一種人體疲勞狀態識別系統的製作方法

2023-05-27 08:38:36

一種人體疲勞狀態識別系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：包括與人體相連的血氧探頭、心電電極，血氧探頭、心電電極的輸出端分別與脈搏檢測模塊、心電檢測模塊相連，脈搏檢測模塊、心電檢測模塊的輸出端與A/D採集卡相連，A/D採集卡輸出端與計算機相連，計算機分別與診斷分析模塊和數據存儲模塊相連；心電檢測模塊包括與所述心電電極相連的限幅屏蔽及右腿驅動電路，右腿驅動電路與前置放大電路、高通濾波電路依次相連，高通濾波電路與低通濾波電路相連，低通濾波電路與光電耦合模塊、後極放大電路和陷波電路依次相連。本實用新型設計合理、性能良好、精度較高、可靠性好、智能化程度高，可作為間接測試人體疲勞程度的手段。
【專利說明】-種人體疲勞狀態識別系統

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及人體識別【技術領域】，尤其是涉及一種人體疲勞狀態識別系統。

【背景技術】
[000引視頻顯示終端（Visual Display Terminal VDT)作業是利用個人電腦、計算機系 統的視覺顯示終端進行數據、文字、圖像等信息處理工作的總稱，是伴隨著計算機在科學研 究、產品開發、管理和辦公事務中應用而出現的一種全新的勞動形式。計算機在社會各個領 域的廣泛應用使VDT成為企事業單位的人員完成工作所不可缺少的工具。近年來，隨著社 會信息化水平的不斷提高，人們在工作中越來越多地使用計算機，VDT作業對作業者的影響 已經引起人們重視，如何在提高工作效率的同時，提高勞動者的工作生活質量是現代作業 管理面臨的一項挑戰。
[0003] VDT作業是與傳統桌面作業不同類型的視覺作業，也是腦力和神經緊張型作業，同 時還是靜態，能量消耗小的輕作業。主要對人產生兩方面嚴重而又獨特的疲勞影響；VDT作 業的視覺負荷使視覺系統產生疲勞，即眼疲勞；VDT作業產生也理負荷引起也理疲勞，即精 神疲勞。VDT作業誘發的生理也理疲勞不僅影響工作效率和質量，而且可能影響使用者的身 也健康。
[0004] 疲勞最令人困惑的是其症狀比較複雜。處於疲勞狀態的人，常常自感身也有許多 不適症狀，到醫院就診時，檢查不出任何器質性病變和代謝異常，無法確診。為此，國內外專 家們已從生理學、也理學和社會學等領域對疲勞問題作了大量的研究。但在疲勞問題的研 究中依然存在著W下幾個尚待研究和解決的問題；①疲勞範疇與評價標準及方法的研究； ②疲勞狀態中醫辨識與分類研究；③疲勞中醫幹預效果評價及其方法學研究；④疲勞基礎 資料庫及其數據管理共性技術的研究；⑥疲勞人群監測方法與監測網絡的研究。因此，研究 疲勞的評價標準、方法及分類方法是亟待解決的首要問題。
[0005] 考察研究現狀，在疲勞狀態評估方面，至今未能提出無創、簡便、快速、成本低、可 重複採用、客觀量化且對個體的影響較小的測評方法；在疲勞的評測方面，尚未見疲勞與也 電、脈搏融合信息之間關係的相關報導。目前疲勞狀態的評估主要是一些生化指標和主觀 問卷，如果能汲取中國傳統中醫精髓，從脈搏波中提取出能反映人體健康狀態的參量，或者 配合一些也血管功能指標和神經活動指標來反映身體疲勞和也理疲勞程度，則有利於對疲 勞作更全面、更客觀的評價。


【發明內容】

[0006] 本實用新型的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種人體疲勞 狀態識別系統，此系統能同步檢測、記錄受試者的也電和脈搏信號；對也電、脈搏信號進行 分析，運用多種方法提取信號的特徵；利用不同特徵及其組合進行分類，為視覺疲勞狀態的 評測提供決策信息，W期有助於全民保健工作的開展。
[0007] 本實用新型的目的可W通過W下技術方案來實現；一種人體疲勞狀態識別系統， 其特徵在於；包括與人體相連的血氧探頭、也電電極，所述血氧探頭、也電電極的輸出端分 別與脈搏檢測模塊、也電檢測模塊相連，所述脈搏檢測模塊、也電檢測模塊的輸出端與A/ D採集卡相連，所述A/D採集卡輸出端與計算機相連，所述計算機分別與診斷分析模塊和 數據存儲模塊相連；所述也電檢測模塊包括與所述也電電極相連的限幅屏蔽及右腿驅動電 路，所述右腿驅動電路與前置放大電路、高通濾波電路依次相連，所述高通濾波電路與低通 濾波電路相連，所述低通濾波電路與光電禪合模塊、後極放大電路和陷波電路依次相連。
[0008] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述前置放大電路輸入端的對 稱電阻上取出人體共模電壓，經由TL084運算放大器組成的反相電路施加給人體的右腿。
[0009] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述高通濾波電路與低通濾波 電路組成帶通濾波器，帶通的範圍為0. 05化?200Hz。
[0010] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述陷波電路為50化工頻陷波 器。
[0011] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述前置放大電路採用AD620 作為前置放大器。
[0012] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述也電檢測模塊的末端還包 括同步解調放大電路和與同步解調放大電路輸出端相連的線性檢波電路。
[0013] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於；所述線性檢波電路輸出端接A/ D採集卡。
[0014] 上述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述A/D採集卡採用北京雙諾 公司生產的USB接口數據採模塊卡MP425。
[0015] 與現有技術相比，本實用新型有一下優點：
[0016] 本實用新型能同步檢測、記錄受試者的也電和脈搏信號；對也電、脈搏信號進行分 析，運用多種方法提取信號的特徵；利用不同特徵及其組合進行分類，為視覺疲勞狀態的評 測提供決策信息。其設計合理、性能良好、精度較高、可靠性好、智能化程度高，可作為間接 測試人體疲勞程度的手段。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1本實用新型的人體疲勞狀態識別系統總體結構框圖；
[0018] 圖2本實用新型的系統也電檢測模塊結構框圖；
[0019] 圖3本實用新型的系統也電檢測模塊前置放大電路原理圖；
[0020] 圖4本實用新型的系統也電檢測模塊帶通濾波器電路原理圖；
[0021] 圖5本實用新型的系統也電檢測模塊工頻陷波器電路原理圖；
[0022] 圖6本實用新型的系統也電檢測模塊主放大電路和電平抬升電路電路原理圖；
[0023] 圖7本實用新型的系統也電檢測模塊光電轉換電路原理圖；
[0024] 圖8本實用新型的系統也電檢測模塊前置放大電路放大器電路原理圖；
[0025] 圖9本實用新型的系統也電檢測模塊放大器和解調電路電路原理圖；
[0026] 圖10本實用新型的系統也電檢測模塊線性檢波電路電路原理圖。

【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖進一步詳細描述本實用新型的【具體實施方式】：
[002引如圖1和圖2所示，一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：包括與人體相連的 血氧探頭1、也電電極2,所述血氧探頭1、也電電極2的輸出端分別與脈搏檢測模塊3、也電 檢測模塊4相連，所述脈搏檢測模塊3、也電檢測模塊4的輸出端與A/D採集卡5相連，所 述A/D採集卡5輸出端與計算機6相連，所述計算機6分別與診斷分析模塊7和數據存儲 模塊8相連；所述也電檢測模塊4包括與所述也電電極2相連的限幅屏蔽及右腿驅動電路 41，所述右腿驅動電路41與前置放大電路42、高通濾波電路43依次相連，所述高通濾波電 路43與低通濾波電路44相連，所述低通濾波電路44與光電禪合模塊45、後極放大電路46 和陷波電路47依次相連。
[0029] 由於檢測電極具有極化電位，同時考慮到也電信號中混雜著比其幅度大得多的直 流信號，太大的前置級放大器增益會影響電路的直流穩定性，為了保證前置放大器能可靠 的工作在放大區，前置放大器的增益不能過大，因此設計第一級的放大倍數約為10倍，女口 圖3所示，圖中加入了右腿驅動電路W減少共模幹擾的影響。從m+和IN-之間的對稱電 阻上取出人體共模電壓，經由TL084運算放大器組成的反相電路施加給人體的右腿，該是 個負反饋，其目的是降低共模電壓，並且有效地使病人接地。C的值要做適當選擇W維持右 腿驅動迴路的穩定性。IMK的限流電阻是為了限制電流在微安級水平，增加安全保護性能， 防止病人受到可能的傷害。為了更好地放大生物電信號，本設計還採用了導聯線屏蔽驅動， 即共模屏蔽驅動來消除輸入端阻抗時間常數不平衡造成共模抑制比的下降。
[0030] 也電信號前置放大器應選用低漂移、高輸入阻抗並具有高共模抑制比的集成運放 電路，具體應滿足W下幾點要求；1、增益為1000左右；2、頻率響應為0. 05?200Hz ;3、輸 入阻抗為5. 1?IOMO ;4、共模抑制比大於80地；5、低噪聲、低漂移。
[0031] 為滿足上述設計要求，選擇了具有高輸入阻抗、高共模抑制比W及低噪聲、低漂移 等優越性能的AD620作為前置放大器。由於功耗較低，因此非常適合於醫療儀器的應用系 統（如ECG檢測），如圖8所示。
[0032] 如圖4所示，為了減少由呼吸引起的基線漂移，也電信號設置了下限，但下限也不 能太高，否則會降低尺波幅值，可能使ST段產生顯著改變，導致也肌缺血的錯判，因此需高 通濾波。為了獲得不失真的也電信號，電路採用低通濾波器來濾掉高頻幹擾。本著儘可能 保證濾波器通帶內信號的最大平坦度，系統選用了己特沃斯型濾波器。因濾波後信號還需 放大，為了避免使用過多的運放引入不必要的噪聲，高通濾波器在完成濾波作用的可同時 實現放大。
[0033] 圖中由前端的化084配合電阻、電容構成藍RC高通濾波器，由後端的化084配合 周邊電阻電容構成低通濾波器。帶通的範圍為0. 05化?200Hz。高通濾波器放大倍數All、 截止頻率fl和低通濾波器截止頻率f2計算公式如下：
[0034] Au=l+Rf/Rl=l 1; n=l/2 31 RC=O. 0甜Z ;
[0035] 巧二:I '2 n 心'R1R2C1C2 ;
[0036] 從濾波電路出來的信號，已被放大了 100倍，在經過一次後級放大就可W達到設 計要求。本設計將濾波後的信號送入一同相比例電路實現了信號被放大1000倍的要求。
[0037] 如圖5所示，也電信號經前置放大、帶通濾波器、後級放大後，信號己被限定在要 求的頻率範圍內且具有低共模抑制比、低噪聲、低漂移等特性，應可W輸出較為乾淨的也電 信號。但在通常的環境中，交流市電50化的幹擾對於也電信號來說不容忽視，而50化正好 在也電信號有效頻帶的範圍之內，濾除此幹擾又儘量不損失有效的也電信號成為設計中要 解決的問題。常用的無源雙下網絡帶阻區寬度大，品質因數Q小，輸出帶負載能力低，故本 設計採用了有源雙Z網絡，同時引入負反饋改善選頻作用。
[0038] 如圖6所示，整個放大電路的放大倍數約1000倍。在前置放大電路中，對也電信 號已經放大了約10倍，所W在主放大電路中，放大倍數G，需為100倍左右。主放大電路由 U，A、R10、R11、R12構成。經過前面一些信號處理後的也電信號依然是交變信號，因此，必須 進行電平抬升。電平抬升部分由U38、R13、R14、R15、C6組成。
[0039] 脈搏信號的檢測原理是；脈搏血氧法測量系統的硬體部分是W雙波長法為基礎實 現的。讓一定波長的光透射手指中的動脈血管，通常入射光是恆定不變的，透射光受動脈、 靜脈、皮膚和肌肉組織的影響。但是動脈對光強的影響是按也髒波動節奏變化的，其他部分 的光強的影響恆定不變。將透射光的交流分量與直流分量分離，可W獲得脈搏波信號。由 於系統採用體積較小的發光二極體作光源，因此透過測試部位的光強較弱。同時，實驗表 明，由也髒固劇所引起的指動脈血吸收光變化量僅佔所接受的總光強的5%左右，它比外界 幹擾信號如常見的工頻幹擾還要小得多，為了更好的從噪聲中提取弱信號，本實施例採用 光調製技術。
[0040] 光束通過動脈後可攜帶脈搏波信號是由於動脈血起了光調製的作用，將脈搏波調 制在透射光上，被接收器收集，轉變為電流信號。通常光電轉換要求光電池工作在線性狀 態，在該種情況下，光電池輸送給負載的光電流信號隨光照度而線性變化。如果需要放大信 號就應選用電流放大器，電路如圖7。圖中娃光電池與運算放大器相連，娃光電池處於零偏 置狀態，其等效電阻為零。所W運放的輸出電壓等於娃光電池短路電流I與放大器反饋電 阻R的乘積U=IRd
[0041] 也電檢測模塊的末端還包括同步解調放大電路和與同步解調放大電路輸出端相 連的線性檢波電路。負責將兩路微弱的脈搏信號從幹擾信號中檢測出來，將信號同步解調 還原，再從中分離出交流信號、直流信號並放大濾波到一定數值，W供計算機進行數位化處 理。
[0042] 同步解調放大電路的核也電路是± 1放大器和解調電路，如圖9。同步解調放大電 路是在時序控制信號的控制下工作的，圖中運放化084實現正負100倍放大功能，時序控制 信號A、C、D(C、D為分頻電路的兩路輸出是分離紅光和紅外光的同步檢測控制信號）作用 於多路轉換器4053的H個控制端，使其按時序選擇4053的H路模擬開關接通或關閉，實現 兩路信號輸出，同時使每通道的信號（紅光或紅外光信號）與背景噪聲相抵消，消除了環境 光與電子噪聲的幹擾，提高了信噪比。
[0043] 圖中控制信號A完成信號與噪聲的分離任務。A=I時，XO和Xl均息空，放大器為 +1倍同相放大器，放大信號。A=O時，XO接地，放大器為一 1倍反相放大器，放大噪聲。背景 噪聲被反相放大，產生一個與信號相反的噪聲信號得到信號為正而噪聲為負的混合信號， 依靠後面的低通濾波器的積分功能實現信號減掉背景噪聲。
[0044] 時鐘A的_分頻得到分貿控制f旨號C和D。C=I, Yl接通Y,輸出一路f旨號。D=I, Zl接通Z，輸出另一路信號。
[0045] 解調電路的任務是對調製信號進行解調，還原出生理信號。檢波器性能的好壞將 直接影響所得生理信號的質量。我們選用了精密線性檢波電路，如圖10。圖中檢波二極體 Dl接在反饋支路中，檢波二極體D2接在運放的輸出端與電路輸出端問。該電路能克服普 通小信號二極體檢波電路失真大，傳輸效率低及輸入的檢波信號需大於起始電壓的固有缺 點，即使輸入信號小於0. 3V，也能進行線性檢波，使檢波效率大大提高。
[0046] 上述數據系統採集的也電、脈搏信號經過放大、濾波後，就可W對其進行信號採樣 (即A / D轉換），使採集到的模擬信號轉換為數位訊號，W便由PC機存儲、分析、處理該些 數位訊號，得出相應的分析結論。
[0047] 本設計採用北京雙諾公司生產的USB接口數據採模塊卡MP425。 USB OJniversalSerial Bus)是通用串行總線的簡稱，如今它已成為計算機與外設之間進行 數據交換的主流總線通信協議，並取代傳統的並口、成為最主要的PC機標準接口。由於採 用USB接口技術，採集卡可W在PC機和其它外設都正常工作時進行連接、配置和使用，即即 插即用，該一特點為該採集卡的安裝和使用提供極大的便利條件。MP425數據採集卡是一款 USB2. 0總線，14位8路並行採集模塊，採用2片4路14位晶片，其中每片A / D轉換器內 置4路採樣保持器W及一個14位高速A / D，因此具有8路並行採樣輸入功能，最高可WW SOKHz /通道（12. Sus周期）的速度對8個輸入通道進行轉換。同時MP425配置了一路8 位精度的脈衝方波輸出。MP425內置512邸八6 DFIF0,支持全速實時不間斷採集。
[0048] 本系統的具體實施操作如下：
[0049] 1.被試者於與實驗前一天填寫健康狀況自評，W確定受試者近期生理狀況良好， 無疾病影響。
[0050] 2.早8點進入室內通風狀況良好，溫度、溼度適中的無人幹擾實驗室，完成測試人 員健康狀況調查表，認真填寫每一項內容，確定受試者無眼部疾病。
[0051] 3.休息調整一段時間，感覺自己精神狀態良好扁，配合完成第一次閃光融合頻率 的測試。
[0052] 4.準備工作結束後，被試者坐在舒適的椅子上，保持自然放鬆狀態，手臂平置於工 作臺上與也髒平齊，無肢體活動，將也電電極置於左鎖骨中線第五肋骨採集V5,指央式血氧 傳感器興在左手中指上，完成也電、脈搏傳感器的放置。
[0053] 5.靜坐休息一段時間後，完成疲勞試驗前也電、脈搏波數據的採集，在計算機屏 幕上觀察信號，調整傳感器位置獲取最理想也電、脈搏信號，信號平穩後開始記錄數據約15 分鐘。。
[0054] 6.保持舒適合理的坐姿，開始VDT作業練習，做簡單小測驗（祖瑪，此遊戲只需右 手點擊滑鼠，不必思考，可避免精神疲勞對視覺疲勞的影響），在遊戲開始前詢問實驗者對 遊戲的熟練程度，合理設置測驗級別，測驗中保持固定坐姿，不要亂動，不想其他事，不要受 其他因素幹擾，只管測驗，不要在意輸贏和得分，不要停止測驗，試驗過程中記錄受試者因 各種原因停止試驗及繼續試驗時間在實驗記錄表中，實驗過程中，保持各傳感器固定不動。 [00巧]7.遊戲持續約2個小時，遊戲過程中，要求同學們控制情緒，儘量別想其它事，不 說話，避免肢體活動，保持平靜也態，完成對視覺疲勞後數據的實時採集。
[005引 8. VDT作業結束後，完成問卷調查表，快速、認真填寫實驗過程中出現的症狀（要 求根據自己試驗中出現的症狀認真填寫），W問卷形式確定受試者
[0057] 是否處於視覺疲勞狀態。。
[0058] 9.按要求完成第二次閃光融合頻率的測試，測試過程注意力集中，不要想其它事， 保持平靜，當看到亮點開始閃爍或不再閃爍時，記錄此時頻率。
[0059] 10.數據採集完畢，取下所有裝置。
[0060] 本實用新型不局限於上述具體的實施方式，本領域的普通技術人員從上述構思出 發，不經過創造性的勞動，所作出的種種變換，均落在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1. 一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：包括與人體相連的血氧探頭（1)、心電電 極（2)，所述血氧探頭（1)、心電電極（2)的輸出端分別與脈搏檢測模塊（3)、心電檢測模塊 (4) 相連，所述脈搏檢測模塊（3)、心電檢測模塊（4)的輸出端與A/D採集卡（5)相連，所述 A/D採集卡（5)輸出端與計算機（6)相連，所述計算機（6)分別與診斷分析模塊（7)和數據 存儲模塊（8)相連；所述心電檢測模塊（4)包括與所述心電電極（2)相連的限幅屏蔽及右 腿驅動電路（41 )，所述右腿驅動電路（41)與前置放大電路（42 )、高通濾波電路（43 )依次相 連，所述高通濾波電路（43 )與低通濾波電路（44 )相連，所述低通濾波電路（44 )與光電耦合 模塊（45)、後極放大電路（46)和陷波電路（47)依次相連。
2. 根據權利要求1所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述前置放大電 路（42 )輸入端的對稱電阻上取出人體共模電壓，經由TL084運算放大器組成的反相電路施 加給人體的右腿。
3. 根據權利要求1所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述高通濾波電 路（43)與低通濾波電路（44)組成帶通濾波器，帶通的範圍為0. 05Hz?200Hz。
4. 根據權利要求1所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述陷波電路 (47)為50Hz工頻陷波器。
5. 根據權利要求2所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述前置放大電 路（42)採用AD620作為前置放大器。
6. 根據權利要求1所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述心電檢測模 塊（4)的末端還包括同步解調放大電路和與同步解調放大電路輸出端相連的線性檢波電 路。
7. 根據權利要求6所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述線性檢波電 路輸出端接A/D採集卡（5)。
8. 根據權利要求7所述的一種人體疲勞狀態識別系統，其特徵在於：所述A/D採集卡 (5) 採用北京雙諾公司生產的USB接口數據採模塊卡MP425。
【文檔編號】A61B5/16GK204072117SQ201420402592
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年7月21日 優先權日:2014年7月21日
【發明者】喬雪, 王嗆 申請人:寧夏誠洋數字科技有限公司, 喬雪, 王嗆