专利名称：无接触式光学生理检测仪的制作方法
技术领域：
本发明专利属于人体生理特征检测技术领域，涉及一种适用于汽车死机生理特征检测的光学生理信号检测仪。
背景技术：
根据健康部门统计数字表明，80%的职业司机由于久坐、饮食不规律、紧张、疲劳等因素很容易患上各式各样的职业病。随着人们生活水平的提高，汽车的使用率逐步提高， 人们对汽车的依赖性也越来越大，这也增加了对驾驶汽车人员的健康状况的潜在危害程度。长期驾驶汽车，如久坐、紧张、疲劳、睡眠不足、饮食无规律等职业因素使得驾驶员容易患上胃病，肩周炎，腰痛，颈椎痛、急性颈扭伤，耳聋、视力疲劳等不同程度的疾病。驾驶员在道路状况不好或心情不好的情况下，情绪容易波动、烦躁，或遇上事故，就更难控制自己的情绪，这些都容易加重失眠、焦虑等方面的疾病，也易引起高血压等疾病。另外，如男性驾驶员长期久坐，空间密闭，温度高，空气不流通，会影响生殖能力。除此之外，长时间驾驶汽车还易引起疲劳，注意力分散，而增加事故的发生率。驾驶员的健康状况易被忽视，尤其是长期处在相对独立的工作活动空间环境，过多肥胖，缺少定期锻炼，且由于饮食不规律而引起的疾病已不容忽视。多参数生理检测仪可更加全面的反映驾驶员的身体状况，尤其是疲劳状态下的生理特征。因此从保持身体健康减少交通事故率的目的出发，应该使用简单有效的自我测试仪器，保证健康安全的驾驶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于驾驶员生理特征检测的多参数生理检测仪，可对驾驶员的多种生理信号进行监测，且功耗低，体积小、结构简单。—种无接触式光学生理检测仪，包括多个共振腔发光二极管、摄像头、图像传感器、存储器、控制单元和存储有诊疗信息的数据库存储单元及输出设备，其中，所述共振腔发光二极管在控制单元的控制下能够发射不同波长的红外光，分布在摄像头附近；图像传感器在控制单元的控制下捕捉驾驶员面部PPG信号，经过信号分离调理电路处理后被送入控制单元；由控制单元结合数据库里存储的诊疗信息，对驾驶员的PPG信号进行面部识别和皮肤表层识别，获取驾驶员的生理信息，并输出提示信息。作为优选实施方式，所述的共振腔发光二极管的个数在50-200个之间，均勻分布在摄像头周围；所述的光学生理检测仪还包括温度和湿度传感器，温度和湿度传感器的输出被送入控制单元；所述的生理信息包括驾驶员的心跳、疲劳程度、肥胖程度和酒精含量中的一种或几种。本发明装置可直接外置安装在任意汽车上，应用方便，可作为汽车附件，也可与汽车生产商协调内置附着在汽车内部。与现有的技术相比较，本发明所产生的技术效果在于1.该检测仪可检测驾驶员的肥胖程度，通过检测光电容积脉搏波信号，产生预报警，提醒驾驶员注意身体状况。2.由于图像传感器的分辨率很高，所以可应用最高分辨率获取各种皮肤反射光图像。3.该检测仪采用自动亮度RCLED均勻照明方式，亮度高，功耗小，且可根据所照射皮肤位置的反射率自动调整照明，保证图像质量。4.该检测仪可检测驾驶员的疲劳程度，通过图像识别捕捉和人工智能处理软件， 查看驾驶员的实时身体状况，以提醒驾驶员特别注意安全。5.该检测仪可检测驾驶员的酒精含量，提醒驾驶员小心驾驶或暂停驾驶。6.该检测仪可进行面部视觉捕捉，检测驾驶员的年龄和驾驶状态。7.该检测仪可测量车内的温度和湿度以及一氧化碳和二氧化碳的含量，并提醒驾驶员应注意通风或调整温度，保持车内良好的驾驶环境同时减少中毒的可能性。8.本发明采用FPGA芯片，功耗低，结构简单。9.该装置体积小，质量轻，可应用在所有的汽车及运输工具中，具有无接触和接触式两种测量方法，也可随身携带，随时使用，具有很强的推广性。
图1 本装置的硬件核心基本结构。
具体实施例方式下面结合硬件结构图1对本发明装置进一步说明。本发明是一种带有光电容积脉搏波信号自动检测人体自身健康状态的检测装置。 参见图1，通过红外摄像机(主要由摄像头、图像传感器、存储器、控制单元等组成)高清晰的捕捉人体面部由于人体血液脉动变化而光吸收变化的光信号，即光电容积脉搏波信号 (photoplethysmograph-PPG)，得到人体温度和血压电势变化信号，并将采集的这种光图像信号经过滤波、信号分离和调理后送入控制单元中，经过控制单元的分析处理，提供准确的人体健康指数，疲劳程度，酒精含量等预警信息。检测数据输出电路同时可以输出语音和数字两种信号。从而减少疲劳驾驶的几率，并提醒驾驶人员注意锻炼保持身体的良好状况，最终减少交通事故率。该装置是在驾驶员每次发动汽车时，自动启动该装置，也可改成手动设置启动该装置。本发明实施例的具体结构如下(1)光学成像装置(或称为摄像头)本发明采用固定物距，根据固定安装位置限定物距。每次测量时，使用人员固定在某一位置如驾驶员座位，那么物距就恒定，皮肤表面可清晰的成像到像面的CM0S/C⑶图像传感器上，同时光学成像放大倍数也恒定。(2) CCD/CMOS数字图象传感器采用高分辨率的(XD/CM0S数码图象传感器，分辨率达到600nM 1200nM象素，不仅功耗小，而且直接获得数码图象，避免了一般视频摄像机信号和格式转换带来的各种误差，图象清晰稳定。(3)多波长红外光照明光源采用红外光RCLED阵列(共振腔发光二极管RCLED (Resonant-Cavity Light-Emitting Diodes)的环形光源照明，约200个红外光RCLED均勻地排布在靠近摄像头前部的镜筒内周，保证皮肤表面能够获得多个方向的照明光，最大程度地显示皮肤的反射光图像细节。RCLED的数量和位置经过照度测量和计算，使得测量范围内的照明光强度达到按照设计分布，得到整个测量表面图像的亮度均勻分布。RCLED功能是在控制单元的控制下，采用不同频率的红外光照射皮肤。这样，摄像头和图像传感器可以用来提取PPG信号，比单独使用红外光更清晰，准确。另外一个优点是被照射人员不会被红外光所干扰。(4)控制单元和存储器控制单元由FPGA实现，控制单元一方面通过发出不同频率的方波脉冲信号控制电流源，从而驱动RCLED环，使其发出不同频率的红外光，另一方面通过控制图像传感器实现视频序列的拍摄，从而以无接触的方式收集PPG信号。本发明实施例的控制单元包括一个现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array-FPGA)。除了控制单元外，还包括 1个1兆比特(1( )的DDR2存储器及相应的DRAM控制器，1个USB2. 0模块用于与计算机通讯和1个无线接收端口。本发明实施例所采用的信号处理包括滤波，信号分离调理电路功能均由FPGA初始化编码实现。图像传感器采集的驾驶员面部PPG信号经过滤波、解码和调理后被送入控制单元。摄像头，图像传感器，FPGA，存储器，数据库存储单元，这些所有的部件都嵌入在一个小电路板上。系统的性能在很大程度上取决于图像传感器的敏感度(或量子有效性Quantum Efficiency, QE) 0 一般来讲，图像传感器在可见光谱400-700nm范围内更敏感。因为系统要处理的信号在600-1200nm之间，因此所选择的传感器最好具有高QE从而能很好的处理生物信号所包含的多种信息。同时，高QE的传感器本身对所处理的信息影响更小。所以根据要处理的信号不同，所选择的传感器也不同。为适用各种需求，在价格允许的范围内，将选择高灵敏度的传感器。下面结合具体功能，具体分析该装置的功能是如何实现的。首先，红外照相机通过控制系统的信号触发，发信号给RCLED，这些发光二极管环照射在皮肤和脸部，捕捉到相应频率的光反射信号。通过从照相机获得的实时PPG光信号，如前额，人工智能软件可以推断出驾驶员的年龄/疲劳程度。即通过把两个相近位置的信号相比较，这两个来源的信号相差或延迟越大，驾驶员就越老/越疲劳。当延迟非常显著时，通过和其他的生物信号相比， 可以具体推断出驾驶员是年轻且疲劳还是年老且精神状况良好。无接触式反射PPG信号测量的原理如下。这种采集信号的模型是根据比尔-朗伯吸收定律(Beer-Lambert)来描述入射光照射到生物组织与光接收和传送之间的关系。其中，Ii是皮肤表面的光入射率，I0是穿透到皮肤的光入射率，Ir是反射光率，I是从细胞组织发出的光出射率，光到达光电探测器可以分为稳定部分(DC)和暂态部分(AC)。 DC部分包括反射光L以及从细胞组织，骨头，稳定血液等发出的稳定光，AC部分表示由于血容积变化而引起的光吸收的变化，从而细胞组织的光发出率I表达为I = I0exp (- μ effr) = I0exp [- μ dynamicd (t) - μ staticm](1)
其中，r是测量皮肤和红外照相机或测量装置的平均距离；μ dynamic, μ static是稳定部分和动态部分的消光系数；d(t)和m是光源到稳定部分和动态部分路径距离。
权利要求
1.一种无接触式光学生理检测仪，包括多个共振腔发光二极管、摄像头、图像传感器、 存储器、控制单元和存储有诊疗信息的数据库存储单元及输出设备，其中，所述共振腔发光二极管在控制单元的控制下能够发射不同波长的红外光，分布在摄像头附近；图像传感器在控制单元的控制下捕捉驾驶员面部PPG信号，经过信号分离调理电路处理后被送入控制单元；由控制单元结合数据库里存储的诊疗信息，对驾驶员的PPG信号进行面部识别和皮肤表层识别，获取驾驶员的生理信息，并输出提示信息。
2.根据权利要求1所述的光学生理检测仪，其特征在于，所述的共振腔发光二极管的个数在50-200个之间，均勻分布在摄像头周围。
3.根据权利要求1所述的光学生理检测仪，其特征在于，所述的光学生理检测仪还包括温度和湿度传感器，温度和湿度传感器的输出被送入控制单元。
4.根据权利要求1所述的光学生理检测仪，其特征在于，所述的生理信息包括驾驶员的心跳、疲劳程度、肥胖程度和酒精含量中的一种或几种。
全文摘要
本发明属于人体生理特征检测技术领域，涉及一种无接触式光学生理检测仪，包括光源、摄像头、图像传感器、存储器、控制单元和存储有诊疗信息的数据库存储单元和输出设备，光源包括多个共振腔发光二极管，所述共振腔发光二极管在控制单元的控制下能够发射不同波长的红外光，分布在摄像头附近，图像传感器在控制单元的控制下捕捉到的驾驶员面部PPG信号，经过信号分离调理电路处理后被送入控制单元；控制单元能够读取数据库存储单元存储的诊疗信息，并通过输出设备输出驾驶员的生理信息。本发明可对驾驶员的多种生理信号进行监测，且功耗低，体积小、结构简单。
文档编号A61B5/00GK102309315SQ20111026284
公开日2012年1月11日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者周翊民, 夏旭 申请人:周翊民