完顏笑如 莊達民* 劉 偉

1(北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191)

2(北京郵電大學自動化學院，北京 100876)

基于非任務相關ERP技術的飛行員腦力負荷評價方法

完顏笑如1莊達民1*劉 偉2

1(北京航空航天大學航空科學與工程學院，北京 100191)

2(北京郵電大學自動化學院，北京 100876)

為研究不同飛行腦力負荷水平對被試腦功能的影響，在飛行模擬任務中，要求被試對平視顯示器(HUD)仿真模型上所呈現(xiàn)的目標信息狀態(tài)進行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)異常信息后按指定鍵進行消除。實驗通過設定所需監(jiān)視的目標信息數(shù)量及刷新頻率，以控制被試的腦力負荷水平。在進行飛行模擬任務的同時，對被試雙耳輸入oddball模式下的聽覺刺激，要求被試忽略該聲音刺激。記錄和分析不同腦力負荷下的聽覺失匹配負波(MMN)。結果表明，在額中央?yún)^(qū)，與低腦力負荷相比，高腦力負荷下的MMN平均波幅增強，且與被試對異常信息的正確探測率成正相關。研究表明，聽覺MMN對飛行腦力負荷具有較好敏感性，可為復雜飛行任務的腦力負荷評價提供一定的客觀依據(jù)。

腦力負荷;事件相關電位;失匹配負波;警覺度;人機工效

引言

腦力負荷，指作業(yè)人員為達到業(yè)績標準而付出的注意力大小，其涉及到完成某項任務時的工作要求、時間壓力、作業(yè)人員的能力和努力程度，以及任務不順利時的挫折感等［1］。飛機駕駛艙屬于信息高度密集的特殊作業(yè)環(huán)境，近年來，隨著飛行智能化、信息化程度的提高，飛行員在執(zhí)行任務時往往需要同時關注多個信息。當遇到緊急情況時，由于作業(yè)負荷過高而導致腦力負荷超載的情況時有發(fā)生，嚴重影響到飛行安全，因此對由飛行員作業(yè)負荷變化而引發(fā)的腦力負荷進行測量評價具有重要意義［2］。目前國內外普遍應用的飛行員腦力負荷測量方法包括:主觀評價法、主任務測量法、輔助任務測量法以及生理測量法。這些測量方法各有優(yōu)點及應用的局限性，雖然通過使用這些方法已取得一系列研究成果，但仍遠不能滿足系統(tǒng)設計對于腦力負荷測量的要求，因此有必要不斷改進現(xiàn)有的腦力負荷測量方法并開創(chuàng)新的方法［3］。

事件相關電位(event－related potentials，ERPs)測量是反映大腦信息加工活動的敏感而有意義的技術手段，由于腦力負荷與大腦的信息加工能力密切相關，因此將ERPs作為腦力負荷狀況的評價指標是合適的［4］。隨著腦電技術設備的發(fā)展，更多的腦電位可被采集記錄到，從而促使ERPs成為目前在腦力負荷、疲勞評價領域很有發(fā)展前景的指標之一。近年來，在簡單抽象任務、復雜模擬任務以及各種作業(yè)環(huán)境中探討ERPs在腦力負荷評價方面的可用性，成為國際認知腦科學界及人機工效學界的研究熱點［5－6］。

聽覺失匹配負波(mismatch negativity，MMN)成分由Naatanen等于1978年所發(fā)現(xiàn)，其產生機制及認知學意義主要通過記憶痕跡假說獲得解釋，不斷重復的規(guī)律性標準刺激的物理特征被編碼貯存于大腦后，成為記憶痕跡，每一個輸入的聽覺刺激都自動與之相比較，如果有偏差刺激在標準刺激記憶痕跡存續(xù)期內出現(xiàn)，便會產生神經失匹配過程，誘發(fā)出MMN［7］。由于 MMN的產生是大腦基于非注意條件下對偏差刺激的自動反應，因此反映了大腦對外界信息的自動加工過程［8］。目前，在作業(yè)負荷評價領域，基于MMN成分所開展的相關研究主要為在單一作業(yè)任務或雙作業(yè)任務下，探討任務難度變化對于被試聽覺MMN的影響［9－11］。由于這些研究所取得的結論并不一致，且多數(shù)研究是基于抽象的心理學實驗所展開的，與飛行員在實際飛行時從顯示器獲取信息并做出反應判斷的作業(yè)過程還存在較大差異，考慮到飛行任務的復雜性與特殊性，故這類研究結論能否直接應用于飛行任務的評價尚有待進一步的驗證。

本研究基于前期對信息獲取與腦力負荷之間的關系［12－13］，設定高、低兩種作業(yè)負荷來控制被試的腦力負荷水平，通過研究高、低腦力負荷水平對被試聽覺MMN的影響，檢驗MMN成分的敏感性，以期提出一種用于飛行任務腦力負荷評價的新的客觀評價指標。

1 方法

1.1 被試

被試為北京航空航天大學13名在飛行模擬器上受過培訓的模擬飛行員(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，視力或矯正視力正常，無精神疾患，聽力正常，實驗前對實驗內容均知情同意。

1.2 飛行模擬任務

被試需要在“飛機座艙人機工效評定實驗臺”［14］上完成以巡航任務為主，包括起飛及降落在內的完整的飛行過程。在飛行中，被試需要對平視顯示器仿真模型中目標信息的狀態(tài)進行監(jiān)視，當發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常時，通過按指定鍵消除異常。不同的目標信息對應不同的按鍵。平視顯示器仿真模型可顯示空速、氣壓高度、雷達高度、航向角、俯仰角、滾轉角、方向舵狀態(tài)、起落架狀態(tài)、發(fā)動機狀態(tài)等多種飛行信息。實驗通過設定需要被試保持監(jiān)視的目標信息的數(shù)量及刷新頻率來改變被試的作業(yè)負荷，從而控制被試的腦力負荷水平［12］。實驗設定在高腦力負荷下，目標信息數(shù)量為9個，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時間與間隔時間(inter－stimulus interval，ISI)分別為1 s與0.5 s;在低腦力負荷下，目標信息數(shù)量為3個，信息異常狀態(tài)的平均呈現(xiàn)時間與間隔時間均為2 s。

1.3 Oddball任務

一個完整的聽覺刺激序列包含1 200個標準刺激(1 000 Hz，65 dB SPL，出現(xiàn)概率 80%)，以及 300個偏差刺激(1 100 Hz，65 dB SPL，出現(xiàn)概率20%)，刺激呈現(xiàn)時間為 50 ms，刺激間隔(stimulus onset asynchrony，SOA)為500 ms。每個偏差刺激前，至少出現(xiàn)兩個標準刺激。要求被試關注飛行模擬任務，忽略聽覺刺激。

1.4 實驗程序

13名被試均參與高、低兩種腦力負荷下的2次飛行模擬任務，一次飛行模擬任務約需要13 min，每個被試的兩次飛行模擬任務之間間隔3 d，同一被試的兩次實驗均在上午或下午進行，高、低腦力負荷的實驗順序在被試中交叉平衡。在整個飛行模擬過程中，通過耳機對被試雙耳輸入一個完整的聽覺刺激序列。圖1為“飛機座艙人機工效評定實驗臺”中剛完成實驗的某被試者。

圖1 飛機座艙人機工效評定實驗臺中的被試者Fig.1 A subject in the flight simulator

1.5 數(shù)據(jù)記錄

計算機自動記錄被試對異常信息的正確探測率和反應時間，作為后期作業(yè)績效的評價指標。腦電信號采用 Neuroscan系統(tǒng)(40導，Compumedics NeuroScan公司，美國)，記錄 FZ、FCZ、CZ位置的EEG。以鼻尖為參考電極，同時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。實驗結束后，存儲腦電數(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信號相關法，去除垂直眼電和水平眼電對EEG信號的影響，排除有明顯偽跡的數(shù)據(jù)。以聽覺信號為觸發(fā)，分別得出每個被試在每種條件下的平均 ERPs。分析時程(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1～20 Hz的無相移帶通數(shù)字濾波器濾波。用偏差刺激的ERPs減去標準刺激的 ERPs，得到MMN。對MMN平均波幅進行重復測量的兩因素方差分析(repeated measures ANOVA):腦力負荷(2水平:高、低)×電極(3水平:FZ、FCZ、CZ)。通常，MMN的測量時間窗為刺激后150～250 ms，但對于復雜的聽覺或認知加工，需要考慮更寬的時間窗［15］。根據(jù)總平均圖，本實驗設定 MMN的測量時間窗為刺激后的150～300 ms。對高、低腦力負荷下被試對異常信息的正確探測率及反應時間進行統(tǒng)計比較，并對MMN與作業(yè)績效之間的相關性進行檢驗。

2 結果

2.1 作業(yè)績效結果

被試在高、低腦力負荷下對異常信息的平均正確探測率和反應時間如表1所示。單因素重復測量的方差分析表明，在高腦力負荷下，被試對異常信息的正確探測率顯著降低(F(1，12)=56.43;P＜0.001)，且反應時間出現(xiàn)延長的趨勢(F(1，12)=4.05;P=0.067)，但未達到顯著性水平。

表1 高、低腦力負荷下的正確探測率及反應時間Tab.1 Accuracy rate and reaction time under the high and low mental workloads

2.2 ERP結果

在高、低腦力負荷下，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測量時間窗，兩因素重復測量的方差分析表明，腦力負荷對MMN平均波幅的主效應顯著(F(1，12)=5.35，P=0.039)，表現(xiàn)為高腦力負荷下的 MMN平均波幅((0.70 μV)顯著高于低腦力負荷下的MMN平均波幅((0.23 μV)。電極主效應顯著(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測量時間窗，腦力負荷與電極的交互作用顯著(F(2，24)=4.02;P=0.031)。多重比較檢驗結果表明，在低腦力負荷下，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到顯著性水平(P=0.101);在CZ電極，高腦力負荷下的 MMN平均波幅顯著高于低腦力負荷下的MMN平均波幅。被試在高、低腦力負荷下的 MMN平均波幅如表2所示。

2.3 相關分析

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

為驗證作業(yè)績效與MMN成分之間的相關程度，分別對 FZ、FCZ、CZ電極的MMN平均波幅與正確探測率和反應時間的相關性進行檢驗。結果表明:在FZ電極，MMN平均波幅與正確探測率呈正相關(r=0.46，P＜0.05)，在 FCZ電極，MMN平均波幅與正確探測率呈正相關(r=0.45，P＜0.05)，在CZ電極，MMN平均波幅與正確探測率呈顯著正相關(r=0.52，P＜0.01)。但3個電極的 MMN平均波幅與反應時間的相關性均不顯著，具體表現(xiàn)為在FZ電極，MMN平均波幅與反應時間的相關性為(r=－0.18，P＞0.05)，在 FZ電極，MMN平均波幅與反應時間的相關性為(r=－0.25，P＞0.05)，在FCZ電極，MMN平均波幅與反應時間的相關性為(r= －0.28，P＞0.05)。

3 討論和結論

有關研究表明，作業(yè)人員在高腦力負荷下，因面臨更高的任務要求及時間壓力，很容易產生緊張、焦慮等情緒，而這些情緒因素均會增加生理喚起，提高作業(yè)人員的警覺度，并且可能調節(jié)注意的方向，使注意焦點以外的信息獲得關注［16］。由此可見，在本研究中，高腦力負荷水平下的MMN成分誘發(fā)增強，可能與被試在面臨困難任務時，因擔心任務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，對任務非相關的聽覺信息加工增強有關。相反，在持續(xù)性警戒作業(yè)中，當作業(yè)任務較為容易單調而又需要長時間保持注意時，作業(yè)人員的警覺水平容易發(fā)生下降，反映在本研究的實驗結果中，就是當腦力負荷降低時，MMN的誘發(fā)削弱。

與本研究較為接近的工作是:Kramer等通過模擬實驗，驗證了MMN平均波幅在評價海軍雷達作業(yè)人員腦力負荷時的敏感性［5］。但 Kramer的實驗結果顯示，隨著腦力負荷的提高，作業(yè)人員對非任務相關信息的自動加工能力減弱，與本研究結果不一致?？赡艿脑蛟谟诒狙芯康膯未螌嶒灂r間較短，約為13 min;而在Kramer的研究中，單次實驗時間為45 min。有研究表明，MMN誘發(fā)實驗的時間不宜過長，當被試接受實驗30 min左右時，會因疲勞而導致MMN誘發(fā)電位的幅度出現(xiàn)明顯下降(超過40%)［17］，而該幅度的降低與腦力負荷水平無直接關系。張朋等人研究了在視覺追蹤任務中，不同注意負荷對被試聽覺MMN的影響，結果表明額中央?yún)^(qū)MMN的平均波幅隨任務負荷的增加而增高［11］，與本研究結果一致。

本研究在較真實的飛行模擬環(huán)境下，討論了不同腦力負荷對被試大腦的信息自動加工能力的影響。結果發(fā)現(xiàn)，與低腦力負荷相比，高腦力負荷下的MMN平均波幅增強，且MMN平均波幅與被試在飛行期間對異常信息的正確探測率成顯著正相關。本研究清楚地表明，MMN成分對飛行任務的腦力負荷具有較好的敏感性，可為飛行員的腦力負荷評價提供一定的電生理依據(jù)，并將可能應用于航空航天領域的警覺度自動估計與監(jiān)測［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)實驗方法，無需被試在實驗過程中主動識別刺激，可避免考慮被試能否配合實驗的因素，從而使對飛行模擬主任務的侵入性降到最低，為其應用的客觀性提供了保障。

(致謝:感謝視覺藝術與腦認知研究中心對本研究的技術支持及建議)

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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

國家重點基礎研究發(fā)展(973)計劃(2010CB734104);國家高技術研究發(fā)展(863)計劃(2009AA012101)*

。 E－mail:zhuangdamin@yahoo.cn