一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置的制作方法

本发明涉及脑电波采集，具体来说，涉及一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置。

背景技术：

1、随着现代社会科学技术迅猛发展，生活节奏越来越快，人们在日常工作和学习中所要面对的压力越来越大，长时间或者高强度用脑极易引起脑疲劳，脑疲劳已成为一种严重影响人们正常生活的亚健康状态。同时对于驾驶员而言，疲劳驾驶则存在重大的安全隐患，由于驾驶员在驾驶过程中缺乏警觉和警惕，社会上因驾驶疲劳而导致的交通事故比例越来越高。因此，驾驶疲劳已成为道路悲剧的主要原因之一。

2、目前，传统的疲劳检测方法一般包括脑电图(electroencephalography，eeg)法或功能性近红外光谱(functional near-infrared spectroscopy，fnirs)法，但是，脑电图技术很容易受到眼睛或身体其他部位运动的影响，另外，噪声对脑电信号的影响也特别大，而功能性近红外光谱技术的信号时间分辨率低，且检测信号滞后于实际神经活动。即单一的模态信号不能准确的反应使用者的脑部疲劳状态，因此，本发明提出了一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，包括头部佩戴件，头部佩戴件的底端设置有与之相配合的固定带，头部佩戴件的内顶部设置有弧形条组，且头部佩戴件的一侧设置有与弧形条组相配合的调节机构，弧形条组上分别设置有脑电电极、发射光极及接收光极；头部佩戴件的表面设置有控制主机，控制主机的内部设置有控制主板，控制主板包括光驱动模块、电源模块、信号处理模块、主控模块及数据传输模块；

4、其中，光驱动模块用于产生多个频率不同的电流载波以驱动双波长光发射极；

5、电源模块用于为装置供电，其由充电电路、线性稳压电路及升降压电路构成；

6、信号处理模块用于对采集信号进行处理，利用通道选择及特征融合法对采集的信号进行识别；

7、主控模块用于控制光源驱动模块实现数据采集；

8、数据传输模块用于实现数据传输。

9、进一步的，为了可以起到有效地散热效果，头部佩戴件的顶部表面贯穿开设有若干散热孔。

10、进一步的，为了便于配合调节机构实现对脑电电极、发射光极及接收光极位置的调节，弧形条组包括安装于头部佩戴件内顶部中间位置的弧形条一，弧形条一的两侧均设置有弧形条二。弧形条一上均匀设置有若干脑电电极，弧形条二上分别设置有若干脑电电极、发射光极及接收光极。

11、进一步的，为了便于测量使用者头部不同区域的脑电及近红外光密度变化信号，可以更好地满足于人们的脑疲劳监测需求，头部佩戴件的内底部两侧均开设有与调节机构相配合的安装槽，且弧形条一及弧形条二的两端均通过转动轴与安装槽活动连接。调节机构包括套设于弧形条一上的锥齿轮一，锥齿轮一的底部设置有与之相啮合的锥齿轮二；锥齿轮二的底部设置有传动轴，传动轴的中部套设有蜗轮，蜗轮的下方设置有与之相配合的蜗杆，蜗杆的一端贯穿头部佩戴件并与位于头部佩戴件的一侧的调节块连接。

12、进一步的，为了更好地实现对脑疲劳状态的监测，信号处理模块包括数据预处理模块、通道选择模块、特征提取模块、特征融合模块及疲劳状态判别模块；

13、数据预处理模块用于分别对采集的脑电信号和近红外光密度变化信号进行预处理；

14、通道选择模块用于通过基于relieff及单通道性能分析的共性通道选择方法推荐的最优共性通道组合分别对脑电信号和近红外光密度变化信号进行通道选取；

15、特征提取模块用于分别对脑电信号和近红外光密度变化信号进行特征提取；

16、特征融合模块用于利用k-svd算法对提取的脑电信号特征进行稀疏融合，得到降维后的稀疏融合特征；

17、疲劳状态判别模块用于基于支持向量机算法构建的疲劳状态检测模型对待测者的疲劳状态进行检测识别。

18、进一步的，数据预处理模块在分别对采集的脑电信号和近红外光密度变化信号进行预处理时包括：

19、对脑电信号进行重参考、带通滤波和基线校正，并采用独立成分分析方法去除伪迹干扰；

20、根据beer-lambert定律对近红外光密度变化信号进行计算，得到血氧浓度变化信号，并对血氧浓度变化信号进行带通滤波和基线校正。

21、进一步的，最优共性通道组合的推荐包括以下步骤：

22、利用基于relieff算法分析得到每个受试者各个通道下各个特征所对应的权值，并分析得到每个受试者各个通道下各个特征所对应的分类准确率；

23、进行准确率加权求和得到各个通道对应的加权求和后的权重值，并按照权重值大小进行排序选出最优共性通道组合。

24、进一步的，特征提取模块在分别对脑电信号和近红外光密度变化信号进行特征提取时包括：

25、分别提取脑电信号中的时域特征及频域特征，其中，时域特征包括近似熵、样本熵及模糊熵，频域特征包括功率谱密度；

26、分别提取近红外光密度变化信号中的脑血氧平均值特征、方差特征和变化趋势特征；

27、特征融合模块在利用k-svd算法对提取的脑电信号特征进行稀疏融合，得到降维后的稀疏融合特征时包括：

28、利用k-svd算法构建基于脑电信号的多特征集合对应的字典矩阵，并对基于脑电信号的多特征集合进行稀疏表示得到稀疏融合特征。

29、本发明的有益效果为：

30、1)本发明通过利用脑电电极、发射光极及接收光极可以实现对脑电信号及近红外光密度变化信号的采集，从而可以利用两种信号的结合实现对大脑疲劳状态的实时监测，相比于传统的单一监测方式，本发明利用脑电信号及近红外光密度变化信号的结合可以有效的提高脑疲劳状态的识别准确率。

31、2)通过调节机构的使用，使得蜗轮蜗杆可以配合锥齿轮带动弧形条进行转动，从而可以实现对脑电电极、发射光极及接收光极位置的调节，进而便于测量使用者头部不同区域的脑电及近红外光密度变化信号，可以更好地满足于人们的脑疲劳监测需求。

技术特征：

1.一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，包括头部佩戴件(1)，该头部佩戴件(1)的底端设置有与之相配合的固定带(2)，其特征在于，所述头部佩戴件(1)的内顶部设置有弧形条组(4)，且所述头部佩戴件(1)的一侧设置有与所述弧形条组(4)相配合的调节机构(5)，所述弧形条组(4)上分别设置有脑电电极(6)、发射光极(7)及接收光极(8)；

2.根据权利要求1所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述头部佩戴件(1)的顶部表面贯穿开设有若干散热孔(3)。

3.根据权利要求1所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述弧形条组(4)包括安装于所述头部佩戴件(1)内顶部中间位置的弧形条一(41)，所述弧形条一(41)的两侧均设置有弧形条二(42)。

4.根据权利要求3所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述弧形条一(41)上均匀设置有若干所述脑电电极(6)，所述弧形条二(42)上分别设置有若干所述脑电电极(6)、所述发射光极(7)及所述接收光极(8)。

5.根据权利要求1所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述头部佩戴件(1)的内底部两侧均开设有与所述调节机构(5)相配合的安装槽(10)，且所述弧形条一(41)及所述弧形条二(42)的两端均通过转动轴(11)与所述安装槽(10)活动连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述调节机构(5)包括套设于所述弧形条一(41)上的锥齿轮一(51)，所述锥齿轮一(51)的底部设置有与之相啮合的锥齿轮二(52)；

7.根据权利要求1所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述信号处理模块(93)包括数据预处理模块(931)、通道选择模块(932)、特征提取模块(933)、特征融合模块(934)及疲劳状态判别模块(935)；

8.根据权利要求7所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述数据预处理模块(931)在分别对采集的脑电信号和近红外光密度变化信号进行预处理时包括：

9.根据权利要求7所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述最优共性通道组合的推荐包括以下步骤：

10.根据权利要求7所述的一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，其特征在于，所述特征提取模块(933)在分别对脑电信号和近红外光密度变化信号进行特征提取时包括：

技术总结
本发明公开了一种基于脑电与近红外结合的脑疲劳监测装置，包括头部佩戴件，头部佩戴件的内顶部设置有弧形条组，头部佩戴件的一侧设置有调节机构，弧形条组上分别设置有脑电电极、发射光极及接收光极；头部佩戴件的表面设置有控制主机，控制主机的内部设置有控制主板，控制主板包括光驱动模块、电源模块、信号处理模块、主控模块及数据传输模块。本发明不仅可以利用脑电信号及近红外光密度变化信号的结合有效的提高脑疲劳状态的识别准确率，而且还可以实现对脑电电极、发射光极及接收光极位置的调节，从而便于测量使用者头部不同区域的脑电及近红外光密度变化信号，可以更好地满足于人们的脑疲劳监测需求。

技术研发人员：李海波,戴世玮,曾灿明,戴浩源,江方兵
受保护的技术使用者：深圳东海浪潮科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15