完顏笑如 莊達(dá)民* 劉 偉

1(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

2(北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

基于非任務(wù)相關(guān)ERP技術(shù)的飛行員腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)方法

完顏笑如1莊達(dá)民1*劉 偉2

1(北京航空航天大學(xué)航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191)

2(北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，北京 100876)

為研究不同飛行腦力負(fù)荷水平對(duì)被試腦功能的影響，在飛行模擬任務(wù)中，要求被試對(duì)平視顯示器(HUD)仿真模型上所呈現(xiàn)的目標(biāo)信息狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常信息后按指定鍵進(jìn)行消除。實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)定所需監(jiān)視的目標(biāo)信息數(shù)量及刷新頻率，以控制被試的腦力負(fù)荷水平。在進(jìn)行飛行模擬任務(wù)的同時(shí)，對(duì)被試雙耳輸入oddball模式下的聽(tīng)覺(jué)刺激，要求被試忽略該聲音刺激。記錄和分析不同腦力負(fù)荷下的聽(tīng)覺(jué)失匹配負(fù)波(MMN)。結(jié)果表明，在額中央?yún)^(qū)，與低腦力負(fù)荷相比，高腦力負(fù)荷下的MMN平均波幅增強(qiáng)，且與被試對(duì)異常信息的正確探測(cè)率成正相關(guān)。研究表明，聽(tīng)覺(jué)MMN對(duì)飛行腦力負(fù)荷具有較好敏感性，可為復(fù)雜飛行任務(wù)的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)提供一定的客觀依據(jù)。

腦力負(fù)荷;事件相關(guān)電位;失匹配負(fù)波;警覺(jué)度;人機(jī)工效

引言

腦力負(fù)荷，指作業(yè)人員為達(dá)到業(yè)績(jī)標(biāo)準(zhǔn)而付出的注意力大小，其涉及到完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)的工作要求、時(shí)間壓力、作業(yè)人員的能力和努力程度，以及任務(wù)不順利時(shí)的挫折感等［1］。飛機(jī)駕駛艙屬于信息高度密集的特殊作業(yè)環(huán)境，近年來(lái)，隨著飛行智能化、信息化程度的提高，飛行員在執(zhí)行任務(wù)時(shí)往往需要同時(shí)關(guān)注多個(gè)信息。當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，由于作業(yè)負(fù)荷過(guò)高而導(dǎo)致腦力負(fù)荷超載的情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重影響到飛行安全，因此對(duì)由飛行員作業(yè)負(fù)荷變化而引發(fā)的腦力負(fù)荷進(jìn)行測(cè)量評(píng)價(jià)具有重要意義［2］。目前國(guó)內(nèi)外普遍應(yīng)用的飛行員腦力負(fù)荷測(cè)量方法包括:主觀評(píng)價(jià)法、主任務(wù)測(cè)量法、輔助任務(wù)測(cè)量法以及生理測(cè)量法。這些測(cè)量方法各有優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用的局限性，雖然通過(guò)使用這些方法已取得一系列研究成果，但仍遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于腦力負(fù)荷測(cè)量的要求，因此有必要不斷改進(jìn)現(xiàn)有的腦力負(fù)荷測(cè)量方法并開(kāi)創(chuàng)新的方法［3］。

事件相關(guān)電位(event－related potentials，ERPs)測(cè)量是反映大腦信息加工活動(dòng)的敏感而有意義的技術(shù)手段，由于腦力負(fù)荷與大腦的信息加工能力密切相關(guān)，因此將ERPs作為腦力負(fù)荷狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)是合適的［4］。隨著腦電技術(shù)設(shè)備的發(fā)展，更多的腦電位可被采集記錄到，從而促使ERPs成為目前在腦力負(fù)荷、疲勞評(píng)價(jià)領(lǐng)域很有發(fā)展前景的指標(biāo)之一。近年來(lái)，在簡(jiǎn)單抽象任務(wù)、復(fù)雜模擬任務(wù)以及各種作業(yè)環(huán)境中探討ERPs在腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)方面的可用性，成為國(guó)際認(rèn)知腦科學(xué)界及人機(jī)工效學(xué)界的研究熱點(diǎn)［5－6］。

聽(tīng)覺(jué)失匹配負(fù)波(mismatch negativity，MMN)成分由Naatanen等于1978年所發(fā)現(xiàn)，其產(chǎn)生機(jī)制及認(rèn)知學(xué)意義主要通過(guò)記憶痕跡假說(shuō)獲得解釋，不斷重復(fù)的規(guī)律性標(biāo)準(zhǔn)刺激的物理特征被編碼貯存于大腦后，成為記憶痕跡，每一個(gè)輸入的聽(tīng)覺(jué)刺激都自動(dòng)與之相比較，如果有偏差刺激在標(biāo)準(zhǔn)刺激記憶痕跡存續(xù)期內(nèi)出現(xiàn)，便會(huì)產(chǎn)生神經(jīng)失匹配過(guò)程，誘發(fā)出MMN［7］。由于 MMN的產(chǎn)生是大腦基于非注意條件下對(duì)偏差刺激的自動(dòng)反應(yīng)，因此反映了大腦對(duì)外界信息的自動(dòng)加工過(guò)程［8］。目前，在作業(yè)負(fù)荷評(píng)價(jià)領(lǐng)域，基于MMN成分所開(kāi)展的相關(guān)研究主要為在單一作業(yè)任務(wù)或雙作業(yè)任務(wù)下，探討任務(wù)難度變化對(duì)于被試聽(tīng)覺(jué)MMN的影響［9－11］。由于這些研究所取得的結(jié)論并不一致，且多數(shù)研究是基于抽象的心理學(xué)實(shí)驗(yàn)所展開(kāi)的，與飛行員在實(shí)際飛行時(shí)從顯示器獲取信息并做出反應(yīng)判斷的作業(yè)過(guò)程還存在較大差異，考慮到飛行任務(wù)的復(fù)雜性與特殊性，故這類研究結(jié)論能否直接應(yīng)用于飛行任務(wù)的評(píng)價(jià)尚有待進(jìn)一步的驗(yàn)證。

本研究基于前期對(duì)信息獲取與腦力負(fù)荷之間的關(guān)系［12－13］，設(shè)定高、低兩種作業(yè)負(fù)荷來(lái)控制被試的腦力負(fù)荷水平，通過(guò)研究高、低腦力負(fù)荷水平對(duì)被試聽(tīng)覺(jué)MMN的影響，檢驗(yàn)MMN成分的敏感性，以期提出一種用于飛行任務(wù)腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)的新的客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 方法

1.1 被試

被試為北京航空航天大學(xué)13名在飛行模擬器上受過(guò)培訓(xùn)的模擬飛行員(男9例，女4例，22～28歲，平均年齡25.4歲)，右利手，能夠熟練完成多種飛行模擬任務(wù)，視力或矯正視力正常，無(wú)精神疾患，聽(tīng)力正常，實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均知情同意。

1.2 飛行模擬任務(wù)

被試需要在“飛機(jī)座艙人機(jī)工效評(píng)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)”［14］上完成以巡航任務(wù)為主，包括起飛及降落在內(nèi)的完整的飛行過(guò)程。在飛行中，被試需要對(duì)平視顯示器仿真模型中目標(biāo)信息的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常時(shí)，通過(guò)按指定鍵消除異常。不同的目標(biāo)信息對(duì)應(yīng)不同的按鍵。平視顯示器仿真模型可顯示空速、氣壓高度、雷達(dá)高度、航向角、俯仰角、滾轉(zhuǎn)角、方向舵狀態(tài)、起落架狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)等多種飛行信息。實(shí)驗(yàn)通過(guò)設(shè)定需要被試保持監(jiān)視的目標(biāo)信息的數(shù)量及刷新頻率來(lái)改變被試的作業(yè)負(fù)荷，從而控制被試的腦力負(fù)荷水平［12］。實(shí)驗(yàn)設(shè)定在高腦力負(fù)荷下，目標(biāo)信息數(shù)量為9個(gè)，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間(inter－stimulus interval，ISI)分別為1 s與0.5 s;在低腦力負(fù)荷下，目標(biāo)信息數(shù)量為3個(gè)，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時(shí)間與間隔時(shí)間均為2 s。

1.3 Oddball任務(wù)

一個(gè)完整的聽(tīng)覺(jué)刺激序列包含1 200個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激(1 000 Hz，65 dB SPL，出現(xiàn)概率 80%)，以及 300個(gè)偏差刺激(1 100 Hz，65 dB SPL，出現(xiàn)概率20%)，刺激呈現(xiàn)時(shí)間為 50 ms，刺激間隔(stimulus onset asynchrony，SOA)為500 ms。每個(gè)偏差刺激前，至少出現(xiàn)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)刺激。要求被試關(guān)注飛行模擬任務(wù)，忽略聽(tīng)覺(jué)刺激。

1.4 實(shí)驗(yàn)程序

13名被試均參與高、低兩種腦力負(fù)荷下的2次飛行模擬任務(wù)，一次飛行模擬任務(wù)約需要13 min，每個(gè)被試的兩次飛行模擬任務(wù)之間間隔3 d，同一被試的兩次實(shí)驗(yàn)均在上午或下午進(jìn)行，高、低腦力負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)順序在被試中交叉平衡。在整個(gè)飛行模擬過(guò)程中，通過(guò)耳機(jī)對(duì)被試雙耳輸入一個(gè)完整的聽(tīng)覺(jué)刺激序列。圖1為“飛機(jī)座艙人機(jī)工效評(píng)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)”中剛完成實(shí)驗(yàn)的某被試者。

圖1 飛機(jī)座艙人機(jī)工效評(píng)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)中的被試者Fig.1 A subject in the flight simulator

1.5 數(shù)據(jù)記錄

計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄被試對(duì)異常信息的正確探測(cè)率和反應(yīng)時(shí)間，作為后期作業(yè)績(jī)效的評(píng)價(jià)指標(biāo)。腦電信號(hào)采用 Neuroscan系統(tǒng)(40導(dǎo)，Compumedics NeuroScan公司，美國(guó))，記錄 FZ、FCZ、CZ位置的EEG。以鼻尖為參考電極，同時(shí)記錄水平眼電和垂直眼電。電極與皮膚接觸阻抗小于5 kΩ，記錄帶寬為0.1～100 Hz，采樣率為 500 Hz/導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，存儲(chǔ)腦電數(shù)據(jù)備離線分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用Scan 4.3軟件分析 EEG數(shù)據(jù)，利用 EOG信號(hào)相關(guān)法，去除垂直眼電和水平眼電對(duì)EEG信號(hào)的影響，排除有明顯偽跡的數(shù)據(jù)。以聽(tīng)覺(jué)信號(hào)為觸發(fā)，分別得出每個(gè)被試在每種條件下的平均 ERPs。分析時(shí)程(epoch)為450 ms，包含刺激前的50 ms為基線矯正，波幅大于±70 μV的視為偽跡予以剔除，所得ERPs經(jīng)1～20 Hz的無(wú)相移帶通數(shù)字濾波器濾波。用偏差刺激的ERPs減去標(biāo)準(zhǔn)刺激的 ERPs，得到MMN。對(duì)MMN平均波幅進(jìn)行重復(fù)測(cè)量的兩因素方差分析(repeated measures ANOVA):腦力負(fù)荷(2水平:高、低)×電極(3水平:FZ、FCZ、CZ)。通常，MMN的測(cè)量時(shí)間窗為刺激后150～250 ms，但對(duì)于復(fù)雜的聽(tīng)覺(jué)或認(rèn)知加工，需要考慮更寬的時(shí)間窗［15］。根據(jù)總平均圖，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定 MMN的測(cè)量時(shí)間窗為刺激后的150～300 ms。對(duì)高、低腦力負(fù)荷下被試對(duì)異常信息的正確探測(cè)率及反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)比較，并對(duì)MMN與作業(yè)績(jī)效之間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 作業(yè)績(jī)效結(jié)果

被試在高、低腦力負(fù)荷下對(duì)異常信息的平均正確探測(cè)率和反應(yīng)時(shí)間如表1所示。單因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，在高腦力負(fù)荷下，被試對(duì)異常信息的正確探測(cè)率顯著降低(F(1，12)=56.43;P＜0.001)，且反應(yīng)時(shí)間出現(xiàn)延長(zhǎng)的趨勢(shì)(F(1，12)=4.05;P=0.067)，但未達(dá)到顯著性水平。

表1 高、低腦力負(fù)荷下的正確探測(cè)率及反應(yīng)時(shí)間Tab.1 Accuracy rate and reaction time under the high and low mental workloads

2.2 ERP結(jié)果

在高、低腦力負(fù)荷下，F(xiàn)Z、FCZ、CZ電極記錄到的MMN總平均圖如圖2所示。在150～300 ms測(cè)量時(shí)間窗，兩因素重復(fù)測(cè)量的方差分析表明，腦力負(fù)荷對(duì)MMN平均波幅的主效應(yīng)顯著(F(1，12)=5.35，P=0.039)，表現(xiàn)為高腦力負(fù)荷下的 MMN平均波幅((0.70 μV)顯著高于低腦力負(fù)荷下的MMN平均波幅((0.23 μV)。電極主效應(yīng)顯著(F(2，24)=10.37;P=0.001)，表現(xiàn)為額區(qū)電極位置(FZ)的MMN平均波幅((0.62 μV)顯著高于額中央?yún)^(qū)電極位置(FCZ)的 MMN平均波幅((0.50 μV)，額中央?yún)^(qū)電極位置的MMN平均波幅顯著高于中央?yún)^(qū)電極位置(CZ)的 MMN平均波幅((0.34 μV)。

在150～300 ms測(cè)量時(shí)間窗，腦力負(fù)荷與電極的交互作用顯著(F(2，24)=4.02;P=0.031)。多重比較檢驗(yàn)結(jié)果表明，在低腦力負(fù)荷下，F(xiàn)Z電極的MMN平均波幅顯著高于CZ電極的MMN平均波幅(P＜0.001)，F(xiàn)CZ電極的 MMN平均波幅顯著高于CZ電極的MMN平均波幅(P＜0.001)，F(xiàn)Z電極的MMN平均波幅的均值高于FCZ電極的MMN平均波幅的均值，但兩者間的差異未達(dá)到顯著性水平(P=0.101);在CZ電極，高腦力負(fù)荷下的 MMN平均波幅顯著高于低腦力負(fù)荷下的MMN平均波幅。被試在高、低腦力負(fù)荷下的 MMN平均波幅如表2所示。

2.3 相關(guān)分析

圖2 高、低腦力負(fù)荷下MMN的總平均。(a)FZ電極;(b)FCZ電極;(c)CZ電極Fig.2 Grand-average difference waves under the high and low mental workloads.(a)FZ electrode;(b)FCZ electrode;(c)CZ electrode

表2 高、低腦力負(fù)荷下的MMN平均波幅Tab.2 Mean amplitudes of MMN under the high and low mental workloads

為驗(yàn)證作業(yè)績(jī)效與MMN成分之間的相關(guān)程度，分別對(duì) FZ、FCZ、CZ電極的MMN平均波幅與正確探測(cè)率和反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)性進(jìn)行檢驗(yàn)。結(jié)果表明:在FZ電極，MMN平均波幅與正確探測(cè)率呈正相關(guān)(r=0.46，P＜0.05)，在 FCZ電極，MMN平均波幅與正確探測(cè)率呈正相關(guān)(r=0.45，P＜0.05)，在CZ電極，MMN平均波幅與正確探測(cè)率呈顯著正相關(guān)(r=0.52，P＜0.01)。但3個(gè)電極的 MMN平均波幅與反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)性均不顯著，具體表現(xiàn)為在FZ電極，MMN平均波幅與反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)性為(r=－0.18，P＞0.05)，在 FZ電極，MMN平均波幅與反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)性為(r=－0.25，P＞0.05)，在FCZ電極，MMN平均波幅與反應(yīng)時(shí)間的相關(guān)性為(r= －0.28，P＞0.05)。

3 討論和結(jié)論

有關(guān)研究表明，作業(yè)人員在高腦力負(fù)荷下，因面臨更高的任務(wù)要求及時(shí)間壓力，很容易產(chǎn)生緊張、焦慮等情緒，而這些情緒因素均會(huì)增加生理喚起，提高作業(yè)人員的警覺(jué)度，并且可能調(diào)節(jié)注意的方向，使注意焦點(diǎn)以外的信息獲得關(guān)注［16］。由此可見(jiàn)，在本研究中，高腦力負(fù)荷水平下的MMN成分誘發(fā)增強(qiáng)，可能與被試在面臨困難任務(wù)時(shí)，因擔(dān)心任務(wù)失敗而使整體警戒水平提高，從而促使更多的腦力資源被喚醒，對(duì)任務(wù)非相關(guān)的聽(tīng)覺(jué)信息加工增強(qiáng)有關(guān)。相反，在持續(xù)性警戒作業(yè)中，當(dāng)作業(yè)任務(wù)較為容易單調(diào)而又需要長(zhǎng)時(shí)間保持注意時(shí)，作業(yè)人員的警覺(jué)水平容易發(fā)生下降，反映在本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，就是當(dāng)腦力負(fù)荷降低時(shí)，MMN的誘發(fā)削弱。

與本研究較為接近的工作是:Kramer等通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了MMN平均波幅在評(píng)價(jià)海軍雷達(dá)作業(yè)人員腦力負(fù)荷時(shí)的敏感性［5］。但 Kramer的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著腦力負(fù)荷的提高，作業(yè)人員對(duì)非任務(wù)相關(guān)信息的自動(dòng)加工能力減弱，與本研究結(jié)果不一致?？赡艿脑蛟谟诒狙芯康膯未螌?shí)驗(yàn)時(shí)間較短，約為13 min;而在Kramer的研究中，單次實(shí)驗(yàn)時(shí)間為45 min。有研究表明，MMN誘發(fā)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)被試接受實(shí)驗(yàn)30 min左右時(shí)，會(huì)因疲勞而導(dǎo)致MMN誘發(fā)電位的幅度出現(xiàn)明顯下降(超過(guò)40%)［17］，而該幅度的降低與腦力負(fù)荷水平無(wú)直接關(guān)系。張朋等人研究了在視覺(jué)追蹤任務(wù)中，不同注意負(fù)荷對(duì)被試聽(tīng)覺(jué)MMN的影響，結(jié)果表明額中央?yún)^(qū)MMN的平均波幅隨任務(wù)負(fù)荷的增加而增高［11］，與本研究結(jié)果一致。

本研究在較真實(shí)的飛行模擬環(huán)境下，討論了不同腦力負(fù)荷對(duì)被試大腦的信息自動(dòng)加工能力的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與低腦力負(fù)荷相比，高腦力負(fù)荷下的MMN平均波幅增強(qiáng)，且MMN平均波幅與被試在飛行期間對(duì)異常信息的正確探測(cè)率成顯著正相關(guān)。本研究清楚地表明，MMN成分對(duì)飛行任務(wù)的腦力負(fù)荷具有較好的敏感性，可為飛行員的腦力負(fù)荷評(píng)價(jià)提供一定的電生理依據(jù)，并將可能應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的警覺(jué)度自動(dòng)估計(jì)與監(jiān)測(cè)［18］。

值得注意的是，本研究所采用的非注意條件下的MMN誘發(fā)實(shí)驗(yàn)方法，無(wú)需被試在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中主動(dòng)識(shí)別刺激，可避免考慮被試能否配合實(shí)驗(yàn)的因素，從而使對(duì)飛行模擬主任務(wù)的侵入性降到最低，為其應(yīng)用的客觀性提供了保障。

(致謝:感謝視覺(jué)藝術(shù)與腦認(rèn)知研究中心對(duì)本研究的技術(shù)支持及建議)

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Evaluation Method of Pilot Mental Workload Based on Task-irrelevant ERP Technology

WANYAN Xiao－Ru1ZHUANG Da－Min1*LIU Wei2
1(School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100191，China)
2(School of Automation，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China)

In order to demonstrate the effects of different mental workloads on the brain functions，a flight simulation task was carried out in the experiment and the subjects need to monitor the status of targeting information presented on the simulation model of head－up display(HUD).When abnormal information was detected，the subjects were required to make a response by pressing corresponding keys.By setting quantities and refresh frequencies of the targeting information，the high and low mental workload levels were manipulated.During the process of flight simulation，auditory stimuli were presented binaurally through headphones with an oddball paradigm and the subjects were instructed to ignore the auditory probes.Mismatch negativity(MMN)was recorded and analyzed.The results revealed that the MMN amplitudes were enhanced under the high mental workload than that under the low one and that the average amplitude of the fronto－central MMN was positively correlated with the accuracy rate of detecting abnormal information.The present study suggests that MMN is sensitive to flight mental workload and can provide effective electrophysiological evidence for flight mental workload assessment in complex tasks.

mental workload;event－related potentials;mismatch negativity;alertness;ergonomics

R338.8

A

0258－8021(2011)04－0528－05

10.3969/j.issn.0258－8021.2011.04.08

2010－10－20，錄用日期:2011－04－22

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展(973)計(jì)劃(2010CB734104);國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展(863)計(jì)劃(2009AA012101)*

。 E－mail:zhuangdamin@yahoo.cn