基本信息
- 項目名稱：
- 基于脈搏信號的疲勞狀態(tài)預測
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 脈搏信號蘊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。此項目通過對脈搏的分析與研究，建立脈搏與疲勞狀態(tài)之間的聯(lián)系，對人們的疲勞狀態(tài)有一個定量化的評定，可以應用于疲勞駕駛，疲勞檢測，危險作業(yè)等領域，與腦電信號相結合可以對研究神經張力等方向有所幫助。
- 詳細介紹：
- 脈搏波蘊含著豐富的人體生理和病理信息，我國古代的通過脈診憑借經驗就可以對人的身體狀況進行初步的判斷，而如今從脈搏波中提取出更準確的信息之后，再對其進行客觀化、量化的研究，脈搏波已經逐漸體現(xiàn)其在臨床診斷方面的重要意義。同時，因為不像心電圖、腦電圖那樣測量復雜，脈搏以其易測量、易提取的特性，更有望被應用于便攜式的測量診斷儀器上。 另一方面，在當今這個快節(jié)奏、高壓力的社會下，無論是精神疲勞還是生理疲勞都十分普遍，其帶來的后果也不容忽視：大學生疲勞導致學習效率低下、身心疲憊；司機疲勞駕駛，導致交通事故頻頻發(fā)生；建筑工人疲勞作業(yè)，生命安全難以得到保證……所以無論是從人們自身衡量判定的角度，還是從相關部門監(jiān)管審查的角度，建立一套相對完善的疲勞監(jiān)測與評定體系、發(fā)明一種方便快捷的測量儀器，都將具有極為重要與深遠的社會意義和經濟意義：使用這種儀器，當事人可以根據(jù)客觀的疲勞指標，時刻掌握自身的疲勞狀況，從而指導自己合理休息、工作，杜絕亞健康；通過運用這種儀器，相關監(jiān)管部門可以制定一套標準，通過方便的測量評定，嚴格控制疲勞作業(yè)、疲勞駕駛等高?；顒?。 正是基于以上對現(xiàn)有技術和社會需求的理解，我們決定設計一種基于脈搏信號分析的人體疲勞狀態(tài)監(jiān)測與評定的儀器，根據(jù)心率變異HRV（heart rate variation）指標提出了脈搏信號變異指標，以下簡稱PRV（pulse rate variation），并建立PRV和疲勞之間的關聯(lián)。從而實現(xiàn)方便、快捷的疲勞狀態(tài)測量和疲勞等級評定。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 主要思路： 1)脈搏信號的采集 我們利用PVDF壓電傳感材料作為主要脈波信號提取的傳感器，直接從USB輸出脈搏波形數(shù)據(jù)。 2)誘發(fā)性分層試驗 通過誘發(fā)性試驗，讓被試（主要為大學生）通過學習、熬夜、通宵等過程產生不同程度的疲勞狀態(tài)，并在對照疲勞量表主觀評定被試的疲勞程度同時，測定其在相應狀態(tài)下的脈搏信號。 3)脈搏信號的分析處理、特征提取 通過分析被試在不同疲勞狀態(tài)下的脈搏信號特征值的變化情況，特別是PRV的變化情況，對應建立脈搏信號特征與疲勞狀態(tài)（尤其是熬夜、通宵）作為主要的之間的關系模型。 4)基于脈搏信號的疲勞系統(tǒng)建立 根據(jù)以上分析結果利用Matlab和Labview混合編程的方法最后得到我們集成化的脈搏信號采集下位機以及脈搏分析處理的上位機。上位機和下位機綜合在一起組成我們一套APEX基于脈搏信號分析的疲勞評估系統(tǒng)。 創(chuàng)新點 1)利用多種算法綜合分析處理脈搏信號，提取與疲勞狀態(tài)相關的特征。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，開展對脈搏搏動變異（PRV）的研究。 2)第一次將人體疲勞狀態(tài)的評定與脈搏信號的分析有機聯(lián)系起來 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 1)提取與疲勞狀態(tài)相關的特征 2)建立脈搏信號特征與疲勞狀態(tài)之間的關系模型 3)以便攜式儀器作為下位機和筆記本電腦作為上位機的系統(tǒng)形式整合軟硬件
科學性、先進性
- 現(xiàn)有的疲勞監(jiān)測與評定技術，多是基于接觸性電生理信號提出的一些方法，對疲勞評定和監(jiān)測雖然有一定的借鑒意義，但由于其不便性（尤其是測量不便）以及復雜性，很難得以廣泛應用。 另一方面，現(xiàn)階段對于脈搏信號的定量研究仍處于基礎研究狀態(tài)，大都注重于單純的信號處理算法研究，并沒有真正建立起和疲勞、疾病等臨床生理現(xiàn)象之間的關系。這些信號處理算法比如有單周期平均波形的處理, 對于干擾波動信號的剝離等。 而本作品將在現(xiàn)有的脈搏信號處理方法的基礎上，進一步尋找合適算法，尋找、提取與疲勞狀態(tài)相關聯(lián)的脈搏信號特征，并將首次嘗試創(chuàng)建脈搏信號特征和疲勞狀態(tài)之間的數(shù)學模型關系。通過這個模型，脈搏信號分析的基礎研究和臨床生理診斷將有機結合在一起。同時鑒于脈搏信號測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疲勞研究的弱點，體現(xiàn)了其特有的先進性。
獲獎情況及鑒定結果
- 國家大學生創(chuàng)新實驗計劃項目
作品所處階段
- 集成化完善階段
技術轉讓方式
- 無
作品可展示的形式
- ? 實物、產品 ? 現(xiàn)場演示 ? 圖片 ? 錄像 ? 樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經濟效益預測
- 本產品的使用將非常簡單便捷，使用者僅需三步操作： 1.將便攜式儀器按說明書所示戴在腰上上，進行脈搏采樣； 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前脈搏的直觀波形圖像、相關參數(shù)（如脈搏頻率、脈搏強度等）以及最后的疲勞狀態(tài)評定結果。 本產品的最大技術特點和優(yōu)勢在于其可以在保證用戶的易操作性的同時又有效建立與其他同類生產廠家之間的技術壁壘。因為用戶只要按照以上使用說明所述即可方便使用此產品。而產品內部的軟件算法設計又將有效保證產品的技術壁壘。 另外本產品還將擁有非常廣泛的應用范圍和極其巨大的市場潛力：無論是從評定個人疲勞到監(jiān)管疲勞駕駛和疲勞作業(yè)，還是從保證個人健康，到提高社會安全水平，甚至到航空航天等國防產業(yè)，本產品都可發(fā)揮它獨特的先進性。同時也正是因為這樣廣泛的應用范圍，賦予了它巨大的市場潛力。
同類課題研究水平概述
- 脈搏波蘊含著豐富的人體生理和病理信息，脈搏信號被許多國內外學者當作連接中醫(yī)和西醫(yī)之間的橋梁，稱成為了近年來研究的熱點。 就國內目前對脈搏信號的研究現(xiàn)狀來看，根據(jù)不同的信號提取系統(tǒng)得到的脈搏信號展示了不同的信息。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的研究提供了一定的基礎。 心率（HR）中對能反映人生理狀況的心率變異（HRV）的研究和應用比脈搏波成熟，目前研究可以從心率變異（HRV）中獲得較多的信息，并通過HRV來對人的生理狀況進行判斷。但無論是對脈搏信號還是心率信號的分析主要集中于將其和與心功能相關的疾病聯(lián)系起來，用于專業(yè)的醫(yī)院診斷。此種技術在心率中的應用比較成熟，但是就脈搏信號來說，從其中得到的結論還不能被廣泛應用。所以總體來說，當前國內外對于“建立脈搏信號與疲勞狀態(tài)的關系”這個確切方向尚無研究記錄。所以我們對這一領域的研究將是全新的、探索性的。 對脈搏信號的分析方法現(xiàn)已經出現(xiàn)了很多，有特征點的分析，閾值分析，動態(tài)光譜分析，小波信號的分析等。 國外的研究情況較國內相比更加成熟與細致，集中基于模式識別的分析方法尤為可靠和實用。并且更加強調脈搏變異信號的分析和生理指標的匹配。國外研究的重點主要是其中波動比較大的時間段和不同情況下這些時段的幅值變異情況。當人體處于特殊的生理狀況，比如大量運動之后得到的變異情況和正常時相匹配，從而判斷人體處于的生理狀態(tài)。由于研究重點不同，相匹配的指標也各異。 就國內外對疲勞的研究來看，目前都是熱點。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，對此的研究也是一步步推進，對疲勞的量化理性認識尤為重點。駕駛疲勞，飛行員高空作業(yè)疲勞狀態(tài)，危險工作從業(yè)人員的疲勞狀態(tài)都是疲勞研究領域的主要研究方向。而將疲勞狀態(tài)和生理指標相聯(lián)系的研究成為了這個方向的主導。中國科學院院士俞夢孫學者從HRV信號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。 脈搏信號被國內外學者一致認為是一種能夠做到無損，無線，便攜式提取的重要生理信號。不用繁復的電極和專業(yè)的人員操作，就能夠對其做到檢測和提取。可以看出脈搏信號作為一種創(chuàng)新性的生理指標作為醫(yī)學參考依據(jù)不僅具有很強的科學性，而且非常具有可靠的使用價值。
