韓磊

（解放軍總醫(yī)院第六醫(yī)學(xué)中心特勤科，北京 100038）

近年來(lái)，交通事故頻繁發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人們的生命安全，其中，疲勞駕駛是重要事故發(fā)生原因之一。如何檢測(cè)司機(jī)疲勞駕駛對(duì)交通事故預(yù)防有重要意義。目前，司機(jī)疲勞檢測(cè)研究主要有車輛行跡駕駛行為檢測(cè)、駕駛?cè)藛T心電圖檢測(cè)以及駕駛?cè)藛T面部圖像檢測(cè)，其中，駕駛?cè)藛T面部圖像檢測(cè)實(shí)時(shí)效果好、準(zhǔn)確率高，是司機(jī)疲勞檢測(cè)發(fā)展方向。耿磊指出，眼鏡、嘴巴檢測(cè)是疲勞駕駛檢測(cè)的重要指標(biāo)，但由于眼鏡、光線的影響使得面部識(shí)別效果受到影響，提出了一種基于AdaBoost先關(guān)濾波器人臉識(shí)別算法，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行識(shí)別。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的算法能解決面部識(shí)別中因眼鏡、光線影響造成識(shí)別率不高問(wèn)題。閆河提出了一種基于主動(dòng)形狀模型的駕駛員疲勞識(shí)別算法，使用Helen訓(xùn)練面部數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)算法人員疲勞識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到92.5%。通過(guò)獲取人臉圖像進(jìn)行人員疲勞識(shí)別，能夠提高司機(jī)疲勞檢測(cè)率，但是，如何提醒及輔助司機(jī)疲勞駕駛是圖像識(shí)別很難解決問(wèn)題。本文采用仿生技術(shù)以及控制技術(shù)開(kāi)發(fā)一種新的司機(jī)疲勞檢測(cè)及恢復(fù)設(shè)備，用于幫助司機(jī)駕駛，有重要意義。

1 疲勞檢測(cè)原理分析

自主神經(jīng)是人體的一個(gè)控制系統(tǒng)，可以根據(jù)功能和藥理特點(diǎn)分為交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)，當(dāng)副交感神經(jīng)活動(dòng)起主要作用時(shí)，機(jī)體處于疲勞狀態(tài)，表現(xiàn)為心率、血氧、呼吸率等均下降。睡眠開(kāi)始于大腦，隨著大腦活動(dòng)進(jìn)入“靜息”狀態(tài)，中樞神經(jīng)功能發(fā)生變化。與之相協(xié)調(diào)，各周圍神經(jīng)系統(tǒng)、自主神經(jīng)系統(tǒng)也發(fā)生了相應(yīng)的變化。

自主神經(jīng)系統(tǒng)包括交感神經(jīng)系統(tǒng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)，作用互相拮抗又以此方式合理地互相補(bǔ)充經(jīng)興奮性增強(qiáng)，整個(gè)機(jī)體產(chǎn)生許多反應(yīng)，交感性增強(qiáng)抵抗力反應(yīng)使機(jī)體調(diào)節(jié)到功能作用狀態(tài)，則使機(jī)體調(diào)節(jié)到靜止和休息狀態(tài)界。副交感和交感活動(dòng)之間沒(méi)有嚴(yán)格地分血管和腺體的平滑肌。交感神使器官處于抵御侵害和應(yīng)激狀態(tài)。

副交感性向營(yíng)養(yǎng)性反副交感和交感活動(dòng)之間沒(méi)有嚴(yán)格的分交感興奮：胃腸道蠕動(dòng)起進(jìn)食困難；淚腺分泌減少HRV異常相關(guān)性疾病有腸易激綜合征患者者HF下降、焦慮患者SDNN高，HF減弱。失眠人群交感神經(jīng)活性較無(wú)失眠者升高無(wú)失眠者降低等，通過(guò)預(yù)警等。胃腸道蠕動(dòng)、分泌抑制引起嚴(yán)重便秘；唾液分泌減少淚腺分泌減少，引起眼部刺激癥狀；無(wú)汗，導(dǎo)致體溫升高異常相關(guān)性疾病有腸易激綜合征患者HF減弱，LF/HF增強(qiáng)SDNN和HF在一定程度上有升高、睡眠障礙者失眠人群交感神經(jīng)活性較無(wú)失眠者升高，副交感神經(jīng)活性較通過(guò)HRV采集，可以為這些疾病提供健康指標(biāo)分析和健康唾液分泌減少，引導(dǎo)致體溫升高。

2 系統(tǒng)需求分析

為了提高信息采集的便捷性，我們采用手環(huán)方式體積小攜帶方便，難點(diǎn)主要在于低功耗高速度采集信號(hào)，為了達(dá)到高精度的HRV分析，信號(hào)精度要達(dá)到毫秒，所以，系統(tǒng)的采集和處理速度要求很高，同時(shí)，該設(shè)備又要保持長(zhǎng)時(shí)間按采集，所以，低功耗要求比較高。

研制中，發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上健康手環(huán)比比皆是，但是，監(jiān)測(cè)精度很低，只能監(jiān)測(cè)到脈搏頻率，無(wú)法滿足監(jiān)測(cè)HRV的需要，因此，我們自主研發(fā)了高精度（精度1毫秒）的心率自主神經(jīng)傳感器，同時(shí)，也可以監(jiān)測(cè)使用者的手動(dòng)情況，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)使用者的真實(shí)狀態(tài)，為人員的行為評(píng)估提供了詳細(xì)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

自主研發(fā)腕帶式自主神經(jīng)（交感/副交感）傳感器，基于嵌入式RAM高速低功耗芯片，全模塊化無(wú)線多道生理傳感監(jiān)測(cè)。腕帶式自主神經(jīng)傳感器式，紅外反射、綠色血容積檢測(cè)技術(shù)方式，多維加速度傳感器，采集分析脈搏、心率、HRV時(shí)域頻域、體動(dòng)幅度等相關(guān)指標(biāo)參數(shù)；通過(guò)無(wú)線傳輸方式與控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，穩(wěn)定、可靠、靈活、便攜。主要技術(shù)特點(diǎn)是：采用綠光血容積心率和血氧傳感器、信號(hào)放大電路、濾波電路、數(shù)字信號(hào)處理電路、三維加速度傳感器、數(shù)據(jù)通信模塊，充電電路等單元組成；主要工作過(guò)程：通過(guò)綠光傳感器反射式采集血紅細(xì)胞反射波，然后，信號(hào)經(jīng)過(guò)放大處理，同時(shí)，進(jìn)行信號(hào)濾波，去掉干擾信號(hào)送入MCU進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，進(jìn)一步做數(shù)字濾波，然后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行脈沖測(cè)量，測(cè)量出來(lái)心率的NN間期時(shí)間，單位精確到毫秒；同時(shí)，另一路三維加速度傳感器采集手部運(yùn)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行數(shù)字濾波和識(shí)別，找到手部運(yùn)動(dòng)的有用信號(hào)，進(jìn)行分級(jí)評(píng)估，通過(guò)MCU處理并與心率信號(hào)一起傳送到藍(lán)牙無(wú)線模塊，送出傳感器。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

（1）心率變異性(HRV)疲勞檢測(cè)設(shè)備。研制中，我們針對(duì)在體力或腦力或心理疲勞后，心率變異性各指標(biāo)都發(fā)生了不同程度的變化,各指標(biāo)都不同程度地發(fā)生變化，所以需要確定相對(duì)特異性較高的指標(biāo)。由于疲勞表現(xiàn)很多，單一的指標(biāo)僅能反應(yīng)局部的情況，所以，需要整合多指標(biāo)評(píng)判，即構(gòu)建綜合評(píng)估模型。由于參與疲勞檢測(cè)綜合評(píng)估的HRV各個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率不同，所以，需要進(jìn)一步根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)確定綜合評(píng)估模型中的指標(biāo)權(quán)重。評(píng)價(jià)心率變異性（HRV）的方法，有時(shí)域分析、頻域分析和非線性分析。

（2）非實(shí)時(shí)疲勞檢測(cè)設(shè)備。

①閃光融合頻率檢測(cè)疲勞。設(shè)備生產(chǎn)工藝精度要求高，為保證各臺(tái)檢測(cè)設(shè)備的一致性，要規(guī)定查驗(yàn)光源的色彩、亮度、尺寸、背景、與人眼的距離等參數(shù)，以及頻率變化的速率等諸多原因。閃光融合臨界頻率與疲勞檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)中，我們抓住以下幾個(gè)重點(diǎn)，完成了該設(shè)備研制。以發(fā)光二極管作為光源，高精度開(kāi)關(guān)操作，邏輯電路控制，測(cè)試結(jié)果輸入計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存；升頻、降頻成對(duì)測(cè)試多組，取均值作為測(cè)試結(jié)果，以提高測(cè)試的準(zhǔn)確性。

②干式電極單導(dǎo)腦電檢測(cè)疲勞設(shè)備。采用電池供電和無(wú)線傳輸信號(hào)，以隔離環(huán)境帶來(lái)的干擾。電路采用靜電保護(hù)設(shè)計(jì)，能充分抵御接觸6000V，空氣放電8000V的ESD靜電標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試；采用先進(jìn)算法，有效去除肌電、心電及眼動(dòng)等信號(hào)的帶來(lái)的干擾。

③PERCLOS檢測(cè)疲勞設(shè)備。研制中，我們克服了很多困難，包括：鏡片反光對(duì)攝像造成干擾；高速相機(jī)的選型，圖形數(shù)據(jù)的讀寫處理；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為減少視頻信息量，需用微型計(jì)算機(jī)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；輸入圖像通過(guò)此高斯模型來(lái)濾波，除去非臉部的圖像，找出臉的寬度和高度，應(yīng)用Sobel二階微分算子求出眼睛所在的區(qū)域，應(yīng)用模式匹配的方法識(shí)別眼瞼開(kāi)閉。

（3）疲勞恢復(fù)設(shè)備?？焖倨诨謴?fù)子系統(tǒng)由光身心減壓放松狀態(tài)評(píng)估模型術(shù)等4部分組成，司機(jī)疲勞恢復(fù)子系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 快速疲勞恢復(fù)子系統(tǒng)框架圖

系統(tǒng)提供“全智能—全方位—多感官”的減壓放松環(huán)境，包含多種放松方式，如音樂(lè)放松、腦波α波燈光誘導(dǎo)、氧療生理放松、色彩情緒調(diào)節(jié)、動(dòng)感韻律按摩、負(fù)離子空氣凈化、碳纖電加熱、音樂(lè)體感隨動(dòng)等?？焖倨诨謴?fù)系統(tǒng)組成功能示意圖如圖2所示。

3.2 司機(jī)實(shí)驗(yàn)

圖2 快速疲勞恢復(fù)系統(tǒng)組成功能示意圖

疲勞檢測(cè)實(shí)驗(yàn)包括兩個(gè)部分，一個(gè)是人員的疲勞快速檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，另一個(gè)是疲勞快速恢復(fù)實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)人群是司機(jī)，但是由于司機(jī)本身樣本量有限，我們納入了不同類型的司機(jī)。同時(shí)，為了補(bǔ)充滿足研究需要的樣本量，我們補(bǔ)充了外部從事腦力疲勞、身體疲勞等任務(wù)作業(yè)的人員。本次調(diào)查了360名司機(jī)作為研究對(duì)象。測(cè)試數(shù)據(jù)分析采用SPSS軟件統(tǒng)計(jì)。

測(cè)試結(jié)果為：隨著FS14疲勞分的增加，閃光融合頻率有下降的趨勢(shì)，閃光融合頻率一定程度上反映了駕駛疲勞，可以作為進(jìn)一步反映疲勞的指標(biāo)；PERCLOS作為一項(xiàng)疲勞監(jiān)測(cè)指標(biāo)的有效性，但只在某些疲勞水平上相對(duì)比較敏感，可以輔助在一定程度上評(píng)估疲勞程度；腦電疲勞分總體上與疲勞水平相關(guān)度較高，但是，可能受個(gè)體差異影響，也易受外在因素影響，所以，需要與其他指標(biāo)技術(shù)結(jié)合起來(lái)；研究比較了不同恢復(fù)方案下綜合疲勞指數(shù)的變化。其中，α腦波牽引對(duì)降低綜合疲勞指數(shù)的作用顯著。而氧氣、香薰等起輔助恢復(fù)作用的手段在統(tǒng)計(jì)證據(jù)上不充足，只能在未來(lái)應(yīng)用中作為輔助恢復(fù)手段；研究結(jié)果說(shuō)明，LF/HF與疲勞水平相關(guān)度尚可?？赡苡捎谑芷谒讲倏v的限制，無(wú)法在短駕駛時(shí)長(zhǎng)上體現(xiàn)出來(lái)。所以，后續(xù)仍然決定將它納入綜合疲勞指數(shù)中。

4 結(jié)語(yǔ)

本次我們實(shí)驗(yàn)人員主要是針對(duì)高速駕駛類模擬任務(wù)，對(duì)其駕駛疲勞狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，與司機(jī)日常任務(wù)有相似性。此外，樣本上也擴(kuò)充了常見(jiàn)的研究樣本量，具有較高代表性。這些因素使得研究的參考價(jià)值得到提升。

在上述實(shí)驗(yàn)疲勞檢測(cè)中，我們采用自研的閃光頻率融合、眼瞼閉合檢測(cè)、HRV分析計(jì)算、腦波疲勞檢測(cè)等幾種疲勞檢測(cè)設(shè)備，這些實(shí)驗(yàn)器材是依據(jù)不同的生理檢測(cè)原理和技術(shù)手段設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的，從使用效果看，都可以對(duì)人員的疲勞程度進(jìn)行超越不同客觀生理心理維度的綜合檢測(cè)和評(píng)估。疲勞恢復(fù)設(shè)備技術(shù)綜合性強(qiáng)、成熟穩(wěn)定，疲勞恢復(fù)的效果好。