專利名稱：無接觸式光學(xué)生理檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利屬于人體生理特征檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種適用于汽車死機(jī)生理特征檢測的光學(xué)生理信號檢測儀。
背景技術(shù)：
根據(jù)健康部門統(tǒng)計數(shù)字表明，80%的職業(yè)司機(jī)由于久坐、飲食不規(guī)律、緊張、疲勞等因素很容易患上各式各樣的職業(yè)病。隨著人們生活水平的提高，汽車的使用率逐步提高， 人們對汽車的依賴性也越來越大，這也增加了對駕駛汽車人員的健康狀況的潛在危害程度。長期駕駛汽車，如久坐、緊張、疲勞、睡眠不足、飲食無規(guī)律等職業(yè)因素使得駕駛員容易患上胃病，肩周炎，腰痛，頸椎痛、急性頸扭傷，耳聾、視力疲勞等不同程度的疾病。駕駛員在道路狀況不好或心情不好的情況下，情緒容易波動、煩躁，或遇上事故，就更難控制自己的情緒，這些都容易加重失眠、焦慮等方面的疾病，也易引起高血壓等疾病。另外，如男性駕駛員長期久坐，空間密閉，溫度高，空氣不流通，會影響生殖能力。除此之外，長時間駕駛汽車還易引起疲勞，注意力分散，而增加事故的發(fā)生率。駕駛員的健康狀況易被忽視，尤其是長期處在相對獨(dú)立的工作活動空間環(huán)境，過多肥胖，缺少定期鍛煉，且由于飲食不規(guī)律而引起的疾病已不容忽視。多參數(shù)生理檢測儀可更加全面的反映駕駛員的身體狀況，尤其是疲勞狀態(tài)下的生理特征。因此從保持身體健康減少交通事故率的目的出發(fā)，應(yīng)該使用簡單有效的自我測試儀器，保證健康安全的駕駛。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于駕駛員生理特征檢測的多參數(shù)生理檢測儀，可對駕駛員的多種生理信號進(jìn)行監(jiān)測，且功耗低，體積小、結(jié)構(gòu)簡單?！N無接觸式光學(xué)生理檢測儀，包括多個共振腔發(fā)光二極管、攝像頭、圖像傳感器、存儲器、控制單元和存儲有診療信息的數(shù)據(jù)庫存儲單元及輸出設(shè)備，其中，所述共振腔發(fā)光二極管在控制單元的控制下能夠發(fā)射不同波長的紅外光，分布在攝像頭附近；圖像傳感器在控制單元的控制下捕捉駕駛員面部PPG信號，經(jīng)過信號分離調(diào)理電路處理后被送入控制單元；由控制單元結(jié)合數(shù)據(jù)庫里存儲的診療信息，對駕駛員的PPG信號進(jìn)行面部識別和皮膚表層識別，獲取駕駛員的生理信息，并輸出提示信息。作為優(yōu)選實(shí)施方式，所述的共振腔發(fā)光二極管的個數(shù)在50-200個之間，均勻分布在攝像頭周圍；所述的光學(xué)生理檢測儀還包括溫度和濕度傳感器，溫度和濕度傳感器的輸出被送入控制單元；所述的生理信息包括駕駛員的心跳、疲勞程度、肥胖程度和酒精含量中的一種或幾種。本發(fā)明裝置可直接外置安裝在任意汽車上，應(yīng)用方便，可作為汽車附件，也可與汽車生產(chǎn)商協(xié)調(diào)內(nèi)置附著在汽車內(nèi)部。與現(xiàn)有的技術(shù)相比較，本發(fā)明所產(chǎn)生的技術(shù)效果在于1.該檢測儀可檢測駕駛員的肥胖程度，通過檢測光電容積脈搏波信號，產(chǎn)生預(yù)報警，提醒駕駛員注意身體狀況。2.由于圖像傳感器的分辨率很高，所以可應(yīng)用最高分辨率獲取各種皮膚反射光圖像。3.該檢測儀采用自動亮度RCLED均勻照明方式，亮度高，功耗小，且可根據(jù)所照射皮膚位置的反射率自動調(diào)整照明，保證圖像質(zhì)量。4.該檢測儀可檢測駕駛員的疲勞程度，通過圖像識別捕捉和人工智能處理軟件， 查看駕駛員的實(shí)時身體狀況，以提醒駕駛員特別注意安全。5.該檢測儀可檢測駕駛員的酒精含量，提醒駕駛員小心駕駛或暫停駕駛。6.該檢測儀可進(jìn)行面部視覺捕捉，檢測駕駛員的年齡和駕駛狀態(tài)。7.該檢測儀可測量車內(nèi)的溫度和濕度以及一氧化碳和二氧化碳的含量，并提醒駕駛員應(yīng)注意通風(fēng)或調(diào)整溫度，保持車內(nèi)良好的駕駛環(huán)境同時減少中毒的可能性。8.本發(fā)明采用FPGA芯片，功耗低，結(jié)構(gòu)簡單。9.該裝置體積小，質(zhì)量輕，可應(yīng)用在所有的汽車及運(yùn)輸工具中，具有無接觸和接觸式兩種測量方法，也可隨身攜帶，隨時使用，具有很強(qiáng)的推廣性。


圖1 本裝置的硬件核心基本結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)圖1對本發(fā)明裝置進(jìn)一步說明。本發(fā)明是一種帶有光電容積脈搏波信號自動檢測人體自身健康狀態(tài)的檢測裝置。 參見圖1，通過紅外攝像機(jī)(主要由攝像頭、圖像傳感器、存儲器、控制單元等組成)高清晰的捕捉人體面部由于人體血液脈動變化而光吸收變化的光信號，即光電容積脈搏波信號 (photoplethysmograph-PPG)，得到人體溫度和血壓電勢變化信號，并將采集的這種光圖像信號經(jīng)過濾波、信號分離和調(diào)理后送入控制單元中，經(jīng)過控制單元的分析處理，提供準(zhǔn)確的人體健康指數(shù)，疲勞程度，酒精含量等預(yù)警信息。檢測數(shù)據(jù)輸出電路同時可以輸出語音和數(shù)字兩種信號。從而減少疲勞駕駛的幾率，并提醒駕駛?cè)藛T注意鍛煉保持身體的良好狀況，最終減少交通事故率。該裝置是在駕駛員每次發(fā)動汽車時，自動啟動該裝置，也可改成手動設(shè)置啟動該裝置。本發(fā)明實(shí)施例的具體結(jié)構(gòu)如下(1)光學(xué)成像裝置(或稱為攝像頭)本發(fā)明采用固定物距，根據(jù)固定安裝位置限定物距。每次測量時，使用人員固定在某一位置如駕駛員座位，那么物距就恒定，皮膚表面可清晰的成像到像面的CM0S/C⑶圖像傳感器上，同時光學(xué)成像放大倍數(shù)也恒定。(2) CCD/CMOS數(shù)字圖象傳感器采用高分辨率的(XD/CM0S數(shù)碼圖象傳感器，分辨率達(dá)到600nM 1200nM象素，不僅功耗小，而且直接獲得數(shù)碼圖象，避免了一般視頻攝像機(jī)信號和格式轉(zhuǎn)換帶來的各種誤差，圖象清晰穩(wěn)定。(3)多波長紅外光照明光源采用紅外光RCLED陣列(共振腔發(fā)光二極管RCLED (Resonant-Cavity Light-Emitting Diodes)的環(huán)形光源照明，約200個紅外光RCLED均勻地排布在靠近攝像頭前部的鏡筒內(nèi)周，保證皮膚表面能夠獲得多個方向的照明光，最大程度地顯示皮膚的反射光圖像細(xì)節(jié)。RCLED的數(shù)量和位置經(jīng)過照度測量和計算，使得測量范圍內(nèi)的照明光強(qiáng)度達(dá)到按照設(shè)計分布，得到整個測量表面圖像的亮度均勻分布。RCLED功能是在控制單元的控制下，采用不同頻率的紅外光照射皮膚。這樣，攝像頭和圖像傳感器可以用來提取PPG信號，比單獨(dú)使用紅外光更清晰，準(zhǔn)確。另外一個優(yōu)點(diǎn)是被照射人員不會被紅外光所干擾。(4)控制單元和存儲器控制單元由FPGA實(shí)現(xiàn)，控制單元一方面通過發(fā)出不同頻率的方波脈沖信號控制電流源，從而驅(qū)動RCLED環(huán)，使其發(fā)出不同頻率的紅外光，另一方面通過控制圖像傳感器實(shí)現(xiàn)視頻序列的拍攝，從而以無接觸的方式收集PPG信號。本發(fā)明實(shí)施例的控制單元包括一個現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array-FPGA)。除了控制單元外，還包括 1個1兆比特(1( )的DDR2存儲器及相應(yīng)的DRAM控制器，1個USB2. 0模塊用于與計算機(jī)通訊和1個無線接收端口。本發(fā)明實(shí)施例所采用的信號處理包括濾波，信號分離調(diào)理電路功能均由FPGA初始化編碼實(shí)現(xiàn)。圖像傳感器采集的駕駛員面部PPG信號經(jīng)過濾波、解碼和調(diào)理后被送入控制單元。攝像頭，圖像傳感器，F(xiàn)PGA，存儲器，數(shù)據(jù)庫存儲單元，這些所有的部件都嵌入在一個小電路板上。系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于圖像傳感器的敏感度(或量子有效性Quantum Efficiency, QE) 0 一般來講，圖像傳感器在可見光譜400-700nm范圍內(nèi)更敏感。因?yàn)橄到y(tǒng)要處理的信號在600-1200nm之間，因此所選擇的傳感器最好具有高QE從而能很好的處理生物信號所包含的多種信息。同時，高QE的傳感器本身對所處理的信息影響更小。所以根據(jù)要處理的信號不同，所選擇的傳感器也不同。為適用各種需求，在價格允許的范圍內(nèi)，將選擇高靈敏度的傳感器。下面結(jié)合具體功能，具體分析該裝置的功能是如何實(shí)現(xiàn)的。首先，紅外照相機(jī)通過控制系統(tǒng)的信號觸發(fā)，發(fā)信號給RCLED，這些發(fā)光二極管環(huán)照射在皮膚和臉部，捕捉到相應(yīng)頻率的光反射信號。通過從照相機(jī)獲得的實(shí)時PPG光信號，如前額，人工智能軟件可以推斷出駕駛員的年齡/疲勞程度。即通過把兩個相近位置的信號相比較，這兩個來源的信號相差或延遲越大，駕駛員就越老/越疲勞。當(dāng)延遲非常顯著時，通過和其他的生物信號相比， 可以具體推斷出駕駛員是年輕且疲勞還是年老且精神狀況良好。無接觸式反射PPG信號測量的原理如下。這種采集信號的模型是根據(jù)比爾-朗伯吸收定律(Beer-Lambert)來描述入射光照射到生物組織與光接收和傳送之間的關(guān)系。其中，Ii是皮膚表面的光入射率，I0是穿透到皮膚的光入射率，Ir是反射光率，I是從細(xì)胞組織發(fā)出的光出射率，光到達(dá)光電探測器可以分為穩(wěn)定部分(DC)和暫態(tài)部分(AC)。 DC部分包括反射光L以及從細(xì)胞組織，骨頭，穩(wěn)定血液等發(fā)出的穩(wěn)定光，AC部分表示由于血容積變化而引起的光吸收的變化，從而細(xì)胞組織的光發(fā)出率I表達(dá)為I = I0exp (- μ effr) = I0exp [- μ dynamicd (t) - μ staticm](1)
其中，r是測量皮膚和紅外照相機(jī)或測量裝置的平均距離；μ dynamic, μ static是穩(wěn)定部分和動態(tài)部分的消光系數(shù)；d(t)和m是光源到穩(wěn)定部分和動態(tài)部分路徑距離。
權(quán)利要求
1.一種無接觸式光學(xué)生理檢測儀，包括多個共振腔發(fā)光二極管、攝像頭、圖像傳感器、 存儲器、控制單元和存儲有診療信息的數(shù)據(jù)庫存儲單元及輸出設(shè)備，其中，所述共振腔發(fā)光二極管在控制單元的控制下能夠發(fā)射不同波長的紅外光，分布在攝像頭附近；圖像傳感器在控制單元的控制下捕捉駕駛員面部PPG信號，經(jīng)過信號分離調(diào)理電路處理后被送入控制單元；由控制單元結(jié)合數(shù)據(jù)庫里存儲的診療信息，對駕駛員的PPG信號進(jìn)行面部識別和皮膚表層識別，獲取駕駛員的生理信息，并輸出提示信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)生理檢測儀，其特征在于，所述的共振腔發(fā)光二極管的個數(shù)在50-200個之間，均勻分布在攝像頭周圍。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)生理檢測儀，其特征在于，所述的光學(xué)生理檢測儀還包括溫度和濕度傳感器，溫度和濕度傳感器的輸出被送入控制單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)生理檢測儀，其特征在于，所述的生理信息包括駕駛員的心跳、疲勞程度、肥胖程度和酒精含量中的一種或幾種。
全文摘要
本發(fā)明屬于人體生理特征檢測技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種無接觸式光學(xué)生理檢測儀，包括光源、攝像頭、圖像傳感器、存儲器、控制單元和存儲有診療信息的數(shù)據(jù)庫存儲單元和輸出設(shè)備，光源包括多個共振腔發(fā)光二極管，所述共振腔發(fā)光二極管在控制單元的控制下能夠發(fā)射不同波長的紅外光，分布在攝像頭附近，圖像傳感器在控制單元的控制下捕捉到的駕駛員面部PPG信號，經(jīng)過信號分離調(diào)理電路處理后被送入控制單元；控制單元能夠讀取數(shù)據(jù)庫存儲單元存儲的診療信息，并通過輸出設(shè)備輸出駕駛員的生理信息。本發(fā)明可對駕駛員的多種生理信號進(jìn)行監(jiān)測，且功耗低，體積小、結(jié)構(gòu)簡單。
文檔編號A61B5/00GK102309315SQ20111026284
公開日2012年1月11日 申請日期2011年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月7日
發(fā)明者周翊民, 夏旭 申請人:周翊民