一种基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统及方法

摘要

一种基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统及方法，该装置包括脑电采集装置、上位机、下位机和电刺激仪；脑电采集装置的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机连接电刺激仪输入端，电刺激仪的脉冲输出端通过电极连接至驾驶员的可缓解脑疲劳的经络穴位。该方法实时采集驾驶员脑电信号；提取脑电信号中的快波慢波频段信号，计算快波平均功率谱和慢波平均功率谱的比值，根据该比值的降低幅度判断驾驶员的驾驶状态，并控制电刺激仪启动并进入相应工作模式。本发明实时监测驾驶员的驾车状态，对驾驶员适时进行电刺激，以更好的实现缓解驾驶疲劳，提高驾车安全性，减少因疲劳驾驶带来的交通隐患。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医学工程和机械电子工程技术领域，具体涉及一种基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统及方法。

背景技术

近十年来，随着汽车的数量急剧增加，交通事故也随之增多，据有关报道，我国已成为交通事故多发国家之一。导致交通事故的因素很多，其中，驾驶员疲劳驾驶是导致交通事故的主要原因。在国外，情况也很严峻，美国全国睡眠基金会2009年11月4日发表新闻公告说，全国每年因疲劳驾驶导致近200万起车祸。法国国家警察总署事故报告表明，因为驾驶疲劳导致的意外占人身伤害事故的14．9％，死亡事故的20．6％。据英国汽车协会统计，英国每年有十分之一的交通事故是由于司机疲劳驾驶而造成；来自德国联邦道路交通部门的统计显示，在德国每五起交通事故就有一起是因为疲劳驾驶引发的，此类交通事故造成的损失每年高达50亿欧元。因此，准确快速检测驾驶员驾驶疲劳状态并及时缓解显得尤为重要。

近年来，由于计算机视觉和集成电路技术的发展，给驾驶疲劳检测和疲劳缓解的研究拓宽了空间，使之进入了黄金时期。下面是国外对疲劳检测取得的一些研究成果。                     

雷诺汽车公司耗时5年研制成功了一种红外线装置。这一装置需要安装在汽车前方，与驾驶员的双眼直接对视。当驾驶员眼皮停止张合，即出现困意时，红外线装置会立即发出警报，使驾驶员惊醒，并继续保持正常驾驶。这种装置的缺点是：对驾驶员疲劳预警较晚，等到驾驶员眼睛停止张合的时候，已属于睡眠期，这对驾车相当不利，为了驾驶员安全驾驶，必须做到提前预警。

美国Attention Technologies公司研制出Driver Fatigue Monitor(DD850)疲劳检测预警系统，主要是通过红外摄像头去采集驾驶员眼睛信息，然后利用PERCLOS准则进行疲劳判定，最后起到预警的目的。这种装置受司机驾驶方位的局限，当司机在适当的位置时才能正常检测。

另外，以上涉及的成果都无法实现驾驶员疲劳驾驶缓解功能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统及方法。

一种基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统，包括脑电采集装置、上位机、下位机和电刺激仪；

所述脑电采集装置用于采集驾驶员的脑电信号；

所述上位机用于提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号，计算快波平均功率谱和慢波平均功率谱的比值，根据该比值的降低幅度判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

所述下位机用于根据驾驶状态数据形成控制电刺激仪启动并进入相应工作模式的指令；

所述电刺激仪用于根据下位机生成的控制指令执行相应工作模式的操作；

所述脑电采集装置的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机连接电刺激仪输入端，电刺激仪的脉冲输出端通过电极连接至驾驶员的可缓解脑疲劳的经络穴位。

所述电刺激仪包括主控单元、频率调节单元、电压调节单元、通讯单元和报警单元；

所述频率调节单元包括数字电位计和555定时器，主控单元分别与数字电位计、电压调节单元、通讯单元和报警单元相连，数字电位计连接555定时器；电压调节单元连接有电极；通讯单元连接下位机。

所述电刺激仪的工作模式包括低强度刺激工作模式、高强度刺激工作模式和报警工作模式；

所述低强度刺激工作模式为电极输出电流20~25mA，脉宽0.5ms，频率2Hz；

所述高强度刺激工作模式为电极输出电流50~70mA，脉宽0.5ms，频率2Hz；

所述报警工作模式为通过报警装置语音提示驾驶员停止驾车。

所述可缓解脑疲劳的经络穴位包括人体手臂的内关穴、手上的合谷穴和劳宫穴、颈部的风池穴和足底的涌泉穴。

所述电刺激仪的脉冲输出端可通过电极连接至驾驶员的一个或两个可缓解脑疲劳的经络穴位。

采用所述的基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统进行驾驶疲劳的检测缓解方法，包括如下步骤：

步骤1：脑电采集装置实时采集驾驶员在驾驶过程中的脑电信号；

步骤2：将采集到的驾驶员脑电信号传输至上位机；

步骤3：上位机提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号，计算快波平均功率谱和慢波平均功率谱的比值，根据该比值的降低幅度判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

步骤3.1：对采集的驾驶员脑电信号进行小波包变换，提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号；

步骤3.2：对驾驶员开始驾车前十分钟的脑电疲劳指数，即快波频段信号的平均功率谱和慢波频段信号的平均功率谱的比值，该脑电疲劳指数作为驾驶员非疲劳状态的脑电疲劳指数；

步骤3.3：实时计算驾驶员的当前脑电疲劳指数，并根据当前脑电疲劳指数相对于非疲劳状态的脑电疲劳指数的下降幅度判断驾驶员的驾驶状态：若下降幅度＜20%，则驾驶员处于正常驾驶状态，此时返回步骤1；若20%≤下降幅度＜30%，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若30%≤下降幅度＜50%，则驾驶员处于严重疲劳驾驶状态；若下降幅度≥50%，则驾驶员处于极度疲劳状态；

步骤3.4：将驾驶员的驾驶状态数据传输至下位机；

步骤4：下位机根据驾驶状态数据控制电刺激仪启动并进入相应工作模式：若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则进入低强度刺激的工作模式；若驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，则进入高强度刺激的工作模式；若驾驶员处于极度疲劳驾驶状态，则进入报警工作模式，提示驾驶员停止驾车。

所述步骤3.1中的快波频段信号包括8Hz~12Hz的α波和12Hz~32Hz的β波，慢波频段信号1Hz~4Hz的δ波和4Hz~8Hz的θ波。

有益效果：

本发明利用脑电采集装置可以实时监测驾驶员的驾车状态，采用电刺激仪对驾驶员适时进行电刺激，另外下位机可以根据驾驶员所处的驾驶状态，进入电刺激仪的不同工作模式，以更好的实现缓解驾驶疲劳。通过分析驾驶员脑电信号及时检测出驾驶疲劳，从而提高驾车安全性，减少因疲劳驾驶带来的交通隐患。

附图说明

图1为本发明的具体实施方式的基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统结构示意图；

图2为本发明的具体实施方式的脑电采集装置的电极连接示意图；

图3为本发明的具体实施方式的下位机与电刺激仪的电路连接原理图；

图4为本发明的具体实施方式的基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统进行驾驶疲劳的检测缓解方法流程图；

图5为本发明的具体实施方式的下位机数据处理的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做详细说明。

本实施方式的基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统，如图1所示，包括脑电采集装置、上位机、下位机、电刺激仪和报警装置；

脑电采集装置用于采集驾驶员的脑电信号；

上位机用于提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号，计算快波平均功率谱和慢波平均功率谱的比值，根据该比值的降低幅度判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机；

下位机用于根据驾驶状态数据形成控制电刺激仪启动并进入相应工作模式的指令；

电刺激仪用于根据下位机生成的控制指令执行相应工作模式的操作；

脑电采集装置的输入端连接至驾驶员的大脑皮层，脑电采集装置的输出端连接上位机，上位机连接下位机，下位机连接电刺激仪输入端，电刺激仪的脉冲输出端通过电极连接至驾驶员的可缓解脑疲劳的经络穴位。

可缓解脑疲劳的经络穴位包括人体手臂的内关穴、手上的合谷穴和劳宫穴、颈部的风池穴和足底的涌泉穴。

电刺激仪的脉冲输出端可通过电极连接至驾驶员的一个或两个可缓解脑疲劳的经络穴位，即单穴位刺激或双穴位刺激。

脑电采集装置采用Emotiv Epoc意念控制器，由美国加州旧金山的神经科技公司Emotiv Systems生产，上位机采用PC机，下位机采用STC89C52型号的单片机，电刺激仪是在现有的机械式电刺激仪基础上进行改进，采用型号为x9318的数控电位器作为电刺激仪的核心控制器，实现自动控制调整电刺激仪的开启、关闭及档位选择（工作模式选择）。

脑电采集装置通过四个电极连接如图2所示的人脑的P3、P4、Fz、Pz位置，另外脑电采集装置通过USB端口与 PC机相连，PC机九针串口连接单片机的九针串口。

本实施方式的下位机与电刺激仪的电路连接如图3所示，电刺激仪包括主控单元（STC89C52芯片电路）、频率调节单元、电压调节单元、通讯单元和报警单元；

频率调节单元包括数字电位计x9318（IC3）和555定时器（NE555定时芯片），主控单元分别连接数字电位计、电压调节单元、通讯单元（MAX232芯片）和报警单元；

数字电位计连接555定时器，555定时器根据电刺激仪的不同工作模式的电压输出值要求，调整不同频率的脉冲，实现电刺激仪的频率调节功能；电压调节单元连接两个电极（双穴位刺激）；通讯单元连接下位机，用于实现电刺激仪与下位机之间的数据通讯；报警单元采用扬声器Bell（型号YHE12-05），用于在驾驶员处于极度疲劳状态时提示驾驶员停止驾车。

如图3所示，数字电位计IC3引脚1、2、7分别和主控芯片STC89C52的P00、P01、P02相连接，IC3的RW与555定时器的DIS相连接。主控芯片STC89C52通过P00、P01、P02引脚，控制数字电位计输出不同的电压（0-5V），555定时器根据不同的电压值输出不同频率的脉冲，最终实现电刺激仪频率调节的功能。

主控芯片STC89C52通过P03、P04、P05引脚分别与数字电位计IC4的1、2、7引脚相连，IC4电位计的RW和RL引脚分别与连接电刺激仪的电极端A、B。主控芯片STC89C52通过P03、P04、P05引脚控制电位计IC4输出不同的电压，由于人体穴位间的电阻基本恒定，当电刺激仪电极间输出不同电压时，在人体穴位间会形成不同电流，以实现电刺激仪的高低档位调节功能。

主控芯片STC89C52引脚RXD、TXD分别与MAX232芯片的T1IN和R1OUT引脚相连，MAX232芯片的T1OUT和T1IN引脚分别和九针串口的2、3引脚相连。主控芯片STC89C52通过RXD和TXD引脚与MAX232芯片相连，MAX232芯片与九针串口相连，九针串口与上位机相连完成数据通讯功能。

主控芯片STC89C52通过引脚P10控制扬声器（报警单元）的开启和关闭，实现电刺激仪的报警功能。

穴位电刺激缓解驾驶疲劳功能的实现：

单片机（下位机）接收到驾驶员驾驶状态数据后，经判断发出操作指令，控制电刺激仪工作。A、B为电刺激脉冲输出端，接驾驶员手臂的合谷和内关穴位。                                                                                                                                           

当电刺激仪工作在低档位（低强度刺激工作模式）时：数字电位器x9318的7引脚为低电平时，芯片使能；2引脚为低电平，同时1引脚接收到特定长度的脉冲后，A、B电极两端的电流降低，电刺激仪进入低档位模式；当电刺激仪工作在高档位（高强度刺激工作模式）时：数字电位器x9318的7引脚为低电平时，芯片使能；2引脚为高电平，同时1引脚接收到特定长度的脉冲后，A、B电极两端的电流增大，电刺激仪进入高档位模式。

电刺激仪的工作模式包括低强度刺激工作模式、高强度刺激工作模式和报警工作模式；

低强度刺激工作模式为电极输出电流20~25mA，脉宽0.5ms，频率2Hz；

高强度刺激工作模式为电极输出电流50~70mA，脉宽0.5ms，频率2Hz；

报警工作模式为通过报警装置语音提示驾驶员停止驾车。

采用所述的基于穴位电刺激的驾驶疲劳的检测缓解系统进行驾驶疲劳的检测缓解方法，如图4所示，包括如下步骤：

步骤1：脑电采集装置实时采集驾驶员在驾驶过程中的脑电信号；

步骤2：将采集到的驾驶员脑电信号传输至上位机；

步骤3：上位机提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号，计算快波平均功率谱和慢波平均功率谱的比值，根据该比值的降低幅度判断驾驶员的驾驶状态，并将该驾驶状态数据输出至下位机，流程如图5所示，具体步骤如下：

步骤3.1：对采集的驾驶员脑电信号进行小波包变换，提取脑电信号中的快波频段信号和慢波频段信号；

快波频段信号包括8Hz~12Hz的α波和12Hz~32Hz的β波，慢波频段信号1Hz~4Hz的δ波和4Hz~8Hz的θ波；

步骤3.2：对驾驶员开始驾车前十分钟的脑电疲劳指数，即快波频段信号的平均功率谱和慢波频段信号的平均功率谱的比值，该脑电疲劳指数作为驾驶员非疲劳状态的脑电疲劳指数F₀；

步骤3.3：实时计算驾驶员的当前脑电疲劳指数F，并根据当前脑电疲劳指数F相对于非疲劳状态的脑电疲劳指数F₀的下降幅度判断驾驶员的驾驶状态：若下降幅度＜20% F₀，则驾驶员处于正常驾驶状态，此时返回步骤1；若20% F₀≤下降幅度＜30% F₀，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若30% F₀≤下降幅度＜50% F₀，则驾驶员处于严重疲劳驾驶状态；若下降幅度≥50% F₀，则驾驶员处于极度疲劳驾驶状态；

步骤3.4：将驾驶员的驾驶状态数据传输至下位机；

步骤4：下位机根据驾驶状态数据控制电刺激仪启动并进入相应工作模式：若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则进入低强度刺激的工作模式；若驾驶员处于严重疲劳驾驶状态，则进入高强度刺激的工作模式；若驾驶员处于极度疲劳驾驶状态，则进入报警工作模式，提示驾驶员停止驾车。