一种多物理场疲劳干预方法和装置与流程

1.本发明涉及疲劳干预技术领域，特别是涉及一种多物理场疲劳干预方法和装置。


背景技术：

2.最普遍的疲劳的干预方案有：警示灯、蜂鸣器、语音提示等，大部分设备需要提示后，使用者选择相应模式，实现不同干预。在不同的场景有不同的干预手段，对于驾驶方面可通过语音提醒以及震动干预；日常生活方面通过光刺激、声刺激、震动达到干预；运动疲劳检测方面通过激光针灸、经皮穴位电刺激产生干预。
3.相关疲劳干预设备，当人处于轻度疲劳，可通过单一模式提醒作用，例如：声音刺激。但在某些嘈杂场所，或者处于中度疲劳、重度疲劳者，单靠声音这种单一模式刺激提醒，往往起不到作用。同时现在的很多设备只是针对某一个场所使用，换到另一种环境就无法使用，例如：驾驶方面的设备就不能使用在运动方面进行疲劳检测。
4.大多数疲劳检测与干预设备模式单一，参数固定，且开环调节，这些因素不仅限制使用场所、使用人员，而且操作性能差，其大大降低疲劳检测设备的实用性，更无法提高疲劳工作人员的警觉度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种多物理场疲劳干预方法和装置，用以精准、快速的划分疲劳等级，根据等级实现不同的干预手段。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种多物理场疲劳干预方法，包括：
8.采集人体心电信号，并对所述心电信号进行预处理，得到只包含心电群波信息的心电信号；
9.对只包含心电群波信息的心电信号采用自适应阈值法提取rr间期信息；
10.提取所述rr间期信息的特征参数，得到特征参数序列；
11.将所述特征参数序列输入至训练好的svm多分类模型中，得到分级指数；所述svm多分类模型包括多个svm二分类器；
12.将所述分级指数转换为模式参数；
13.根据所述模式参数确定干预模式，并根据所述干预模式进行疲劳干预；所述干预模式包括助眠模式和疲劳缓解模式。
14.可选地，对所述心电信号进行预处理，具体包括：
15.对所述心电信号进行低通滤波、高通滤波和陷波处理。
16.可选地，对只包含心电群波信息的心电信号采用自适应阈值法提取rr间期信息，具体包括：
17.基于只包含心电群波信息的心电信号的数值和峰值阈值，确定心电峰值大小序列和心电峰值位置序列；
18.基于只包含心电群波信息的心电信号的数值和谷值阈值，确定心电谷值大小序列和心电谷值位置序列；
19.基于所述心电峰值大小序列确定rr间期信息。
20.可选地，所述svm多分类器采用投票策略进行分类。
21.可选地，所述分级指数包括第一分级指数val1，第二分级指数val2、第三分级指数val3以及第四分级指数val4；
22.当所述分级指数为第一分级指数val1时，所述模式参数表示退出干预；
23.当所述分级指数为第二分级指数val2时，所述模式参数表示使用弱模式多物理场干预；
24.当所述分级指数为第三分级指数val3时，所述模式参数表示使用普通模式多物理场干预；
25.当所述分级指数为第四分级指数val4时，模式参数表示使用强模式多物理场干预。
26.可选地，所述模式参数包括电刺激强度、电刺激极性、磁刺激强度和音乐类型；所述电刺激极性包括阴极刺激和阳极刺激；所述音乐类型包括助眠模式音乐和疲劳缓解模式音乐；
27.在所述助眠模式下所述电刺激强度恒定，在所述疲劳缓解模式下，所述电刺激强度根据所述分级指数进行调节；
28.在所述助眠模式使用阴极刺激，在所述疲劳缓解模式使用阳极刺激；
29.在所述助眠模式下磁刺激强度恒定，在所述疲劳缓解模式下磁刺激强度根据所述分级指数进行调节；
30.在所述助眠模式下播放所述助眠模式音乐，在所述疲劳环节模式下播放所述疲劳缓解模式音乐。
31.本发明还提供了一种多物理场疲劳干预装置，包括：
32.心电采集模块，使用单导心电中双导联的方式从人体颈部采集心电信号；
33.处理器，与所述心电采集模块连接，用于对所述心电信号进行预处理，得到只包含心电群波信息的心电信号；
34.无线通讯模块，与所述处理器连接，用于将只包含心电群波信息的心电信号发送至控制软件，所述控制软件对包含心电群波信息的心电信号进行处理得到模式参数；所述模式参数包括电刺激强度、电刺激极性、磁刺激强度和音乐类型；
35.干预信号发生模块，与所述处理器连接，用于根据处理器从所述无线通讯模块接收到的模式参数进行疲劳干预；
36.可选地，还包括：人机交互模块，与所述处理器连接，用于手动调整干预参数；所述干预参数包括干预模式、音乐音量和音乐曲目。
37.可选地，所述干预信号发生模块包括：声音驱动模块、电刺激信号驱动模块、磁刺激信号驱动模块、耳机、导电橡胶电极片和环形线圈；
38.所述声音驱动模块分别与所述处理器以及所述耳机连接，用于接收处理器发送的音指令，并确定所述音乐类型对应的音频信号，将所述音频信号发送至所述耳机；所述耳机将所述音频信号作用于人体；
39.所述电刺激信号驱动模块分别与所述处理器以及所述导电橡胶电极片连接，用于将所述电刺激强度和所述电刺激极性发送至所述导电橡胶电极片；所述导电橡胶电极片根据所述电刺激强度和所述电刺激极性将电信号作用于人体；
40.所述磁刺激信号驱动模块分别与所述处理器和所述环形线圈连接，用于将磁刺激强度发送至所述环形线圈；所述环形线圈根据所述磁刺激强度将磁刺激信号作用于人体。
41.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
42.本发明通过svm多分类模型能够精准、快速的划分疲劳等级的分级指数，并将分级指数转换为模式参数，根据模式参数实现快速、精准的相应的干预模式，在一定程度上减少了因疲劳而造成的人员伤亡。本发明适用于长时间、高强度、不间断体力劳动与脑力劳动的人群，提高工作人员警觉度和工作效率，在民用领域和军事领域都具有十分广阔的前景。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
44.图1为本发明提供的多物理场疲劳干预方法的流程图；
45.图2为本发明提供的多物理场疲劳干预方法的原理图；
46.图3为本发明提供的多物理场疲劳干预装置的结构框图；
47.图4为本发明提供的干预信号发生模块的结构框图；
48.图5为本发明提供的电刺激信号驱动模块的结构框图；
49.图6为本发明提供的磁刺激信号驱动模块的结构框图。
具体实施方式
50.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
51.本发明的目的是提供一种多物理场疲劳干预方法和装置，用以精准、快速的划分疲劳等级，根据等级实现不同的干预手段。
52.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
53.如图1-2所示，本发明提供的一种多物理场疲劳干预方法，包括以下步骤：
54.步骤101：采集人体心电信号，并对心电信号进行预处理，得到只包含心电群波信息的心电信号。
55.先在颈部采集预设时间的心电信号，将采集到的包含若干个r波峰值信号的心电信号进行低通滤波、高通滤波和陷波处理，得到只包含心电群波信息的心电信号。
56.步骤102：对只包含心电群波信息的心电信号采用自适应阈值法提取rr间期信息。具体包括：基于只包含心电群波信息的心电信号的数值和峰值阈值，确定心电峰值大小序
列和心电峰值位置序列；基于只包含心电群波信息的心电信号的数值和谷值阈值，确定心电谷值大小序列和心电谷值位置序列；基于所述心电峰值大小序列确定rr间期信息。
57.自适应阈值法包括心电峰、谷值定位，心电峰值采集区域更新，心电谷值采集区域更新。具体方法为：
58.s1021：使用每个心电采集值与峰值阈值比较，当采集值大于峰值阈值时更新峰值阈值为当前采集值数值，更新峰值位置为当前采集值的位置。当采集值小于峰值阈值时不做改变。
59.s1022：当采集值小于谷值阈值时，采集峰值阶段结束，进入采集谷值阶段。获得到峰值大小为a1，峰值位置为b1。继续使用每个心电采集值与谷值阈值比较，当采集值小于谷值阈值时更新谷值阈值为当前采集值数值，更新谷值位置为当前采集值的位置。当采集值大于谷值阈值时不做改变。
60.s1023：当采集值再次大于峰值阈值后，采集谷值阶段结束，再次进入采集峰值阶段。获得到谷值大小为c1，谷值位置为d1，根据采集到的信息获取采集峰值阈值f、采集谷值阈值g。
61.s1024：执行s1021步骤，并且获得峰值大小序列ai＝{a1,a2,a3...,a
n+1
}，峰值位置序列bi＝{b1,b2,b3...,b
n+1
}，并且获取rr间期值rri。
62.s1025：执行s1022步骤，并且获得谷值大小序列ci＝{c1,c2,c3...,c
n+1
}，谷值位置序列di＝{d1,d2,d3...,d
n+1
}。
63.s1026：重复执行s1023-s1025步骤，至心电信号末端，重复更新采集峰值阈值fi＝{f1,f2,f3...,f
n+1
}，采集谷值阈值gi＝{g1,g2,g3...,g
n+1
}，得到rr间期序列{rr1,rr2,...,rrn}。
64.其中采集峰值阈值方法更新方法为：
65.fi＝a
i-(a
i-ci)/5
66.其中采集谷值阈值方法更新方法为：
67.gi＝ci+(a
i-ci)/5
68.其中rr间期的提取方法为：
69.rri＝b
i+1-bi70.根据所采集到的rr间期序列{rr1,rr2,...,rrn}通过三西格玛原则去除粗大误差。
71.步骤103：提取rr间期信息的特征参数，得到特征参数序列。
72.特征参数包括：时域参数meanrr，sdnn，rmssd，pnn50；频域参数lf，hf，lfn，hfn和lfn/hfn；非线性参数sd1，sd2，s，index，vli，vai。
73.步骤104：将特征参数序列输入至训练好的svm多分类模型中，得到分级指数；svm多分类模型包括多个svm二分类器。
74.将所得特征参数序列{t1,t2,...,t15}输入训练好的svm多分类模型中进行分类。本发明使用其间接法中的一对一法(ovo svms)进行模型的构建和分类，是在每两个类之间都构造一个svm二分类器。训练过程中使用80％的数据集作为训练集，剩余20％的数据集为测试集。
75.对于第i类和第j类的数据，训练一个svm二分类器即求解二次规划问题，所用到的
公式如下：
[0076][0077][0078][0079][0080]
其中，w为一个维度与输入特征序列维度相同的向量(k＝15)，b为标量，上标表示是i类和j类之间放入svm二分类器的参数；下标t表示i类和j类的并集中样本的索引；表示输入空间到特征空间的非线性映射函数，表示第i类和第j类约束条件的松弛变量，c可以表示为权重，即惩罚系数，c越大表示为分类的样本越多，受到的“惩罚”越大。
[0081]
索引i，j∈{1，2，...，m}，i＜j，一共需要训练个svm二分类器。
[0082]
第i类和第j类之间的svm二分类器对于新数据xnew的分类结果根据决策函数计算的值判定，决策函数计算公式如下：
[0083][0084]
其中表示训练出的支持向量，sign()表示判断所得数据的正负。
[0085]
当有新的数据集输入时，svm多分类器采用投票策略进行分类。投票策略的过程为：
[0086]
首先每个svm二分类器根据其决策函数对于新数据x
new
有一个预测结果(投票)，以i类和j类之间的svm为例，若对于x
new
的预测为i类，则i类得票加1；否则j类得票加1；
[0087]
最终得票最多的类别就是对x
new
的分类结果，当出现平票情况，则会简单选择索引较小的那个类别作为对x
new
的分类。
[0088]
最终实现4种分级指数，输出结果为{val1,val2,val3,val4}中的一项
[0089]
步骤105：将分级指数转换为模式参数。
[0090]
分级指数为val1时，模式参数表示退出干预；分级指数为val2时，模式参数表示使用弱模式多物理场干预；分级指数为val3时，模式参数表示使用普通模式多物理场干预；分级指数为val4时，模式参数表示使用强模式多物理场干预。模式参数包括电刺激强度、电刺激极性、磁刺激强度和音乐类型。
[0091]
步骤106：根据模式参数确定干预模式，并根据干预模式进行疲劳干预；干预模式包括助眠模式和疲劳缓解模式。
[0092]
电刺激强度范围为0-2ma。在快速助眠模式下电刺激强度恒定，在疲劳缓解模式下，电刺激强度受到分级指数的调节。
[0093]
电刺激极性包括阴极刺激和阳极刺激，其中阴极刺激在快速助眠模式使用，阳极刺激在疲劳缓解模式使用。
[0094]
磁刺激强度范围为0-20mt。在快速助眠模式下磁刺激强度恒定，在疲劳缓解模式下磁刺激强度受到分级指数的调节。
[0095]
音乐类型包括快速助眠模式音乐和疲劳缓解模式音乐，其中快速助眠模式音乐为节奏缓慢的钢琴曲；疲劳缓解模式音乐为节奏欢快的电子音乐或交响乐。
[0096]
如图3所示，针对上述方法本发明还提供了一种多物理场疲劳干预装置，包括：
[0097]
心电采集模块，使用单导心电中双导联的方式从人体颈部采集心电信号；经过65db增益的放大后，将信号传入处理器中。
[0098]
处理器，与心电采集模块连接，用于对心电信号进行预处理，得到只包含心电群波信息的心电信号。
[0099]
无线通讯模块，与处理器连接，用于将只包含心电群波信息的心电信号发送至控制软件，控制软件对包含心电群波信息的心电信号进行处理得到模式参数；模式参数包括电刺激强度、电刺激极性、磁刺激强度和音乐类型。无线通讯模块还用于将模式参数发送至处理器。
[0100]
干预信号发生模块，与处理器连接，用于根据处理器从无线通讯模块接收到的模式参数进行疲劳干预；
[0101]
该多物理场疲劳干预装置还包括：人机交互模块，与处理器连接，其功能为提供一个外部接口，帮助使用者自行改变干预参数；干预参数包括干预模式、音乐音量、音乐曲目。
[0102]
如图4所示，干预信号发生模块包括：声音驱动模块、电刺激信号驱动模块、磁刺激信号驱动模块、耳机、导电橡胶电极片和环形线圈。
[0103]
其中，声音驱动模块分别与处理器以及耳机连接，用于接收处理器发送的音指令，并确定音乐类型对应的音频信号，将音频信号发送至耳机；其中音乐指令为一段固定长度的二进制数据，用来控制切换播放音乐曲目，调节音量大小。控制指令包括2字节包头、1字节命令行、1字节数据长度、6字节有效数据段和2字节包尾。
[0104]
耳机将音频信号作用于人体。
[0105]
其中，电刺激信号驱动模块分别与处理器以及导电橡胶电极片连接，用于将电刺激强度和电刺激极性发送至导电橡胶电极片；导电橡胶电极片根据电刺激强度和电刺激极性将电信号作用于人体。
[0106]
如图5所示，电刺激信号驱动模块包括上臂左桥开关电路、上臂右桥开关电路、两个二阶rc滤波电路、下臂左桥恒流源电路、下臂右桥恒流源电路和h桥电路。电刺激信号驱动模块的系统供电电压为20v-24v。
[0107]
其中阳极控制端连接至上臂左桥开关电路，阴极控制端连接至上臂右桥开关电路，阳极pwm输入端连接至与下臂右桥恒流源电路连接的二阶rc滤波电路，阴极pwm输入端连接至与下臂左桥恒流源电路连接的二阶rc滤波电路。阳极控制端和阴极控制端输入为3.3v高电平信号或者0v低电平信号。阳极pwm输入端和阴极pwm输入端的输入信号为占空比为duty的pwm波信号或者低电平信号。
[0108]
二阶rc滤波电路连接至下臂左桥恒流源电路和下臂右桥恒流源电路的输入端，其功能是将输入的pwm波信号转换成直流信号，转换直流信号的电压值v
out
计算公式如下：
[0109]vout
＝3.3+duty
[0110]
电刺激具体实施方式如下：
[0111]
阳极控制端输入高电平、阳极pwm输入端输入占空比为duty的pwm波；并且阴极控制端和阴极pwm输入端均输入低电平时，电刺激信号驱动模块产生阳极刺激信号，调节输入
pwm占空比大小可以调节电刺激电流强度。
[0112]
阴极控制端输入高电平、阴极pwm输入端输入占空比为duty的pwm波；并且阳极控制端和阳极pwm输入端均输入低电平时，电刺激信号驱动模块产生阴极刺激信号，调节输入pwm占空比大小可以调节电刺激电流强度。具体公式为：
[0113][0114]
式中，duty为pwm信号占空比，rset为所设置采样电阻大小。
[0115]
导电橡胶电极片连接至电刺激信号驱动模块上，具体位置在h桥电路中负载电阻的阳极端和阴极端各连接一个大小为3*5cm的导电橡胶电极片。导电橡胶电极片的功能是将电信号作用在人体上。作用位置为前额中轴线上fpz点位置向左右各偏离3.5cm处(fp1左额极，fp2右额极)。
[0116]
其中，磁刺激信号驱动模块分别与处理器和环形线圈连接，用于将磁刺激强度发送至环形线圈；环形线圈根据磁刺激强度将磁刺激信号作用于人体。
[0117]
如图6所示，磁刺激信号驱动模块包括第一分压电路、恒流源驱动电路和三个npn三极管开关电路。磁刺激信号驱动模块的系统供电电压为5v。
[0118]
输入pwm为高点平为3.3v，低电平为0v，占空比可调的pwm波。
[0119]
第一分压连接在pwm波和恒流源驱动电路的中间。为了满足运算放大器的线性放大和后级刺激强度选通电路中三级管的参数要求，所以加入第一分压电路。
[0120]
三个npn三极管开关电路都包含输入端和控制端：每个npn三极管开关电路的控制端连接至处理器上，每个npn三极管开关电路的输入端连接在恒流源驱动电路的负反馈端。每个npn三极管开关电路都包括一个npn三极管、集电极限流电阻和基极限流电阻。通过处理器发出的高(3.3v)、低(0v)电平来控制npn三极管开关电路的打开或关闭。
[0121]
磁刺激具体实施方式如下：
[0122]
当某种模式被使能时，对应该模式的控制引脚就被置高电平(3.3v)，其余引脚为低电平。快速助眠模式下驱动信号为16hz，pwm占空比为75％，电流有效值为150ma；疲劳缓解模式弱模式下驱动信号为100hz，pwm占空比为50％，电流有效值为60ma；普通模式下驱动信号为100hz，pwm占空比为50％，电流有效值为90ma；强模式下驱动信号为100hz，pwm占空比为50％，电流有效值为120ma。
[0123]
环形线圈连接至磁刺激信号驱动模块上，具体位置为一端连接5v电压，另一端连接恒流源驱动电路的输出端。环形线圈的功能是将电流信号转换为磁场信号作用在人体上。作用位置在后头部，发际正中直上6cm，旁开3cm，平枕外隆凸上缘凹陷处(玉枕穴位置)。
[0124]
本发明能精准、快速速的划分疲劳等级，根据等级实现不同的干预手段，其实现闭环操作、适用范围广。
[0125]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0126]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。