基于腦功能網(wǎng)絡的腦力疲勞檢測技術及其形成機理研究.pdf

1、當今社會中，生活節(jié)奏日益加快、社會競爭壓力逐步增大，腦力疲勞顯著增多，并在社會人群中呈蔓延之勢。腦力疲勞往往是由大腦長時間認知活動積累所致，大腦疲勞后工作績效降低、警戒性水平下降、認知功能受損。在實時監(jiān)控、車輛駕駛、飛機駕駛、高風險作業(yè)等行業(yè)，許多事故的發(fā)生都與腦力疲勞有關。例如，全球平均每年有21％的重大交通事故與疲勞駕駛有顯著的因果關系，給人民的生命、財產(chǎn)安全造成嚴重威脅。因此，為腦力疲勞監(jiān)測提供一種客觀有效的指標、為其對應的對抗措

2、施提供一種穩(wěn)定可靠的評價手段是一項具有很大應用價值的重要課題。
　　在腦力疲勞評價的眾多方法中，electroencephalogram(EEG)信號因為可以直接測量大腦的神經(jīng)活動狀態(tài)，被國內外研究人員認為是最可靠、最有前景的方法，被譽為檢測腦力疲勞的“金標準”。傳統(tǒng)基于EEG的腦力疲勞評價指標可以分為線性指標和非線性指標，線性指標主要以基于各EEG節(jié)律功率和功率比值為主，非線性指標主要包括各種類型的熵、復雜度、相關維數(shù)、Lyap

3、unov指數(shù)等。然而，傳統(tǒng)指標只包含了EEG的幅值信息，忽略了相位信息對結果的影響，并且這些指標都不能反映大腦不同區(qū)域之間的功能連接關系，無法對大腦整體功能狀態(tài)進行描述，因此傳統(tǒng)腦力疲勞評價指標有很大的局限性。
　　本文將腦功能網(wǎng)絡理論引入腦力疲勞研究中，以探索其在腦力疲勞評價上的應用、分析腦力疲勞形成的神經(jīng)動力學機制，為此設計了詳細的腦力疲勞誘導實驗，精確采集了腦力疲勞過程中靜息態(tài)與任務態(tài)下的EEG數(shù)據(jù)，并基于各EEG節(jié)律功率和

4、功率比值確定了腦力疲勞模型的可行性。
　　基于腦功能網(wǎng)絡理論，利用互信息度量不同腦區(qū)間的功能連接，并對靜息態(tài)與任務態(tài)下五個時間段間的功能連接權值進行統(tǒng)計學差異分析，發(fā)現(xiàn)任務態(tài)下的Alpha1節(jié)律(8-10Hz)對腦力疲勞響應最靈敏，表明腦功能網(wǎng)絡分析方法更適合在任務態(tài)中應用，彌補了傳統(tǒng)線性方法的不足。然后在傳統(tǒng)兩種方法下分別建立了任務態(tài)下的Alpha1節(jié)律加權和二值腦功能網(wǎng)絡，系統(tǒng)分析了各網(wǎng)絡特征量在腦力疲勞過程中的變化規(guī)律。結果

5、表明，隨著腦力疲勞程度的加深，最大特征值、平均聚類系數(shù)、全局效率和局部效率增大，平均路徑長度變短;加權網(wǎng)絡中各網(wǎng)絡特征量對腦力疲勞的評價效果更好;描述腦功能網(wǎng)絡整體特性的特征量（最大特征值、平均路徑長度、全局效率）比刻畫腦功能網(wǎng)絡局部特性的特征量（平均聚類系數(shù)、局部效率）對腦力疲勞響應更靈敏。
　　利用加權度中心度得到腦力疲勞過程中腦功能網(wǎng)絡的中心節(jié)點為F3、F4、C3、C4、P3、P4、Fz、Cz、Pz，并基于所提取的9個中心節(jié)

6、點縮減了腦功能網(wǎng)絡規(guī)模，重新構建了加權腦功能網(wǎng)，將其應用于腦力疲勞評價中，發(fā)現(xiàn)各加權網(wǎng)絡特征量在腦力疲勞過程中的變化趨勢與簡化前的腦功能網(wǎng)絡得到的結果完全一致，簡化后的腦功能網(wǎng)絡同樣也能用于腦力疲勞的評價，其中加權最大特征值是最好的評價腦力疲勞指標。
　　針對腦功能網(wǎng)絡在實際應用中構建過程過于專業(yè)化這一缺點，提出了一種基于功能連接的權值與物理距離、網(wǎng)絡模體理論的自動建立腦功能網(wǎng)絡模型的新方法。通過與傳統(tǒng)建立腦功能網(wǎng)絡方法對比，證明

7、了模型能提取出鄰接矩陣中大多數(shù)權值較大的強連接邊，并發(fā)現(xiàn)模型具有自優(yōu)化功能、能夠區(qū)別出權重不同的腦功能網(wǎng)絡，而且從權重分布的角度證明了此功能的必然性。將此模型應用于腦力疲勞評價中，得到了與傳統(tǒng)構建腦功能網(wǎng)絡方法一致的結果，表明模型具有很好的應用價值。
　　基于腦功能網(wǎng)絡理論，從腦功能連接、網(wǎng)絡特征量、小世界特性和分形特征四個角度來分析腦力疲勞形成機理。結果表明，大腦在疲勞階段為了完成所給定的任務，需激活更多的腦功能區(qū)域，增強不同腦