一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统及方法

摘要

本发明公开了一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统及方法，包括：主控制模块，能控制从控制模块驱动振动触觉模块刺激用户，并接收用户反馈测量用户反应时间及计算出用户警觉注意力；从控制模块，能驱动振动触觉模块产生不同强度振动触觉刺激；振动触觉模块，设于被测者手指，能产生不同强度振动触觉刺激对用户进行刺激；抗干扰模块，在测量过程中，佩戴于用户以隔绝外界环境的声音干扰和视觉干扰。该系统通过利用振动触觉形式的线索以及目标刺激手指，让用户做出相应的应答，并通过程序实现不断重复测量任务以及对人的反应时间的精确测量，从而测量出基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力。

说明书

技术领域

本发明涉及注意力测量领域，尤其涉及一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统及方法。

背景技术

注意是心理活动对一定对象的指向和集中，是心理学的重要主题。随着人们的深入研究以及科技的进步，美国学者M.Posner等人发现人的注意系统分为警觉、定向和执行控制三个子成分。其中，警觉是指保持或达到某种状态，在该状态下对即将到来的信息的敏感度增加。测量注意网络的警觉效应，可以评估人的注意力，从而可以评测出由脑损伤、中风、注意力缺陷障碍等引起的注意力失常。另外，测量注意网络的警觉效应，对注意网络工作机制的研究以及注意系统疾病机理的理解也有着重要意义。特别地，对注意力要求非常高的特种职业，我们可以将人的警觉注意力作为一种筛选标准来进行选拔。

现行的注意力测量系统和方法，很少涉及到注意网络层面，虽有一些涉及注意网络测验，但这些系统集中借助视觉刺激来测量注意网络的三种效应，尚未使用触觉刺激来测量人的警觉注意力。如中国专利CN104905802A和CN104254281A公开的方案均提供了一种测量注意力的方法和装置，但并未涉及到注意网络层面，也并不是以触觉形式来测量的。Fan,McCandliss,Sommer,Raz和Posner(2002)提出了一种以视觉刺激来测量注意网络效率的系统(Testing the Efficiency and Independence of Attentional Networks)，但该系统是以视觉形式的线索刺激和目标刺激来测量注意网络效应，也并没有借助触觉刺激来测量。

因此，现有的注意网络测量系统和方法集中在以视觉刺激来测量注意网络效应，触觉通道尚未被用于其中。但如果人的视觉通道不可用的时候，现有的注意网络测量系统和方法将无法测量人的警觉注意力，目前的注意力测量系统和方法并不能有效测量盲人或者视力受损人等特殊群体的警觉注意力。

发明内容

基于现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统及方法，能精确测量注意网络的警觉效应，解决测量盲人或者视力受损人等特殊群体的警觉注意力的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明实施方式一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统，包括：主控制模块、从控制模块、振动触觉模块和抗干扰模块；其中，

所述主控制模块，与所述从控制模块连接，能控制所述从控制模块驱动所述振动触觉模块刺激用户，并接收用户反馈来测量用户的反应时间以及根据用户的反应时间计算得出用户的警觉注意力；

所述从控制模块，与所述振动触觉模块连接，能驱动所述振动触觉模块产生不同强度的振动触觉刺激；

所述振动触觉模块，设置于被测者的手指，能产生不同强度的振动触觉刺激以对用户的手指进行刺激；

所述抗干扰模块，用于在测量过程中，佩戴于用户以隔绝外界环境对被测者的声音干扰和视觉干扰。

另一方面，本发明实施方式还提供了一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量方法，采用本发明所述的测量系统，包括以下步骤：

步骤1，从无线索刺激和中央线索刺激伪随机选择一种进行刺激，且测量完成后，保持空间线索刺激与中央线索刺激出现的次数相同，在无线索刺激或中央线索刺激下，根据触觉目标刺激的出现时刻为起点而测量出用户的反应时间；具体为：

将所述测量系统的振动触觉模块分布设置在用户左手的食指、中指和无名指上，先给定一个400～1600毫秒的随机时间，以使用户等待无线索刺激或中央线索刺激的到来；

随后给予用户无线索刺激或中央线索刺激，持续100毫秒，若为无线索刺激，则用户食指、中指、无名指上的振动触觉模块均不振动，若为中央线索刺激，则中指上的振动触觉模块振动；

接着给予400毫秒的等待时间，以使用户等待触觉目标刺激到来；

待触觉目标刺激出现，记录触觉目标刺激刚出现时刻用户感受到触觉目标刺激后即做出的反馈，若用户确认触觉目标刺激为强振动，则按下键盘上的某个键并记录为反馈正确，若所按的键与预先设定不同则记录为反馈错误，若用户确认触觉目标刺激为弱振动，则按下键盘上的另外一个键并记录为反馈正确，若所按的键与预先设定不同则记录为反馈错误，记录用户做出反馈的时刻，将用户做出反馈的时刻与触觉目标刺激的出现时刻相减，即得到用户的反应时间；

步骤2，通过多次重复上述测量步骤1获得的反应时间计算出人的警觉注意力；具体为：

将步骤1所获得的反应时间分成两类：在无线索刺激下的反应时间与在中央线索刺激下的反应时间；若无线索刺激的测量任务中有m个任务被正确反馈，含有中央线索刺激的测量任务有n个任务被正确反馈；则在无线索刺激的情况下，通过用户的平均反应时间为：

在含有中央线索刺激的情况下，用户的平均反应时间为：

则基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力为：

R.T_Alerting＝R.T_NoCue-R.T_CenterCue。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统，其有益效果为：

通过设置主控制模块、从控制模块、振动触觉模块和抗干扰模块，由主控制模块、从控制模块和振动触觉模块有机连接配合，利用振动触觉形式的线索以及目标刺激用户手指，让用户做出相应的应答，并通过自身的算法实现不断重复测量任务以及对用户的反应时间的精确测量，同时在测量期间，保证用户对警觉注意网络测量任务的投入，从而测量出基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力。该系统通过测量目标触觉刺激出现到用户做出反馈这一段时间，确认用户的反应时间，从而表明用户的警觉注意力，提供了一种新型测量人的警觉注意力的手段，解决了盲人等特殊群体难以测量警觉注意的技术难题。本发明实施例以简单的操作流程和数据采集处理，方便快捷的测出用户的警觉注意力，提高了测量警觉注意力的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的警觉注意力测量系统的振动触觉模块的组成结构示意图；

图3为本发明实施例提供的警觉注意力测量系统的振动触觉刺激组成示意图；

图4为本发明实施例提供的警觉注意力测量系统的测量任务过程图；

图5为本发明实施例提供的测量流程图。

具体实施方式

下面结合本发明的具体内容，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，都属于本发明的保护范围。

正常人都具备力触觉感知这一能力。面对盲人、或者视力不好的老年人等群体时就不会出现测量结果与实际不相符甚至无法测量的问题，本发明系统正是利用触觉通道测量人的警觉注意力，来正确的评估出人的注意力，该测量系统同样还能帮助研究人员深入了解触觉工作原理。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统，包括：主控制模块、从控制模块、振动触觉模块和抗干扰模块；其中，

所述主控制模块，与所述从控制模块连接，能控制所述从控制模块驱动所述振动触觉模块刺激用户，并接收用户反馈来测量用户的反应时间以及根据用户的反应时间计算得出用户的警觉注意力；

所述从控制模块，与所述振动触觉模块连接，能驱动所述振动触觉模块产生不同强度的振动触觉刺激；

所述振动触觉模块，设置于被测者的手指，能产生不同强度的振动触觉刺激以对用户的手指进行刺激；

所述抗干扰模块，用于在测量过程中，佩戴于用户以隔绝外界环境对被测者的声音干扰和视觉干扰。

上述测量系统中，主控制模块包括：计算机和测量警觉注意力的计算机程序；其中，

所述计算机，执行所述测量警觉注意力的计算机程序；

所述测量警觉注意力的计算机程序，用于接收用户由键盘给出的反馈，向所述从控制模块发送控制命令以及测量用户的反应时间。

上述测量系统中，测量警觉注意力的计算机程序包括：

定时模块、计时模块、数据通信模块和数据处理模块；

其中，所述定时模块，用于严格控制测量流程的时间；

所述计时模块，用于记录被测者测量开始到反馈之间的反应时间；

数据通信模块，用于测量阶段发送相关指令给下位机；

所述数据处理模块，用于根据所述计时模块测得的反应时间，计算出基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力。

上述测量系统中，数据处理模块计算出基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力方式如下：

若设定N个测量任务，其中N/2个测量任务为无线索刺激的测量任务，另外N/2个测量任务为含有中央线索刺激的测量任务。若无线索刺激的测量任务中有m个任务被正确反馈，含有中央线索刺激的测量任务有n个任务被正确反馈。则在无线索刺激的情况下，通过用户的平均反应时间为：

在含有中央线索刺激的情况下，用户的平均反应时间为：

则基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力为：

R.T_Alerting＝R.T_NoCue-R.T_CenterCue

当测量任务次数达到N次之后，按上式进行数据处理，即计算得出在手指振动触觉刺激下的警觉注意力。

上述测量系统中，从控制模块包括：下位机和交流振动马达驱动器；其中，

所述下位机，通过串口线与所述主控制模块的计算机连接，能接收所述主控制模块的计算机执行的测量警觉注意力的计算机程序发送的控制命令，并根据控制命令执行下位机程序来控制所述交流振动马达驱动器；

所述交流振动马达驱动器，与所述振动触觉模块连接，能驱动所述振动触觉模块振动。

如图2所示，上述测量系统中，振动触觉模块包括：三个交流振动马达31和马达固定装置32；其中，

所述三个交流振动马达，通过I2C总线与所述振动触觉模块的交流振动马达驱动器连接，用于产生不同强度的振动触觉刺激用户的手指；

所述马达固定装置，用于将所述三个交流振动马达固定于用户手1的食指、中指、无名指上。

上述测量系统中，抗干扰模块包括：抗噪音耳罩与遮光眼罩；其中，

所述抗噪音耳罩，用于在测量过程中，佩戴于用户的耳部以隔绝外界环境对用户的声音干扰；

所述遮光眼罩，用于在测量过程中，佩戴于用户的眼部以隔绝外界环境对用户的视觉干扰。

上述测量系统中，振动触觉模块的振动触觉刺激包括：触觉线索刺激和触觉目标刺激；其中，

所述触觉线索刺激包括：无线索和中央线索两种：所述无线索为用户的食指、中指、无名指上的所述振动触觉模块的交流振动马达均不产生振动；所述中央线索为中指上的所述振动触觉模块的交流振动马达产生振动，而食指和无名指上的所述振动触觉模块的交流振动马达不产生振动。

所述触觉目标刺激包括：强振动和弱振动两种，测量之前用户能明显区分强振动和弱振动这两种不同强度的振动，触觉目标刺激单一出现在食指或无名指上；

触觉目标刺激包括如下四种方式：在食指上产生弱振动、在食指上产生强振动、在无名指上产生弱振动和在无名指上产生强振动；

触觉目标刺激用于用户识别，并作为用户在键盘上做出相应反馈的根据；所述用户在键盘上做出相应反馈的形式为：触觉目标刺激为强振动时则按下键盘上的上方向键，触觉目标刺激为弱振动时则按下键盘上的下方向键，用户反馈完后，使产生触觉目标刺激的所述振动触觉模块的振动马达停止振动。

另一方面，本发明实施例还提供了一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量方法，采用本发明所述的测量系统，包括以下步骤：

步骤1，从无线索刺激和中央线索刺激伪随机选择一种进行刺激，且测量完成后，保持空间线索刺激与中央线索刺激出现的次数相同，在无线索刺激或中央线索刺激下，根据触觉目标刺激的出现时刻为起点而测量出用户的反应时间；具体为：

将所述测量系统的振动触觉模块分布设置在用户左手的食指、中指和无名指上，先给定一个400～1600毫秒的随机时间，以使用户等待无线索刺激或中央线索刺激的到来；

随后给予用户无线索刺激或中央线索刺激，持续100毫秒，若为无线索刺激，则用户食指、中指、无名指上的振动触觉模块均不振动，若为中央线索刺激，则中指上的振动触觉模块振动；

接着给予400毫秒的等待时间，以使用户等待触觉目标刺激到来；

待触觉目标刺激出现，记录触觉目标刺激刚出现时刻用户感受到触觉目标刺激后即做出的反馈，若用户确认触觉目标刺激为强振动，则按下键盘上的某个键并记录为反馈正确，若所按的键与预先设定不同则记录为反馈错误，若用户确认触觉目标刺激为弱振动，则按下键盘上的另外一个键并记录为反馈正确，若所按的键与预先设定不同则记录为反馈错误，记录用户做出反馈的时刻，将用户做出反馈的时刻与触觉目标刺激的出现时刻相减，即得到用户的反应时间；

步骤2，通过多次重复上述测量步骤1获得的反应时间计算出人的警觉注意力；具体为：

将步骤1所获得的反应时间分成两类：在无线索刺激下的反应时间与在中央线索刺激下的反应时间；若无线索刺激的测量任务中有m个任务被正确反馈，含有中央线索刺激的测量任务有n个任务被正确反馈；则在无线索刺激的情况下，通过用户的平均反应时间为：

在含有中央线索刺激的情况下，用户的平均反应时间为：

则基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力为：

R.T_Alerting＝R.T_NoCue-R.T_CenterCue。

下面对本发明实施例具体作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统，其主要包括：主控制模块、从控制模块、振动触觉模块、抗干扰模块。其中，所述主控制模块与从控制模块相连；所述从控制模块与振动触觉模块相连；其中，

所述主控制模块包括：计算机和测量警觉注意力的计算机程序；其中，所述计算机，用于运行测量警觉注意力的计算机程序，并提供键盘用于用户反馈。所述测量警觉注意力的计算机程序，用于控制下位机，测量人的反应时间以及数据处理。本测量程序必须要具有高度的实时性，因为所测反应时间很小，因此本测量程序必须要使用具有高精度定时器的语言来编写以此来保证所测数据的准确性，例如可以使用C++来编写该测量警觉注意力的计算机程序。

所述从控制模块包括：下位机(单片机)和交流振动马达驱动器；其中，下位机通过串口线与计算机相连，交流振动马达通过I2C总线与交流振动马达驱动器相连。所述下位机，用于接受测量警觉注意力的计算机程序发送的命令，执行下位机程序来控制振动马达，下位机必须应具有实时性，例如可采用Arduino mega 2560单片机。所述交流振动马达驱动器，用于驱动交流振动马达振动。

所述振动触觉模块包括：三个交流振动马达和马达固定装置；其中，所述交流振动马达，用于产生振动触觉刺激人的手指，并且其能产生不同强度的振动，也必须能够快速响应。因为本测量系统所测反应时间较小，因此振动马达的延时性不能太高，太高则影响测量的准确性，例如可以使用PRECISION MICRODRIVES C10-000。如图2所述，此系统中包含3个交流振动马达。所述马达固定装置，用于固定3个交流振动马达于左手的食指、中指、无名指上。

所述抗干扰模块包括：抗噪音耳罩与遮光眼罩；所述抗噪音耳罩，用于在测量过程中，隔绝外界环境的声音干扰；所述遮光眼罩，用于在测量过程中，隔绝外界环境的视觉干扰。

如图3所示，所述振动触觉模块的振动触觉刺激包括：触觉线索刺激，触觉目标刺激。触觉线索刺激分为两种，一种为无线索，即食指、中指、无名指上的交流振动马达均不产生振动；另外一种为中央线索，即中指上的交流振动马达产生振动，而食指、无名指上的交流振动马达不产生振动。目标触觉刺激分为两种：一种为强振动，另外一种为弱振动。在测量过程前，必须保证用户对这两种不同强度的振动有明显的区分。触觉目标刺激只会出现在食指或无名指上，并且不会同时在食指或无名指上，即触觉目标刺激有如下几种情况：在食指上产生弱振动，在食指上产生强振动，在无名指上产生弱振动，在无名指上产生强振动。触觉目标刺激用于用户识别，并作为用户在键盘上做出相应反馈的根据。

参照图4、图5(图4中R、M、L分别表示食指、中指和无名指)，本发明所提供的测量方法的实现步骤如下：

步骤1，根据触觉目标刺激的出现时刻为起点而测量出用户的反应时间。

(1a)首先，被测者需保持注意，等待下一阶段线索的到来，此阶段持续时间为D1毫秒(D1为400至1600之间的一个随机整数)，此阶段没有线索触觉刺激、目标触觉刺激作用于被测者的手上。

(1b)接着为线索出现阶段，本方法中线索有两种，即无线索与中央线索，线索触觉刺激将持续100毫秒。

(1c)然后被测者仍需保持注意，此阶段持续时间为400毫秒，此阶段无线索触觉刺激、目标触觉刺激作用于被测者的手上。

(1d)最后为触觉目标刺激出现阶段，在此阶段到来之时，就会产生触觉目标刺激，当被测者感受到触觉目标刺激之时，需要尽快尽可能准确的给上位机一个反馈，当被测者做出反馈之后，触觉目标刺激消失，从触觉目标刺激出现到被测者做出反馈这一段时间称为反应时间RT，第四阶段持续时间为3500-D1毫秒，也就是说触觉目标刺激持续RT毫秒，而其后的3500-RT-D1毫秒无线索触觉刺激、目标触觉刺激作用于被测者的手上。因此一个测量任务总时长为4000毫秒。

步骤2，通过多次重复上述测量步骤获得的反应时间来计算出人的警觉注意力。

(2a)多次重复步骤1中的测量任务，获取若干个测量数据。

(2b)计算在无线索刺激的情况下被测者的平均反应时间。

若所述的测量系统包含N个测量任务，其中N/2个测量任务为无线索刺激的测量任务，另外N/2个测量任务为含有中央线索刺激的测量任务。若无线索刺激的测量任务中有m个任务被正确反馈，则在无线索刺激的情况下，被测者的平均反应时间为：

(2c)计算在中央线索刺激的情况下被测者的平均反应时间。

若含有中央线索刺激的测量任务有n个任务被正确反馈，则在中央线索刺激的情况下，被测者的平均反应时间为：

(2d)计算基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力。

根据步骤2b和步骤2c获得的不同线索刺激下的平均反应时间，我们可以利用如下公式计算出基于手指振动触觉刺激下的警觉注意力：

R.T_Alerting＝R.T_NoCue-R.T_CenterCue

上述测量方法的具体实现方式如下：

该测量系统的测量警觉注意力的计算机程序的测量过程可以通过高精度计时器来实现，例如可以利用Win32API函数库中的多媒体定时器来实现，多媒体定时器的计时精度高达1毫秒，因此可保证测量精度。在测量任务的第一阶段到来之时，通过使用随机数生成函数产生一个400-1600之间的随机数，用作第一个阶段的持续时间D1，然后开启多媒体定时器进行计时。当多媒体定时器计时到D1时，设定测量任务的第二阶段的持续时间为100毫秒，如果本次任务的线索为中央线索，则上位机给下位机发送命令，使位于中指上的交流振动马达产生振动，否则上位机不发送命令给下位机。当多媒体定时器计时100毫秒时，使交流振动马达停止振动，设定测量任务的第三阶段的持续时间为400毫秒。当多媒体定时器计时400毫秒时，设定测量任务的第四阶段的持续时间为3500-D1毫秒，根据读取预设的本次任务的目标刺激的位置和强弱，上位机给下位机发送相应的命令，当用户感受到触觉目标刺激之时，尽快尽可能准确的给上位机一个反馈，其反馈形式为目标刺激为强振动时则按下键盘上的上方向键，目标刺激为弱振动时则按下键盘上的下方向键，用户反馈完之后，使产生目标刺激的振动马达停止振动。

所述的线索存在2种情况，所述的目标存在4种情况，则线索与目标的组合则存在8种情况。所述的测量系统包含的N个测量任务，含有这8种情况的个数相同，且在测量开始之前，利用随机数生成函数随机分配好各种情况的先后次序。

所述的基于手指振动触觉刺激的警觉注意力测量系统，在测量之前，让用户充分体验，让用户能充分理解测量流程。在用户充分熟悉此系统之后才能开始正式测量。

如图5所示，用户坐在测量系统前，头戴抗噪音耳罩，眼睛戴上遮光眼罩。左手的食指、中指、无名指上各固定1个交流振动马达，右上放置于键盘上，其中两只手指分别置于上方向键和下方向键。当用户准备好之后，启动测量警觉注意力的计算机程序，则用户开始完成测量任务，当目标刺激出现的时候，计算机程序开始计时，当用户按下键盘上的上方向键或者下方向键，则结束计时，计算出用户的反应时间RT，并记录用户的反馈是否正确。所述用户反馈正确即目标刺激为强振动时，用户按下键盘上的上方向键即为正确，若按下键盘上的下方向键则视为反馈错误；同样，目标刺激为弱振动时，用户按下键盘上的下方向键即为正确，若按下键盘上的上方向键则视为反馈错误。

当测量任务次数达到N次之后，则本发明提供的测量方法计算出在手指振动触觉刺激下的警觉注意力，并将该结果显示在主控制模块的计算机的屏幕上。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。