专利名称：基于眼电信号的警觉度检测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种信号处理技术领域的装置，具体是一种基于眼电信号的警觉 度检测系统。
背景技术：
世界上每年都会发生大量的交通事故，造成数目巨大的生命和财产损失。据不 完全统计，全世界每年死于交通事故的人数约为60万，因车祸受伤的人数平均每年约有 1000万。交通事故的原因可分为客观和主观两种，客观原因主要是自然环境的影响以及 设备的故障，主观原因则主要来自驾驶员本身，包括酒后驾驶、疲劳驾驶以及其他原因导 致的操作失误。其中，疲劳驾驶发生频率大，且难以预测和控制。美国国家铁道局于2006 年专门发布的关于疲劳驾驶的白皮书《国家铁道局铁路疲劳风险控制项目过去，现在 与将来〉〉(The Railroad Fatigue Risk Management Program at the Federal Railroad Administration :Past，Present and Future, Nov. 2006)中，具体提至Ij了要严格实 亍轮班 制，控制驾驶员的工作时间，以防止长时间工作而产生疲劳。由此可见，疲劳驾驶正受到相 当的重视，如何有效解决这一问题也已成为了一项重要的研究内容。现在已经商用的驾驶员疲劳检测装置有美国Attention Technologies公司推出 的DD850，以及南京远驱科技有限公司的gogo850等。这些产品都是通过采集驾驶员眼部动 作的视频，来分析瞳孔和眼睑运动来判断驾驶员的疲劳程度。基于视频的技术存在诸多限 制，比如DD850就只能在晚上才能正常使用，其精度也并不是非常理想。为了达到更高精度的警觉度检测，台湾交通大学与美国加州大学圣地亚哥分校的 Chin-Teng Lin 等人发表的“用 EEG 功率谱估计警觉度”(Estimating Alertness from the EEG Power Spectrum, EURASIP Journal, 2005)中率先提出了基于脑电信号(EEG)来检测 警觉度的方法。因为EEG能够直接反映大脑的活动状态，所以此方法能够非常精确的感知 人处于活跃还是反应迟钝的状态。然而，基于EEG的方法目前依然存在明显的缺陷EEG信 号太过微弱，容易受干扰，且贴在头部的电极很容易受到头发影响，所以其实用性还有待进 一步提尚。经过对现有技术的检索发现，利用EOG进行警觉度分析只存在一些初步研究， 例如Thurn Chia Chieh等人于2005年第一届计算机、通信、信号处理国际会议上(1st International Conference on Computers, Communications, & Signal Processing with Special Track on Biomedical Engineering)发表的“基于 EOG 的汽车驾驶员疲 倦检测系统” (Development of Vehicle Driver Drowsiness Detection System Using Electrooculogram(EOG))。但是该技术使用的方法简单，只采用了快速眼动作为特征来判 断疲劳度，没有发挥EOG具有多种特征的长处，也没有使用任何去噪方法。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于眼电信号的警觉度检测系统，通过眼电信号(EOG)来检测警觉度，EOG与EEG相比具有极高的信噪比，对放大器和去噪 的要求低，电极位置无头发影响。其原理与基于眼部视频的产品原理相同，但是EOG能够提 供比眼部视频更全面且更准确的信息；结合慢速眼动、快速眼动、眨眼等多种从EOG中提取 的特征，并且使用了支持实时的线性动力系统去噪，可及时准确地反映使用者的疲劳状态， 并对超过一定程度的疲劳产生警报。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括信号采集系统、信号处理系统和 反馈系统，其中信号采集系统采集眼电模拟信号并进行放大、滤波和数模转换处理后输出 特征数据至信号处理系统，信号处理系统对输入的眼电信号进行特征提取并估计出警觉度 状态后输出至反馈系统，反馈系统在满足警告条件时发出警报。所述的信号采集系统包括头戴式固定架、干电极以及依次串联的放大模块、滤波 模块、AD转换模块和无线发送模块，其中若干个干电极设置于头戴式固定架内并与放大 模块相连接以输出眼电模拟信号，放大模块将收到的眼电模拟信号放大后输出至滤波模块 进行滤波，AD转换模块将滤波后的感应信号进行模数转换生成特征数据并由无线发送模块 输出至信号处理系统。所述的干电极的数量为至少五个，其中两个位于眼眶上下用于水平眼电信号采 集，两个位于眼角外侧用于垂直眼电信号采集，一个位于耳根上方作为参考信号采集；另外 一种干电极的排布方式是四个干电极位于额头呈一字型排开并进行眼电信号采集，并在两 边分别设置一个参考和接地干电极。所述的信号处理系统包括无线接收模块、运算模块、控制模块和显示屏，其中 无线接收模块接收来自信号采集系统的特征数据并输出至运算模块，运算模块由信号分离 子模块、特征提取子模块、平滑去噪子模块和特征回归子模块组成并对输入信号进行四个 步骤的依次处理并得到警觉度的状态将输出至控制模块，经控制模块转化为文字或图形信 号并输出至显示屏，显示屏实时显示使用者的警觉度变化情况。本发明用于汽车、火车、飞机、轮船的驾驶员，以及需要集中注意力的工作岗位，在 他们因长时间驾驶或操作而产生疲劳时及时提醒，从而可以避免疲劳驾驶或误操作造成的 失误以及重大事故。本发明的精确度高于基于摄像头采集眨眼视频和定位瞳孔的方法，实 用性高于基于脑电信号的方法，相较于高级的视频采集装置，本发明的信号采集系统成本 非常低廉，综上所述，本发明具有深远的社会意义和可观的经济利益。
图1为干电极摆放位置图；其中(a)为传统的电极摆放形式；(b)为将电极摆放到额头的形式。图2为信号采集系统连接图。图3为信号处理系统连接图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。
如图2所示，本实施包括信号采集系统1、信号处理系统2和反馈系统3，其中信 号采集系统1采集眼电模拟信号并进行放大、滤波和数模转换处理后输出特征数据至信号 处理系统2，信号处理系统2对输入的眼电信号进行特征提取并估计出警觉度状态后输出 至反馈系统3，反馈系统3在满足警告条件时发出警报。所述的信号采集系统1与信号处理系统2之间通过无线传输的方式相连接。所述的信号采集系统1包括头戴式固定架4、干电极5以及依次串联的放大模块 6、滤波模块7、AD转换模块8和无线发送模块9，其中若干个干电极5设置于头戴式固定 架4内并与放大模块6相连接以输出眼电模拟信号，放大模块6将收到的眼电模拟信号放 大后输出至滤波模块7进行滤波，AD转换模块8将滤波后的感应信号进行模数转换生成特 征数据并由无线发送模块9输出至信号处理系统2。所述的干电极5的数量为至少五个，其中两个位于眼眶上下用于水平眼电信号 采集，两个位于眼角外侧用于垂直眼电信号采集，一个位于耳根上方作为参考信号采集；另 外一种干电极5的排布方式是四个干电极5位于额头呈一字型排开并进行眼电信号采集， 并在两边分别设置一个参考和接地干电极5。所述的放大模块6为二级放大，前置放大为5倍，后置放大为300倍；所述的滤波模块7为0. IHz IOOHz的带通滤波；所述的AD转换模块8的采样率大于500Hz，分辨率为16bit ；所述的无线发送模块9的传输速度大于100Kbps，有效距离大于10米。所述的信号处理系统2包括无线接收模块10、运算模块11、控制模块12和显示 屏13，其中无线接收模块10接收来自信号采集系统1的特征数据并输出至运算模块11， 运算模块11由信号分离子模块14、特征提取子模块15、平滑去噪子模块16和特征回归子 模块17组成并对输入信号进行四个步骤的依次处理并得到警觉度的状态将输出至控制模 块12，经控制模块12转化为文字或图形信号并输出至显示屏13，显示屏13实时显示使用 者的警觉度变化情况。所述的信号分离子模块14使用独立成分分析(Incbpendent Component Analysis, ICA)方法已知由多个源信号线性混合而成的混合信号，通过假设源信号之间 有最大的相互独立关系，来近似地从混合信号中求出独立程度最高的若干个源信号。该方 法可以有效地从眼电信号中分离出作为噪声出现的肌电信号。所述的特征提取子模块15分别提取得到由快速眼动特征、慢速眼动特征以及眨 眼特征组成的眼电特征数据，其中快速眼动特征是指时间短于250ms，幅度大于1mm，角度 大于30度的眼球运动，通过先对水平眼电信号作差分，然后取阈值并计算超过该阈值的眼 动次数；慢速眼动特征是指时间长于1秒，频率在0. 2-0. 6Hz之间的眼球运动，通过用db4 离散小波变换分解水平眼电信号至10阶，取第7-10阶子成分作为慢速眼动成分，计算这些 成分在总体中所占的能量比；同时使用快速傅立叶变换，将O-IHz的部分作为慢速眼动成 分，计算该成分与1-20HZ成分的能量比；眨眼特征通过先对垂直眼电信号作差分，然后取 两个阈值分别对应眼睑闭合和重新睁开的速度，以这两个阈值定位眨眼特征波形，然后计 算根据眨眼波形的形态特征，来计算其眼睑闭合时间、重新打开时间、眨眼间隔、峰值速度。所述的平滑去噪子模块16使用线性动力系统(Linear Dynamical System, LDS) 方法，当警觉度特征信号与相邻时间点的信号之间以及带噪声的信号与不带噪声的信号之间均具有高斯关系，则从该两个高斯关系中通过已知最初的警觉度状态，得到其后所有的 不带噪声的警觉度状态。此方法的具体作用是从眼电特征中保留变化缓慢的且规律的，与 警觉度相关的成分，去掉变化剧烈且无规律的，与警觉度无关的成分。所述的特征回归子模块17使用支持向量机回归(Support Vector Regression, SVR)方法，利用线性的支持向量机模型训练回归参数，以保证误差最小。利用预先训练好的 参数，可将各个特征值进行线性组合，得出一条警觉度预测曲线。通过这条曲线的值就可以 直接判断出当前警觉度状态。所述的反馈系统3包括警示灯18、蜂鸣器19，其中警示灯18和蜂鸣器19都连 接到信号处理系统2的控制模块12，采用有线方式直接连接，受控制模块12的信号激活/ 关闭。警示灯18用于给使用者视觉刺激，蜂鸣器19用于给使用者听觉刺激。反馈系统3 可以按照具体的需要进行扩展，比如可将蜂鸣器19改为扬声器，在激活时播放一段音乐， 对帮助使用者恢复警觉度可能会有更好的效果。至于何种反馈方式对恢复警觉度最为有效 不在本专利讨论范围之内。其中如图1所示，默认的干电极5摆放位置是图1(a)，由于此摆放位置需要占用 眼眶附近的位置，所以头戴式固定架4适合做成眼镜的形状。另一种干电极5摆放位置是 图1(b)，考虑到眼镜形状的固定架穿戴起来可能不便，这种摆放方法适合以头带的形式实 现固定架。这两种放置方式的不同在于采用第一种时，前述的信号分离子模块14将设置 成只对肌电信号和眼电信号进行分离，而采用第二种时，信号分离子模块14将被设置成除 了对肌电信号和眼电信号进行分离以外，还要对垂直眼电和水平眼电进行分离。如图2所示，使用时，使用者将头戴式固定架4戴在头部(此图所示的固定架为第 二种干电极5摆放的形式)，并确保干电极5贴上皮肤，并打开总开关。此时使用者的眼电 信号经由放大模块6、滤波模块7、AD转换模块8处理后，由无线发送模块9传送到信号处 理系统2的无线接收模块10。如图3所示，信号由无线接收模块10接收到以后，经过运算模块11变化为警觉度 数值，然后经过控制模块12变化为图像数据，传输到显示屏13。此时，使用者可以通过显示 屏13得知自己的警觉状态。屏幕上显示出变化的警觉度曲线，同时也可显示出简单的警觉 度状态(比如红/黄/绿分别表示警觉度由低到高)。当使用者进入疲劳时，控制模块12将会发送激活信号至反馈系统3的警示灯18 和蜂鸣器19，对使用者发出警报，此时使用者可以通过操作按钮，使控制模块12向警示灯 18和蜂鸣器19发送停止命令。另外，使用者也可以通过操作按钮输入个人设定，在一定程 度上调节控制模块12判断发出警报的阈值。
权利要求
1.一种基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征在于，包括信号采集系统、信号处理 系统和反馈系统，其中信号采集系统采集眼电模拟信号并进行放大、滤波和数模转换处理 后输出特征数据至信号处理系统，信号处理系统对输入的眼电信号进行特征提取并估计出 警觉度状态后输出至反馈系统，反馈系统在满足警告条件时发出警报。
2.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的信号采 集系统与信号处理系统之间通过无线传输的方式相连接。
3.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的信号采 集系统包括头戴式固定架、干电极以及依次串联的放大模块、滤波模块、AD转换模块和无 线发送模块，其中若干个干电极设置于头戴式固定架内并与放大模块相连接以输出眼电 模拟信号，放大模块将收到的眼电模拟信号放大后输出至滤波模块进行滤波，AD转换模块 将滤波后的感应信号进行模数转换生成特征数据并由无线发送模块输出至信号处理系统。
4.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的干电极 的数量为至少五个，其中两个位于眼眶上下用于水平眼电信号采集，两个位于眼角外侧用 于垂直眼电信号采集，一个位于耳根上方作为参考信号采集；另外一种干电极的排布方式 是四个干电极位于额头呈一字型排开并进行眼电信号采集，并在两边分别设置一个参考和 接地干电极。
5.根据权利要求3所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的放大模 块为二级放大，前置放大为5倍，后置放大为300倍；所述的滤波模块为0. IHz IOOHz的 带通滤波；所述的AD转换模块的采样率大于500Hz，分辨率为16bit ；所述的无线发送模块 的传输速度大于100Kbps，有效距离大于10米。
6.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的信号处 理系统包括无线接收模块、运算模块、控制模块和显示屏，其中无线接收模块接收来自 信号采集系统的特征数据并输出至运算模块，运算模块由信号分离子模块、特征提取子模 块、平滑去噪子模块和特征回归子模块组成并对输入信号进行四个步骤的依次处理并得到 警觉度的状态将输出至控制模块，经控制模块转化为文字或图形信号并输出至显示屏，显 示屏实时显示使用者的警觉度变化情况。
7.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的信号分 离子模块根据已知的由多个源信号线性混合而成的混合信号，通过假设源信号之间有最大 的相互独立关系，来近似地从混合信号中求出独立程度最高的若干个源信号。
8.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的特征提 取子模块分别提取得到由快速眼动特征、慢速眼动特征以及眨眼特征组成的眼电特征数 据。
9.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的快速眼 动特征是指时间短于250ms，幅度大于1mm，角度大于30度的眼球运动，通过先对水平眼电 信号作差分，然后取阈值并计算超过该阈值的眼动次数；慢速眼动特征是指时间长于1秒， 频率在0. 2-0. 6Hz之间的眼球运动，通过用db4离散小波变换分解水平眼电信号至10阶， 取第7-10阶子成分作为慢速眼动成分，计算这些成分在总体中所占的能量比；同时使用快 速傅立叶变换，将O-IHz的部分作为慢速眼动成分，计算该成分与1-20HZ成分的能量比；眨 眼特征通过先对垂直眼电信号作差分，然后取两个阈值分别对应眼睑闭合和重新睁开的速度，以这两个阈值定位眨眼特征波形，然后计算根据眨眼波形的形态特征，来计算其眼睑闭 合时间、重新打开时间、眨眼间隔、峰值速度。
10.根据权利要求1所述的基于眼电信号的警觉度检测系统，其特征是，所述的平滑去 噪子模块根据警觉度特征信号与相邻时间点的信号之间以及带噪声的信号与不带噪声的 信号之间中通过已知最初的警觉度状态，得到其后所有的不带噪声的警觉度状态。
全文摘要
一种信号处理技术领域的基于眼电信号的警觉度检测系统，包括信号采集系统、信号处理系统和反馈系统，信号采集系统采集眼电模拟信号并进行放大、滤波和数模转换处理后输出特征数据至信号处理系统，信号处理系统对输入的眼电信号进行特征提取并估计出警觉度状态后输出至反馈系统，反馈系统在满足警告条件时发出警报。本发明能够提供比眼部视频更全面且更准确的信息；结合慢速眼动、快速眼动、眨眼等多种从EOG中提取的特征，并且使用了支持实时的线性动力系统去噪，可及时准确地反映使用者的疲劳状态，并对超过一定程度的疲劳产生警报。
文档编号A61B5/0496GK102125429SQ20111006623
公开日2011年7月20日 申请日期2011年3月18日 优先权日2011年3月18日
发明者吕宝粮, 石立臣, 马家昕 申请人:上海交通大学