基于近红外光谱法的驾驶员脑功能连接及振动响应分析

摘要

在关于职业驾驶员脑中风发病率的统计研究中，发现专职驾驶员发生脑中风的危险性较高，其中客车驾驶员高于货车驾驶员，并且城市公交车驾驶员发生脑中风的危险性最高。由于职业驾驶员具有工作时间长，注意力集中，精神压力大的特点，并且在驾驶过程中受到温度，噪声，汽车振动等多方面的影响，因此在驾驶过程中发生突发性脑中风等脑功能疾病的情况愈发常见。
　　本文目的是首先利用近红外光谱检测手段，建立一种分析脑功能连接的评估方法，进而分析汽车振动因素对驾驶员脑功能连接的影响，确定对驾驶员脑功能连接影响较为严重的振动频率。从主动安全角度出发，将驾驶员脑功能连接特性作为新的评价指标，预防并提前发现驾驶员发生突发性脑中风的征兆，最终避免振动因素引起驾驶员突发性脑中风而导致的重大交通事故。
　　在脑功能检测方面，本文利用近红外光谱仪器的特点，检测脑组织内氧合血红蛋白信号。该信号具有自发性振动的特性，其特征频率可代表相应功能特点，本文利用连续小波变换方法，对信号进行时频变换，分析0.005-2 Hz频率范围内特点，并分为六段频率间隔:Ⅰ，0.6-2 Hz、Ⅱ，0.145-0.6 Hz、Ⅲ，0.052-0.145 Hz、Ⅳ,0.021-0.052 Hz、Ⅴ，0.0095-0.021 Hz、Ⅵ，0.005-0.0095 Hz。在脑功能连接问题的分析方面，由于大脑前额叶区域在认知、记忆等方面起到控制作用，本文针对左、右前额叶氧合血红蛋白信号进行脑功能连接分析。运用小波相干和相位相干方法，对这两组信号由时间序列转换为特征频率范围，并在能量和时间的相干性上做出分析，可由此确定脑功能连接的检测和分析方法。
　　在确定了脑功能连接的检测方法后，本文进而通过实验来验证有效性。该实验方式为:对13名脑中风患者和21名同年龄段健康人群进行15分钟左、右前额叶氧合血红蛋白采集，通过小波相干和相位相干方法，在特征频率范围内进行脑功能连接分析。实验结果为:脑中风患者在第Ⅲ段频率间隔内，脑功能连接呈现显著性降低。与临床医学结果一致，确定了该方法的有效性。本文基于偏最小二乘法建立一种脑功能连接检测模型。该模型可用于早期预防和检测脑中风等脑功能疾病，同时可对脑中风患者的康复进程进行有效评估。
　　最后，本文分析汽车振动对驾驶员脑功能连接的影响。根据驾驶员受到汽车振动情况，搭建模拟汽车振动的驾驶员座椅实验平台。对11名实验者在静息态、3 Hz、4.5 Hz、6Hz振动的4种条件下，进行20分钟的脑功能连接检测。结果发现，在振动和静息态对比中，振动导致驾驶员的脑功能连接在第Ⅱ和Ⅲ段频率间隔内呈现显著性降低。在不同振动频率间的对比发现，不同频率振动对驾驶员脑功能连接响应的差异性不显著。但是，4.5 Hz频率振动条件下的驾驶员脑功能连接最差。
　　综上，本文发现汽车振动会对驾驶员脑功能连接产生影响，并且该影响可能会导致脑功能突发性疾病。建议在今后汽车的制造方面，引入驾驶员脑功能连接指标。通过改变驾驶员受到的振动类型，减少驾驶员因脑功能连接障碍引发的突发性脑中风等疾病，进而减少该原因造成的交通事故。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 脑功能连接分析现状

1．3 论文研究的主要内容

第2章 基于近红外光谱的脑功能连接分析方法

2．1 近红外光谱检测脑血氧含量

2．1．1 近红外光谱检测原理及优势

2．1．2 检测各参数意义

2．2 利用近红外光谱进行脑功能连接评估

2．2．1 近红外为基础的脑功能连接

2．2．2 脑氧合血红蛋白振动特征频率

2．2．2 利用左右前额叶相干性评估脑功能连接

2．3 左右前额叶相干性分析方法

2．3．1 连续小波变换(Continue Wavelet Transform)

2．3．2 小波相干分析(Wavelet Coherence)

2．3．4 相位相干分析(Phase Coherence)

2．4 本章小结

第3章 脑中风人员的脑功能连接特征分析

3．1 实验方案设计

3．1．1 实验目的

3．1．2 实验对象

3．1．3 实验步骤

3．2 信号去噪及相干性处理

3．2．1 脑氧含量信号去噪及时频转换预处理

3．2．2 利用Matlab软件进行相干性处理

3．3 结果分析

3．3．1 在0．1Hz左右频率段显著性差异

3．3．2 讨论脑中风患者和健康人群的显著性差异

3．4 脑功能连接评估模块设计

3．5 本章小结

第4章 汽车整体振动对脑功能连接的影响分析

4．1 车辆模拟振动频率选取

4．2 实验方案设计

4．2．1 实验目的

4．2．2 实验对象

4．2．3 实验步骤

4．3 结果分析及讨论

4．3．1 数据处理与分析

4．3．2 不同振动频率对驾驶员脑功能连接影响结果讨论

4．3．3 驾驶员座椅优化设计探讨

4．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士期间发表论文

致谢