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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于脈搏信號(hào)的疲勞狀態(tài)預(yù)測(cè)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡(jiǎn)介：
- 脈搏信號(hào)蘊(yùn)含著豐富的人體生理信息，疲勞狀態(tài)又是目前研究的一大熱點(diǎn)。此項(xiàng)目通過(guò)對(duì)脈搏的分析與研究，建立脈搏與疲勞狀態(tài)之間的聯(lián)系，對(duì)人們的疲勞狀態(tài)有一個(gè)定量化的評(píng)定，可以應(yīng)用于疲勞駕駛，疲勞檢測(cè)，危險(xiǎn)作業(yè)等領(lǐng)域，與腦電信號(hào)相結(jié)合可以對(duì)研究神經(jīng)張力等方向有所幫助。
- 詳細(xì)介紹：
- 脈搏波蘊(yùn)含著豐富的人體生理和病理信息，我國(guó)古代的通過(guò)脈診憑借經(jīng)驗(yàn)就可以對(duì)人的身體狀況進(jìn)行初步的判斷，而如今從脈搏波中提取出更準(zhǔn)確的信息之后，再對(duì)其進(jìn)行客觀化、量化的研究，脈搏波已經(jīng)逐漸體現(xiàn)其在臨床診斷方面的重要意義。同時(shí)，因?yàn)椴幌裥碾妶D、腦電圖那樣測(cè)量復(fù)雜，脈搏以其易測(cè)量、易提取的特性，更有望被應(yīng)用于便攜式的測(cè)量診斷儀器上。 另一方面，在當(dāng)今這個(gè)快節(jié)奏、高壓力的社會(huì)下，無(wú)論是精神疲勞還是生理疲勞都十分普遍，其帶來(lái)的后果也不容忽視：大學(xué)生疲勞導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率低下、身心疲憊；司機(jī)疲勞駕駛，導(dǎo)致交通事故頻頻發(fā)生；建筑工人疲勞作業(yè)，生命安全難以得到保證……所以無(wú)論是從人們自身衡量判定的角度，還是從相關(guān)部門監(jiān)管審查的角度，建立一套相對(duì)完善的疲勞監(jiān)測(cè)與評(píng)定體系、發(fā)明一種方便快捷的測(cè)量?jī)x器，都將具有極為重要與深遠(yuǎn)的社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)意義：使用這種儀器，當(dāng)事人可以根據(jù)客觀的疲勞指標(biāo)，時(shí)刻掌握自身的疲勞狀況，從而指導(dǎo)自己合理休息、工作，杜絕亞健康；通過(guò)運(yùn)用這種儀器，相關(guān)監(jiān)管部門可以制定一套標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)方便的測(cè)量評(píng)定，嚴(yán)格控制疲勞作業(yè)、疲勞駕駛等高危活動(dòng)。 正是基于以上對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和社會(huì)需求的理解，我們決定設(shè)計(jì)一種基于脈搏信號(hào)分析的人體疲勞狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)定的儀器，根據(jù)心率變異HRV（heart rate variation）指標(biāo)提出了脈搏信號(hào)變異指標(biāo)，以下簡(jiǎn)稱PRV（pulse rate variation），并建立PRV和疲勞之間的關(guān)聯(lián)。從而實(shí)現(xiàn)方便、快捷的疲勞狀態(tài)測(cè)量和疲勞等級(jí)評(píng)定。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 主要思路： 1)脈搏信號(hào)的采集 我們利用PVDF壓電傳感材料作為主要脈波信號(hào)提取的傳感器，直接從USB輸出脈搏波形數(shù)據(jù)。 2)誘發(fā)性分層試驗(yàn) 通過(guò)誘發(fā)性試驗(yàn)，讓被試（主要為大學(xué)生）通過(guò)學(xué)習(xí)、熬夜、通宵等過(guò)程產(chǎn)生不同程度的疲勞狀態(tài)，并在對(duì)照疲勞量表主觀評(píng)定被試的疲勞程度同時(shí)，測(cè)定其在相應(yīng)狀態(tài)下的脈搏信號(hào)。 3)脈搏信號(hào)的分析處理、特征提取 通過(guò)分析被試在不同疲勞狀態(tài)下的脈搏信號(hào)特征值的變化情況，特別是PRV的變化情況，對(duì)應(yīng)建立脈搏信號(hào)特征與疲勞狀態(tài)（尤其是熬夜、通宵）作為主要的之間的關(guān)系模型。 4)基于脈搏信號(hào)的疲勞系統(tǒng)建立 根據(jù)以上分析結(jié)果利用Matlab和Labview混合編程的方法最后得到我們集成化的脈搏信號(hào)采集下位機(jī)以及脈搏分析處理的上位機(jī)。上位機(jī)和下位機(jī)綜合在一起組成我們一套APEX基于脈搏信號(hào)分析的疲勞評(píng)估系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn) 1)利用多種算法綜合分析處理脈搏信號(hào)，提取與疲勞狀態(tài)相關(guān)的特征。其中最主要的算法就是模仿心電中心率變異HRV的研究方法，開展對(duì)脈搏搏動(dòng)變異（PRV）的研究。 2)第一次將人體疲勞狀態(tài)的評(píng)定與脈搏信號(hào)的分析有機(jī)聯(lián)系起來(lái) 3)以便攜式儀器的形式展示最終作品，具有一定的便攜性和易操作性。 主要指標(biāo) 1)提取與疲勞狀態(tài)相關(guān)的特征 2)建立脈搏信號(hào)特征與疲勞狀態(tài)之間的關(guān)系模型 3)以便攜式儀器作為下位機(jī)和筆記本電腦作為上位機(jī)的系統(tǒng)形式整合軟硬件
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 現(xiàn)有的疲勞監(jiān)測(cè)與評(píng)定技術(shù)，多是基于接觸性電生理信號(hào)提出的一些方法，對(duì)疲勞評(píng)定和監(jiān)測(cè)雖然有一定的借鑒意義，但由于其不便性（尤其是測(cè)量不便）以及復(fù)雜性，很難得以廣泛應(yīng)用。 另一方面，現(xiàn)階段對(duì)于脈搏信號(hào)的定量研究仍處于基礎(chǔ)研究狀態(tài)，大都注重于單純的信號(hào)處理算法研究，并沒有真正建立起和疲勞、疾病等臨床生理現(xiàn)象之間的關(guān)系。這些信號(hào)處理算法比如有單周期平均波形的處理, 對(duì)于干擾波動(dòng)信號(hào)的剝離等。 而本作品將在現(xiàn)有的脈搏信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步尋找合適算法，尋找、提取與疲勞狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的脈搏信號(hào)特征，并將首次嘗試創(chuàng)建脈搏信號(hào)特征和疲勞狀態(tài)之間的數(shù)學(xué)模型關(guān)系。通過(guò)這個(gè)模型，脈搏信號(hào)分析的基礎(chǔ)研究和臨床生理診斷將有機(jī)結(jié)合在一起。同時(shí)鑒于脈搏信號(hào)測(cè)量的易操作性和便捷性，此儀器又有效克服了傳統(tǒng)的基于接觸性電生理信號(hào)疲勞研究的弱點(diǎn)，體現(xiàn)了其特有的先進(jìn)性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目
作品所處階段
- 集成化完善階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- ? 實(shí)物、產(chǎn)品 ? 現(xiàn)場(chǎng)演示 ? 圖片 ? 錄像 ? 樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本產(chǎn)品的使用將非常簡(jiǎn)單便捷，使用者僅需三步操作： 1.將便攜式儀器按說(shuō)明書所示戴在腰上上，進(jìn)行脈搏采樣； 2.將即插即用式的USB線和筆記本電腦相連，打開筆記本電腦中的分析軟件。 3.一鍵分析，即可在筆記本電腦上讀出當(dāng)前脈搏的直觀波形圖像、相關(guān)參數(shù)（如脈搏頻率、脈搏強(qiáng)度等）以及最后的疲勞狀態(tài)評(píng)定結(jié)果。 本產(chǎn)品的最大技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)在于其可以在保證用戶的易操作性的同時(shí)又有效建立與其他同類生產(chǎn)廠家之間的技術(shù)壁壘。因?yàn)橛脩糁灰凑找陨鲜褂谜f(shuō)明所述即可方便使用此產(chǎn)品。而產(chǎn)品內(nèi)部的軟件算法設(shè)計(jì)又將有效保證產(chǎn)品的技術(shù)壁壘。 另外本產(chǎn)品還將擁有非常廣泛的應(yīng)用范圍和極其巨大的市場(chǎng)潛力：無(wú)論是從評(píng)定個(gè)人疲勞到監(jiān)管疲勞駕駛和疲勞作業(yè)，還是從保證個(gè)人健康，到提高社會(huì)安全水平，甚至到航空航天等國(guó)防產(chǎn)業(yè)，本產(chǎn)品都可發(fā)揮它獨(dú)特的先進(jìn)性。同時(shí)也正是因?yàn)檫@樣廣泛的應(yīng)用范圍，賦予了它巨大的市場(chǎng)潛力。
同類課題研究水平概述
- 脈搏波蘊(yùn)含著豐富的人體生理和病理信息，脈搏信號(hào)被許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者當(dāng)作連接中醫(yī)和西醫(yī)之間的橋梁，稱成為了近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。 就國(guó)內(nèi)目前對(duì)脈搏信號(hào)的研究現(xiàn)狀來(lái)看，根據(jù)不同的信號(hào)提取系統(tǒng)得到的脈搏信號(hào)展示了不同的信息。但是脈搏波形和心率波形一樣，都表現(xiàn)出比較統(tǒng)一的模式。正是這種較為規(guī)律性穩(wěn)定波形的存在才為脈搏信號(hào)的研究提供了一定的基礎(chǔ)。 心率（HR）中對(duì)能反映人生理狀況的心率變異（HRV）的研究和應(yīng)用比脈搏波成熟，目前研究可以從心率變異（HRV）中獲得較多的信息，并通過(guò)HRV來(lái)對(duì)人的生理狀況進(jìn)行判斷。但無(wú)論是對(duì)脈搏信號(hào)還是心率信號(hào)的分析主要集中于將其和與心功能相關(guān)的疾病聯(lián)系起來(lái)，用于專業(yè)的醫(yī)院診斷。此種技術(shù)在心率中的應(yīng)用比較成熟，但是就脈搏信號(hào)來(lái)說(shuō)，從其中得到的結(jié)論還不能被廣泛應(yīng)用。所以總體來(lái)說(shuō)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)于“建立脈搏信號(hào)與疲勞狀態(tài)的關(guān)系”這個(gè)確切方向尚無(wú)研究記錄。所以我們對(duì)這一領(lǐng)域的研究將是全新的、探索性的。 對(duì)脈搏信號(hào)的分析方法現(xiàn)已經(jīng)出現(xiàn)了很多，有特征點(diǎn)的分析，閾值分析，動(dòng)態(tài)光譜分析，小波信號(hào)的分析等。 國(guó)外的研究情況較國(guó)內(nèi)相比更加成熟與細(xì)致，集中基于模式識(shí)別的分析方法尤為可靠和實(shí)用。并且更加強(qiáng)調(diào)脈搏變異信號(hào)的分析和生理指標(biāo)的匹配。國(guó)外研究的重點(diǎn)主要是其中波動(dòng)比較大的時(shí)間段和不同情況下這些時(shí)段的幅值變異情況。當(dāng)人體處于特殊的生理狀況，比如大量運(yùn)動(dòng)之后得到的變異情況和正常時(shí)相匹配，從而判斷人體處于的生理狀態(tài)。由于研究重點(diǎn)不同，相匹配的指標(biāo)也各異。 就國(guó)內(nèi)外對(duì)疲勞的研究來(lái)看，目前都是熱點(diǎn)。尤其是在目前高壓力高節(jié)奏的生活狀態(tài)下。由于疲勞和亞健康聯(lián)系非常緊密，對(duì)此的研究也是一步步推進(jìn)，對(duì)疲勞的量化理性認(rèn)識(shí)尤為重點(diǎn)。駕駛疲勞，飛行員高空作業(yè)疲勞狀態(tài)，危險(xiǎn)工作從業(yè)人員的疲勞狀態(tài)都是疲勞研究領(lǐng)域的主要研究方向。而將疲勞狀態(tài)和生理指標(biāo)相聯(lián)系的研究成為了這個(gè)方向的主導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)院院士俞夢(mèng)孫學(xué)者從HRV信號(hào)中得出了其與疲勞狀態(tài)之間的定量聯(lián)系，為從脈搏入手的疲勞分析奠定了基礎(chǔ)。 脈搏信號(hào)被國(guó)內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為是一種能夠做到無(wú)損，無(wú)線，便攜式提取的重要生理信號(hào)。不用繁復(fù)的電極和專業(yè)的人員操作，就能夠?qū)ζ渥龅綑z測(cè)和提取。可以看出脈搏信號(hào)作為一種創(chuàng)新性的生理指標(biāo)作為醫(yī)學(xué)參考依據(jù)不僅具有很強(qiáng)的科學(xué)性，而且非常具有可靠的使用價(jià)值。
