监控作业脑力疲劳综合评定方法研究

1、    监控作业脑力疲劳综合评定方法研究作者：王政，李延军，严 曲，王宏伟 作者单位：(中国航天员科研训练中心，北京100094)【摘要】 目的 探讨眼动、心率变异性指标与监控作业脑力疲劳间的关系，寻找客观指标，构建脑力疲劳综合评定方法。 方法 20名受试者进行1 h模拟监控作业，利用眼动仪和Holter记录作业过程中的眼动和心电数据。以闪光融合频率和监控作业反应时为依据，将受试者分为疲劳组与不疲劳组，对作业前后各指标进行对比分析。 结果 作业后，主观疲劳感、眼睑闭合度、LF/CF上升，反应时延长,闪光融合频率、HF(AU)下降。结论 脑力疲劳后，可利用

2、心理学、眼睑闭合度、心率变异性等指标对监控作业脑力疲劳进行多层次综合定性、定量评定。【关键词】 脑力疲劳;监控作业;心率变异性;闪光融合频率;眼睑闭合度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脑力疲劳为一种介于清醒与睡眠之间的过渡状态，是由于高强度或长时间持续活动而引起的工作能力减弱、工作效率降低和心理上“筋疲力尽”的一种状态，是人体的一种自然的

7、防护性反应1。在飞船座舱内由于任务需要，航天员往往需要长时间、高注意力监控飞船各仪表，这样极容易引发脑力疲劳，出现注意力不集中、反应迟缓、警觉水平与工作能力下降的状况，从而造成信息的误判、漏判，操作失误，引发安全隐患。对视觉显示终端(VDT)的监控作业脑力疲劳进行监测和预防，从而减缓和避免疲劳的发生，提高人员的工作能力、延长有效工作时间，是当前航空航天工效学研究的重要课题之一，同时也对载人航天作业负荷制定有着重要意义。脑力疲劳是当前国内外研究的热点，国内外学者对交通和军事领域里的驾驶疲劳、视觉显示终端的监控作业疲劳开展了广泛而深入的研究。旨在探讨脑力疲劳发生的机理，由表及里，及从表层现象出发，

8、在心理学、行为学层面由注意力集中能力下降引起作业绩效降低、主观疲劳感受，深入到生理层面各类生理指标的变化，探索脑力疲劳发生的心理、生理机制，构建脑力疲劳的评价体系和方法,从而实现对脑力疲劳的监测。脑力疲劳的评定方法可分为主观评定法和客观评定法2。主观评定分为依据疲劳量表的主观自评法和利用人面部视频图像的主观他评法。客观评定主要分为以反应时、记忆能力、注意力集中能力，辨别能力为主的心理学、行为学指标评定;以脑电、心电、眼动数据为主的生理学指标评定;以及生化指标评定3类。尽管国内外学者对脑力疲劳开展了多样的研究，但以客观指标来检测脑力疲劳还处于研究中，没有形成明确的结论。脑力疲劳的研究以单一类指标

9、评定为主，且缺乏统一、标准的尺度，各类指标间的评定结果也不具备可比性。同时由于脑力疲劳的复杂性，疲劳度、作业负荷强度以及应激水平间的相互影响，使得单一指标由于结果的片面性，往往难以揭示疲劳的本质。因而本次研究致力于多类别疲劳指标综合评定的研究，通过模拟监控作业任务，分析动作时间测定法、主观调查表、生理测定法及其相关指标在脑力疲劳评定中的有效性;将主观、客观指标结合，构建多层次多指标的脑力疲劳综合评定体系，形成对脑力疲劳的定性、定量评定，提高脑力疲劳评定的客观性和可靠度，从而为脑力疲劳的监测和预防研究打下基础。1 方法1.1 受试者20名2235岁男性科技工作人员作为受试者，进行实验研究。受试者

10、要求身体健康、右利手、矫正视力正常、无色盲、心态平稳，并均具有大学本科以上文化程度。1.2 测量设备利用BD118(LD 3)型闪光融合频率计测量闪光融合临界频率(CFF)。利用BD509A型反应时测定仪测量选择反应时。依据日本疲劳研究会大岛正光的“疲劳症状分类表”进行疲劳症状主观问卷。利用ASLH6单目标准(60 Hz)头戴式眼动仪记录实验中的眼动数据。利用Medilog AR12型Holter采集心电信号。1.3 作业任务利用模拟监控作业测验软件，模拟VDT监控作业。其监控作业任务为：受试者注视显示器屏幕，屏幕划分为9个显示区域，实验开始后，依据实验前设置的时间间隔，字符(AZ、09)随机

11、显示在屏幕中的一个显示区域内，要求屏幕上显示“09”数字字符时，受试者敲击小键盘上对应的数字键，屏幕上显示“AZ”字符时，受试者敲击小键盘上的“Enter”键。实验过程中记录操作时间和成功率。为了避免在正式实验中各指标的重复多次测量时出现练习效应，在实验前对受试者充分进行作业任务的讲解和操作培训。为尽量减少生物节律造成的影响，测试时间均安排在上午8：00进行。在ASLH6和Holter准备就绪后，受试者首先进行闪光融合频率和选择反应时测量。闪光融合频率重复测量6次，频率变化按照增大、减小的方向间隔测试(第一次测量的频率变化方向随机确定)。完毕后，进行1 h模拟监控作业。作业过程中同步采集眼动、

12、心电信号。作业结束后，依次进行脑力疲劳症状主观问卷、闪光融合频率和选择反应时测量。1.5 指标利用Matlab对记录的瞳孔直径(纵向)和心电信号进行数据分析，计算Perclos和心率变异性指标。心理学指标选用闪光融合频率(CFF)、选择反应时(choice reaction time)、模拟监控作业反应时(reaction time)，主观疲劳感(fatigue feeling)。Perclos常用P80，即眼睛闭合80%的时间占特定时间的百分率34。本次研究直接利用瞳孔直径(纵向)，计算Perclos。因而取眼睑闭合影响瞳孔识别占特定时间的百分率。心率变异性时域指标选用相邻窦性RR间期长度差

13、异均方根(rMSSD)、窦性RR间期的标准差(SDNN)和相邻RR间期大于50 ms的百分比(PNN50)。频域指标选用高频功率(HF，0.150.4 Hz)、低频功率(LF，0.040.15 Hz)、总功率(TP，00.4 Hz)、低频功率和高频功率的比值(LF/HF)。对原始5 min 的RR间期序列进行间隔为0.25 s的重采样，得到新的RR间期序列，而后采用基于AR模型(阶数为15)的功率谱分析。为防止极低频段(VLF<0.03 Hz)的振荡对其他频段产生干扰，采用小波滤波器进行滤除。2 结果2.1 指标分析将1 h模拟监控作业分4个时段,对HRV指标取第1时段(015 min)

14、作为基础值与第4时段(4560 min)的数据进行分析。对模拟监控作业反应时，为避免练习效应，以1560 min的平均值作为基础值，与第4时段数据进行分析。对Perclos取第4时段数据进行分析。本次研究依据闪光融合频率下降超过0.5 Hz5且模拟监控作业反应时延长，将受试者分成2组，不疲劳组7名，疲劳组13名。对主观疲劳感(Fatigue Feeling)、Perclos取作业后指标进行方差分析。对选择反应时(CRT)、HRV指标取作业前后指标进行配对t检验，并对作业前后指标差值进行方差分析(表1)。结果表明：作业后，疲劳组主观疲劳感和Perclos显著高于不疲劳组，两项指标适合脑力疲劳评定

15、研究。作业后疲劳组rMSSD、HF(AU)显著下降，LF/HF显著上升， LF、TP无显著性变化;不疲劳组rMSSD、HF(AU)、LF、TP(AU)显著上升，两组受试者指标变化差异显著，可用于脑力疲劳评定。尽管不具备统计学显著性水平，但疲劳组PNN50下降，而不疲劳组上升，且两组受试者该指标变化差异显著，该指标适合于脑力疲劳评定研究。作业后两组受试者选择反应时(CRT)都显著延迟，SDNN上升，但两组受试者指标变化无显著差异，不适合脑力疲劳评定，因而本研究中不再对该两项指标进行脑力疲劳评定的进一步研究。2.2 疲劳概率综合分析鉴于不疲劳组受试者7名，占总人数的35%。因而在利用各指标单独进行

16、疲劳定性评定时，以各指标第35百分位数据作为判断脑力疲劳的阈值，闪光融合频率延用下降不超过0.5 Hz的原则。各指标的判据及其判断的正确率如表2所示。结果表明：利用闪光融合频率、Perclos、HRV指标中的rMSSD、PNN50、HF(AU)、TP(AU)单独进行疲劳与否判定的有效性高。对表2中除闪光融合频率和模拟监控作业反应时以外的8项指标，以指标满足疲劳定性判断个数的百分比(阳性率)，作为疲劳概率，当疲劳概率>50%,判定为脑力疲劳，对脑力疲劳进行综合定性评定。20名受试者利用疲劳概率进行疲劳判定的结果与分组结果的符合率为95%。这一结果表明多指标综合评定能提高疲劳判定的有效性。2

17、.3 疲劳度综合分析本次研究将指标分为3组，以闪光融合频率、模拟监控作业反应时作业前后指标变化的差值和主观疲劳感为一组，归一化后加权计算心理学疲劳指数。以rMSSD、PNN50、HF(AU)、LF(AU)、TP(AU)、LF/HF为一组，对作业前后指标变化的差值归一化后加权计算心率变异性疲劳指数。以Perclos作为眼动疲劳指数。3类疲劳指数间的相关性分析结果如表3所示。结果表明心率变异性疲劳指数与心理学、Perclos疲劳指数之间具有良好的相关性，且可用于实时监测的客观指标心率变异性疲劳指数与Perclos疲劳指数之间的相关性最好。对3类疲劳指数再次归一化后加权计算疲劳度(fatigue d

18、egree),从而对脑力疲劳进行综合定量评定。综合加权中的组内、组间权值由主成份分析的主成分分值归一化确定。对疲劳概率、疲劳度进行相关分析，其相关系数为0.895(P=0.000)，表明疲劳综合评定指标疲劳概率、疲劳度强正相关。对3类疲劳指数与疲劳度进行相关分析，并表1 两组受试者指标变化比较表3 相关性分析 (= 0.05, n=20)表4 疲劳度分析统计结果 (n=20)对20名受试者3类疲劳指数与疲劳度排序的平均偏差进行统计，其结果如表4所示。结果表明：3类疲劳指数与综合指标疲劳度之间都强正相关，且心率变异性疲劳指数与疲劳度之间相关性最好，排序的平均偏差最小，心理学疲劳指数与疲劳度排序的

19、平均偏差最大。3 讨论脑力疲劳从表层现象解释，主要是指心理、行为学涉及的注意力不集中、反应迟缓、警觉水平与工作能力下降，主观疲劳感增加。在本次研究中，视频显示终端的监控作业使得受试者视觉器官和中枢神经系统始终处于高度紧张状态，极易引发视疲劳和中枢神经系统疲劳。因而选用心理学指标、主观问卷、眼动、心率变异性指标均能有效评定监控作业脑力疲劳。本研究中从表层现象出发，以闪光融合频率下降且模拟监控作业反应时延迟将受试者分组，疲劳组主观疲劳感显著高于不疲劳组，为研究脑力疲劳对HRV指标的影响提供了基础。心率变异性表征每次心跳之间的变化情况, 反映了输入窦房结的自主波动, 表征了自主功能水平。HRV功率谱

20、的低频成分(LF)受迷走神经和交感神经共同调节，但由于主要受交感神经的影响，因而反映交感神经的活性。高频成分(HF)反映迷走神经的活性。LF/HF反映交感神经和迷走神经间的均衡性6。人体心脏受交感和迷走神经双重支配，在安静的条件下, 迷走神经兴奋性占优;相反, 在疲劳、激动、紧张的状态下, 迷走神经兴奋性降低，交感神经兴奋性占优。当交感神经活性增高，迷走神经活性降低时会导致自主神经功能紊乱。时域指标rMSSD反映HRV的中快变化成分，PNN50反映期间的突然变化，因而RMSSD、PNN50与频域HF相关。本次研究中疲劳组在作业后，RMSSD、PNN50、HF(AU)和HF(NU)下降，LF/H

21、F上升，表明疲劳后迷走神经作用降低，交感神经的兴奋作用占优势地位，受试者心率变异性降低，反应迟钝。而不疲劳组由于从作业任务中恢复，HF(AU)上升，因而反应敏锐。这一结果与相关HRV指标脑力疲劳评定的研究结果一致68，长时间监控作业工作人员由于精神紧张，导致交感神经紧张度增强、迷走神经紧张度降低,会引发脑力疲劳。心率变异性指标在反映应激水平的同时也能有效评定监控作业脑力疲劳。国外学者对Perclose的研究认为Perclos(P80)是准确评定脑力疲劳的有效指标。在本次研究中，通过对眼动仪记录的瞳孔直径进行数据分析，计算Perclos。脑力疲劳后眨眼时眼闭合时间延长，眼睑的开/闭合速断减慢，

22、Perclos指标上升正好反映这一规律，因而能有效用于脑力疲劳的定性、定量评定。尽管有学者认为正常眨眼运动的消失以及小幅高频眨眼是疲劳出现的最早标志9。但在从警戒状态到疲劳状态的转换过程中,由于眨眼时眼闭合时间延长，眼睑的开/闭合速断减慢，使得眨眼频率不适于脑力疲劳的评定。本次研究中单独利用绩效指标和主观疲劳感进行疲劳判定正确率只有70%，而利用心理学、Perclose、HRV指标进行脑力疲劳综合判定时其正确率高达95%。结果表明多指标评定能有效回避由于单指标测量误差而引起的疲劳判定错误。尽管绩效指标下降是脑力疲劳的一个重要表现，但由于练习效应及其作业交替引发的刺激提升大脑活动水平都会掩盖疲劳

23、导致的绩效下降的迹象，降低测量的准确性。因此绩效指标并不适合独立作为脑力疲劳的评定指标。主观问卷方法简单，但由于个人理解的差异，独立使用时难以保证结果的有效性。由于1 h模拟监控作业时间短，受试者疲劳程度轻，因而在研究中对主观问卷结果没有进行主观疲劳分值统计。主观疲劳感只适合对疲劳进行定性评定，而随着疲劳程度的增加，将主观疲劳感与疲劳分值相结合，才能对脑力疲劳进行有效的定量评定。本次研究中依据指标检测对作业任务的干扰性，将疲劳评定分为实时监测和任务后检测两种途径。心理学疲劳指数为事后检测，而Perclos和心率变异性疲劳指数为实时监测。心率变异性疲劳指数、Perclos与综合指标疲劳度之间的相

24、关性、排序的平均偏差均优于心理学疲劳指数，表明利用生理指标(眼动指标，心电指标)建立多指标的客观评定系统可有效实现脑力疲劳的实时监测。在航天领域，可对实时采集的心电信号进行处理，从而实现对航天员监控作业脑力疲劳的实时监测。而心理、行为学指标尽管方法简单、结果直接，但由于测量的方式局限性，对主作业有干扰，无法实时反映疲劳的瞬时波动，且测量结果受人为主观因素影响，影响疲劳判定的有效性。因而以生理指标为基础的实时多指标客观综合评定是脑力疲劳评定研究的趋势。Perclos、心率变异性两类指标由于具有的客观性和易于提取性，因而在脑力疲劳评定中具有广阔的应用前景，但还需要在指标的选择、提取的算法，阈值的制

25、定上开展进一步的研究。本次研究以组内、组间权值共同确定各指标在脑力疲劳综合评定中的权值。由于1 h模拟监控作业时间短，任务简单，受试者在作业第4时段疲劳程度轻，因而多指标综合评定权值的有效性受限。随着脑力疲劳研究的深入，可结合监控作业的任务特点，通过开展更长作业时间、以及在睡眠剥夺后的脑力疲劳实验研究，深入探讨连续作业时间对疲劳程度的影响，对综合评定中采用的指标及其权值进行修正，从而提高脑力疲劳综合评定的有效性。4 结论本研究依据闪光融合频率和绩效指标将受试者分为疲劳与不疲 劳两组，研究了脑力疲劳对心率变异性时域、频域指标的影响。迷走神经对心率变异性起着主要的决定作用，监控作业后，疲劳组迷走神

26、经兴奋性降低，交感迷走神经平衡性也从迷走神经兴奋性占优逐步变为交感神经兴奋性占优。指标HF(AU)、rMSSD、PNN50下降，LF/HF上升，心率变异性降低。本研究利用心理学、Perclos、心率变异性指标对监控作业后脑力疲劳进行了综合评定，研究结果表明心率变异性指标与心理学疲劳指数、Perclos之间具有良好的线性相关性。由于单一指标分析对自主神经系统功能评定有局限性，脑力疲劳的评定并不能依据单一指标进行，而应在整合多学科对脑力疲劳研究的成果后，从多角度出发，将主观评定与客观评定结合，采用多层次多指标的综合分析方法对脑力疲劳进行定性、定量评定将更具有科学性和客观性。【参考文献】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

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