軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙的研制

劉 娟，宋華淼，任滿均，李寶君，張宜爽，楊 柳，彭 飛

軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙的研制

劉 娟，宋華淼，任滿均，李寶君，張宜爽，楊 柳，彭 飛

目的：研制一種能有效提高軍人心理健康水平、緩解軍事應(yīng)激反應(yīng)，并具備良好便攜性的心理訓(xùn)練設(shè)備。方法：綜合運(yùn)用限制環(huán)境刺激療法技術(shù)、漂浮療法技術(shù)、生物反饋技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種新型的多功能心理保障設(shè)備，并設(shè)定適宜的生理反饋指標(biāo)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地評(píng)估心理訓(xùn)練效果。結(jié)果：研制的系統(tǒng)樣機(jī)包含心理學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)、心理狀態(tài)測(cè)評(píng)、表象訓(xùn)練、音樂治療和生物反饋訓(xùn)練等5個(gè)功能模塊，心理訓(xùn)練過程中人機(jī)交互操作界面簡(jiǎn)潔方便，為受訓(xùn)者生成了具有良好“臨境感”的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境。結(jié)論：軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙在理論和實(shí)踐上都是一次較大的創(chuàng)新，且設(shè)備可折疊，攜行方便，滿足部隊(duì)作戰(zhàn)過程中“隨隊(duì)保障”的要求。

軍人；心理訓(xùn)練；限制環(huán)境刺激療法；漂浮療法；生物反饋；虛擬現(xiàn)實(shí)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)既是高技術(shù)的對(duì)抗，也是軍人心理素質(zhì)的較量。良好的心理素質(zhì)是軍人完成任務(wù)的必要條件，是形成戰(zhàn)斗力的重要因素，心理健康維護(hù)已成為確保戰(zhàn)斗力提升的重要內(nèi)容。部隊(duì)作戰(zhàn)，通常面臨突發(fā)事件，官兵必須在處境險(xiǎn)惡、高度緊張，甚至身負(fù)重傷、發(fā)生意外的情況下保持穩(wěn)定的情緒和超常的意志，果敢熟練地運(yùn)用戰(zhàn)術(shù)，才能出色地完成任務(wù)[1]。優(yōu)秀的心理素質(zhì)不是完全依賴于先天所得，也不是一蹴而就所能具備的，而是必須經(jīng)過長(zhǎng)期嚴(yán)格的心理訓(xùn)練才能擁有[2-3]。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的實(shí)踐表明，必須提高心理訓(xùn)練水平，給官兵鑄造一顆“防彈心”。為此，針對(duì)部隊(duì)的實(shí)際情況，研制了一種適合我軍多樣化軍事行動(dòng)特點(diǎn)，能有效提高軍人心理素質(zhì)、緩解軍事應(yīng)激反應(yīng)，并具備良好便攜性、滿足部隊(duì)作戰(zhàn)過程中“隨隊(duì)保障”的心理訓(xùn)練設(shè)備。

1 基本原理

該設(shè)備是綜合運(yùn)用限制環(huán)境刺激療法技術(shù)、漂浮療法技術(shù)、生物反饋技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，具備心理訓(xùn)練功能和漂浮、音樂、生物反饋3種心理治療功能。

1.1 限制環(huán)境刺激療法技術(shù)

限制環(huán)境刺激療法技術(shù)是一種感覺隔離的方法，是將外界刺激輸入降低到最低限度，使機(jī)體在一段時(shí)間內(nèi)處于與外界環(huán)境高度隔離的特殊狀態(tài)。在這種狀態(tài)下的最初60～90 min內(nèi)，機(jī)體的反應(yīng)是深度放松的，從血壓、心率、呼吸頻率、肌電圖和腎上腺素等生理指標(biāo)都可以得到反映；放松的同時(shí)，也可以給人帶來愉快的感受[4]。

1.2 漂浮療法技術(shù)

漂浮療法技術(shù)，近20多年才逐漸發(fā)展起來，目前在美國(guó)、加拿大、歐洲等國(guó)家迅速普及，在我國(guó)剛剛起步。漂浮狀態(tài)主要產(chǎn)生4種效應(yīng)：（1）失重感，全身的隨意肌自然展開，變得松弛而柔韌；（2）與環(huán)境交融，人體漂浮其中時(shí)觸覺消失，整個(gè)身體就像沒有邊界一樣完全“融化”；（3）內(nèi)心的空靈，在諸多外界刺激被剝奪的情況下，各種應(yīng)激源也隨之消失，內(nèi)心愉悅而平和；（4）想象被激發(fā)，機(jī)體主觀感覺在漂浮過程中出現(xiàn)鮮明且內(nèi)容豐富的想象[5]。

1.3 生物反饋技術(shù)

生物反饋技術(shù)是應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)將人們正常情況下意識(shí)不到的身體生理信號(hào)，如肌電、腦電、皮溫、心率、血壓等轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢员蝗瞬煊X到的信號(hào)，如視覺、聽覺信號(hào)，讓患者根據(jù)這些信號(hào)，學(xué)會(huì)在一定范圍內(nèi)通過意識(shí)調(diào)控內(nèi)臟器官的活動(dòng)，糾正偏離正常范圍的內(nèi)臟活動(dòng)的治療和訓(xùn)練方法[6]。生物反饋?zhàn)畲蟮奶攸c(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)，在心身疾病的致病原因水平上進(jìn)行治療，起到釜底抽薪的作用。它與目前的生物醫(yī)學(xué)高新技術(shù)相結(jié)合，會(huì)顯著豐富傳統(tǒng)治療學(xué)的內(nèi)容，成為增進(jìn)人類心身健康的有力工具[7]。

1.4 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是用計(jì)算機(jī)生成逼真的三維視、聽、嗅覺等感覺，人作為參與者，通過適當(dāng)裝置，自然地對(duì)虛擬世界進(jìn)行體驗(yàn)和交互作用[8]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可用于心理治療，通過三維立體畫面使人不知不覺地直接進(jìn)入場(chǎng)景刺激狀態(tài)，產(chǎn)生“臨境感”，比如，平靜的場(chǎng)景畫面誘導(dǎo)受訓(xùn)者進(jìn)入放松狀態(tài)，激烈的場(chǎng)景畫面誘導(dǎo)受訓(xùn)者進(jìn)入應(yīng)激狀態(tài)[9]。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以改進(jìn)生物反饋的訓(xùn)練效果，它與傳統(tǒng)的生物反饋相比，無(wú)論在技術(shù)上還是思想上都有質(zhì)的飛躍。虛擬現(xiàn)實(shí)生物反饋將受訓(xùn)者和計(jì)算機(jī)視為一個(gè)整體，通過各種技術(shù)將反饋信息進(jìn)行可視化，形成逼真的環(huán)境，具有非常強(qiáng)的視聽沖擊效果，導(dǎo)致被試者在訓(xùn)練過程中無(wú)法抗拒，會(huì)不自主地與畫面內(nèi)容融為一體，有很強(qiáng)的沉浸感和真實(shí)感[10-11]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

本文在生物反饋技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和心理治療中“漂浮療法”及“限制環(huán)境刺激療法”的原理和方法，研制一種新型的多功能軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙（以下簡(jiǎn)稱“漂浮艙”），如圖1所示。漂浮艙可用于部隊(duì)官兵的心理訓(xùn)練，并對(duì)心理疾患實(shí)施有效的輔助心理調(diào)節(jié)或矯治，以達(dá)到調(diào)節(jié)軍事應(yīng)激造成的身心不適、提高戰(zhàn)斗力的目的。漂浮艙系統(tǒng)框圖如圖2所示，圖3是訓(xùn)練模式示意圖。從圖3可以看出，漂浮艙使心理訓(xùn)練專業(yè)人員對(duì)訓(xùn)練效果的評(píng)價(jià)更有依據(jù)性，能和受訓(xùn)官兵進(jìn)行更有效的交流并及時(shí)給予指導(dǎo)；同時(shí)，漂浮艙利用基于虛擬現(xiàn)實(shí)的生物反饋技術(shù)及時(shí)將測(cè)量的信息連續(xù)地呈現(xiàn)給受訓(xùn)官兵本人，使他們能夠覺察到體內(nèi)的生理變化，并在心理訓(xùn)練專業(yè)人員的指導(dǎo)下學(xué)會(huì)隨意控制和自我調(diào)節(jié)這些變化，達(dá)到心身放松、維持體內(nèi)穩(wěn)態(tài)平衡的目的。

圖1 軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙外觀

圖3 軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙訓(xùn)練模式示意圖

2.2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的漂浮艙心理訓(xùn)練系統(tǒng)，采用藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，實(shí)現(xiàn)主控端和被控端的無(wú)線連接。硬件部分主要包括漂浮艙體和生物反饋系統(tǒng)2部分。

2.2.1 漂浮艙體

漂浮艙體可移動(dòng)，由部署箱和艙體箱組成。艙體箱用于給受訓(xùn)者提供恒溫舒適且隔音性能較好的訓(xùn)練空間；部署箱用于對(duì)艙體箱進(jìn)行控制，包括氣壓、水壓、溫度等。漂浮艙體符合電子產(chǎn)品三防（防潮、防煙霧、防霉）標(biāo)準(zhǔn)。部署箱尺寸為692 mm×436 mm× 375.5 mm；艙體箱展開尺寸為2 540 mm×1 270 mm× 270 mm，折疊尺寸為1 270 mm×545 mm×1 070 mm。

2.2.2 生物反饋模塊硬件系統(tǒng)

生物反饋模塊提供基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生物反饋療法，采用電路模塊結(jié)合個(gè)人計(jì)算機(jī)的上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)心理訓(xùn)練功能。系統(tǒng)采集了心電、肌電、皮電和血氧飽和度等4路生理信號(hào)；從各路信號(hào)中提取心律變異性（ECG）、肌電信號(hào)峰-峰值（EMG）、皮膚阻抗值（GSR）和血氧飽和度（SaO2）作為反饋生理信號(hào)。下位機(jī)用于數(shù)據(jù)采集，以DSP核心構(gòu)建硬件系統(tǒng)，各個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)方法，完成微弱生物電信號(hào)的檢測(cè)與反饋、數(shù)據(jù)傳輸和波形輸出等功能。心電信號(hào)選擇標(biāo)準(zhǔn)肢體Ⅱ?qū)?lián)，采樣頻率200 Hz，電路中加入50 Hz陷波電路去除工頻干擾；同時(shí)采用右腿驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，有效抑制共模干擾。生物反饋放松訓(xùn)練過程中，肌電采樣頻率50 Hz，肌電信號(hào)比較微弱，對(duì)電路要求高，噪聲水平低于4 μV。皮電采樣頻率10 Hz，采用恒流激勵(lì)電壓測(cè)量的電路結(jié)構(gòu)，電流源采用高輸出阻抗的howland電流源。血氧飽和度檢測(cè)采用透射式血氧指套，采樣頻率1 Hz。生物反饋系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖4所示。上位機(jī)為個(gè)人計(jì)算機(jī)，主要用于數(shù)據(jù)的集中處理，提供數(shù)據(jù)庫(kù)管理和生物電波形的動(dòng)態(tài)顯示等。AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)需要上傳到上位機(jī)，并且受上位機(jī)命令控制，上位機(jī)和下位機(jī)的通信采用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)。

圖4 生物反饋系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖

2.3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為Virtual Studio 2010，開發(fā)語(yǔ)言為C++，采用MFC、Microsoft DirectX SDK共同開發(fā)完成。系統(tǒng)采用簡(jiǎn)潔、方便的交互操作界面，運(yùn)行環(huán)境為Windows XP SP2操作系統(tǒng)，最佳分辨率為1 680×1 050。該軟件系統(tǒng)劃分為心理學(xué)知識(shí)學(xué)習(xí)模塊、心理狀態(tài)測(cè)評(píng)模塊、表象訓(xùn)練模塊、音樂治療模塊和生物反饋訓(xùn)練模塊等5大功能模塊（如圖5所示）。其中，生物反饋訓(xùn)練模塊包含訓(xùn)練教程、數(shù)據(jù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋控制和數(shù)據(jù)回顧等功能（如圖6所示）。

圖5 系統(tǒng)軟件功能模塊

圖6 生物反饋系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)與功能

3 應(yīng)用效果

應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的漂浮艙系統(tǒng)對(duì)116名軍事飛行員進(jìn)行了急性應(yīng)激后心理訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)評(píng)定得出結(jié)論：系統(tǒng)硬件工作正常，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，保持零故障率；系統(tǒng)軟件人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大，操作靈活方便。生物反饋訓(xùn)練場(chǎng)景動(dòng)畫豐富生動(dòng)，沉浸感強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練過程全參數(shù)、全方位的監(jiān)控和實(shí)時(shí)計(jì)算分析，系統(tǒng)自動(dòng)生成訓(xùn)練效果評(píng)估報(bào)告，數(shù)據(jù)圖文分析清晰，結(jié)果可靠。圖7是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的生物反饋訓(xùn)練界面示例，為受訓(xùn)人員創(chuàng)造了“宇宙飛船遨游太空”的場(chǎng)景，畫面栩栩如生，使受訓(xùn)者身臨其境、身心放松。實(shí)驗(yàn)中先用“多重任務(wù)”給飛行員誘發(fā)急性應(yīng)激，然后對(duì)其進(jìn)行漂浮艙心理訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)間為10 min，采用皮膚電導(dǎo)（電阻的倒數(shù)）作為衡量情緒變化的生理指標(biāo)。皮膚電導(dǎo)的變化與汗腺有關(guān)，如果被試的皮膚電導(dǎo)增大，說明汗液分泌增多，汗腺活動(dòng)增強(qiáng)，即交感神經(jīng)活動(dòng)興奮，即說明受訓(xùn)者的情緒活動(dòng)較為強(qiáng)烈。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，漂浮艙訓(xùn)練過程中飛行員的皮膚電導(dǎo)值顯著降低，說明該訓(xùn)練能降低交感神經(jīng)活動(dòng)，有效緩解急性應(yīng)激。

圖7 虛擬現(xiàn)實(shí)生物反饋訓(xùn)練界面示例

4 結(jié)論和討論

隨著我軍遂行多樣化軍事任務(wù)日益增多，在突發(fā)事件中官兵心理問題或心理疾病有增加的趨勢(shì)。心理衛(wèi)生服務(wù)不僅是語(yǔ)言溝通和干預(yù)，還應(yīng)該有儀器設(shè)備輔助，才能達(dá)到更好的效果。從目前國(guó)內(nèi)外及我軍心理學(xué)應(yīng)用情況看，心理衛(wèi)生設(shè)備多數(shù)局限于“生物反饋”單一設(shè)備的改進(jìn)方面，與部隊(duì)需求相差甚遠(yuǎn)。因此，研發(fā)適合我軍特點(diǎn)的心理訓(xùn)練裝備以促進(jìn)戰(zhàn)斗力的提升是目前急需解決的現(xiàn)實(shí)問題。

本文設(shè)計(jì)的軍用漂浮放松反饋訓(xùn)練太空艙，綜合運(yùn)用了限制環(huán)境刺激療法技術(shù)、漂浮療法技術(shù)、生物反饋技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在理論和實(shí)踐上都是一次巨大的創(chuàng)新。1977年，John.A.Li11y發(fā)明的第一個(gè)漂浮儀是一個(gè)密閉隔音的小艙，艙內(nèi)盛有漂浮液，深約25 cm，密度約1.28 kg/L，液體溫度與被試者體溫保持一致。漂浮儀內(nèi)沒有任何光線，環(huán)境音量低于10 dB。在這種條件下，受訓(xùn)人員漂浮于液面上，重量感消失，所有的隨意肌均可以完全放松，通過這種方式進(jìn)行心理調(diào)節(jié)與治療。如今大多的漂浮療法已不再使用傳統(tǒng)的漂浮儀，取而代之的是一個(gè)較為寬敞的封閉式房間，內(nèi)置一個(gè)特制的類似浴池的漂浮容器用以盛放漂浮液。近年來，漂浮療法又發(fā)展出一種新模式，與傳統(tǒng)方法的不同之處在于受訓(xùn)人員不是直接在水面漂浮，而是在一個(gè)盛有漂浮液的巨大水囊上漂浮，人體與漂浮液之間隔有一層低觸覺薄膜，傳統(tǒng)的漂浮療法被稱為濕性漂浮，這種方法則稱為干性漂浮。漂浮療法在西方國(guó)家已經(jīng)普及，在我國(guó)才剛剛起步，理論與實(shí)踐尚處于探索之中。本文應(yīng)用并發(fā)展了現(xiàn)有的漂浮治療技術(shù)，采用干性漂浮方法，一方面達(dá)到身心放松的目的，同時(shí)也有效避免了漂浮艙內(nèi)受訓(xùn)人員與漂浮液直接接觸所帶來的消毒不及時(shí)、不衛(wèi)生和意外嗆水等不安全問題?！捌∨摗痹诳哲姴筷?duì)進(jìn)行了小范圍的應(yīng)用，初步的應(yīng)用效果表明，以“漂浮艙”為訓(xùn)練環(huán)境，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)生物反饋技術(shù)，受訓(xùn)官兵在訓(xùn)練過程中松弛自如，極易產(chǎn)生太空漂浮翱翔藍(lán)天的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)“被動(dòng)式”放松，有效緩解壓力和身心疲勞，效果穩(wěn)定迅速。

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（收稿：2014-08-11 修回：2014-11-16）

Development of military floating capsule based on biofeedback therapy

LIU Juan1,SONG Hua-miao1,REN Man-jun2,LI Bao-jun3,ZHANG Yi-shuang1,YANG Liu1,PENG Fei1
（1.Institute of Aviation Medicine,Beijing 100142,China;2.Beijing Spirit Science and Technology Development Co.Ltd,Beijing 100083,China;3.Center of Mental Health Research of the PLA,Academy of Military Medical Sciences,Beijing 100850,China）

ObjectiveTo design and implement a portable system based on the principle and method of some classic psychological treatment in order to improve the level of mental health and adjust physiological function of military personnel.MethodsThe technology of restricted environmental stimulation therapy,floating therapy,biofeedback and virtual reality were applied to designing the multifunction psychological training equipment.The training effect was and accurately assessed at real time by setting appropriate psychological assessment scale and physiological biofeedback index. ResultsPrototype of the system was made which consisted of five functional modules,including the ones for psychology knowledge learning,mental state assessment,imagery training,music therapy and biofeedback treatment.ConclusionThis study is a great innovation and the system portability is important which can meet the needs of war.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：15-18]

military personnel;psychological training;restricted environmental stimulation therapy(REST);floating therapy;biofeedback;virtual reality

R318.6；R82

A

1003-8868（2015）01-0015-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.015

劉 娟（1980—），女，博士，工程師，主要從事生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)與處理及航空心理學(xué)方面的研究工作，E-mail：lj-wxj@163.com。

100142北京，空軍航空醫(yī)學(xué)研究所（劉 娟，宋華淼，張宜爽，楊柳，彭 飛）；100083 北京，北京思博納科技發(fā)展有限公司（任滿均）；100850北京，軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院全軍心理衛(wèi)生研究中心（李寶君）

宋華淼，E-mail：shmiao@163.com