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基于脑机接口的精神疲劳评估方法研究

作　者: 王鹏
导　师: 陈民铀
学　校: 重庆大学
专　业: 电气工程
关键词: 脑电精神疲劳小波包模糊综合评判
分类号: R318
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

精神疲劳是指劳动过程中体力或脑力消耗的能量过多或刺激过强,压力过大导致机体各部分功能反应能力减弱,之后引发的神经系统的疲劳。主要症状有头脑昏沉、反应迟钝、判断错误、注意力不集中、工作效率下降,易出差错等。在高危作业中,短期的精神疲劳产生的注意力不集中、反应迟钝等症状会引发严重的安全生产事故。精神疲劳若长期存在,便会影响身心健康,甚至引起身心疾病。精神疲劳是人体的一种生理性保护反应,人体通过适当地休息及放松,就可缓解精神疲劳。因此,对精神疲劳的检测和评估就显得尤为重要。然而,目前尚缺乏对精神疲劳程度进行客观有效评估的方法。本文针对这一问题展开对精神疲劳状态进行快速检测和评估方法的研究。拟通过分析脑电信号基本节律相对能量的变化来检测精神疲劳的程度。本文设计了一套基于LabVIEW平台的精神疲劳测试系统,用于实现快速检测人体的精神疲劳程度。本文通过对不同精神疲劳状态下采集的脑电信号进行小波包分析,提取出脑电各节律并计算脑电对数能量熵,定性分析了各特征参数与不同精神状态间的关联性。通过实验发现,相较于不疲劳状态而言,前额叶区的脑电各节律相对能量和脑电对数能量熵在不同精神疲劳状态下均有显著变化。因此,前额叶区的脑电各节律相对能量与脑电对数能量熵可以作为衡量精神疲劳的生理指标。通过对以上特征指标进行分析统计,最终选取大脑前额叶区FPz导联的脑电各节律相对能量作为特征指标,利用以相对隶属度为基础的模糊综合评判模型对精神疲劳程度进行分级。实验结果表明,运用模糊综合评判模型对精神疲劳的评价结果与客观实际相符。本文所采用的脑电信号采集设备NeuroScan平台支持通过TCP协议向局域网中的其他计算机实时传输信息。因此本文选用LabVIEW软件来实现脑电信号基于网络端口的实时数据传输,并将传输来的脑电信号作分析处理,从而评估出受试者当前的精神疲劳程度。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-17
  1.1 精神疲劳简介  8-12
    1.1.1 精神疲劳的概念  8-10
    1.1.2 精神疲劳的研究现状  10-12
    1.1.3 基于脑电信号的精神疲劳的研究意义  12
  1.2 本文的研究基础  12-15
    1.2.1 大脑结构  12-13
    1.2.2 脑电的产生机制及其基本特征  13-14
    1.2.3 精神疲劳脑电信号的研究依据  14-15
  1.3 本文主要研究内容  15-17
2 基于小波分析的精神疲劳脑电特征提取  17-27
  2.1 小波变换理论  17-19
    2.1.1 连续小波变换  17-18
    2.1.2 离散小波变换  18-19
  2.2 多分辨率分析  19-20
  2.3 小波包分析  20-22
  2.4 表征精神疲劳的脑电特征的选取  22-27
3 基于模糊综合评判的精神疲劳状态评估  27-36
  3.1 模糊集理论与应用  27-33
    3.1.1 绝对相对隶属度概念  27-29
    3.1.2 最大隶属度原则的不适用性  29-30
    3.1.3 相对状态的级别特征值  30
    3.1.4 模糊综合评判  30-33
  3.2 基于模糊综合评判的精神疲劳分级评估  33-36
4 精神疲劳测试系统实现  36-46
  4.1 基于网络端口的服务器与客户端之间的数据传输  37-42
    4.1.1 服务器与客户端通过套接字的网络连接  38-39
    4.1.2 SCAN4.3 软件数据包格式  39-42
  4.2 数据分析处理部分  42-46
5 精神疲劳实验设计及其结果分析  46-58
  5.1 实验设计  46-48
    5.1.1 实验平台 NEUROSCAN 简介  46-47
    5.1.2 精神疲劳实验设计  47-48
  5.2 精神疲劳测试实验分析  48-56
    5.2.1 脑电基本节律相对能量的计算  48-52
    5.2.2 脑电信号小波包熵值的计算  52-53
    5.2.3 基于模糊综合评判的精神疲劳分级  53-56
  5.3 精神疲劳测试系统实验  56-58
6 结论与展望  58-61
  6.1 总结  58-59
  6.2 展望  59-61
致谢  61-62
参考文献  62-66
附录  66

基于脑机接口的精神疲劳评估方法研究

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