CN113855046A - 一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽及其监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽及其监测方法，属于智能装备技术领域，包括安全帽主体、脑电信息传感模块、体征信息传感模块和信息处理模块；该安全帽佩戴时和普通的安全帽无异，不会给作业人员带来额外的负担，安全帽内置的脑电信息传感器和多种体征信息传感器实时、准确地获取各种生理体征和脑电信息，并通过无线通讯方式发送至后台智能终端，在这些智能终端上基于各类数据分析手段和人工智能算法对数据进行分析，得到用户当前的生理和情绪状态，并与人体正常指标进行对比，判断用户的生理和情感状态是否发生疲劳、嗜睡、紧张、焦虑、昏迷等异常，如发生异常则立即报警并采取相应措施保护生命财产安全，避免安全事故发生。

Description

一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽及其监测方法
技术领域
本发明属于智能装备技术领域，更具体地，涉及一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽及其监测方法。
背景技术
在石化作业、长途运输、特种装备操作等动态、复杂或高危的作业环境中，由于行业的特殊性易发生火灾、环境污染、交通事故等突发灾害，且灾害发生后极易造成重大人员伤亡和财产损毁。一直以来，这些行业中由于操作人员自身因素导致的事故率居高不下，然而现有的监测类装备主要面向设备或有害物质，对工作人员的生理、心理和行为等相关信息的监测严重缺失。为了提高预防灾害和灾后救援能力、保障劳动者在生产过程中的生命安全和身体健康，亟需在不影响作业人员正常工作的情况下，能实时监测器生理、情感和行为状态的可穿戴设备。而目前商用的可穿戴人体健康监测设备主要为智能手表、智能手环等，只能监测心率、体温等基本的体征信息，无法判断用户的情感状态，而且存在作业过程汇总不方便佩戴、监测数据不准确的缺点。
近些年的脑科学研究表明，人体的脑电信号和情感状态间存在着相关性，通过一些分析手段和智能算法便可以构建脑电信号和情况状态之间的联系，从而根据脑电信号判断人体的情感状态。显然头部是采集脑电信号的最佳位置，而安全帽是各类作业现场工作人员必备的防护用品，通过将脑电信息传感器和各种体征信息传感器集成到安全帽上，开发一款能监测人体生理、情感状态的智能安全帽，有助于避免因操作人员自身因素导致的安全事故的发生。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其目的在于利用内置的脑电信号传感模块和体征信息传感模块实时、准确地获取各种生理体征和脑电信息，从而帮助分析判断作业人员的生理和情感状态，达到实时监测和预防事故发生的作用。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，包括安全帽主体、脑电信号传感模块、体征信息传感模块和信息处理模块；
所述信息处理模块设置于所述安全帽主体的内腔；所述安全帽主体内侧设有环状帽衬，所述脑电信号传感模块和体征信息传感模块分别安装于所述帽衬的内表面；
所述脑电信号传感模块包括多个柔性生理电极，所述柔性生理电极分布于所述帽衬并分别用于采集人体头部额区、颞区及枕区的脑电检测信号；
所述体征信息传感模块用于采集人体体征检测信号，所述信息处理模块与所述脑电信号传感模块、所述体征信息传感模块电连接，用于接收采集到的人体体征检测信号和脑电检测信号，经分析和处理后得到人体体征信息和脑电信号。
优选地，所述脑电信号传感模块包括第一脑电信号传感模块和第二脑电信息传感模块；所述第一脑电信号传感模块设置于所述帽衬的前部和中部从而与佩戴时头部的额区和颞区相对应；所述第二脑电信息传感模块设置于所述帽衬的尾部从而与佩戴时头部的枕区相对应。
优选地，所述柔性生理电极包括传感层、黏附层和疏水层；所述黏附层包覆于所述传感层，所述疏水层设置于所述黏附层的外侧；所述传感层用于贴附于人体头部以感应脑电信号，所述黏附层用于使所述传感层紧密黏附于人体皮肤。
优选地，所述传感层为图案化的高导电可拉伸柔性材料制成；所述黏附层为水凝胶制成；所述疏水层为疏水处理后的硅胶和疏水水凝胶薄膜制成。
优选地，体征信息传感模块包括心率传感器和体温传感器，所述心率传感器和所述体温传感器均设置于所述帽衬内侧，分别用于采集人体的心率信息和体温信息。
优选地，所述信息处理模块包括柔性电路板以及设置于所述柔性电路板上的采集前端、定位芯片和主控MCU；所述采集前端用于对采集到的人体体征检测信号和脑电检测信号进行滤波和放大，所述主控MCU用于对信号进行模数转换、编码，并将处理后得到的人体体征信息、脑电信号和定位芯片的位置信息发送至外部的智能终端。
优选地，还包括供电模块，所述供电模块固定安装于所述安全帽主体的内腔，其用于为所述脑电信号传感模块、体征信息传感模块和信息处理模块供电。
优选地，所述帽衬的尾端设有松紧旋钮，通过转动所述松紧旋钮从而收缩所述帽衬围度，以使所述脑电信号传感模块和所述体征信息传感模块紧贴人体头部。
按照本发明的另一方面，提供了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的监测方法，包括以下步骤：
采集人体体征信息和脑电信号，并转换为体征数据和脑电数据；
通过人工智能算法对体征数据和脑电数据进行分析，得到人体当前的生理和情绪状态数据，并与人体正常指标数据进行对比；
当对比发现人体处于异常状态时则发出警报信号。
优选地，通过人工智能算法对体征数据和脑电数据进行分析具体包括以下步骤：
采集多组人员作业时不同生理、情感状态下的体征信息和脑电信号，利用多数据融合的人工智能算法构建数学模型建立体征信息和脑电信号与人体不同状态间的联系；将体征数据和脑电数据输入数学模型中，从而得到人体当前的生理和情绪状态数据。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，将人体体征和脑电信息采集装置与安全帽集成为一体，整个设备轻便舒适，佩戴方法与普通的安全帽无异，不添加额外的使用负担，特别契合特殊、高危行业从业人员的使用需求。
在石化作业、长途运输、特种装备操作等作业环境中的工作人员佩戴该智能安全帽，安全帽内置的人体体征信息传感模块和脑电信息传感模块，实时采集用户的各种体征信号(心率、体温等)和脑电信号，通过信号处理模块对信号进行初步处理，转换成各种体征数据和脑电数据，再利用信号处理模块上的无线通讯功能将数据传输至外部的智能终端(智能手机、监控中心的计算机)，在这些智能终端上进一步基于各类数据分析手段和人工智能算法对数据进行分析，得到用户当前的生理和情绪状态，并与人体正常指标进行对比，判断用户的生理和情感状态是否发生疲劳、嗜睡、紧张、焦虑、昏迷等异常，如发生异常则立即报警并采取相应措施保护生命财产安全，避免安全事故发生；如果发生突发状况需要采取救援措施，却无法与用户取得联系获取用户的准确位置，则可以利用信号处理模块上集成的定位装置对人员进行定位，便于快速实施救援。
附图说明
图1是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的结构示意图；
图2是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的结构示意图；
图3是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽中安全帽主体与信息处理模块和供电模块之间的结构示意图；
图4是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的系统原理图；
图5是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽中各传感器件的位置示意图；
图6是本发明监测人体体征和脑电信息的智能安全帽柔性生理电极的结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-安全帽主体；101-帽衬；1011-松紧旋钮；2-第一脑电信号传感模块；3-第二脑电信号传感模块；4-体征信息传感模块；401-心率传感器；402-体温传感器；5-信息处理模块；6-供电模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1-6所示，本发明提出了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，该安全帽佩戴时和普通的安全帽无异，不会给作业人员带来额外的负担，使用时安全帽内置的脑电信息传感器和多种体征信息传感器实时、准确地获取各种生理体征和脑电信息，通过无线通讯发送至后台智能终端分析判断作业人员的生理和情感状态，达到实时监测和预防事故发生的作用。
具体的，所述智能安全帽包括安全帽主体1、第一脑电信号传感模块2、第二脑电信号传感模块3、体征信息传感模块4、信息处理模块5和供电模块6。其中，所述安全帽主体1内装有环状帽衬101，所述第一脑电信号传感模块2、所述第二脑电信号传感模块3和所述体征信息传感模块4分布在安全帽的所述帽衬101内侧，所述信息处理模块5和所述供电模块6均固定在所述安全帽主体1的内腔，所述信息处理模块5与所述第一脑电信号传感模块2、所述第二脑电信号传感模块3、所述体征信息传感模块4电性连接，接收采集到的检测信号，分析和处理后得到人体体征信息和脑电信号，并且所述信息处理模块5具有无线通讯功能和定位功能，可以将人体位置信息、体征信息和脑电信号无线传输至外部智能终端，对人员进行定位并进一步分析判断人体的生理和情感状态，当发现状态异常时发出报警信号。
如图1和图2所示，所述帽衬101上带有松紧旋钮1011，通过转动所述松紧旋钮1011使得帽衬上的传感器能与头部紧密接触，尽量减小人体运动时带来的噪声干扰，同时保证信号的真实性和可靠性。
更进一步的说明，脑电信号传感模块由至少三个柔性生理电极组成，均匀或随机分布在所述帽衬101内表面，用于获取用户的脑电信息。需要说明的是，所述柔性生理电极的材料可以是金属、碳材料、导电复合材料或凝胶中的一种。
更进一步的说明，所述体征信息传感模块4包括心率传感器401和体温传感器402，安全帽佩戴时所述心率传感器401的位置对应人体头部的太阳穴附近，心率传感器401和体温传感器402分别采集用户的心率和体温信息。同时，作为本发明的另一个实施例，所述体征信息传感模块可以只有心率传感器或体温传感器中的一种，也可以不限于这两种体征传感器，再另外添加呼吸传感器、血压传感器、血氧传感器、皮肤电传感器、眼电传感器、加速度传感器中的一种或多种，传感器的位置也不局限于帽衬上，可以是安全帽的任一位置。
更进一步的说明，所述信息处理模块5的硬件是柔性电路板，柔性电路板重量轻、体积小、可弯折，便于安装在安全帽的内腔中，柔性电路板可以用海绵、布料、硅胶、塑料外壳进行保护。进一步地，本发明中所述信息处理模块5的电路主要由采集前端、定位芯片和主控MCU(带无线通讯功能)组成，采集前端可以对体征信号、脑电信号进行滤波和放大，主控MCU对信号进行数模转换，编码后利用其自带的无线通讯功能将处理后的体征信号、脑电信号以及定位芯片得到的位置信息发送至外部智能终端。作为本发明的另一个实施例，可以将定位芯片设计在信息处理模块之外使其成为一个独立的定位模块，也可以将定位功能剔除智能安全帽，用其他设备实现定位。作为本发明的另一个实施例，也可以选用其他不带无线通讯功能的主控MCU，而在电路板上另外设计一部分电路来实现无线通讯的功能。
更进一步的说明，上述所指的无线通讯功能是指所述信息处理模块可以基于包括蓝牙、wifi在内的无线通讯协议实现与智能终端设备连接，互相发送数据和控制指令。
具体的，所述外部智能终端包括智能手机、笔记本电脑和调度中心的计算机，可以根据位置信息对用户进行定位，同时这些智能终端设备上装有分析软件，可以基于人体体征信息和脑电信号判断其生理和情感状态，如果发现作业人员的心率、体温超出了正常范围或情绪出现疲劳、焦躁、恐惧等负面情绪时，及时向控制中心或医疗中心报警，尽快采取有效措施保障作业人员的生命安全，避免现场发生安全事故。
更进一步的说明，所述供电模块6为第一脑电信号传感模块2、第二脑电信号传感模块3、体征信息传感模块4和信息处理模块5供电。作为本发明的优选实施例，所述供电模块6为3.7V锂电池，容量为500mAh。
在本发明的实施例中，均选用了低功耗的传感器件和电子元器件来降低整个系统的功耗，同时该系统可以设置为定时或间隔一段时间开启监测功能。
本发明的一个实施例提出了一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的监测方法，该方法包括以下步骤：
S100，采集人体体征信息和脑电信号，并转换为体征数据和脑电数据；
S200，通过人工智能算法对体征数据和脑电数据进行分析，得到人体当前的生理和情绪状态数据，并与人体正常指标数据进行对比；
S300，当对比发现人体处于异常状态时则发出警报信号。
具体的，本发明利用智能安全帽内置的人体体征信息传感模块和脑电信息传感模块，实时采集用户的各种体征信号(包括心率、体温)和脑电信号，通过信号处理模块对信号进行初步处理，转换成各种体征数据和脑电数据，再利用信号处理模块上的无线通讯功能将数据传输至外部的智能终端(智能手机、笔记本电脑、监控中心的计算机)，在这些智能终端上进一步基于各类数据分析手段和人工智能算法对数据进行分析，得到用户当前的生理和情绪状态，并与人体正常指标进行对比，判断用户的生理和情感状态是否发生疲劳、嗜睡、紧张、焦虑、昏迷等异常，如发生异常则立即报警并采取相应措施保护生命财产安全，避免安全事故发生；如果发生突发状况需要采取救援措施，却无法与用户取得联系获取用户的准确位置，则可以利用信号处理模块上集成的定位装置对人员进行定位，有助于快速实施救援。
更进一步的说明，所述步骤S200中具体方法为通过事先采集大量作业人员在不同生理、情感状态下的体征信息和脑电信号，利用多数据融合的人工智能算法构建数学模型建立体征信息和脑电信号与人体不同状态间的联系，最终对该数学模型输入用户的体征信息和脑电信号，就能由模型估计出用户当前的生理和情感状态。
进一步地，利用多数据融合的人工智能算法构建数学模型建立体征信息和脑电信号与人体不同状态间的联系具体包括采集的所有用户的体征信息、脑电信号及对应的生理和情感状态均存储在一个数据库中，所述数学模型也将不断进行训练，随着数据库中的信息越来越多，数学模型的估计结果也将越来越准确。同时当数据库中有100人以上的数据时，使用前无需对新用户采集数据就能利用算法的迁移学习的特点基于已有数学模型，根据用户的体征信息、脑电信号估计其生理和情感状态。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，包括安全帽主体(1)、脑电信号传感模块、体征信息传感模块(4)和信息处理模块(5)；
所述信息处理模块(5)设置于所述安全帽主体(1)的内腔；所述安全帽主体(1)内侧设有环状帽衬(101)，所述脑电信号传感模块和体征信息传感模块(4)分别安装于所述帽衬(101)的内表面；
所述脑电信号传感模块包括多个柔性生理电极，所述柔性生理电极分布于所述帽衬(101)并分别用于采集人体头部额区、颞区及枕区的脑电检测信号；
所述体征信息传感模块(4)用于采集人体体征检测信号，所述信息处理模块(5)与所述脑电信号传感模块、所述体征信息传感模块(4)电连接，用于接收采集到的人体体征检测信号和脑电检测信号，经分析和处理后得到人体体征信息和脑电信号。
2.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，所述脑电信号传感模块包括第一脑电信号传感模块(2)和第二脑电信息传感模块(3)；所述第一脑电信号传感模块(2)设置于所述帽衬(101)的前部和中部从而与佩戴时头部的额区和颞区相对应；所述第二脑电信息传感模块(3)设置于所述帽衬(101)的尾部从而与佩戴时头部的枕区相对应。
3.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，所述柔性生理电极包括传感层、黏附层和疏水层；所述黏附层包覆于所述传感层，所述疏水层设置于所述黏附层的外侧；所述传感层用于贴附于人体头部以感应脑电信号，所述黏附层用于使所述传感层紧密黏附于人体皮肤。
4.根据权利要求3所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，所述传感层为图案化的高导电可拉伸柔性材料制成；所述黏附层为水凝胶制成；所述疏水层为疏水处理后的硅胶和疏水水凝胶薄膜制成。
5.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，体征信息传感模块(4)包括心率传感器(401)和体温传感器(402)，所述心率传感器(401)和所述体温传感器(402)均设置于所述帽衬(101)内侧，分别用于采集人体的心率信息和体温信息。
6.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，所述信息处理模块(5)包括柔性电路板以及设置于所述柔性电路板上的采集前端、定位芯片和主控MCU；所述采集前端用于对采集到的人体体征检测信号和脑电检测信号进行滤波和放大，所述主控MCU用于对信号进行模数转换、编码，并将处理后得到的人体体征信息、脑电信号和定位芯片的位置信息发送至外部的智能终端。
7.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，还包括供电模块(6)，所述供电模块(6)固定安装于所述安全帽主体(1)的内腔，其用于为所述脑电信号传感模块、体征信息传感模块(4)和信息处理模块(5)供电。
8.根据权利要求1所述的一种监测人体体征和脑电信息的智能安全帽，其特征在于，所述帽衬(101)的尾端设有松紧旋钮(1011)，通过转动所述松紧旋钮(1011)从而收缩所述帽衬(101)围度，以使所述脑电信号传感模块和所述体征信息传感模块紧贴人体头部。
9.一种使用如权利要求1-8任一项所述的监测人体体征和脑电信息的智能安全帽的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
采集人体体征信息和脑电信号，并转换为体征数据和脑电数据；
通过人工智能算法对体征数据和脑电数据进行分析，得到人体当前的生理和情绪状态数据，并与人体正常指标数据进行对比；
当对比发现人体处于异常状态时则发出警报信号。
10.根据权利要求9所述的一种监测方法，其特征在于，通过人工智能算法对体征数据和脑电数据进行分析具体包括以下步骤：
采集多组人员作业时不同生理、情感状态下的体征信息和脑电信号，利用多数据融合的人工智能算法构建数学模型建立体征信息和脑电信号与人体不同状态间的联系；将体征数据和脑电数据输入数学模型中，从而得到人体当前的生理和情绪状态数据。
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