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基于心率变异性与机器学习相结合的警觉度水平监测

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载人航天 2022年第6期28卷 779-784页

作者：周维逸周仁来南京大学心理系南京210023

针对目前警觉性监测指标单一且不精确等问题,将心率变异性结合机器学习对警觉度水平进行监测。48名受试者连续完成5组精神运动警戒任务(PVT),同时进行心电测量。将PVT任务的反应时分为5级,使用多分类支持向量机方法,对警觉性分级进行预... 详细信息

针对目前警觉性监测指标单一且不精确等问题,将心率变异性结合机器学习对警觉度水平进行监测。48名受试者连续完成5组精神运动警戒任务(PVT),同时进行心电测量。将PVT任务的反应时分为5级,使用多分类支持向量机方法,对警觉性分级进行预测。在行为结果上,表现为PVT测试反应时相关指标的延长;在生理指标上,反映为心率变异性高频指标(HF-HRV)以及极低频指标(VLF-HRV)的增加。VLF-HRV与反应时的平均数以及反应时的中位数呈现显著的正相关,与反应时倒数的平均值呈现出显著的负相关。HF-HRV也与反应时的平均数以及反应时的中位数呈现显著的正相关。采用多分类支持向量机手段对受试者的警觉度进行预测,结果表明,单独使用2种心电指标对警觉度水平进行预测的平均准确率为77.81%,ROC曲线下的平均面积为0.87,平均灵敏度为0.763,平均特异度为0.792。研究表明:心率变异性是反映警觉度波动变化的敏感指标,可用于开展警觉度的预测。

关键词：警觉度心率变异性机器学习生理指标

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住院老年患者跌倒警觉度现状及影响因素研究

护理学杂志 2023年第17期38卷 10-13页

作者：崔梦影王颖蔡悦张昕悦何梅华中科技大学同济医学院附属同济医院护理部湖北武汉430030 华中科技大学同济医学院护理学院

目的了解住院老年患者跌倒警觉度状况,并分析其影响因素,为制定针对性跌倒预防措施提供借鉴。方法采用便利抽样法选取782例住院老年患者为调查对象,使用一般资料调查表、Morse跌倒评估表、Barthel指数、跌倒警觉度量表进行调查。结果有... 详细信息

目的了解住院老年患者跌倒警觉度状况,并分析其影响因素,为制定针对性跌倒预防措施提供借鉴。方法采用便利抽样法选取782例住院老年患者为调查对象,使用一般资料调查表、Morse跌倒评估表、Barthel指数、跌倒警觉度量表进行调查。结果有效调查住院老年患者695例,住院老年患者跌倒警觉度得分为(62.67±12.34)分。多元线性回归结果显示,自理能力、是否害怕跌倒及知晓治疗用药易致跌倒是患者跌倒警觉度的影响因素(均P警觉度较高,护理人员应结合患者跌倒警觉程度及影响因素,进行个性化的健康教育和安全指导,预防跌倒发生。

关键词：老年人跌倒警觉度患者安全自理能力跌倒预防健康教育

潜航员深海潜航任务前后警觉度及工作记忆容量的变化

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北京大学学报（医学版） 2022年第3期54卷 581-586页

作者：金旭董一丹陈云赛赵晟娅黄文初何丽华北京大学公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系北京100191 哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001 国家深海基地管理中心山东青岛266237

深海在资源、军事及生态环境等领域有着重要的战略价值,近年来深海领域的探索成为了海洋开发动态的前沿。潜航员是以探索海洋(深海)环境为职业的人员,是驾驶深海载人潜水器在深海区域作业的特殊岗位人才[1]。潜航员在执行任务时,任务地... 详细信息

深海在资源、军事及生态环境等领域有着重要的战略价值,近年来深海领域的探索成为了海洋开发动态的前沿。潜航员是以探索海洋(深海)环境为职业的人员,是驾驶深海载人潜水器在深海区域作业的特殊岗位人才[1]。潜航员在执行任务时,任务地点常位于与地表环境差异巨大的深海高压、无光、复杂的地质构造环境中,此外,深潜器内部空间狭小,微气候环境中的温度、湿度及通风等因素不适宜,这些因素都会对潜航员的生理、情绪、疲劳状态和身体健康造成影响[2-3]。

关键词：潜航员警觉度工作记忆认知疲劳

基于fNIRS和ECG的大脑警觉度客观检测研究

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载人航天 2023年第2期29卷 177-185页

作者：王璐琪姜劲孙子恒代艳莹曹勇焦学军周鹏天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学医学工程与转化医学研究院天津300072 中国航天员科研训练中心人因工程重点实验室北京100094

航天员执行操纵和维护设备等任务时需保持高警觉状态,以便应对突发情况,保护自身安全。针对目前警觉度检测尚无统一标准,单生理参数检测法可靠性差的问题,利用多模态参数检测法,采用PVT任务与2-back任务组合诱导警觉度降低,通过功能性... 详细信息

航天员执行操纵和维护设备等任务时需保持高警觉状态,以便应对突发情况,保护自身安全。针对目前警觉度检测尚无统一标准,单生理参数检测法可靠性差的问题,利用多模态参数检测法,采用PVT任务与2-back任务组合诱导警觉度降低,通过功能性近红外光谱技术(fNIRS)和心电技术(ECG)采集14名被试前额部分的氧合血红蛋白(HbO)信号、脱氧血红蛋白(Hb)信号以及ECG信号,并记录被试的行为学数据。结果表明:此实验范式成功诱导警觉度下降,在低警觉度状态下大脑代谢水平增加,复杂度增加,大脑前额区活跃度增加;心率降低,副交感神经活性增强。二者特征相结合增大了警觉度识别三分类准确度。在支持向量机模型下,14名被试的平均三分类正确率达到(80.37±5.76)%,较之前文献报道的正确率有所提升。验证了此特征模型检测警觉度水平的有效性及使用混合特征矩阵提高警觉度模型的鲁棒性。

关键词：功能性近红外光谱心电警觉度支持向量机 K近邻检测法随机森林

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基于脉搏波的警觉度检测研究

生物医学工程学杂志 2017年第6期34卷 817-823页

作者：曹勇焦学军潘津津姜劲傅嘉豪徐凤刚杨涵钧中国航天员科研训练中心人因工程国防科技重点实验室北京100094

本文采用脉搏波信号研究了警觉度的变化规律。本研究共招募10名受试者参加了持续95 min的警觉度"时钟测试"(MCT)。试验过程中,受试者们通过卡罗林斯卡嗜睡量表(KSS)和斯坦福嗜睡量表(SSS)主观评价了清醒程度,同时记录了所有受试者的目... 详细信息

本文采用脉搏波信号研究了警觉度的变化规律。本研究共招募10名受试者参加了持续95 min的警觉度"时钟测试"(MCT)。试验过程中,受试者们通过卡罗林斯卡嗜睡量表(KSS)和斯坦福嗜睡量表(SSS)主观评价了清醒程度,同时记录了所有受试者的目标反应时间、目标识别正确率和脉搏波信号。结果表明,根据主观量表得分和受试者的行为学数据可以将警觉度定标为3个水平:前30 min为高警觉度水平;中间30 min为一般警觉度水平,后30 min为低警觉度水平。此外,脉搏波信号的时域特征,如:次级波峰幅值、波峰幅值、次级波峰潜伏期,随警觉度的降低而减小,而波谷幅值随警觉度的降低而增大;频域特征:8.600~9.375 Hz、11.720~12.500 Hz、38.280~39.060 Hz和39.060~39.840 Hz这4个子频带的能量概率也随警觉度的降低而减小。最后,在上述8个特征建立的模型中,10名受试者三分类正确率的平均值高达88.7%。本文的研究结果证实了脉搏波在警觉度评估上的可行性,为警觉度的实时监测提供了新的思路。

关键词：警觉度脉搏波支持向量机小波包分解

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大脑警觉度EEG特征分析及识别技术研究

大脑警觉度EEG特征分析及识别技术研究

作者：张珂天津大学

学位级别：硕士

警觉度(Vigilance)指的是操作者在执行某项任务时保持长时间的注意力和警惕性的灵敏程度,在实际生活中,很多岗位的工作者需要保持长时间的警惕性,警觉度水平下降可能会影响人们的工作效率,甚至造成安全事故。因此,对警觉度水平进行客观... 详细信息

警觉度(Vigilance)指的是操作者在执行某项任务时保持长时间的注意力和警惕性的灵敏程度,在实际生活中,很多岗位的工作者需要保持长时间的警惕性,警觉度水平下降可能会影响人们的工作效率,甚至造成安全事故。因此,对警觉度水平进行客观检测具有重要的研究意义和价值。本文设计了一种基于精神运动警觉度测试任务(Psychomotor Vigilance Test,PVT)和n-back结合的警觉度检测实验范式,通过3-back实验来构建大脑警觉度降低模型,然后利用PVT对整个实验过程中的警觉度进行检测。实验全程记录被试的行为学和脑电数据,并填写主观量表。对主观量表、行为学数据、脑电信号的时域、频域、非线性以及脑网络的特征分析来探究大脑在不同警觉度状态时的神经机制,同时通过模式识别的方法对大脑的警觉度状态进行三分类。主观量表分析表明,实验结束后的量表得分比实验前显著增高。行为学数据分析表明,实验后被试的平均反应时间显著增加。说明实验成功诱发出被试的警觉度下降状态,构建了警觉度下降模型。主观量表和反应时间显著相关,因此利用反应时间对数据进行了标注。脑电信号分析表明,随着警觉度的降低,频域分析显示4-30HZ的脑电的平均功率值显著增加,说明被试在低警觉状态时需要消耗更多的能量来完成实验任务。θ/β、(θ+α)/β、(θ+α)/(α+β)这三种功率比值显著增加,脑电的慢波成分增加,快波成分减少,大脑更加疲劳;在非线性分析部分,样本熵的值降低,可能原因是大脑活动活跃性降低,神经元受到抑制,大脑的兴奋程度降低;在脑网络分析部分,节点的平均路径长度减小,全局效率增大,节点出度变化主要在额区和颞区,入度变化主要在全脑,脑网络的连接程度减弱,大脑信息传递效率变慢。在警觉度水平识别方面,利用支持向量机、K阶近邻和朴素贝叶斯算法构建了警觉度水平检测识别的分类模型。经过比较发现支持向量机在警觉度识别方面性能较好,选定为最优分类器。对比分析了10s、30s、60s时间窗下的警觉度分类效果,选定60s为最优时间窗。采用Relief F算法以及权值相加的共性通道选择算法,筛选出前十个共性有效通道,警觉度三分类的平均正确率为96.65%,为方便航天在轨实验奠定了实验基础,为今后警觉度识别的便携式设备提供了理论依据。

关键词：警觉度特征分析脑电

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综掘工作面支护作业警觉度研究

综掘工作面支护作业警觉度研究

作者：吴思成中国矿业大学

学位级别：硕士

我国煤炭资源丰富,是全球煤炭资源开发和使用的强国。然而,煤炭安全事故层出不穷,造成大量的经济损失。综掘工作面作业安全是保障煤炭回采安全的重要基础。但是,综掘工作面作业环境不佳,极大影响矿工的作业舒适度,引起矿工的警觉能力下... 详细信息

我国煤炭资源丰富,是全球煤炭资源开发和使用的强国。然而,煤炭安全事故层出不穷,造成大量的经济损失。综掘工作面作业安全是保障煤炭回采安全的重要基础。但是,综掘工作面作业环境不佳,极大影响矿工的作业舒适度,引起矿工的警觉能力下降,极易发生安全事故。支护工是综掘工作面主要的体力作业工种,支护作业安全在煤矿生产中至关重要。因此,为了提升支护工安全高效的作业能力,减少煤炭安全生产事故的发生,通过研究支护工的作业警觉度,根据警觉度的变化趋势,提出合理的作业建议,维持支护工的警觉水平。基于井下实验、软件仿真、模拟实验等方法,测定支护工的警觉度。首先,根据支护作业的作业环境和作业内容,确定支护工警觉度下降的影响因素和检测方法。其次,根据支护工实际作业情况,设计支护作业负荷测定实验,运用心率计算能量消耗的客观测定法,确定单次支护作业过程中不同支护工种的能量消耗量。再次,运用体力活动能量消耗编码表与CATIA建模仿真软件研究综掘工作面支护工的作业负荷及作业姿势,验证以心率计算能量消耗方法的科学性和准确性。根据支护工的实际作业情况,选择顶板辅助工的能量消耗作为警觉度实验的能量消耗基础。最后,采用主观评价量表、注意力集中能力测试和反应能力测试,分析支护工作业过程中的警觉度变化趋势。实验结果显示,单次支护作业循环中,顶板辅助工和帮钻工作业负荷重,能量消耗大。支护工警觉度可以分为一般警觉度、高警觉度和低警觉度三个阶段。根据支护工警觉变化趋势,提出合理安排工作岗位、合理安排工作任务、改善工作环境和提高矿工素质的作业建议,确保煤矿生产安全,降低安全事故的发生。论文有图36幅,表33个,参考文献83篇

关键词：综掘工作面支护作业作业负荷警觉度作业建议

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矿井光热环境对监控员警觉度的影响研究

矿井光热环境对监控员警觉度的影响研究

作者：潘杰中国矿业大学

学位级别：硕士

随着我国煤矿机械自动化程度的提高,井下工人逐渐由一线操作者转变成系统的监控者。调查表明,井下作业环境闷热,对照明依赖度高。长时间在井下进行监控作业容易造成工人警觉度下降,严重时可能威胁到生产安全。关于环境对警觉度的影响,... 详细信息

随着我国煤矿机械自动化程度的提高,井下工人逐渐由一线操作者转变成系统的监控者。调查表明,井下作业环境闷热,对照明依赖度高。长时间在井下进行监控作业容易造成工人警觉度下降,严重时可能威胁到生产安全。关于环境对警觉度的影响,现有研究多是以地面室内环境为主,井下光热环境对警觉度的影响研究相对较少。为此,论文通过开展模拟实验,探究矿井光热环境对监控操作员的警觉度影响,筛选出最佳光热环境。为改善井下监控作业环境,保障煤矿的安全生产提供参考依据。首先,为了探讨矿井光热环境对监控操作员的警觉度影响,进行实验设计。通过调节照度、色温、温度,模拟井下监控作业环境。实验参数设计为四个照度等级（5Lx、15Lx、30Lx、75Lx）、三个色温等级（4000K、5500K、7000K）、三个温度等级（20℃、25℃、30℃）。通过析因实验理论,将三类参数各数值间交叉组合,搭配出36种实验方案。通过警觉度评估的特点,选取心率、数字广度、CFF、KSS、警戒性能力指数、注意力分配指数作为评价指标。筛选15名被试进行实验,采集实验数据,为下一步数据分析奠定基础。其次,为探讨各项指标与照度、色温、温度之间的变化联系,使用方差分析、单因素分析、交互作用分析对实验结果进行处理。通过分析心率发现,照度5Lx、色温4000K、温度20℃对心率变化产生的影响最小;通过分析数字广度发现,照度75Lx、色温4000K、温度20℃对减缓记忆力下降的效果最优;通过分析注意力分配指数发现,在照度15Lx、色温4000K、温度25℃的环境中工作,人的注意力集中程度最高;通过分析CFF、KSS评分、警戒性能力指数发现,照度30Lx、色温4000K、温度20℃能够缓解视觉疲劳的产生,减少人的睡意,减缓反应能力下降的速度。最后,为了进一步筛选最优光热环境,通过多指标综合评价法,构建光热环境下警觉度综合评价体系,包含心率、数字广度、CFF、KSS评分、警戒性能力指数、注意力分配指数六项指标。计算各实验方案所对应的警觉度综合评分,结果表明:最佳光热环境为照度30Lx、色温4000K、温度20℃,其警觉度综合评分为1.984。该论文有图54幅,表33个,参考文献86篇。

关键词：矿井光热环境监控作业警觉度多指标综合评价

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调性音乐对大脑警觉度的影响研究

调性音乐对大脑警觉度的影响研究

作者：田佳宜天津大学

学位级别：硕士

警觉度(Vigilance)是大脑做出应急反应的速度以及注意力的集中程度,是一种对环境中可能发生的变化保持敏感的能力。在空间站的环境条件下,昼夜节律的改变,失重环境,空间磁场的变化以及繁重的实验任务,都会对航天员的身心产生负面影响,... 详细信息

警觉度(Vigilance)是大脑做出应急反应的速度以及注意力的集中程度,是一种对环境中可能发生的变化保持敏感的能力。在空间站的环境条件下,昼夜节律的改变,失重环境,空间磁场的变化以及繁重的实验任务,都会对航天员的身心产生负面影响,使得在轨航天员的睡眠时间明显减少,而长期的睡眠不足会导致警觉度下降进而影响工作绩效甚至可能引发重大事故。因此,研究适合在轨航天员的警觉度调节方法具有重要研究价值。本研究针对航天需求,提出了一种基于调性音乐来调控大脑警觉度的方法,并进行了地基实验研究。调性音乐一般指大调-小调系统音乐,有研究发现,调性音乐可以激发各类人群在学习过程中产生正性情绪并且具有缓解心理疲劳的作用。但多数音乐作品具有复杂调性难以产生一致的作用效果,因此本实验使用具有单一调性特征的音乐作为调控警觉度的方式。实验先构建了大脑警觉度下降模型,然后分别使用小调音乐和大调音乐对被试者的大脑警觉度状态进行调控。通过分析实验中采集的被试者的行为学和脑电数据,综合比较两种调性音乐对大脑警觉度的调控效果并找到可以有效调控警觉度的调性音乐类型,探究其作用的神经机制。在建模部分,实验采用了精神运动警觉度测试(Psychomotor Vigilance Test,PVT)的任务为实验范式,实验结果表明,在未施加的音乐刺激阶段中,被试群体在实验后期的平均反应时间明显高于初始状态,成功建立了诱导警觉度水平的下降模型。在经小调音乐调控后,被试者完成PVT任务的平均反应时间显著下降,警觉度水平明显提高。脑电信号的分析结果则反映在:全频域上,小调音乐刺激后被试者的全导联脑电信号的平均功率显著下降,低频成分减少,高频成分增加。和大调音乐比较,小调音乐刺激后,脑电中的β频段和α频段相对功率都更大,θ频段的相对功率则显著减小,/、(+)/和(+)/(+)的三种功率比值均降低。在时域方面,和刺激之前相比,小调音乐刺激后,在大脑的前额区、额区、中央区和颞区可以看到P300成分幅值显著增加;非线性特征中,小调音乐刺激使得全脑范围的复杂度更大,脑电信号中产生更多新模式,脑神经元的活跃度更高。在脑网络方面,分析结果发现,小调音乐可以增强左右脑间的脑网络的连接强度,促进大脑神经元之间的信息交流。被试者经过小调音乐刺激后,脑网络的平均路径距离缩短,网络利用率提高,大脑枕区与颞区神经元的活力提高,神经元之间的连接性增加,信息传导效能也增强。综上结果初步表明,在两种调性音乐中,小调音乐对于大脑警觉度具有更好的调控效果,能有效提高被试者的警觉度水平。本研究为在轨航天员的警觉度调节方法提供了新思路,奠定了理论和实验基础。

关键词：警觉度调性音乐脑电