基于多元生理信息的专注状态评价系统

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1、硕士学位论文基于多元生理信息的专注状态评价系统EVALUATIONSYSTEMOFATTENTIVENESSBASEDONMULTIPLEPHYSIOLOGICALINFORMATION张晶秋哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TH772学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文基于多元生理信息的专注状态评价系统硕士研究生：张晶秋导师：孙金玮教授申请学位：全日制工程硕士学科：仪器仪表工程所在单位：电气工程及自动化学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex：TH772U.D.C:621.3DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringEVALUATIONSYSTEMOFATTENTIVENESSBASEDONMULTIPLEPHYSIOLOGICALINFORMATIONCandidate:ZHANGJingQiuSupervisor:Prof.JinWeiSunAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpeciality:Instrume

3、ntationEngineeringAffiliation:Dept.ofAutomaticTestandControlDateofDefense:June,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着信息技术的高速发展，“人机协同”式智慧教育模式日益兴起，教育教学将不再仅仅停留在原有的体制之上，正逐渐演变为一个活力智慧的学习生态。智慧教育的实现依赖于混合人工智能技术与教育过程的交叉融合，使

4、教育成为一个可追溯、可视的过程，达到优化教学过程和促进学习者进行个性化深度学习的目的，从而营造出智能科技化的学习环境。针对现有专注状态监测系统评价方法过于主观、采集信号单一、采集设备便携性差的问题，本课题设计了一套基于多元生理信息的专注状态评价系统。它基于可穿戴式采集节点对人体脑电信号、姿态信号和血氧信号进行实时性监测、通信、处理与分析，以实现对学习者专注状态的综合性评价。首先，针对传统式多通道脑电采集设备的体积局限性，本课题设计了微型化、可穿戴的多生理信号采集节点，基于单通道脑电信号模拟采集前端、九轴加

5、速度采集芯片和反射式血氧采集模块实现了对脑电信号、姿态信号和血氧信号的同步采集；其次，针对无线体域网中信息传输的带宽与功耗限制，本课题设计了基于CC3200无线射频Wi-Fi的数据传输组网方式，可实现满足分析精度的信号高速通信；再次，针对生理信号混杂噪声与生理伪迹干扰，本课题进行了生理信号的干扰预处理及基于希尔伯特-黄变换的生理伪迹去除，实现了对纯净生理信号的有效提取；最后，针对专注状态评价依据主观单一，本课题提出了对多元生理信号进行算法分析，从而综合性地对专注状态进行评价。本课题在实验室环境下设计了专注

6、状态诱发实验，提出了以反应时间和正确率进行回归分析拟合的专注度客观评价指标。利用所采集的各类生理数据，基于脑电信号进行了功率谱密度比值法、eSense指数法和样本熵法的算法分析与性能对比，并选取基于功率谱密度的R值法对专注状态实现了四分类；对姿态信号进行了评价模型建立、血氧信号进行了均值提取处理，并依据与评价基准的互相关性进行了专注状态评价性能的验证。本课题基于多生理信号监测系统进行了生理数据的采集，利用多元生理信号进行了专注状态的综合性评价。实验表明，通过支持向量机进行专注状态二分类的准确率最高可达77

7、.1%，实现了对专注状态的有效评价。关键词：专注度；生物传感技术；EEG；姿态信号；血氧信号-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopmentofinformationandtheInternet,the"human-machinecooperation"modeofintelligenteducationdevelopsgradually.Educationisgraduallyevolvingintoadynamicandintelligentlearn

8、ingecosystemthatnolongeronlystaysabovetheoriginalsystem.IntelligenceeducationdependsontheintegrationofhybridAItechnologyandeducation,makingeducationatraceableprocess,toachievethegoalofoptimizingteachingandpromotingp