无线近红外脑功能成像仪及驾驶疲劳研究

摘要

现如今驾驶疲劳已经成为导致交通事故和人员伤亡的主要道路交通事故的原因之一，量化长时驾驶疲劳程度以及研究相关仪器来实时连续地检测驾驶疲劳程度对预警驾驶疲劳都是非常有意义的。功能近红外光谱（fNIRS）技术是一种非侵入式的、便携的、成本较低的，可以用来实时连续地检测与脑功能活动相关的血液参数响应的重要手段。视觉非随意注意是神经科学的热点课题，与疲劳驾驶，多动症，衰老，睡眠等社会活动和精神疾病关系密切。本项目将采用功能近红外光谱技术（fNIRS）来研究脑部前额叶区域脑功能活动对视觉非随意注意的响应。
　　本文研制了fNIRS疲劳驾驶成像仪，并设计了基于经典实验范式Go/Nogo的视觉随意注意测试用来诱发响应不同驾驶疲劳的视觉随意注意，并尝试记录与驾驶疲劳水平相关的前额叶血液参数响应。我们一共招募了10名志愿者（6男，4女）来参加时长为7个小时的模拟驾驶实验。然后，使用研制的非侵入式fNIRS疲劳检测仪通过检测视觉随意注意所诱发的前额叶血液动力学参数信号，来评估长时驾驶过程中驾驶疲劳的特征量。视觉随意注意行为测试每个小时进行一次，一共进行8次。数据分析的结果显示，在长时间模拟驾驶过程中，头部前额叶左侧的部分区域检测到的含氧血红蛋白参量显示出来与行为参量很强的相关性（r=-0.896，p=0.003）。这项发现提出了使用 fNIRS疲劳检测仪在头部前额叶敏感位点测得的血液参数可以作为评估驾驶疲劳水平的一个潜在指标。与此同时，我们所研制的fNIRS疲劳驾驶检测仪可以被用在实际的驾驶过程中来评估驾驶员的驾驶疲劳水平，以预警驾驶员进入疲劳状态后应当采取刹车减速等相应的措施。这可能是一种减少因疲劳驾驶道路交通安全事故而导致的人员死亡与财产损失的有效方式。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 疲劳驾驶的研究现状

1.3 近红外光谱技术原理及研究现状

1.4 本论文的主要工作及结构安排

第二章 监测算法

2.1 fNIRS血氧相对量检测算法的研究

2.2 fNIRS血氧绝对量检测算法的研究

2.3 疲劳行为参量的拟合模型

2.4 本章小结

第三章 无线疲劳fNIRS检测仪的设计与实现

3.1 系统功能分析与结构设计

3.2 光电探头的设计与实现

3.3 主控模块的设计与实现

3.4 无线接收板的设计与实现

3.5 上位机软件的设计与实现

3.6 本章小结

第四章 仪器系统性能测试

4.1 滴墨水实验

4.2 上臂血液循环阻塞实验

4.3 无线通信测试

4.4 本章小结

第五章 在疲劳驾驶监测中的应用

5.1 随意注意脑功能测试

5.2 在疲劳驾驶监测中的应用

5.3 实验结果处理与分析

5.4 本章小结

第六章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果