CN204072117U - 一种人体疲劳状态识别系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：包括与人体相连的血氧探头、心电电极，血氧探头、心电电极的输出端分别与脉搏检测模块、心电检测模块相连，脉搏检测模块、心电检测模块的输出端与A/D采集卡相连，A/D采集卡输出端与计算机相连，计算机分别与诊断分析模块和数据存储模块相连；心电检测模块包括与所述心电电极相连的限幅屏蔽及右腿驱动电路，右腿驱动电路与前置放大电路、高通滤波电路依次相连，高通滤波电路与低通滤波电路相连，低通滤波电路与光电耦合模块、后极放大电路和陷波电路依次相连。本实用新型设计合理、性能良好、精度较高、可靠性好、智能化程度高，可作为间接测试人体疲劳程度的手段。

Description

一种人体疲劳状态识别系统

技术领域

本实用新型涉及人体识别技术领域，尤其是涉及一种人体疲劳状态识别系统。

背景技术

视频显示终端(Visual Display Terminal VDT)作业是利用个人电脑、计算机系统的视觉显示终端进行数据、文字、图像等信息处理工作的总称，是伴随着计算机在科学研究、产品开发、管理和办公事务中应用而出现的一种全新的劳动形式。计算机在社会各个领域的广泛应用使VDT成为企事业单位的人员完成工作所不可缺少的工具。近年来，随着社会信息化水平的不断提高，人们在工作中越来越多地使用计算机，VDT作业对作业者的影响已经引起人们重视,如何在提高工作效率的同时，提高劳动者的工作生活质量是现代作业管理面临的一项挑战。

VDT作业是与传统桌面作业不同类型的视觉作业，也是脑力和神经紧张型作业，同时还是静态，能量消耗小的轻作业。主要对人产生两方面严重而又独特的疲劳影响：VDT作业的视觉负荷使视觉系统产生疲劳，即眼疲劳；VDT作业产生心理负荷引起心理疲劳，即精神疲劳。VDT作业诱发的生理心理疲劳不仅影响工作效率和质量，而且可能影响使用者的身心健康。

疲劳最令人困惑的是其症状比较复杂。处于疲劳状态的人，常常自感身心有许多不适症状，到医院就诊时，检查不出任何器质性病变和代谢异常，无法确诊。为此，国内外专家们已从生理学、心理学和社会学等领域对疲劳问题作了大量的研究。但在疲劳问题的研究中依然存在着以下几个尚待研究和解决的问题：①疲劳范畴与评价标准及方法的研究；②疲劳状态中医辨识与分类研究；③疲劳中医干预效果评价及其方法学研究；④疲劳基础数据库及其数据管理共性技术的研究；⑤疲劳人群监测方法与监测网络的研究。因此，研究疲劳的评价标准、方法及分类方法是亟待解决的首要问题。

考察研究现状，在疲劳状态评估方面，至今未能提出无创、简便、快速、成本低、可重复采用、客观量化且对个体的影响较小的测评方法；在疲劳的评测方面，尚未见疲劳与心电、脉搏融合信息之间关系的相关报道。目前疲劳状态的评估主要是一些生化指标和主观问卷，如果能汲取中国传统中医精髓，从脉搏波中提取出能反映人体健康状态的参量，或者配合一些心血管功能指标和神经活动指标来反映身体疲劳和心理疲劳程度，则有利于对疲劳作更全面、更客观的评价。

发明内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种人体疲劳状态识别系统,此系统能同步检测、记录受试者的心电和脉搏信号；对心电、脉搏信号进行分析，运用多种方法提取信号的特征；利用不同特征及其组合进行分类，为视觉疲劳状态的评测提供决策信息，以期有助于全民保健工作的开展。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：包括与人体相连的血氧探头、心电电极，所述血氧探头、心电电极的输出端分别与脉搏检测模块、心电检测模块相连，所述脉搏检测模块、心电检测模块的输出端与A/D采集卡相连，所述A/D采集卡输出端与计算机相连，所述计算机分别与诊断分析模块和数据存储模块相连；所述心电检测模块包括与所述心电电极相连的限幅屏蔽及右腿驱动电路，所述右腿驱动电路与前置放大电路、高通滤波电路依次相连，所述高通滤波电路与低通滤波电路相连，所述低通滤波电路与光电耦合模块、后极放大电路和陷波电路依次相连。

上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述前置放大电路输入端的对称电阻上取出人体共模电压，经由TL084运算放大器组成的反相电路施加给人体的右腿。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述高通滤波电路与低通滤波电路组成带通滤波器，带通的范围为0．05Hz～200Hz。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述陷波电路为50Hz工频陷波器。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述前置放大电路采用AD620作为前置放大器。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述心电检测模块的末端还包括同步解调放大电路和与同步解调放大电路输出端相连的线性检波电路。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述线性检波电路输出端接A/D采集卡。

    上述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述A/D采集卡采用北京双诺公司生产的USB接口数据采模块卡MP425。

与现有技术相比，本实用新型有一下优点：

本实用新型能同步检测、记录受试者的心电和脉搏信号；对心电、脉搏信号进行分析，运用多种方法提取信号的特征；利用不同特征及其组合进行分类，为视觉疲劳状态的评测提供决策信息。其设计合理、性能良好、精度较高、可靠性好、智能化程度高，可作为间接测试人体疲劳程度的手段。

附图说明

图1本实用新型的人体疲劳状态识别系统总体结构框图；

图2本实用新型的系统心电检测模块结构框图；

图3本实用新型的系统心电检测模块前置放大电路原理图；

图4本实用新型的系统心电检测模块带通滤波器电路原理图；

图5本实用新型的系统心电检测模块工频陷波器电路原理图；

图6本实用新型的系统心电检测模块主放大电路和电平抬升电路电路原理图；

图7本实用新型的系统心电检测模块光电转换电路原理图；

图8本实用新型的系统心电检测模块前置放大电路放大器电路原理图；

图9本实用新型的系统心电检测模块放大器和解调电路电路原理图；

图10本实用新型的系统心电检测模块线性检波电路电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本实用新型的具体实施方式：

    如图1和图2所示，一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：包括与人体相连的血氧探头1、心电电极2，所述血氧探头1、心电电极2的输出端分别与脉搏检测模块3、心电检测模块4相连，所述脉搏检测模块3、心电检测模块4的输出端与A/D采集卡5相连，所述A/D采集卡5输出端与计算机6相连，所述计算机6分别与诊断分析模块7和数据存储模块8相连；所述心电检测模块4包括与所述心电电极2相连的限幅屏蔽及右腿驱动电路41，所述右腿驱动电路41与前置放大电路42、高通滤波电路43依次相连，所述高通滤波电路43与低通滤波电路44相连，所述低通滤波电路44与光电耦合模块45、后极放大电路46和陷波电路47依次相连。

由于检测电极具有极化电位，同时考虑到心电信号中混杂着比其幅度大得多的直流信号，太大的前置级放大器增益会影响电路的直流稳定性，为了保证前置放大器能可靠的工作在放大区，前置放大器的增益不能过大，因此设计第一级的放大倍数约为10倍，如图3所示，图中加入了右腿驱动电路以减少共模干扰的影响。从IN+和IN-之间的对称电阻上取出人体共模电压，经由TL084运算放大器组成的反相电路施加给人体的右腿，这是个负反馈，其目的是降低共模电压，并且有效地使病人接地。C的值要做适当选择以维持右腿驱动回路的稳定性。1MFZ的限流电阻是为了限制电流在微安级水平，增加安全保护性能，防止病人受到可能的伤害。为了更好地放大生物电信号，本设计还采用了导联线屏蔽驱动，即共模屏蔽驱动来消除输入端阻抗时间常数不平衡造成共模抑制比的下降。

心电信号前置放大器应选用低漂移、高输入阻抗并具有高共模抑制比的集成运放电路，具体应满足以下几点要求：1、增益为1000左右；2、频率响应为O．05～200Hz；3、输入阻抗为5．1～10MO；4、共模抑制比大于80dB；5、低噪声、低漂移。

为满足上述设计要求，选择了具有高输入阻抗、高共模抑制比以及低噪声、低漂移等优越性能的AD620作为前置放大器。由于功耗较低，因此非常适合于医疗仪器的应用系统(如ECG检测)，如图8所示。

如图4所示，为了减少由呼吸引起的基线漂移，心电信号设置了下限，但下限也不能太高，否则会降低尺波幅值，可能使ST段产生显著改变，导致心肌缺血的错判，因此需高通滤波。为了获得不失真的心电信号，电路采用低通滤波器来滤掉高频干扰。本着尽可能保证滤波器通带内信号的最大平坦度，系统选用了巴特沃斯型滤波器。因滤波后信号还需放大，为了避免使用过多的运放引入不必要的噪声，高通滤波器在完成滤波作用的可同时实现放大。

图中由前端的TL084配合电阻、电容构成茈RC高通滤波器，由后端的TL084配合周边电阻电容构成低通滤波器。带通的范围为0．05Hz～200Hz。高通滤波器放大倍数Au、截止频率fl和低通滤波器截止频率f2计算公式如下：

Au=1+Rf/R1=11;f1=1/2πRC=0.05Hz;

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从滤波电路出来的信号，已被放大了100倍，在经过一次后级放大就可以达到设计要求。本设计将滤波后的信号送入一同相比例电路实现了信号被放大1000倍的要求。

如图5所示，心电信号经前置放大、带通滤波器、后级放大后，信号己被限定在要求的频率范围内且具有低共模抑制比、低噪声、低漂移等特性，应可以输出较为干净的心电信号。但在通常的环境中，交流市电50Hz的干扰对于心电信号来说不容忽视，而50Hz正好在心电信号有效频带的范围之内，滤除此干扰又尽量不损失有效的心电信号成为设计中要解决的问题。常用的无源双丁网络带阻区宽度大，品质因数Q小，输出带负载能力低，故本设计采用了有源双Z网络，同时引入负反馈改善选频作用。

如图6所示，整个放大电路的放大倍数约1000倍。在前置放大电路中，对心电信号已经放大了约10倍，所以在主放大电路中，放大倍数G，需为100倍左右。主放大电路由U，A、R10、Rll、R12构成。经过前面一些信号处理后的心电信号依然是交变信号，因此，必须进行电平抬升。电平抬升部分由U38、R13、R14、R15、C6组成。

脉搏信号的检测原理是：脉搏血氧法测量系统的硬件部分是以双波长法为基础实现的。让一定波长的光透射手指中的动脉血管，通常入射光是恒定不变的，透射光受动脉、静脉、皮肤和肌肉组织的影响。但是动脉对光强的影响是按心脏波动节奏变化的，其他部分的光强的影响恒定不变。将透射光的交流分量与直流分量分离，可以获得脉搏波信号。由于系统采用体积较小的发光二极管作光源，因此透过测试部位的光强较弱。同时，实验表明，由心脏跳动所引起的指动脉血吸收光变化量仅占所接受的总光强的5％左右，它比外界干扰信号如常见的工频干扰还要小得多，为了更好的从噪声中提取弱信号，本实施例采用光调制技术。

光束通过动脉后可携带脉搏波信号是由于动脉血起了光调制的作用，将脉搏波调制在透射光上，被接收器收集，转变为电流信号。通常光电转换要求光电池工作在线性状态，在这种情况下，光电池输送给负载的光电流信号随光照度而线性变化。如果需要放大信号就应选用电流放大器，电路如图7。图中硅光电池与运算放大器相连，硅光电池处于零偏置状态，其等效电阻为零。所以运放的输出电压等于硅光电池短路电流I与放大器反馈电阻R的乘积U=IR。

心电检测模块的末端还包括同步解调放大电路和与同步解调放大电路输出端相连的线性检波电路。负责将两路微弱的脉搏信号从干扰信号中检测出来，将信号同步解调还原，再从中分离出交流信号、直流信号并放大滤波到一定数值，以供计算机进行数字化处理。

同步解凋放大电路的核心电路是±1放大器和解调电路，如图9。同步解调放大电路是在时序控制信号的控制下工作的，图中运放TL084实现正负100倍放大功能，时序控制信号A、C、D(C、D为分频电路的两路输出是分离红光和红外光的同步检测控制信号)作用于多路转换器4053的三个控制端，使其按时序选择4053的三路模拟开关接通或关闭，实现两路信号输出，同时使每通道的信号(红光或红外光信号)与背景噪声相抵消，消除了环境光与电子噪声的干扰，提高了信噪比。

图中控制信号A完成信号与噪声的分离任务。A=1时，X0和X1均悬空，放大器为+1倍同相放大器，放大信号。A=0时，X0接地，放大器为一1倍反相放大器，放大噪声。背景噪声被反相放大，产生一个与信号相反的噪声信号得到信号为正而噪声为负的混合信号，依靠后面的低通滤波器的积分功能实现信号减掉背景噪声。

时钟A的二分频得到分离控制信号C和D。C=1，Y1接通Y，输出一路信号。D=1，Z1接通Z，输出另一路信号。

解调电路的任务是对调制信号进行解调，还原出生理信号。检波器性能的好坏将直接影响所得生理信号的质量。我们选用了精密线性检波电路，如图10。图中检波二极管D1接在反馈支路中，检波二极管D2接在运放的输出端与电路输出端问。该电路能克服普通小信号二极管检波电路失真大，传输效率低及输入的检波信号需大于起始电压的固有缺点，即使输入信号小于0．3V，也能进行线性检波，使检波效率大大提高。

上述数据系统采集的心电、脉搏信号经过放大、滤波后，就可以对其进行信号采样(即A／D转换)，使采集到的模拟信号转换为数字信号，以便由PC机存储、分析、处理这些数字信号，得出相应的分析结论。

本设计采用北京双诺公司生产的USB接口数据采模块卡MP425。USB(UniversalSerial Bus)是通用串行总线的简称，如今它已成为计算机与外设之间进行数据交换的主流总线通信协议，并取代传统的并口、成为最主要的PC机标准接口。由于采用USB接口技术，采集卡可以在PC机和其它外设都正常工作时进行连接、配置和使用，即即插即用，这一特点为该采集卡的安装和使用提供极大的便利条件。MP425数据采集卡是一款USB2．0总线，14位8路并行采集模块，采用2片4路14位芯片，其中每片A／D转换器内置4路采样保持器以及一个14位高速A／D，因此具有8路并行采样输入功能，最高可以以80KHz／通道(12．5us周期)的速度对8个输入通道进行转换。同时MP425配置了一路8位精度的脉冲方波输出。MP425内置512KByte DFIFO，支持全速实时不间断采集。

本系统的具体实施操作如下：

    1．被试者于与实验前一天填写健康状况自评，以确定受试者近期生理状况良好，无疾病影响。

    2．早8点进入室内通风状况良好，温度、湿度适中的无人干扰实验室，完成测试人员健康状况调查表，认真填写每一项内容，确定受试者无眼部疾病。

    3．休息调整一段时间，感觉自己精神状态良好扁，配合完成第一次闪光融合频率的测试。

    4．准备工作结束后，被试者坐在舒适的椅子上，保持自然放松状态，手臂平置于工作台上与心脏平齐，无肢体活动，将心电电极置于左锁骨中线第五肋骨采集V5，指央式血氧传感器兴在左手中指上，完成心电、脉搏传感器的放置。

5．静坐休息一段时间后，完成疲劳试验前心电、脉搏波数据的采集，在计算机屏幕上观察信号，调整传感器位置获取最理想心电、脉搏信号，信号平稳后开始记录数据约15分钟。。

6．保持舒适合理的坐姿，开始VDT作业练习，做简单小测验(祖玛，此游戏只需右手点击鼠标，不必思考，可避免精神疲劳对视觉疲劳的影响)，在游戏开始前询问实验者对游戏的熟练程度，合理设置测验级别，测验中保持固定坐姿，不要乱动，不想其他事，不要受其他因素干扰，只管测验，不要在意输赢和得分，不要停止测验，试验过程中记录受试者因各种原因停止试验及继续试验时间在实验记录表中，实验过程中，保持各传感器固定不动。

7．游戏持续约2个小时，游戏过程中，要求同学们控制情绪，尽量别想其它事，不说话，避免肢体活动，保持平静心态，完成对视觉疲劳后数据的实时采集。

8．VDT作业结束后，完成问卷调查表，快速、认真填写实验过程中出现的症状(要求根据自己试验中出现的症状认真填写)，以问卷形式确定受试者

是否处于视觉疲劳状态。。

9．按要求完成第二次闪光融合频率的测试，测试过程注意力集中，不要想其它事，保持平静，当看到亮点开始闪烁或不再闪烁时，记录此时频率。

10．数据采集完毕，取下所有装置。

本实用新型不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：包括与人体相连的血氧探头（1）、心电电极（2），所述血氧探头（1）、心电电极（2）的输出端分别与脉搏检测模块（3）、心电检测模块（4）相连，所述脉搏检测模块（3）、心电检测模块（4）的输出端与A/D采集卡（5）相连，所述A/D采集卡（5）输出端与计算机（6）相连，所述计算机（6）分别与诊断分析模块（7）和数据存储模块（8）相连；所述心电检测模块（4）包括与所述心电电极（2）相连的限幅屏蔽及右腿驱动电路（41），所述右腿驱动电路（41）与前置放大电路（42）、高通滤波电路（43）依次相连，所述高通滤波电路（43）与低通滤波电路（44）相连，所述低通滤波电路（44）与光电耦合模块（45）、后极放大电路（46）和陷波电路（47）依次相连。

2.根据权利要求1所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述前置放大电路（42）输入端的对称电阻上取出人体共模电压，经由TL084运算放大器组成的反相电路施加给人体的右腿。

3.根据权利要求1所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述高通滤波电路（43）与低通滤波电路（44）组成带通滤波器，带通的范围为0．05Hz～200Hz。

4.根据权利要求1所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述陷波电路（47）为50Hz工频陷波器。

5.根据权利要求2所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述前置放大电路（42）采用AD620作为前置放大器。

6.根据权利要求1所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述心电检测模块（4）的末端还包括同步解调放大电路和与同步解调放大电路输出端相连的线性检波电路。

7.根据权利要求6所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述线性检波电路输出端接A/D采集卡（5）。

8.根据权利要求7所述的一种人体疲劳状态识别系统，其特征在于：所述A/D采集卡（5）采用北京双诺公司生产的USB接口数据采模块卡MP425。