专利名称：：警觉性的测量的制作方法警觉性的测量本发明涉及对警觉性(尤其是交通工具操作人员的警觉性)进行监测。发明背景由于睡意会削弱广泛的设备(包括机动车辆、火车、飞机、轮船及工业设备)的操作人员的能力，对睡意进行检测具有重要意义。疲惫驾驶问题无法通过教育司机在感觉困倦时采取补救措施得到解决。困难在于，尽管许多人在清醒后也许会意识到自己当时很困，但在当时他们并未意识到自己的睡意。这意味着驾驶员不能预测在什么时候他们的睡意会达到造成危险的水平，因为困倦状态涉及到事发当时的意识的丧失，是一种无意识的注意力丧失。美国专利5745038揭示了一种检査来自眼睛的反射光，以检测作为睡意指示的眨眼行为的眼监视器。美国专利5867587揭示了一种使用操作人员面部及眼部数字图像，生成与眨眼相关的参数并将其与该参数的临界值进行比较的系统。如果参数降至临界值以下将发出报警信号。专利说明书WO98/49028也使用了视频图像作为眼凝视监视器，观察一系列的眼部运动，并分析和计算警觉性程度。美国专利6091334揭示了一种监视头部运动和凝视稳定性的睡意分析系统。美国专利6102870使用例如注视和快速扫视的眼动追踪数据来推测操作人员的精神状态，如扫描、阅读、搜索、思考和选择意图。它是一种增强计算机软件应答性的系统。美国专利6097295揭示了一种基于眼睛瞳孔尺寸的图像分析系统。美国专利6147612揭示了一种可检测眼皮运动，并在眼皮运动提示出现睡意时发出报警的预防睡觉的系统。美国专利6346887使用了一种基于视频的眼动追踪系统，可追踪眼部活动和瞳孔直径及位置，以产生代表眼部活动的可用于评估警觉性的信号。WO03/039358揭示了一种使用红外线测量眼皮和眼部运动的幅度和速度，在与血液酒精水平等级相关联的等级表上生成警觉性测量值的警觉性监视器。这种监视器旨在提供一种能提供驾驶员警觉性的校准测量值的实时警觉性监视器。本发明的目的之一是提供一种根据WO03/039358中揭示的类型改进的警觉性监视器。发明简述为此，本发明提供了一种警觉性监测系统，包括a)测量眼皮运动的装置b)持续记录测量值的储存装置c)数据处理器，用于分析眼皮运动，以获取眼皮闭合和张开的幅度和速度测量值，取预定时间段内的平均值，并测量其与警觉个体的预定值的偏差d)显示警觉性测量值的显示装置，或e)由达到预定值的测量值所触发的报警装置。眼皮开闭的幅度/速度比被用作测量睡意发作的主要指标。眨眼时闭眼和睁眼的幅度与最大速度比(AVR)均随睡意增加并可被用于预计警觉性的下降。本发明部分基于以下发现，即当幅度相同时，眼皮闭合和重新张开的AVR可不同。通常，眼皮的闭合速度快于重新张开的速度，并且两个速度仅适度相关。本发明人发现睡眠剥夺将增加闭眼和重新睁眼的AVR。其结果是这些运动的持续时间将随睡意一同增大。发明人发现睁眼的速度与幅度之比是睡意的一个主要指示。睁眼幅度与最大睁眼速度比(AVR)具有时间尺度，且对于警觉个体而言相对恒定，但逐渐随睡意增大，且不需要校准。计算出的用于比较的值需要在预定时间段内进行平均。测得的眼皮参数和选择进行平均的值可通过试验确定并可为任何合适的参数和平均值的组合。优选对每次测得的运动计算幅度/速度比，然后在预定时间间隔进行平均。其他参数，如睁眼和闭眼持续时间也可进行平均并纳入最终计算值中。还优选将例如快速扫视的眼部运动作为额外参数。优选对各参数进行加权以达到最终计算。该最终计算成为睡意指数，低值表明警觉而较高值表明睡意水平增加。眼皮和眼部运动可使用任何合适的技术(包括视频或数码相机技术)进行监测以确定和测量合适的眼部运动。储存装置用于储存数据处理器中探测器感知的信号或处理的信号或代表事件的信号。如以下所详述那样，尽管可使用幅度和速度的绝对测量值，但优选使用相对幅度和速度以避免校准的需要。平均值可使用任何适当的多个读数数据分析进行计算，然后按以下详述那样使用平均值或中间值。显示可以是屏幕上的图形显示、数字显示、听觉显示或打印报告。报警系统可以是闪烁光或噪音，也可包括任何手机使用的报警，如响铃和震动等。在车辆中，报警可以是震动椅或收紧的安全带。报警仅需足够唤醒困倦司机，因此其可立刻停止。分析仪的输出数据除用于报警外，还可被保存作为记录和/或传送至控制中心。卡车的位置受到监测，警觉信号可与位置信息一起轻易地通过无线进行传输，以便中心货运站能在线分析数据和对司机进行监测。输出信号和产生报警信号还能改变受监测人员所使用的车辆或机器的操作状态。这可以包括刹车、熄火或转换至安全操作模式。发明详述以下图表说明了发明的试验结果，其中图1是警觉的个体使用本发明的方法的记录；图2是困倦个体使用本发明的方法的眨眼记录；图3显示了眨眼时眼皮闭合的幅度与最大速度；图4显示了眨眼时眼皮重新张开的幅度与最大速度；图5说明了在本发明的方法中困倦个体的眨眼和长时间闭眼；图6说明了本发明针对24小时保持不眠的个体的睡意指数；图7说明了在同一阶段使用警惕性测试测得的差错百分比；图8说明了Johns睡意等级(JohnsDrowsinessScale,JDS)和血液酒精浓度之间的关系；图9说明了Johns睡意等级上的评分和平均反应时间之间的关系；图10说明了Johns睡意等级上的评分和"差错"百分比之间的关系。单眼或双眼记录本发明使用的眼监测装置与发明人之前的专利申请WO03/039358中的相同。WO03/039358描述了戴在两只眼睛上的具有传感器(IR-LED和光电晶体管)的眼镜。这样做的原因是由于双眼间的协调随睡意改变，因此对双眼进行记录很重要。但是，根据发明人的进一步研究，随着睡意的增加，双目协调的测量似乎变得越来越不准确。因此，在不要求测量双目协调的情况下，对单眼进行记录对于所有其他参数来说就足够了。现在优选使用两个红外线发射器和至少一个位于单眼下方较低框架上的光电晶体管探测器。目前，使用摄像机监测睡意的方法在实践和理论上都有问题。如果相机的帧速能增加至约500Hz，可测量速度和AVR，后者的一些问题也许在将来可以克服。目前，红外线发射和探测是优选技术。图1显示了在警觉个体身上使用本发明获得的读数。在纵坐标轴上，位置为任意单位(A)，而速度为A每50毫秒的变化。图2显示了使用本发明的困倦个体的眨眼，其中amp=眨眼幅度mcv=最大眼皮闭合速度mov=最大眼皮重新张开速度事件间时间=眨眼持续时间的测量值速度=每50毫秒的位置改变图5显示了困倦个体的眨眼和长时间闭眼幅度/速度比(AVR)从WO03/039358中得知，在警觉状态，每次眨眼或快速扫视的幅度与其最大速度高度相关。本发明部分基于速度随睡意改变这一发现。幅度/速度比(AVR)是睡意的一个重要测量值。WO03/039358测量眨眼和快速扫视时的AVR。现在优选依靠眨眼时的AVR，排除快速扫视和其他运动。WO03/039358测量的每个AVR均为眼皮运动幅度(总位置改变，以任意单位(A)测量)除以该运动的最大速度(为A在每10毫秒中的最大改变)的比率。发明人现已发现这精确确定了大多数眨眼和所有快速扫视的相对速度，但不能确定产生睡意时出现的缓慢眨眼。现在人们意识到速度应为A在每50毫秒中的最大变化。我们将其称为AVR(50)，而不是AVR(IO)，以便区分。WO03/039358主要涉及与眨眼时眼皮闭合相关的AVR(IO)。本发明则部分基于闭眼和睁眼应分别考虑这一发现。本发明将眼皮闭合PAVR(50)和眼皮重新张开NAVR(50)分别作为单独的变量。它们具有显著差异(pO.OOl)，但适度相关。图3显示了眨眼时眼皮闭合的幅度与最大速度。图4显示了眨眼时眼皮重新张开的幅度与最大速度。眼皮运动持续时间测量的眼皮闭合的持续时间为速度信号中零交叉点之间的间隔，并被称为正零交叉间隔(PZCI)。眼皮重新张开的持续时间单独测量，为负零交叉点间隔(NZCI)。即使在同一个体中，这些PZCI和随后的NZCI也仅适度相关(r-约0.5)。这些持续时间与闭眼和睁眼的相应的AVR高度相关但不相同。在警觉个体身上，眨眼时眼皮的闭合时间通常不超过1一2毫秒，但有睡意时，闭眼的持续时间显著增加。这被测量作为一个单独的变量(眼皮闭合持续时间)。总眨眼持续时间为闭眼的持续时间、眼皮闭合的持续时间、重新睁眼的持续时间之和。当眼皮在眨眼结束重新张开时，在约半开的时候达到最大速度，而余下的运动可能很慢。这总是使得准确测量该运动的持续时间和眨眼的总持续时间变得困难。其他研究者曾试图通过测量眼皮达到闭合和重新张开的各幅度的一半之间的间隔的眨眼持续时间克服这一点。本发明使用了一种替代方法。使用了闭眼的最大速度点和重新张开时的最大速度点之间的间隔，称为事件间时间(inter-eventtime)。这必须与连续快速扫视(先看一侧，然后看另一侧，通常出现在警觉的人身上)之间的间隔相区分。对于眨眼，眼皮闭合运动的相位或方向总是一样的，向下(我们称为正时相)。这之后眼皮会重新张开(总是向上，称为负时相)。无论是哪种运动(这包括适当阶段的一些连续快速扫视)，负事件间时间(NIET)为连续正运动和负运动的最大速度之间的时间。负事件间时间提供了眨眼总持续时间测量值，不依赖于眼皮运动开始和结束的时间的不确定性。相对运动幅度已证实，在静止坐着进行基于计算机的性能测试的个体身上区分眨眼与其他眼部和眼皮运动比在驾驶个体身上容易得多。当开车时，其他种类的眼部运动不遵循测量AVR时使用的幅度和速度定律。其结果是，在本发明中优选从其他运动中辨别眨眼。本发明进行辨别的方法为自我校准。尽管正常的眨眼会稍微改变，它们可通过其持续时间和相对大幅度作为特征与其他运动进行区别。已建立了眨眼时"正常"眼皮闭合持续时间(PZCI)和负事件间时间(NIET)的参考范围。当有睡意时，很多眨眼超出这些"正常"范围，但其他仍然处在范围之内。这些"正常"眨眼的幅度被用作测量所有运动的相对幅度的参考。为计算任何运动的相对幅度，首先必须建立特定个体在某时的"正常"眨眼的"参考"幅度，这在不同环境(如当时的光强度)下可能改变。测量每次持续时间在"正常"眨眼(如PZC^80-250毫秒)时眼皮闭合的参考范围内，并跟有N正T在参考范围内(如60-200毫秒)的负相运动的正相运动的幅度。这些幅度持续积累，当积累到20时，计算出它们的第85"百分位数。这成为"参考"幅度，否则是未校准的，并且基于最近的20次测量，在记录过程中持续更新。所有其他运动的相对幅度，不论是正相或负相，为该第85th百分位数的百分比。除眨眼外，大多数眼部和眼皮运动的相对幅度小于70%。尤其是对于大多数水平和垂直快速扫视和作为对个体开车时头部运动的补充的前庭眼运动。因此，几乎所有的眨眼可通过其相对幅度大于70%进行辨别。一旦通过这种方式辨别，所有眨眼可进行量化，无论其处于困倦状态的持续时间有多长。相对速度为每秒钟相对幅度单位的变化。扮鬼脸是一种强制眼皮闭合，通常仅在困倦状态当眼睛感觉到刺激时可见。这可通过其高相对幅度(通常大于150%)与正常眨眼相区分。之前没有其他监测眼睛和眼皮运动的方法辨别过扮鬼脸，因此这是本发明另一特有的特征。相对位置在眼皮未运动时辨别其是张开还是闭合很重要。为做到这点必须知道眼皮的相对位置。在本发明中这通过记录每次在"正常"眨眼范围(如之前的定义)内零速度开始和结束的位置实现。所有那些位置值每分钟累计一次。然后计算它们的第10th和90&百分位数和那些百分位数之间的差异。这被作为相对高(眼皮闭合)和低(眼皮张开)位置之间的差异的参考范围。任何特定位置将被记录为该差异的百分比。出于实际目的，后者被假定为"中性"位置，尽管实际上它略高于那个位置。因此任何特定时间的相对位置为之前运动的第10th和90th百分位数之间差异的百分比。相对幅度和相对位置之间的差异，以及在分析中对两者的需要，可能不会立即显得明显。前者等同于系统的增益，在最大速度时测量，后者等同于其DC偏移，在零速度时测量。当阳光直接照射到光电晶体管上时，它们的放大输出几乎为零。在那时的记录对于确定睡意无用，必须从分析中去除。这通过去除(绝对)位置低于(如)200的所有的数据点即可实现，而大多数其他值处于1000一2000的范围内。Johns睡意等级表目前还没有普遍适用的客观测量个体在特定时间的睡意水平的校准尺度。有主观报告与睡意相关的感觉的方法，如斯坦福睡意等级(StanfordSleepinessScale,SSS)或卡罗琳斯卡睡意等级(KarolinskaSleepinessScale,KSS)，可测量个体内的相对改变，但它们不能准确反映个体之间的差异。本发明提供了Johns睡意等级(JDS)。JDS基于描述随睡意改变的眼皮和眼部运动特征的变量的加权组合，并通过本发明的装置进行客观测<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>0.000000.000020細8该回归占"警觉"和"差错"数据在60秒内所有变量的62%(R=0.785:pO.OOOO)。这些变量从约20个中选出，包括大多数变量的平均值和标准差。通过对当个体有警觉(11=28)并能在两秒内对至少98%的Johns警惕性测试(JTV)中的视觉刺激作出反应时的记录和当个体被剥夺睡眠24—38小时后非常困倦(11=9)以致于在至少5%的JTV测试中出差错(无法在两秒钟内作出反应)时的记录进行比较，得到B加权。在后一种情况下驾驶员不适于驾驶。图6和7说明了睡意指数与被剥夺睡眠的个体的警惕性测试中的差错之间的关联。每分钟JTV记录计算一次这些变量的平均值和标准差。一些不具正态分布的变量通过log(In)转化进行标准化。"警觉"情况的数据多于"差错"情况的数据，因为排除了一些被剥夺睡眠但在JTV中无"差错"的个体和根据此定义不是非常困的人。首先通过分段多重回归(向前和向后)进行数据分析，使用选择的变量来预测"警觉"和"困倦"情况，编码为1和8。使用分段辨别分析和逻辑回归分析重复进行分析，每次得出基本相同的结果。将数据库分为两部分，对每部分分别进行单独的多重回归分析，也得出相似的结果。这支持JDS可在个体间广泛应用这一说法。随着数据库的扩充，选择的变量及其加权可略有变化。在其他实施方式中，个体保持持续27小时不眠，然后每3小时进行15分钟的JTV。平均JDS在午夜后逐渐增加，在JVT表现中的差错百分比也逐渐增加(pO.OOl)。可以JTV测试的表现随血液酒精浓度增加而下降的方式进行JDS校准。这遵照了能够证明该关系的一项早期的试研究。类似的，也可在驾驶模拟器中通过比较警觉和睡眠剥夺状态下的表现，针对驾驶技术的下降水平校准JDS。在本发明的第二个实施方式中，对算法进行了改进，加入了改进后的加权和新变量(如每分钟平均眼睛静止持续时间(DOQ))。这是任何种类连续眼部和眼皮运动(包括快速扫视、眨眼、前庭眼运动等)之间的平均时间间隔。相对长的眼睛静止时间是许多个体的典型困倦状态。另一个新变量是具有高于给定临界点(％高AVR快速扫视)的AVR的快速扫视的百分比。该百分比随睡意增加而增加。表2显示本发明第二种实施方式中的变量和加权。表2变量B加权统计学显著性(<)Ln平均负零交叉间隔2.66O細OlLn事件间时间标准差0.99O細OlLn平均眼闭合持续时间0.07o扁Ln标准差负AVR0.22O細Ol具高AVR的快速扫视百分比0.010篇Ln平均眼睛静止持续时间-1.49O細Ol常数13.830.00001申请人:许多试验的结果证明，可以通过广泛应用的睡意"临界水平"，通过将JDS值与心理-生理学表现测试的结果相比较，以更高的精确性和敏感性对JDS进行校准。在许多个体(由于被剥夺睡眠而困倦的人、喝了不同程度的酒的人、或有其他困倦原因的人)的反应时间测试(Johns警惕性测试或JTV)中每分钟测量一次JDS值。如JDS评分所反映的，不同的睡意水平被描述为那些标准测试能力的削弱水平，如视觉反应时间减慢和个体完全不能对有意义的视觉刺激作出反应的频率。这些结果表明当司机的睡意达到"临界"水平，等于或大于JDS上的5.0时，他/她不再适于驾驶。与这一JDS评分相关的是，有很大的可能性会对视线内出现的有意义的视觉刺激不能作出应答。对于安全驾驶，对清晰和有意义的视觉刺激(如前方车辆的刹车灯或道路转弯)作出反应的能力至关重要。图8显示了Johns睡意等级(JDS)与19个个体中血液酒精浓度(g0/。)之间的关系。[误差线为95%置信区间。ANOVApO.OOOl]在19个志愿受试个体的标准化测试(IO分钟JTV)中测得的JDS评分和当他们在6pm至午夜之间饮酒逐渐增加时通过呼吸分析仪在晚间测得的BAC测量值之间存在具统计意义的关系。在JTV中，个体被要求在看见计算机屏幕上的形状变化时尽可能快的按下按钮(持于他/她的优势手中)。变化以5至15秒的间隔随机出现，屏幕上的三个圈变为方形或菱形，持续400毫秒。这给了警觉个体足够的时间看见变化，他们在警觉时很少会作不出应答。他们每次测得的反应时间(RT，精确度为两毫秒)通常小于500毫秒。当昏昏欲睡时，他们的反应有几种改变。1.对每次刺激的反应时间加长(较长反应时间)。2.更频繁地出现完全无应答，SP，出现更多错误或疏忽。这些随睡意的变化通过计算每次JTV测试的平均RT进行评估，'同时计算个体未能在特定时间限制(0.5、1.0或2.0秒)内作出应答的次数的百分比。已在高达40小时持续不眠情况下对许多由于睡眠剥夺出现不同程度的睡意的个体的JDS评分和JTV测试中的RT进行了测量。19个具有不同血液酒精水平的个体的JDS评分和RT也如图8中所示进行了测量。图9显示了70个个体(由51个睡眠剥夺个体(红三角和虚线)和19个酒精影响个体(蓝圈和实线)进行的221次JTV)的组合结果。每组个体的JDS和RT之间存在非常显著的线性关系，并且它们的回归类似。高JDS评分与较低的对JTV(较高RT)中的视觉刺激相关联。不论睡意的原因是什么均是如此。JDS为5与超出500毫秒的平均RT相关。尽管没有普遍接受的这些RT的临界值，但这些反应确实缓慢，被认为可造成撞车风险增加。JDS是视觉功能的一种客观生理学测量，而RT是一种与驾驶任务明确相关的行为的测量。在心理生理研究中，在这样大小的数据库中，此类变量之间具有0.6-0.7的关联性是不常见的。图10显示了Johns睡意等级与由51个被剥夺睡眠的个体(红三角和阴影线)和19个酒精影响个体(蓝圈和实线)进行的221次JTV中的"差错"百分比之间的关系。图10显示了在与图9中相同的两组个体中，当无应答或应答延迟(RT>500毫秒)时，JDS评分和JTV中的"差错"百分比之间的类似的关系。这与驾驶情况尤其相关，未对清楚的视觉刺激作出应答，或未作出及时应答具有重要影响。这些非常显著的关系也为JDS的有效性提供了进一步的证据。JDS为5说明在表现测试中出现差错的可能性高，被认为在驾驶时也是如此。从上述描述中可以看出本发明提供了一种独特的睡意测量方法和一种可靠的对需要警觉的人操作机器或车辆的能力的预测器。本领域人员将认识到，在不脱离本发明的核心情况下，可通过所具体描述的装置和方法以外的实施方式实现本发明的目的。权利要求1.一种警觉性监测系统，包括a)测量眼皮运动的装置b)持续记录测量值的储存装置c)数据处理器，用于分析眼皮运动，以获取眼皮闭合和张开的幅度和速度测量值，取这些值在预定时间段内的平均值，并测量其与警觉个体的预定值的偏差d)显示警觉性测量值的显示装置，或e)由达到预定值的测量值所触发的报警装置。2.权利要求1的警觉性监测系统，其中测量眼皮运动的装置为摄像机。3.权利要求1的警觉性监测系统，其中测量眼皮运动的装置包括至少一种安装于眼镜框上的红外线发射器和至少一种也安装于眼镜框上的红外线探测器。4.权利要求1的警觉性监测系统，其中张开和闭合的幅度/速度比平均值被加权和相加，以得到睡意测量值，用于与基于从警觉和困倦个体中收集的数据的睡意等级相比较。5.权利要求1的警觉性监测系统，其适用于车辆或机器操作人员，其中报警还可触发车辆或机器操作状态的改变。6.—种测量个体睡意的方法，包括以下步骤a)持续监测个体至少一只眼睛的眼皮运动b)测量眼皮运动的幅度c)测量眼皮张开和闭合的最大速度d)获得眼皮张开和闭合的幅度/速度比的值e)计算预定时间间隔内的幅度/速度比的平均值f)记录每一间隔内的平均值并将这些值与警觉个体的一组预定值相比较。7.权利要求6的方法，其中张开和闭合的幅度/速度比的平均值被加权并相加，得到睡意测量值，用于与基于从警觉和困倦个体中收集到的数据的睡意等级相比较。8.权利要求7的方法，其中睡意测量值还包括任何类型的连续的眼部和眼皮运动之间时间间隔的平均值。9.权利要求7的方法，其中睡意测量值还包括具有高幅度/速度比的快速扫视的百分比。10.权利要求7的方法，其中将预定时间间隔内眼皮眨动和眼皮闭合的平均持续时间纳入睡意测量中。11.通过权利要求6至10中任一项的方法计算出的睡意等级表。全文摘要一种测量眨眼时眼皮闭合和张开的幅度/速度比和开闭持续时间，以测量睡意(尤其是车辆驾驶员的睡意)的方法和仪器。对开闭的幅度/速度比平均值进行加权和相加，得到睡意测量值，将其与基于从警觉和困倦个体上收集到的数据的睡意等级相比较。其他眼部活动可被用于加权运算中。睡意等级可预测出使得操作人员不适合再继续操作的睡意水平的出现。文档编号G08B21/06GK101132729SQ200680006897公开日2008年2月27日申请日期2006年3月6日优先权日2005年3月4日发明者M·约翰斯申请人:睡眠诊断学公司