本發(fā)明涉及腦機交互，尤其涉及一種基于腦機交互的飛行員生理狀態(tài)監(jiān)控與控制系統(tǒng)。

背景技術：

1、腦機交互技術是一種直接在大腦與外部設備之間建立通信的革命性技術。隨著腦機交互和腦機接口技術的日益發(fā)展，通過記錄和解碼大腦活動，可以用于治療神經(jīng)系統(tǒng)疾病，增強人類與設備的控制效率，甚至在娛樂、教育、軍事、航空等領域發(fā)揮作用。其中腦機交互技術在航空領域的應用前景非常廣闊，主要應用可以分為兩類，第一類是直接讀取大腦信號來控制飛行器或航空設備，從而提高操作的安全性和效率；第二類是可以用于監(jiān)測飛行員的注意力、疲勞等狀態(tài)，當飛行員發(fā)生過度疲勞時及時發(fā)出警告，從而提高飛行安全。

2、然而第一類技術需要精確地解讀大腦的神經(jīng)信號，并將這些信號轉換為飛行器的指令，這一過程涉及到復雜的算法和數(shù)據(jù)處理，機器學習算法需要快速準確地分析腦電等信號，但這一操作過程的復雜性可能會影響系統(tǒng)的準確性和可靠性。此外由于飛行員在空中需要佩戴飛行頭盔，且需要不斷轉動頭部以掃描儀表和觀察艙外場景，因此會嚴重影響腦電信號的準確性，這就使得第一類直接控制飛行器的腦機交互技術始終無法實用化。

3、第二類技術相對較為簡單，僅需要判讀腦電或其它腦部信息，只要能識別出疲勞或其它不利狀態(tài)就可以應用。然而如上所述多數(shù)依然采用腦電的方法對大腦信息進行采集，如果采用侵入性腦機接口的方法采集腦電會使得皮膚受損或感染，對于長期需要飛行的飛行員來說顯然是不合適的。另一方法是采用干電極或有源電極等設備進行測量，但是這些電極受運動的影響極大，稍有頭部的晃動就會出現(xiàn)大量的偽影，導致測量的不準確。

4、現(xiàn)有腦機交互技術在航空領域的應用面臨諸多挑戰(zhàn)，包括實時性不足、信號穩(wěn)定性差、可穿戴設備實用性不足等問題，這些限制因素阻礙了腦機交互技術在提高飛行操作安全性方面的實用化進程。

技術實現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明實施例旨在提供一種基于腦機交互的飛行員生理狀態(tài)監(jiān)控與控制系統(tǒng)，用以解決現(xiàn)有腦機交互在航空的應用受限于信號采集的不穩(wěn)定性、實時處理的復雜性以及可穿戴監(jiān)測設備的實用性的技術問題。

2、本發(fā)明提供了一種基于腦機交互的飛行員生理狀態(tài)監(jiān)控與控制系統(tǒng)，包括頭帶式生理監(jiān)測模塊和飛行控制中樞模塊；

3、所述頭帶式生理監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測飛行員的生理狀態(tài)，包括血液容積脈搏波ppg信號、局部腦氧飽和度rsco2和六軸加速度數(shù)據(jù)，基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行風險預警和飛行狀態(tài)評估；

4、所述飛行控制中樞模塊，用于接收飛行員的風險預警數(shù)據(jù)進行飛行控制，并存儲生理狀態(tài)數(shù)據(jù)和生理監(jiān)測日志，提供實時風險預警和飛行狀態(tài)評估結果的可視化、以及預警語音播報，以確保飛行安全。

5、進一步地，所述頭帶式生理監(jiān)測模塊包括血氧發(fā)射模塊、血氧接收模塊、六軸加速度模塊、信號處理芯片和藍牙傳輸芯片；

6、所述血氧發(fā)射模塊，用于發(fā)射近紅外光；

7、所述血氧接收模塊包括第一和第二血氧接收模塊，分別用于接收人體腦皮層組織反射回來的近紅外光，距離血氧發(fā)射模塊較近的第一血氧接收模塊的接收器通過接收的近紅外光強的變化得到血液容積脈搏波ppg信號；距離血氧發(fā)射模塊較遠的第二血氧接收模塊的接收器將它接收到的不同波長光計算氧合血紅蛋白與總血紅蛋白的比例，得到局部腦氧飽和度rsco2；

8、所述六軸加速度模塊，用于獲取飛行員x、y、z三個旋轉軸的旋轉加速度和三個軸向的直線加速度ax、ay、az；

9、所述信號處理芯片，用于基于飛行員的血液容積脈搏波ppg信號、局部腦氧飽和度rsco2和六軸加速度數(shù)據(jù)，實時對所述飛行員進行rsco2風險預警、科里奧利錯覺風險預警和飛行狀態(tài)評估；

10、所述藍牙傳輸芯片，用于將所述飛行員的rsco2風險預警、科里奧利錯覺風險預警和飛行狀態(tài)評估結果傳輸至所述飛行控制中樞模塊，以及通過連接數(shù)據(jù)鏈傳輸至機場塔臺指揮模塊。

11、進一步地，所述飛行控制中樞模塊包括飛行控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、可視化模塊和預警語音播報模塊；

12、所述飛行控制模塊，用于基于所述飛行員的rsco2風險預警和科里奧利錯覺風險預警進行飛行輔助操作；

13、所述數(shù)據(jù)存儲模塊，用于存儲實時生理狀態(tài)數(shù)據(jù)、生理監(jiān)測日志和預警日志；

14、所述可視化模塊，用于實時顯示所述飛行員的血液容積脈搏波ppg信號、局部腦氧飽和度rsco2和六軸加速度數(shù)據(jù)，以及對應的預警和飛行狀態(tài)評估結果；

15、所述預警語音播報模塊，用于飛行員的局部腦氧飽和度rsco2風險預警和科里奧利錯覺風險預警語音播報。

16、進一步地，所述頭帶式生理監(jiān)測模塊還包括電池、快拆插扣和主板；

17、所述電池，用于對所述頭帶式生理監(jiān)測模塊中的各模塊供電；

18、所述快拆插扣，位于所述頭帶式生理監(jiān)測模塊的兩側，用于快捷連接彈力頭帶；

19、所述主板，用于集成所述頭帶式生理監(jiān)測模塊中的各模塊。

20、進一步地，所述信號處理芯片基于飛行員的血液容積脈搏波ppg信號、局部腦氧飽和度rsco2和六軸加速度數(shù)據(jù)，實時對所述飛行員進行rsco2風險預警、科里奧利錯覺風險預警和飛行狀態(tài)評估，包括：

21、預先確定待評估飛行員的局部腦氧飽和度rsco2基準值；

22、飛行過程中，監(jiān)測所述飛行員的血液容積脈搏波ppg信號、局部腦氧飽和度rsco2和六軸加速度信號數(shù)據(jù)；

23、基于所述局部腦氧飽和度rsco2基準值、局部腦氧飽和度rsco2實時計算rsco2的偏移比例

24、基于所述偏移比例和六軸加速度信號數(shù)據(jù)，分別實時對所述飛行員進行rsco2風險預警和科里奧利錯覺風險預警；飛行控制模塊基于所述rsco2風險預警進行飛行輔助操作；

25、基于所述血液容積脈搏波ppg信號得到的飛行員的實時心率hr、以及所述偏移比例和六軸加速度信號數(shù)據(jù)，實時獲得所述飛行員的飛行狀態(tài)評估結果。

26、進一步地，所述飛行控制模塊基于所述飛行員的rsco2風險預警和科里奧利錯覺風險預警進行飛行輔助操作，包括：

27、當時輸出結果“供氧良好”；

28、當時輸出結果“輕度缺氧”；

29、當時輸出結果“中度缺氧，要密切關注”，所述飛行控制模塊對飛行員強制供氧；

30、當時輸出結果“嚴重缺氧，要采取行動”，所述飛行控制模塊進行飛機自動改平、對飛行員強制供氧；

31、其中，i、j為預設值；

32、當所述旋轉加速度中的任兩個或三個同時大于預設閾值時，所述信號處理芯片確定所述飛行員存在科里奧利錯覺風險，同時所述飛行控制模塊進行飛機自動改平。

33、進一步地，所述信號處理芯片基于所述飛行員的實時心率hr、以及所述偏移比例和六軸加速度數(shù)據(jù)，實時獲得所述飛行員的飛行狀態(tài)評估結果，包括：

34、基于所述實時心率hr，獲得飛行員開始起飛至當前時刻的心率平均值、最大值和最小值，實時計算飛行員的飛行熟練度；

35、基于當前時刻的所述心率最大值和平均值，實時計算飛行員的飛行緊張度；

36、基于所述偏移比例進行分段判斷，實時獲得飛行員的飛行疲勞度；

37、基于當前時刻的所述心率最大、最小值，實時計算飛行員的飛行穩(wěn)定度；

38、基于監(jiān)測到的所述直線加速度az，計算獲得飛機載荷值，進而獲得飛行員開始起飛至當前時刻的飛機最大、最小載荷值；

39、基于所述當前時刻的飛機最大載荷值，實時計算飛行員的飛行訓練強度；

40、基于所述當前時刻的飛機最大、最小載荷值，實時計算飛行員的飛行訓練難度。

41、進一步地，所述可視化模塊采用雷達圖實時輸出并展示所述飛行員的飛行狀態(tài)評估結果；其中，所述雷達圖包括六個軸，每個軸代表一個維度，軸上的數(shù)據(jù)點為飛行員在該維度上的表現(xiàn)水平；

42、所述雷達圖的每個軸預設對應的閾值，作為每個飛行員飛行過程中六個維度的基準閾值進行評估，所述可視化模塊對飛行狀態(tài)評估結果進行直觀展示。

43、進一步地，所述飛行員的飛行熟練度，計算如下：

44、

45、其中，sfami為飛行員的飛行熟練度；hrmax和hrmin分為飛行員飛行過程中的平均心率、當前時刻的心率最大和最小值；

46、所述飛行員的飛行緊張度，計算如下：

47、

48、其中，stens為飛行員的飛行緊張度；

49、所述飛行員的飛行疲勞度，計算如下：

50、

51、其中，sfati為飛行員的飛行疲勞度；

52、所述飛行員的飛行穩(wěn)定度，計算如下：

53、

54、其中，sstab為飛行員的飛行穩(wěn)定度；

55、所述飛行員的飛行訓練強度，計算如下：

56、

57、其中，sstre為飛行員的飛行訓練強度，gmax為當前時刻飛機最大載荷值；

58、所述飛行員的飛行訓練難度，計算如下：

59、

60、其中，sdiff為飛行員的飛行訓練難度，gmin為當前時刻飛機最小載荷值。

61、進一步地，所述信號處理芯片預先確定待評估飛行員的局部腦氧飽和度rsco2基準值，包括：

62、在飛行開始前，測量m分鐘待評估飛行員的局部腦氧飽和度rsco2生理狀態(tài)數(shù)據(jù)，獲得m分鐘內(nèi)的rsco2的持續(xù)變化數(shù)據(jù)，取平均值得到局部腦氧飽和度rsco2基準值其中，m為預設值；

63、所述信號處理芯片基于監(jiān)測的所述血液容積脈搏波ppg信號，測量ppg信號的p峰之間的間隔，獲得p峰之間的時間間隔ppi，基于所述ppi計算飛行員的實時心率hr，如下：

64、

65、基于所述直線加速度az，實時計算飛機載荷值g，如下：

66、

67、其中，g為重力加速度。

68、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明至少可實現(xiàn)如下有益效果之一：

69、1、通過頭帶式生理監(jiān)測模塊實時監(jiān)測飛行員的生理狀態(tài)，包括血液容積脈搏波信號、局部腦氧飽和度和六軸加速度數(shù)據(jù)，本發(fā)明能夠及時發(fā)出風險預警和科里奧利錯覺風險預警，基于風險預警數(shù)據(jù)，飛行控制中樞模塊實時進行飛行輔助操作，例如對飛機進行自動改平、降速，積極對飛行員強制供氧等，從而預防飛行員因過度疲勞或錯覺導致的飛行事故，顯著提高了飛行的安全性；由于地面塔臺指揮員收到風險預警數(shù)據(jù)有一定的時間延遲，直接進行腦機交互，避免地面塔臺指揮員收到風險預警數(shù)據(jù)再采取措施，可能釀成飛行事故的風險；

70、2、本發(fā)明采用非侵入式的頭帶式生理監(jiān)測模塊，避免了傳統(tǒng)侵入性腦機接口可能帶來的皮膚損傷或感染風險。同時，通過藍牙傳輸芯片實時傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)至飛行控制中樞模塊，增強飛行操作的實時性和準確性；

71、3、本發(fā)明中飛行控制中樞模塊不僅能夠基于生理監(jiān)測數(shù)據(jù)進行飛行輔助操作，還能夠通過可視化模塊實時顯示飛行員的生理狀態(tài)和飛行狀態(tài)評估結果，以及通過預警語音播報模塊進行語音預警，這有助于飛行員更好地掌握自身狀態(tài)，優(yōu)化飛行操作，同時提升了飛行訓練的效率和效果。此外，本發(fā)明還能夠對飛行員的飛行熟練度、緊張度、疲勞度等進行評估，為飛行員訓練提供科學依據(jù)，優(yōu)化飛行員的飛行體驗和飛行訓練效果。

72、本發(fā)明中，上述各技術方案之間還可以相互組合，以實現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實現(xiàn)和獲得。