CN113288087B - 一种基于生理信号的虚实联动实验*** - Google Patents

一种基于生理信号的虚实联动实验*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于生理信号的虚实联动实验***，包括：生理参数采集模块，用于采集并发出受试者的生理参数；模型构建模块，用于生成虚拟生理人模型；控制模块，用于接收所述生理参数采集模块发出的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。本发明将检测到的受试者的各项生理参数通过虚拟生理人模型进行模拟展示，通过虚实联动增强学生的参与感，可以充分调动学生实验探索的兴趣，同时可以帮助完成多种实验设计或科研任务。

Description

一种基于生理信号的虚实联动实验***
技术领域
本发明涉及一种基于生理信号的虚实联动实验***。
背景技术
传统人体生理实验***是由传感器直接检测人体体表的生理信号，分析波形数据，完成相应实验课题，比较抽象，不便于学生理解。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的一项或多项不足，提供一种基于生理信号的虚实联动实验***。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于生理信号的虚实联动实验***，包括：
生理参数采集模块，用于采集并发出受试者的生理参数；
模型构建模块，用于生成虚拟生理人模型；
控制模块，用于接收所述生理参数采集模块发出的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。
优选的，基于生理信号的虚实联动实验***还包括：
交互模块，用于用户录入生理参数，并将所述生理参数发送给控制模块；
所述控制模块接收所述交互模块发送过来的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。
优选的，所述生理参数采集模块包括以下器件中的一种或多种：
呼吸流量传感器，用于检测受试者的呼吸数据；
代谢仪，用于检测受试者的代谢数据；
心电传感器，用于检测受试者的心电数据；
心音换能器，用于检测受试者的心音数据；
连续血压测量仪，用于检测受试者的实时血压数据。
优选的，所述生理参数采集模还包括：
动感单车，用于采集受试者的骑行转速、踏板角度、阻力、功率和心率。
优选的，所述模型构建模块生成虚拟生理人模型的过程包括：
设置人体基础数据与虚拟生理人模型的对应关系，所述人体基础数据包括性别、年龄、身高和体重；
获取所述受试者的人体基础数据；
根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型。
优选的，所述年龄的获取方法包括：
采集受试者的正面脸部图像；
提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；
根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值分析得到受试者的年龄。
优选的，所述性别的获取方法包括：
采集受试者的正面脸部图像；
提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；
根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值，利用二次模式分类器得到受试者的性别。
优选的，所述身高的获取方法包括：
采集受试者图像；
根据受试者所处位置和图像采集设备位置计算初始的身高；
根据所述受试者图像检测受试者的头发高度；
利用所述初始的身高减去头发高度得到最终的身高。
优选的，根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，包括：
根据受试者的年龄和性别选择相应的虚拟生理人模型；
根据受试者的身高和体重计算受试者体表面积；
将所述受试者体表面积与虚拟生理人模型的默认体表面积进行比较，得到缩放倍数；
根据所述缩放倍数校正虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，结构参数包括各血管、气管结构的管腔阻力、顺应性、容积、心肌收缩力和呼吸肌收缩力中的一种或多种；
根据所述身高、体重、年龄和性别，通过Harris and Benedict公式对基础代谢率进行预测；
根据所述基础代谢率和虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，计算各器官组织的代谢量。
优选的，虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作，包括：
根据所述控制模块接收到的生理参数、虚拟生理人模型的代谢量和结构参数，通过生理机制的数学模拟公式实时推算预设的生理指标；
根据所述生理指标操控虚拟生理人模型的器官动画模型、波形，以及虚拟人的姿势状态。
本发明的有益效果是：
（1）本发明将检测到的受试者的各项生理参数通过虚拟生理人模型进行模拟展示，通过虚实联动增强学生的参与感，可以充分调动学生实验探索的兴趣，同时可以帮助完成多种实验设计或科研任务；
（2）本发明根据受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，从而提高了虚拟生理人模型与受试者的匹配度，提高了模拟的准确性；
（3）本发明中身高的检测无需专业检测工具，只需采集受试者的图像即可，十分便捷；
（4）本发明中可以通过受试者的图像同时获取受试者的年龄和性别等数据，无需手动输入，实现了受试者的人体基础数据的自动化采集。
附图说明
图1为基于生理信号的虚实联动实验***的一种结构框图；
图2为模型构建模块生成虚拟生理人模型的一种流程图；
图3为根据人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型的一种流程图。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参阅图1-3，本实施例提供了一种基于生理信号的虚实联动实验***：
如图1所示，一种基于生理信号的虚实联动实验***，包括生理参数采集模块、模型构建模块和控制模块。
所述生理参数采集模块用于采集并发出受试者的生理参数。一般的，所述生理参数包括呼吸数据、代谢数据、心电数据、心音数据和血压数据等中的一种或多种。
具体的，所述生理参数采集模块包括呼吸流量传感器、代谢仪、心电传感器、心音换能器和连续血压测量仪（动态血压监测仪）中的一种或多种。所述呼吸流量传感器用于检测受试者的呼吸数据；所述代谢仪用于检测受试者的代谢数据；所述心电传感器用于检测受试者的心电数据；所述心音换能器用于检测受试者的心音数据；所述连续血压测量仪用于检测受试者的实时血压数据。
在一些实施例中，所述生理参数采集模还包括动感单车，用于采集受试者的骑行转速、踏板角度、阻力、功率和心率。即，可以模拟受试者骑行过程中的生理参数的变化情况。
所述模型构建模块用于生成虚拟生理人模型。一般的，所述虚拟生理人模型具有完整的心血管***、呼吸***、能量代谢和神经调控机制，可同时模拟的生理指标多达300余项；参数的调节涉及到生理机制的各个过程，包括血管/气管的粗细、弹性、心脏的收缩力、神经纤维的传导性等150余项；虚拟生理人中的3D动画是由数学模型推演的各项指标来操控的，如心脏搏动的幅度、频率，各脏器内动静脉血管的粗细、颜色，肺脏的呼吸深度和节律等都是实时联动模拟的；虚拟生理人不仅生理指标是根据实测数据进行推演模拟的，虚拟人的状态也是根据运动单车的运动数据而同步的。
所述控制模块用于接收所述生理参数采集模块发出的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。
在一些实施例中，虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作，包括：根据所述控制模块接收到的生理参数、虚拟生理人模型的代谢量和结构参数，通过生理机制的数学模拟公式实时推算预设的生理指标；根据所述生理指标操控虚拟生理人模型的器官动画模型、波形，以及虚拟人的姿势状态，从而实现虚实联动的效果。
在一些实施例中，基于生理信号的虚实联动实验***还包括交互模块，所述交互模块用于用户录入生理参数，并将所述生理参数发送给控制模块；所述控制模块接收所述交互模块发送过来的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。即，既可以根据生理参数采集模块采集到的生理参数来控制虚拟生理人模型的状态，也可以根据用户输入的生理参数来控制虚拟生理人模型的状态，可以满足多种情形下的演示需求。
在一些实施例中，如图2所示，所述模型构建模块生成虚拟生理人模型的过程包括：
S1.设置人体基础数据与虚拟生理人模型的对应关系，所述人体基础数据包括性别、年龄、身高和体重。
S2.获取所述受试者的人体基础数据。
具体的，所述年龄的获取方法包括：采集受试者的正面脸部图像；提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值分析得到受试者的年龄。
所述性别的获取方法包括：采集受试者的正面脸部图像；提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值，利用二次模式分类器得到受试者的性别。
所述身高的获取方法包括：采集受试者图像；根据受试者所处位置和图像采集设备位置计算初始的身高；根据所述受试者图像检测受试者的头发高度；利用所述初始的身高减去头发高度得到最终的身高。在一些实施例中，身高的获取方法还包括：检测受试者的姿态，根据受试者的姿态对检测到的身高进行校正。
这些实施例中，通过受试者的图像即可得到受试者的身高等数据，无需专业检测设备，十分便捷；同时，还可以基于受试者的图像得到受试者的性别和年龄等数据，无需手动录入，实现了相关数据信息的自动化采集，减轻了用户的工作量。
S3.根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型。
这些实施例通过根据受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，提高了虚拟生理人模型与受试者的匹配度，从而可以更准确的模拟受试者体内相关***的变化情况。
在一些实施例中，如图3所示，根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，包括：
S31.根据受试者的年龄和性别选择相应的虚拟生理人模型。
S32.根据受试者的身高和体重计算受试者体表面积。
S33.将所述受试者体表面积与虚拟生理人模型的默认体表面积进行比较，得到缩放倍数。
S34.根据所述缩放倍数校正虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，结构参数包括各血管、气管结构的管腔阻力、顺应性、容积、心肌收缩力和呼吸肌收缩力中的一种或多种。
S35.根据所述身高、体重、年龄和性别，通过Harris and Benedict公式（哈里斯-本尼迪克特公式）对基础代谢率进行预测。
S36.根据所述基础代谢率和虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，计算各器官组织的代谢量。
这些实施例中，根据受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，从而提高了虚拟生理人模型与受试者的匹配度，提高了模拟的准确性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，包括：
生理参数采集模块，用于采集并发出受试者的生理参数；
模型构建模块，用于生成虚拟生理人模型；
控制模块，用于接收所述生理参数采集模块发出的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作；
所述模型构建模块生成虚拟生理人模型的过程包括：
设置人体基础数据与虚拟生理人模型的对应关系，所述人体基础数据包括性别、年龄、身高和体重；
获取所述受试者的人体基础数据；
根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型；
根据所述受试者的人体基础数据生成相应的虚拟生理人模型，包括：
根据受试者的年龄和性别选择相应的虚拟生理人模型；
根据受试者的身高和体重计算受试者体表面积；
将所述受试者体表面积与虚拟生理人模型的默认体表面积进行比较，得到缩放倍数；
根据所述缩放倍数校正虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，结构参数包括各血管、气管结构的管腔阻力、顺应性、容积、心肌收缩力和呼吸肌收缩力中的一种或多种；
根据所述身高、体重、年龄和性别，通过Harris and Benedict公式对基础代谢率进行预测；
根据所述基础代谢率和虚拟生理人模型各器官组织的结构参数，计算各器官组织的代谢量。
2.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，基于生理信号的虚实联动实验***还包括：
交互模块，用于用户录入生理参数，并将所述生理参数发送给控制模块；
所述控制模块接收所述交互模块发送过来的生理参数，并将所述生理参数输入所述虚拟生理人模型，所述虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作。
3.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，所述生理参数采集模块包括以下器件中的一种或多种：
呼吸流量传感器，用于检测受试者的呼吸数据；
代谢仪，用于检测受试者的代谢数据；
心电传感器，用于检测受试者的心电数据；
心音换能器，用于检测受试者的心音数据；
连续血压测量仪，用于检测受试者的实时血压数据。
4.根据权利要求3所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，所述生理参数采集模还包括：
动感单车，用于采集受试者的骑行转速、踏板角度、阻力、功率和心率。
5.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，所述年龄的获取方法包括：
采集受试者的正面脸部图像；
提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；
根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值分析得到受试者的年龄。
6.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，所述性别的获取方法包括：
采集受试者的正面脸部图像；
提取所述正面脸部图像中皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值；
根据所述皮肤纹理、皮肤颜色、光亮程度和皱纹纹理的特征值，利用二次模式分类器得到受试者的性别。
7.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，所述身高的获取方法包括：
采集受试者图像；
根据受试者所处位置和图像采集设备位置计算初始的身高；
根据所述受试者图像检测受试者的头发高度；
利用所述初始的身高减去头发高度得到最终的身高。
8.根据权利要求1所述的一种基于生理信号的虚实联动实验***，其特征在于，虚拟生理人模型根据所述生理参数执行相应操作，包括：
根据所述控制模块接收到的生理参数、虚拟生理人模型的代谢量和结构参数，通过生理机制的数学模拟公式实时推算预设的生理指标；
根据所述生理指标操控虚拟生理人模型的器官动画模型、波形，以及虚拟人的姿势状态。
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