前庭性错觉模拟训练系统的研制与应用

黎舒涵，潘益凯，周好斌，王永春，孙喜庆

(1空军军医大学航空航天医学系航空航天医学训练教研室，陕西 西安 710032；2西安石油大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710065)

飞行空间定向障碍是飞行员在飞行过程中，受视觉、前庭及心理原因的影响，失去了对飞机和自身的正确知觉，从而产生的各种事件[1]。飞行空间定向障碍中以飞行错觉最为典型且最为常见[2]，飞行错觉容易产生事故，对飞行安全造成了严重威胁[3]，前庭性错觉属于飞行错觉中发生率最高的一类[4]。因此，对飞行人员开展前庭性错觉预防和训练具有重要的现实意义。

飞行员在飞行过程中受复合加速度的影响，前庭受到刺激，易产生多种前庭性错觉[5]。因此，要减轻前庭性错觉带来的危害，通常通过以下几个方面来实现：①前庭性错觉理论学习[6]；②提高仪表空间定向能力[7-8]；③前庭性错觉地面与空中模拟体验[9]；④前庭性错觉地面模拟训练[10]。后两者的开展需要借助前庭性错觉地面模拟诱发设备[11]，如电动转椅[12-13]、短臂离心机[14]等在地面环境开展前庭性错觉体验和训练，减轻前庭性错觉对飞行人员的影响。然而，目前的前庭性错觉地面模拟诱发设备尚存在不足之处，因此，笔者研制了新型前庭性错觉模拟训练系统，目的在于模拟复合加速度对人体的影响，诱发各种前庭性错觉，进行前庭性错觉的体验和训练，从而达到增强前庭系统功能、减轻乃至克服前庭性错觉的效果。

1 对象与方法

1.1 对象

本研究测试了26名健康男性受试者在前庭性错觉模拟训练系统的错觉诱发情况。受试者平均年龄(22±3)岁，身高(175±3)cm，体质量(69±11)kg。实验前向受试者介绍有关实验情况，以取得其配合，受试者被告知需在实验过程中记住各阶段产生的主观感受。

1.2 方法

1.2.1 系统设计 前庭性错觉模拟训练系统的设计原理是利用来自电磁驱动系统的回转转动动力作为动力源，使旋转运动装置在动力作用下以主支撑轴为圆心沿水平地面做回转转动，并配合座椅靠背角度和座椅前后位置的调节，以实现在地面环境开展模拟前庭性错觉并进行前庭功能训练，从而达到诱发多种前庭性错觉、增强前庭系统功能、训练克服前庭性错觉的效果。前庭性错觉模拟训练系统还可以通过地面操作控制台实现自动和手动两种工作模式，适合在地面环境开展前庭性错觉相关影响因素的实验研究。

前庭性错觉模拟训练系统由运动旋转平台、移动座舱、控制系统和监测系统等构成(图1)。

1：船式踏板；2：底侧挡板；3：上人脚踏板；4：支撑横梁；5：固定基座；6：主支撑轴；7：电磁驱动系统；8：测试仪器放置箱；9：侧护板；10：摄像头；11：可调节座椅；12：控制面板。

运动旋转平台由主支撑轴支撑，在动力作用下以主支撑轴为圆心沿水平地面做回转转动，回转转动动力源来自电磁驱动系统。采用变频调速系统进行速度调节。主轴系统的最终转速为0～60 r/min，连续可调。试验台由固定在主轴系统上的两条对称横梁组成。旋转平台控制系统由交流220 V供电。刹车由电控静音刹车系统提供。

移动座舱采用半封闭结构设计，座舱可沿转动半径前后移动，并可实现左右各30°倾斜，座舱移动速度和左右转动速度由电机控制，座椅靠背角度可前后调节。径向移动座舱舱体在充分保障实验人员安全的前提下采用低风阻结构设计。

控制系统由主控制箱、控制计算机和图像监控显示器组成，负责系统的电控操作，包括试验台的转动和停止、转速的调节控制、各种参数和状态显示器进行显示等。地面操作控制台的控制方式分为自动和手动两种工作模式。手动工作模式下，旋转运动平台的工作状态由地面操作控制台及受训者自己(高优先级)控制，地面操作控制台负责数据监控和记录存储。自动工作模式下，可通过控制计算机对工作过程和相关数据进行程序编程设定，地面操作控制台将会按照所设定的程序自动运行，并负责数据监控和记录存储，受训者只能进行停止操作(设定为最高优先级)。

监测系统由摄像监控系统、生理参数检测记录仪等组成，其中摄像监控系统、传输系统、生理参数检测记录仪可以将图像信号和生理信号实时传递到监控工作台，记录训练过程中人体的各项生理指标。系统主要技术参数：外形尺寸有效回转半径2 000 mm，总高度<1 500 mm，座椅离地高度<650 mm，总宽度700 mm。最大回转转速为60 r/min，静止到最大回转转速加速时间<10 s。转动系统提供其他设备所需的220 V供电电源500 W，预留8条备用信号线。支撑主立柱配备双固定轴承，4 000 mm的主梁由两段2 000 mm梁螺栓固定拼接而成。座椅、座垫倾角，靠背角度和前后位置可调节，两边配半封闭式安全保护装置，预留两节直径700 mm、高度400 mm的测试仪器放置箱。

1.2.2 实施方式 前庭性错觉模拟训练系统通过电磁驱动运动旋转平台旋转，可容纳两人同时进行前庭性错觉地面模拟训练。使用时，两名受试者背向分别进入旋转运动平台的舱体内，保持坐位状态固定于舱体座椅上，系上安全带，将座椅靠背角度调节适当，使受试者调节至训练体位，可根据实验需要固定安装心率、血压等检测设备。打开控制系统主控制箱电源开关，进入计算机前庭性错觉模拟训练系统程序控制界面，根据实验需要设定参数。

1.2.3 测试应用 利用前庭性错觉模拟训练系统进行加速启动、匀速旋转、匀速旋转复合受试者自主动头、匀速旋转复合座椅沿半径移动以及制动减速，比较前庭性错觉模拟训练系统不同阶段产生各类错觉的诱发率。受试者坐位固定于短臂离心机舱体座椅，座椅靠背与水平地面保持60°夹角，受试者身体自然紧贴座椅靠背，头部保持正直位，让受试者紧闭双眼，以保证实验过程中对其视觉剥夺。启动前庭性错觉模拟训练系统顺时针旋转，加速至15 r/min后匀速旋转15 s；令受试者1 s内快速将头部前倾30°并保持10 s后将头部回正，回正后10 s再次重复该动作并保持10 s后将头部回正；回正后间隔10 s，令受试者1 s内快速将头部左旋45°，保持10 s后令受试者1 s内快速将头部右旋90°，保持10 s后令受试者1 s内快速将头部左旋90°，保持10 s后将头部回正；回正后间隔10 s，待受试者感觉消退后，将前庭性错觉模拟训练系统旋转速度加速至30 r/min，保持30 r/min的旋转速度匀速旋转15 s后，使舱体座椅沿半径以速度6 cm/s平移35 cm，平移至固定位置后保持10 s，使前庭性错觉模拟训练系统制动，以10 s减速至停止。转动过程中受试者若出现难以忍受的恶心、呕吐、乏力等自主神经反应时，可按动座椅侧面的紧急制动按钮，也可报告主试，实验将迅速中止。

实验结束后，令受试者即刻填写《被试主观感觉调查表》，记录下受试者在前庭性错觉模拟训练系统加速、头部前倾、头部转动、座椅前后移动、制动阶段分别产生的主观感受，统计前庭性错觉模拟训练系统旋转各阶段的错觉诱发情况。

1.2.4 统计学分析 采用SPSS 22.0统计分析软件对实验数据进行分析，错觉诱发率的比较采用χ2检验，P<0.05表示差异有统计学意义。

2 结果

训练系统启动加速阶段的错觉诱发率为23.1%，较实验前差异显著(P<0.05)，受试者报告感觉为身体前倾、上升且与训练系统反向旋转。

训练系统匀速旋转复合头部倾动阶段的错觉诱发率为66.7%，较实验前差异显著(P<0.05)，错觉诱发形态较为多样。头部前倾时，受试者报告感觉为身体向右扭转、向前翻转、螺旋上升、出现错觉但无法描述；头部回靠时，受试者报告感觉为身体向左扭转、向后翻转、出现错觉但无法描述。

训练系统匀速旋转复合头部转动阶段的错觉诱发率为92.3%，较实验前差异显著(P<0.05)，错觉诱发形态较为多样。头部左转时，受试者报告感觉为身体向后翻转、左旋同时向后翻转与上升；头部右转时，受试者报告感觉为身体向前翻转、右旋同时向前方翻转与上升。

训练系统匀速旋转复合座椅向外移动阶段的错觉诱发率为83.3%，较实验前差异显著(P<0.05)，错觉诱发形态较为多样。受试者报告感觉为身体上升、向右倾与前倾。

训练系统制动减速阶段的错觉诱发率为57.7%，较实验前差异显著(P<0.05)，受试者报告感觉为训练系统反向旋转与身体后倾。

3 讨论

在此次对前庭性错觉模拟训练系统的测试应用实验中，诱发出了形态多样的前庭性错觉。启动加速阶段诱发出了训练系统反向旋转错觉与前倾错觉，训练系统匀速运行复合动头阶段诱发出了两种科里奥利错觉，即科里奥利旋转错觉与科里奥利翻转错觉，匀速运行复合座椅移动阶段诱发出了科里奥利旋转错觉与前倾错觉，制动减速阶段诱发出了训练系统反向旋转错觉和后倾错觉，这与本课题组的前期研究结果基本一致[11,14-15]。本次实验中诱发出的前倾、后倾错觉属于躯体重力错觉，训练系统反向旋转错觉属于躯体旋动错觉，因此，对本训练系统的测试应用表明，前庭性错觉模拟训练系统可以进行科里奥利错觉、躯体重力错觉以及躯体旋动错觉3种前庭性错觉的模拟训练。

同以往研究相比，本次实验的训练系统启动加速阶段错觉诱发率偏低，造成该结果的原因可能是本实验中，前庭性错觉模拟训练系统启动加速阶段的加速度设定为0.025 rad/s2，推测该加速度过小，导致部分受试者半规管受到的角加速度刺激未达到阈上刺激的标准，故未能诱发其产生前庭性错觉。应在后续实验中适当增加前庭性错觉模拟训练系统启动加速阶段加速度，以达到在训练系统启动加速阶段诱发前庭性错觉的目的。

笔者研制了座舱倾角与前后位置可调节的前庭性错觉模拟训练系统，本系统具有以下特点：①可通过地面操作控制台实现自动和手动两种工作模式；②座椅前上方设置摄像头与计算机显示界面连接，可记录受试者面部特征，视频可实时监测、记录及回放；③座舱倾角、靠背角度和前后位置可调节，两边配半封闭式安全保护装置；④旋转动力系统动力源由电磁驱动力提供，可实现低噪音平稳运行；⑤外观结构实现美观化设计、高安全可靠性和低风阻效果；⑥设置旋转台测试仪器放置空间，系统可提供其他设备所需的220 V供电电源；⑦采用高可靠性和轻量化设计，可保证系统能够长期连续工作。本研究为飞行人员开展前庭性错觉的体验和训练提供了一种新的训练手段。本系统的训练方案和训练效果尚有待进一步探讨。