基于触觉的模拟视幻觉定位系统

摘要

一种视觉假体技术领域的基于触觉的模拟视幻觉定位系统，包括头盔显示器、头部辅助定位装置、触摸屏、计算机、触觉导航装置和触摸板。首先，由头盔显示器作为刺激源提供模拟视幻觉刺激，使用者头部由头部辅助定位装置固定于相对触摸屏位置固定处，选择合适的刺激模式的模拟视幻觉产生软件，由计算机产生模拟视幻觉，使用者判断头盔显示器中的模拟视幻觉位置后，在触觉导航装置或者触摸板辅助下，在触摸屏上指示定位，由相应软件对反馈数据进行处理后，可以得出使用触觉感知的模拟视幻觉的定位的准确性，离散度等信息的分析和评估。

说明书

技术领域

本发明涉及一种视觉假体技术领域的系统，具体的说，是一种基于触觉的模拟视幻觉定位系统。

背景技术

视觉的形成需要有完整的视觉通路，包括眼球的屈光系统、视网膜、视路和大脑皮层枕叶。视觉通路上任何部位发生病变均可影响视力，严重者导致失明。原发性视网膜色素变性(RP)及老年性黄斑变性(ARMD)导致的视网膜外层进行性变性，成为导致老年人失明的主要原因。视觉假体技术是利用大多数盲人往往只有视觉通路的一部分发生病变，而其余部分神经组织的结构和功能尚完好的特点，对视觉通路的完好部位施加特定的人工电刺激，来兴奋神经细胞，模拟自然光刺激的效果，使盲人产生视觉感受。

在神经工程领域，视觉通路上三处的电极刺激可有效的引发可辨别的视幻觉：视皮层、视神经和视网膜。视皮层的植入是在大脑视皮层区植入电极阵列，通过电刺激直接刺激大脑皮层产生视幻觉。视神经假体植入则是将一个箍状缠绕电极置于视神经的末端，通过单极或双极电极导入电刺激，视神经将刺激传入大脑产生视幻觉。视网膜植入分为视网膜下和视网膜前两种假体植入方式，通过在视网膜上植入电极阵列的方式，通过光信号或者电信号刺激视网膜细胞，通过视神经传入大脑，从而产生视幻觉，这种植入方式对患者的视觉通路完整性要求较高。在三种植入方式中，刺激-视幻觉之间的空间对应性较好植入方式的为视网膜植入和皮层植入，但由于植入手术方法和精确度的限制，植入电极的刺激后，预想产生的视幻觉位置和实际观察到的视幻觉位置之间还没有严格的对应关系。而对于视神经植入方式，由于神经传导的复杂性，目前对于此种植入方式的刺激-视幻觉之间的空间对应关系仍不清楚。

随着视觉假体研究的日益成熟，准确有效的视幻觉定位装置成为植入手术后帮助盲人训练和康复的重要手段。无论使用何种视觉假体植入方式，为了能更有效的为盲人个体传送有用的信息，找出植入后视幻觉在真实视野的分布图非常关键。

经对现有技术的文献检索发现，Veraart C等在Brain Research(中文刊名：实验脑研究)(1998年第813期第181-186页)上发表的Visual sensationsproduced by optic nerve stimulation using an implanted self-sizing spiralcuff electrode，该文中提出用一个半球来评估视幻觉的位置的视幻觉，具体为：被测者的头被固定在半球的正前方，一只手的食指置于固定点作为参照点，同时另一只手指出双眼所观察到视幻觉点。其不足在于：由于必须使用一只手作为参照点，在指示半球上的某些位置视幻觉点时，须绕过作为参照点的手，构成本方法的系统误差。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于触觉的模拟视幻觉定位系统。使其基于触觉对模拟视幻觉进行定位，可以对模拟视幻觉定位的准确度和离散度进行量化度量，并且可以提供量化的系统误差，以供调校。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：头盔显示器、头部辅助定位装置、触摸屏、计算机、触觉导航装置和触摸板。所述头盔显示器与计算机相连，作为产生模拟视幻觉的刺激源；所述头部辅助定位装置，用于固定每个使用者与触摸屏的相对位置和角度；所述触摸屏，用来记录使用者在判断视幻觉位置后的触觉定位，并反馈到计算机中；所述触觉导航装置，帮助使用者确定触摸屏的中心位置；所述触摸板设置于触摸屏上方，用来引导辅助使用者使用触觉感知定位模拟视幻觉位置；所述计算机产生模拟视幻觉点的位置信息，通过数据传输线传输到头盔显示器中显示，使用者根据观察到的模拟视幻觉点，直接或在导航装置辅助下在触摸屏上定位，触摸屏将定位信息通过数据传输线传送至计算机中。

所述头盔显示器采用头盔显示器HMD，HMD为市场上通用型号，产生的视幻觉可以为二维的，也可以为三维的。

所述头部辅助定位装置由一个安装在支架上的下巴固定装置和额头固定装置构成，通过平衡螺母可以调整下巴固定装置和额头固定装置的位置，用于固定每个使用者与触摸屏的相对位置和角度。

所述触摸屏尺寸范围为14到30英寸，用来记录使用者在判断视幻觉位置后的触觉定位。

所述触觉导航装置为L型结构，其基座中间固定一长直棒状物体作为支架，支架顶端由可调节螺母固定的横棒指向触摸屏的中心，长直支架和指示横棒构成L型结构，来帮助使用者确定触摸屏的中心位置。

所述触摸板，是一个基板，该基板正中分布着按键阵列，基板材料可包括各种可以支撑按键阵列和承受实验过程中按压压力的各种无机，有机材料，阵列大小在使用中可以根据触摸屏尺寸和测试要求的分辨率等具体条件调整。在基板中心点处，有起引导作用的显著突起，在四周、对角线和远近场分区处的引导按键顶部有突起，且在对角线、水平垂直中分线的按键间隔中，设有由有机玻璃小块构成的引导线。并且以阵列中心为中心，分布着一个长宽为阵列一半长度的，同样由有机玻璃小块构成的引导框，这几者共同构成此触摸板的触觉引导线。目的是为了辅助使用者快速了解整个阵列的分布，从而提高指示定位的速度和准确率。使用时，放置于触摸屏上方，按压按键指示视幻觉位置。

所述的计算机，其中设有可选择的模拟视幻觉刺激模式模块、模拟视幻觉定位数据记录模块和数据分析处理模块。在模拟视幻觉刺激模式模块中选定刺激模式，启动模拟视幻觉定位过程，此模块将相应模式下的模拟视幻觉位置信息传送至HMD中显示。从而使用者可以根据HMD中观察到的模拟视幻觉点的位置，在触摸屏上直接或者在导航辅助下定位。触摸屏再将定位相关数据传送至模拟视幻觉定位数据记录模块和数据分析处理模块。前者对定位数据进行记录保存。后者对定位数据进行计算和评估，输出定位数据的离散度等信息，也可以与模拟视幻觉刺激模式模块输出的原始模拟视幻觉点的位置信息进行对比分析，提供定位准确度等信息。

本发明使用时，在无导航模式下，触摸屏竖直放置于使用者正前方，与使用者间距离根据使用者臂长等因素调整。使用者直接在触摸屏上触摸定位。计算机中模拟视幻觉刺激模式模块产生模拟视幻觉点的位置信息，通过数据传输线传输到头盔显示器HMD中显示，使用者根据观察到的模拟视幻觉点，在触摸屏上触摸定位，触摸屏将定位信息通过数据传输线传送至计算机中的模拟视幻觉定位数据记录模块和数据分析处理模块。

在触觉导航模式中，触摸屏竖直放置于使用者正前方，与使用者间距离根据使用者臂长等因素调整，触觉导航装置放置于触摸屏正前方，顶端指示横棒指向触摸屏中心，横棒一端可接触触摸屏。使用时，使用者将一只手放置于触觉导航装置上，另一只手在触摸屏上触摸定位。数据传输过程与无导航模式相同。

在触摸板导航模式中，触摸屏水平放置于使用者正前方的平台上，与使用者间距离根据使用者臂长等因素调整，触摸板放置于触摸屏正上方，调整二者相对位置，以便于使用者方便的通过按压按键在触摸屏上定位。使用时，使用者将双手放置于触摸板上，通过在触摸板上按压相应按键，在触摸屏上定位。数据传输过程与无导航模式相同。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点：第一，可以对模拟视幻觉定位的准确度和离散度进行量化度量，且可提供量化的系统误差，以供调校。第二，可以避免采用左右手作为参考坐标引发空间障碍导致的定位误差。第三，可以用于模拟视幻觉的定位评估，本发明使用触觉定位，并且反馈系统可以由视觉修改为盲人可感知的听觉、触觉等方式，本发明同样可以对视觉假体引发的视幻觉进行定位评估，可以帮助植入视觉假体的盲人对植入假体效果进行评估。

附图说明

图1为本发明结构示意图一。

图2为本发明结构示意图二。

图3为头部定位装置结构示意图。

图4为触觉导航装置示意图。

图5为触摸板结构示意图。

图6为触摸板按键阵列中普通按键结构剖面图。

图7为触摸板按键阵列中引导按键结构剖面图。

图8为本发明工作流程图。

图示说明：1-头盔显示器HMD，2-头部辅助定位装置，3-触摸屏，5-触觉导航装置，6-触摸板，7-额头固定带，8-下巴固定装置，9-头部辅助定位装置支架，10-头部辅助定位装置调节螺母，11-头部辅助定位装置基座，12-触觉导航装置调节螺母，13-触觉导航装置顶端指示横棒，14-触觉导航装置支架，15-触觉导航装置支架基座，16-触摸板基板，17-触摸板按键阵列，18-触摸板的中心指示键，19-触摸板的引导线，20-弧面突起，21-弹簧，22-弹簧卡销，23-引导突起，24-普通按键，25-引导按键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-2所示，本实施例包括头盔显示器HMD1、头部辅助定位装置2、触摸屏3、计算机4、触觉导航装置5和触摸板6。头部辅助定位装置2固定于一平台的边缘，使用者佩戴好头盔显示器1后，头盔显示器1正面面向头部辅助定位装置2，调节此头部辅助定位装置2固定使用者头部位置。所述头盔显示器1与计算机4相连，作为产生模拟视幻觉的刺激源；所述头部辅助定位装置2，用于固定每个使用者与触摸屏3的相对位置和角度；所述触摸屏3，用来记录使用者在判断视幻觉位置后的触觉定位，并反馈到计算机4中；所述触觉导航装置5，帮助使用者确定触摸屏3的中心位置；所述触摸板6设置于触摸屏3上方，用来引导辅助使用者使用触觉感知定位模拟视幻觉位置；所述计算机4产生模拟视幻觉点的位置信息，通过数据传输线传输到头盔显示器1中显示，使用者根据观察到的模拟视幻觉点，直接或在触觉导航装置5辅助下在触摸屏3上定位，触摸屏3将定位信息通过数据传输线传送至计算机4中。

所述的头盔显示器HMD1，可使用目前通用品牌。与计算机4相连，作为产生视幻觉的模拟刺激源，产生的模拟视幻觉可以为二维的，也可以为三维的。

如图3所示，所述的头部辅助定位装置2由基座11、支架9和安装在支架9上的下巴固定装置8和额头固定带7构成，下巴固定装置8和额头固定带7的位置可以通过调节螺母10调整，用于固定每个使用者与触摸屏3的相对位置和角度。

所述的触摸屏3尺寸范围为14英寸至30英寸，使用者在判断视幻觉位置后，用来记录使用者在判断视幻觉位置后的触觉定位。

如图4所示，所述的触觉导航装置5为L型，由基座15、支架14和横棒13构成，基座15中间固定一长直支架14，支架14顶端通过调节螺母12固定有横棒13，通过调节螺母12调节顶端横棒13位置，使其指向触摸屏3的中心，长直支架14和横棒13构成L型结构，来帮助使用者确定触摸屏的中心位置。

如图5所示，所述的触摸板6由基板16和其上分布的按键阵列17和引导线19构成，可用来引导辅助使用者使用触觉感知定位模拟视幻觉位置，按键阵列的大小和按键的数目可以根据触摸屏尺寸和具体要求分辨率来设计，按键数量的范围为4×4到100×100，按键位置由触摸屏3记录。

如图6所示，所述的触摸板6上引导触觉定位的按键阵列17位于触摸板6正中，由普通按键24、引导按键25和中心指示键18构成，所有按键均可以按下，通过触摸屏3记录按键位置。这些按键帮助使用者通过触觉感知对头盔显示器HMD1中的模拟视幻觉进行判断后，按下按键定位。其尺寸和分辨率可以根据具体使用要求调整，按键数量的范围为4×4到100×100。

如图7所示，所述的中心指示键18位于按键阵列17的正中，由有弧面突起20的键身、弹簧21和弹簧卡销22构成。按键安装于基板16上已制好的半径略大于按键的孔中，顶端凸起高于基板16上平面，中部键身和环绕中部键身的弹簧21一同位于基板孔中，弹簧卡销22固定于伸出基板16下平面的键身底端。中心指示键18高出按键阵列17平面2-10mm，其具体高度可以根据使用要求调整，帮助使用者快速判断按键阵列17中心。

所述的普通按键24由有弧面突起20的键身、弹簧21和弹簧卡销22构成。普通按键24结构和安装与中心指示键18相同。普通按键24提供触觉导航，使用者可以通过按下按键定位在头盔显示器HMD1中观察到的模拟视幻觉。

所述的引导按键25，由有引导突起23的键身、弹簧21和弹簧卡销22构成。引导按键25结构和安装类似于中心指示键。引导按键25在按键阵列17中的分布为：两条对角线、水平中线、垂直中线以及位于按键阵列17中央的长宽分别为按键阵列17长宽一半的小框的四边。引导按键25可以引导使用者快速判断按键阵列17的区域分布。

所述的触摸板6上帮助快速定位的引导线19，引导线19是使用和触摸板6同种材料的小块，也可以使用能够承受手指按压压力，并能在基板16上固定的有机或无机材料，固定在基板16上。引导线19在基板16上的分布与引导按键25相同，引导线19只存在于基板16上分布了按键阵列17的区域。引导线19与引导按键25一起，帮助使用者快速判断按键阵列17的区域分布。

如图8所示，本实施例系统使用时，使用者将下巴放于头部辅助定位装置2的下巴固定装置8上，调整定位装置上的调节螺母10，使使用者的眼睛与触摸屏3中心处于相同的水平位置，固定额头固定带7，保证整个使用过程中使用者的头部位置固定。使用者佩戴上头盔显示器HMD1，在计算机4已有的模拟视幻觉刺激模式选定合适的刺激模式，也可以由使用者自行设定新的刺激模式。刺激模式开启后，使用者可以在HMD1中观察到相应模式的模拟视幻觉刺激。最后，当使用者适应了模拟视幻觉刺激后，可以正式开始使用以上提及的触觉导航装置5和触摸板6进行模拟视幻觉定位，由触摸屏3向计算机4输出触摸的位置数据。同时，计算机4将从触摸屏3输入定位数据进行记录和分析，使用者可以查看定位数据的原始数据，也可以查看精确度和离散度等数据分析结果。

所述的计算机，其中设有可选择的模拟视幻觉刺激模式模块、模拟视幻觉定位数据记录模块和数据分析处理模块。使用时，在模拟视幻觉刺激模式模块中选定刺激模式，启动模拟视幻觉定位过程。此模块将相应模式下的模拟视幻觉位置信息传送至HMD中显示。从而使用者可以根据HMD中观察到的模拟视幻觉点的位置，在触摸屏上直接或者在导航辅助下定位。触摸屏再将定位相关数据传送至模拟视幻觉定位数据记录模块和数据分析处理模块。前者对定位数据进行记录保存。后者对定位数据进行计算和评估，输出定位数据的离散度等信息，也可以与模拟视幻觉刺激模式模块输出的原始模拟视幻觉点的位置信息进行对比分析，提供定位准确度等信息。

使用方法包括两种模式：无导航模式和触觉导航模式。

无导航模式

在无导航模式中，头盔显示器HMD1中的模拟视幻觉刺激点直接出现在一个全黑的背景中，使用者判断模拟视幻觉位置后，可以直接在触摸屏3上触摸定位。

 触觉导航模式

第一：简单触觉导航模式，如图1所示。

在简单触觉导航模式中，触觉导航装置5放置于触摸屏3前方，支架14顶端指示横棒13指向触摸屏中心，使用者可以一只手置于横棒13指示的位置，另一只手在触摸屏3上触摸定位。

第二：平面触摸板模式，如图2所示。

在平面触觉导航模式中，头盔显示器HMD1中显示为全黑背景上的白色框，白框边界和触摸板6最外侧按键相对应，触摸板6固定于触摸屏3上。当模拟视幻觉光点出现时，使用者根据光点与边框的相对位置，进行估量，双手在触摸板6上，在触摸板6触觉导航的辅助下，经过判断后按下相应的按键17。触摸屏3与头盔显示器HMD1同步显示，并记录相应的按键位置和反应时间信息。

该模式训练方法分为两个步骤：1.训练；2.正式测试。

1.训练

在头盔显示器HMD1中，白框中每次随机出现一个白色的模拟视幻觉光点，当使用者按下按键17后，触摸屏中会出现误差框和反馈点，误差框表现为以模拟视幻觉光点为中心的红色的小框，反馈点为使用者的按键位置在头盔显示器HMD1中的相应位置，根据反馈点在误差框中的相对位置，使用者可以了解自己的按键位置与实际模拟视幻觉点间误差。触摸屏3记录下按键信息后，由计算机3进行分析。根据不同的实际需要，可以设置一定的误差率，当误差率在规定范围内时，使用者方可取得进入正式测试的资格。

2.正式测试

与训练的不同之处在于，当使用者按下按键17之后，在头盔显示器HMD1不能观察到反馈点和误差框。可以根据需要选择不同的模拟视幻觉刺激方案，触摸屏3记录按键信息后，由计算机4对模拟视幻觉定位的准确度，离散性，使用者反应时间以及各种相关信息进行分析和评估。