用于神经冥想和神经专注训练的虚拟现实交互系统的制作方法

1.本发明一般涉及基于虚拟现实(vr)的交互系统。更具体地说，本发明涉及一种用于神经冥想和神经专注训练的基于vr的交互系统。


背景技术：

2.焦点式神经冥想采用保持注意力在单个对象上的技术。这项技术被证明可以增加人脑额叶的激活，并帮助训练大脑以改善各种认知功能，包括：保持注意力、减少走神、改善反应时间和工作记忆。
3.可以在显示器上显示vr环境，以提供真实世界元素的计算机模拟。这种身临其境的vr环境可以帮助和增加大脑功能的激活并改善认知交互。作为vr环境激活大脑功能的结果，可以生成生物信号，然后可以使用脑电图(“eeg”)对其进行测量、监测和量化。通常，eeg将以模拟形式测量脑电波。然后，可以分析这些脑电波的原始模拟形式或模数转换后的数字形式。
4.进一步，脑机接口(bci)的发展允许用户使用由egg测量的脑电波信号与设备进行通信和控制设备。


技术实现要素：

5.一般来说，神经冥想是一个有意识的渐进过程，旨在放松身心。神经专注过程旨在集中注意力。相似的，焦点式神经冥想采用保持注意力在单个对象上的技术。焦点式神经冥想可以结合两个过程，神经冥想和神经专注，以增加人脑额叶的激活，并帮助训练大脑以改善各种认知功能，包括：保持注意力，减少走神，改善反应时间和工作记忆。
6.神经冥想和神经专注都可以通过使用图像来实现。事实上，虚拟现实(vr)环境可以在这两个过程中被使用，以在vr设备，例如vr头盔，的显示器上显示图像，以提供对现实世界元素的计算机模拟。这种身临其境的vr环境可以帮助和增加大脑功能的激活并改善认知互动，从而改善神经冥想和神经专注过程。
7.由于在神经冥想和神经专注过程中通过vr环境显示的图像激活大脑功能，可以生成生物信号，然后可以使用脑电图(“eeg”)对其进行测量、监测和量化。eeg将以模拟形式测量脑电波。然后，可以分析这些脑电波的原始模拟形式或通过脑机接口(bci)进行模数转换后的数字形式。然后，bci可以以例如在vr环境中显示的视觉内容的形式提供神经反馈，以传达当前用户的状态。
8.基于vr的神经冥想和/或神经专注技术的已知解决方案，缺乏用于实时跟踪和更新来自放置在用户身上的生物传感器传输的用户数据的手段，这些数据由eeg测量。特别地，这些神经接口(即脑机接口(bci))可以在确定用户状态时提供神经冥想和神经专注量化系数，但在它们的确定中没有实现和考虑稳定性组件和参数。在神经冥想和神经专注过程的每个阶段确定用户状态的稳定性，使该过程能够获得非常出色的结果。神经冥想和神经专注量化的值每秒可以显著变化数次。通常假设冥想和专注系数的稳定高值分别对应于
用户接近或达到与这种系数相对应的状态，放松或专注。然而，仅仅达到所需的放松级别(高冥想系数)或专注级别(高专注系数)，不足以提供神经冥想和神经专注过程的有效和持久的结果。为了达到长时间的放松和专注的提升状态，在达到该状态的过程中，必须准确、逐步地确定该过程的各个阶段当时用户当前状态的稳定性。即，希望确定用户在神经冥想和/或神经专注过程期间在特定时间段内是否达到或未能达到期望的中间状态。用户状态的中间确定可以被测量，例如，每十秒或更短时间。这允许冥想和/或专注过程的逐渐变化，以优化过程并为用户实现稳定和持久的结果。
9.因此，本发明的目的是一种用于神经冥想和神经专注训练的基于vr的交互系统，它不仅记录给定的冥想和专注系数值的实现，而且分析系数在神经冥想和神经专注过程中的给定时间段内的稳定性或不稳定性。这反过来又允许冥想或专注力训练过程的逐渐变化、调整和优化，从而在改善和增强用户的心理状态、保持专注的能力、决策能力和整体认知能力方面取得可持续的成果。此外，本发明的实施例已显示减轻用户的心理压力。特别地，本发明的基于虚拟现实(vr)的交互系统和相关方法已显示显著降低与竞争性职业和学术环境相关的心理压力级别，并提高用户的生产力、注意力和认知能力。
10.鉴于上述问题和缺点，在一个方面，本发明提供了一种用于神经冥想和神经专注训练的基于虚拟现实(vr)的交互系统。该系统包括带有显示器的vr设备。显示器被配置为提供vr内容。该系统还包括具有多个电极的神经接口装置，每个电极被配置为从用户接收生物信号数据，以及具有处理器的计算设备。计算设备与神经接口装置和vr设备通信。计算设备还连续地从电极接收生物信号数据。处理器基于生物信号数据和预定值确定反馈并将反馈传达给vr设备，该反馈作为vr内容显示在vr设备的显示器上。
11.在另一方面，本发明提供了一种用于神经冥想和神经专注训练的方法。该方法包括提供具有显示器vr设备。该显示器可以被配置为提供vr内容。该方法包括通过具有多个电极的神经接口装置确定用户的生物信号数据，每个电极被配置为接收生物信号数据。该方法还包括提供具有处理器的计算设备。计算设备与神经接口装置和vr设备通信，并不断地从电极接收生物信号数据。该方法还提供由处理器基于生物信号数据和预定值确定反馈并将反馈传送给vr设备，将反馈作为vr内容显示在vr设备的显示器上。
附图说明
12.为了便于理解本发明，将通过参考附图中所示的具体实施例来呈现对上文简要描述的本发明的更具体的描述。应理解这些附图仅示出了本发明的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图以附加的特异性和细节来描述和解释本发明的方面。
13.图1示出了根据本发明实施例的基于vr的交互系统的主视图；
14.图2示出了根据本发明实施例的基于vr的交互系统的侧视图；
15.图3示出了根据本发明实施例的还包括两个单手控制器的基于vr的交互系统；
16.图4描述了根据本发明实施例的基于vr的交互系统；和
17.图5示出了根据本发明实施例的用于神经冥想和神经专注训练的方法的示意图。
具体实施方式
18.说明书中提及的“具体实施例”或类似表述，是指具体实施例中描述的具体特征、结构或特征包含在本发明的至少一个具体实施例中。因此，本说明书中的“在特定实施例中”或类似表述不一定指相同的特定实施例。
19.在下文中，将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。然而，应该理解，本领域的技术人员可以根据以下描述对本发明进行修改以实现本发明的优异效果。因此，对于本领域的技术人员来说，以下描述应被认为是与本发明相关的普遍性和解释性的描述，并不旨在限制本发明的权利要求。
20.说明书中提及的“一个实施例”、“某一实施例”或类似表述，是指该实施例中描述的相关特征、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。因此，本说明书中的“在一个实施例中”、“在某个实施例中”或类似表述并不一定指代相同的具体实施例。
21.鉴于传统方法和系统的上述和其他示例性问题、缺点和不足，提供了一种用于神经冥想和神经专注训练的基于vr的交互系统100，其包括vr设备10、具有多个电极25的神经接口装置20、计算设备60(图4所示)和单手控制器40(图3所示)用于与vr环境交互。vr设备10可以包括被配置为显示三维(3d)图像的显示器(未示出)。
22.在图1中，基于vr的交互系统100的正视图，示出了具有神经接口装置20和vr设备10。vr设备10例如可以包括一个或多个扬声器、麦克风和/或耳机。神经接口装置20包括电极25，电极25位于例如用户头部的额叶部分中，如图1-3所示。电极25可以包括被配置为从用户接收生物信号数据的脑电波传感器，并且接收到的生物信号数据又可以至少包括用户的脑电波数据。电极25可以测量例如电生物信号，例如eeg、肌电图(emg)和眼电图(eog)。
23.此外，神经接口装置20可以包括用于测量神经接口装置20的运动的定位传感器27。定位传感器27检测神经接口装置20的三维坐标，从而可以检测用户的vr设备10和vr环境的方向或运动。定位传感器27，例如，可以包括一个或多个加速度计和/或陀螺仪。神经接口装置20可以具有例如9600的波特率、三个额部电极((eeg)、接地电极(gnd)和参考电极(ref))、半径为10米的蓝牙2.0、和一个能够运行一小时的电池。vr设备10可以具有60hz的图像刷新率、1920x1080(或每只眼睛960
×
1080)的显示分辨率和80
°
的视角。
24.图2图示了具有例如神经接口装置20和vr设备10的系统100的侧视图。神经接口装置20和vr设备10可以定位在用户的头上，以便用户查看vr环境，即使用户的头部倾斜，它也直接在用户的眼前。vr设备还可以包括带32。附加的生物信号传感器可以沿着带32中的一个或多个定位，以通过用户的头部感测用户的脑电波活动。带32可以包括其他设备，例如触摸输入设备等。
25.图3示出了系统100，其还包括两个用于与vr环境交互的单手控制器40。控制器40可以是运动控制器以提供用户手部的运动跟踪并将用户的运动与vr设备10相关联。控制器40还可以包括模拟摇杆、面部按钮和触发器以帮助用户与vr环境进行通信.
26.如图4所示，系统100还包括计算设备60。计算设备60可以从神经接口装置20，包括控制器40和vr设备10，发送和接收数据以及其他通信。该内容允许创建vr环境。vr环境提供物理元素的计算机模拟、vr内容270、290(在图5中进一步描述)。用户可以使用包括生物信号传感器(如图1-3所示)在内的各种输入设备与vr环境进行交互，并且作为响应，可以修改vr内容以向用户提供神经反馈(如图4所示)。
27.计算设备60可以通过互联网、蓝牙网络或任何其他合适的方式连接到神经接口装置20和vr设备10。备选地，计算设备60可以整合到神经接口装置20和/或vr设备10中。计算设备60可以包括附加的计算设备，每个计算设备执行它们各自的功能和处理数据。
28.如图4所示，用户可以通过控制器40或其他已知方式控制vr设备10，而vr设备10将vr环境的视觉图像(vr内容270)实时传送给用户。vr设备10和控制器40可以将数据传送到计算设备60，例如，包括用户的头部和手部位置的数据。神经接口装置20可以传送，例如，至少包括用户的脑电波数据的生物信号数据(如图4所示)到计算设备60。也就是说，提供在计算设备60上的处理器(未示出)从神经接口装置20接收脑电波数据(例如，前额脑叶的eeg)。
29.根据本发明的实施例，提供了用于神经冥想和神经训练的方法200，如图5所示。方法200可以包括两个步骤，冥想阶段(图5所示)和专注阶段(未示出)。根据本发明的实施例，冥想阶段在专注步骤之前执行。对于冥想步骤，可以使用冥想系数。冥想系数可以是表征用户放松程度的标准化值。对于专注阶段，可以使用专注系数。专注系数可以是表征用户专注级别的标准化值。
30.为了执行方法200，由神经接口装置20(经由电极阵列25)收集的脑电波数据被连续地传输到计算设备60，在计算设备60中，处理器针对适用的系数对其进行分析和评估，例如，在冥想步骤中的冥想系数。根据分析结果，来自计算设备的命令(反馈)被发送到vr设备10以创建特定图像，特别是vr环境中的vr内容270、290。vr内容270、290随着电极25接收的脑电波数据的连续评估而改变。
31.根据本发明的实施例，方法200可以包括六个级别。1-3级与冥想步骤相关联，而4-6级与专注级别相关联。对于每个级别，分别确定冥想系数或专注系数的参考值250。用户必须达到并维持参考值250，以便进入下一级的冥想级别或专注级别。每个级别1-6还可以包括多个子级别，例如，冥想的第一个子级别(如下表1所示的森林)可以包括多达七个子级别。在每个子级别，都会向用户呈现一个新的激励(vr内容)。对于每个子级别，提供了vr内容270、290的正面和负面动态(如表1中所示)。vr内容290的正向动态290导致子级别的完成295，在此之后下一个子级别开始，或者如果它是已经完成的最后一个子级别，则下一个级别。vr内容270的负面动态可以在当前子级别的开始处终止。换言之，vr内容270的负面动态(用户表现不佳)不能导致级别或训练练习的开始。
32.根据本发明的实施例，处理器从神经接口装置20每秒收集的脑电波数据中确定用户状态的实际值。处理器确定冥想实际值和专注实际值。将冥想实际值或专注力实际值与当前级别的相应参考值250(冥想参考值或专注参考值)进行比较。如果冥想实际值或专注实际值大于适用参考值250，则内容向正方向变化，例如vr内容290的图像变大或出现新图像。相反，如果冥想实际值或专注实际值低于适用的参考值250，则vr内容270会发生负面变化，例如vr内容270的图像变小或消失。实际值往往不稳定。例如，冥想实际值可以是0.7，在第二个周期内，变为0.2。但是，如果用户的状态是稳定的，实际值通常会落在一定的范围内。如果实际值主要高于参考值250，则用户分别完成子级别和级别。已知的负面动态很短，用户不会注意到。如果用户不能达到期望的状态，则vr内容270主要在负方向上改变。结果，用户保持在当前的子级别，直到用户可以达到冥想或专注的状态，这将导致始终如一地更大的实际值。因此，该方法不仅记录了实际值的实现，还考虑了它们的稳定性或不稳定性。
33.每个子级别都有一个必须完成子级别的最小时间段。最小时间段允许展示vr内容
270、290而不会导致负面动态。换句话说，即使用户已经很快达到了想要的状态，要完成子级别，用户也必须通过整个子级别。完成所有级别所需的总时间取决于初始状态和用户的准备程度。用户可以从任何级别启动程序。但是，如果未达到所需的冥想和专注值，则用户无法完成该级别或子级别。
34.根据本发明实施例的参考值250、完成级别和子级别所需的最短时间以及每个级别的内容动态在表1中列出。级别的各种复杂性是可能的。换言之，对于较不具有挑战性的级别(初始级别，例如级别1、子级别1)，参考值250可以更低，而在更困难的级别，参考值250可以更高。也就是说，未经训练的用户将能够首先学习发展和维持较不稳定的状态，然后继续执行更困难的任务。不同级别的内容将保持不变。
35.达到理想的冥想和专注状态是用户的目标。通过vr设备10呈现的vr内容270、290的目的是展示冥想或专注过程中的进展。根据本发明的实施例，每个级别具有达到所需冥想或专注状态的最短时间，例如2-2.5分钟。
36.根据本发明的实施例，级别在表1中列出并且在下面进行描述。
37.级别“森林”由五个子级别组成。在每个子级别的开始，向用户呈现一个视觉图像，即动物雕像。当用户进入放松状态时，动物雕像的尺寸会缩小并且可以消失。随后，下一个子级别开始。在每个子级别，用不同的动物雕像重复缩小的过程。在通过第一级的所有子级后，用户进入接着的第二级。
38.级别“日本庭园”由七个子级别组成。在每一级别，都会有一块新的石头从地下“长出”。随着用户放松状态的改善，石头的大小会增加。在每个子级别结束时，石头会占据一个给定的位置，之后会发生到下一个子级别的过渡。
39.级别“岛”由九个子级别组成。在每个子级别中，白天从日出到日落的变化(例如，天空的景色和光线的级别变化)，这是放松的主要指标。在子级别1-3，用户被“定位”在前往岛屿的船上。下级别的末端还以船相对于岛屿的运动为标志。在第4-9级别中，用户在岛上“移动”。在通过第3级别的所有子级别后，冥想阶段结束，用户进入专注阶段。
40.级别“目标”由五个子级别组成。在每个子级别，用户的任务是专注于射手正在射击的目标。成功的射击意味着用户已经达到了所需的注意力级别，因此每个相应的子级别各自结束了。
41.级别“塔”由七个子级别组成。在每个子级别，用户的任务是专注于移动“汉诺塔”的三个环。随着用户的注意力专注，环逐渐从他们当前的位置消失，同时出现在一个新的位置。完成级别后，塔将移动到新的位置。
42.级别“雕像”由九个子级别组成。随着使用者的注意力专注，雕像逐渐被照亮。通过一个子级别后，用户移动到一个新的雕像。雕像级别是根据本发明实施例的系统100的最终级别。
43.表格1
[0044][0045]
方法200进一步以级别“日本庭园”为例进行说明。vr内容290的正向动态是石头尺寸的“增长”，而vr内容270的负向动态是石头尺寸的“减小”并导致其最终消失。该级别的参考值250为0.6。例如，在进入该级别后，用户的第一个实际冥想值为0.51。在这种情况下，vr内容不会改变(石头保持相同的大小)。在第二个间隔之后，实际的冥想值为0.7。结果，石头的边缘出现了。又过了一秒，实际的冥想值增加到了0.72。结果，石头的尺寸进一步增加。在又一次测量(在一秒钟内)之后，实际的冥想值下降到0.01。结果石头变小了。一秒钟后，实际的冥想值变为0.64，石头再次变大。这个过程一直持续到石头达到其最大尺寸(值)。达到
石头的最大尺寸后，用户将进入第二个子级别。在这种情况下，第一块石头保留在用户视野中的给定位置，并且在第一块石头旁边出现一块新石头。当最后一块石头达到最终尺寸时，“日本庭园”级别就结束了。如果在练习过程中的某个时间点，实际的冥想值开始稳步下降，则用户在该实例中“生长”的石头将减少并消失，但之前的石头将保留在原处。
[0046]
方法200，如图5所示，显示了冥想阶段的步骤。方法200包括冥想阶段和专注阶段。专注阶段的步骤与图5描述的步骤基本相同。虽然方法200包括冥想阶段和专注阶段两者，但冥想阶段或专注阶段可以用作独立过程以通过使用系统100来实现本文所述的结果。
[0047]
方法200的冥想阶段可以实现用户的有效休息、缓解压力的状态(例如，通过eeg和ecg监测)。方法200的专注阶段与通过增加用户注意力的其他方式相比可以实现改善的精神状态和增强的认知能力。这些结果已通过在执行方法200之前和之后对用户进行与专注级别相关的测试来进行实验验证。通过连续使用，用户可以发展出管理他或她自己的心理生理状态的卓越技能，包括降低压力和保持认知警觉性。这些技能可以应用于工作环境或个人生活。即，本文公开的系统100和方法200可用作例如就业培训工具以实现更高的认知专注度、提高生产力和用作员工的压力释放工具、课堂辅助以提高学生的表现和个人使用，以达到更高级别的放松、压力释放专注和集中。
[0048]
上述实施例的详细描述是为了进一步清楚地说明本发明的特征和精神。对每个实施例的前述描述并非旨在限制本发明的范围。对上述实施例所作的各种修改和等效布置，均应包含在本发明的保护范围之内。因此，本发明的范围应根据其后描述的权利要求并结合详细说明进行最广泛的解释，并应涵盖所有可能的等效变化和等效布置。
[0049]
本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储媒体(或介质)，其上具有计算机可读程序指令，用于使处理器执行本发明的各方面。
[0050]
计算机可读存储介质可以是能保留和存储指令以供指令执行装置使用的有形装置。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电子存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体示例的非详尽列表包括以下：便携式计算机软盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦除可编程读取只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能磁盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码装置，例如穿孔卡或凹槽中的凸起结构，其上记录有指令，以及前述的任何适当组合。如本文所用，计算机可读存储介质不应被解释为本身是瞬态信号，例如无线电波或其他自由传播的电磁波、传播通过波导或其他传输介质的电磁波(例如，光脉冲通过光纤电缆)或通过电线传输的电信号。
[0051]
本文描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到相应的计算/处理设备，或者经由网络下载到外部计算机或外部存储设备，例如互联网、局域网、广域网和/或无线网络。该网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或网络接口从网络接收计算机可读程序指令并转发计算机可读程序指令以存储在相应计算/处理设备内的计算机可读存储介质中。
[0052]
用于执行本发明的操作的计算机可读程序指令可以是汇编指令、指令集架构
(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据或源代码或对象以一种或多种编程语言的任何组合编写的代码，包括面向对象的编程语言，例如smalltalk、c 等，以及传统的过程编程语言，例如“c”编程语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全在用户计算机上、部分在用户计算机上、作为独立软件包、部分在用户计算机上和部分在远程计算机上或完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，包括局域网(lan)或广域网(wan)，或者可以连接到外部计算机(例如，通过internet使用internet服务提供商)。
[0053]
在此参考根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图来描述本发明的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个块，以及流程图和/或框图中的块的组合，可以通过计算机可读程序指令来实现。
[0054]
这些计算机可读程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或其他可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得通过计算机的处理器或其他可编程数据处理执行的指令装置，创建用于实现流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的装置。这些计算机可读程序指令也可以存储在计算机可读存储介质中，该计算机可读存储介质可以引导计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式运行，使得其中存储有指令的计算机可读存储介质包括实现流程图和/或框图块或块中指定的功能/动作的方面的指令的产品。
[0055]
计算机可读程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使一系列操作步骤在计算机、其他可编程设备或其他设备上执行以产生计算机实现的过程，例如在计算机、其他可编程设备或其他设备上执行的指令实现流程图和/或框图块中指定的功能/动作。
[0056]
图中的流程图和框图说明了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个块可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，方框中标注的功能可能不按图中标注的顺序出现。例如，连续显示的两个块实际上可以基本上同时执行，或者这些块有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图说明的每个块，以及框图和/或流程图说明中的块的组合，可以由执行指定功能或动作的专用基于硬件的系统实现，或执行专用硬件和计算机指令的组合。
[0057]
本文使用的术语仅出于描述特定实施例的目的，并不旨在限制本发明。如本文所用，英语中的单数形式“a”、“an”和“the”实际在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解的是，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定了所述特征、整数、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元素组件和/或其组。
[0058]
本发明权利要求中的所有装置或步骤加上功能元素的相应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于与如具体要求保护的其他要求保护的元素组合来执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，但并不旨在穷举或限制于所描述形式的本发明。在不背离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员将是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施例以及适合于预期
的特定用途的各种修改。