基于前庭功能的头眼运动建模与应用

发布时间：2017-09-22 20:58

  本文关键词：基于前庭功能的头眼运动建模与应用

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【摘要】：近年来,随着人类科技的不断发展,人类对自身奥秘的兴趣越来越浓,而大脑又是人体最精密的结构,相关领域的研究也显得越来越受到人们的重视,而头眼运动的研究是其中较新较热门的一个研究领域。头眼运动系统是人体对自身加速度的自适应调节系统。前庭系统是头眼运动系统的核心。前庭系统是所有生物自身运动状态的反映器官,也是自身空间状态的感受器官。人体自身运动状态的信息通过神经传递到前庭系统,前庭系统再通过一系列处理,形成各种神经信号或者各种兴奋信号传递到需要此类信息的各种器官。人体头眼运动就是前庭系统功能的一种运用。人体的运动信息通过前庭系统传递到眼球,产生眼球的运动,震颤,旋转等。而头眼运动的研究可以应用到很多领域,比如说眩晕检测,飞行员状态监测,错觉检测等等。本文主要就头眼运动系统进行建模,整合前人关于前庭和半规管的一些研究成果,提出根据人体加速度来模拟人体前庭系统对人体加速度的处理流程。本文详细的内容如下：第一章,主要介绍了头眼运动研究的意义,头眼运动的研究应用领域很广,眩晕检测,生理系统检测,错觉检测等等。第二小节主要简述了本文中会使用的一些数学工具,包括分数阶微积分,M-L函数,旋转矩阵,其中三维旋转变换矩阵是本为用的最主要的数学工具。对于三维旋转,有三种表示方法：四元数,欧拉角和旋转变换矩阵。分析了三种方法的优缺点,以及为什么本文要采用变换矩阵来表示旋转。第二章,主要介绍了头眼运动系统的生理学研究背景,头眼运动系统主要分为2部分：前庭系统和眼动系统,第一小节主要介绍了前庭,半规管以及他们周围的生理结构构成,还介绍了头眼运动生理响应流程,明确了头眼运动研究的理论基础以及可行性。以头部右转为例,简述了眼球对于头部右转的响应过程。第二小节主要介绍了头眼运动系统中眼动系统部分主要运动模式和本文当中实际测量环境中眼动的策略。第三章,主要介绍了关于前庭系统的目前的理论研究成果,前庭器官是主要反映人体直接加速度的,半规管系统主要反映人体旋转的。对于前庭器官,首先介绍了Grant等人的研究成果,分析了不足,又介绍了苏海军等人对Grant等人模型的改进解和高精度解,并根据解分析了一些重要参数的范围,对模型的影响。半规管对人体旋转运动的响应,这方面Buskirk等人做出了不小的贡献,在第二节介绍了他们的研究成果,分析了模型的缺点,最后引入了徐明瑜,苏海军等人对模型的精确解。第四章,主要介绍了对头眼运动的整体建模的过程。头眼运动系统是一个整体的系统,而前人对头眼运动系统方面的研究主要着重于系统的某一方面进行理论研究,缺乏一些对实际应用方面的实践,并且没有将模型整合起来来整体研究头眼运动系统,应用领域相对来说就要小的多,所以论文主要针对头眼运动系统整体建模,从整体上考虑头眼运动,可以运用在很多领域,比如眩晕检测等等。本章所介绍的模型针对的是眼球的平滑跟踪运动,然后针对头眼运动系统进行了系统建模。第五章,首先用对简单的情况进行了仿真,确定了模型中的一些参数,然后用实际测量眼球数据与模型模拟结果进行了对比,结果符合理论预期,证明了模型的有效性,第六章,总结了全文,根据模拟结果提出了模型的缺点,限制,明确了未来改进的途径和方向,模型进一步发展,应用的方向。
【关键词】：头眼运动 前庭系统 建模
【学位授予单位】：西安工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：R318.0
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 头眼运动研究意义和应用前景9-12
• 1.1.1 眩晕检测10
• 1.1.2 错觉10-12
• 1.2 国内外相关研究现状12-13
• 1.3 本文组织架构13-14
• 1.4 本章小结14-15
• 2 头眼运动系统简介15-26
• 2.1 前庭系统简介15-17
• 2.2 眼球运动模式17-20
• 2.3 相关数学工具20-25
• 2.3.1 分数阶微积分20-21
• 2.3.2 Mittag-Leffler函数21
• 2.3.3 旋转矩阵21-25
• 2.4 本章小结25-26
• 3 前庭系统模型研究现状26-35
• 3.1 直线变速运动耳石模型26-30
• 3.2 头部转动半规管模型30-34
• 3.3 本章小结34-35
• 4 头眼运动模型研究35-40
• 4.1 头眼运动系统数据处理流程35-39
• 4.1.1 确定坐标系35
• 4.1.2 加速度处理35-36
• 4.1.3 整体数据处理流程36-37
• 4.1.4 数据处理数学分析37-39
• 4.2 本章小结39-40
• 5 仿真实验40-48
• 5.1 实验参数的确定40-42
• 5.1.1 常规参数40
• 5.1.2 影响时间选择40-42
• 5.1.3 实验数据处理流程42
• 5.2 实际数据对比42-47
• 5.3 本章小结47-48
• 6 结论48-49
• 参考文献49-51
• 致谢51-53

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