監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞綜合評定方法研究

1、    監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞綜合評定方法研究作者：王政，李延軍，嚴 曲，王宏偉 作者單位：(中國航天員科研訓練中心，北京100094)【摘要】 目的 探討眼動、心率變異性指標與監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞間的關(guān)系，尋找客觀指標，構(gòu)建腦力疲勞綜合評定方法。 方法 20名受試者進行1 h模擬監(jiān)控作業(yè)，利用眼動儀和Holter記錄作業(yè)過程中的眼動和心電數(shù)據(jù)。以閃光融合頻率和監(jiān)控作業(yè)反應時為依據(jù)，將受試者分為疲勞組與不疲勞組，對作業(yè)前后各指標進行對比分析。 結(jié)果 作業(yè)后，主觀疲勞感、眼瞼閉合度、LF/CF上升，反應時延長,閃光融合頻率、HF(AU)下降。結(jié)論 腦力疲勞后，可利用

2、心理學、眼瞼閉合度、心率變異性等指標對監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞進行多層次綜合定性、定量評定?！娟P(guān)鍵詞】 腦力疲勞;監(jiān)控作業(yè);心率變異性;閃光融合頻率;眼瞼閉合度Research on Comprehensive Assessment Method of Mental Fatigue in Monitoring Task.WANG Zheng,LI Yanjun,YAN Qu,WANG Hongwei.Space Medicine & Medical Engineering,2010,23(1):2024Abstract: Objective To study the relationship

3、between eye movement, HRV indexes and mental fatigue, find feasible objective indexes and build the comprehensive method to evaluate mental fatigue. Methods When twenty subjects executed the simulated monitoring task for 60 min, pupil diameter and ECG data were recorded by eye tracker system and Hol

4、ter. The subjects were divided into 2 groups (fatigued group/scarcely fatigued group) according CFF (critical flicker frequency) and reaction time (RT). Based on comparison of various indexes between pre and post monitoring task, potent indexes were extracted to evaluate mental fatigue. Results Afte

5、r monitoring task, the change of fatigue feeling, Perclos, rMSSD, PNN50, HF, LF and TP were significantly different in two groups. Conclusion Its suggested that psychology，Perclos and HRV indexes can be used to build the multilevel comprehensive method which can detect mental fatigue quantitatively

6、and qualitatively.Key words:mental fatigue;monitoring task;heart rate variability;critical flicker frequency;PerclosAddress reprint requests to:WANG Zheng.China Astronaut Research and Training Center, Beijing 100094, China腦力疲勞為一種介于清醒與睡眠之間的過渡狀態(tài)，是由于高強度或長時間持續(xù)活動而引起的工作能力減弱、工作效率降低和心理上“筋疲力盡”的一種狀態(tài)，是人體的一種自然的

7、防護性反應1。在飛船座艙內(nèi)由于任務(wù)需要，航天員往往需要長時間、高注意力監(jiān)控飛船各儀表，這樣極容易引發(fā)腦力疲勞，出現(xiàn)注意力不集中、反應遲緩、警覺水平與工作能力下降的狀況，從而造成信息的誤判、漏判，操作失誤，引發(fā)安全隱患。對視覺顯示終端(VDT)的監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞進行監(jiān)測和預防，從而減緩和避免疲勞的發(fā)生，提高人員的工作能力、延長有效工作時間，是當前航空航天工效學研究的重要課題之一，同時也對載人航天作業(yè)負荷制定有著重要意義。腦力疲勞是當前國內(nèi)外研究的熱點，國內(nèi)外學者對交通和軍事領(lǐng)域里的駕駛疲勞、視覺顯示終端的監(jiān)控作業(yè)疲勞開展了廣泛而深入的研究。旨在探討腦力疲勞發(fā)生的機理，由表及里，及從表層現(xiàn)象出發(fā)，

8、在心理學、行為學層面由注意力集中能力下降引起作業(yè)績效降低、主觀疲勞感受，深入到生理層面各類生理指標的變化，探索腦力疲勞發(fā)生的心理、生理機制，構(gòu)建腦力疲勞的評價體系和方法,從而實現(xiàn)對腦力疲勞的監(jiān)測。腦力疲勞的評定方法可分為主觀評定法和客觀評定法2。主觀評定分為依據(jù)疲勞量表的主觀自評法和利用人面部視頻圖像的主觀他評法?？陀^評定主要分為以反應時、記憶能力、注意力集中能力，辨別能力為主的心理學、行為學指標評定;以腦電、心電、眼動數(shù)據(jù)為主的生理學指標評定;以及生化指標評定3類。盡管國內(nèi)外學者對腦力疲勞開展了多樣的研究，但以客觀指標來檢測腦力疲勞還處于研究中，沒有形成明確的結(jié)論。腦力疲勞的研究以單一類指標

9、評定為主，且缺乏統(tǒng)一、標準的尺度，各類指標間的評定結(jié)果也不具備可比性。同時由于腦力疲勞的復雜性，疲勞度、作業(yè)負荷強度以及應激水平間的相互影響，使得單一指標由于結(jié)果的片面性，往往難以揭示疲勞的本質(zhì)。因而本次研究致力于多類別疲勞指標綜合評定的研究，通過模擬監(jiān)控作業(yè)任務(wù)，分析動作時間測定法、主觀調(diào)查表、生理測定法及其相關(guān)指標在腦力疲勞評定中的有效性;將主觀、客觀指標結(jié)合，構(gòu)建多層次多指標的腦力疲勞綜合評定體系，形成對腦力疲勞的定性、定量評定，提高腦力疲勞評定的客觀性和可靠度，從而為腦力疲勞的監(jiān)測和預防研究打下基礎(chǔ)。1 方法1.1 受試者20名2235歲男性科技工作人員作為受試者，進行實驗研究。受試者

10、要求身體健康、右利手、矯正視力正常、無色盲、心態(tài)平穩(wěn)，并均具有大學本科以上文化程度。1.2 測量設(shè)備利用BD118(LD 3)型閃光融合頻率計測量閃光融合臨界頻率(CFF)。利用BD509A型反應時測定儀測量選擇反應時。依據(jù)日本疲勞研究會大島正光的“疲勞癥狀分類表”進行疲勞癥狀主觀問卷。利用ASLH6單目標準(60 Hz)頭戴式眼動儀記錄實驗中的眼動數(shù)據(jù)。利用Medilog AR12型Holter采集心電信號。1.3 作業(yè)任務(wù)利用模擬監(jiān)控作業(yè)測驗軟件，模擬VDT監(jiān)控作業(yè)。其監(jiān)控作業(yè)任務(wù)為：受試者注視顯示器屏幕，屏幕劃分為9個顯示區(qū)域，實驗開始后，依據(jù)實驗前設(shè)置的時間間隔，字符(AZ、09)隨機

11、顯示在屏幕中的一個顯示區(qū)域內(nèi)，要求屏幕上顯示“09”數(shù)字字符時，受試者敲擊小鍵盤上對應的數(shù)字鍵，屏幕上顯示“AZ”字符時，受試者敲擊小鍵盤上的“Enter”鍵。實驗過程中記錄操作時間和成功率。為了避免在正式實驗中各指標的重復多次測量時出現(xiàn)練習效應，在實驗前對受試者充分進行作業(yè)任務(wù)的講解和操作培訓。為盡量減少生物節(jié)律造成的影響，測試時間均安排在上午8：00進行。在ASLH6和Holter準備就緒后，受試者首先進行閃光融合頻率和選擇反應時測量。閃光融合頻率重復測量6次，頻率變化按照增大、減小的方向間隔測試(第一次測量的頻率變化方向隨機確定)。完畢后，進行1 h模擬監(jiān)控作業(yè)。作業(yè)過程中同步采集眼動、

12、心電信號。作業(yè)結(jié)束后，依次進行腦力疲勞癥狀主觀問卷、閃光融合頻率和選擇反應時測量。1.5 指標利用Matlab對記錄的瞳孔直徑(縱向)和心電信號進行數(shù)據(jù)分析，計算Perclos和心率變異性指標。心理學指標選用閃光融合頻率(CFF)、選擇反應時(choice reaction time)、模擬監(jiān)控作業(yè)反應時(reaction time)，主觀疲勞感(fatigue feeling)。Perclos常用P80，即眼睛閉合80%的時間占特定時間的百分率34。本次研究直接利用瞳孔直徑(縱向)，計算Perclos。因而取眼瞼閉合影響瞳孔識別占特定時間的百分率。心率變異性時域指標選用相鄰竇性RR間期長度差

13、異均方根(rMSSD)、竇性RR間期的標準差(SDNN)和相鄰RR間期大于50 ms的百分比(PNN50)。頻域指標選用高頻功率(HF，0.150.4 Hz)、低頻功率(LF，0.040.15 Hz)、總功率(TP，00.4 Hz)、低頻功率和高頻功率的比值(LF/HF)。對原始5 min 的RR間期序列進行間隔為0.25 s的重采樣，得到新的RR間期序列，而后采用基于AR模型(階數(shù)為15)的功率譜分析。為防止極低頻段(VLF<0.03 Hz)的振蕩對其他頻段產(chǎn)生干擾，采用小波濾波器進行濾除。2 結(jié)果2.1 指標分析將1 h模擬監(jiān)控作業(yè)分4個時段,對HRV指標取第1時段(015 min)

14、作為基礎(chǔ)值與第4時段(4560 min)的數(shù)據(jù)進行分析。對模擬監(jiān)控作業(yè)反應時，為避免練習效應，以1560 min的平均值作為基礎(chǔ)值，與第4時段數(shù)據(jù)進行分析。對Perclos取第4時段數(shù)據(jù)進行分析。本次研究依據(jù)閃光融合頻率下降超過0.5 Hz5且模擬監(jiān)控作業(yè)反應時延長，將受試者分成2組，不疲勞組7名，疲勞組13名。對主觀疲勞感(Fatigue Feeling)、Perclos取作業(yè)后指標進行方差分析。對選擇反應時(CRT)、HRV指標取作業(yè)前后指標進行配對t檢驗，并對作業(yè)前后指標差值進行方差分析(表1)。結(jié)果表明：作業(yè)后，疲勞組主觀疲勞感和Perclos顯著高于不疲勞組，兩項指標適合腦力疲勞評定

15、研究。作業(yè)后疲勞組rMSSD、HF(AU)顯著下降，LF/HF顯著上升， LF、TP無顯著性變化;不疲勞組rMSSD、HF(AU)、LF、TP(AU)顯著上升，兩組受試者指標變化差異顯著，可用于腦力疲勞評定。盡管不具備統(tǒng)計學顯著性水平，但疲勞組PNN50下降，而不疲勞組上升，且兩組受試者該指標變化差異顯著，該指標適合于腦力疲勞評定研究。作業(yè)后兩組受試者選擇反應時(CRT)都顯著延遲，SDNN上升，但兩組受試者指標變化無顯著差異，不適合腦力疲勞評定，因而本研究中不再對該兩項指標進行腦力疲勞評定的進一步研究。2.2 疲勞概率綜合分析鑒于不疲勞組受試者7名，占總?cè)藬?shù)的35%。因而在利用各指標單獨進行

16、疲勞定性評定時，以各指標第35百分位數(shù)據(jù)作為判斷腦力疲勞的閾值，閃光融合頻率延用下降不超過0.5 Hz的原則。各指標的判據(jù)及其判斷的正確率如表2所示。結(jié)果表明：利用閃光融合頻率、Perclos、HRV指標中的rMSSD、PNN50、HF(AU)、TP(AU)單獨進行疲勞與否判定的有效性高。對表2中除閃光融合頻率和模擬監(jiān)控作業(yè)反應時以外的8項指標，以指標滿足疲勞定性判斷個數(shù)的百分比(陽性率)，作為疲勞概率，當疲勞概率>50%,判定為腦力疲勞，對腦力疲勞進行綜合定性評定。20名受試者利用疲勞概率進行疲勞判定的結(jié)果與分組結(jié)果的符合率為95%。這一結(jié)果表明多指標綜合評定能提高疲勞判定的有效性。2

17、.3 疲勞度綜合分析本次研究將指標分為3組，以閃光融合頻率、模擬監(jiān)控作業(yè)反應時作業(yè)前后指標變化的差值和主觀疲勞感為一組，歸一化后加權(quán)計算心理學疲勞指數(shù)。以rMSSD、PNN50、HF(AU)、LF(AU)、TP(AU)、LF/HF為一組，對作業(yè)前后指標變化的差值歸一化后加權(quán)計算心率變異性疲勞指數(shù)。以Perclos作為眼動疲勞指數(shù)。3類疲勞指數(shù)間的相關(guān)性分析結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明心率變異性疲勞指數(shù)與心理學、Perclos疲勞指數(shù)之間具有良好的相關(guān)性，且可用于實時監(jiān)測的客觀指標心率變異性疲勞指數(shù)與Perclos疲勞指數(shù)之間的相關(guān)性最好。對3類疲勞指數(shù)再次歸一化后加權(quán)計算疲勞度(fatigue d

18、egree),從而對腦力疲勞進行綜合定量評定。綜合加權(quán)中的組內(nèi)、組間權(quán)值由主成份分析的主成分分值歸一化確定。對疲勞概率、疲勞度進行相關(guān)分析，其相關(guān)系數(shù)為0.895(P=0.000)，表明疲勞綜合評定指標疲勞概率、疲勞度強正相關(guān)。對3類疲勞指數(shù)與疲勞度進行相關(guān)分析，并表1 兩組受試者指標變化比較表3 相關(guān)性分析 (= 0.05, n=20)表4 疲勞度分析統(tǒng)計結(jié)果 (n=20)對20名受試者3類疲勞指數(shù)與疲勞度排序的平均偏差進行統(tǒng)計，其結(jié)果如表4所示。結(jié)果表明：3類疲勞指數(shù)與綜合指標疲勞度之間都強正相關(guān)，且心率變異性疲勞指數(shù)與疲勞度之間相關(guān)性最好，排序的平均偏差最小，心理學疲勞指數(shù)與疲勞度排序的

19、平均偏差最大。3 討論腦力疲勞從表層現(xiàn)象解釋，主要是指心理、行為學涉及的注意力不集中、反應遲緩、警覺水平與工作能力下降，主觀疲勞感增加。在本次研究中，視頻顯示終端的監(jiān)控作業(yè)使得受試者視覺器官和中樞神經(jīng)系統(tǒng)始終處于高度緊張狀態(tài)，極易引發(fā)視疲勞和中樞神經(jīng)系統(tǒng)疲勞。因而選用心理學指標、主觀問卷、眼動、心率變異性指標均能有效評定監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞。本研究中從表層現(xiàn)象出發(fā)，以閃光融合頻率下降且模擬監(jiān)控作業(yè)反應時延遲將受試者分組，疲勞組主觀疲勞感顯著高于不疲勞組，為研究腦力疲勞對HRV指標的影響提供了基礎(chǔ)。心率變異性表征每次心跳之間的變化情況, 反映了輸入竇房結(jié)的自主波動, 表征了自主功能水平。HRV功率譜

20、的低頻成分(LF)受迷走神經(jīng)和交感神經(jīng)共同調(diào)節(jié)，但由于主要受交感神經(jīng)的影響，因而反映交感神經(jīng)的活性。高頻成分(HF)反映迷走神經(jīng)的活性。LF/HF反映交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)間的均衡性6。人體心臟受交感和迷走神經(jīng)雙重支配，在安靜的條件下, 迷走神經(jīng)興奮性占優(yōu);相反, 在疲勞、激動、緊張的狀態(tài)下, 迷走神經(jīng)興奮性降低，交感神經(jīng)興奮性占優(yōu)。當交感神經(jīng)活性增高，迷走神經(jīng)活性降低時會導致自主神經(jīng)功能紊亂。時域指標rMSSD反映HRV的中快變化成分，PNN50反映期間的突然變化，因而RMSSD、PNN50與頻域HF相關(guān)。本次研究中疲勞組在作業(yè)后，RMSSD、PNN50、HF(AU)和HF(NU)下降，LF/H

21、F上升，表明疲勞后迷走神經(jīng)作用降低，交感神經(jīng)的興奮作用占優(yōu)勢地位，受試者心率變異性降低，反應遲鈍。而不疲勞組由于從作業(yè)任務(wù)中恢復，HF(AU)上升，因而反應敏銳。這一結(jié)果與相關(guān)HRV指標腦力疲勞評定的研究結(jié)果一致68，長時間監(jiān)控作業(yè)工作人員由于精神緊張，導致交感神經(jīng)緊張度增強、迷走神經(jīng)緊張度降低,會引發(fā)腦力疲勞。心率變異性指標在反映應激水平的同時也能有效評定監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞。國外學者對Perclose的研究認為Perclos(P80)是準確評定腦力疲勞的有效指標。在本次研究中，通過對眼動儀記錄的瞳孔直徑進行數(shù)據(jù)分析，計算Perclos。腦力疲勞后眨眼時眼閉合時間延長，眼瞼的開/閉合速斷減慢，

22、Perclos指標上升正好反映這一規(guī)律，因而能有效用于腦力疲勞的定性、定量評定。盡管有學者認為正常眨眼運動的消失以及小幅高頻眨眼是疲勞出現(xiàn)的最早標志9。但在從警戒狀態(tài)到疲勞狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中,由于眨眼時眼閉合時間延長，眼瞼的開/閉合速斷減慢，使得眨眼頻率不適于腦力疲勞的評定。本次研究中單獨利用績效指標和主觀疲勞感進行疲勞判定正確率只有70%，而利用心理學、Perclose、HRV指標進行腦力疲勞綜合判定時其正確率高達95%。結(jié)果表明多指標評定能有效回避由于單指標測量誤差而引起的疲勞判定錯誤。盡管績效指標下降是腦力疲勞的一個重要表現(xiàn)，但由于練習效應及其作業(yè)交替引發(fā)的刺激提升大腦活動水平都會掩蓋疲勞

23、導致的績效下降的跡象，降低測量的準確性。因此績效指標并不適合獨立作為腦力疲勞的評定指標。主觀問卷方法簡單，但由于個人理解的差異，獨立使用時難以保證結(jié)果的有效性。由于1 h模擬監(jiān)控作業(yè)時間短，受試者疲勞程度輕，因而在研究中對主觀問卷結(jié)果沒有進行主觀疲勞分值統(tǒng)計。主觀疲勞感只適合對疲勞進行定性評定，而隨著疲勞程度的增加，將主觀疲勞感與疲勞分值相結(jié)合，才能對腦力疲勞進行有效的定量評定。本次研究中依據(jù)指標檢測對作業(yè)任務(wù)的干擾性，將疲勞評定分為實時監(jiān)測和任務(wù)后檢測兩種途徑。心理學疲勞指數(shù)為事后檢測，而Perclos和心率變異性疲勞指數(shù)為實時監(jiān)測。心率變異性疲勞指數(shù)、Perclos與綜合指標疲勞度之間的相

24、關(guān)性、排序的平均偏差均優(yōu)于心理學疲勞指數(shù)，表明利用生理指標(眼動指標，心電指標)建立多指標的客觀評定系統(tǒng)可有效實現(xiàn)腦力疲勞的實時監(jiān)測。在航天領(lǐng)域，可對實時采集的心電信號進行處理，從而實現(xiàn)對航天員監(jiān)控作業(yè)腦力疲勞的實時監(jiān)測。而心理、行為學指標盡管方法簡單、結(jié)果直接，但由于測量的方式局限性，對主作業(yè)有干擾，無法實時反映疲勞的瞬時波動，且測量結(jié)果受人為主觀因素影響，影響疲勞判定的有效性。因而以生理指標為基礎(chǔ)的實時多指標客觀綜合評定是腦力疲勞評定研究的趨勢。Perclos、心率變異性兩類指標由于具有的客觀性和易于提取性，因而在腦力疲勞評定中具有廣闊的應用前景，但還需要在指標的選擇、提取的算法，閾值的制

25、定上開展進一步的研究。本次研究以組內(nèi)、組間權(quán)值共同確定各指標在腦力疲勞綜合評定中的權(quán)值。由于1 h模擬監(jiān)控作業(yè)時間短，任務(wù)簡單，受試者在作業(yè)第4時段疲勞程度輕，因而多指標綜合評定權(quán)值的有效性受限。隨著腦力疲勞研究的深入，可結(jié)合監(jiān)控作業(yè)的任務(wù)特點，通過開展更長作業(yè)時間、以及在睡眠剝奪后的腦力疲勞實驗研究，深入探討連續(xù)作業(yè)時間對疲勞程度的影響，對綜合評定中采用的指標及其權(quán)值進行修正，從而提高腦力疲勞綜合評定的有效性。4 結(jié)論本研究依據(jù)閃光融合頻率和績效指標將受試者分為疲勞與不疲 勞兩組，研究了腦力疲勞對心率變異性時域、頻域指標的影響。迷走神經(jīng)對心率變異性起著主要的決定作用，監(jiān)控作業(yè)后，疲勞組迷走神

26、經(jīng)興奮性降低，交感迷走神經(jīng)平衡性也從迷走神經(jīng)興奮性占優(yōu)逐步變?yōu)榻桓猩窠?jīng)興奮性占優(yōu)。指標HF(AU)、rMSSD、PNN50下降，LF/HF上升，心率變異性降低。本研究利用心理學、Perclos、心率變異性指標對監(jiān)控作業(yè)后腦力疲勞進行了綜合評定，研究結(jié)果表明心率變異性指標與心理學疲勞指數(shù)、Perclos之間具有良好的線性相關(guān)性。由于單一指標分析對自主神經(jīng)系統(tǒng)功能評定有局限性，腦力疲勞的評定并不能依據(jù)單一指標進行，而應在整合多學科對腦力疲勞研究的成果后，從多角度出發(fā)，將主觀評定與客觀評定結(jié)合，采用多層次多指標的綜合分析方法對腦力疲勞進行定性、定量評定將更具有科學性和客觀性?！緟⒖嘉墨I】1 Kate

27、rina Cervena, Yves Dauviliers, Fabrice Espa, et al. Effect of cognitive behavioural therapy for insomnia on sleep architecture and sleep EEG power spectra in psychophysiological insomnia J. Journal of Sleep Research, 2004, 13 (4): 385393.2 SONG Jian, MIAO Danmin. Advances in research on the objectiv

28、e assessment of mental fatigue: a review J. Chin J Aerospace Med, 2006, 17(1): 7476.3 XIA Qin, SONG Yiwei, ZHU Xuefeng. The research development on driving fatigue based on perclos J. Techniques of Automation & Applications, 2007, 27(6): 4346.4 GUO Beiyuan, FANG Weining. Fatigue detection using eye tracking system J. Space Medicine & Medical Engineering, 2004, 17(4): 256260.5 CHENG Pinho. Effect of work/rest patterns and lumbar su