TWM561291U - 疲勞警報裝置 - Google Patents

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陳永州
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陳冠華
范翔富
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Abstract

一種疲勞警報裝置包含：一疲勞偵測器、一揚聲器、一發光元件以及一控制元件。該疲勞警報裝置所放置之處，應使該疲勞偵測器得以擷取人臉影像及生理訊號至少其一。該疲勞偵測器係根據該人臉影像或是該生理訊號判斷出至少一失神訊號，並電性連接該控制元件。該控制元件又電性連接該揚聲器以及該發光元件，並受該失神訊號啟動一警醒程序包含：令該發光元件短暫發光以及令該揚聲器第一次短暫響聲，經過一休息時間後，再令該揚聲器第二次短暫響聲。其特徵在於，該揚聲器第一次與第二次響聲時間差落於50-150毫秒之間，用以配合阿爾法腦神經震盪相位(the phase of pre-stimulus alpha oscillations)，最終使人腦產生有第二次閃光的錯覺。

Description

疲勞警報裝置
本新型係有關一種疲勞警報裝置，特別係關於一種利用自體覺醒機制之疲勞警報裝置。
根據美國National Sleep Foundation(NSF)在2002年對4千七百萬成年人的問卷顯示，有超過一半的人在過去一年曾經在開車時感到昏昏欲睡(drowsy)，甚至有17%的人知道自己在開車過程中睡著過。無獨有偶，美國National Highway Traffic Safety Administration(NHTSA)也統計，光在2014年就有846人因疲勞駕駛死亡，佔全部死亡車禍的2.6%。而在2005-2009年間，全美平均每年約有83,000件車禍與疲勞駕駛有關，其中有886人因而死亡，有37,000人受傷。更危險的是，許多駕駛人根本不曾發現自己曾經短暫失神過，或是短暫打盹過。
對此，美國專利證號5,795,306提出利用紅外線燈(IR LED)照射臉部，並用紅外線相機擷取人臉影像，根據瞳孔及鞏膜對IR的反射率差決定瞳孔位置與形狀大小，據此判斷是否有眨眼太頻繁或者是眼皮直接闔上的情形。也有利用日本專利特許第3350296号提取眉毛及鼻孔的圖樣特徵，判斷眼皮的相應位置偵 測閉眼的動作。然而，每個人的臉部特徵不盡相同，閉眼的程度也有差異，若是要提高判斷準確度，就必須使用較長的運算時間，才能確定是否為疲勞駕駛的狀態，使用起來並不即時也失去警示效果。當然也可以增加其他的疲勞偵測數據，以縮減疲勞判定時間，不過實際縮減的時間有限，例如：美國專利證號5,689,241統計上述人臉影像中鼻子周圍的強度總值以判定呼吸量是否變小，並將上述闔眼以及變小的呼吸量一起做為是否開起警報的依據。
除了擷取人臉影像外，日本專利特許第3282259号更另外加上檢查眼睛平視角度與心跳頻率等多重生理訊號，或是如台灣專利證號I488588直接透過複數電極量測昏睡狀態下的阿爾法腦神經震盪(pre-stimulus alpha oscillations)，藉此提高警報速率以及正確性。更有甚者，利用貼合在安全帶上的神經元頻率偵測器來判斷昏睡狀態，例如：美國專利證號7,254,439係偵測交感(sympathetic)神經和副交感(parasympathetic)神經的消長。不論是使用何種判斷方式，為了能即時地提出疲勞警報，判斷時間最長不能超過數秒而且警報啟動閥值也不宜過高。於是，必然的結果就是一直不斷地發出惱人的警報聲響、震動或是閃光。這樣頻繁出現的假警報不只惱人，也會使人失去對警報刺激的警覺心，更無法順利解除疲勞狀態。因此，除了能即時判斷昏睡情形外，具備正確且適當的疲勞警報才是實用的疲勞警報裝置。本創作即是根據最新的醫學研究報告，提出一種正確且適當(不惱人)的疲勞 警報程序。
醫學界很早就發現，當人們進入昏昏欲睡的狀態之前，大範圍的阿爾法腦神經震盪(pre-stimulus alpha oscillations)會逐步增強。到了西元1996年時，更是從虛擬開車(一小時以上)受測者身上，收集大量的腦電波訊號，進一步確定阿爾法腦神經震盪跟虛擬開車時的反應秒數(Reaction Time,RT)呈正相關(https：//doi.org/10.1016/0926-6410(95)00042-9)。於是，量測腦電波並進行阿爾法腦神經震盪的頻譜相位分析，為即時且正確地偵測疲勞狀態，提供了一種新興的解法。
然而實際應用時，由於腦電波的電壓極弱，量測腦電波僅能倚靠貼合於頭皮上的電極來進行量測，例如：台灣專利證號I488588所揭露的腦電波安全帽，使用者自己安裝容易有訊號不穩的情形發生。除此之外，單調的警報方式(例如：蜂鳴音、閃光或者是振動)對於即將睡著的人來說，並無實質的喚醒成效。
除了接觸式電極量測腦電波外，亦有學者提出利用視覺錯亂偵測阿爾法腦神經震盪的方法。其研究起因係從西元1989年R.W.Bowen發現實際上只有兩次閃光，人腦卻偶爾感覺看到三次閃光的視覺錯亂Visual Illusion(PMID：2781731)開始。然而，其真正發生原因一直到2016年12月才由Gulbinaite等人發現，上述三次閃光的視覺錯亂，取決於兩次閃光的發生時間是否與阿爾法腦神經震盪處於同相位(doi：https：//doi.org/10.1101/093500)而定。Gulbinaite等人的實驗指出，當兩次閃光的發生時間與阿爾法腦神經震盪同相時(in phase)，受測者可以感覺到三次閃光(視覺錯亂)；當處在反 相時(out of phase)，受測者卻能明確指出僅有兩次閃光。
本創作之主要目的係以間歇性的閃光及響聲，喚醒使用者意識到疲勞狀態的發生，最後透過回憶思辨的過程自主性降低阿爾法腦神經震盪強度回復清醒狀態。
為達上述目的，本創作提供一種警醒程序50，其依序為：(A)驅動第一次閃光，(B)經過一休息時間，再(C)驅動第二次閃光，最後(D)以一間隔時間區分兩次警醒程序之間。根據Gulbinaite等人的實驗結果，該休息時間落在87.5ms(~11.43Hz)時，最能產生三次閃光的視覺錯亂。更重要的是，在此實驗中，受測者腦電圖(EEG)中阿爾法腦神經震盪的強度，在經過思辯是否有三次閃光的過程後有明顯下降，代表昏睡情形明顯得以改善。
由阿爾法腦神經震盪驅動的視覺錯亂，不僅會受視覺刺激發生也會受聽覺刺激發生。西元2014年，Keil等人延續1989年Bowen的實驗，將閃光跟短暫響音結合，利用一次閃光搭配兩次響音，成功使受測者產生二次閃光的視覺錯亂(doi：10.1093/cercor/bhs409)。因此，本創作更提供一種警醒程序51，其依序為：(A1)驅動一次閃光與第一次響聲，(B1)經過一休息時間，再(C1)驅動第二次響聲，最後(D1)以一間隔時間區分兩次警醒程序之間。根據Keil等人的實驗內容，步驟A1係驅動17ms的閃光緊接著7ms的響聲，步驟B1的休息時間為50ms，而步驟C1則僅驅動7ms的第二次響聲，最後步驟D1的間隔時間為1000-1700ms。
1‧‧‧疲勞警報裝置
10‧‧‧疲勞偵測器
101‧‧‧紅外線影像擷取鏡頭
102‧‧‧紅外線補光燈源
103‧‧‧訊號分析電路
11‧‧‧智慧型手機
20‧‧‧揚聲器
21‧‧‧智慧型手機上的揚聲器
3‧‧‧周圍警醒光
30‧‧‧發光元件
31‧‧‧智慧型手機上的閃光燈
40‧‧‧控制元件
401‧‧‧計數器
50‧‧‧警醒程序
51‧‧‧警醒程序一
52‧‧‧警醒程序二
52‧‧‧警醒程序三
60‧‧‧電源及模式切換開關
70‧‧‧狀態顯示燈
8‧‧‧方向盤
A‧‧‧警醒程序步驟一
B‧‧‧警醒程序步驟二
C‧‧‧警醒程序步驟三
D‧‧‧警醒程序步驟四
A1‧‧‧警醒程序一步驟一
B1‧‧‧警醒程序一步驟二
C1‧‧‧警醒程序一步驟三
D1‧‧‧警醒程序一步驟四
A2‧‧‧警醒程序二步驟一
B2‧‧‧警醒程序二步驟二
C2‧‧‧警醒程序二步驟三
D2‧‧‧警醒程序二步驟四
A3‧‧‧警醒程序三步驟一
B3‧‧‧警醒程序三步驟二
C3‧‧‧警醒程序三步驟三
D3‧‧‧警醒程序三步驟四
第1圖係為本創作第一實施例之疲勞警報裝置的立體外觀及警醒程序示意圖。
第2圖係為本創作第二實施例之疲勞警報裝置的電路示意圖。
第3圖係為本創作第三實施例之疲勞警報裝置示意圖。
第4圖係為本創作第四實施例之疲勞警報裝置示意圖。
請參照「第1圖」，係本創作第一實施例之疲勞警報裝置的立體外觀及警醒程序示意圖。該疲勞警報裝置1，包含：一疲勞偵測器10、一揚聲器20、一發光元件30、一控制元件40、一電源與模式切換開關60以及一狀態顯示燈70。該疲勞偵測器10係包含：一紅外線影像擷取鏡頭101、至少一個紅外線補光燈源102以及一訊號分析電路103。該訊號分析電路103係根據該紅外線影像，定位瞳孔位置並計算閉眼頻率與閉合時間，產生一失神訊號，並電性連接該控制元件40。該控制元件40又電性連接該揚聲器20以及該發光元件30，並受該失神訊號啟動一警醒程序50。該警醒程序50依序為：(A)驅動該發光元件30第一次閃光，(B)經過一休息時間，再(C)驅動該發光元件30第二次閃光，最後(D)以一間隔時間區分兩次警醒程序之間。為加強視覺錯亂的強度，可以在驅動閃光的同時，驅動該揚聲器20響聲。本創作之第一實施例亦可透過該電源與模式切換開關60，切換至另一警醒程序51依序為：(A1)驅動該發光元件30一次閃光與該揚聲器20第一次響聲，(B1)經過一休息時間，再(C1)驅動該揚聲器20第二次響聲， 最後(D1)以一間隔時間區分兩次警醒程序之間。為了配合阿爾法腦神經震盪頻率~10Hz，該休息時間，應在100ms上下。為避免過度警報造成使用者困擾，該警醒程序50最後的間隔時間應在一秒上下，同時也不宜過長以致錯過即時警報時間。
本創作實施時，可以根據發售國家地區的實測數據，設定若干組最佳化的該休息時間與該間隔時間，並透過該電源與模式切換開關60與該狀態顯示燈70的標示，切換到適合使用者的警醒模式。使用時，閃光與響聲除了提醒使用者(如：駕駛員、危險工作操作員)可能出現疲勞徵狀，也進一步提醒使用者若是看到三次閃光(50)或是兩次閃光(51)，那就是已經確認出現昏睡前兆，相應的改善措施是絕對必要的。
請參照「第2圖」，係本創作第二實施例之疲勞警報裝置的電路示意圖。該疲勞警報裝置1，包含：一疲勞偵測器10、一揚聲器20、一發光元件30以及一控制元件40。該疲勞偵測器10除了偵測瞳孔變化外，還可以偵測或是接收外部元件的生理訊號，例如：藉由無線網路接收運動手環傳來的心跳頻率。透過多重的疲勞訊息，該疲勞偵測器10或該控器元件40得以加速及提升疲勞狀態的判定。
請參照「第3圖」，係本創作第三實施例之疲勞警報裝置示意圖。該疲勞警報裝置安裝在方向盤8後方平台上，其電源使用車上電源(點菸器)，並於電源60開啟後顯示70其安裝位置是否洽當，例如：紅外線影像擷取鏡頭101是否成功擷取到鼻孔到眉毛間的影像。該控制元件40具有一計數器401紀錄該警醒程序50、51的啟動次數，並於一定時間內達一定次數時，驅動該發光元件30發出周圍警醒光3， 其照光範圍大於上述閃光的範圍，用以提醒駕駛員以外之乘坐人員。該周圍警醒光3可以跟上述閃光共用光源，或是另外設置周圍警醒光所用之光源。該周圍警醒光3可以根據該計數器401所累積之次數，進行漸進式閃爍照明或是漸進式增亮照明，也可以變換照明的顏色。
此外，為提高該警醒程序的成功機率，該警醒程序係為多次執行，且每次執行時該休息時間或該間隔時間係為不同，例如：在50次的該警醒程序中該休息時間係從70ms逐次遞增到100ms再逐次遞減到70ms，其遞增與遞減的差距可以是等距也可以在接近上述87.5ms時調小差距。若是地區使用者對三次閃光最高反應頻率已確定，則可以在50次的該警醒程序中令該休息時間在上述最高反應頻率附近亂數變動。同理，該間隔時間也可以依次變動，令使用者不至於忽視頻繁出現的該警醒程序。
請參照「第4圖」，係本創作第四實施例之疲勞警報裝置示意圖。該疲勞警報裝置係為一智慧型手機11，在App商店安裝警醒程序相關程式(App)後，即可選擇啟動警醒程序50-53，驅動智慧型手機11既有的閃光燈31與揚聲器21。警醒程序52係參照Gulbinaite等人的實驗內容，依序為：(A2)驅動該發光元件30第一次閃光，(B2)經過一調變式休息時間，再(C2)驅動該發光元件30第二次閃光，最後(D2)以一固定式間隔時間區分兩次警醒程序之間。從Gulbinaite等人的實驗結果得知，該調變式休息時間介於75ms至92ms最容易搭配到阿爾法腦神經震盪相位。除此之外，也可以啟用警醒程序53依序為：(A3)驅動該發光元件30第一次閃光，(B3)經過一固定式休息時間，再(C2)驅動該發光元件30第二次閃光，最後(D2)以一調變式間隔時間區分兩次警醒程序之 間。將搭配阿爾法腦神經震盪相位的變數移至該調變式間隔時間，並可參照Gulbinaite等人的實驗結果，設定該固定式休息時間為87.5ms。
綜上所述，本創作之疲勞警報裝置係以不惱人的警醒方式，令使用者自主式發覺進入昏睡前兆(阿爾法腦神經震盪)，進而激發回憶思辯的神經網絡，改善昏睡情形(doi：https：//doi.org/10.1101/093500)。相較於誤差較大且須直接貼合頭皮量測腦電波之產品，更符合消費者使用上的需要，確已符合創作專利申請之要件，爰依法提出專利申請。
惟以上所述者，僅為本創作之較佳實施例，當不能以此限定本創作實施之範圍；故，凡依本創作申請專利範圍及創作說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本創作專利涵蓋之範圍內。

Claims (10)

  1. 一種疲勞警報裝置，包含：一疲勞偵測器，輸出至少一失神訊號；一揚聲器，可受訊號或電源調制發出響聲；一發光元件，可受訊號或電源調制發出閃光；以及一控制元件，電性連接上述各部件，並受該失神訊號啟動至少一警醒程序，其中，該警醒程序係驅動該發光元件與該揚聲器發出第一次閃光與第一次響聲，並在一介於50毫秒至150毫秒休息時間後，驅動該揚聲器發出第二次響聲，且兩次警醒程序之間有一間隔時間，其時間長度大於上述休息時間。
  2. 如請求項1所述之疲勞警報裝置，其中，該疲勞偵測器包含：一紅外線影像擷取鏡頭、一紅外線補光燈源以及一訊號分析電路。
  3. 如請求項1所述之疲勞警報裝置，其中，該疲勞偵測器包含：至少一生理訊號偵測電路，例如：二氧化碳濃度、心跳頻率等等。
  4. 如請求項1所述之疲勞警報裝置，其中，該疲勞偵測器包含：一無線網路接收端，用以接收外部傳送之生理訊號，例如：二氧化碳濃度、心跳頻率等等。
  5. 如請求項1所述之疲勞警報裝置，其中，該發光元件更包含：一周圍警醒光部，用以接受該控制元件調制發出較該閃光照明範圍更大之照明。
  6. 如請求項1所述之疲勞警報裝置，又包含：一電源與模式切換開關以及一狀態顯示燈，用以切換不同警醒程序之間。
  7. 如請求項6所述之疲勞警報裝置，其中，該警醒程序可被切換至另一警醒程序，例如：驅動該發光元件發出第一次閃光，並在一介於50毫秒至150毫秒休息時間後，驅動該發光元件發出第二次閃光，且兩次警醒程序之間有一間隔時間。
  8. 如請求項1或7所述之疲勞警報裝置，其中，該休息時間或該間隔時間在多次警醒程序之間係為不同，例如：在一定區間內依序變動或是在一定區間內亂數變動。
  9. 一種疲勞警報裝置，包含：一疲勞偵測器，輸出至少一失神訊號；一發光元件，可受訊號或電源調制發出閃光；以及一控制元件，電性連接上述各部件，並受該失神訊號啟動至少一警醒程序，其中，該警醒程序係驅動該發光元件發出第一次閃光，並在一介於50毫秒至150毫秒休息時間後，驅動該發光元件發出第二次閃光，且兩次警醒程序之間有一間隔時間，其時間長度大於上述休息時間。
  10. 如請求項9所述之疲勞警報裝置，其中，該休息時間或該間隔時間在多次警醒程序之間係為不同，例如：在一定區間內依序變動或是在一定區間內亂數變動。
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