專利名稱：疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過監(jiān)測腦電波從而判斷疲勞瞌睡程度進而喚醒的 方法，本發(fā)明還涉及利用該方法所研發(fā)的裝置。
技術(shù)背景現(xiàn)有的監(jiān)測駕駛員疲勞打瞌睡的方法有多種如通過監(jiān)測駕駛員眼 睛活動、頭部的擺動傾斜情況、手對方向盤的握緊力變化、方向盤的動 作事件及車速等的異常變化來判斷駕駛員是否疲勞打瞌睡。德國寶馬公司研制了一種睡眠報警裝置，該報警裝置的設(shè)計原理是 通過 臺攝像機，對駕駛員的眼瞼活動情況進行監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)匯總后 傳遞到裝置內(nèi)，以確定駕駛員在駕駛中的清醒程度，繼而適時發(fā)出光警報信號。還有一種專利號為88219311.2的紅外瞌睡報警器是利用紅外線 光束射向眼的瞳孔，當(dāng)眼睛睜開時，光束將該部分反射并折回；當(dāng)人眼 閉合時，光束則不能折回。 一旦人眼閉合超過某個時限，監(jiān)視光學(xué)信號 的微信息處理機則會使報警裝置發(fā)出報警信號。由于眼瞼活動情況的異 常并非都是由于瞌睡造成的，所以，如果出現(xiàn)由于其它情況而引起的眼 瞼活動，這種裝置也會發(fā)出報警信號，這樣會造成錯誤報警的情況。另 外，國外曾經(jīng)有這樣的報道為了搞清巴黎到里昂高速公路三個事故多 發(fā)路段的事故原因，法國高速公路管理部門組織了一批駕駛記錄良好的 青年志愿者，在他們的汽車中安裝攝像監(jiān)測設(shè)備，全程記錄駕駛員的駕 駛操作反應(yīng)，結(jié)果顯示，駕駛員長時間在高速公路上行車，會不由自主地打瞌睡，頻率約為每40公里一次，而且經(jīng)常是在毫無意識的情況下睜 著眼睛睡，時間為1-4秒。這種被稱為"微睡"的情況便是造成高速公路 交通事故的主要原因。如此看來，僅僅測量眼睛的變化，難以避免漏判 的情況。還有，當(dāng)人們產(chǎn)生睡意時，往往頭部會向前傾斜，有的防瞌睡裝置 就是通過對駕駛員頭部的擺動傾斜情況來進行監(jiān)測，該裝置只要頭部向 前傾斜，就會自動發(fā)出警報聲，以此來喚醒駕駛員，從而避免交通事故 的發(fā)生。但這種裝置也同樣存在一定的不準(zhǔn)確性，因為人的頭部向前傾 斜的情況有多種原因，比如說低頭看某些東西的時候就會引起警報響起， 此外人在嗑睡時頭部也并非一定會向前傾斜。所以這種裝置也會一定程 度的造成錯誤報警和遺漏報警。一直以來，很多設(shè)計者都在試圖開發(fā)一種能提高此類裝置判斷能力 及準(zhǔn)確性的裝置，在日本曾公開了一種防瞌睡汽車音響裝置，其采用在 方向盤上裝設(shè)傳感器的方式，當(dāng)人因疲勞而產(chǎn)生瞌睡時，心率會發(fā)生變 化，根據(jù)這一原理安裝在方向盤上的傳感器可以測試到駕駛員的心跳頻 率，并通過微電腦分析其心電圖。還有的就是通過攝像系統(tǒng)攝取使用者的面部特征，通過一套智能分 析系統(tǒng)來進行識別該使用者是否產(chǎn)生睡意，這種裝置要求對面部的分析 非常之精細(xì)，而且使用的范圍比較狹隘，需要能夠固定攝像裝置的支點， 對攝像裝置的要求也非常的高， 一旦攝像裝置在攝取面部神情的時候出 現(xiàn)一些瑕疵之類的導(dǎo)致面部細(xì)節(jié)不真實就會使得分析系統(tǒng)的判斷出現(xiàn)錯 誤。上述各種監(jiān)測方法及裝置的共同不足之處就是準(zhǔn)確率不夠高，時有 誤判。早在19世紀(jì)70年代就開始了關(guān)于在實驗動物暴露的大腦皮質(zhì)有自發(fā)性腦電活動的初步研究，并提出將這種自發(fā)性電位變化應(yīng)用到腦電圖一詞來描述，1924年H Berger將兩根鉑制針狀電極通過頭皮和顱骨外 傷的缺口插入大腦皮質(zhì)，首次由人腦成功地記錄出了有規(guī)則的腦電活動， 并且證明，若將記錄電極直接放置在人的頭皮上，仍然能夠描記到這種 腦電波形。根據(jù)頻率不同從應(yīng)用的角度習(xí)慣上將腦電波分為4個頻段 頻率在0.5 3Hz之間的我們稱之為S波，又叫"深睡波"；頻率在4~7HZ 之間的我們稱之為e波，又"淺睡波"；頻率在8 13Hz之間的我們稱之為 a波，又叫"松弛波"；頻率在14 30Hz之間或者更高的我們稱之為(3波 又叫"興奮波"；各種波可同時存在。清醒工作狀態(tài)時的腦電波在14Hz以 上，甚至可達30Hz或更高。當(dāng)p波居多的時候，顯意識非?；钴S，腦的 活動處于最恰當(dāng)?shù)呐d奮狀態(tài)；當(dāng)疲勞襲來時腦的興奮度下降，呈現(xiàn)一個卩 波逐漸減少，ot波逐漸增多，直至e波逐步增多的一個過程。疲勞狀態(tài)產(chǎn) 生的腦電波的變化是一種最客觀的顯示，通過對腦電波由(3波逐漸減少a波、e波逐漸增多的數(shù)據(jù)進行處理分析，來判定是否有瞌睡，是最有效的監(jiān)測方式。香港理工大學(xué)曾提出一種用腦電波的波幅值及頻譜分布數(shù)據(jù)來分析 的方法，其原理采用的是判斷該被監(jiān)測者的腦電波幅值大于等于2倍幅 值參考值，并且判斷該監(jiān)測者的腦電波頻譜分布中，4一8Hz的e波頻譜 分量占整個頻譜總量的25%以上，以及8 — 13Hz的(x波頻譜分量占整個頻譜總量的10%以上，則發(fā)出報警信號。這一監(jiān)測報警裝置是為駕駛員 使用的瞌睡監(jiān)測報警裝置。雖然該裝置采用了腦電波作為分析的依據(jù)， 相比其它方法能減少錯誤報警和遺漏報警的情況，但是，用頻譜的分布 比例來作為監(jiān)測判斷的依據(jù)還是存在一定的問題。因此，如何對利用監(jiān) 測到的腦電波信號進行更科學(xué)、更準(zhǔn)確的分析仍是醫(yī)學(xué)上從事神經(jīng)電生 理研究人員的研究課題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的第一個目的，就是提供一種通過監(jiān)測人腦電波從而判斷疲勞 瞌睡程度進而喚醒方法。方法步驟如下1、 將3個腦電波采集電極分別貼在頭頂正中的中央?yún)^(qū)采集點、耳 垂參考點和前額正中接地點采集腦電波；2、 取中央?yún)^(qū)采集點與耳垂參考點之間的電位差，經(jīng)運算放大、A/D 模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號經(jīng)光電耦合器進行光電隔離后通過FFT運 算來對該數(shù)字信號進行濾波處理；3、 通過周期圖法和/或Burg遞推算法、多窗口法算法，取誤差最 小的功率譜值，當(dāng)頻率在8-13Hz之間的a波與頻率在4-7Hz之間 的9波的功率譜值比值在1. 582-2. 08之間時發(fā)出控制信號至報警系 統(tǒng)；4、 報警系統(tǒng)控制音頻輸出設(shè)備報警或執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行緊急控制。所述的功率譜值計算時間間隔為20-40秒。所述的報警系統(tǒng)當(dāng)a波與6波的功率譜值比值在1. 582-1. 84之間時 發(fā)出50-60分貝的語音警報信號；當(dāng)a波與9波的功率譜值比值在 1. 84-2. 08之間時發(fā)出持續(xù)30秒的70-80分貝的漸強性單一警報信號， 后緊接發(fā)出40-50分貝的語音警報信號。本發(fā)明的第二個目的，就是提供根據(jù)上述方法所研發(fā)的裝置，其包 含依次以數(shù)據(jù)線連接的腦電波采集處理系統(tǒng)、光電耦合模塊、數(shù)字信號 處理模塊、信息處理系統(tǒng)、報警信號處理系統(tǒng)和音頻輸出設(shè)備；所述的腦電波采集處理系統(tǒng)為分別貼在頭頂正中的中央?yún)^(qū)采集點 和耳垂參考點、前額正中接地點采集腦電波的腦電波采集電極，前額正 中接地點有分路分接采集點與參考點，采集點與參考點則分別接至模擬 信號采集電路的輸入端，模擬信號采集電路、低通濾波電路、放大電路 與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次以數(shù)據(jù)線連接；所述的數(shù)字信號處理模塊采用FFT運算進行數(shù)字濾波;'所述的信息處理系統(tǒng)采用DTMF的提取運算(Goertzel算法)和/或 周期圖法、Burg遞推算法、多窗口法算法，計算腦電波的頻譜和功率譜 并進行分析比較；所述的報警信號處理系統(tǒng)存儲多種喚醒信號；所述的音頻輸出設(shè)備為藍(lán)牙耳機或喇叭。所述的3腦電波釆集電極鑲嵌在帽子或頭盔等的內(nèi)側(cè)對應(yīng)處。本發(fā)明可實時監(jiān)測腦電波功率譜的變化，只要使用者一接上本腦電 波喚醒器，信息處理系統(tǒng)就會立刻對當(dāng)前狀態(tài)的功率譜進行計算和分析， 信息處理系統(tǒng)會記錄開始的功率譜狀態(tài)值作為以后狀態(tài)變化的一個比較 參考值。此后信息處理系統(tǒng)會每間隔一段時間(間隔時間為20-40秒)計算處理一次腦電波的功率譜值，當(dāng)卩波逐漸減少，a波逐漸增多的情況下，喚醒系統(tǒng)會發(fā)出語音信號以提示使用者恢復(fù)到清醒狀態(tài)，比如說對司機 而言的話可以提示"請小心開車，保持清醒狀態(tài)"等等之類的語音內(nèi)容，而當(dāng)e波逐步增多時，說明該使用者已進入淺睡狀態(tài)，喚醒系統(tǒng)會發(fā)出一大概持續(xù)30秒左右的較高的警報聲，能夠在瞬間喚醒使用者，隨后繼續(xù) 發(fā)出語音信號以便幫助使用者在盡快短的時間內(nèi)恢復(fù)到清醒狀態(tài)。其目 的是因為當(dāng)人在睡眠狀態(tài)中被突然喚醒時意識仍不能夠立即完全恢復(fù)到 清醒狀態(tài)，會不知道自己在做什么。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。 圖1是本發(fā)明的實施例電路框圖； 圖2是本發(fā)明的實施例電極位置側(cè)視圖； 圖3是本發(fā)明的實施例電極位置俯視圖； 圖4是實施例的腦電波采集處理系統(tǒng)電路圖； 圖5是實施例的光電耦合模塊電路圖； 圖6是實施例的數(shù)字信號處理模塊電路圖； 圖7是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理框圖。
具體實施方式
本發(fā)明的通過監(jiān)測腦電波從而判斷疲勞瞌睡程度進而喚醒的方法實 施例步驟如下
1、 將3個腦電波采集電極分別貼在頭頂正中的中央?yún)^(qū)采集點、耳 垂參考點和前額正中接地點采集腦電波 ，
2、 取中央?yún)^(qū)采集點與耳垂參考點之間的電位差，經(jīng)運算放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號經(jīng)光電耦合器進行光電隔離后通過FFT運 算來對該數(shù)字信號進行濾波處理；
3、 通過周期圖法和/或Burg遞推算法、多窗口法算法，取誤差最 小的功率譜值，當(dāng)頻率在8-13Hz之間的cc波與頻率在4-7Hz之間 的e波的功率譜值比值在1. 582-2. 08之間時發(fā)出控制信號至報警系 統(tǒng)；
4、 報警系統(tǒng)控制音頻輸出設(shè)備報警或執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行緊急控制。 功率譜值計算時間間隔為20-40秒。所述的報警系統(tǒng)當(dāng)a波與9波的功率譜值比值在1. 582-1. 84之間時 發(fā)出50-60分貝的語音警報信號；當(dāng)a波與9波的功率譜值比值在 1. 84-2. 08之間時首先發(fā)出一持續(xù)30秒的70-80分貝的漸強性單一警報 信號，后緊接發(fā)出40-50分貝的語音警報信號，協(xié)助使用者在最短的時 間內(nèi)恢復(fù)清醒意識。根據(jù)上述方法所研發(fā)的裝置包含依次以數(shù)據(jù)線連接的腦電波采集處理系統(tǒng)1、光電耦合模塊2、數(shù)字信號處理模塊3、信息處理系統(tǒng)4、 報警信號處理系統(tǒng)5和音頻輸出設(shè)備6;腦電波采集處理系統(tǒng)為鑲嵌在帽子或頭盔等的內(nèi)側(cè)分別對應(yīng)于人頭 頂正中的中央?yún)^(qū)采集點、耳垂參考點和前額正中接地點的三個腦電波采 集電極，前額正中接地點有分路分接采集點與參考點排除干擾，采集點 與參考點則分別接至模擬信號采集電路的輸入端，采集電路、放大電路、 低通濾波電路與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次以數(shù)據(jù)線連接，被整合為腦電波采集處理模塊電路1，參見圖1或圖4，電路中的輸入端EEG+與采集點電極相 連，EEG-端與參考點電極相連，SGND端則與前額正中接地點電極相連并 有分路與采集點電極和參考點電極相連。來自輸入端的腦電波信號通過放大電路模擬放大，然后經(jīng)過AD7684 芯片進行A/D轉(zhuǎn)換成能夠進行處理判斷的數(shù)字信號；放大器部分的規(guī)格 為頻率響應(yīng)1 65Hz;采樣率1024次/秒；輸入范圍士15mv;分 辨率0.5|iV;輸入阻抗100mQ;輸入端噪聲電平《2.5pV;共模抑 制比》100dB; 50HZ工頻干擾抑制比》60dB;絕緣方式雙重絕緣；光電隔離2500V;腦電波采集處理模塊1通過光電耦合芯片IL717與數(shù) 字信號處理模塊3相連接，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的腦電波信號在數(shù)字信號處 理模塊中進行數(shù)字濾波，數(shù)字信號處理模塊3為芯片MEGA16L，通過 FFT算法進行數(shù)字濾波;最后再傳輸?shù)叫畔⑻幚硐到y(tǒng)模塊4中進行功率頻 譜的計算，對計算結(jié)果進行分析和比較，采用DTMF的提取運算(Goertzd 算法)和/或周期圖法、Burg遞推算法、多窗口法算法，計算由腦電波采 集系統(tǒng)傳輸過來的腦電波的頻率和功率譜等參數(shù)值并進行分析比較，傳輸判斷指令給報警信號處理系統(tǒng)，報警信號處理系統(tǒng)接有藍(lán)牙耳機。系統(tǒng)板MCUARM9中包括了所述的信息處理系統(tǒng)4和所述的報警信號處理 系統(tǒng)5。裝置由電池供電。本發(fā)明的裝置是一款設(shè)計簡單、易于攜帶的儀器，它可設(shè)計成帽子的 外觀形式，將采集腦電用的電極線鑲嵌在內(nèi)側(cè)與頭皮接觸的地方，只要 戴上該儀器打開電源開關(guān)即可以啟動儀器。采集系統(tǒng)通過腦電電極線采 集腦電波實時信號，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，信息處理系統(tǒng)計算 采集到的腦電波的功率譜值，以此判斷使用者是否處于意識清醒的狀態(tài)， 如果是則將其值存儲于memory中，以作為一對照的參考值；當(dāng)監(jiān)測到a 波與e波的功率譜值比值開始慢慢增大，比值在1.582-1.84之間時，信息 處理系統(tǒng)會給個判斷信號給報警信號處理系統(tǒng)，報警信號處理系統(tǒng)會根 據(jù)接收到的判斷信號選擇播放出提醒使用者保持清醒操作的不同的語音 警報信號。而當(dāng)監(jiān)測到a波與9波的功率譜值比值在1.84-2.08之間時， 報警信號處理系統(tǒng)會根據(jù)接收到的判斷信號選擇先播放出一大概持續(xù)30 秒的高音強、高頻率的單一警報信號促使使用者瞬間消除倦意，隨即再 播放一語音信號幫助使用者在最短的時間內(nèi)恢復(fù)清醒意識，避免事故的 發(fā)生。本發(fā)明的優(yōu)點1) 本發(fā)明用腦電電極采集使用者的腦電波狀態(tài)，是一種客觀的監(jiān)測 手段，是最有效的監(jiān)測方式；2) 本發(fā)明中的采用的是ECOS實時操作系統(tǒng)，能夠最大程度的滿足 腦電波采集、傳輸、處理的實時性；3) 本發(fā)明可與帽子、頭盔等結(jié)合起來，美觀，攜帶方便；4) 操作簡單，只需戴上設(shè)備、打開電源開關(guān)即可；5) 喚醒信號可根據(jù)個人的喜好而設(shè)定，也可進行更新。6) 本發(fā)明可應(yīng)用到多種領(lǐng)域，如針對駕駛而言，可與汽車剎車裝置相連接，如果監(jiān)測到使用者的腦電波全為e波即處于睡眠狀態(tài)時，就啟動汽車剎車裝置，將車強制性停下來。
權(quán)利要求
1、一種疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒方法，步驟如下1)將3個腦電波采集電極分別貼在頭頂正中的中央?yún)^(qū)采集點、耳垂參考點和前額正中接地點采集腦電波；2)取中央?yún)^(qū)采集點與耳垂參考點之間的電位差，經(jīng)運算放大、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，信號經(jīng)光電耦合器進行光電隔離后通過FFT運算來對該數(shù)字信號進行濾波；3)通過周期圖法和/或Burg遞推算法、多窗口法，取誤差最小的功率譜值，當(dāng)頻率在8-13Hz之間的α波與頻率在4-7Hz之間的θ波的功率譜值的比值在1.582-2.08之間時發(fā)出控制信號至報警系統(tǒng)；4)報警系統(tǒng)控制音頻輸出設(shè)備報警或執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行緊急控制。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒方法，其特征是所 述的功率譜值計算時間間隔為20-40秒之間。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒方法，其特征是:所述的報警系統(tǒng)當(dāng)a波與e波的功率譜值比值在1. 582-1. 84之間時發(fā) 出50-60分貝的語音警報信號；當(dāng)a波與9波的功率譜值比值在 1. 84-2. 08之間時發(fā)出持續(xù)30秒的70-80分貝的漸強性單一警報信號， 后緊接發(fā)出40-50分貝的語音警報信號。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法所設(shè)計的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒裝置， 其特征是包含依次以數(shù)據(jù)線連接的腦電波采集處理系統(tǒng)(1)、光電 耦合模塊(2)、數(shù)字信號處理模塊(3)、信息處理系統(tǒng)(4)、報警 信號處理系統(tǒng)(5)、音頻輸出設(shè)備(6)和供電電池；所述的腦電波采集處理系統(tǒng)(1)為分別貼在頭頂正中的中央?yún)^(qū)采集點、耳垂參考點和前額正中接地點采集腦電波的腦電波采集電極， 前額正中接地點有分路分接采集點與參考點，采集點與參考點則分別 接至模擬信號采集電路的輸入端，模擬信號采集電路、低通濾波電路、放大電路與模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路依次以數(shù)據(jù)線連接；所述的數(shù)字信號處理模塊采用FFT運算進行數(shù)字濾波；所述的信息處理系統(tǒng)采用DTMF的提取運算和周期圖法、Burg遞 推算法、多窗口法算法，計算腦電波的頻率和功率譜值，并進行比較 和分析；所述的報警信號處理系統(tǒng)存儲多種喚醒信號。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒裝置，其特征是所 述的光電耦合模塊(2)為芯片IL717，所述的數(shù)字信號處理模塊(3) 為芯片MEGA16L，系統(tǒng)板MCUARM9中包括了所述的信息處理系統(tǒng)(4) 和所述的報警信號處理系統(tǒng)(5)，所述的音頻輸出設(shè)備(6)為藍(lán)牙耳 機或喇叭。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒裝置，其特征是所 述的中央?yún)^(qū)采集點、耳垂參考點和前額正中接地點的腦電波采集電極 鑲嵌在帽子或頭盔等的內(nèi)側(cè)對應(yīng)處。
全文摘要
疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒方法1)將3個腦電波采集電極分貼在頭頂正中的采集點、耳垂參考點和前額正中接地點；2)取采集點與參考點電位差放大、A/D轉(zhuǎn)換后濾波；3)計算并取誤差最小的功率譜值，當(dāng)頻率在8-13Hz之間的α波與頻率在4-7Hz之間的θ波的功率譜值的比值在1.582-2.08之間時發(fā)出控制信號至報警系統(tǒng)；4)報警系統(tǒng)控制音頻輸出設(shè)備報警。根據(jù)上述方法設(shè)計的疲勞瞌睡監(jiān)測喚醒裝置包含依次以數(shù)據(jù)線連接的腦電波采集處理系統(tǒng)(1)、光電耦合模塊(2)、數(shù)字信號處理模塊(3)、信息處理系統(tǒng)(4)、報警信號處理系統(tǒng)(5)和音頻輸出設(shè)備(6)。本方法及裝置具有高的準(zhǔn)確率，可最大限度地避免在高危操作時由于疲勞瞌睡而導(dǎo)致的事故。
文檔編號G06F19/00GK101243973SQ20081002614
公開日2008年8月20日 申請日期2008年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月31日
發(fā)明者杰 楊 申請人:杰 楊