一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解方法及系统与流程

1.本发明属于驾驶疲劳监测技术领域，涉及一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统及方法。


背景技术：

2.据统计数据显示，因驾驶疲劳造成的交通事故占事故总量的三分之一左右。电机车驾驶人疲劳时，会出现视线模糊、腰酸背痛、动作呆板、手脚发胀或精力不集中、反应迟钝、思考不周全、精神涣散、焦虑、急躁等现象，其生理和心理机能大大降低，如果仍勉强驾驶操作，有可能导致重特大事故发生；驾驶疲劳对驾驶人的影响是综合性的，所带来的危害具有社会性，因驾驶疲劳造成的事故会伤及他人及家庭，并影响到社会多个方面，事故性质越严重，影响越大。
3.20世纪60年代，开始出现电刺激疗法，它利用低频脉冲电刺激模仿针刺方式对人体进行治疗，由于电刺激疗法副作用小等优势，近来开始被应用于人类生理心理疲劳的治疗。电刺激劳宫穴可以使人醒神，改善精神疲劳，提高驾驶员的警惕性，提高驾驶安全性。
4.虽然缓解人类精神疲劳的传统方法有很多，比如降低工作强度，短暂休息，喝含咖啡因的饮料，服用特殊的药物。近年来，电刺激作为一种缓解人体疲劳的新方法得到了广泛的研究。有研究表明，适量的认知任务比少量的认知任务更有利于缓解精神疲劳。但是以上缓解驾驶疲劳的方法成本较高，效率低，可靠性低，对人体有一定程度的危害，无法满足用户的实际需求，因此驾驶疲劳的检测和缓解设备有待进一步提高。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对背景技术存在的问题，提供一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统及方法。
6.为此，本发明采取如下技术方案：一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统，包括：脑电信号采集终端，所述脑电信号采集终端用于采集驾驶员的脑电信号；上位机，所述上位机与脑电信号采集终端信号连接，上位机用于分析脑电信号并计算出疲劳值特征值；智能手机终端，所述智能手机终端与上位机信号连接，智能手机终端可根据疲劳值判断驾驶员的驾驶状态，然后发出相应指令；穴位电刺激仪，所述穴位电刺激仪与智能手机终端信号连接，穴位电刺激仪用于刺激人体穴位缓解疲劳。
7.进一步地，所述脑电信号采集终端为tgam脑电采集传感器。
8.进一步地，所述上位机为pc机。
9.进一步地，所述智能手机终端设有疲劳状态判断模块、主控模块、音乐模块和报警模块。
10.进一步地，所述穴位电刺激仪为多功能电刺激仪。
11.本发明还提供了一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解方法，采用上述基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统，包括以下步骤：（1）通过脑电信号采集终端采集驾驶员在清醒时和驾驶时的脑电信号，并将脑电信号传输至上位机；（2）上位机分别对清醒时和驾驶时的脑电信号钟的进行预处理，提脑电信号中af4导联θ波的(4~8hz)频段信号，计算(4~8hz)频段信号的样本熵se，具体地：将长度为n的脑电信号记为x（1），x（2），
…
x（n），定义m维向量：xm（i）={ xm（i），xm（i+1）}，1≤i≤n-m+1对任意两个m维向量进行计算：d[xm（i），xm（j）]=max[xm（i+k）
‑ꢀ
xm（j+k）]，0≤k≤m-1，i≠j，i≤n-m，j≤n-m给定一个阈值r，计算上述两个元素的最大差值小于这个阈值的总数：定义一个比值：定义一个比值：为c与总数的比，求其均值：其中，为m维序列比的均值。
[0012]
信号增加到m+1维，重复以上步骤，可得m+1维序列的比例的均值：样本熵se为：当n为有限值时可用如下公式计算：式中，选取r=0.2sd(sd是原始序列的标准差)，m=2将驾驶员在清醒状态下脑电信号af4导联计算所得的样本熵se记为驾驶员的初始疲劳特征值g，将驾驶员在驾驶状态下脑电信号af4导联计算所得的样本熵se记为实时疲劳特征值f；
（4）将实时疲劳特征值f和初始疲劳特征值g输入至智能手机终端的疲劳状态判断模块进行比对判断驾驶员的驾驶疲劳状态：若f≤1.2(g+k)，则驾驶员处于正常驾驶状态 ；若1.2(g+k)＜f≤1.3(g+k)，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态；若1.3(g+k)＜f≤1.5(g+k)，则驾驶员处于重度疲劳驾驶状态；若f＞1.5(g+k)，则驾驶员处于极度疲劳状态；所述k为疲劳阈值调节系数。
[0013]
进一步地，所述步骤（2）中预处理是去除脑电信号中的工频噪声、眼电和肌电伪迹干扰。
[0014]
进一步地，所述用户根据自己的耐疲劳能力调节疲劳阈值调节系数k。
[0015]
本发明的有益效果在于：（1）利用样本熵算法计算脑电信号的样本熵值后，根据样本熵值可以客观准确的评价被测者的大脑的疲劳程度。
[0016]
（2）通过采集驾驶员脑电信号，并计算出脑电信号中af4导联θ波的(4~8hz)频段信号的样本熵，将样本熵作为驾驶员的疲劳特征值，只需要较短的数据即可以较准确的反映疲劳特征，有效降低了疲劳特征计算的时间和复杂度，有利于实时判别驾驶疲劳状态，可准确的反映出驾驶员的疲劳程度，进而根据驾驶员的疲劳程度，采取相应音乐或电刺激的方式缓解驾驶员疲劳。
[0017]
（3）采用短时脑电序列的条件概率的自然对数取反方法计算脑电信号的样本熵，计算结果准确高效。
附图说明
[0018]
图1为本发明的控制原理图。
具体实施方式
[0019]
下面结合实施例对本发明做详细说明：如图1所示，一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统，包括脑电信号采集终端，脑电信号采集终端采用现有tgam脑电采集传感器，脑电信号采集终端佩戴与驾驶员头部，用于实时采集驾驶员的脑电信号，脑电信号采集终端信号连接有上位机，上位机采用现有常规pc机，上位机用于对收到的脑电信号进行分析并转化为疲劳值，提取脑电信号af4导联的 θ 波(4~8hz)频段信号，并计算该频段的样本熵，将其作为疲劳特征，上位机连接有智能手机终端，智能手机终端可根据疲劳值判断驾驶员的驾驶状态，然后发出相应指令，智能手机终端设有用于判断驾驶员驾驶状态的状态判断模块，用于发出控制指令的主控模块，用于播放音乐的音乐模块和用于报警提示驾驶员的报警模块，智能手机终端还连接有穴位电刺激仪，穴位电刺激仪采用多功能电刺激仪(kwd-808i)，主要用于刺激人体穴位缓解驾驶员疲劳状态，多功能电刺激仪的电流为3~7ma(以被试者可以承受且较舒服的强度为准)，2/100hz变频电刺激驾驶者的劳宫穴、腰、肩和臀部的穴位，刺激驾驶员保持清醒，主控模块可根据状态判断模块所判断的相应状态发出控制指令，控制音乐模块、报警模块和穴位电刺激仪执行相应操作。
[0020]
当人清醒时大脑神经元的兴奋程度较高，大脑从外界接受的信息量较大，神经细胞活动的随机性较强，脑电信号复杂程度较大。当人脑疲劳程度增加时，大脑神经元受抑制程度增加，大脑从外界接收的信息量减少，神经元细胞活动的有序性增加，脑电信号的类周期性活动增强，导致脑电信号复杂程度下降。
[0021]
基于上述特点，本发明还提供了一种基于脑电图的驶疲劳检测与缓解方法，采用上述基于脑电图的驶疲劳检测与缓解系统，包括以下步骤：（1）驾驶时驾驶员佩戴脑电信号采集终端，脑电信号采集终端驾驶员在清新时的脑电信号和驾驶过程中的实时脑电信号，清新时的脑电信号可提前在驾驶员平精神状态较好的非驾驶时间进行采集，然后将采集的脑电信号传输至上位机。
[0022]
（2）上位机分别对驾驶员在清新时的脑电信号和驾驶过程中的实时脑电信号进行预处理，预处理是去除脑电信号中的工频噪声、眼电和肌电伪迹干扰，以便提高检测的准确性，然后提取脑电信号中af4导联的 θ 波(4~8hz)频段信号，并计算该频段的样本熵，将驾驶员在清醒状态下脑电信号af4导联计算所得的样本熵se记为驾驶员的初始疲劳特征值g，将驾驶员在驾驶状态下脑电信号af4导联计算所得的样本熵se记为实时疲劳特征值f。
[0023]
具体地，计算样本熵包括以下步骤：1）．将长度为n的脑电信号记为x（1），x（2），
…
x（n），定义m维向量：xm（i）={ xm（i），xm（i+1）}，1≤i≤n-m+12）．对任意两个m维向量进行计算：d[xm（i），xm（j）]=max[xm（i+k）
‑ꢀ
xm（j+k）]，0≤k≤m-1，i≠j，i≤n-m，j≤n-m3）．给定一个阈值r，计算上述两个元素的最大差值小于这个阈值的总数：4）．定义一个比值：4）．定义一个比值：为c与总数的比，求其均值：其中，为m维序列比的均值。
[0024]
5）．信号增加到m+1维，重复以上步骤，可得m+1维序列的比例的均值：6）．样本熵se为：
当n为有限值时可用如下公式计算：式中，选取r=0.2sd(sd是原始序列的标准差)，m=2。
[0025]
（4），然后将初始疲劳特征值g和实时疲劳特征值f传输至智能手机终端的疲劳状态判断模块，通过对比判断判断驾驶员的驾驶状态。
[0026]
具体地：若f≤1.2(g+k)，则驾驶员处于正常驾驶状态。
[0027]
若1.2(g+k)＜f≤1.3(g+k)，则驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态。
[0028]
若1.3(g+k)＜f≤1.5(g+k)，则驾驶员处于重度疲劳驾驶状态。
[0029]
若f＞1.5(g+k)，则驾驶员处于极度疲劳状态。
[0030]
k为用户根据自己的耐疲劳能力调节疲劳阈值的调节系数，若驾驶员对疲劳的耐力较高，可设置较大的调节系数k，若驾驶员对疲劳的耐力较高低，则设置较小的调节系数k。
[0031]
疲劳状态判断模块根据判断情况将相应的疲劳状态传送至主控制模块。
[0032]
（4）主控制模块根据所收到的驾驶状态进行相应控制，若驾驶员处于正常驾驶状态，则主控制模块不进行相应控制，若驾驶员处于轻度疲劳驾驶状态，则主控制模块控制音乐模块播放音乐，通过音乐缓解驾驶员的疲劳。
[0033]
若驾驶员处于重度疲劳驾驶状态，则主控制模块控制音乐模块播放音乐，同时控制穴位电刺激仪以2/100hz变频电刺激驾驶者的劳宫穴、腰、肩和臀部的穴位，刺激驾驶员保持清醒，缓解驾驶员疲劳。
[0034]
若驾驶员处于极度疲劳状态，则主控制模块控制报警模块发出警报，提示驾驶员停止驾驶及时休息缓解疲劳。