心率變異性指標用于腦負荷評價的實驗研究

心率變異性指標用于腦負荷評價的實驗研究

1心率變異性指標作為動態(tài)環(huán)境的連續(xù)操作任務，手控單元連接需要充分考慮員工的高效操作能力和反應能力，分配中斷時間和協(xié)調(diào)重點資源，保持眼和手之間的協(xié)調(diào)和六個自由度操作的協(xié)調(diào)。這些高標準要求允許員工在執(zhí)行任務時承擔大量的力負荷。近些年來,人們在研究中發(fā)現(xiàn)心率變異性(Heartratevariability,HRV)對腦力負荷水平的變化敏感性較好。它是一種簡單、實時、可量化反映心臟交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)系統(tǒng)活動及其平衡協(xié)調(diào)關(guān)系的指標,會隨著腦力負荷的增加而降低。但是對于度量不同強度和類型的腦力負荷,心率變異性一直是一個有爭議的指標。前期本實驗室曾對手控交會對接過程中的腦力負荷評估進行過研究,發(fā)現(xiàn)了皮溫等生理指標的敏感性。本研究擬在此基礎上進一步探討手控交會對接操作難度和訓練程度對HRV的影響。2研究對象和方法2.1實驗前評估隨機從報名的20位健康男性志愿者中選取14名志愿者,報名的志愿者均來自中國航天員科研訓練中心,年齡21~26歲,具有本科以上學歷,右利手,無手控交會對接操作經(jīng)驗,具有一定的航天知識背景。之后,這14名志愿者參加心理評估和能力測試(包括速度估計測試、循環(huán)測試、雙手協(xié)調(diào)能力測試等),基于本研究中操作任務的操作特點和以上的能力測試,通過對測試結(jié)果進行聚類分析,從中選取心理評估和能力水平最為接近的8名志愿者,參加正式實驗,保證實驗對象較好的同質(zhì)性。實驗方案通過了倫理委員會的審查,志愿者在實驗前填寫了知情同意書。志愿者在參加實驗前24h之內(nèi),要求避免過度興奮活動或者進行飲酒等影響自主神經(jīng)系統(tǒng)活動的因素影響。2.2訓練目標實驗任務為手控交會對接,志愿者通過觀察顯示器中目標的圖像,以及飛船測量系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù),來判斷兩個飛行器的相對位置,志愿者需要通過控制平移和姿態(tài)手柄,同時要調(diào)整飛船6個自由度上的運動,使飛船滿足對接所要求的位置、速度、姿態(tài)和角速度等嚴格的對接條件,才能完成兩個飛行器的順利交會和對接。本實驗是一個二因素的實驗,自變量為操作難度和訓練程度。操作難度主要是由兩個飛行器之間各個軸向上的相對位置、姿態(tài)、運動速度和角速度決定的,本研究根據(jù)實際訓練中的設計標準,設定了3個難度水平,即低、中、高難度。初始偏差越小,說明任務的難度水平越低。訓練程度主要根據(jù)練習的時間和經(jīng)驗來劃分,本研究中分為初訓和復訓。因變量為操作績效指標和HRV指標?？冃е笜税ú僮鲿r間和燃料消耗。HRV指標包括NN間期標準差(Standarddeviationofnormal-to-normalbeats,SDNN)和相鄰NN間期差值的均方根(SquarerootofthemeansquareddifferencesofsuccessiveNNintervals,RMSSD)兩個時域參數(shù)以及極低頻(VerylowfrequencypowercomponentsofHRVSpectrum,VLF)、低頻(LowFrequencypowercomponentsofHRVSpectrum,LF)、高頻(HighFrequencyComponentsofHRVSpectrum,HF)、低高頻譜成分功率比(LFtoHFRatio,LF/HF)、低頻歸一化參數(shù)(normalizedLF,LFNU)和高頻歸一化參數(shù)(normalizedHF,HFNU)等頻域參數(shù)。2.3數(shù)據(jù)收集與操作實驗的操作平臺是手控交會對接訓練模擬器。志愿者的心電圖通過生理信號記錄檢測儀KF2(北京保邁科技有限公司研制)進行連續(xù)記錄,在志愿者進行操作時將其戴于志愿者的前胸。模擬器中的軟件可以自動記錄志愿者操作過程中的數(shù)據(jù),包括最后的各項績效指標。2.4實驗教學內(nèi)容在實驗開始前,志愿者統(tǒng)一參加了手控交會對接基礎理論學習,并掌握了基本的控制原理和操作方法。正式實驗分為2個階段,分別為初訓和復訓,每個階段各包括3輪訓練,每輪訓練包括10個由低、中、高難度水平任務組成的訓練科目,其中第1輪為體驗訓練。輪與輪之間的時間間隔為2~4d。為了避免針對相同科目出現(xiàn)明顯的記憶和訓練學習效應,不同輪次中相同難度水平的具體科目設置不相同。每輪訓練時間為2h。2.5單次操作總心率變異性實驗分別選取第2輪和第5輪的數(shù)據(jù)作為初訓和復訓的數(shù)據(jù)樣本來處理。進行心率變異性分析的時間間隔選定為3min;進行單次交會對接過程中腦力負荷變化分析時,將單次對接全程(約570s)分為前3min,中間3min和后3min3個操作階段來處理;進行交會對接訓練過程中腦力負荷變化分析時,將以上3個操作階段的數(shù)據(jù)進行平均,作為單次操作總的心率變異性數(shù)據(jù)。對于HRV指標和績效指標,3個難度水平之間和單次操作過程中3個操作階段之間的差異比較使用單因素方差分析(ANOVA),兩兩難度水平、兩兩操作階段、不同訓練階段之間比較使用配對t檢驗,數(shù)據(jù)處理軟件為SPSS16.0,設定P<0.05為差異顯著性檢驗水準。3結(jié)果3.1兩種典型社會,兩種社會情況下,志愿者操作時間和燃料消耗的單因素方差分析,最終結(jié)果見表1考查兩個階段里手控交會對接結(jié)果中對接時間和燃料消耗的變化情況,按照不同的難度水平得到的均值和方差結(jié)果,如表1。結(jié)果表明,隨著操作難度水平的提高,志愿者的操作時間和燃料消耗在兩個階段里均出現(xiàn)了顯著性增長(單因素方差分析結(jié)果:初訓階段操作時間和燃料消耗P分別為0.04和0.02;復訓階段操作時間和燃料消耗P分別為0.02和0.01)。難度水平越高,操作時間越長,消耗的燃料越多。另外,在3個難度水平上,復訓階段的操作時間和燃料消耗都顯著小于初訓階段。3.2復訓階段hrv的變化考查初訓階段和復訓階段手控交會對接過程中志愿者HRV指標的變化情況,按照不同的難度水平得到的均值和方差,如表2。在初訓階段,HF、LF/HF、LFNU和HFNU這4個HRV指標在3個難度水平中表現(xiàn)出了顯著性差別(單因素方差分析P分別為0.045,0.047,0.03和0.03)。隨著難度水平由低到高的變化,HFNU和HF的值顯著減小,LFNU和LF/HF的值顯著增大。其它HRV指標在不同難度水平之間沒有顯著性差異(P﹥0.05)。在復訓階段,HRV的指標在3個難度水平以及兩兩難度水平之間均沒有表現(xiàn)出顯著性差異(P﹥0.05)。LF、LF/HF和LFNU的值隨著難度水平的升高呈增加趨勢,HFNU的值呈減小趨勢。另外,在3個難度水平上,VLF、LF、LF/HF和LFNU在復訓階段的值明顯低于初訓階段;HF和HFNU在復訓階段的值明顯高于初訓階段。3.3單次經(jīng)營操作階段hrv指標變化考查初訓階段(第二輪)不同操作階段手控交會對接過程中志愿者HRV指標的變化情況,按照不同的難度水平和操作階段得到的均值和方差,如表3。在前3min操作階段,LF/HF、LFNU和HFNU在3個難度水平之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P﹤0.05),隨著難度水平由低到高的變化,LF/HF和LFNU的值顯著增大,HFNU的值顯著減小,其他HRV指標在3個難度水平之間沒有顯著性差異。在中間3min操作階段,LF、LF/HF、LFNU和HFNU在3個難度水平之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P﹤0.05),隨著難度水平由低到高的變化,LF、LF/HF和LFNU的值顯著增大,HFNU的值顯著減小,其他HRV指標在3個難度水平之間沒有顯著性差異。在后3min操作階段,HF、LF/HF、LFNU和HFNU在3個難度水平之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P﹤0.05),隨著難度水平由低到高的變化,LF/HF和LFNU的值顯著增大,HF、HFNU的值顯著減小,其他HRV指標在3個難度水平之間沒有顯著性差異(P﹥0.05)。在低難度水平,LF、HF和LF/HF這3個HRV指標在單次交會對接操作的3個操作階段之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P﹤0.05)。隨著操作階段由前到后的變化,LF和LF/HF的值顯著減小,HF的值顯著增大;其他HRV指標在3個操作階段之間沒有表現(xiàn)出顯著性差異。在中難度水平,只有LF在3個操作階段之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P=0.041),隨著操作階段由前到后的變化,LF的值顯著減小。其他HRV指標在3個操作階段之間沒有表現(xiàn)出顯著性差異,但是HF和HFNU的值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。在高難度水平,LF、LF/HF和HFNU這3個HRV指標在3個操作階段之間表現(xiàn)出了顯著性差異(P﹤0.05),隨著操作階段由前到后的變化,LF和LF/HF的值顯著減小,HFNU的值顯著增大,其他HRV指標在3個操作階段之間沒有表現(xiàn)出顯著性差異,但HF的值呈逐漸增大的趨勢,LFNU的值呈逐漸減小的趨勢。4復訓階段與難度水平的關(guān)系本研究參照航天員訓練的安排,先對志愿者進行理論培訓,然后區(qū)分不同難度水平進行了兩個階段的手控交會對接操作訓練,發(fā)現(xiàn)操作難度、訓練程度和操作階段對HRV有比較明顯的影響。兩個階段的關(guān)鍵績效指標比較結(jié)果說明難度水平越高,操作時間越長,燃料消耗越多;不同難度水平之間存在顯著差異,根據(jù)Park等人和我們前期關(guān)于操作復雜度度量的研究結(jié)果,又結(jié)合工程需求以及航天員訓練的實際情況,進一步驗證了難度水平設計的有效性。另外,復訓階段的操作時間和燃料消耗在各個難度水平上明顯小于初訓階段,說明訓練程度越高,操作績效越好,通過訓練,志愿者的操作技能得到了提高。航天員訓練中的實際情況也支持本結(jié)論。許多研究已表明,HRV與腦力負荷存在一定的關(guān)系,在安靜的情況下,迷走神經(jīng)興奮占優(yōu)勢,心率的變化主要受迷走神經(jīng)調(diào)節(jié);在運動、情緒緊張、壓力增大等情況下,交感神經(jīng)興奮占優(yōu)勢,心率的變化主要受交感神經(jīng)調(diào)節(jié)。而低頻帶(LF:0.04~0.15Hz)反映心臟交感神經(jīng)的活性,高頻帶(HF:0.15~0.4Hz)反映心臟迷走神經(jīng)的活性。腦力負荷增大時,LF的值增大,HF的值減小,并且其敏感性較好,可作為腦力負荷的生理反映指標。在訓練的初訓階段,不同難度水平上,部分HRV指標表現(xiàn)出了顯著性差異,隨著難度水平的升高,HFNU和HF的值顯著減小,LFNU和LF/HF的值顯著增大?？梢哉J為操作難度水平的提高使志愿者交感神經(jīng)活性增強,承受的腦力負荷增大,腦力負荷的大小與難度水平正相關(guān),HRV指標可以用來表征腦力負荷水平的變化。在復訓階段,HRV指標在3個難度水平之間未表現(xiàn)出顯著差異,可認為是訓練效應的影響。隨著訓練程度的提高,志愿者的操作技能較之初訓階段有了很大提升,不同難度水平的操作使志愿者承受的腦力負荷沒有明顯差異,進而導致HRV指標沒有明顯變化。但是,這些指標仍在不同難度水平上表現(xiàn)出與初訓階段相同的變化趨勢,可見難度水平對HRV指標的影響仍存在。實驗結(jié)果表明,在3個難度水平上,VLF、LF、LF/HF和LFNU在復訓階段的值明顯低于初訓階段;HF和HFNU在復訓階段的值明顯高于初訓階段?？芍?隨著訓練程度的提高,志愿者在手控交會對接操作過程中的腦力負荷逐漸降低。實驗結(jié)果表明,在3個難度水平上,隨著操作階段由前到后的變化,LF和LF/HF的值顯著減小,HF和HFNU的值顯著增大?？芍?針對單次手控交會對接操作,在操作階段由前到后變化的過程中,志愿者的腦力負荷逐漸降低。分析原因可能是在對接的初始階段,兩飛行器之間的相對位置和姿態(tài)偏差都是最大的,使得腦力負荷值也比較大;隨著志愿者的不斷修正,偏差逐漸減小,志愿者承受的腦力負荷也變小。志愿者的主觀操作感受也基本支持本結(jié)論。但是志愿者還反映在最后的精確控制對接階段(約最后20s),感受到的腦力負荷有較明顯的增大,而這在實驗結(jié)果中并沒有反映出來。分析原因是本次實驗中HRV的分析間隔時間為3min,后3min的指標值只反映出了最后3min整體的變化情況,不能將最后20s的變化反映出來。可見,對單次手控交會對接操作過程中腦力負荷變化的精確判斷還需要減小HRV頻域分析的間隔時間,但是由于HRV指標的準確性和有效性受分析時間間隔的影響較大,小時間段的頻域分析方法還不成熟,因此在以后的研究中可以考慮探求、使用其他類指標(如眼動和腦電)來表征此過程中的腦力負荷的變化。5手控交際對接操作智力負荷通過開展手控交會對接實驗研究,本研究對HRV用于手控交會對接腦力負荷評價的可行性進行了分析討論。研究表明HRV指標可以有效的表征手控交會對接操作過程中腦力負荷水平的變化,可用于腦力負荷水平評價。隨著訓練程度的提高,操作者在手控交會對接操作過程中的腦力負