觉神经正常，简单运算逻辑正常，色觉神经正常。

在使用完成后，医护人员再次按压吸盘2的球头端，则吸盘2的球头端内的空气被排出，此时吸盘2解除了对患者的吸附，从而可以简单地取下VR设备。

实施例二：

使用场景：开颅手术，患者小脑平衡能力未恢复好，患者还不能下床，患者姿势为靠床坐姿，需进行较长时间的注意力复健训练，配合体感反馈装置，模拟开关门窗，做家务，训练上肢灵活度等，提高患者平衡能力和上肢恢复速度。

由于开颅手术，患者头部需包扎，且需比较长时间地进行VR设备的使用，长时间使用弹性头带固定VR设备，容易压迫患者伤口，由于患者处于坐姿，VR设备的紧固力需要较大，但全部使用框架1上的吸盘2进行固定，患者面部受到的载荷较大，舒适度会急剧下降，需使用减压支架10和吸盘2进行配合固定。

确定好患者的姿势后，将减压支架10固定夹板19上的螺丝旋紧，将固定夹板19和病床进行固定，由于固定部12为多段可折叠式连接杆，将减压支架10上安装架13的一端拉伸调整到患者脸部附近，由于每两个相邻连接杆连接结构为扭簧17和阻尼转轴18，且阻尼转轴18的最小阻力等于扭簧17的最大扭力，此时不要额外固定，减压支架10远离固定夹板19一端也能稳定悬浮在患者脸部附近。

此时医护人员将旋转调节环8，将压缩弹簧7的压缩量缩小，上框4和下框5被拉至互相远离，此时，上框4和下框5和框架1不会将吸盘2的球头端挤压，此时吸盘2的球头空腔体积最大，吸盘2产生的吸力会相应增加到最大，则吸盘2能将VR设备更稳定地与患者面部进行固定。

通过调整框3设定好吸盘2吸力后，医护人员手持VR设备，将框架1上的最靠近安装架13的强磁片一15向安装架13移动，此时强磁片二14和强磁片一15互相吸引直到粘附，强磁片二14和强磁片一15的同时，强磁片二14侧面的弹簧压片式卡扣16恰好自动扣入强磁片一15侧面均的倒钩形凹槽，至此完成VR设备主题和减压支架10的固定，随即将显示组件、音响组件以及微型计算机等安装到框架1上形成VR设备整体。

此时医护人员双手握持VR设备的侧面，将上框4和下框5互相挤压直到弹簧轴6最大行程，此时吸盘2的球头空腔体积处于最小空间，此时将VR设备的凹曲面一侧对准患者面部，固定部12为多段可折叠式连接杆，且相邻两个阻尼转轴18为空间交错垂直设置，每段之间均可发生转动，因此很容易调整到合适患者的位置，此时医护人员轻轻将VR设备推向患者面部，吸盘2接触患者面部，此时解除对上框4和下框5挤压，则上框4和下框5会在压缩弹簧7的回复力下复位，吸盘2的球头空腔体形状开始复位，由此产生的负压会将吸盘2紧紧吸附在患者面部，医护人员此时可以松手，VR设备也会被固定在患者面部，如此时还存在框架1和患者面部局部不匹配，可将安装部11和固定部12通过退火软韧型金属条20进行对应弯折，直到框架1和患者面部完全匹配，达到患者最舒适的位置。

在患者佩戴VR设备之前，需先将体感反馈装置先和患者的手臂，手指等部位进行连接，此时患者可以根据VR设备逼真的三维视觉显示和立体声音响做出反馈，如根据VR显示内容进行手指组合动作，进行剪刀石头布等即需要逻辑运算又需要肢体反馈的测试，或者进行模拟切菜，开关门窗等动作，患者经过这些注意力模拟仿真测试，能逐渐恢复小脑平衡能力和对肢体的控制能力，以便更快康复和缩短术后适应生活的时间。

对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，下文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。

Claims (10)

1.一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，包括：

框架(1)，所述框架(1)设有用于贴合人体面部的内凹曲面，所述框架(1)上远离内凹曲面一侧安装有显示组件、音响组件以及微型计算机，所述微型计算机用于控制整个VR设备，所述微型计算机通过导线连接体感反馈装置；

固定装置，所述框架(1)上设有用于与使用者固定的固定装置；

其特征在于，还包括：

减负结构，所述框架(1)上安装有减负结构，所述减负结构用于减轻固定装置和设备本身的重量对使用者头部的压迫。

2.根据权利要求1所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述减负结构包括安装在框架(1)上的多个吸盘(2)，所述吸盘(2)为球头微型吸盘(2)，所述吸盘(2)均位于框架(1)上内凹曲面一侧，所述框架(1)上设有用于控制吸盘(2)吸力的调整框(3)。

3.根据权利要求2所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述调整框(3)位于框架(1)上凹曲面一侧，所述框架(1)侧壁固定连接有弹簧轴(6)，所述调整框(3)分为上框(4)和下框(5)，所述上框(4)和下框(5)通过弹簧轴(6)连接，多个所述吸盘(2)均位于调整框(3)和框架(1)之间。

4.根据权利要求3所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述上框(4)和下框(5)均与弹簧轴(6)套设配合，所述上框(4)和下框(5)之间设有压缩弹簧(7)，且上框(4)上通过螺纹安装有用于调整弹簧压缩量的调节环(8)。

5.根据权利要求4所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：每个所述吸盘(2)之间均固定填充有黑色高密度弹性海绵(9)。

6.根据权利要求3所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述框架(1)上设有用于减轻使用者面部载荷的减压支架(10)，所述减压支架(10)分为安装部(11)和固定部(12)，所述安装部(11)为靠近框架(1)一端设有安装架(13)，所述安装架(13)上设有强磁片二(14)，所述强磁片二(14)侧面设有弹簧压片式卡扣(16)，所述框架(1)的侧面均布置有凸出的强磁片一(15)，每个所述强磁片一(15)的侧面均设有倒钩形凹槽，所述安装架(13)通过磁吸、卡扣(16)和框架(1)配合安装。

7.根据权利要求6所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述安装部(11)和固定部(12)通过退火软韧型金属条(20)连接。

8.根据权利要求6所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述固定部(12)为多段可折叠式连接杆，且相邻两段连接杆连接结构包括扭簧(17)和阻尼转轴(18)，且相邻两个阻尼转轴(18)为空间交错垂直设置，所述固定部(12)远离安装部(11)一端设有与病床固定的螺纹式固定夹板(19)。

9.根据权利要求8所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述阻尼转轴(18)的最小阻力等于扭簧(17)的最大扭力。

10.根据权利要求1所述的一种基于注意力跟踪交互的VR医学仿真训练装置，其特征在于：所述体感反馈装置与微型计算机的连接方式为无线连接。

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