一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法及系统与流程

本发明属于疲劳状态研究技术领域，具体涉及一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法及系统。

背景技术：

疲劳是指因过度劳累而引起的一种劳动能力下降现象，具体表现为：动作灵活性下降、反应迟钝和工作差错率增多、协调性降低，并伴有主观感觉疲乏、无力等，现如今疲劳带来严重后果越来越多，例如疲劳驾驶在中国的交通事故死亡事件中占据17％的比例，占交通事故的比例非常高；基于此，许多心理学，认知神经科学工作者对疲劳的机制投入研究。

人的感受器有视、听、触、味和嗅觉等多种，其中人类依靠视觉和听觉获得的信息占据所获得信息总量的94％，视觉和听觉输入是外界信息输入人脑最主要的两种方式，日常大多数的疲劳也是由视觉刺激和听觉刺激诱发的疲劳。

现有研究的疲劳诱发范式大多采用了连续三小时以上的高速驾驶、剥夺被试夜间睡眠、以及长时间执行任务结合剥夺睡眠等方法，对于研究疲劳状态下的神经机制是有效的；然而从成本和时间的角度来看，这些疲劳诱发范式对于实施环境具有一定要求，对于广大相关研究领域的工作者不具有普遍性。因此如何在短时间内用低廉的成本将被试诱发到我们研究所需要的疲劳状态是非常有意义的。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统，该系统能模拟诱发疲劳的过程，使用户快速进入疲劳状态。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统，包括：

视听模块：用于显示各类图片、播放特定频率的声音，并根据图片类别与声音频率设置对应模拟按键；

参数模块；用于随机显示图片或声音播放，并设定图片显示、声音播放停留的时间；

标记模块；用于根据图片显示、声音播放设定不同的刺激参数标记，并接收用户根据对应根据声音、图片是否选择对模拟按键设定不同的反应参数标记；

脑电模块；用于采集用户的脑电波；

评价模块；与脑电模块相连，并与所述标记模块相连，用于构建脑网络模型，并根据所述脑网络模型计算相干性作为疲劳诱发有效性的指标。

进一步地，所述视听模块的图片包括非生物类图片、植物类图片、素食动物类图片、肉食动物类图片；

所述视听模块播放的声音频率包括375ms-1000hz-55db、375ms-1000hz-59db、375ms-2000hz-55db、375ms-2000hz-59db；

所述模拟按键对应图片类别与声音频率；其中，非生物类图片和375ms-1000hz-55db频率声音对应第一模拟按键，植物类图片和375ms-1000hz-59db频率声音对应第二模拟按键，素食动物类图片和375ms-2000hz-55db频率声音对应第三模拟按键，肉食动物类图片和375ms-2000hz-59db频率声音对应第四模拟按键。

进一步地，所述刺激参数标记包括当所述视听模块显示图片时的图片标记，和所述视听模块播放声音时的声音标记；

所述反应参数标记包括用户根据所述视听模块显示图片和播放声音选择正确模拟按键时的正确标记，和选择错误模拟按键时的错误标记，和在所述参数模块设定停留时间内未选择的超时标记。

进一步地，所述脑网络模型包括9-13个能覆盖所有脑区的电极点，疲劳诱发有效性的指标为多个频段下所述脑网络模型的各个电极点的相干系数构成的相干脑网络图系；所述频段包括delta、theta、alpha、beta、gamma。

本发明的目的之二在于提供一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法，该方法能使用户快速进入疲劳状态。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法，包括以下步骤：

存储多个类别的图片与不同频率的声音，并根据图片类别与声音频率设置对应模拟按键；

随机显示图片或进行声音播放，并设定图片显示与声音播放停留的时间；

用户根据显示的图片或播放的声音选择对应的模拟按键，并标记用户的选择；

采集用户的脑电波，构建脑网络模型，并根据所述脑网络模型计算相干性作为疲劳诱发有效性的指标。

进一步地，所述图片包括非生物类图片、植物类图片、素食动物类图片、肉食动物类图片；

所述视听模块播放的声音频率包括375ms-1000hz-55db、375ms-1000hz-59db、375ms-2000hz-55db、375ms-2000hz-59db；

所述模拟按键对应图片类别与声音频率；其中，非生物类图片和375ms-1000hz-55db频率声音对应第一模拟按键，植物类图片和375ms-1000hz-59db频率声音对应第二模拟按键，素食动物类图片和375ms-2000hz-55db频率声音对应第三模拟按键，肉食动物类图片和375ms-2000hz-59db频率声音对应第四模拟按键。

进一步地，所述用户根据显示的图片或播放的声音选择对应的模拟按键，并标记用户的选择的步骤具体包括：

显示图片时记录图片标记；

播放声音使记录声音标记；

用户根据显示的图片或播放的声音选择对应的模拟按键；

当用户选择正确的模拟按键时，记录正确标记；

当用户选择错误的模拟按键时，记录错误标记；

当用户在设定的停留时间内没有选择模拟按键时，记录超时标记。

进一步地，所述脑网络模型包括10个能覆盖所有脑区的电极点；

进一步地，所述并根据所述脑网络模型计算相干性作为疲劳诱发有效性的指标的步骤具体包括：

计算不同频段下所述脑网络模型的各个电极点的相干系数；所述频段包括delta、theta、alpha、beta、gamma；

各个频段的相干系数连接构成的相干脑网络图系作为疲劳诱发有效性的指标。

进一步地，还包括步骤：

在用户进行所述方法的前后分别进行疲劳自评量表检测，并进行配对t检验。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法及系统，通过视觉、听觉角度，模拟了诱发疲劳的过程，大幅缩短了诱发疲劳的时间、降低了诱发疲劳的成本，且本发明中提供的方法对被试类型没有限制，有助于探索清醒至疲劳状态过程中和疲劳状态下的身体机制；还通过利用疲劳自评量表、脑电记录被试在诱发疲劳前后的数据，研究被试者的疲劳状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统的一实施例结构示意图；

图2为本发明一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统的一实施例范式示意图；

图3为本发明中脑网络模型的一实施例结构示意图；

图4为本发明一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法的一实施例流程图；

图5为本发明受试者前后疲劳自评量表配对t检验对比示意图；

图6为本发明受试者不同频段的相干脑网络图系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

所举实施例是为了更好地对本发明进行说明，但并不是本发明的内容仅局限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

参考图1，为本发明一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统的一实施例结构示意图；具体地，该系统包括：

视听模块1，用于显示各类图片、播放特定频率的声音，并根据图片类别与声音频率设置对应模拟按键；

本实施例中，视听模块1中存储多种类别的图片，以及特定频率的声音，比如非生物类图片：竹筏、建筑、车辆等，植物类图片：仙人掌、莲花、荔枝、火龙果等，素食动物类图片：牛、羊等，肉食动物类图片：鲸鱼、老虎、狮子等，声音的频率为375ms-1000hz-55db、375ms-1000hz-59db、375ms-2000hz-55db、375ms-2000hz-59db；视听模块1在该模拟系统启动时，可以随机显示图片和播放声音；

优选地，视听模块1还根据图片的类别和声音频率设置对应的模拟按键，非生物类图片和375ms-1000hz-55db频率声音对应第一模拟按键，植物类图片和375ms-1000hz-59db频率声音对应第二模拟按键，素食动物类图片和375ms-2000hz-55db频率声音对应第三模拟按键，肉食动物类图片和375ms-2000hz-59db频率声音对应第四模拟按键；

本实施例中，这些模拟按键可以设置具体参数，为键盘输入，或是屏幕点击，比如在一实施例中，参考图2，第一模拟按键设置为1，第二模拟按键设置为2，第三模拟按键设置为9，第四模拟按键设置为0，当然在其他实施例中，也可以是其他数字或字符；

参数模块2；与视听模块相连，用于随机显示图片或声音播放，并设定图片显示、声音播放停留的时间；

本实施例中，参数模块2模拟驾驶过程中驾驶员感官受到的刺激，图片和声音刺激材料选取随机呈现的方式；设定图片或声音停留的时间，以及设定受试过程的长度，比如设置图片或声音刺激停留呈现1000毫秒，受试者m需在1000毫秒内对刺激做出反应，以及在整个受试过程在30-35分钟间；

标记模块3；与参数模块相连，并与视听模块相连，用于根据图片显示、声音播放设定不同的刺激参数标记，并接收用户(受试者)根据对应根据声音、图片是否选择对模拟按键设定不同的反应参数标记；

本实施例中的标记模块3用于根据系统应用中受试者的反应和系统呈现的图片或声音进行标记，具体地：标记模块3将视听模块1显示图片时的记录为图片标记，播放声音时记录为声音标记；当用户根据视听模块1显示图片和播放声音选择正确模拟按键时的记录为正确标记，选择错误模拟按键时记录为错误标记，和在参数模块2设定停留时间内未选择记录为超时标记；受试者选择模拟按键可以根据视听模块设定的进行键盘输入，或是屏幕点击，对比受试者选择的模拟按键是否为视听模块1中设定的对应的模拟键盘；

在具体实施例中的标记可以为数字或是字母，比如图片标记为“11”，声音标记为“12”，正确标记为“77”，错误标记为“88”，超时标记为“99”；

脑电模块4；用于采集用户(受试者m)的脑电波；

本实施例中，脑电采集设备采集受试者的脑电数据，并记录静息态脑电数据5分钟，采样频率1000hz，脑电可使用brainproduct等脑电分析设备；

评价模块5；与脑电模块4相连，并与标记模块相连，用于构建脑网络模型，并根据脑网络模型计算相干性作为疲劳诱发有效性的指标。

本实施例中，脑网络模型结构图可参考图3，圆形为虚拟脑部，通过对脑电数据方面的计算，挑选f3，f4，c3，c4，t7，t8，p3，p4，o1，o2十个能够覆盖所有脑区的电极点，然后通过计算delta，theta，alpha，beta，gamma五个频段的相干系数构建不同频段下的相干性脑网络图系作为疲劳诱发有效性的指标。

本实施例中的一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟系统可在windows操作系统下的e-prime软件中实施，也可在其他系统诸如linux、unix等下实施。

实施例2

基于实施例1中的系统，本发明还提供了使用该系统的基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法，流程图可参考图4，具体地，一种基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法，包括以下步骤：

s100：存储多个类别的图片与不同频率的声音，并根据图片类别与声音频率设置对应模拟按键；然后执行步骤s200；

本步骤中，先存储多个与人认知行为过程中有密切关联性的事物不同类别的图片包括非生物类图片、植物类图片、素食动物类图片、肉食动物类图片；

通过和现实人群疲劳特征相结合，选取持续375毫秒特定频率特定音量的声音，比如：375ms-1000hz-55db、375ms-1000hz-59db、375ms-2000hz-55db、375ms-2000hz-59db；

设置的模拟按键对应图片类别与声音频率；其中，非生物类图片和375ms-1000hz-55db频率声音对应第一模拟按键，植物类图片和375ms-1000hz-59db频率声音对应第二模拟按键，素食动物类图片和375ms-2000hz-55db频率声音对应第三模拟按键，肉食动物类图片和375ms-2000hz-59db频率声音对应第四模拟按键。

s200：随机显示图片或进行声音播放，并设定图片显示与声音播放停留的时间；然后执行步骤s300；

本实施例中，在实施例1的系统开始实施时，会在屏幕上显示“+”标志，受试者被要求盯着电脑屏幕中央的“+”，在“+”呈现一段时间后，比如500-1000毫秒后，随机播放步骤s100中存储的图片或声音，设定声音停留的时间，比如800-1000毫秒，那么被试者需在800-1000毫秒内对刺激做出反应，即选择图片和声音频率对应的模拟按键；并设定受试的时间；

s300：用户根据显示的图片或播放的声音选择对应的模拟按键，并标记用户的选择；然后执行步骤s400；

本实施例中，系统在界面随机播放图片和声音，显示图片时记录图片标记；播放声音使记录声音标记；然后用户根据显示的图片或播放的声音选择对应的模拟按键；当用户选择正确的模拟按键时，记录正确标记；当用户选择错误的模拟按键时，记录错误标记；当用户在设定的停留时间内没有选择模拟按键时，记录超时标记；

本实施例中，设定的声音的频率为1000hz和2000hz，他们的区别很大，一个为高音一个为低音能很快分辨出来，另外为了提高受试者的集中力，音量的设置为55db和59db，音量差别微小，需要受试者仔细听并分析，当然，也可以在实施者进行试验开始之前，在不影响后续实验的情况下，先熟悉55db和59db音量的差别。

优选地，本实施例中还标记在受试过程中受试者的选择，当在本步骤中受试者在根据重复显示图片和声音播放选择模拟按键时，直到步骤s200中设定的受试时间完结，或是在一些情况下，当受试者在受试过程中被连续记录为超时标记，则进行人为干预，此时受试者多次超时标记，认为受试者出现无反应状态，如睡着、昏厥等情况，应进行人工干预，确认受试者的状态。

s400：采集用户的脑电波，构建脑网络模型，并根据脑网络模型计算的相干性作为疲劳诱发有效性的指标。

在本实施例中，从受试开使到结束均使用脑电采集设备采集受试者的脑电数据，并记录静息态脑电数据5分钟，采样频率1000hz，脑电可使用brainproduct等脑电分析设备；然后对脑电数据方面的计算，参考图3中的脑网络模型，选取挑选f3，f4，c3，c4，t7，t8，p3，p4，o1，o2十个能够覆盖所有脑区的电极点，当然在其他实施例中，也可以选择9个、11个、13个，只需要这几个电极点完全覆盖住所有脑区，此外，电极点个数不宜太多，太多计算复杂，且个各电极点之间会有干扰，也不宜太少，太少可能不能完整的覆盖所以脑区，实验数据不完整不准确；然后通过计算delta，theta，alpha，beta，gamma五个频段各个电极电间的相干系数构建不同频段下的相干脑网络图系作为本方法疲劳诱发有效性的指标。

优选地，本实施例中还在用户进行方法的前后分别进行疲劳自评量表检测，并进行配对t检验。

在一具体实施例中，采用独立采集的13例(年龄范围19至26岁，平均22.9±3.1岁)行为数据与脑电数据对疲劳诱发进行分析，为了展现疲劳范式的有效性，先计算实验前后疲劳自评量表的总分，然后前测与后侧进行配对t检验，得到如图5所示的结果，结果显示经本实施例中的基于视听刺激快速诱发疲劳状态的模拟方法干预后，疲劳自评量表得分大幅增高且前后得分有显著性差异(t＝-3.69，p(平均值)＝0.003)，证明本方法能够将被试从清醒状态诱发到疲劳状态；

此外，还构建了5个频段的相干系数的相干脑网络图系，得到的相干脑网络图系如图6所示，本实施例中，不同频段下的各个电极点间的相干系数通过以下方式得到：

其中，x，y为脑网络模型中任意两个电极点，pxy(f)是x和y的互功率密度谱，pxx(f)是x的自功率谱，pyy(f)是y的自功率谱，从图6可以看到，在经过本实施例中的方法干预后，各个频段上被试大脑间同步性活动减弱，信息交互减少，且前后测试有显著性差异。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。