l i l l l l1111i i i iiii i ii iu l ； y18 8 5 8 3 6 i t h er e s e a r c h o fv d tm e n t a lf a t i g u ee s t i m a t e dm e t h o db a s e do ne c g a n dp u l s es i g n a l y a n gh u a b e ( s h a n d o n gu n i v e r s i t yo f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s i g n a l & i n f o r m a t i o np r o c e s s i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n ga i h u a m a y , 2 0 1 1 蘭州理工大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名：日期：西, l lm 占月唁日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有 權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和 借閱。本人授權(quán)蘭州理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù) 庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。同 時授權(quán)中國科學(xué)技術(shù)信息研究所將本學(xué)位論文收錄到中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù) 庫，并通過網(wǎng)絡(luò)向社會公眾提供信息服務(wù)。 作者簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期：羽f f 年 日期：洌年 6 只喝e l 多月弋日 碩士學(xué)位論文 目錄 摘要i a b s t r a c t i i 插圖索引i v 附表索引v i 第一章緒論1 1 1 課題研究背景和意義1 1 1 1 課題研究背景1 1 1 2 課題研究意義l 1 2 精神疲勞國內(nèi)外研究現(xiàn)狀2 1 3 精神疲勞狀態(tài)評估的研究思路一4 1 3 1 中醫(yī)脈診與精神疲勞4 1 3 2 心電圖與精神疲勞5 1 3 3 多生理信息融合與精神疲勞一6 1 4 本文研究內(nèi)容及主要工作7 第二章精神疲勞實驗與生理信號采集一8 2 1 引言8 2 2 實驗設(shè)計8 2 3 實驗儀器1 1 2 3 1 溫度信號采集模塊1 2 2 3 2 心電信號采集模塊1 3 2 3 3 脈搏信號采集模塊1 5 2 3 4 呼吸信號采集模塊1 6 2 4 生理信號采集16 2 5 本章小結(jié)1 8 第三章心電信號與心率變異性分析1 9 3 1 引言1 9 3 2 心電信號產(chǎn)生原理及心電圖特性1 9 3 2 1 心電信號產(chǎn)生基本原理1 9 3 2 2 心電圖的特征及導(dǎo)聯(lián)2 1 3 3 心電信號的基線糾漂一2 2 3 3 1 中值濾波2 3 3 3 2f i r 濾波2 4 3 3 3 零相位i i r 濾波2 5 基于心電脈搏信號的v d t 精神疲勞識別方法研究 3 4 工頻干擾和肌電干擾的抑制一2 6 3 4 1 工頻干擾的抑制2 6 3 4 2 肌電干擾的抑制2 8 3 5 心電信號的分析與特征提取2 9 3 5 1t e a g e r 能量算子2 9 3 5 2q r s 波群及t 波的檢測3 0 3 5 3 心率變異性信號3 2 3 5 4e c g 與h r v 特征參數(shù)提取3 3 3 5 5v d t 精神疲勞狀態(tài)分析3 4 3 6 本章小結(jié)3 7 第四章脈搏信號預(yù)處理及特征提取3 8 4 1 引言：3 8 4 2 脈搏信號的產(chǎn)生機理及波形描述3 8 4 2 1 脈搏信號的產(chǎn)生機理3 8 4 2 2 典型脈搏信號的波形描述3 9 4 3 脈搏信號基線漂移的抑制4 l 4 3 1 小波分析的概念和基本理論4 l 4 3 2m a l l a t 算法4 3 4 3 3 小波基函數(shù)選取原則4 4 4 3 4 脈搏信號的糾漂4 5 4 4 工頻干擾和肌電干擾的抑制一4 7 4 5 脈搏信號特征點提取4 8 4 5 1 主波p 波峰點的提取4 8 4 5 2 其它特征點的提取一4 9 4 6 本章小結(jié)5 0 第五章多生理信息與v d t 精神疲勞5 1 5 1 引言5l 5 2 溫度信號處理與分析5 1 5 3 多生理信號的處理與分析一5 3 5 3 特征分類5 6 5 4 本章小結(jié)5 8 結(jié)論與展望一5 9 參考文獻一6 1 致謝6 5 附錄a 攻讀學(xué)位期間所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄6 6 碩士學(xué)位論文 附錄b 健康狀況自評表6 7 附錄c 測試人員健康狀況調(diào)查表6 9 附錄d 實驗記錄表一7 0 附錄e 問卷調(diào)查表1 7 1 附錄f 問卷調(diào)查表2 7 2 碩士學(xué)位論文 摘要 視頻顯示終端( v i s u a ld i s p l a yt e r m i n a l ，v d t ) 現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于學(xué)習(xí)、工作和 生活。它給人們帶來方便和高效率的同時也產(chǎn)生了一些新的職業(yè)衛(wèi)生問題，比如 視覺疲勞、精神疲勞和肌體疲勞等。精神疲勞影響人們的生活質(zhì)量，降低工作效 率，影響社會經(jīng)濟發(fā)展，研究精神疲勞已成為當(dāng)務(wù)之急。因此，認(rèn)識v d t 精神疲 勞的本質(zhì)以及疲勞對人們生活的影響，對于預(yù)防由v d t 作業(yè)引起的疲勞有重要的 意義。 目前傳統(tǒng)的生理性精神疲勞測定方法主要有主觀評定法和客觀評定法兩類。 隨著科技的進步，研究疲勞的客觀手段越來越多，生理指標(biāo)的介入使其成為醫(yī)學(xué)、 認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)的研究熱點。然而，對精神疲勞的檢測目前仍缺乏客觀的生理 指標(biāo)。心電信號和脈搏信號包含有豐富的人體生理信息，可以很好地反映人體各 個子系統(tǒng)的生理狀態(tài)和病理變化狀況。本文主要通過對心電信號、脈搏信號和溫 度信號進行處理與分析，來探討v d t 精神疲勞狀態(tài)對人體生理信號產(chǎn)生的影響。 本文設(shè)計了精神疲勞實驗，要求被試者在電腦上完成1 5 小時的兩個三位數(shù) 加減法混合運算，同時采集人體的心電、脈搏、溫度等生理信號，并提取相應(yīng)的 特征，如脈搏波峰值( m a p ) 、脈搏波潮波峰值( m a p l ) 、心率、心電信號的特征 點s 的幅值、心率變異性的時域r m s s d 、p n n 5 0 以及頻率指標(biāo)l f 、h f 、l f h f 等特征參數(shù)。通過分析實驗前和實驗后生理信號特征的變化來評估v d t 精神疲 勞狀態(tài)。此外，對疲勞前和疲勞后的人體溫度信號也做了初步的探索。 與精神疲勞前相比，精神疲勞實驗后，被試者體溫顯著升高( p 0 0 0 1 ) ， p n n 5 0 明顯升高( p 0 0 5 ) ，心電信號的s 波的幅值明顯下降( p 0 0 5 ) ；自然 恢復(fù)后與精神疲勞測試實驗結(jié)束時相比，體溫升高，p n n 5 0 變化不明顯，s 波的 幅值顯著升高( p 0 0 1 ) ，精神疲勞程度有所緩解。根據(jù)測試組和對照組的結(jié)果， 測試組和對照組的脈搏主波峰值和潮波峰值均顯著下降( p 0 0 0 1 ) ，但從下降的 程度來看，測試組被試者的脈搏峰值下降更為顯著；而對照組實驗結(jié)果說明，被 試者在自然狀態(tài)下也會有生理上的疲勞，從而導(dǎo)致了生理信號特征的變化。以上 結(jié)果表明，通過對人體生理信號的研究可以找到能夠有效評測v d t 精神疲勞的 客觀指標(biāo)。 關(guān)鍵詞：心電信號；脈搏信號；v d t 精神疲勞；基線漂移；心率變異性 a b s t r a c t n o wv i s u a ld i s p l a yt e r m i n a l ( v d t ) h a sb e e nw i d e l yu s e di n s t u d y w o r ka n d l i f e i tm a k e st h ew o r ka n dl i f em o r ec o n v e n i e n ta n de f f i c i e n t ，a n da l s oc a u s e ss o m e n e wo c c u p a t i o n a lh e a l t hp r o b l e m s ，s u c ha sv i s u a lf a t i g u e ，m e n t a lf a t i g u ea n dm u s c l e f a t i g u e ，e t c b e c a u s eo fm e n t a lf a t i g u e ，t h e q u a l i t yo fp e o p l e sl i v e sw o u l db e a f f e c t e d ，w o r ke f f i c i e n c yw o u l db er e d u c e da n ds o c i a le c o n o m i cd e v e l o p m e n tw o u l d b eh i n d e r e d t h es t u d yo fm e n t a lf a t i g u eh a sb e c o m ea t o pp r i o r i t y t h e r e f o r e ，i th a s t h ev e r yv i t a ls i g n i f i c a n c et ou n d e r s t a n dt h en a t u r eo fv d t m e n t a lf a t i g u ea n dt h e e f f e c to ff a t i g u eo np e o p l e sl i f ef o rt a k i n gp r e c a u t i o n sa g a i n s tf a t i g u e d u r i n gt h e v d tw o r k a tp r e s e n tt h et r a d i t i o n a lm e t h o d s m a i n l ys u b je c t i v ee v a lu a t i o nm e t h o d t od e t e r m i n ep h y s i o l o g i c a lm e n t a lf a t i g u ea r e a n do b j e c t i v ee v a l u a t i o nm e t h o dt w ok i n d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h e r ea r em o r ea n dm o r eo b j e c t i v e m e t h o d st or e s e a r c hf a t i g u e ，a n dp h y s i o l o g i c a li n d e x e si n t e r v e n em a k e s i tam e d i c a l c o g n i t i v es c i e n c ea n dp s y c h o l o g yr e s e a r c hh o ts p o t h o w e v e r ，t h ed e t e c t i o no f m e n t a lf a t i g u ei ss t i l ll a c ko fo b j e c t i v ep h y s i o l o g i c a l i n d e x e s t h ee c ga n dt h e p u l s es i g n a l sc o n t a i nr i c hh u m a np h y s i o l o g i c a li n f o r m a t i o n ，a n dt h e yc a nr e f l e c tt h e p h y s i o l o g i c a ls t a t eo f e a c hs u b s y s t e ma n dt h ep a t h o l o g i c a lc h a n g e so f p h y s i o l o g i c a l c o n d i t i o nw e l li nh u m a nb o d y t h i s p a p e rd i s c u s s e dt h ev d tm e n t a lf a t ig u e i n f l u e n c et oh u m a np h y s i o l o g i c a ls i g n a l ，m a i n l yt h r o u g he c g s i g n a l ，p u l s es i g n a l a n dt e m p e r a t u r es i g n a lp r o c e s s i n ga n da n a l y s i s i nt h i s p a p e r ，am a n t a lf a t i g u ee x p e r i m e n ti sd e s g i n e d a l lt h e s u b j e c t sa r e r e q u i r e dt o f i n i s ht h e t h ea d d i t i o na n dt h e s u b s t r a c t i o no ft w ot h r e e - d i g i t so n c o m p u t e rf o r 1 5h o u r s a tt h es a m et i m e ，t h ee c g , t h ep u l s e s i n g a la n dt h eb o d v t e m p e r a t u r es i g n a la r ea c q u i r e d s o m ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa r ee x t r a c t e df r o m t h ep h y s i o l o g i cs i g n a l sa n da n a l y z e d ，s u c ha st h ep e a kv a l u eo ft h ep u l s es i g n a l s ( m a p ) ，t h et i d a lw a v ep e a ko ft h ep u l s es i g n a l s ( m a p1 ) ，t h eh e a r tr a t e ，t h ea m p l i t u d e o fsw a v e si nt h ee c g , t h er m s s da n dt h ep n n 5 0o fh e a r tr a t e v a r i a b i l i t y ，a n d s o m ef r e q u e n c yi n d e x e se t c ，t h ef r e q u e n c yi n d e x e sm a i nc o n t a i nl f , h f a n dl f h f a n ds oo n t h ev d tm e n t a lf a t i g u es t a t ei se s t i m a t e db ya n a l y z i n gt h ec h a n g e so f t h e s ec h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r sb e f o r ea n da f t e rt h ee x p e r i m e n t i na d d i t i o n a p r e l i m i n a r ye x p l o r a t i o ni sc o m d u c t e dt ot h eb o d yt e m p e r a t u r e k e y w 。r d s ：e c gs i g n a l ；p u l s es i g n a i ；v 。tm e n t a l f a t i g u e ；b a s e l i n ed rift；heartrate v a r i a b i l i ty m 基丁心電脈搏信號的v d t 精神疲勞識別方法研究 插圖索引 圖2 1 疲勞測試系統(tǒng)界面9 圖2 2m p l5 0 多導(dǎo)生理記錄儀1 2 圖2 3 溫度信號的波形圖1 3 圖2 4 標(biāo)準(zhǔn)胸導(dǎo)聯(lián)的電極連接部位1 4 圖2 5 正常v 1 和v 5 兩導(dǎo)聯(lián)心電圖1 4 圖2 6 實驗中所采集到的v 1 和v 5 心電信號的波形15 圖2 7 典型脈搏信號波形圖1 5 圖2 8 實驗中所測脈搏信號波形圖1 6 圖2 9 實驗中采集的呼吸信號波形圖1 6 圖2 1 0 同步采集四種生理信號的波形圖1 7 圖2 1 1 被試者實驗過程圖1 8 圖3 1 心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)2 0 圖3 2 心室肌細胞電位變化示意圖一2 l 圖3 3 正常心電圖波形一2 2 圖3 4 中值濾波去除基線漂移的效果圖2 4 圖3 5f i r 濾波去除e c g 基漂的波形圖2 4 圖3 6 零相位濾波去除e c g 基線漂移的過程圖2 6 圖3 7 橢圓帶阻濾波器的幅頻響應(yīng)特性曲線2 7 圖3 8 橢圓帶阻濾波器濾波前后心電信號的時域波形一2 7 圖3 9 橢圓帶阻濾波器濾波前后心電信號的頻域波形2 8 圖3 10 小波分解去除心電肌電干擾的波形圖2 9 圖3 1 lr 波檢測3 l 圖3 1 2r r 間期序列的功率譜估計圖3 4 圖3 13 心電信號時域、頻域變化明顯的幾個特征3 6 圖4 1 心臟解剖圖3 9 圖4 2 信號x 作小波多重分解示意圖4 4 圖4 3 脈搏信號去除基線漂移信號的過程圖4 6 圖4 4 去除工頻干擾和肌電干擾的波形圖4 7 圖4 5 實驗所采集脈搏信號波形4 8 圖4 6 脈搏信號特征點檢測圖一4 9 圖5 1 各個狀態(tài)的體溫信號5 3 i v 碩士學(xué)位論文 圖5 2 測試組和對照組溫度信號變化情況5 6 v 基于心電脈搏信號的v d t 精神疲勞識別方法研究 附表索引 表2 1 算術(shù)負(fù)荷的工效指標(biāo)1 0 表2 2 算術(shù)負(fù)荷的工效指標(biāo)1 1 表3 1 精神疲勞測試實驗組心電信號參數(shù)變化情況3 4 表5 1 被試者溫度信號變化情況5 2 表5 2 溫度信號統(tǒng)計分析一5 2 表5 3 心電脈搏信號的特征參數(shù)5 4 表5 4 測試組和對照組的溫度信號變化5 5 表5 5 測試組和對照組的溫度信號統(tǒng)計分析5 6 表5 6 兩種分類器對精神疲勞前后狀態(tài)下數(shù)據(jù)的分類效果比較5 7 表5 7 單一特征分類結(jié)果5 8 表5 8 組合特征分類結(jié)果5 8 v i 碩士學(xué)位論文 1 1 課題研究背景和意義 1 1 1 課題研究背景 第一章緒論 帚一早珀下匕 人類對疲勞的關(guān)注由為已久，而對其進行系統(tǒng)而科學(xué)的研究始于上世紀(jì)初 期。在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展、競爭激烈的社會里，精神疲勞狀態(tài)的研究已經(jīng)成為眾 多學(xué)者較為關(guān)注的研究課題。疲勞指機體生理過程不能在特定水平，或是器官功 能上維持其功能，或不能維持在特定的工作強度。疲勞會引發(fā)安全事故，降低人 們的工作效率，影響人們的情緒以及身心健康，進而影響到人們工作、學(xué)習(xí)及其 日常生活的各個方面i 。 精神疲勞( m e n t a lf a t i g u e ) 是指工作或?qū)W習(xí)過程中，由于長時間從事腦力 勞動、睡眠不足、或近日節(jié)律擾亂而導(dǎo)致人們作業(yè)機能衰退、作業(yè)能力下降的現(xiàn) 象【2 1 。 精神疲勞的產(chǎn)生有多種原因。如競爭激烈、經(jīng)常加班加點、工作難度大、企 業(yè)虧損、住房擁擠、鄰里反目、物價上漲、家庭糾紛等。單調(diào)的、乏味的、長時 間操作會引起操作者極度厭煩，它能引起和加速操作者心理疲勞的產(chǎn)生。單調(diào)往 往與不變或重復(fù)方式變化的情緒條件聯(lián)系在一起，因而產(chǎn)生不合、缺乏興趣、不 愉快和挑戰(zhàn)、壓抑以及覺得工作永無止境等消極情緒，從而產(chǎn)生心理疲勞。人們 如果長期、反復(fù)、持續(xù)生活在不愉快的情緒中，便會出現(xiàn)情緒困擾、心態(tài)失衡以 及精神疲勞。精神疲勞若長期持續(xù)存在，便會影響身心健康，甚至引起身心疾病。 可這一點正是人們最容易忽視的。不少人長期生活緊張、刻板，既要工作，又要 承擔(dān)繁重的家務(wù)，因而特別容易出現(xiàn)精神疲勞，而緊張的精神狀態(tài)如不能及時得 到松弛，就有可能引發(fā)潰瘍病、高血壓、冠心病、神經(jīng)癥、胃腸激惹綜合征等身 心疾病。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們的工作壓力也不斷加大，精神疲勞 已成為城市中的重要問題，嚴(yán)重威脅著人們的健康和生活質(zhì)量。在交通駕駛、航 空航天活動、人機系統(tǒng)監(jiān)控等工作中，操控人員精神疲勞引起的瞬間的注意力分 散、反應(yīng)遲緩或協(xié)調(diào)性不夠，都可能導(dǎo)致極為嚴(yán)重的事故【3 l 。 1 1 2 課題研究意義 目前，計算機技術(shù)迅速發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)成了人們不可缺少的通訊信息獲取的工 具，使用計算機作業(yè)的人越來越多。與視頻顯示終端( v i s u a ld i s p l a yt e r m i n a l 基于心電脈搏信號的v d t 精神疲勞識別方法諺f 冗 v d t ) 作業(yè)相關(guān)的很多工作，尤其是實時監(jiān)控、車輛駕駛、航空航天、交通調(diào)度、 空中管制、高風(fēng)險作業(yè)等行業(yè)，許多事故的發(fā)生都與疲勞有關(guān)【4 5 】?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù) 中心( i n t e r n e td a t ac e n t e r ) i d c 公布的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，美國2 0 0 1 年銷售的p c 電腦中6 6 16 作為商用。如果按這一比例推算，我國2 0 0 0 - 2 0 0 3 年銷售的p c 電腦中約有2 2 3 0 萬臺在企事業(yè)單位中使用。如果一臺電腦的使用者為1 一1 5 人， 則全國至少約有2 2 3 0 - - - 3 3 0 0 萬人在工作中用v d t 。單調(diào)、乏味、工作量大的 v d t 工作，引起人的視覺疲勞，身心上給人枯燥乏味感。久之導(dǎo)致心理負(fù)荷過 高引發(fā)心理疲勞，即精神疲勞。v d t 作業(yè)是與傳統(tǒng)桌面作業(yè)不同類型的視覺作 業(yè)，也是腦力和神經(jīng)緊張型作業(yè)。v d t 作業(yè)者的身心疲勞是人計算機環(huán)境系統(tǒng) 中各種生理、心理負(fù)荷因素綜合作用的結(jié)果。 世界衛(wèi)生組織研究表明，目前世界有6 0 的人生活在亞健康狀態(tài)之中，而且 人與人的亞健康程度各不相同。通過研究可知，精神疲勞是亞健康狀態(tài)最多見、 最典型的表現(xiàn)，精神疲勞主要表現(xiàn)為疲憊感、注意力難子集中、對事物的敏感性 和警戒性降低、大腦興奮度降低、工作效率低下等【6 ，7 】。它嚴(yán)重地威脅著人類健 康安適的生活。目前，科學(xué)技術(shù)與經(jīng)濟迅速發(fā)展，精神疲勞不但是醫(yī)學(xué)問題也是 社會問題，不僅使人們的生活質(zhì)量降低，也同樣制約了經(jīng)濟的發(fā)展，進而影響到 社會不斷發(fā)展的進程。因此，不斷的關(guān)注精神疲勞，研究精神疲勞，己經(jīng)成為當(dāng) 務(wù)之急。大量的研究表明，日常生活或其它各個方面的精神負(fù)荷狀況都與各種疾 患有著密切關(guān)系，長期的精神壓力和負(fù)擔(dān)是導(dǎo)致各種病患的重要因素之一。目前， 醫(yī)學(xué)界已把各種由于心理因素所造成的疾病統(tǒng)稱為心源性疾病，據(jù)統(tǒng)計有1 0 0 0 多種?？陀^而有效地識別人體的精神疲勞狀態(tài)，精神疲勞疲勞程度，以及客觀、 準(zhǔn)確地評價精神疲勞消除方法，是預(yù)防各種精神方面的疾病的有效措施。對精神 疲勞進行識別，使人類遠離“抑郁癥”【8 j ，這對提高人們的生活質(zhì)量具有重要意義。 1 2 精神疲勞國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，國內(nèi)外精神疲勞的測定沒有客觀而具體的技術(shù)指標(biāo)，常見的形式是采 用問卷調(diào)查的方式。常見的精神疲勞研究主要有駕駛疲勞，包括有飛機，輪船， 火車、汽車等交通工具的駕駛。駕駛精神疲勞是威脅人們健康與生命安全的嚴(yán)重 問題【9 , 1 0 】。有研究指出，由駕駛精神疲勞引起的交通事故占總交通事故的百分比 開始上升，比如從1 9 8 0 年的4 上升到19 9 5 年的2 5 ；在一份調(diào)查報告中，有6 4 的調(diào)查響應(yīng)者曾經(jīng)在駕駛過程中有過疲勞的經(jīng)歷，同時，在此其中有7 的被調(diào) 查者聲明由于疲勞引發(fā)過交通事故。 早期國內(nèi)外精神疲勞檢測主要采用主觀評定法( 疲勞量表) ，此方法在評定 時，缺乏足夠的效度和信度。隨著科技的進步，研究疲勞的客觀手段越來越多， 生理指標(biāo)的介入使其成為醫(yī)學(xué)、認(rèn)知科學(xué)和心理學(xué)的研究熱點。目前研究表明， 2 碩士學(xué)位論文 能夠有效檢測與評價疲勞的生理信號指標(biāo)主要是電生理信號指標(biāo)，比如腦電圖 ( e e g ) 、事件相關(guān)電位( e r p ) 、眼動圖( e o g ) 等，其中，被認(rèn)為最具潛力、最可靠 并且已經(jīng)成功應(yīng)用于大腦疲勞狀態(tài)檢測的方法是基于腦電信號的分析方法 【1 1 一l3 1 。傳統(tǒng)的生理性精神疲勞測定方法主要有主觀評定法和客觀評定法兩類。 主觀評定法根據(jù)作業(yè)者的身體的和神經(jīng)的感受癥狀來判斷疲勞的程度，主要通過 主觀問卷調(diào)查的形式來進行。這種主觀評分標(biāo)準(zhǔn)不易統(tǒng)一、且易受人的主觀因素 的影響，無法對疲勞時心理、生理狀態(tài)進行客觀的評定。客觀評定法是對人體的 生理、生化方面指標(biāo)進行觀察，并對這些指標(biāo)進行綜合評價來估計疲勞程度1 1 4 】。 隨著生物醫(yī)學(xué)信號方面研究的不斷發(fā)展進步，精神疲勞方面的研究也越來越 多。計算機技術(shù)迅速發(fā)展，進行v d t 作業(yè)的人越來越多，在大量的人機交互中， 體力和腦力上的活動，引發(fā)肌體疲勞、視覺疲勞、精神疲勞。目前，國內(nèi)外關(guān)于 v d t 作業(yè)中引起的精神疲勞的研究還是比較少的。 在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的鄭崇勛教授和自己的博士、碩士研究生主要從腦電 信號的方面，運用不同的信號處理方法對精神疲勞做了深入的研究。例如，李小 平、張崇等研究的基于多導(dǎo)腦電的生理性精神疲勞分析1 1 5 , 1 6 j ，通過對4 種生理 性精神疲勞狀態(tài)下4 導(dǎo)腦電信號進行功率譜和小波熵特征分析，來研究腦電信號 各節(jié)律相對功率以及小波熵與生理性精神疲勞程度之間的關(guān)系，并分析了它們在 不同生理性精神疲勞狀態(tài)下的變化規(guī)律及其相關(guān)性。研究結(jié)果表明，腦電信號各 節(jié)律的相對功率以及小波熵平均值將有望成為衡量生理性精神疲勞程度的指標(biāo)。 文獻 17 19 】為了區(qū)分精神疲勞的程度，研究了不同精神疲勞狀態(tài)時生理信號的 無序程度，文獻【2 0 1 對于e e g 用柯爾莫哥洛夫熵測度對精神疲勞狀態(tài)進行研究， 通過分析腦電信號柯爾莫哥洛夫熵的波動范圍對疲勞時心理生理狀態(tài)進行客觀 評定。 目前還有的研究有，李永平研究的脈搏圖像化檢測方法對精神疲勞狀態(tài)的識 別【2 1 】；豆小璽、王龍研究的脈搏信號功率譜分析對精神疲勞狀態(tài)的識別【2 2 1 ，根 據(jù)精神疲勞狀態(tài)與脈搏信號間的內(nèi)在聯(lián)系，設(shè)計一種基于脈搏信號特征參數(shù)評測 精神疲勞狀態(tài)的方法，為精神疲勞狀態(tài)的診斷和評測提供科學(xué)依據(jù)；為進一步認(rèn) 識精神疲勞的過程，研究精神疲勞對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的影響提供了一種新的工具； 提取腦電信號的多通道線性描述參數(shù)場強變化率，研究腦電信號場強變化率的平 均值與生理性精神疲勞程度之間的關(guān)系 2 3 1 ；文獻【2 4 為了改善精神疲勞而研究的 在特定穴位施加哈慈五行針；嚴(yán)洪、李延軍等人從心率變異性信號( h e a r tr a t e v a r i a b i l i t y ，h r v ) 的時域、頻域分析了不同狀態(tài)下的精神疲勞狀態(tài)如何，指出 了在讀書和筆算兩種狀態(tài)條件下負(fù)荷、應(yīng)激與疲勞之間的聯(lián)系 2 5 1 。結(jié)果表明： 讀書階段的疲勞累積效應(yīng)強于筆算過程所以引發(fā)的精神疲勞；同時說明了僅以工 作績效檢測精神疲勞存在局限性。 3 基丁心電脈搏信號的v d t 精神疲勞識別方法研咒 在國外，迄今為止大量研究指出，心理負(fù)荷與人體神經(jīng)心痛密切相關(guān)，心理 負(fù)荷導(dǎo)致中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能下降【26 】等等。日本學(xué)者a t s u s h iu e t a k e 和a t s o u m u r a t a 通過讓被試者完成v d t 作業(yè)，采集事件相關(guān)電位( p 3 0 0 ) 來評估精神疲 勞，實驗結(jié)果表明，精神疲勞影響到了p 3 0 0 的兩個因素，即幅值和時延兩方面。 在精神疲勞時，p 3 0 0 時延的增長表明了認(rèn)知能力信息處理的延遲；幅度的降低 表明了認(rèn)知信息處理活性的減弱 2 7 , 2 8 】。新加坡大學(xué)研究者研究了用一個聽覺警 戒的實驗任務(wù)( a u d i t o r yv i g i l a n c et a s k ，a v t ) 來研究精神疲勞，實驗結(jié)論得出 a v t 在探測精神疲勞狀態(tài)時是一種非常可靠的有效的指標(biāo)【2 9 1 。日本學(xué)者m i z u n o 研究了運用一個實用的先進跟蹤測試任務(wù)作為神經(jīng)心理學(xué)的工具來客觀評價心 理疲勞過程中的工作效率，結(jié)果表明：精神疲勞隨著腦力工作的增加精神疲勞狀 態(tài)加深，而且被試者工作效率下降【3 。 由上述可知，目前已經(jīng)有關(guān)于精神疲勞的不同研究，但是基于心電、脈搏信 號同步采集研究v d t 精神疲勞的幾乎沒有。對上面提到的關(guān)于疲勞方面的研究， 多是基于腦電( e e g ) 、事件相關(guān)電位( e r p ) 的，這些研究存在的問題就是測 量不方便，腦電信號比較微弱，自發(fā)腦電信號約5 l5 0 9 v ，很容易受外界干擾， 對外圍采集系統(tǒng)要求很高，而體表心電信號相對較大，最大可達5 m v ，脈搏信 號是微伏到毫伏級之間的信號。心電、脈搏信號采集比較方便，而且心電信號和 脈搏波信號均包含著豐富的人體生理信息，人體任何一個子系統(tǒng)的狀態(tài)變化都會 影響到脈搏系統(tǒng)和心臟系統(tǒng)。心電信號、脈搏信號能反映人體心臟器官和血液循 環(huán)系統(tǒng)的生理變化，在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要，并且從生命信息科 學(xué)的角度也具有重要的研究價值。因此，本課題中采用心電、脈搏信號識別v d t 精神疲勞狀態(tài)，是一種有效可行的方法。 1 3 精神疲勞狀態(tài)評估的研究思路 1 3 1 中醫(yī)脈診與精神疲勞 脈，就是兩手腕寸、關(guān)、尺三個部位的動脈搏動，也就是血液循環(huán)過程中血 液在該處所產(chǎn)生的動態(tài)指感。在中醫(yī)脈診的概念中指出，脈的作用主要是反映人 體的五臟六腑的健康狀況，一旦五臟六腑發(fā)生了病變，就可以通過它來傳遞病變 信息。中醫(yī)醫(yī)生可以通過人手指端的感覺來進行判斷，這種診斷方式被稱為脈診 【3 1 】 o 中醫(yī)在診斷疾病時，脈診是望、聞、問、切四診中的重要步驟和手段。脈象 的變化反應(yīng)了五臟六腑氣血盛衰。中醫(yī)可以根據(jù)脈象的變化狀況，來探測人體臟 腑的氣血、陰陽、生理與病理的狀況。中醫(yī)脈診還可通過檢查與分析脈象的變化， 4 碩士學(xué)位論文 了解人體氣血的運行狀態(tài)以及五臟六腑生理與病理的改變狀況，從而來達到臨床 診斷和治療的目的。 在中醫(yī)脈診學(xué)中，雖然沒有明確提出疲勞狀態(tài)的概念，但自古以來對與疲勞 狀態(tài)密切相關(guān)的潛病未病態(tài)和欲病未病態(tài)有著深入的觀察與認(rèn)識。由于中醫(yī)獨特 的理論體系和整體觀念、辯證思想，在疲勞狀態(tài)的預(yù)防、評估方面有著獨特的優(yōu) 勢。 中醫(yī)學(xué)認(rèn)為，脈診是傳統(tǒng)中醫(yī)學(xué)中一項最具特色的診斷方法，是中醫(yī)“整體 觀念”、“辯證論治”基本精神的體現(xiàn)和應(yīng)用。健康是人與自然、社會之間的一種 動態(tài)平衡，包括機體內(nèi)部的陰陽平衡，也包括機體與外界環(huán)境的陰陽平衡。心、 脈是形成脈象的主要臟器，氣、血是形成脈象的物質(zhì)基礎(chǔ)，可以反映五臟六腑的 生理信息及各生理系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息。在某種致病因素的影響下，機體臟腑、 經(jīng)絡(luò)生理活動首先會出現(xiàn)輕度異常，打破氣血循環(huán)的陰陽平衡，導(dǎo)致陰陽輕度失 調(diào)，出現(xiàn)相應(yīng)的癥狀，產(chǎn)生了人體自身或人與社會、環(huán)境的不協(xié)調(diào)，但尚未達到 西醫(yī)疾病診斷的標(biāo)準(zhǔn)，即所謂的“疲勞 狀態(tài)。 脈搏信號中蘊涵著豐富的人體生理、病理信息，是傳遞和窺視體內(nèi)功能變化 的窗口，異常信息在未病態(tài)時就已反映在脈搏信號中【3 2 1 。通過上面講述的脈診 對人體的重要性，脈搏信號可以反映人體的生理病理信息等等。這一些都說明了 中醫(yī)脈診與精神疲勞有很好的聯(lián)系。因此，可以通過分析研究脈搏信號的特征參 數(shù)的變化情況，來研究人體處在一種精神疲勞狀態(tài)時生理信號的變化規(guī)律，以及 尋找出客觀的評價指標(biāo)來評價識別精神疲勞狀態(tài)。利用脈搏信號中蘊含的人體豐 富信息來研究疲勞狀態(tài)已是目前疲勞研究的一個非常備受關(guān)注的新方法。 - 1 3 2 心電圖與精神疲勞 心電圖最早是由e i n t h o v e n 于1 9 0 3 年發(fā)現(xiàn) 3 3 - 3 5 j 。他使用弦線電流計以光學(xué) 方法記錄了心臟的電位變化，所記錄的這種周期性的電位變化成為心電圖。這種 技術(shù)與19 0 4 年被用于臨床，作為心臟病的一種診斷方法。2 0 世紀(jì)五十年代以來， 心電圖領(lǐng)域又引進了電子計算機分析技術(shù)，使心電分析方法有了很多新的進展。 目前，心電信號分析已經(jīng)用于臨床診斷，因為心電信號攜帶有關(guān)人體的大量有用 信息，可以診斷心臟病，心血管疾病等等。 現(xiàn)代醫(yī)學(xué)認(rèn)為，心血管疾病己經(jīng)成為當(dāng)今危害人類健康的頭號殺手，己經(jīng)成 為發(fā)病率和死亡率最高的疾病之一。心電圖檢查是臨床上診斷心血管疾病的重要 方法之一。人體的心電信號所包含的信息參數(shù)與血液動力學(xué)參數(shù)處在不斷地動態(tài) 平衡之中。人體在處于精神疲勞狀態(tài)或是疾病早期，沒有明顯的癥狀或是各種檢 查呈現(xiàn)出陰性時，這些參數(shù)可能已經(jīng)先于臨床而偏離了正常值，這樣人體處在了 5 基r 心電脈搏信號的) t 精神疲勞識別方法研究 疾病的狀態(tài)卻不能提前預(yù)知到，而耽誤了治療的好時期。所以，及時準(zhǔn)確的檢測 這些參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)異常的生理信息并采取正確的診治措施，可以做到醫(yī)學(xué)上的 對疾病早期診斷、早期治療、提前預(yù)防的目的。 心電信號是常用的評價疲勞狀態(tài)的生理指標(biāo)，特別是以心血管系統(tǒng)表現(xiàn)為主 的疲勞狀態(tài)。心電圖是診斷心臟肌電生理變化心律失常的重要方法，主要反 映心臟電激動過程。在評價以心血管系統(tǒng)表現(xiàn)為主的疲勞狀態(tài)時，心電波是常用 的生理學(xué)指標(biāo)。9 0 以上的，t l , 律失常通過體表心電圖分析可以做出診斷；可顯示 心臟電生理、解剖、代謝和血流動力學(xué)改變，并提供各種心臟病確診和治療的基 本信息。但心電圖反映的僅是時間和空間的生物電活動，不能直接反映心臟機械 活動及血流動力學(xué)改變，有時患者在臨床上己確定有器質(zhì)性心臟病，甚至已發(fā)生 心力衰竭，而心電圖檢查仍可正常。因此心電圖僅是一種協(xié)助診斷的工具，必須 緊密結(jié)合臨床癥狀和其他診斷方法才能正確判定其意義【3 6 。 1 3 3 多生理信息融合與精神疲勞 人體生理信息種類繁多，溫度信號可以反映人體機體的體溫變化信息，人體 內(nèi)臟器官在3 6 ( 2 左右的體溫中正常發(fā)揮作用。呼吸信號可以反映人體的呼吸均勻 程度，可以尋找呼吸與心電、脈搏信號之間的相關(guān)分析，進而研究人體處在疲勞 狀態(tài)生理信息之間的相關(guān)與聯(lián)系。心電信號( e 1 e c t r o c a r d i o g r a m ，e c g ) 、脈搏信 號( p u l s ew a v e ) 都含有人體豐富的生理信息能反映人體心臟器官和血液循環(huán)系統(tǒng) 的生理變化，在臨床健康觀察和疾病診斷中十分重要，并且從生命信息科學(xué)的角 度也具有重要的研究價值【37 1 。例如心臟病的發(fā)作帶有很大的偶然性和突發(fā)性， 在非發(fā)作周期作常規(guī)心電圖檢查，我們從中獲取疾病信息的概率很低。心血管疾 病已成為人類的頭號殺手，據(jù)統(tǒng)計，世界上每年平均有幾百萬人死于心血管疾病， 對心血管疾病的診斷、治療已成為當(dāng)務(wù)之急。及時、準(zhǔn)確的了解人類心臟病的狀 況，對于適時治療、