CN108597183B - 一种疲劳警报装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疲劳警报装置，包含：疲劳侦测器、扬声器、发光元件以及控制元件。所述疲劳警报装置放置的位置，应使所述疲劳侦测器得以撷取人脸影像及生理讯号至少其一。所述疲劳侦测器系根据所述人脸影像或是所述生理讯号判断出至少一种失神讯号，并电性连接所述控制元件。所述控制元件又电性连接所述扬声器以及所述发光元件，并受所述失神讯号启动警醒程序包含：令所述发光元件短暂发光以及令所述扬声器第一次短暂响声，经过一段休息时间后，再令所述扬声器第二次短暂响声。所述扬声器第一次与第二次响声时间差落于50‑150毫秒之间，用以配合阿尔法脑神经震荡相位，最终使人脑产生有第二次闪光的错觉。

Description

一种疲劳警报装置

技术领域

本发明涉及一种疲劳警报装置，尤其涉及一种利用自体觉醒机制的疲劳警报装置。

背景技术

根据美国National Sleep Foundation(NSF)在2002年对四千七百万成年人的问卷显示，有超过一半的人在过去一年曾经在开车时感到昏昏欲睡，甚至有17％的人知道自己在开车过程中睡着过。无独有偶，美国National Highway Traffic SafetyAdministration(NHTSA)也统计，光在2014年就有846人因疲劳驾驶死亡，占全部死亡车祸的2.6％。而在2005-2009年间，全美平均每年约有83,000件车祸与疲劳驾驶有关，其中有886人因而死亡，有37,000人受伤。更危险的是，许多驾驶人根本不曾发现自己曾经短暂失神过，或是短暂打盹过。

对此，美国专利证号5,795,306提出利用红外线灯(IR LED)照射脸部，并用红外线相机撷取人脸影像，根据瞳孔及巩膜对IR的反射率差决定瞳孔位置与形状大小，据此判断是否有眨眼太频繁或者是眼皮直接合上的情形。也有利用日本专利特许第3350296号提取眉毛及鼻孔的图样特征，判断眼皮的相应位置侦测闭眼的动作。然而，每个人的脸部特征不尽相同，闭眼的程度也有差异，若是要提高判断准确度，就必须使用较长的运算时间，才能确定是否为疲劳驾驶的状态，使用起来并不实时也失去警示效果。当然也可以增加其他的疲劳侦测数据，以缩减疲劳判定时间，不过实际缩减的时间有限，例如：美国专利证号5,689,241统计上述人脸影像中鼻子周围的强度总值以判定呼吸量是否变小，并将上述合眼以及变小的呼吸量一起作为是否开起警报的依据。

除了撷取人脸影像外，日本专利特许第3282259号更另外加上检查眼睛平视角度与心跳频率等多重生理讯号，或是如台湾专利证号I488588直接透过复数电极量测昏睡状态下的阿尔法脑神经震荡(pre-stimulus alpha oscillations)，藉此提高警报速率以及正确性。更有甚者，利用贴合在安全带上的神经元频率侦测器来判断昏睡状态，例如：美国专利证号7,254,439系侦测交感(sympathetic)神经和副交感(parasympathetic)神经的消长。不论是使用何种判断方式，为了能实时地提出疲劳警报，判断时间最长不能超过数秒而且警报启动阀值也不宜过高。于是，必然的结果就是一直不断地发出恼人的警报声响、震动或是闪光。这样频繁出现的假警报不只恼人，也会使人失去对警报刺激的警觉心，更无法顺利解除疲劳状态。因此，除了能实时判断昏睡情形外，具备正确且适当的疲劳警报才是实用的疲劳警报装置。本发明即是根据最新的医学研究报告，提出一种正确且适当(不恼人)的疲劳警报方法。

医学界很早就发现，当人们进入昏昏欲睡的状态之前，大范围的阿尔法脑神经震荡(pre-stimulus alpha oscillations)会逐步增强。到了公元1996年时，更是从虚拟开车(一小时以上)受测者身上，收集大量的脑电波讯号，进一步确定阿尔法脑神经震荡跟虚拟开车时的反应秒数(Reaction Time,RT)呈正相关。于是，量测脑电波并进行阿尔法脑神经震荡的频谱相位分析，为实时且正确地侦测疲劳状态，提供了一种新兴的解法。

然而实际应用时，由于脑电波的电压极弱，量测脑电波仅能倚靠贴合于头皮上的电极来进行量测，例如：台湾专利证号I488588所揭露的脑电波安全帽，使用者自己安装容易有讯号不稳的情形发生。除此之外，单调的警报方式(例如：蜂鸣音、闪光或者是振动)对于即将睡着的人来说，并无实质的唤醒成效。

除了接触式电极量测脑电波外，亦有学者提出利用视觉错乱侦测阿尔法脑神经震荡的方法。其研究起因系从公元1989年R.W.Bowen发现实际上只有两次闪光，人脑却偶尔感觉看到三次闪光的视觉错乱开始。然而，其真正发生原因一直到2016年12月才由Gulbinaite等人发现，上述三次闪光的视觉错乱，取决于两次闪光的发生时间是否与阿尔法脑神经震荡处于同相位(doi:https://doi.org/10.1101/093500)而定。Gulbinaite等人的实验指出，当两次闪光的发生时间与阿尔法脑神经震荡同相时(in phase)，受测者可以感觉到三次闪光(视觉错乱)；当处在反相时(out of phase)，受测者却能明确指出仅有两次闪光。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种警醒方法，是以间歇性的闪光及响声，唤醒使用者意识到疲劳状态的发生，最后透过回忆思辨的过程自主性降低阿尔法脑神经震荡强度回复清醒状态。

本发明所要解决的技术问题还在于，提供一种利用上述警醒方法的疲劳警报装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种警醒程序，其依序为：(A)驱动第一次闪光，(B)经过一休息时间，再(C)驱动第二次闪光，最后(D)以一间隔时间区分两次警醒程序之间。根据Gulbinaite等人的实验结果，该休息时间落在87.5ms(～11.43Hz)时，最少能产生三次闪光的视觉错乱。更重要的是，在此实验中，受测者脑电图(EEG)中阿尔法脑神经震荡的强度，在经过思辩是否有三次闪光的过程后有明显下降，代表昏睡情形明显得以改善。

由阿尔法脑神经震荡驱动的视觉错乱，不仅会受视觉刺激发生也会受听觉刺激发生。公元2014年，Keil等人延续1989年Bowen的实验，将闪光跟短暂响音结合，利用一次闪光搭配两次响音，成功使受测者产生二次闪光的视觉错乱(doi:10.1093/cercor/bhs409)。因此，本发明更提供一种警醒程序，其依序为：(A1)驱动一次闪光与第一次响声，(B1)经过一休息时间，再(C1)驱动第二次响声，最后(D1)以一间隔时间区分两次警醒程序之间。根据Keil等人的实验内容，步骤A1系驱动17ms的闪光紧接着7ms的响声，步骤B1的休息时间为50ms，而步骤C1则仅驱动7ms的第二次响声，最后步骤D1的间隔时间为1000-1700ms。

相应的,本发明还提供一种疲劳警报装置,包括:

疲劳侦测器，输出至少一种失神讯号；

扬声器，可受讯号或电源调制发出响声；

发光元件，可受讯号或电源调制发出闪光；以及

控制元件，电性连接上述各部件，并受所述失神讯号启动至少一种警醒程序，

其中，所述警醒程序驱动所述发光元件与所述扬声器发出第一次闪光与第一次响声，并在介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动所述扬声器发出第二次响声；

所述警醒程序可被切换至另一警醒程序，另一警醒程序包括：驱动所述发光元件发出第一次闪光，并在介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动所述发光元件发出第二次闪光，且两次警醒程序之间有一间隔时间，其时间长度大于所述休息时间。

所述休息时间或所述间隔时间在多次警醒程序之间不同。

优选的，所述疲劳侦测器包含红外线影像撷取镜头、红外线补光灯源以及讯号分析电路。

优选的，所述疲劳侦测器包含至少一个生理讯号侦测电路，用以侦测外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种。

优选的，所述疲劳侦测器包含无线网络接收端，用以接收外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种。

优选的，所述发光元件包含一周围警醒光部，用以接受该控制元件调制发出较该闪光照明范围更大的照明。

优选的，还包含一电源与模式切换开关以及一状态显示灯，用以切换不同警醒程序。

相应的，本发明还提供另一种疲劳警报装置，包含：

疲劳侦测器，输出至少一个失神讯号；

发光元件，可受讯号或电源调制发出闪光；以及

控制元件，电性连接上述各部件，并受所述失神讯号启动至少一个警醒程序，

其中，所述疲劳侦测器包含无线网络接收端及至少一个生理讯号侦测电路，所述生理讯号侦测电路用以侦测外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种，所述无线网络接收端用以接收外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种；

该警醒程序驱动该发光元件发出第一次闪光，并在一段介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动该发光元件发出第二次闪光，且两次警醒程序之间有一间隔时间，其时间长度大于上述休息时间；

所述休息时间或所述间隔时间在多次警醒程序之间不同。

优选的，所述疲劳侦测器包含红外线影像撷取镜头、红外线补光灯源以及讯号分析电路。

优选的，所述发光元件包含一周围警醒光部，用以接受该控制元件调制发出较该闪光照明范围更大的照明。

采用本发明，具有下述有益效果：

本发明的疲劳警报装置以不恼人的警醒方式，令使用者自主式发觉进入昏睡前兆(阿尔法脑神经震荡)，进而激发回忆思辩的神经网络，改善昏睡情形。相较于误差较大且须直接贴合头皮量测脑电波的产品，更符合消费者使用上的需要。

附图说明

图1是本发明第一实施例的疲劳警报装置的立体外观图。

图2A是第一实施例疲劳警报装置的警醒程序示意图。

图2B是第一实施例疲劳警报装置的另一警醒程序示意图。

图3是本发明第二实施例的疲劳警报装置的电路示意图。

图4是本发明第三实施例的疲劳警报装置示意图。

图5是本发明第四实施例的疲劳警报装置示意图。

图6A是第四实施例疲劳警报装置的警醒程序示意图。

图6B是第四实施例疲劳警报装置的警醒程序示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

图1为本发明第一实施例的疲劳警报装置的立体外观及警醒程序示意图。所述疲劳警报装置1，包含：疲劳侦测器10、扬声器20、发光元件30、控制元件40、电源与模式切换开关60以及状态显示灯70。所述疲劳侦测器10包含：红外线影像撷取镜头101、至少一个红外线补光灯源102以及讯号分析电路103。所述讯号分析电路103根据所述红外线影像，定位瞳孔位置并计算闭眼频率与闭合时间，产生失神讯号，并电性连接所述控制元件40。所述控制元件40又电性连接所述扬声器20以及所述发光元件30，并受所述失神讯号启动警醒程序50。如图2A所示，所述警醒程序50依序为：(A)驱动所述发光元件30第一次闪光，(B)经过一休息时间，再(C)驱动所述发光元件30第二次闪光，最后(D)以一间隔时间区分两次警醒程序之间。为加强视觉错乱的强度，可以在驱动闪光的同时，驱动所述扬声器20响声。本发明的第一实施例亦可透过所述电源与模式切换开关60，切换至另一警醒程序51,如图2B所示，依序为：(A1)驱动该发光元件30一次闪光与所述扬声器20第一次响声，(B1)经过一休息时间，再(C1)驱动所述扬声器20第二次响声，最后(D1)以一间隔时间区分两次警醒程序之间。为了配合阿尔法脑神经震荡频率～10Hz，所述休息时间，应在100ms上下。为避免过度警报造成使用者困扰，所述警醒程序50最后的间隔时间应在一秒上下，同时也不宜过长以致错过实时警报时间。

本发明实施时，可以根据发售国家地区的实测数据，设定若干组最佳化的所述休息时间与所述间隔时间，并透过所述电源与模式切换开关60与所述状态显示灯70的标示，切换到适合使用者的警醒模式。使用时，闪光与响声除了提醒使用者(如：驾驶员、危险工作操作员)可能出现疲劳征状，也进一步提醒使用者若是看到三次闪光(50)或是两次闪光(51)，那就是已经确认出现昏睡前兆，相应的改善措施是绝对必要的。

图3为本发明第二实施例的疲劳警报装置的电路示意图。所述疲劳警报装置1，包含：疲劳侦测器10、扬声器20、发光元件30以及控制元件40。所述疲劳侦测器10除了侦测瞳孔变化外，还可以侦测或是接收外部元件的生理讯号，例如：由无线网络接收运动手环传来的心跳频率。透过多重的疲劳讯息，所述疲劳侦测器10或所述控制元件40得以加速及提升疲劳状态的判定。

图4为本发明第三实施例的疲劳警报装置示意图。所述疲劳警报装置安装在方向盘8后方平台上，其电源使用车上电源(点烟器)，并于电源60开启后显示70其安装位置是否恰当，例如：红外线影像撷取镜头101是否成功撷取到鼻孔到眉毛间的影像。所述控制元件40具有计数器401纪录所述警醒程序50、51的启动次数，并于一定时间内达一定次数时，驱动所述发光元件30发出周围警醒光部3，其照光范围大于上述闪光的范围，用以提醒驾驶员以外的乘坐人员。所述周围警醒光部3可以跟上述闪光共享光源，或是另外设置周围警醒光所用的光源。所述周围警醒光部3可以根据所述计数器401所累积的次数，进行渐进式闪烁照明或是渐进式增亮照明，也可以变换照明的颜色。

此外，为提高所述警醒程序的成功机率，所述警醒程序为多次执行，且每次执行时所述休息时间或所述间隔时间不同，例如：在50次的所述警醒程序中所述休息时间从70ms逐次递增到100ms再逐次递减到70ms，其递增与递减的差距可以是等距也可以在接近上述87.5ms时调小差距。若是地区使用者对三次闪光最高反应频率已确定，则可以在50次的所述警醒程序中令该休息时间在上述最高反应频率附近随机数变动。同理，所述间隔时间也可以依次变动，令使用者不至于忽视频繁出现的所述警醒程序。

图5为本发明第四实施例的疲劳警报装置示意图。所述疲劳警报装置为一智能型手机11，在App商店安装警醒程序相关程序(App)后，即可选择启动警醒程序50-53，驱动智能型手机11既有的闪光灯31与扬声器21。警醒程序52参照Gulbinaite等人的实验内容，如图6A所示，依序为：(A2)驱动所述发光元件30第一次闪光，(B2)经过一调变式休息时间，再(C2)驱动所述发光元件30第二次闪光，最后(D2)以一固定式间隔时间区分两次警醒程序之间。从Gulbinaite等人的实验结果得知，所述调变式休息时间介于75ms至92ms最容易搭配到阿尔法脑神经震荡相位。除此之外，也可以启用警醒程序53，如图6B所示，依序为：(A3)驱动该发光元件30第一次闪光，(B3)经过一固定式休息时间，再(C2)驱动该发光元件30第二次闪光，最后(D2)以一调变式间隔时间区分两次警醒程序之间。将搭配阿尔法脑神经震荡相位的变量移至所述调变式间隔时间，并可参照Gulbinaite等人的实验结果，设定所述固定式休息时间为87.5ms。

综上所述，本发明的疲劳警报装置以不恼人的警醒方式，令使用者自主式发觉进入昏睡前兆(阿尔法脑神经震荡)，进而激发回忆思辩的神经网络，改善昏睡情形。相较于误差较大且须直接贴合头皮量测脑电波的产品，更符合消费者使用上的需要。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明的权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种疲劳警报装置，其特征在于，包括：

疲劳侦测器，输出至少一种失神讯号；

扬声器，可受讯号或电源调制发出响声；

发光元件，可受讯号或电源调制发出闪光；以及

控制元件，电性连接上述各部件，并受所述失神讯号启动至少一种警醒程序，

其中，所述疲劳侦测器包含无线网络接收端及至少一个生理讯号侦测电路，所述生理讯号侦测电路用以侦测外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种，所述无线网络接收端用以接收外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种；

所述警醒程序驱动所述发光元件与所述扬声器发出第一次闪光与第一次响声，并在介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动所述扬声器发出第二次响声；

所述警醒程序可被切换至另一警醒程序，另一警醒程序包括：驱动所述发光元件发出第一次闪光，并在介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动所述发光元件发出第二次闪光，且两次警醒程序之间有一间隔时间，其时间长度大于所述休息时间；

所述休息时间或所述间隔时间在多次警醒程序之间不同。

2.如权利要求1所述的疲劳警报装置，其特征在于，所述疲劳侦测器包含红外线影像撷取镜头、红外线补光灯源以及讯号分析电路。

3.如权利要求1所述的疲劳警报装置，其特征在于，所述发光元件包含一周围警醒光部，用以接受该控制元件调制发出较该闪光照明范围更大的照明。

4.如权利要求1所述的疲劳警报装置，其特征在于，还包含一电源与模式切换开关以及一状态显示灯，用以切换不同警醒程序。

5.一种疲劳警报装置，其特征在于，包含：

疲劳侦测器，输出至少一个失神讯号；

发光元件，可受讯号或电源调制发出闪光；以及

控制元件，电性连接上述各部件，并受所述失神讯号启动至少一个警醒程序，

其中，所述疲劳侦测器包含无线网络接收端及至少一个生理讯号侦测电路，所述生理讯号侦测电路用以侦测外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种，所述无线网络接收端用以接收外部传送的生理讯号，所述生理讯号包括二氧化碳浓度、心跳频率中的至少一种；

该警醒程序驱动该发光元件发出第一次闪光，并在一段介于50毫秒至150毫秒休息时间后，驱动该发光元件发出第二次闪光，且两次警醒程序之间有一间隔时间，其时间长度大于上述休息时间；

所述休息时间或所述间隔时间在多次警醒程序之间不同。

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