基于功能近红外光谱的多生理脑力疲劳检测.pdf

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1、第３８卷第６期仪器仪表学报Ｖｏｌ３８Ｎｏ６２０１７年６月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＪｕｎ．２０１７基于功能近红外光谱的多生理脑力疲劳检测张朕，姜劲，傅嘉豪，曹勇，焦学军（中国航天员科研训练中心北京１０００９２）摘要：脑力疲劳会引起人机系统绩效下降甚至引起安全事故，因此实时检测疲劳状态具有重要意义。虽然关于脑力疲劳检测的研究较多，但仍未有统一生理标准。由于疲劳的复杂性，多生理检测法已经成为一种趋势，但是会增大设备复杂度。功能近红外光谱能够通过测量人大脑皮层的血氧活动而间接反映脑认

2、知功能，近红外信号中的心动和呼吸信号属于生理活动的敏感信息，但是常被作为干扰去除，因此造成了信息丢失。为增强近红外的生理信息含量并建立多生理疲劳检测模型，从近红外信号中提取出心动和呼吸作为新的敏感特征，并结合均值斜率等常规特征构建基于支持向量机的脑力疲劳检测模型。研究采用６０ｍｉｎ２ｂａｃｋ任务诱导疲劳状态，利用近红外测量了１５名被试包括前额（ＰＦＣ）共计１０个通道的脑皮层近红外信号。研究结果证实了提取出的心动和呼吸特征对疲劳敏感，且增大了疲劳识别的准确性（８４％→９０％）。因此，所建立的模型能够有效地检测脑力疲劳并且降低了多

3、生理脑力疲劳检测设备的复杂度。关键词：近红外光谱；脑力疲劳；呼吸；心动；支持向量机中图分类号：Ｒ３１８ＴＨ７７３文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：３１０．６１ＭｕｌｔｉｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅｎｔａｌｆａｔｉｇｕｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙＺｈａｎｇＺｈｅｎ，ＪｉａｎｇＪｉｎ，ＦｕＪｉａｈａｏ，ＣａｏＹｏｎｇ，ＪｉａｏＸｕｅｊｕｎ（ＣｈｉｎａＡｓｔｒｏｎａｕｔＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＴｒａｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００９２，

4、Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｅｎｔａｌｆａｔｉｇｕｅｃａｎｒｅｄｕｃｅｗｏｒｋｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃａｕｓｅｓａｆｅｔｙａｃｃｉｄｅｎｔｓｉｎｈｕｍａｎｍａｃｈｉｎｅｓｙｓｔｅｍｓ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔｉｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｄｅｔｅｃｔｆａｔｉｇｕｅｉｎｒｅａｌｔｉｍｅ．Ａｇｒｅａｔｄｅａｌｏｆｗｏｒｋｈａｓｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｉｓｐｒｏｂｌｅｍ，ｂｕｔｔｈｅｒｅａｒｅｓｔｉｌｌｎｏｓｔａｎｄａｒｄｓｆｏｒｔｈｅｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｄｅｘ．Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅ

5、ｎｔｂｅｃｏｍｅｓａｔｒｅｎｄ，ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｏｆｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓｆｏｒｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｂｒｉｎｇｓｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｃｏｍｐｌｉｃａｃｙｏｆｍｅｎｔａｌｆａｔｉｇｕｅ．ＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＮｅａｒＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ（ｆＮＩＲＳ）ｃａｎｍｅａｓｕｒｅｃｅｒｅｂｒａｌｈｅｍｏｇｌｏｂｉｎａｎｄｒｅｆｌｅｃｔｃｏｇｎｉｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｃａ

6、ｒｄｉａｃａｎｄｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｓｉｇｎａｌｓｉｎｔｈｅｆＮＩＲＳｓｉｇｎａｌａｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｔｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌａｃｔｉｖｉｔｙ，ｗｈｉｃｈｈａｖｅａｌｗａｙｓｂｅｅｎｒｅｍｏｖｅｄａｓｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅｉｎｐｒｅｖｉｏｕｓｓｔｕｄｉｅｓ．ＴｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｅｓｔａｂｌｉｓｈａｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌｆａｔｉｇｕｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｕｓｉｎｇｆＮＩＲＳ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｅｘｔｒａｃｔｓｔｈｅｃａｒｄｉａｃａｎｄｒｅｓｐｉ

7、ｒａｔｏｒｙｆｅａｔｕｒｅｓｆｒｏｍｔｈｅｆＮＩＲＳｓｉｇｎａｌａｓｎｅｗｓｅｎｓｉｔｉｖｅｆｅａｔｕｒｅ．Ａｆａｔｉｇｕｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｖｅｃｔｏｒｍａｃｈｉｎｅ（ＳＶＭ）ｂｙｃｏｍｂｉｎｉｎｇｃａｒｄｉａｃａｎｄｒｅｓｐｉｒａｔｏｒｙｆｅａｔｕｒｅｓｗｉｔｈｃｏｍｍｏｎｆｅａｔｕｒｅｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｍｅａｎｖａｌｕｅａｎｄｓｌｏｐｅ．Ｗｅｕｓｅａｖｅｒｂａｌ２ｂａｃｋｔａｓｋｆｏｒａｔｏｔａｌｏｆ６０ｍｉｎｕｔｅｓｔｏｉｎｄｕｃｅｍｅｎｔａｌｆａｔｉ

8、ｇｕｅ．ＴｈｅｆＮＩＲＳｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍ１０ｃｈａｎｎｅｌｓｉｎｔｈｅｐｒｅｆｒｏｎｔａｌｃｏｒｔｅｘ（ＰＦＣ）ａｒｅｍｅａｓｕｒｅｄｆｒｏｍ１５ｈｅａｌｔｈｙｓｕｂｊｅｃｔｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｃａｒｄｉａｃａｎｄｒｅｓｐｉ