专利名称：警觉力监视器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过监视眼睛和眼睑运动来检测警觉力和瞌睡发作的方法和装置。
背景技术：
瞌睡探测很重要，因为瞌睡削弱了大范围的装备包括汽车、飞机和轮船及工业设备的操作者的能力。当驾驶者感觉瞌睡时，不能通过教导他们采取补救行动来解决这个瞌睡驾驶的问题。困难在于，尽管许多人在警觉和清醒后会意识到瞌睡；但是在瞌睡来临之前和在瞌睡当中，他们没有意识到他们的瞌睡。这意味着一个人不能够预测何时他们的瞌睡程度会降到危险点，因为瞌睡状态伴随着对当前的意识缺失及不自觉地缺乏注意力。
美国专利US 5745038公开了一种眼睛监视器，用于检查来自眼睛里的反射光，以探测作为瞌睡标志的眨眼动作。
美国专利US 5867587公开了一种系统，该系统利用了操作者的面庞和眼睛的数字图像，推导出可归因于眨眼的参数，并将该参数与其临界值相比。如果该参数低于其临界值，就给出一个警告信号。
专利文献WO 98/49028也使用视频图像作为眼睛凝视监视器，用于检查眼睛运动的范围，并分析和计算警觉程度。
美国专利US 6091334公开了用于分析瞌睡的系统，该系统监视头部运动和凝视稳定性。
美国专利US 6102870使用眼睛跟踪器数据例如注视和扫视，来推断出操作者的精神活动，例如审视、阅读、搜寻、思考及活动的选择意图。这是一个增强计算机软件响应性能的系统。
美国专利US 6097295公开了基于眼睛瞳孔强度的影像分析系统。
美国专利US 6147612公开了防止瞌睡的系统，该系统探测眼睑的运动，并且当眼睑运动显示出带有瞌睡时开动一个警报。
美国专利US 6346887利用了基于眼睛跟踪系统的视频，其中该眼睛跟踪系统跟踪眼睛的活动性能及瞳孔的直径和位置，从而产生代表眼睛活动性能的信号，该信号可用来估计瞌睡程度。
上述所有的方法，都不能够提供一种实时的警觉力监视器，用来对操作者健康状态进行校准测量。本发明的目的是提供一种警觉力监视器，它能够提供一种操作者可操作汽车或机器的健康状态的客观且校准的测量。
发明内容
为此，本发明提供一种警觉力监视系统，它包括a)用于测量眼睑和眼睛运动的装置，以提供出有关以下一个或多个方面的测量值与其幅度相关的相对缓慢的眼睛和眼睑运动，眼睑颤抖，眼睛局部闭合，眼睑低垂，眼睛的缓慢漂移运动，缓慢和拖长的眼睑闭合，没有扫视运动和眼睛不协调；b)用于连续记录测量值的存储装置；
c)用于将测量值与预定标度相比较的数据处理器；所述预定标度是与预定增量的血液酒精级别相对应的、所测量的采样人群的眼睛和眼睑运动参数的平均测量值；d)用于显示基于标度的警觉力测量值的显示屏；或e)警报装置，其由达到基于血液酒精级别标度预定极值的标度读数来触发。
本发明基于以下一个事实，即眼睛和眼睑的运动方面的变化是瞌睡和警觉力丧失的一个早期可靠迹象。更具体地说，本发明基于以下一个事实，在眨眼过程中，正常的扫视眼睛运动和眼睑闭合的峰值速度随这些运动的幅度而变化。已经发现，带有瞌睡之后，对于相同的幅度，这些速度减小。眨眼和扫视的幅度与峰值速度的比值随着瞌睡的程度的增加而增加。因为该比值的量纲是时间，不需要测量幅度或速度的绝对值，只需要这些测量值包括相同的任意标度即可。在本发明的装置中，该标度是伏特。
本发明还基于以下事实，血液酒精级别对眼睛运动具有一定的作用，而其作用类似于瞌睡起到的作用。即瞌睡、警觉力缺乏和血液酒精会导致显示相同模式的眼睛和眼睑运动的行为状态。在许多实验室环境的精神心理学性能实验中，由于逐渐增加的睡眠缺乏而增加的瞌睡程度所导致的损害，与作用于上述实验的性能之上的增加的血液酒精度的等同作用之间的关系，已经建立了起来。
本发明的一个有益之处在于监视器连续地记录操作者的警觉力，该警觉力等同于与血液酒精含量相关的警觉力。许多国家已经立法，当血液酒精级别高于指定值时，驾驶汽车或操控机器是非法的。因此，本发明使得可以判断瞌睡的驾驶者，就好像是他们受到酒精的损害一样，且提供操作汽车或机器的法定的健康标准。
本发明的另一个方面是提供了一种受测对象警觉力测量系统，其包括a)红外脉冲发射器，其适合于与受测对象的至少一个眼睛相邻布置；b)与所述发射器相邻布置的至少一个反射光线探测器；c)用于传送探测器信号的装置；d)数据处理装置，其用于接收探测器信号，并从脉冲发出后所测量的反射光合成强度中减去每个脉冲被传送之前的光线总强度，以获得反射光测量值；e)所述数据处理装置分析所述反射光测量值，以评估眼睑和眼睛运动的以下一个或多个方面的情况与其幅度相关的相对缓慢的眼睛和眼睑运动，眼睑颤抖，眼睛局部闭合，眼睑低垂，眼睛的缓慢漂移运动，缓慢和拖长的眼睑闭合，没有扫视运动和眼睛不协调。
优选地使用来自两眼的反射光，作为测量眼睛和眼睑运动的方法。在面部靠近眼睛处安装红外光源和探测器，用来测量从每个眼睛反射回来的光线的变化。一个探测器靠近发射器，而另一个探测器可跨过眼睛，以更好地探测眼睑的闭合。这些发射器和探测器，可通过有线或无线(射频)连接，与进行分析的计算机和记录系统相通讯。
反射数据可以分解成几个频域范围或时域范围，以得到每个眼睛的相对位置和速度数据，可以分析这些数据以显示以下几个方面的存在相对缓慢的眼睛和眼睑运动，眼睑闭合，两眼不协调及长时间的眼睛静止不动。
所记录的数据可以连续地与预先记录的数据相比，该预先记录的数据是对应于血液酒精含量的增量级别、所测量的采样人群的扫视运动数据的平均值。建立起眼睛运动、血液酒精含量和警觉力减少之间联系的该数据，存储为一种可存取的形式，用于和被记录的数据进行比较。该存储的数据可以是查询表或影像显示的形式。该用于比较的被记录数据，是在一个预定持续时间(一般地在5至60秒，且该持续时间连续地进行)内的一组眼睛运动的几个参数的读数。当该组读数与用于特定血液酒精含量的一组数据相匹配时，该血液酒精值被记录下来，用作操作者的警觉力级别。
视线会被眼睑闭合所阻隔，但探测该眼睑闭合还不足以探测所有的瞌睡发作。即使眼睑睁开，非常瞌睡的受测对象也可能由于视觉中枢或神经受到阻隔及眼球控制受到妨碍而不能看到景象。虽然受测对象没有意识到在眨眼和扫视运动的时间内临时切断了景象，但在眨眼和扫视运动中发生了神经阻隔。一些瞌睡的受测对象努力想保持清醒，在他们开始失去对眼睛控制特别是失去眼睛运动的两眼协调之后，确实使他们的眼睑保持几秒钟的睁开。这种开始的主观清醒可能导致双重景象或复视。受测对象通常没有意识到随后的缓慢和较差的眼睛协调运动，可能由于视觉神经阻隔。
通过比较，在瞌睡逐渐发展为睡眠之前，受测对象的头部不容易向前点头。因此，点头可能是以逼近危险的瞌睡的晚期预兆。
本发明的装置监视眼睛和眼睑的相对位置和运动。随着瞌睡的发作，自发的眨眼的平均延续时间从大约300毫秒增加到超过450毫秒。最终，眼睑运动变得如此缓慢，使得它们不再眨眼，而是眼睑缓慢闭合，该眼睑缓慢闭合间歇地发生，持续半秒钟到几秒钟。在警觉力增加和瞌睡减少的过程中，在该状态下发生例如局部眨眼和眼睑颤抖运动等其他眼睑运动是典型的，而这需要和缓慢眼睛运动区分开。使用在该发明中的红外反射光可以进行上述区分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种警觉力测量方法，其通过下述方式对受测对象的眼睛运动进行分析利用反射的红外线脉冲以得到眨眼幅度与速度的比值和/或扫视幅度与速度的比值的测量值，得到这些值在预定时段内的平均值，且测量出上述平均值与多个警觉的受测对象的预定平均值之间的偏差。
图1是一个示意图，显示出发射器和探测器的位置。
图2是根据本发明的系统功能的方案图。
图3是与眼睑运动有关的、本发明的曲线输出的一个示例。
图4是与左右眼运动有关的、本发明的曲线输出的一个示例。
图5显示用于确定眨眼幅度速度比(BAVR)的曲线。
图6显示用于确定扫视幅度速度比(SAVR)的曲线。
图7显示眨眼的睁开速度和闭合速度的差值。
图8显示来自失眠的受测对象缓慢局部眨眼的信号。
图9显示在夜晚失眠期间、在10分钟内重复进行的性能实验中所绘制每分钟的BAVR值。
图10显示平均BAVR值和血液酒精度之间的关系。
具体实施例方式
参看图1，分别为每个眼睛设置一个红外脉冲发射器10和两个红外反射率探测器13和14。探测器13探测对应于眼球运动的、水平跨过眼睛的反射光，并探测扫视运动，通过探测该扫视运动可以推导出每次扫视的幅度和速度，以提供扫视幅度速度比。探测器14探测对应于眼睑运动的、竖直跨过眼睛的反射光，并探测眼睑运动，通过探测该眼睑运动可以推导出每次眨眼的幅度和速度，以提供眨眼幅度速度比。受测对象佩戴有光线承载架，用于保持光线发射器和探测器。该装置紧贴着眼镜框的下半部分，且不限制佩戴者的视野。可以放在口袋中或连接到皮带上的第二部分，包含了脉冲发生器、计时电路和传送器。
如图2所示，本发明的系统使用红外脉冲发射器、红外探测器和无线传送器来将探测到的信号发送到接收器上。反射的红外脉冲幅度随着眼睛和眼睑的运动而改变。LED优选每隔500微秒发送一个50微秒脉冲宽度的脉冲(即一秒钟2000次)。
接收器发送信号到脉冲分析器，在除去环境光线的影响后，该脉冲分析器测量每个反射的红外脉冲的宽度(单位为伏特)。然后通过使用包括对两眼进行比较的几个方法来分析数据。
瞌睡量化器的输出值可以被存储、显示或用于在达到临界条件时启动警报。具有显示和警报功能的装置控制部分采用了一个进行编程以分析接收到信号的微处理器。记忆存储器包含了先前一段时间内有关受测对象瞌睡方面的数据，并且可以在发生事故时以非常类似于飞机空难时的黑匣子的方式被使用。装置不需要在每次使用前进行校准。
在夜晚驾驶时，环境光线中的可见光和红外光的强度快速地改变，如同前大灯的光线迎面而来和迅速而去时那样，或者如同白天驾驶时日光被树木遮蔽时那样。所有的这些红外光的来源都可以在受测对象的面部上探测出来。出于这个原因，在发送每个脉冲之前，本发明的装置测量每个脉冲发出之前的光线总强度，并从脉冲和环境光线的合成强度中减去上述光线的总强度。这意味着该装置可使用在从明亮的晴日到夜晚的所有光线条件下。由于角膜的圆锥形状、眼睑的位置以及当眼睑睁开和闭合时所暴露出来的组织的反射率的不同，因此所反射的红外线的强度与眼睛的位置有关。指向每个眼睛的红外脉冲间隔约100微秒而及时分开，以避免干扰。
来自每个眼睛的反射光的强度和模式变化，使得可以连续地监控每个眼睛和眼睑的相对位置。该装置可以探测和区分竖直运动和水平运动，包括眼睛扫视运动和眼睛缓慢运动，例如在平稳地搜寻目标时的眼睛运动或即使是在头部运动时也可使眼睛凝视的前庭眼动。
图3示例说明来自一系列的正常扫视和眨眼的反射信号。分析该数据，以识别与两眼不协调、缓慢扫视和局部缓慢闭合眼睛相关的信号模式。
图4示例说明失眠的受测对象在眼睛睁开时的缓慢眼睛运动。在左眼和右眼之间存在相当于150毫秒的相位差，而正常状态下两眼运动可以协调到约10毫秒内。
此外，还检测了眼睛的缓慢漂移运动和不协调的眼睛运动，这些如图8所示是瞌睡的显著标记。通常在脑电图测量(EEG)显示睡眠将要开始之前几分钟的瞌睡状态中，开始最早出现上述运动。
可以在频域范围或时域范围内，分析所反射的光线用于确定扫视持续时间。正常警觉眼睛运动的扫视持续时间是5-70毫秒，而瞌睡时缓慢眼睛运动的扫视持续时间是1-5秒的数量级。在警觉的受测对象中，扫视在10毫秒内以及眨眼在20毫秒内同步发生；但是当瞌睡时，会导致不协调，瞌睡时缓慢眼睛运动通常会达到50至200毫秒的不同步，甚至更多。
优选方法是分析反射信号，以从探测器14的信号中得出眨眼幅度和速度值。
图5显示正常眨眼的峰值闭合速度(PCV)和峰值睁开速度(POV)。峰值闭合速度大于峰值睁开速度。因为难以确定眨眼何时结束，因此优选在眨眼的一半幅度(1/2D)处测量眨眼的持续时间。正常的1/2D值是110±35毫秒。
本发明的装置和分析系统能够区分出包含强力闭合或睁开眼睛的作怪相动作。瞌睡的受测对象通过上述动作来减轻其眼睛的不适。可以通过计算BAVR值来将作怪相和眨眼区分开，也可以将作怪相和不时的自发眨眼区分开。这意味着可以检测出貌似瞌睡时的情况。
在一个通过有线或无线的方式与LED和探测器通讯的电脑上进行分析。利用软件对信号进行过滤，以提供不同频率的眼睛运动的模式。
分析数据的方法中使用了每个眼睛/眼睑运动的幅度与其峰值速度之间的比值。对于扫视，只有一个这样的速度，而对于眨眼而言则有两个所谓的闭合速度和睁开速度。优选只使用眼睑闭合时的峰值速度，因为它以可预料的方式进行变化，而尽量少用睁开速度。该比值，即扫视幅度和速度的比(SAVR)以及眨眼幅度和速度的比(BAVR)，分别示于图7和6中。
图6显示了12个警觉的人在30秒时间内的200个眨眼动作的眨眼幅度和峰值闭合速度之间的关系。图7显示警觉的受测对象的扫视峰值速度与幅度成线性关系，但在眨眼方面则不同于上述关系。
在测量中(约100毫秒)，这些比值与传感器的安装条件和准确位置无关。SAVR值反应了眼外肌的收缩性能，而BAVR值反应了眼轮匝肌的收缩性能。这些性能直接受中枢神经系统的激活/失活的影响。随着瞌睡程度的增加，该比值逐渐增加(可增加到40，或对于BAVR而言可增加到更多)。实验表明，正常的BAVR值在大约4.0±0.的范围内。在性能实验过程中，在受测对象由于瞌睡而开始停止响应前，BAVR值增加(见图9)。图9显示该受测对象在BAVR值方面没有显著变化，直到其连续保持20个小时的清醒状态后才开始逐渐增加。
在瞌睡的受测对象中，BAVR可以在几秒内较大变化。在从几秒到几小时的任何时间范围内，计算平均BAVR值或类似的测量值。平均的BAVR值和单个超过了正常范围BAVR值的数目，以及测量每单元时间内这些事件的总持续时间，被用来测量并评估警醒力。之后，这些测量值涉及那些受测对象的先前记录值，优选使用间隔为0.01％的血液酒精级别，以基于血液酒精等同级别给出警醒力测量值。
图10示出测量的BAVR值和血液酒精度之间的示意性关系。0.05％的血液酒精度大约相当于BAVR值为6。
通过以下变量的组合，对几秒或几分钟之内的瞌睡进行量化
●对BAVR值的测量和进行比较；●基于每单位时间内SAVR值和其频率，判断扫视是否正常；●两眼协调性较差的缓慢眼睛运动的存在和持续时间；●眼睑是否睁开或闭合，以及所占时间的比值；●眼睑低垂或颤抖现象的存在，如高的BAVR值所示；●两眼协调的程度，包括前庭眼动和平稳搜寻目标的眼睛运动，这些在驾驶汽车时要看清楚景象是必需的；●单位时间内的长持续时间的眨眼频率和其他眼睑闭合次数，及高的BAVR值和其累积持续时间；●故意作怪相的频率，包括强制睁开或闭合眼睛；●特别长时间(很多秒)内的眼睛静止不动(眼睛或眼睑不进行运动)的持续时间；●特定的瞌睡级别可等价于特定的血液酒精度。
如上所述，可以看出本发明提供了一种独特的装置，其基于驱动机器或汽车的法定意义上的健康标准来提供警觉力的测量。
在不偏离本发明所限定的方法和装置的基本要素的前提下，所描述的方法和装置可以改变或修改，以适合于特定的应用或所使用的装置。
权利要求
1.一种警觉力监视系统，其包括a)用于测量眼睑和眼睛运动的装置，以提供出有关以下一个或多个方面的测量值与其幅度相关的相对缓慢的眼睛和眼睑运动，眼睑颤抖，眼睛局部闭合，眼睑低垂，眼睛的缓慢漂移运动，缓慢和拖长的眼睑闭合，没有扫视运动和眼睛不协调；b)用于连续记录测量值的存储装置；c)用于将测量值与预定标度相比较的数据处理器；所述预定标度是与预定增量的血液酒精级别相对应的、所测量的采样人群的眼睛和眼睑运动参数的平均测量值；d)用于显示基于标度的警觉力测量值的显示屏；或e)警报装置，其由达到基于血液酒精级别标度预定极值的标度读数来触发。
2.如权利要求1所述的警觉力监视系统，其特征在于，在至少一个眼睛上安装有至少一个红外脉冲发射器和至少一个红外探测器。
3.如权利要求2所述的警觉力监视系统，其特征在于，所述探测器在每个脉冲被传送之前测量光线总强度，并从脉冲过程中测量的反射光合成强度中减去上述的光线总强度。
4.一种警觉力测量方法，其通过下述方式对受测对象的眼睛运动进行分析利用反射的红外线脉冲以得到眨眼幅度与速度的比值和/或扫视幅度与速度的比值的测量值，得到这些值在预定时段内的平均值，且测量出上述平均值与多个警觉的受测对象的预定平均值之间的偏差。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所测量的眨眼幅度和速度的比值以及扫视幅度和速度的比值与一定标度的血液酒精含量的当量值相关。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在每个眼睛的两个位置上探测反射的光线脉冲。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在一个位置探测与眼睑运动相关的反射，在第二个位置探测与扫视运动有关的反射。
8.一种受测对象警觉力测量系统，其包括a)红外脉冲发射器，其适合于与受测对象的至少一个眼睛相邻布置；b)与所述发射器相邻布置的至少一个反射光线探测器；c)用于传送探测器信号的装置；d)数据处理装置，其用于接收探测器信号，并从脉冲发出后所测量的反射光合成强度中减去每个脉冲被传送之前的光线总强度，以获得反射光测量值；e)所述数据处理装置分析所述反射光测量值，以评估眼睑和眼睛运动的以下一个或多个方面的情况与其幅度相关的相对缓慢的眼睛和眼睑运动，眼睑颤抖，眼睛局部闭合，眼睑低垂，眼睛的缓慢漂移运动，缓慢和拖长的眼睑闭合，没有扫视运动和眼睛不协调。
9.如权利要求8所述的警觉力测量系统，其特征在于，在每个眼睛的两个位置上探测反射的光线脉冲。
10.如权利要求9所述的警觉力测量系统，其特征在于，在一个位置探测与眼睑运动相关的反射，在第二个位置探测与扫视运动有关的反射。
11.如权利要求10所述的警觉力测量系统，其特征在于，所述数据处理装置分析反射信号，以得到眨眼幅度与速度的比值和/或扫视幅度与速度的比值的测量值，得到这些值在预定时段内的平均值，且测量出上述平均值与多个警觉的受测对象的预定平均值之间的偏差。
12.如权利要求11所述的警觉力测量系统，其特征在于，所测量的眨眼幅度与速度的比值以及扫视幅度与速度的比值被转换成一定标度的血液酒精含量的当量值。
13.如权利要求12所述的警觉力测量系统，还包括一个显示屏，其用于显示警觉力测量值，或一个警报装置，其由达到基于血液酒精级别标度预定极值的标度读数来触发。
全文摘要
一种警觉力监视系统，使用红外线脉冲的反射测量值来监视汽车或机器操作者的眼睛运动。该数据用来测量眼睛和眼睑的运动，以获取有关眼睛的缓慢漂移运动和/或眼睑闭合的信息，或者可选地获取作为注意力不集中和瞌睡标准的以下一个或多个方面的信息没有扫视运动、眼睛不协调、眼睑颤抖、眼睛局部闭合和眼睑低垂。受测对象的眼睛运动可以使用反射红外线来分析，以得到眨眼幅度与速度的比值以及扫视幅度与速度的比值的测量值。这些读数连续地与代表警觉力程度的眼睛运动数据相比，以使得监视器从瞌睡的角度而不论如何引起瞌睡，来提供操作者操作汽车或机器的法定健康的显示；其中警觉力程度对应于血液酒精含量值。
文档编号G08B21/06GK1561179SQ02819202
公开日2005年1月5日 申请日期2002年11月7日 优先权日2001年11月8日
发明者默里·约翰斯 申请人:睡眠诊断学公司