基于近红外光谱的驾驶员脑功能网络效应连接及实车驾驶行为分析

摘要

近些年随着汽车保有量的增加，道路交通安全逐渐成为大众关注的焦点。在简单驾驶状态下，驾驶员总是可以保证安全驾驶。但是在实施复杂驾驶行为时，随着精神负荷的增加，驾驶员往往容易出现操作失误，增加出现交通事故的可能。因此，本文的目的是通过脑功能网络效应连接方法来探究驾驶员进行驾驶行为时脑连接的生理机制，评价不同精神负荷对驾驶员的影响，为相应交通安全规则制定提供理论依据。
　　近红外光谱技术的优点是可以对脑微组织中的血氧参数进行无创，连续，实时的检测。由于神经血管耦合机制的存在，大脑的神经活动与脑部血氧含量变化有一定的关联，所以从血氧浓度出发，就能够很好地反映神经活动。本文通过近红外光谱法采集不同脑部区域的血氧信号，进而构建脑功能网络效应连接，探究驾驶员进行实车驾驶行为时的脑部机理，分析脑部不同区域的神经活动之间的相互联系。具体方法为，脑血氧信号在经过预处理之后，经过小波变换，通过小波幅值来反映脑区在不同精神负荷状态下的激活程度，进而通过条件格兰杰因果模型，计算出有向连接的方向和强度，同时结合图论节点度的方法，构建出脑功能网络效应连接模型。
　　本文通过16个通道，测量12个驾驶员的左右前额叶、运动区和视觉区在静息态、简单驾驶态和跟车驾驶态下的血氧浓度信号，发现从静息态到简单驾驶态，随着精神负荷的增加，左右前额叶的激活程度呈现出比静息态时更高的激活程度。效应连接方面，驾驶态的效应连接的连接强度相比于静息态显著上升。在因果流向方面，前额叶呈现为因果目标而运动区和视觉区呈现为因果起源。从简单驾驶态到跟车驾驶态，左右前额叶的激活程度虽然有所增加，但是并不显著，不过仍然比静息态要显著提高。效应连接方面，连接强度反而有所下降。在因果流向方面，右前额叶从因果目标变成了因果起源，左运动区表现正好相反。
　　综上所述，本文中利用不同的任务状态，对驾驶员施加不同的精神负荷，利用脑功能网络效应连接模型来评估其对驾驶员脑功能网络的影响，揭示驾驶员在驾驶时各脑区的工作机理，对评价驾驶员精神负荷状态，改进交通安全提供新的角度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 近红外光谱血氧检测技术简介

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 脑功能网络效应连接构建

2．1 多频率段脑血氧信号的生理含义

2．2 小波变换及其逆变换

2．3 条件格兰杰因果模型

2．4 基于图论的脑功能网络模型指标

2．5 本章小结

第3章 驾驶员实车驾驶实验设计及信号采集

3．1 驾驶员实车驾驶行为总体设计

3．2 实验内容

3．2．1 实验对象

3．2．2 实验仪器与探头布置

3．2．3 实验步骤

3．3 本章小结

4．1．1 数据预处理

4．1．2 计算小波幅值及小波逆变换

4．1．3 计算条件格兰杰因果

4．1．4 计算基于图论的脑功能网络参数

4．1．5 统计分析

4．2 实验结果

4．3 本章小结

第5章 结果分析与讨论

5．1 驾驶行为结果讨论

5．2 精神负荷对驾驶员脑功能网络的影响

5．3 脑功能网络模型对驾驶安全评估的作用

5．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢