硕士论文-汽车驾驶疲劳的近红外光谱法监测与分析.pdf

山东大学 硕士学位论文 汽车驾驶疲劳的近红外光谱法监测与分析 姓名：代世勋 申请学位级别：硕士 专业：车辆工程 指导教师：张小印;李增勇 20090510 摘要 中文摘要 驾驶员疲劳驾驶是导致交通事故频发的重要原因，近年来已经成为各大高校 和汽车企业研究的热点。关于疲劳驾驶的研究，不仅可以揭示驾驶员在行车过程 中疲劳的客观规律，更重要的是对于疲劳预警装置的开发提供可靠的信息依据。 疲劳预警装置作为一种还不成熟的汽车主动安全防御装置，必将拥有广阔的市场 前景。然而，目前还未出现一种能够经得起市场考验、可靠的疲劳预警装置问世， 主要原因是各种疲劳检测技术存在着这样或那样不可克服的缺点，因此，寻找新 的简单可靠的实时检测方式，仍然是驾驶疲劳检测的研究热点之一。 氧是维持人体正常生命活动的最重要物质之一，缺氧是导致人体疲劳的重要 原因。因此实时检测人体组织的氧合状况，对于揭示疲劳客观机理及研制评估技 术具有重要意义。人体组织氧合状况的可用近年来新发展起来的近红外光谱技术， 它可以无损、连续、实时检测人体组织血氧参量。本文提出了应用近红外光谱法 检测驾驶员疲劳态下脑氧、肌氧信息，是近红外光谱技术在疲劳驾驶领域的新探 索。本文所作重要工作如下： l 综合分析当前疲劳预警技术的发展现状及困难所在，提出采用近红外光谱 法应用于疲劳驾驶研究。研究了近红外光谱法检测组织血氧参数的基本原理，以 及用于评估驾驶员疲劳状态的可行性分析。介绍了当前近红外光谱技术的最新成 果T A S H 1 0 0 近红外光谱血氧无损监测仪的仪器构造原理，以及应用于疲劳驾驶检 测的使用方法。 2 驾驶疲劳可分为两种情况，精神疲劳和体力疲劳。精神疲劳与脑组织的氧 和状况息息相关。因此，本文设计了驾驶员在模拟驾驶器上进行疲劳驾驶的实验。 实验结果表明，人体脑组织血氧参数的变化规律可以揭示人体精神疲劳，最主要 的是脑组织血氧饱和度在驾驶员驾驶过程中表现出明显的下降规律，得出了可以 用脑组织血氧饱和度作为评价驾驶员疲劳状态的一个有效指标。 3 本节首先分析了人体肌肉疲劳的客观机理，以及用于肌肉疲劳检测的一些 常用方法。在此基础上，设计了一组同脑氧监测类似的实验。实验结果表明，人 山东人：硕十号：何论文 体肌肉组织血氧参数可以用于评估驾驶员疲劳状态。其中最主要的是，肌氧饱和 度随着驾驶时间的延长呈现显著下降趋势，可以作为评估驾驶员疲劳状态的另一 可靠指标。 4 基于以上研究结论，构思了基于近红外光谱法检测脑部组织血氧饱和度和 腰部肌肉组织血氧饱和度的疲劳报警装置。提供了主要的硬件设施，并对系统软 件结构框架进行了设计。 近红外光谱法应用于疲劳驾驶研究还处在摸索阶段，当前它的发展主要受制 于传感器需要与人体接触才能检测。伴随着非接触传感器的研制，近红外光谱法 必将在驾驶疲劳监测领域有光明的应用前景。 关键词驾驶疲劳；近红外光谱法；模拟驾驶；方差分析；疲劳报警装置 摘要 A B S T R A C T D r i v e rf a t i g u ed r i v i n gi st h ei m p o r t a n tr e a s o no ff r e q u e n ta c c i d e n t si nr e c e n t y e a r s ，i th a sb e c o m et h em a j o rr e s e a r c hh o ts p o ti nu n i v e r s i t ya n da u t oe n t e r p r i s e T h e s t u d yo nf a t i g u ed r i v i n gC a nn o to n l yr e v e a l st h ed r i v e rf a t i g u ed i s c i p l i n ei nd r i v i n g p r o c e s s ，m o r ei m p o r t a n ti s t o d e v e l o pf a t i g u ew a r n i n gd e v i c e sp r o v i d er e l i a b l e i n f o r m a t i o nD r i v e rf a t i g u ew a r n i n gd e v i c e sa san o tm a t u r ea c t i v ed e f e n s ed e v i c e sw i l l h a v ev i d em a r k e tp r o s p e c t A tp r e s e n t ，h o w e v e r , t h em a r k e th a sn o tp r e s e n t e dt h ep r o d u c t c a ns t a n dt h em a r k e tt e s t ，t h em a i nr e a s o ni sv a r i o u sf a t i g u et e s t i n gt e c h n o l o g ye x i t st h i s o rt h a td on o to v e r c o m es h o r t c o m i n g s T h e r e f o r e ，l o o k i n gf o ran e ws i m p l ea n dr e l i a b l e w a y o f r e a l - t i m ed e t e c t i o n ，a r es t i l ld r i v i n gf a t i g u et e s tr e s e a r c hh o t s p o t O x y g e ni s o n eo fa ni m p o r t a nm a t t e r sm a i n t a i nt h eb o d y sn o r m a ll i f e ，S O o x y g e n - p o o rC a nb e t h ei m p o r t a n tf a c t o rc a u s e dd r i v e rf a t i g u e S or e a l - t i m ed e t e c t i o no f h u m a nt i s s u e o x y g e n a t i o n ，t or e v e a lf a t i g u em e c h a n i s ma n dd e v e l o p e v a l u a t i o n t e c h n i q u e sh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e H u m a nt i s s u eo x y g e n a t i o nc o n d i t i o nC a nu s e h e n e wd e v e l o p m e n to fn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lt e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s ，i tc a I lb ei n t a c t , c o n t i n u o u s ，r e a l t i m ed e t e c t i o no fh u m a nb l o o do x y g e np a r a m e t e r I nt h i sp a p e r ，t h e a p p l i c a t i o no fn e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p yt e s t i n g d r i v e rm u s c l ea n db r a i nt i s s u e o x y g e n a t i o n ，i st h en e wm e t h o df o rn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lt e c h n o l o g yu s e di nt h ef i e l do f f a t i g u ed r i v i n gt e s t i n g T h ep a p e rm a i nw o r ka sf o l l o w s ： 1C o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so ft h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h ed e v e l o p m e n to ff a t i g u e w a r n i n gt e c h n o l o g ya n di t sd i f f i c u l t y ，m e n t i o n e dt h em e t h o d sa d o p t i n gt h en e a ri n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya p p l i c a t i o nr e s e a r c ho nf a t i g u ed r i v i n g T h ep a p e rs t u d y e dt h en e a ri n f r a r e d s p e c t r a lm e t h o dt od e t e c tt i s s u eo x y g e np a r a m e t e r , t h eb a s i ct h e o r ya n dt h ed r i v e r f a t i g u eu s e dt oe v a l u a t et h ef e a s i b i l i t ya n a l y s i s I n t r o d u c e st h ec u r r e n to fn e a ri n f r a r e d s p e c t r a lt e c h n o l o g yt h el a t e s ta c h i e v e m e n t so fn e a ri n f r a r e ds p e c t r a lT A S H 一1 0 0b l o o d o x y g e nn o n d e s t r u c t i v em o n i t o r i n gi n s t r u m e n ts t r u c t u r et h e o r y , a n dt h ea p p l i c a t i o ni nt h e u s eo ff a t i g u ed r i v i n gt e s tm e t h o d 2F a t i g u eC a nb ed i v i d e di n t ot w ok i n d so fd r i v i n g ，m e n t a lf a t i g u ea n ds t r e n g t h f a t i g u e M e n t a lf a t i g u ea r ec l o s e l yi n t e r r l a t e dt oo x y g e n a t i o nc o n d i t i o no fb r a i nt i s s u e T h e r e f o r e ，t h i sp a p e rd e s i g n st h ee x p e r i m e n to nt h ed r i v i n gs i m u l a t o r T e s tr e s u l t ss h o w I I I 山东人学硕十学何论文 t h a tt h eh u m a nb r a i nb l o o do x y g e np a r a m e t e rv a r i a t i o nl a wc a nr e v e a ld r i v e rm e n t a l f a t i g u e ，t h em o r ei m p o r t a n ti sb r a i nt i s s u eo x y g e n a t i o ns a t u r a t i o ns h o ws i g n i f i c a n c e d o w nl a w ，c o n c l u d e dt h eb r a i nt i s s u eo x y g e ns a t u r a t i o nc a nb ea sad r i v e rf a t i g u e e v a l u a t i o n 3T h i sp a p e rf i r s t l ya n a l y z e st h em e c h a n i s mo fh u m a nm u s c l ef a t i g u e ，a n dc o m m o n u s e dm u s c l ef a t i g u et e s t i n gm e t h o d s O nt h i sb a s i s ，d e s i g n i n ga ne x p e r i m e n ts i m i l a rw i t h b r a i no x y g e nm o n i t o r i n g E x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eh u m a nm u s c l et i s s u e o x y g e np a r a m e t e rC a nb eu s e dt oe v a l u a t ed r i v e rf a t i g u e F o r e m o s ta m o n gt h e s e ，a r et h e m u s c l eo x y g e ns a t u r a t i o nw i t hd r i v i n gt i m ep r e s e n t ss i g n i f i c a n td e c l i n e ，c a i lb eu s e da s e v a l u a t i o no fa n o t h e rd r i v e rf a t i g u er e l i a b i l i t yi n d e x 4I nv i e wo ft h ea b o v er e s e a r c hc o n c l u s i o n ，c o n c e p t e df a t i g u ea l a r md e v i c eb a s e d o nt h en e a ri n f r a r e ds p e c t r u mm e t h o dt od e t e c tb r a i nt i s s u eo x y g e ns a t u r a t i o na n d l u m b a rm u s c l et i s s u e o x y g e ns a t u r a t i o n ，p r o v i d e d m a i nm a i nh a r d w a r e f a c i l i t i e s ，d e s i g n e dt h es t r u c t u r a lf r a m e w o r ko fs o f t w a r es y s t e m N e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya p p l i c a t i o ni nf a t i g u ed r i v i n gr e s e a r c hi ss t i l li ng r o p i n g s t a g e ，c u r r e n ti t sd e v e l o p m e n td i d d i c u l t ya r es u b j e c tt oc o n t a c tb e t w e e nd r i v e ra n d s e n s o r A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fn o n c o n t a c tS e n S O r s ，n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y a p p l i c a t i o ni nd r i v i n gt i r e d n e s sm o n i t o r i n gh a sb r i g h tp r o s p e c t K e y w o r d s d r i v i n gf a t i g u e ； n e a ri n f r a r e d s p e c t r o s c o p ym e t h o d ；d r i v i n g s i l u l a t o r , A N V O A ；f a t i g u ea l a r md e v i c e I V 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或者集体已经发表或撰写过的科研成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蜘 日期：沙口I s , 2 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：肜皑绫加导师签名：灞啼 日期：汐哆，、4 叫 - V f 第1 章绪论 1 1 课题背景及立题意义 第1 章绪论 汽车驾驶疲劳是导致交通事故的重要原因之一。大量研究与调查显示，驾驶 疲劳会使司机警惕性下降，而这往往会引发交通事故。近年来，我国道路交通运 输事业发展迅速，成效非凡，汽车保有量已超过5 0 0 0 万辆，但恶性道路交通事故 也呈同步上升趋势。以2 0 0 2 年统计数据为例，在各类事故死亡人数中，交通事故 死亡人数所占比例为7 8 5 ，已成为各种事故中的“第一杀手”。其中，驾驶员疲 劳造成交通事故的占总数的2 0 左右，占特大交通事故的4 0 以上【I 】。同样，在 国外由于驾驶疲劳而引发的交通事故已由1 9 8 0 年的舷上升到1 9 9 5 年的2 5 。调 查表明，6 4 的被调查者在驾驶过程中经历过疲劳，7 的被调查者宣称由于疲劳 曾引发过交通事故【2 】。美国俄克拉荷马州收费公路局( t h eO k l a h o m aT u r n p i k e A u t h o r i t y ) 1 9 6 5 年发表了对1 9 5 3 至1 9 6 4 年2 1 2 8 名机动车驾驶员发生车辆碰撞事 故的调查结果：2 2 的驾驶员打盹驾驶；4 8 的交通事故归结于疲劳驾驶【3 】。卡耐 基梅隆大学在驾驶模拟器上进行的研究表明：机动车辆重大事故9 1 归因于驾驶 员疲劳驾驶，而夜晚疲劳驾驶的重大事故率约达1 9 9 t 3 1 。英国交通研究实验室 ( T r a n s p o r tR e s e a r c hL a b o r a t o r y ) 认为：驾驶疲劳导致的道路交通事故占全部交通 事故的1 0 。L o u g h b o r o u g h 大学的研究人员分别对9 9 6 名载重汽车和4 6 2 1 名轿 车男驾驶员进行跟踪调查，发现有2 9 的驾驶员在开车时打瞌睡，其中1 0 的驾驶 员由于困倦而导致交通事故【4 】。同时，据不完全统计，全世界每年因道路交通事故 导致死亡的人数超过6 0 万；由于驾驶员疲劳造成的交通事故至少有1 0 万起，其 中1 5 0 0 起重大事故，7 1 0 0 0 人受伤；直接经济损失达1 2 5 亿美元【5 1 。 不仅如此，驾驶疲劳还是引起驾驶员腰背部职业病的主要原因。1 9 9 7 年德国 的一个致力于防止后背损伤的组织A G R 调查发现，由于肌肉紧张和长期坐姿在内 的外部因素引起的后背疾病问题出现的数量近年来有一个显著增长【6 】。医生和他们 的病人认为是长期坐姿引起这些问题，其中轿车司机名列榜首。预防和缓解驾驶 山东人学硕十学何论文 疲劳，对于提高驾驶安全性，保持驾驶员工作效率，保护驾驶员身心健康，都具 有重大实际意义和应用价值。因此，研究驾驶疲劳产生机理及其客观评估技术， 对于预防交通事故具有重要意义。 1 2 汽车驾驶疲劳报警装置 驾驶员产生疲劳后，其心理状态也会发生各种各样的变化，如视力下降，致 使注意力、视野逐渐变窄；思维能力下降，致使反应迟钝、判断迟缓、动作僵硬、 节律失调；自我控制能力减退，致使易于激动、心情急躁或开快车等f 7 引。显然， 处于这种状态下的驾驶员是很容易发生交通事故的。因此，预防疲劳驾驶成为交 通管理部门的管理重点，并因此制定了相应的法律法规，但是由于各种客观和主观 因素的限制，驾驶员并不能完全遵守以上法规，致使交通事故有增无减。 在这种情况下，疲劳驾驶报警装置的研究就显得十分必要和迫切。疲劳报警 装置主要是根据某项或某几项检测指标实时监测车辆的行驶过程以判断车辆是否 处于有效控制状态或是监测驾驶员的生理或心理状态以判断驾驶员是否处于疲劳 状态【9 】。疲劳报警装置的研究属于智能交通领域，是智能辅助驾驶的一项关键技术， 作为主动安全预防的一项措施，应用驾驶员疲劳检测报警装置可以在一定程度上 降低交通事故的发生率，减少交通事故带来的危害，使驾驶员驾驶和公众出行更 安全，具有重要的现实意义和经济价值【1 0 】。 1 3 疲劳驾驶报警装置的研究现状 对疲劳报警装置的设计最重要的一点就是确定装置所检测的参数，也就是确 定通过测量什么指标来定量或定性地反映人体的疲劳程度。驾驶疲劳的评价指标 的确定是研究预防和减缓疲劳措施的重要基础。目前按测量参数的不同，疲劳驾 驶的检测方法可分为三类：监测车辆的运动参数( 速度、加速度、白线位置等) 【l J 】 监测驾驶员的个体特征( 如眼睑的活动、点头的动作、闭眼、握力、反应能力 等) 和生理信号( 脑电波、心率、心电波、眼电波等) 【坦，】；综合法，也就是前两 类的综合。目前所检测的各种指标都有着各自的优点，但同时也不可避免的存在 着各种缺点。 2 第l 章绪论 监测车辆的运动参数：主要是利用驾驶员在疲劳状态下操纵汽车的迟滞特性， 通过在车上安装一个与驾驶员同视野的摄像头，参照公路上的各种分道线来辨别 车辆的行驶状态及车辆离开黄线、白线的时间和偏离程度，可在一定程度上反映 司机的疲劳程度【1 3 1 。 较具代表性的是V o l v o 汽车公司推出的“驾驶员警示系统 ，它不断监测车辆 行驶中的运动过程，记录司机的驾驶行为，从而判断车辆是处于有效控制状态还 是失控状态，在司机进入睡H 民状态前及时给予警示。这种监测方法的主要缺点是 一旦路面状况不好，如下雪、大雾及路面有损伤等，它有可能发生误判。 另外像由美国研制的L i n eT r a c k i n gS y s t e m ，测量车辆离开白线的时间和程 度，要求白线清晰，但晚上或者冰封的雪天测量容易失败，对环境要求高 此外对于一些具有良好驾驶经验和驾驶技术以及较强自我控制能力或出于商 业利益目的的职业司机来说即使是在疲劳状态下车辆的运动参数可能也处于正常 状态，这时警示系统不报警，但驾驶员已处于疲劳状态，很容易发生交通意外。 监测驾驶员的个体特征：这是从医学角度出发，借助一些医用仪器测试驾驶 员的一些个体特征，从而确定其疲劳程度。 脑电图法：通过对脑电信号的分析，反映人体的疲劳程度。脑电波主要分 为D e l t a 波、T h e t a 波、A l p h a 波以及B e t a 波。研究发现，A l p h a 波是四者中最能表 征瞌睡欲望的脑电波。文献 1 4 ，1 5 在总结前人成果的基础上，经实验发现，人感 觉疲劳渴望入睡时，A l p h a 波频带相对比明显增大，波频带相对比明显减小。这些 参数均可用于驾驶员疲劳检测。这种测试方法客观性强，对精神疲劳的反映敏锐， 准确度高，但这种测试方法，测试条件苛刻，过程复杂，价格过高。 心电图指标包括心率指标和心率变异性指标，是判断驾驶疲劳的一项重要 的生理指标。对心率信号与疲劳的关系有广泛的研究。心电信号监测法特点是监 测方法简单易行，非侵入式，能够实时进行，可反应精神负荷的变化。如野口羲 博等人在模拟驾驶条件下研究了心率变异性( H R V ) 与驾驶精神负荷的相关性后， 发现H R V 是表征精神负荷和疲劳的有效指标【1 6 1 。李增勇等利用被测试者在实验室 模拟驾驶操作9 0 分钟的心电信号，对实验开始和结束时的1 5 分钟时段心电信号 的7 项时频域指标进行分析，发现心率变异性指标与疲劳程度明显相关【1 7 】。日本 丰田研究所已研制通过监测驾驶员脉搏信号的疲劳报警装置。以此指标设计的报 山东入学硕十学何论文 警系统结构简单，易于实现，成本较低，但由于个体心率变化规律的差异较大， 误判率稍高，一般作为疲劳判断的辅助手段。 头部位置测量方法：这种方法借助于安装在司机座位上面的一个相邻的电 极电容传感器( 测量头部位置) 阵列，每个传感器都能输出司机头部距离传感器 的位置，利用三角代数算法就可以计算出头在X 、Y 、Z = - 维空间中的位置，也能够 实时跟踪头部的位置，同时利用各个时间段头部位置的变化特征，可以表现出司 机处于清醒还是瞌睡状态【m 。优点是测量头部位置精确，能用来评价驾驶员不同 的精神状态，可以用于研究人是否分神，注意力是否集中。困难是要求在司机的 脸上作一些标记，车辆内的光线变化明显时，测量容易失败，由于点头的动作和 瞌睡的相关系数仍然没有找到合适的关系，因此准确率不是很高【1 8 】。 瞳孔测量计：瞳孔测量计是实时地测量眼睛的瞳孔尺寸变化的装置，根据 瞳孔的变化关系来评测疲劳度【1 9 2 0 1 。这种方法可测量瞳孔直径随时间的变化，因 此，睁闭眼的参数也容易得到，但现在还没有解决测量方法，不能方便实时测量 瞳孔直径。 美国已研制出一种磁卡方向盘监视系统，通过监视方向盘的动作和规律来检 测司机的精神状态晓1 2 勿，这是目前唯一低价位的产品。其缺点：精度很低，误报 警率高。 尽管到目前为止，国内外在驾驶员疲劳监测技术研究方面取得了一定的进展， 但在有效性和可靠性方面仍存在问题，如现有监测方法尚未对驾驶员的疲劳程度 和监测指标之间的关系进行很好的量化，预警不够及时等，距离车载、实时、客 观的本质要求还有其不可克服的弊端。寻求新的简单可靠的实时检测方式，仍是 驾驶疲劳监测的研究热点之一【2 3 】 1 4 课题主要研究思路及所做主要工作 1 4 1 课题主要研究思路 氧是维持人体正常生命活动的最重要物质之一。人体疲劳与细胞新陈代谢中氧 的供应情况密切相关，缺氧是导致人体疲劳的一个重要原因。因此，实时评估疲 4 第1 章绪论 劳状态下人体组织的氧合状况，对于揭示疲劳发生机理及研制客观评估技术，具 有重要意义。人体组织氧合状况可用近年新发展起来的近红外光谱血氧无损检测 技术( N 取S ) 进行评估。近红外光谱组织血氧含量检测，是基于人体组织在近红 外波段( 波长7 0 0 - - - 9 0 0n m ) 的光学特性，通过检测氧合血红蛋白浓度及还原血红蛋 白浓度，评估局部人体组织的氧合状况【2 4 矧。清华大学丁海曙教授课题组在国内 率先研制出近红外组织血氧参量无损监测仪，并在脑氧、肌氧检测等领域得到成 功应用【2 6 捌。本文提出应用近红外光谱法检测驾驶员疲劳态下脑氧、肌氧信息， 是近红外光谱技术在驾驶疲劳研究领域的新探索。 1 4 2 所做主要工作 本文在分析了目前驾驶疲劳报警装置研究现状的基础上，提出了用组织血氧参 数评估驾驶疲劳状态的新思路。驾驶疲劳有两种类型，精神疲劳和肌肉疲劳。精 神疲劳与脑组织缺氧有关，肌肉疲劳与肌肉组织缺氧有关【2 8 】。文中针对两种疲劳 类型对脑组织和肌肉组织在实时驾驶过程中的氧合状况进行了监测，以此来判断 驾驶员的疲劳状态。最后构建了驾驶疲劳检测系统的硬件设施及整体框架。 本文的章节内容安排如下： 第一章分析国内外驾驶疲劳的研究现状，提出自己的研究思路。 第二章主要研究了近红外光谱法检测组织血氧参数原理，以及应用于评估驾驶 员疲劳状态的可行性分析。 第三章主要研究了静态模拟驾驶条件下，人体脑氧组织血氧参数应用于驾驶疲 劳的评价。分析了驾驶精神疲劳与脑氧组织氧合状况的关系。 第四章主要研究了人体肌肉组织与疲劳的关系，并通过静态模拟驾驶实验分析 了驾驶员腰部肌肉疲劳与肌肉组织氧合状况的关系。 第五章构思了基于驾驶员组织血氧参数的疲劳驾驶检测系统 篓：茎垒些耋堡些量茎辇竺蝥 2 1 可行性分析 第2 章人体组织血氧参数检测 疲劳驾驶预警系统发展遇到了难于逾越的瓶颈，其中一个原因是疲劳指标不 够客观，监测的指标往往不能够准确的衡量驾驶员是否疲劳。冈此寻找一种适合 车载、实时、客观的疲劳指标已经成为制约疲劳驾驶预警系统的瓶颈，致使该领 域至今还没有出现被普遍推广的产品化和商品化的成果。 幽2 I 驾驶疰劳导致交通事故示意闺 驾驶员驾驶疲劳形成机理及导致交通事故的形成过程，如图2 - l 所示。此外， 人体长时间驾驶后常会感到腰酸背痛，为什么呢? 这是由于驾驶过程中人体各部 肌肉不断活动活动，人体内会积聚大量乳酸，乳酸是引起人体腰酸背痛的直接原 因。乳酸必须与血液中的氧化合，才能变成氧合= 氧化碳，血液的功能之一就是 给人体组织提供氧以转化人体运动时产生的乳酸，同时带走二氧化碳和水。由 此我们想到可咀用血液中氧含量的相关指标来对驾驶员疲劳状态进行评价。 2 2 人体组织血氧参量的概念及意义 2 2 1 血液血氧参量 人体J f | 液中主要成分为血浆和血细胞( 以红细胞为主，还有比例很小的白细 山尔人学硕十学仲论文 胞，血小板) ，证常人血液中红细胞的容积约占仝血容积的4 0 一4 5 ，这一比值 称作红细胞容积比( H e m a t o c r i t ，H C T ) 。红细胞的主要成分为氧台血红蛋白 ( O x y g e n a t e dH e m o g l o b i n ，H b 0 2 ) 和还原血红蛋白( D e x y g e n a t e dH e m o g l o b i n I I b ) 。氧气在血液中主要与l i b 结合生成H b 0 2 ，血液中H b ，H b 0 2 的浓度( 即单 位体积血液中H b ，H b 0 2 的浓度) 可反血血液的氧合状况，它们与H C T 成正比。 在此基础上还可定义血液中l i b 和h b 0 2 的总浓度t H b 及血液的血氧饱和度，都属 于血液的血氧参量。人体组织中密布着大量的微血管，包括微动脉、微静脉和毛 细血管如图22 。人体组织的血氧参数即为上述各种微血管中血液血氧参数的加 权平均l 抓。 蚓2 - 2 人体组织中血氧参数的含义 人体组织的血红蛋白浓度包括： 1 还原血红蛋白浓度C 。，H b 还原血红蛋白，单位u m o l L 2 氧合血红蛋白浓度c 帆， I b 如氧合血红蛋白单位u m o l L 3 总血红蛋白浓度c c 。fc 。+ c 嗍，单位u m o l L c 。和c 枷主要反映组织的含氧状况，而c 伸实质则是单位体积组织中血液的充 盈情况，又可称之为组织的血容积( B l o o dV o l u m e ，B Y ) 。 人体组织的氧饱和度定义为局部组织中c 占c 。m 的百分比，也叫T O I ( t i s s u e o x y g e n a t i o ni n s a t u r a t i o n ) 即公式2 - 1 ， r S 0 7 = 二! L 1 0 0 ( 2 - 1 ) 。C 竹+ C 鼬 作为人体组织的血氧参数之一，r s 晚是局部组织中微动脉血、微静脉血和毛细 血管血液各自血氧饱和度的加权平均，并且微静脉血的血氧饱和度占据主要地位。 第2 章人体组织血氧参数检测 2 2 2 近红外光谱法检测组织氧基本原理 波长7 0 0 9 0 0 n m 的近红外光对人体组织具有良好的穿透力，这一波段在生物 医学光子学中被称作“光谱窗”。人体组织中在近红外光( 7 0 0 9 0 0 n m ) 波长范围 内吸收较强的物质有血红蛋白、肌红蛋白、细胞色素等，水和细胞色素对光的吸 收与血红蛋白相比可忽略不计。因此组织对光的吸收变化主要是由血液中氧合血 红蛋白( I - I b 0 2 ) 和还原血红蛋白( H b ) 的浓度变化引起的。在近红外光谱区这两 种物质的吸收系数差异比较明显( 血红蛋白和还原血红蛋白在8 0 0 r i m 两侧具有不 同的吸收峰【2 9 1 ，如图2 3 所示。因此在该谱区利用两个波长( 7 6 0 n m 和8 5 0 r i m ) 的光检测组织的光吸收变化，就可以分别解算出血液中氧合血红蛋白的浓度变化 ( H b 0 2 ) 、还原血红蛋白的浓度变化( H b ) 以及组织内血容积的变化C 懦， 从而算出脑组织的氧饱和度( r S 0 2 ) 3 0 】。 鑫2 5 峻0 ，2 0 黔埔 数蕾1 D 。口5 $ 0 0 r 0 0 e a O 9 0 0 1 0 0 0 1 l a O 波长( 瑚 图2 - 3 氧合血红蛋白、还原血红蛋白及水的近红外吸收谱口9 】 2 3 组织血氧参量检测仪器 2 3 1 仪器介绍 T S A H 一1 0 0 型近红外组织血氧参数无损监测仪是清华大学医学院生物医学工 程系和中国科学院合肥安恒光电有限公司合作研制、开发的用于人体组织血氧饱 和度监测的专业设备。如图2 4 。近红外组织血氧参数无损监测仪能够实时、动态 9 的监测人体组织的姐氧饱和度。它不仅能够反映人体组纵中氧的供给情况，还能 反映氧的消耗情况。 圈2 4 T S A H 一1 0 0 型近红外组织血氧参量无损监测仪 该仪器是由单片机控制发光电路使光源发光，芨光二级管平均辐射功率小于 l m w ，对人体无害。光信号经人体组织衰减后被检测器所接受并转化为电信号，经 过放大电路处理后进入单片机进行解算，并将结果显示在液晶屏上。系统能将监 测结果储存在自带的存储器中，还能将结果通过串行口传送到P c 机中显示并保存 p t 】。仪器的原理框图见图2 5 。 2 3 2 传感器选用 圈2 - 5 仪器的原理框图 由于待测组织一般被外层组织覆盖，为准确得到待测组织的血氧参量，就应当 第2 章人体组织血氧参数检测 合理选择光院和检测器的距离，以实现传感器和被测组织的最佳耦合如图2 - 6 。 如果传感器上光源与检测器的距离过小。则光子的平均穿透深度较小，大量光子 只在外层组织中迁移，难以携带待测组织的氧合信息。相反，如果距离过大，则 光子的迁移路径较长，组织对光的衰减较大，出射光信号较弱，从而测得的血氧 信号误差较大，信噪比低。 “擅长光撒舱硎器2 + 捌器】 卜- 1 外虞心 ， R 组敬2 氐 恃删组巍 图2 咱双波长、般检测器解算组织的f s 0 2 示意图 本仪器提供了两种类型的传感器，儿童型和成人型。检测成人组织血氧信号， 光源与检测器的距离为3 0 m m 和4 0 m m 。检测儿童组织血氧信号，光源与榆测器的 距离为2 0 m m 和3 0 m m 。本论文全部实验选用成人型传感器。 测试脑氧时，将由光源和检测器组成的传感器( 如图2 - 7 ) 用头带固定在前额 上( 眉骨上方) ，这是为了避免毛发对测量的干扰，同时也便于固定；同时应当使 传感器置于脑中线的一侧，这可以避免脑中线的干扰( 如图2 - 8 ) 。 凋 | | j 嘲 芑厂鎏 图2 - 7 仪器传感器 2 3 3 仪器主要参数选择 圉2 - 9 测量肌氧时传感器固定位置 在仪器设定主界面上设定仪器的主要参数，仪器设定主界面如图2 - 1 0 所示。 本实验采用成人型传感器，因此光源检测器距离选择3 0 m m 。横坐标时间间隔设为 2 秒。组织氧位置与T O I 位置根据仪器说明选用成人型传感器时选择2 和1 2 。 第2 章人体组织血氧参数检测 设定：出射光强：2 9 9 9 外层组织厚度( m m ) ：9 9 9 光源检测器距离( m m ) l2 0 O 23 0 O 34 0 0 横坐标步长间隔：2 ( 2 s ) 组织氧位置：2 ToI 位置：1 2 左移+右移返回 图2 1 0 仪器设定主界面 进入测量界面后，屏幕上共三条曲线从上到下分别为H b 浓度的变化量，W 0 0 2 浓度的变化量，以及T O I ( 即组织氧饱和度r S 0 2 ) 的数值。如图2 1 1 所示。H b 和m 0 2 曲线纵坐标的范围为一3 0 - 3 0 t t m o l L ，每- - d , 格表示6 t t m o l L ；T O I 曲线纵 坐标的范围为0 一1 0 0 ，每一小格表示1 0 。上述三条曲线横坐标上每一大格表 示6 0 点，每点代表2 秒( 因为“横坐标时间间隔设为2 秒) ，所以每一大格表 示1 2 0 秒。同时T O I 的数值在屏幕上方实时显示。仪器测量界面如图2 1 0 所示。 H b 。，T O I ： 6 3 lI I- H b O 一 ，一h 一 IlII T O I -ll1 0 6 0 1 2 0 1 8 02 加 0 0 0 0 70 0 0 0 9 返回 2 1 5 8 1 9 3 3 图2 1 l 仪器测量界面 第3 章静态模拟驾驶条件下脑氧信号监测与分析 第3 章静态模拟驾驶条件下脑氧信号监测与分析 3 1 脑氧参数含义 氧是维持人体正常生命运动的最重要物质之一。人体组织( 骨骼肌、大脑皮 层、皮瓣等) 只有得到充足的氧供应，并保持正常的氧合水平，细胞才能实现正 常的有氧代谢，从而实现相关的生理功能。相反，如果组织组织供血、供氧不足， 就会引发缺氧。较长时间的缺氧可导致组织出现功能性和器质性的损伤，甚至危 及生命【3 3 1 。短时间的缺氧可使人产生疲劳，昏睡，恶心等不适症状，这与驾驶疲 劳后人体的表征相同。因此，缺氧可能是导致驾驶疲劳的重要原因。以人体脑组 织( 指大脑皮层) 为例，其重量只占体重的2 ，但安静状态下的耗氧量即可占全 身耗氧量的2 0 ，耗氧量具大。因此实时监测驾驶员驾驶过程中人体脑组织的氧 合状况，判断人体脑组织是否缺氧，对于判断驾驶疲劳具有重要的意义。 脑氧组织参数主要包括氧合血红蛋白浓度、还原血红蛋白浓度、血氧饱和度 等参数，各参数生理意义已在第二章介绍过，此处不再赘述。 3 2 实验方案 3 2 1 实验对象 根据N i d l sE g e l u n d 等人对人体生理测量和研究结果，在置信度为9 5 ，误差 为O 5 的情况下，驾驶疲劳测试所需的被测人数最少为8 1 2 人 3 4 1 实验选择2 0 名 年龄在2 0 3 0 岁身体健康的男性参加测试。实验人员随机分成2 组，每组1 0 人， 一组实验组( G R O U P A ) ，一组对照组( G R o U P B ) 。各组实验人员的基本参数见 表3 一l 。 山东人学硕十学何论文 表3 - 1 实验人员基本参数 3 2 2 实验过程 所有参加实验的实验人员在实验开始前必须保证足够的休息，并确保在实验 前不能抽烟，饮酒、茶、咖啡登影响心率的食物和药物，避免剧烈运动，为保证样 本组间的可比性，我们选择上午8 1 1 时之间进行实验，以避免昼夜等因素的影 响【3 5 】。 实验组在上午8 - 1 1 时进行三个小时的模拟驾驶，模拟驾驶前后测量驾驶员 的脑氧饱和度和反应时间( 1 玎) 各一次。对照组与实验组相比，无模拟驾驶任务， 只需在办公室进行正常的工作学习。为了避免同实验组的时差影响，对照组也是 在上午卜1 1 时之间进行。具体实验过程如表3 2 。 表3 2 实验过程 实具体测试过程 序验 号条8 ：0 0 - 8 ：0 58 ：0 5 8 ：1 08 ：l O 8 ：3 08 ：3 0 1 1 ：3 01 1 ：3 0 一1 1 ：5 01 l ：5 0 1 l ：5 51 l ：5 5 1 2 ：0 0 件 驾 驶实验准备测量反应 测量脑氧测量脑氧 测量反应时 l 驾驶作业 整理仪器 条阶段时间 参数参数 间 件 自 然测量脑氧测量脑氧 2实验准备阶段正常活动整理仪器 条参数参数 件 1 6 誊i 茎馨銮兰翟：彗耋丝三塑圣互：鉴翌 彗篓 32 3 实验环境 图3 - 1 ( a ) 模拟驾驶器( b ) 模拟驾驶环境( c ) 三维立体投影 实验组模拟驾驶任务是在模拟驾驶器上完成的，如图3 1 所示。驾驶疲劳的研 究如果对驾驶员进行实车测试，实验设备的安装、测试都很麻烦，而且极不方便， 山东人学硕士学位论文 并且受到时间、气候和环境的影响 3 6 1 。因此我们通常选择模拟驾驶器作为驾驶疲 劳的研究工具。通过三维立体投影来模拟视景I ”l ，通过液压伺服系统来实现汽车 运动过程中的俯仰、侧倾等动作，以及模拟路面不平度的时间域脉冲激励，在一 定程度上模拟了实车驾驶的情况，大大改变了实验环境，而且不受时问、气候和 环境等的限制，同时还可以进行汽车驾驶技术的训练。 为了更加逼真的模拟真车情况，模拟器采用实车模型，取出原来的发动机， 换为交流发动机，其它的部分保持不变。这样不仅保持了操纵系统的手感，而且 也保持了传动系统的振动源。操作过程中如果操作不当，也会出现打齿，挂不上 档等现象。驾