CN1742673A - 脑电型安全监测提示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种安全监测提示装置，尤其涉及一种通过监测脑电活动状态对从事有危险操作的工作人员大脑清醒状态进行动态监测，并在发现其意识状态处于非正常清醒状态时，以声、光、电、热、风等物理刺激提醒使用者。该装置可以广泛应用于从事驾驶、高空作业、重要仪表操作等任何可能发生重大危险的工作人员。

Description

脑电型安全监测提示装置

技术领域

本发明涉及一种安全监测提示装置，尤其涉及一种通过监测脑电活动状态对从事有危险操作的工作人员大脑清醒状态进行动态监测，并在发现其意识状态处于非正常清醒状态时，以声、光、电、热、风等物理刺激提醒使用者。该装置可以广泛应用于从事驾驶、高空作业、重要仪表操作等任何可能发生重大危险的工作人员。

技术背景

采用脑电采集技术，可以检测到人在不同意识状态时的4种不同类型的脑电波。当我们处于高度清醒状态(高度兴奋和紧张状态)时，大脑在13～25赫兹的波段上工作，称为β波状态；当我们松弛而清醒(中度清醒)时，大脑在8～12赫兹波段上工作，称为α波状态；睡眠的初期阶段，大脑在4～8赫兹波段上处理白天的信息，称为θ状态；深度睡眠时，脑电波在0.5～4赫兹波段，称为δ波状态。

人平静放松并开始困倦时，脑电波活动会更加缓慢，此时出现更有节奏的θ波。θ波状态被称为过滤状态，处于清醒与睡眠之间，大部分人一旦产生大量的θ波就立即开始进入睡眠状态。熟睡后，主要的脑电波变为δ波，一种比θ波还慢的脑电波。

通过采集脑电波，对脑电信号进行分析，一旦以θ波状态或δ波状态占优势时，证明其大脑活动处于非正常清醒状态。

很多从事具有危险操作的工作人员，例如长途旅行的驾驶员，夜间从事重要设备监控的仪表工，担负重要责任的安全保卫人员等，一旦处于非正常清醒状态，可能引发自身和他人的危险状态。

目前采用的技术监测这种状态，是通过监测其动作改变，这种监测方法既不准确，而且可能会产生延后效应。采用脑电波监测的方式可以弥补其缺陷，早期、准确的判断并早期进行提示。

发明内容

本发明解决技术问题所采用的技术方案是，应用脑电监测装置对从事危险操作的人员进行监测，实时采集其脑电波信号，经放大、滤波、A/D转换成数字信号后，实时的计算分离出β波(13～30Hz)，α波(8～12Hz)，θ波(4～7Hz)，δ波(0.5～3Hz)，再分别计算出各自的功率值。一旦θ波和/或δ波占优势时，即θ波和/或δ波的功率值增高时，自动触发警报装置，通过声、光、电、热、风等物理刺激发出提示，直至使用者恢复清醒状态，并关闭警报装置。装置由脑电监测装置和报警装置构成。

本发明的技术特征是，本发明装置判断使用者脑电波中θ波和δ波占优势的方法是，采集其清醒状态时θ波和/或δ波的数量和功率值。以此为基线值，贮存于计算机贮存装置，以此基线值为参考值，而设置警报阀值。实时采集的脑电信号处理后，定时与基线值对比，一旦实时数值明显大于基线值，则自动触发警报，通常以基线值x1.2为标准来设置警报阀值。如果对使用者太灵敏，可以进行调整。

本发明的技术特征是，本发明装置中的脑电监测模块由两个以上脑电电极，脑电信号放大、调理电路，A/D转换电路构成，实时采集单道或多个通道的脑电信号。将脑电信号放大、滤波、A/D转换成数字信号传输至计算机装置进行后继处理。对脑电信号滤波的目的包括去除直流电信号和50Hz的工频干扰，可以采用其始频率为0.5Hz的高通率波器来滤除因为电极与皮肤接触而产生的支流信号，采用低通滤波器去除50Hz的工频干扰，提取脑电信号的频带为1-30Hz的脑电信号。脑电信号放大可采用高共模抑制比，高性能的集成化仪表放大器，放大后的脑电信号可以采用8位、12位、16位的A/D转换器(采用16位A/D转换器精度最高)，经A/D转换成数字信号后通过I/O口传输至计算机。

本发明的技术特征是，本发明装置中的脑电分析对比模块由计算机装置构成，常用单片电脑芯片，DSP芯片为基础构成嵌入性电脑系统，也可以采用台式电脑、笔记本电脑、手掌型电脑(PDA)或工业控制型电脑等多种形式的计算机装置，由基本的中央处理器(CPU)、程序贮存器(RAM)、数据贮存器(ROM)等部件构成，接受A/D转换后的数字信号，CPU实时地计算分离出δ波(0.5～3.9Hz)，θ波(4～7Hz)，α波(8～12Hz)，β波(13～25Hz)，再分别计算出其功率值，定时与基线值对比，一旦触发警报阀值，则自动启动物理刺激装置予以提示。

本发明的技术特征是，基线值的确定可以采用多种方式，一种可行的方式是在使用者清醒安静状态下，采集其2～3分钟的脑电波信号，分析计算其θ波和δ波的平均功率值，以此作为基线值，贮存在计算机装置内作为对照参照的标准。另一种可行的方式是以人群统计的清醒状态时θ波和δ波的平均值为基线值，直接输入计算机装置，以此作为基线值。还有一种可行性的方式是每次运行时头2～3分钟采集的脑电信号中分析计算的θ波和δ波平均功率值自动作为基线值，贮存于计算机装置内作为参照标准。

本发明的技术特征是，本装置中的警报提示装置可以多种物理刺激方式实现，一种常见的方法是语言提示，一旦警报阀值被触及时，预先录制的语言文件被打开，重复播放。另一种常见的方式是播放音乐，合成音调，或警铃、警笛。另外的方法可以是，电极部位出现微弱的电脉冲刺激，或是其他部位出现振动波刺激，或是吹风刺激，或是微波发热器和远红外发热器的热振动刺激等，任何有助于提醒使用者又不造成伤害的物理刺激方法都是被允许的。不管采用何种方法，物理刺激都会重复出现，直至使用者清醒后手动关闭刺激源，刺激才会停止。

本发明的有益效果是采用监测脑电波方式监测危险操作人员的大脑意识清醒状态，可以大大减少由于上述人员由于困倦或睡眠状态下而产生的严重后果，技术先进，效果确切。

附图说明

图1是脑电波分类及其波形

图2是装置系统方框图

图3是系统原理图

图4是声光模式

图5是软件流程图

图6是声光模式示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明

实施例：声光反馈式安全警报装置

如图2所示，本装置由脑电采集模块、脑电放大滤波转换模块、脑电分析计算模块、实时分析数据与基线值对比模块、警报阀值设置与启动模块、警报提醒模块构成。

●脑电信号非常微弱，幅度范围：20V～200V，频率范围：1～30Hz。除此之外，脑电信号还有以下特点：

1)随机性及非平稳性相当强。

2)脑电信号具有非线性。

3)采集到的脑电信号背景噪声比较复杂，有50Hz的工频干扰，电极与皮肤的接触噪声以及电极与地之间的共模信号的干扰等等。

●整个系统由阻抗测试、电平测量、差分放大、高通滤波、低通滤波、DSP以及串口接口。此系统的整个流程如下所示：

1)对电池进行电量测量以确保电量充足。

2)阻抗测试：对每组中公共极与其它极之间的电阻进行测量，以确保电极与皮肤良好的接触。

3)以上两个步骤完成后，切断对这两个模块的供电，然后对脑电信号进行差分放大。

4)差分放大的脑电信号进行高通滤波，再进行低通滤波。

5)低通滤波后的脑电信号由带有A/D转换的DSP进行处理，并通过串口与计算机通信，将脑电信号回放在电脑显示器上。

●电平测量与阻抗测试

1)电平测量

电池使用时间过长，则电量降低，从而电压也相应地降低。我们在此主要是为了确定电池是否是新电池，以便于能够进行长时间的数据采集。所以在进行脑电信号采集之前首先对电池电压进行测量，测量值由DSP处理，并经过串口显示在电脑显示器上。

2)阻抗测试

为了确保采集的信号为脑电信号，所以需要确保电极与大脑头皮紧密接触。电极与头皮接触的好坏，直接影响着接触电阻的大小。电极一皮肤电阻越小，引入的交流干扰就越小，得到的脑电波形就越好。在此我们将接触电阻的测量转化为电压的测量，用交流恒流源通过接触电阻，测其电压，经由DSP处理，求其电阻，然后通过串口显示在电脑屏幕上。

●差分生物电放大器的设计

差分生物电放大器的设计是整个设计的关键，关系到整个系统设计的成败。

生物电放大器的特性

1)高输入阻抗

脑电信号本身是高阻抗的微弱信号源，所以生物电放大器的输入阻抗必须比较高，从而减小信号源阻抗对生物电放大器的影响。

2)高共模抑制比(CMRR)

共模抑制比是差模放大倍数与共模放大倍数的比。共模抑制比越高，对共模信号的抑制能力越强。为了抑制人体所携带的工频干扰以及所测量的参数外的其他生理作用的干扰，须选用差分放大形式。

3)低噪声、低漂移

高阻抗源本身就带来相当高的热噪声，输入信号的质量很差。所以，为了获得一定信噪比的输入信号，对放大器的低噪声性能有严格的要求。理想的生物电放大器，能够抑制外界干扰使其减弱到和放大器的固有噪声为同一数量级，这样，放大器内部噪声实际上使放大器能够放大的信号具有一个下限，也就是说放大器的噪声电平成为放大器设计的限制性条件。

除了以上几个特点外，生物电放大器还要有足够大的放大倍数及低功耗。

●生物电放大器的选择

近年来，微电子技术得到迅猛的发展，出现了许多高性能的集成化仪表放大器，如美国TI公司、MAXIM公司、ADI公司和Linear公司等生产了很多不同档次的集成化仪器放大器，为设计生物电放大器提供了充分的选择。然而，由于生物电信号检测的特殊性，必须选择性能特别高的放大器。根据以上的分析，我们选择美国AD公司的AD627BR。

它具有以下特点：

1)AD627BR的增益可以通过外接电阻在5-1000之间任意调节，计算公式：GAIN＝5+(200K/RG)。

2)高输入阻抗：20G。

3)高共模抑制比：增益为100时，其共模抑制比为125db。

4)最大输入失调电压为125V，最大输入失调电压偏移为1V/℃。

5)低噪声：38nV/\sqrt{Hz}RTI Noise@1KHz(G＝+100)。

6)非线性误差为20ppm，增益为100时，增益误差为0.10％。

7)低功耗，消耗的最大电流只有85A。

●滤波器的设计

电路中滤波器的主要目的是去除直流信号和50Hz的工频干扰。

1)高通滤波器的设计

电极与皮肤相接触会产生约300mV的直流信号，而且生物电放大器本身的失调电压与电流都是直流信号，还有其它一些因素所产生的直流信号，都会对脑电信号造成干扰，所以在A/D变换之前

需要通过高通滤波器来滤除这些直流信号。此高通滤波器采用无源滤波器，起始频率为0.5Hz。

高通滤波器传递函数为：

H_{1}(s)＝\frac{sR_{R}C_{1}}{1+sR_{1}C_{1}}，起始频率为f_{0}＝\frac{1}{2R_{1}C_{1}}

则f_{0}＝0.5Hz，C_{1}＝1 F，R_{1)＝330K

●低通滤波器的设计

低通滤波器主要用来去除50Hz的工频干扰，并且对其进行放大。此滤波器采用有源滤波器，此处用的放大器为AD公司的AD8628，AD8628特性如下所示：

1)低失调电压：1V。

2)输入失调电压漂移：0.02V/℃。

3)较低的输入偏置电流：100pA。

4)轨对轨输入、输出电压调节。

5)高共模抑制比：120db。

6)低功耗，供给电流只有1.0mA。

低通滤波器传递函数：

H_{2}(s)＝1+\frac{R}{R^{’}}\frac{1}{1+sRC}，其截止频率为f＝\frac{1}{2RC)＝40Hz。

则R＝100K，C＝0.039F，在此选择放大200倍，所以R^{’}＝500。

●硬件描述：

a)头皮电极用镀银电极，使用前用盐水浸泡。电极放置方法：按国际10-20系统标准，两个参考电极分别放置在左、右耳垂处，两信号电极分别放置在01、02位置，DRL电极可以接在人体任何位置。

b)脑电放大器：采用现代高阻仪表放大器做输入的，总增益约20KV/V，另加屏蔽驱动电路和右脚驱动电路抑制50Hz干扰，通频带1-30Hz。

c)A/D之前的抗混叠滤波器采用8阶椭圆低通开关电容滤波器，截止频率由时钟频率控制，DSP中的内置两通道、八路12位分辨率ADC，可配置成两通道两路同时采样，最高采样率达1.66Msps，ADC内部最大时钟频率5MHz，8.5个时钟频率即可完成单次转换，具备与DSP内部TIMER模块、PWM模块及外部信号同步触发功能，本系统就是利用TIMER模块的TC2、TC3定时中断并触发ADC，对1-30Hz的脑电信号进行采样，采样频率为250HzTIMER提供精确50％占空比3.5K时钟，R＝1.5。两路EEG信号从AN0、AN4输入。

d)Motorola DSP56805内部有16个定时/计数器，可对内/外部事件计数，及对外部输入信号进行计时等基本功能，其中包括定频/变频脉冲输出，由于脑电信号经EEG放大器放大后，须进行带限处理，利用TIMER模块的TC0、TC1提供8阶椭圆低通开关电容滤波器3.5KHz的工作时钟，截止频率由时钟频率控制。Timer D模块分别输出变频方波，调节声、光节率。

e)128*64像素的LCD显示器负责显示功能菜单和EEG频谱对称性图，LCD通过DSP外部存储器跟DSP连接，另加4条GPIO控制脚。

f)键盘只有两个按键，按左键滚动菜单项，右键选择项，分别接IRQA和IRQB外部中断。

g)805片内串行通讯接口(SPl)可方便地将各种DSP产生的音效算法输出到外部DAC。

h)利用片内串行通讯接口(SCl)通过红外数据接口设备(IRDA)与家用PC通信，安全方便。

●软件描述

a)由于要求从原始脑电信号中提取出7个频段的信号功率，无相位要求，故采用以下指标的7个IIR数字带通滤波器。

0.8-2.9Hz，通带波纹1.0dB，阻带衰减46dB。

3.2-5.0Hz，通带波纹1.0dB，阻带衰减48dB。

5.3-7.8Hz，通带波纹1.0dB，阻带衰减48dB。

8.2-10.8Hz，通带波纹1.0dB，阻带衰减48dB。

11.3-14.8H，通带波纹0.5dB，阳带衰减48dB。

15.3-18.0Hz，通带波纹0.5dB，阻带衰减50dB。

24.5-34.0Hz，通带波纹0.1dB，阻带衰减44dB(53dB@50Hz)。

b)每通道128点FFT计算，并在LCD上显示左右脑半球的EEG频谱对比图(即脑频谱镜)，重叠比4∶1，即每0.25秒计算更新一次。

c)在脑波反馈模式中(EEG)，电子仪器通过头皮电极实时地拾取出脑波信号，并通过特殊的音效反馈给入静者，使其通过自身的心理调整。更加接近目标状态。每通道独立进行α、β、θ、δ四频段数字带通滤波，滤波输出后进行相应的频段幅度比计算，再根据相应的比值控制可变频方波发生器输出，驱动音频发生器，实施音乐警报提醒。

d)在声光模式时，通过用户设定，仪器根据特定的生理节律，以音效、闪光的形式产生诱导刺激。通过一个8段序列发生器，产生一个纯正弦波和背景粉红噪音，调制声、光输出。声音基调、振动频率、左右耳声音强度、粉红背景音强度、声音段长度和时间段长度等都可由用户自定义调节。每个预设值均有一个独立的用户可编程音调，而且增加了9个预置节拍频率值。本功能正是采用正弦调制信号以声光形式对主体警报提醒。

Claims (6)

1.本发明涉及一种通过监测使用者脑电波信号而监测使用者意识清醒状态的监测警报装置，该装置应用脑电监测装置对从事危险操作的人员进行监测，实时采集其脑电波信号，经放大、滤波、A/D转换成数字信号后，实时的计算分离出β波(13～30Hz)，α波(8～12Hz)，θ波(4～7Hz)，δ波(0.5～3Hz)，再分别计算出各自的功率值，一旦θ波和/或δ波占优势时，即θ波和/或δ波的功率值增高时，自动触发警报装置，通过声、光、电、热、风等物理刺激发出提示，直至使用者恢复清醒状态，并关闭警报装置，装置由脑电监测装置和报警装置构成。

2.按照权利要求1中所述的装置，本发明的技术特征是，本发明装置判断使用者脑电波中θ波和δ波占优势的方法是，采集其清醒状态时θ波和/或δ波的数量和功率值，以此为基线值，贮存于计算机贮存装置，以此基线值为参考值，而设置警报阀值，实时采集的脑电信号处理后，定时与基线值对比，一旦实时数值明显大于基线值，则自动触发警报，通常以基线值x1.2为标准来设置警报阀值，如果对使用者太灵敏，可以进行调整。

3.按照权利要求1中所述的装置，本发明的技术特征是，本发明装置中的脑电监测模块由两个以上脑电电极，脑电信号放大、调理电路，A/D转换电路构成，实时采集单道或多个通道的脑电信号，将脑电信号放大、滤波、A/D转换成数字信号传输至计算机装置进行后继处理，对脑电信号滤波的目的包括去除直流电信号和50Hz的工频干扰，可以采用其始频率为0.5Hz的高通率波器来滤除因为电极与皮肤接触而产生的支流信号，采用低通滤波器去除50Hz的工频干扰，提取脑电信号的频带为1-30Hz的脑电信号，脑电信号放大可采用高共模抑制比，高性能的集成化仪表放大器，放大后的脑电信号可以采用8位、12位、16位的A/D转换器(采用16位A/D转换器精度最高)，经A/D转换成数字信号后通过I/O口传输至计算机。

4.按照权利要求1中所述的装置，本发明的技术特征是，本发明装置中的脑电分析对比模块由计算机装置构成，常用单片电脑芯片，DSP芯片为基础构成嵌入性电脑系统，由基本的中央处理器(CPU)、程序贮存器(RAM)、数据贮存器(ROM)等部件构成，接受A/D转换后的数字信号，CPU实时地计算分离出δ波(0.5～3.9Hz)，θ波(4～7Hz)，α波(8～12Hz)，β波(13～25Hz)，再分别计算出其功率值，定时与基线值对比，一旦触发警报阀值，则自动启动物理刺激装置予以提示。

5.按照权利要求1中所述的装置，本发明的技术特征是，基线值的确定可以采用多种方式，一种可行的方式是在使用者清醒安静状态下，采集其2～3分钟的脑电波信号，分析计算其θ波和δ波的平均功率值，以此作为基线值，贮存在计算机装置内作为对照参照的标准，另一种可行的方式是以人群统计的清醒状态时θ波和δ波的平均值为基线值，直接输入计算机装置，以此作为基线值，还有一种可行性的方式是每次运行时头2～3分钟采集的脑电信号中分析计算的θ波和δ波平均功率值自动作为基线值，贮存于计算机装置内作为参照标准。

6.按照权利要求1中所述的装置，本发明的技术特征是，本装置中的警报提示装置可以多种物理刺激方式实现，一种常见的方法是语言提示，一旦警报阀值被触及时，预先录制的语言文件被打开，重复播放，另一种常见的方式是播放音乐，合成音调，或警铃、警笛，另外的方法可以是，电极部位出现微弱的电脉冲刺激，或是其他部位出现振动波刺激，或是吹风刺激，或是微波发热器和远红外发热器的热振动刺激等，任何有助于提醒使用者又不造成伤害的物理刺激方法都是被允许的，不管采用何种方法，物理刺激都会重复出现，直至使用者清醒后手动关闭刺激源，刺激才会停止。

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