基于视听觉的手部力行程的注意力测训装置及系统的制作方法

本发明属于测训装置技术领域，尤其是涉及一种基于视听觉的手部力行程的注意力测训装置及系统。

背景技术：

人类认知能力包括定向、知觉、语言、计算、记忆和注意力等能力。注意力是所有认知能力的基础，是人类学习、工作和生活中最关键的因素。现代社会高速发展，各项学习和工作任务对注意力要求逐渐提高。对于儿童来说，只有注意力集中的儿童，才有可能在同样时间内掌握更多知识，或者更高效的掌握知识。孩子注意力不集中，则会出现一系列后果，例如：容易走神，对学习任务缺乏专注，听课效率低、成绩下滑、粗心马虎、作业拖拉，长此以往还会越来越缺乏自信、容易依赖他人，甚至还会容易出现烦躁等极端脾气。对于成人，某些工作的性质如，飞行员，驾驶员，运动员等需要具备高度的注意力控制能力，以保证工作顺利的实施和开展及时间的精准性。因此，对注意力能力的测试和训练，有助于家长教师了解儿童的注意力水平，对注意力水平较低儿童开展干预和训练，或开展适应的教育教学方法，从而更好的关心儿童，关爱他们的成长。对注意力能力的测试，有助于人力资源部门评估雇员在需要注意力能力工作的胜任度，有助于成人自我评估注意力水平，在此基础上开展行之有效的针对性训练，能够提升注意力，进而提升认知能力，更加符合现代社会对人才专注力的要求。

例如，中国专利文献公开了一种沉浸式视觉和离散力控制任务结合的注意力训练系统[申请号：cn106128201b]，该系统通过频繁的注意力与指力聚焦活动的训练，并通过自适应算法自动调节训练任务的难度适应用户不断提高的控制能力或者不同人的个体差异，同时，使用户对训练任务的积极性以及注意力的投入都始终维持在一个最高水平，从而达到提高目标人群的注意力与指力控制的目的。但是，仍然存在着不便于训练注意力等技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，便于训练注意力的基于视听觉的手部力行程的注意力测训装置及系统。

为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：本基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置，其特征在于，包括：至少一个手部力行程采集模块，所述的手部力行程采集模块分别与力行程ad转换模块相连，所述的力行程ad转换模块与力行程数据处理模块相连，所述的手部力行程采集模块、力行程ad转换模块和力行程数据处理模块分别连接于供电模块，所述的力行程数据处理模块通过无线和/或有线通讯方式与内置有注意力测/训软件的主控模块相连。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的手部力行程采集模块包括手持体，所述的手持体上连接有至少一个按键，每个按键与设置在手持体内的力行程变电压输出机构相连且当按键动作时所述的力行程变电压输出机构的输出电压随着按键行程变化。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的力行程变电压输出机构包括互相平行的第一电阻件和第二电阻件，在第一电阻件和第二电阻件之间有弹簧和压于弹簧之间的连杆，所述的连杆内端设有变阻导电簧片，所述的变阻导电簧片的两侧分别与第一电阻件和第二电阻件电接触，所述的第一电阻件和第二电阻件分别连接于供电模块的正极和负极，所述的连杆外端固定有所述按键相连。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的手持体上连接有五个按键。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的力行程ad转换模块包括基于mega2560、mini或nano架构的arduino中的模数转换器或stm32核心电路板中的模数转换器，所述的力行程ad转换模块用于力行程变电压输出机构的电压变化的模拟信号转换为数字信号，模数转换精度为10-16位，采样率为500hz；所述的力行程数据处理模块将电压变化引起的电流数字信号进行卡尔曼滤波，去除采集过程中的干扰和噪音信号，通过usb数据线或无线蓝牙协议将力行程数据发送至主控模块；所述的供电模块为3.3-5v直流电源，所述的供电模块为外接直流电源或连接于主控模块的usb接口。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的主控模块包括台式计算机、笔记本计算机、一体机、单片机中的任意一种，所述的主控模块上连接有扬声器或耳机，所述的主控模块自带或者外接有显示屏、数字电视屏幕、一体机屏幕、平板屏幕中的任意一种。

在上述的基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置中，所述的手部力行程采集模块的数量为两个且并联设置，其中一个供左手使用，另一个供右手使用。

本采基于视听觉的手部力行程的注意力测训系统，所述的注意力测/训软件包括视听觉认知任务呈现模块、常模数据库模块、注意力测试数据分析模块、报告生成模块、注意力训练方案生成模块、注意力训练进程控制模块和控制模块，所述的控制模块与视听觉认知任务呈现模块相连；所述的控制模块与注意力测试数据分析模块、常模数据库模块和报告生成模块和力行程数据处理模块输出端相连；所述控制模块与注意力训练方案生成模块、注意力训练进程控制模块相连；所述控制模块与力行程数据处理模块输出端相连；所述的常模数据库模块、注意力测试数据分析模块、报告生成模块和力行程数据处理模块输出端相连；其中，

所述的控制模块被配置为完成包括视听觉认知任务流程控制、视听觉认知任务呈现的控制、访问常模数据库模块控制、注意力测试数据分析模块控制和报告生成模块控制；

所述的视听觉认知任务呈现模块被配置为完成视觉和听觉信息呈现；视觉信息呈现具体设备为显示器，数字电视屏幕，一体机屏幕，平板屏幕等设备。听觉信息呈现主要由高保真耳机或双声道音箱的设备实现。听觉信息呈现主要由高保真耳机或双声道音箱的设备实现。

所述的注意力测试数据分析模块被配置为实现在视听觉认知任务环境下自动分析使用者手部操作手部力行程采集模块产生的力行程数据，求解得到一系列的反应注意力的参数并与常模数据库模块同年龄同性别数据对比，求解相对于常模数据使用者的注意力水平参数；

所述的报告生成模块被配置为实现自动将使用者注意力水平参数按照一定图文结构，以图表和文字形式、word或pdf文档展示，自动对主要参数意义和得分情况做进一步的分析和解释；

所述的常模数据库模块被配置为存储有注意力正常人群使用基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置收集和统计的注意力参数；

所述的注意力训练方案生成模块被配置为根据注意力测试数据分析模块结果将按照注意力水平结果分级，根据分级将注意力训练方案分为不同方案；

所述的注意力训练进程控制模块被配置为实现使用者训练方案的保存、方案开展的情况记录、已完成训练的历史成绩记录和查询功能。

在上述的基于视听觉的手部力行程的注意力测训系统中，所述的常模数据库模块中的常模数据按照年龄和性别区分，从6岁到18岁每一年为一个统计数据段；从19岁到24岁每两年为一个统计数据段；从25岁到50岁每五年为一个统计数据段；从51岁到60岁为一个统计数据段；从61岁以上为一个统计数据段；共包含一个与注意力和控制有关系的综合商(参)数和四个关于视听觉通道的注意力和控制的总商(参)数：听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数四个参数；还包括多个关于视听觉通道注意力和控制的具体商(参)数：听觉保持能力商数、视觉保持能力商数、听觉速度商数、视觉速度商数、视听觉平衡商数、听觉响应能力商数、视觉响应能力商数、听觉一致性商数、视觉一致性商数、听觉注意力集中商数、视觉注意力集中商数、听觉辨析能力商数、视觉辨析能力商数，以及上述商数的标准差值参数。

在上述的基于视听觉的手部力行程的注意力测训系统中，所述的注意力和控制有关系的综合商(参)数根据听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数加权计算获得；所述的具体商(参)数通过标准化计算获得；所述的听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数、听觉保持能力商数、视觉保持能力商数、听觉速度商数、视觉速度商数、视听觉平衡商数、听觉响应能力商数、视觉响应能力商数、听觉一致性商数、视觉一致性商数、听觉注意力集中商数、视觉注意力集中商数、听觉辨析能力商数、视觉辨析能力商数分别通过分析手部力行程采集模块所采集到的数据获得。

与现有的技术相比，本基于视听觉的手部力行程的注意力测训装置及系统的优点在于：1、设计合理，便于训练注意力。2、力与手部行程相结合的方式符合触觉的感知，能够最大化的激活触觉感知功能。3、操作是在视听觉信息处理环境下，能够提高注意力在脑认知活动的比例，从而避免脑功能中同时存在的其他认知活动对注意力的干扰和影响，使得本发明中注意力能力能够更高效的训练。

附图说明

图1为本发明提供的组成机构示意图。

图2为本发明提供的手部力行程采集模块结构示意图。

图3为本发明提供的手部力行程采集模块设计原理示意图。

图4为本发明提供的注意力测试阶段视觉反应操作示意图。

图5为本发明提供的注意力测试阶段听觉反应操作示意图。

图6为本发明提供的视听觉注意力测试流程图；

图7为本发明提供的注意力训练阶段视觉反应操作示意图。

图8为本发明提供的注意力训练阶段听觉反应操作示意图。

图9为本发明提供的视听觉注意力(80次)训练流程图。

图中，手部力行程采集模块1、力行程ad转换模块2、力行程数据处理模块3、供电模块4、视听觉认知任务呈现模块7、常模数据库模块8、注意力测试数据分析模块9、报告生成模块10、注意力训练方案生成模块11、注意力训练进程控制模块12、力行程变电压输出机构6、第一电阻件61、第二电阻件62、变阻导电簧片65、连杆64、手持体1a、按键1b、主控模块5。

具体实施方式

如图1-9所示，本基于视听觉路感觉通路的手部力行程的注意力测训装置，包括：至少一个手部力行程采集模块1，手部力行程采集模块1分别与力行程ad转换模块2相连，力行程ad转换模块2与力行程数据处理模块3相连，手部力行程采集模块1、力行程ad转换模块2和力行程数据处理模块3分别连接于供电模块4，力行程数据处理模块3通过无线和/或有线通讯方式与内置有注意力测/训软件的主控模块5相连。

更具体的说，手部力行程采集模块1包括手持体1a，手持体1a上连接有至少一个按键1b，每个按键1b与设置在手持体1a内的力行程变电压输出机构6相连且当按键1b动作时力行程变电压输出机构6的输出电压随着按键1b行程变化。

其中，力行程变电压输出机构6包括互相平行的第一电阻件61和第二电阻件62，在第一电阻件61和第二电阻件62之间有弹簧63和压于弹簧63之间的连杆64，连杆64内端设有变阻导电簧片65，变阻导电簧片65的两侧分别与第一电阻件61和第二电阻件62电接触，第一电阻件61和第二电阻件62分别连接于供电模块4的正极和负极，第二电阻件62与供电模块4之间连接有定值电阻，连杆64外端伸出手持体1外部固定有所述按键1b相连。

作为优选地，手持体1a上连接有五个按键1b，五个按键1b与同一手上的手指分布相适应。

作为优选地，手持体1a上还设有便于固定在手上的佩戴结构，所述的佩戴结构包括y形带或无指手套中的任意一种。

力行程ad转换模块2包括基于mega2560、mini或nano架构的arduino中的模数转换器或stm32核心电路板中的模数转换器，力行程ad转换模块2用于力行程变电压输出机构6的电压变化的模拟信号转换为数字信号，模数转换精度为10-16位，采样率为500hz；力行程数据处理模块3将电压变化引起的电流数字信号进行卡尔曼滤波，去除采集过程中的干扰和噪音信号，通过usb数据线或无线蓝牙协议将力行程数据发送至主控模块5；供电模块4为3.3-5v直流电源，供电模块4为外接直流电源或连接于主控模块5的usb接口。

主控模块5包括台式计算机、笔记本计算机、一体机、单片机中的任意一种，主控模块5上连接有扬声器或耳机，主控模块5自带或者外接有显示屏、数字电视屏幕、一体机屏幕、平板屏幕中的任意一种；手部力行程采集模块1的数量为两个且并联设置，其中一个供左手使用，另一个供右手使用。

本基于视听觉感觉通路的手部力行程的注意力测训系统，注意力测/训软件包括视听觉认知任务呈现模块7、常模数据库模块8、注意力测试数据分析模块9、报告生成模块10、注意力训练方案生成模块11、注意力训练进程控制模块12和主控模块5，主控模块5与视听觉认知任务呈现模块7相连；主控模块5与注意力测试数据分析模块9、常模数据库模块8和报告生成模块10和力行程数据处理模块3输出端相连；所述主控模块5与注意力训练方案生成模块11、注意力训练进程控制模块12相连；所述主控模块5与力行程数据处理模块3输出端相连；常模数据库模块8、注意力测试数据分析模块9、报告生成模块10和力行程数据处理模块3输出端相连；其中，

主控模块5被配置为完成包括视听觉认知任务流程控制、视听觉认知任务呈现的控制、访问常模数据库模块8控制、注意力测试数据分析模块9控制和报告生成模块10控制；

视听觉认知任务呈现模块7被配置为完成视觉和听觉信息呈现；

注意力测试数据分析模块9被配置为实现在视听觉认知任务环境下自动分析使用者手部操作手部力行程采集模块1产生的力行程数据，求解得到一系列的反应注意力的参数并与常模数据库模块8同年龄同性别数据对比，求解相对于常模数据使用者的注意力水平参数；

报告生成模块10被配置为实现自动将使用者注意力水平参数按照一定图文结构，以图表和文字形式、word或pdf文档展示，自动对主要参数意义和得分情况做进一步的分析和解释；

常模数据库模块8被配置为存储有注意力正常人群使用基于视听觉路的手部力行程的注意力测训装置收集和统计的注意力参数；

注意力训练方案生成模块11被配置为根据注意力测试数据分析模块结果将按照注意力水平结果分级，根据分级将注意力训练方案分为不同方案；

注意力训练进程控制模块12被配置为实现使用者训练方案的保存、方案开展的情况记录、已完成训练的历史成绩记录和查询功能。

常模数据库模块8中的常模数据按照年龄和性别区分，从6岁到18岁每一年为一个统计数据段；从19岁到24岁每两年为一个统计数据段；从25岁到50岁每五年为一个统计数据段；从51岁到60岁为一个统计数据段；从61岁以上为一个统计数据段；共包含一个与注意力和控制有关系的综合商参数和四个关于视听觉通道的注意力和控制的总商参数：听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数四个参数；还包括多个关于视听觉通道注意力和控制的具体商参数：听觉保持能力商数、视觉保持能力商数、听觉速度商数、视觉速度商数、视听觉平衡商数、听觉响应能力商数、视觉响应能力商数、听觉一致性商数、视觉一致性商数、听觉注意力集中商数、视觉注意力集中商数、听觉辨析能力商数、视觉辨析能力商数，以及上述商数的标准差值参数。

注意力和控制有关系的综合商参数根据听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数加权计算获得；具体商参数通过标准化计算获得；听觉反应控制商数、视觉反应控制商数、听觉注意力商数、视觉注意力商数、听觉保持能力商数、视觉保持能力商数、听觉速度商数、视觉速度商数、视听觉平衡商数、听觉响应能力商数、视觉响应能力商数、听觉一致性商数、视觉一致性商数、听觉注意力集中商数、视觉注意力集中商数、听觉辨析能力商数、视觉辨析能力商数分别通过分析手部力行程采集模块1所采集到的数据获得。

手部力行程采集模块1为手持式，不要求手处于固定姿态。根据测试和训练不同场景，可分为单手操作时的一个手持设备和双手操作时的两个手持设备。每个手持设备包括五个按键，并对应手持时手指位置。每个按键在施以0-10牛顿时，位移距离为0-20毫秒。按键内部为小型滑动变阻器，取决于测试和训练场景和精度，变阻器阻值可为以下中的一种，1k欧姆-50k欧姆。(图2)

工作原理为手部握住手持式设备，一个手指按动按键，产生一定的位移距离，改变了变阻滑片位置，从而改变了滑动变阻器的输出阻值。每个变阻器电路处于一个分压电路，由于阻值的改变，进而产生定值电阻上电压变化，该电压变化为力行程电压(模拟参数)输出。(图3)

注意力测试阶段视觉反应操作：首先使用者用自己的利手(左或右手)，手持力行程模块，可用单手的五指中的一指按动按键作为操作。在屏幕中央位置出现一个数字，比如‘1’或‘2’，在显示200毫秒后，数字消失。但是屏幕中央持续显示上下排列的两个正方框。在看到‘1’时要迅速按动按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到最上的框内。在看到‘2’时要迅速按动按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到最下的框内。手按动按键引起的行程增加对应小圆球从下到上竖直运动的高度。最低高度(屏幕最下方)为没有按键行程，最高高度(屏幕最上方)为按键实现最大行程。当小圆球进入正方框并保证至少100毫秒在框内。屏幕清空，使用者放开按键，进入下一次操作。如果使用者2秒内没有使小球进入方框，屏幕清空，并进入下一次操作。

(图4)

注意力测试阶段听觉反应操作：

首先使用者用自己的利手(左或右手)，手持力行程模块，可用单手的五指中的一指按动按键作为操作。在音箱或喇叭中响起，比如‘1’或‘2’，持续500毫秒后，在屏幕中央持续显示上下排列的两个正方框。在听到‘1’时要迅速按动按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到最上的框内。在听到‘2’时要迅速按动按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到最下的框内。手按动按键引起的行程增加对应小圆球从下到上竖直运动的高度。最低高度(屏幕最下方)为没有按键行程，最高高度(屏幕最上方)为按键实现最大行程。当小圆球进入正方框并保证至少100毫秒在框内。屏幕清空，使用者放开按键，进入下一次操作。如果使用者2秒内没有使小球进入方框，屏幕清空，并进入下一次操作。图(5)

视听觉注意力测试：

注意力测试共包括两部分。第一部分为练习阶段，主要是熟悉在视听觉认知任务环境下，手部力行程设备的操作方法。练习阶段依次安排10次的视觉反应操作，10次听觉反应操作和10次视听觉混合反应操作。特别的在练习阶段，如果使用者2秒中没有使小球进入方框，系统用语音提示操作太慢。

第二部分为正式测试阶段，共200次的操作，其中数字‘1’的视觉操作为50次，听觉操作为50次，其中数字‘2’的视觉操作为50次，听觉操作为50次，这些操作排列次序为伪随机排列，即数字‘1’和数字‘2’同一种操作不会连续出现。图(6)

注意力训练阶段视觉反应操作：

首先使用者用自己的双手，各手持一个力行程模块，可用五指中的一指按动按键作为操作。

视觉方案包含约20种不同类型和难度的认知任务。从而循序渐进的开展训练。如下面的实施例设计的一种低难度的认知任务：

在屏幕居中位置但任意高度出现一个比如‘0’-‘9’数字，在显示200毫秒后，数字消失。但是在屏幕原位置持续显示一个正方框。在看到‘0’-‘4’时要迅速按动左手按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到正方框内。在看到‘5’-‘9’时要迅速按动右手按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到正方框内。手按动按键引起的行程增加对应小圆球从下到上竖直运动的高度。最低高度(屏幕最下方)为没有按键行程，最高高度(屏幕最上方)为按键实现最大行程。当小圆球进入正方框并保证至少100毫秒在框内。屏幕清空，使用者放开按键，进入下一次操作。如果使用者2秒内没有使小球进入方框，屏幕清空，并进入下一次操作。图(7)

注意力训练阶段听觉反应操作：

首先使用者用自己的双手，各手持一个力行程模块，可用五指中的一指按动按键作为操作。

听觉方案包含约20种不同类型和难度的认知任务。从而循序渐进的开展训练。如下面的实施例设计的一种低难度的认知任务：

屏幕居中位置先显示两列数字，‘0’-‘4’数字从上到下，在居中靠左的位置，‘5’-‘9’数字从上到下，在居中靠右的位置，在显示500毫秒后，数字消失。但是在屏幕原位置持续显示十个正方框。音箱或喇叭播放‘0’-‘9’中的一个数，播放持续500毫秒，如果是‘0’-‘4’中的一个。要迅速按动左手按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到对应正方框内。如果是‘5’-‘9’中的一个。要迅速按动右手按键使得屏幕下方的小圆球从下到上竖直运动到对应正方框内。当小圆球进入正方框并保证至少100毫秒在框内。屏幕清空，使用者放开按键，进入下一次操作。如果使用者2秒内没有使小球进入方框，屏幕清空，并进入下一次操作。图(8)

视听觉注意力训练：

根据注意力测试数据分析模块结果，按照注意力水平结果的‘差’，‘一般’，‘良好’，‘优秀’和‘超群’等。将注意力训练方案分为100,80,60,40和20次等五种方案。每次训练包括4小节的子训练项目，2小节为视觉训练子项目，2小节为听觉训练子项目，以‘视听视听’次序排列，每小节10分钟，每小节中间休息约5分钟，一次训练时间约1小时。图(9)

尽管本文较多地使用了手部力行程采集模块1、力行程ad转换模块2、力行程数据处理模块3、供电模块4、视听觉认知任务呈现模块7、常模数据库模块8、注意力测试数据分析模块9、报告生成模块10、注意力训练方案生成模块11、注意力训练进程控制模块12、力行程变电压输出机构6、第一电阻件61、第二电阻件62、变阻导电簧片65、连杆64、手持体1a、按键1b、主控模块5等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质,把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。