军用漂浮放松反馈训练太空舱的研制

刘 娟，宋华淼，任满均，李宝君，张宜爽，杨 柳，彭 飞

军用漂浮放松反馈训练太空舱的研制

刘 娟，宋华淼，任满均，李宝君，张宜爽，杨 柳，彭 飞

目的：研制一种能有效提高军人心理健康水平、缓解军事应激反应，并具备良好便携性的心理训练设备。方法：综合运用限制环境刺激疗法技术、漂浮疗法技术、生物反馈技术和虚拟现实技术，设计一种新型的多功能心理保障设备，并设定适宜的生理反馈指标，实时准确地评估心理训练效果。结果：研制的系统样机包含心理学知识学习、心理状态测评、表象训练、音乐治疗和生物反馈训练等5个功能模块，心理训练过程中人机交互操作界面简洁方便，为受训者生成了具有良好“临境感”的虚拟现实环境。结论：军用漂浮放松反馈训练太空舱在理论和实践上都是一次较大的创新，且设备可折叠，携行方便，满足部队作战过程中“随队保障”的要求。

军人；心理训练；限制环境刺激疗法；漂浮疗法；生物反馈；虚拟现实

0 引言

现代战争既是高技术的对抗，也是军人心理素质的较量。良好的心理素质是军人完成任务的必要条件，是形成战斗力的重要因素，心理健康维护已成为确保战斗力提升的重要内容。部队作战，通常面临突发事件，官兵必须在处境险恶、高度紧张，甚至身负重伤、发生意外的情况下保持稳定的情绪和超常的意志，果敢熟练地运用战术，才能出色地完成任务[1]。优秀的心理素质不是完全依赖于先天所得，也不是一蹴而就所能具备的，而是必须经过长期严格的心理训练才能拥有[2-3]。信息化战争的实践表明，必须提高心理训练水平，给官兵铸造一颗“防弹心”。为此，针对部队的实际情况，研制了一种适合我军多样化军事行动特点，能有效提高军人心理素质、缓解军事应激反应，并具备良好便携性、满足部队作战过程中“随队保障”的心理训练设备。

1 基本原理

该设备是综合运用限制环境刺激疗法技术、漂浮疗法技术、生物反馈技术和虚拟现实技术进行设计的，具备心理训练功能和漂浮、音乐、生物反馈3种心理治疗功能。

1.1 限制环境刺激疗法技术

限制环境刺激疗法技术是一种感觉隔离的方法，是将外界刺激输入降低到最低限度，使机体在一段时间内处于与外界环境高度隔离的特殊状态。在这种状态下的最初60～90 min内，机体的反应是深度放松的，从血压、心率、呼吸频率、肌电图和肾上腺素等生理指标都可以得到反映；放松的同时，也可以给人带来愉快的感受[4]。

1.2 漂浮疗法技术

漂浮疗法技术，近20多年才逐渐发展起来，目前在美国、加拿大、欧洲等国家迅速普及，在我国刚刚起步。漂浮状态主要产生4种效应：（1）失重感，全身的随意肌自然展开，变得松弛而柔韧；（2）与环境交融，人体漂浮其中时触觉消失，整个身体就像没有边界一样完全“融化”；（3）内心的空灵，在诸多外界刺激被剥夺的情况下，各种应激源也随之消失，内心愉悦而平和；（4）想象被激发，机体主观感觉在漂浮过程中出现鲜明且内容丰富的想象[5]。

1.3 生物反馈技术

生物反馈技术是应用现代科学技术将人们正常情况下意识不到的身体生理信号，如肌电、脑电、皮温、心率、血压等转变为可以被人察觉到的信号，如视觉、听觉信号，让患者根据这些信号，学会在一定范围内通过意识调控内脏器官的活动，纠正偏离正常范围的内脏活动的治疗和训练方法[6]。生物反馈最大的特点是针对性强，在心身疾病的致病原因水平上进行治疗，起到釜底抽薪的作用。它与目前的生物医学高新技术相结合，会显著丰富传统治疗学的内容，成为增进人类心身健康的有力工具[7]。

1.4 虚拟现实技术

虚拟现实技术是用计算机生成逼真的三维视、听、嗅觉等感觉，人作为参与者，通过适当装置，自然地对虚拟世界进行体验和交互作用[8]。虚拟现实技术可用于心理治疗，通过三维立体画面使人不知不觉地直接进入场景刺激状态，产生“临境感”，比如，平静的场景画面诱导受训者进入放松状态，激烈的场景画面诱导受训者进入应激状态[9]。应用虚拟现实技术可以改进生物反馈的训练效果，它与传统的生物反馈相比，无论在技术上还是思想上都有质的飞跃。虚拟现实生物反馈将受训者和计算机视为一个整体，通过各种技术将反馈信息进行可视化，形成逼真的环境，具有非常强的视听冲击效果，导致被试者在训练过程中无法抗拒，会不自主地与画面内容融为一体，有很强的沉浸感和真实感[10-11]。

2 系统设计及实现

2.1 系统结构与功能

本文在生物反馈技术的基础上，进一步结合虚拟现实技术和心理治疗中“漂浮疗法”及“限制环境刺激疗法”的原理和方法，研制一种新型的多功能军用漂浮放松反馈训练太空舱（以下简称“漂浮舱”），如图1所示。漂浮舱可用于部队官兵的心理训练，并对心理疾患实施有效的辅助心理调节或矫治，以达到调节军事应激造成的身心不适、提高战斗力的目的。漂浮舱系统框图如图2所示，图3是训练模式示意图。从图3可以看出，漂浮舱使心理训练专业人员对训练效果的评价更有依据性，能和受训官兵进行更有效的交流并及时给予指导；同时，漂浮舱利用基于虚拟现实的生物反馈技术及时将测量的信息连续地呈现给受训官兵本人，使他们能够觉察到体内的生理变化，并在心理训练专业人员的指导下学会随意控制和自我调节这些变化，达到心身放松、维持体内稳态平衡的目的。

图1 军用漂浮放松反馈训练太空舱外观

图3 军用漂浮放松反馈训练太空舱训练模式示意图

2.2 系统硬件实现

本文设计的漂浮舱心理训练系统，采用蓝牙无线网络拓扑架构，实现主控端和被控端的无线连接。硬件部分主要包括漂浮舱体和生物反馈系统2部分。

2.2.1 漂浮舱体

漂浮舱体可移动，由部署箱和舱体箱组成。舱体箱用于给受训者提供恒温舒适且隔音性能较好的训练空间；部署箱用于对舱体箱进行控制，包括气压、水压、温度等。漂浮舱体符合电子产品三防（防潮、防烟雾、防霉）标准。部署箱尺寸为692 mm×436 mm× 375.5 mm；舱体箱展开尺寸为2 540 mm×1 270 mm× 270 mm，折叠尺寸为1 270 mm×545 mm×1 070 mm。

2.2.2 生物反馈模块硬件系统

生物反馈模块提供基于虚拟现实技术的生物反馈疗法，采用电路模块结合个人计算机的上、下位机结构实现心理训练功能。系统采集了心电、肌电、皮电和血氧饱和度等4路生理信号；从各路信号中提取心律变异性（ECG）、肌电信号峰-峰值（EMG）、皮肤阻抗值（GSR）和血氧饱和度（SaO2）作为反馈生理信号。下位机用于数据采集，以DSP核心构建硬件系统，各个电路采用模块化设计方法，完成微弱生物电信号的检测与反馈、数据传输和波形输出等功能。心电信号选择标准肢体Ⅱ导联，采样频率200 Hz，电路中加入50 Hz陷波电路去除工频干扰；同时采用右腿驱动电路设计，有效抑制共模干扰。生物反馈放松训练过程中，肌电采样频率50 Hz，肌电信号比较微弱，对电路要求高，噪声水平低于4 μV。皮电采样频率10 Hz，采用恒流激励电压测量的电路结构，电流源采用高输出阻抗的howland电流源。血氧饱和度检测采用透射式血氧指套，采样频率1 Hz。生物反馈系统硬件实现框图如图4所示。上位机为个人计算机，主要用于数据的集中处理，提供数据库管理和生物电波形的动态显示等。AD转换后的数据需要上传到上位机，并且受上位机命令控制，上位机和下位机的通信采用蓝牙无线通信技术。

图4 生物反馈系统硬件实现框图

2.3 系统软件实现

该系统软件开发平台为Virtual Studio 2010，开发语言为C++，采用MFC、Microsoft DirectX SDK共同开发完成。系统采用简洁、方便的交互操作界面，运行环境为Windows XP SP2操作系统，最佳分辨率为1 680×1 050。该软件系统划分为心理学知识学习模块、心理状态测评模块、表象训练模块、音乐治疗模块和生物反馈训练模块等5大功能模块（如图5所示）。其中，生物反馈训练模块包含训练教程、数据管理、实时监测、反馈控制和数据回顾等功能（如图6所示）。

图5 系统软件功能模块

图6 生物反馈系统软件结构与功能

3 应用效果

应用本文设计的漂浮舱系统对116名军事飞行员进行了急性应激后心理训练实验。通过实验评定得出结论：系统硬件工作正常，数据传输稳定可靠，保持零故障率；系统软件人机界面友好，功能强大，操作灵活方便。生物反馈训练场景动画丰富生动，沉浸感强，可实现对训练过程全参数、全方位的监控和实时计算分析，系统自动生成训练效果评估报告，数据图文分析清晰，结果可靠。图7是基于虚拟现实技术的生物反馈训练界面示例，为受训人员创造了“宇宙飞船遨游太空”的场景，画面栩栩如生，使受训者身临其境、身心放松。实验中先用“多重任务”给飞行员诱发急性应激，然后对其进行漂浮舱心理训练，训练时间为10 min，采用皮肤电导（电阻的倒数）作为衡量情绪变化的生理指标。皮肤电导的变化与汗腺有关，如果被试的皮肤电导增大，说明汗液分泌增多，汗腺活动增强，即交感神经活动兴奋，即说明受训者的情绪活动较为强烈。本实验结果显示，漂浮舱训练过程中飞行员的皮肤电导值显著降低，说明该训练能降低交感神经活动，有效缓解急性应激。

图7 虚拟现实生物反馈训练界面示例

4 结论和讨论

随着我军遂行多样化军事任务日益增多，在突发事件中官兵心理问题或心理疾病有增加的趋势。心理卫生服务不仅是语言沟通和干预，还应该有仪器设备辅助，才能达到更好的效果。从目前国内外及我军心理学应用情况看，心理卫生设备多数局限于“生物反馈”单一设备的改进方面，与部队需求相差甚远。因此，研发适合我军特点的心理训练装备以促进战斗力的提升是目前急需解决的现实问题。

本文设计的军用漂浮放松反馈训练太空舱，综合运用了限制环境刺激疗法技术、漂浮疗法技术、生物反馈技术和虚拟现实技术，在理论和实践上都是一次巨大的创新。1977年，John.A.Li11y发明的第一个漂浮仪是一个密闭隔音的小舱，舱内盛有漂浮液，深约25 cm，密度约1.28 kg/L，液体温度与被试者体温保持一致。漂浮仪内没有任何光线，环境音量低于10 dB。在这种条件下，受训人员漂浮于液面上，重量感消失，所有的随意肌均可以完全放松，通过这种方式进行心理调节与治疗。如今大多的漂浮疗法已不再使用传统的漂浮仪，取而代之的是一个较为宽敞的封闭式房间，内置一个特制的类似浴池的漂浮容器用以盛放漂浮液。近年来，漂浮疗法又发展出一种新模式，与传统方法的不同之处在于受训人员不是直接在水面漂浮，而是在一个盛有漂浮液的巨大水囊上漂浮，人体与漂浮液之间隔有一层低触觉薄膜，传统的漂浮疗法被称为湿性漂浮，这种方法则称为干性漂浮。漂浮疗法在西方国家已经普及，在我国才刚刚起步，理论与实践尚处于探索之中。本文应用并发展了现有的漂浮治疗技术，采用干性漂浮方法，一方面达到身心放松的目的，同时也有效避免了漂浮舱内受训人员与漂浮液直接接触所带来的消毒不及时、不卫生和意外呛水等不安全问题。“漂浮舱”在空军部队进行了小范围的应用，初步的应用效果表明，以“漂浮舱”为训练环境，结合虚拟现实生物反馈技术，受训官兵在训练过程中松弛自如，极易产生太空漂浮翱翔蓝天的感觉，能够实现“被动式”放松，有效缓解压力和身心疲劳，效果稳定迅速。

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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

刘 娟（1980—），女，博士，工程师，主要从事生物医学信号检测与处理及航空心理学方面的研究工作，E-mail：lj-wxj@163.com。

100142北京，空军航空医学研究所（刘 娟，宋华淼，张宜爽，杨柳，彭 飞）；100083 北京，北京思博纳科技发展有限公司（任满均）；100850北京，军事医学科学院全军心理卫生研究中心（李宝君）

宋华淼，E-mail：shmiao@163.com