專利名稱：一種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統及方法
技術領域：
本發明涉及生物醫學工程和機械電子工程技術領域，具體涉及一種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統及方法。
背景技術：
近十年來，隨著汽車的數量急劇增加，交通事故也隨之增多，據有關報道，我國已成為交通事故多發國家之一。導致交通事故的因素很多，其中，駕駛員疲勞駕駛是導致交通事故的主要原因。在國外，情況也很嚴峻，美國全國睡眠基金會2009年11月4日發表新聞公告說，全國每年因疲勞駕駛導致近200萬起車禍。法國國家警察總署事故報告表明，因為駕駛疲勞導致的意外占人身傷害事故的14.9%，死亡事故的20.6%。據英國汽車協會統計，英國每年有十分之一的交通事故是由于司機疲勞駕駛而造成；來自德國聯邦道路交通部門的統計顯示，在德國每五起交通事故就有一起是因為疲勞駕駛引發的，此類交通事故造成的損失每年高達50億歐元。因此，準確快速檢測駕駛員駕駛疲勞狀態并及時緩解顯得尤為重要。近年來，由于計算機視覺和集成電路技術的發展，給駕駛疲勞檢測和疲勞緩解的研究拓寬了空間，使之進入了黃金時期。下面是國外對疲勞檢測取得的一些研究成果。
雷諾汽車公司耗時5年研制成功了一種紅外線裝置。這一裝置需要安裝在汽車前方，與駕駛員的雙眼直接對視。當駕駛員眼皮停止張合，即出現困意時，紅外線裝置會立即發出警報，使駕駛員驚醒，并繼續保持正常駕駛。這種裝置的缺點是:對駕駛員疲勞預警較晚，等到駕駛員眼睛停止張合的時候，已屬于睡眠期，這對駕車相當不利，為了駕駛員安全駕駛，必須做到提前預警。美國A ttention Technologies 公司研制出 Driver Fatigue Monitor (DD850)疲勞檢測預警系統，主要是通過紅外攝像頭去采集駕駛員眼睛信息，然后利用PERCL0S準則進行疲勞判定，最后起到預警的目的。這種裝置受司機駕駛方位的局限，當司機在適當的位置時才能正常檢測。另外，以上涉及的成果都無法實現駕駛員疲勞駕駛緩解功能。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明提供一種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統及方法。—種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，包括腦電采集裝置、上位機、下位機和電刺激儀；
所述腦電采集裝置用于采集駕駛員的腦電信號；
所述上位機用于提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機；所述下位機用于根據駕駛狀態數據形成控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式的指
令；
所述電刺激儀用于根據下位機生成的控制指令執行相應工作模式的操作；
所述腦電采集裝置的輸入端連接至駕駛員的大腦皮層，腦電采集裝置的輸出端連接上位機,上位機連接下位機,下位機連接電刺激儀輸入端，電刺激儀的脈沖輸出端通過電極連接至駕駛員的可緩解腦疲勞的經絡穴位。所述電刺激儀包括主控單元、頻率調節單元、電壓調節單元、通訊單元和報警單元;
所述頻率調節單元包括數字電位計和555定時器，主控單元分別與數字電位計、電壓調節單元、通訊單元和報警單元相連，數字電位計連接555定時器；電壓調節單元連接有電極；通訊單元連接下位機。所述電刺激儀的工作模式包括低強度刺激工作模式、高強度刺激工作模式和報警工作模式；
所述低強度刺激工作模式為電極輸出電流20-25mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ；
所述高強度刺激工作模式為電極輸出電流50-70mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ；
所述報警工作模式為通過報警裝置語音提示駕駛員停止駕車。所述可緩解腦疲勞的經絡穴位包括人體手臂的內關穴、手上的合谷穴和勞宮穴、頸部的風池穴和足底的涌泉穴。所述電刺激儀的脈沖輸出端可通過電極連接至駕駛員的一個或兩個可緩解腦疲勞的經絡穴位。采用所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統進行駕駛疲勞的檢測緩解方法，包括如下步驟:
步驟1:腦電采集裝置實時采集駕駛員在駕駛過程中的腦電信號；
步驟2:將采集到的駕駛員腦電信號傳輸至上位機；
步驟3:上位機提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機；
步驟3.1:對采集的駕駛員腦電信號進行小波包變換，提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號；
步驟3.2:對駕駛員開始駕車前十分鐘的腦電疲勞指數，即快波頻段信號的平均功率譜和慢波頻段信號的平均功率譜的比值，該腦電疲勞指數作為駕駛員非疲勞狀態的腦電疲勞指數；
步驟3.3:實時計算駕駛員的當前腦電疲勞指數，并根據當前腦電疲勞指數相對于非疲勞狀態的腦電疲勞指數的下降幅度判斷駕駛員的駕駛狀態:若下降幅度< 20%，則駕駛員處于正常駕駛狀態，此時返回步驟I ;若20%<下降幅度<30%，則駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態；若30% <下降幅度< 50%，則駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態；若下降幅度> 50%，則駕駛員處于極度疲勞狀態；
步驟3.4:將駕駛員的駕駛狀態數據傳輸至下位機；
步驟4:下位機根據駕駛狀態數據控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式:若駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態，則進入低強度刺激的工作模式；若駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態，則進入高強度刺激的工作模式；若駕駛員處于極度疲勞駕駛狀態，則進入報警工作模式，提示駕駛員停止駕車。所述步驟3.1中的快波頻段信號包括8Hz 12Hz的α波和12Hz 32Hz的β波，慢波頻段信號IHz 4Hz的δ波和4Hz 8Hz的Θ波。有益效果:
本發明利用腦電采集裝置可以實時監測駕駛員的駕車狀態，采用電刺激儀對駕駛員適時進行電刺激，另外下位機可以根據駕駛員所處的駕駛狀態，進入電刺激儀的不同工作模式，以更好的實現緩解駕駛疲勞。通過分析駕駛員腦電信號及時檢測出駕駛疲勞，從而提高駕車安全性，減少因疲勞駕駛帶來的交通隱患。
圖1為本發明的具體實施方式
的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統結構示意 圖2為本發明的具體實施方式
的腦電采集裝置的電極連接示意圖； 圖3為本發明的具體實施方式
的下位機與電刺激儀的電路連接原理 圖4為本發明的具體實施方式
的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統進行駕駛疲勞的檢測緩解方法流程 圖5為本發明的具體實施方式
的下位機數據處理的流程圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體實施做詳細說明。本實施方式的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，如圖1所示，包括腦電采集裝置、上位機、下位機、電刺激儀和報警裝置；
腦電采集裝置用于采集駕駛員的腦電信號；
上位機用于提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機；
下位機用于根據駕駛狀態數據形成控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式的指令； 電刺激儀用于根據下位機生成的控制指令執行相應工作模式的操作；
腦電采集裝置的輸入端連接至駕駛員的大腦皮層，腦電采集裝置的輸出端連接上位機,上位機連接下位機,下位機連接電刺激儀輸入端，電刺激儀的脈沖輸出端通過電極連接至駕駛員的可緩解腦疲勞的經絡穴位。可緩解腦疲勞的經絡穴位包括人體手臂的內關穴、手上的合谷穴和勞宮穴、頸部的風池穴和足底的涌泉穴。電刺激儀的脈沖輸出端可通過電極連接至駕駛員的一個或兩個可緩解腦疲勞的經絡穴位，即單穴位刺激或雙穴位刺激。腦電采集裝置采用Emotiv Epoc意念控制器，由美國加州舊金山的神經科技公司Emotiv Systems生產，上位機采用PC機，下位機采用STC89C52型號的單片機，電刺激儀是在現有的機械式電刺激儀基礎上進行改進，采用型號為X9318的數控電位器作為電刺激儀的核心控制器，實現自動控制調整電刺激儀的開啟、關閉及檔位選擇(工作模式選擇)。腦電采集裝置通過四個電極連接如圖2所示的人腦的P3、P4、Fz、Pz位置，另外腦電采集裝置通過USB端口與PC機相連，PC機九針串口連接單片機的九針串口。本實施方式的下位機與電刺激儀的電路連接如圖3所示，電刺激儀包括主控單元(STC89C52芯片電路)、頻率調節單元、電壓調節單元、通訊單元和報警單元；
頻率調節單元包括數字電位計x9318 (IC3)和555定時器(NE555定時芯片)，主控單元分別連接數字電位計、電壓調節單元、通訊單元(MAX232芯片)和報警單元；
數字電位計連接555定時器，555定時器根據電刺激儀的不同工作模式的電壓輸出值要求，調整不同頻率的脈沖，實現電刺激儀的頻率調節功能；電壓調節單元連接兩個電極(雙穴位刺激)；通訊單元連接下位機，用于實現電刺激儀與下位機之間的數據通訊；報警單兀米用揚聲器Bell (型號YHE12-05),用于在駕駛員處于極度疲勞狀態時提不駕駛員停止駕車。如圖3所示，數字電位計IC3引腳1、2、7分別和主控芯片STC89C52的POO、POUP02相連接，IC3的RW與555定時器的DIS相連接。主控芯片STC89C52通過P00、P01、P02引腳，控制數字電位計輸出不同的電壓(0-5V)，555定時器根據不同的電壓值輸出不同頻率的脈沖，最終實現電刺激儀頻率調節的功能。主控芯片STC89C52通過P03、P04、P05引腳分別與數字電位計IC4的1、2、7弓丨腳相連，IC4電位計的RW和RL引腳分別與連接電刺激儀的電極端A、B。主控芯片STC89C52通過P03、P04、P05引腳控制電位計IC4輸出不同的電壓，由于人體穴位間的電阻基本恒定，當電刺激儀電極間輸出不同電壓時，在人體穴位間會形成不同電流，以實現電刺激儀的高低檔位調節功能。
主控芯片STC89C52引腳RXD、TXD分別與MAX232芯片的TlIN和RlOUT引腳相連，MAX232芯片的TlOUT和TlIN引腳分別和九針串口的2、3引腳相連。主控芯片STC89C52通過RXD和TXD引腳與MAX232芯片相連，MAX232芯片與九針串口相連，九針串口與上位機相連完成數據通訊功能。主控芯片STC89C52通過引腳PlO控制揚聲器(報警單元)的開啟和關閉，實現電刺激儀的報警功能。穴位電刺激緩解駕駛疲勞功能的實現:
單片機(下位機)接收到駕駛員駕駛狀態數據后，經判斷發出操作指令，控制電刺激儀工作。A、B為電刺激脈沖輸出端，接駕駛員手臂的合谷和內關穴位。
當電刺激儀工作在低檔位(低強度刺激工作模式)時:數字電位器x9318的7引腳為低電平時，芯片使能；2引腳為低電平，同時I引腳接收到特定長度的脈沖后，A、B電極兩端的電流降低，電刺激儀進入低檔位模式；當電刺激儀工作在高檔位(高強度刺激工作模式)時:數字電位器X9318的7引腳為低電平時，芯片使能；2引腳為高電平，同時I引腳接收到特定長度的脈沖后，A、B電極兩端的電流增大，電刺激儀進入高檔位模式。電刺激儀的工作模式包括低強度刺激工作模式、高強度刺激工作模式和報警工作模式；
低強度刺激工作模式為電極輸出電流2(T25mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ；高強度刺激工作模式為電極輸出電流5(T70mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ；
報警工作模式為通過報警裝置語音提示駕駛員停止駕車。采用所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統進行駕駛疲勞的檢測緩解方法,如圖4所示,包括如下步驟:
步驟1:腦電采集裝置實時采集駕駛員在駕駛過程中的腦電信號；
步驟2:將采集到的駕駛員腦電信號傳輸至上位機；
步驟3:上位機提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機，流程如圖5所示，具體步驟如下:
步驟3.1:對采集的駕駛員腦電信號進行小波包變換，提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號；
快波頻段信號包括8Hz 12Hz的α波和12Hz 32Hz的β波，慢波頻段信號IHz 4Hz的δ波和4Hz 8Hz的Θ波；
步驟3.2:對駕駛員開始駕車前十分鐘的腦電疲勞指數，即快波頻段信號的平均功率譜和慢波頻段信號的平均功率譜的比值，該腦電疲勞指數作為駕駛員非疲勞狀態的腦電疲勞指數Ftl ；
步驟3.3:實時計算駕駛員的當前腦電疲勞指數F，并根據當前腦電疲勞指數F相對于非疲勞狀態的腦電疲勞指數Ftl的下降幅度判斷駕駛員的駕駛狀態:若下降幅度< 20% F0,則駕駛員處于正常駕駛狀態，此時返回步驟I ;若20% F0≤下降幅度< 30% Ftl，則駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態；若30% Ftl≤下降幅度<50% Ftl，則駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態；若下降幅度> 50% Ftl，則駕駛員處于極度疲勞駕駛狀態；
步驟3.4:將駕駛員的駕駛狀態數據傳輸至下位機；
步驟4:下位機根據駕駛狀態數據控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式:若駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態，則進入低強度刺激的工作模式；若駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態，則進入高強度刺激的工作模式；若駕駛 員處于極度疲勞駕駛狀態，則進入報警工作模式，提示駕駛員停止駕車。
權利要求
1.一種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，其特征在于:包括腦電采集裝置、上位機、下位機和電刺激儀； 所述腦電采集裝置用于采集駕駛員的腦電信號； 所述上位機用于提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機； 所述下位機用于根據駕駛狀態數據形成控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式的指令； 所述電刺激儀用于根據下位機生成的控制指令執行相應工作模式的操作； 所述腦電采集裝置的輸入端連接至駕駛員的大腦皮層，腦電采集裝置的輸出端連接上位機,上位機連接下位機,下位機連接電刺激儀輸入端，電刺激儀的脈沖輸出端通過電極連接至駕駛員的可緩解腦 疲勞的經絡穴位。
2.根據權利要求1所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，其特征在于:所述電刺激儀包括主控單元、頻率調節單元、電壓調節單元、通訊單元和報警單元； 所述頻率調節單元包括數字電位計和555定時器，主控單元分別與數字電位計、電壓調節單元、通訊單元和報警單元相連，數字電位計連接555定時器；電壓調節單元連接有電極；通訊單元連接下位機。
3.根據權利要求1所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，其特征在于:所述電刺激儀的工作模式包括低強度刺激工作模式、高強度刺激工作模式和報警工作模式； 所述低強度刺激工作模式為電極輸出電流2(T25mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ； 所述高強度刺激工作模式為電極輸出電流5(T70mA，脈寬0.5ms,頻率2Hz ； 所述報警工作模式為通過報警裝置語音提示駕駛員停止駕車。
4.根據權利要求1所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，其特征在于:所述可緩解腦疲勞的經絡穴位包括人體手臂的內關穴、手上的合谷穴和勞宮穴、頸部的風池穴和足底的涌泉穴。
5.根據權利要求1所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統，其特征在于:所述電刺激儀的脈沖輸出端可通過電極連接至駕駛員的一個或兩個可緩解腦疲勞的經絡穴位。
6.采用權利要求1所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統進行駕駛疲勞的檢測緩解方法，其特征在于:包括如下步驟: 步驟1:腦電采集裝置實時采集駕駛員在駕駛過程中的腦電信號； 步驟2:將采集到的駕駛員腦電信號傳輸至上位機； 步驟3:上位機提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并將該駕駛狀態數據輸出至下位機； 步驟3.1:對采集的駕駛員腦電信號進行小波包變換，提取腦電信號中的快波頻段信號和慢波頻段信號； 步驟3.2:對駕駛員開始駕車前十分鐘的腦電疲勞指數，即快波頻段信號的平均功率譜和慢波頻段信號的平均功率譜的比值，該腦電疲勞指數作為駕駛員非疲勞狀態的腦電疲勞指數； 步驟3.3:實時計算駕駛員的當前腦電疲勞指數，并根據當前腦電疲勞指數相對于非疲勞狀態的腦電疲勞指數的下降幅度判斷駕駛員的駕駛狀態:若下降幅度< 20%，則駕駛員處于正常駕駛狀態，此時返回步驟I ;若20%彡下降幅度< 30%，則駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態；若30% <下降幅度< 50%，則駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態；若下降幅度> 50%，則駕駛員處于極度疲勞狀態； 步驟3.4:將駕駛員的駕駛狀態數據傳輸至下位機； 步驟4:下位機根據駕駛狀態數據控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式:若駕駛員處于輕度疲勞駕駛狀態，則進入低強度刺激的工作模式；若駕駛員處于嚴重疲勞駕駛狀態，則進入高強度刺激的工作模式；若駕駛員處于極度疲勞駕駛狀態，則進入報警工作模式，提示駕駛員停止駕車。
7.根據權利要求6所述的基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解方法，其特征在于:所述步驟3.1中的快波頻段信號包括8Hz 12Hz的α波和12Hz 32Hz的β波，慢波頻段信號IHz 4Hz的δ波和4Hz 8Hz的Θ波。
全文摘要
一種基于穴位電刺激的駕駛疲勞的檢測緩解系統及方法，該裝置包括腦電采集裝置、上位機、下位機和電刺激儀；腦電采集裝置的輸入端連接至駕駛員的大腦皮層，腦電采集裝置的輸出端連接上位機，上位機連接下位機，下位機連接電刺激儀輸入端，電刺激儀的脈沖輸出端通過電極連接至駕駛員的可緩解腦疲勞的經絡穴位。該方法實時采集駕駛員腦電信號；提取腦電信號中的快波慢波頻段信號，計算快波平均功率譜和慢波平均功率譜的比值，根據該比值的降低幅度判斷駕駛員的駕駛狀態，并控制電刺激儀啟動并進入相應工作模式。本發明實時監測駕駛員的駕車狀態，對駕駛員適時進行電刺激，以更好的實現緩解駕駛疲勞，提高駕車安全性，減少因疲勞駕駛帶來的交通隱患。
文檔編號A61B5/18GK103111020SQ201310041538
公開日2013年5月22日 申請日期2013年2月4日 優先權日2013年2月4日
發明者王宏, 王福旺, 張健, 劉沖 申請人:東北大學