[發明專利]基于多生理參數PCA融合的腦力負荷測量方法

有效

• 申請號: 201210201512.5
• 申請日: 2012-06-18
• 公開（公告）號: CN102727223A
• 公開（公告）日: 2012-10-17
• 發明（設計）人: 李南南;明東;柯余峰;張迪;付蘭
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: A61B5/16
• 分類號: A61B5/16;A61B5/024;A61B3/11
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

技術領域

本發明涉及醫療器械領域，具體講，涉及應用于醫療器械領域的基于多生理參數PCA融合的腦力負荷測量方法。

背景技術

腦力負荷，指作業人員為達到業績標準而付出的注意力大小，其涉及到完成某項任務時的工作要求、時間壓力、作業人員的能力和努力程度，以及任務不順利時的挫折感等。低腦力負荷會使人感到厭倦，注意力不集中；高強度的腦力負荷會影響作業者工作績效，如此長時間的腦力負荷會使人產生腦力疲勞，而疲勞會使人反應遲鈍，靈活性低，容易被無關信息干擾，出錯率增加，重復犯錯。

因為腦力負荷是一個多維的概念，所以腦力負荷的測量方法是多種多樣的。目前，腦力負荷測量的方法歸納起來主要有如下4類：(1)主觀測量法：是以勞動者對作業或系統功能的成績判斷為基礎建立的一些心理學方法，如主觀勞動負荷測量技術和作業負荷指數等；(2)主任務測量法：也叫工作成績測量，通過操作者完成作業或系統功能的成績評價勞動負荷，如完成作業的負荷量，作業速度，時間和成績，錯誤率等；(3)次任務測量法；(4)生理學測量法：通過作業者對系統或作業需要的生理反應進行評價，如心率及其變異性、呼吸、眨眼頻率、瞳孔直徑、皮膚電阻、眼電圖、腦事件相關電位、腦地形圖、腦磁圖、磁共振成像、正電子發射掃描等。由于生理參數的客觀、實時性，因此生理學測量法是目前測量腦力負荷的常用方法。

在當前的研究中，學者們多采用單一參數如EEG、fNIRS、ERP等作為檢測腦力負荷的指標，但由于現實工作中任務的復雜性，單一測量指標不能全面反映腦力負荷的變化。研究表明，不同的生理測量技術能從不同角度表現出對腦力負荷的敏感性。任何單一的生理指標對腦力負荷的測量都是片面的，只有多種生理指標的綜合運用才能全面反映腦力負荷的變化。另外，由于某些生理參數如EEG、ERP等采集相對復雜，在實際應用中受到限制。因此基于多參數的，簡單便捷的腦力負荷檢測方法還在不斷的探索之中。

發明內容

本發明旨在克服現有技術的不足，有效地提高腦力負荷檢測系統準確性和簡便性，為達到上述目的，本發明采取的技術方案是，基于多生理參數PCA融合的腦力負荷測量方法，包括如下步驟：測量心率變異性HRV、瞳孔直徑、皮膚電阻SR三個生理參數，利用PCA技術得出三個參數的權重系數，根據參數融合計算公式計算腦力負荷的參數融合分值MWS，MWS是mental?workload?score的縮寫，MWS等于各參數與其權重之積的和，并將MWS作為腦力負荷的測量指標。

測量心率變異性HRV、瞳孔直徑、皮膚電阻SR三個生理參數是：

1)心率變異性HRV提取：采用傅立葉變換FFT計算HRV的低頻頻率LF、高頻頻率HF，將LF/HF即低頻與高頻的比值記為P₁，將總功率TP的功率譜密度記為P₂，其中LF頻率變化在0.04~0.15HZ，HF的頻率變化在0.15~0.40HZ，TP表示頻率在0.00~0.40HZ的總頻率變化值；

2)瞳孔直徑特征提取：采用AR模型計算瞳孔直徑的功率譜密度記為P3；

3)SR特征提取：采用傅里葉變換FFT，計算皮膚電阻在0.03~0.5HZ的功率譜密度記為P₄。利用PCA技術得出三個參數的權重系數是，將提取的四個特征變量低頻與高頻的比值P₁、總功率TP的功率譜密度P₂、瞳孔直徑的功率譜密度P₃和皮膚電阻的功率譜密度P₄，這四個特征變量構成一個四維空間，樣本數為n，對在該四維空間下的所測樣本進行變換：設其原始變量的坐標系為P_1a、P_2a、、P_3a、、P_4a，在對原始坐標經過坐標平移、尺度伸縮、旋轉變換后，得到一組新的、相互正交的坐標軸v₁、v₂、v₃、v₄，根據原始變量在新坐標系上投影值的方差來確定這四個特征變量的權重系數W₁、W₂、W₃、W₄：

首先對該4個特征變量進行n次觀測得到的觀測數據可用下面的矩陣表示：