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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,0.005-0.009 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、6 Hz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1I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。

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