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        視覺(jué)疲勞狀態(tài)下的生理指標(biāo)研究*

        2015-02-28 17:37:18陳燕達(dá)王莉莉賀亞光
        電子器件 2015年6期
        關(guān)鍵詞:血氧變異性飽和度

        陳燕達(dá),屠 彥,王莉莉,沈 莉,賀亞光

        (東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210096)

        隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)在人們工作與生活中的應(yīng)用日益廣泛,視覺(jué)顯示終端VDT(Visual Display Terminal)作業(yè)成為一項(xiàng)重要工作,并且各種圖形圖像顯示技術(shù)在日常生活中隨處可見(jiàn)。VDT工作者易于產(chǎn)生視覺(jué)疲勞,并有眼睛發(fā)炎等癥狀[1-4]。近年來(lái),人類眼部疾病的發(fā)病率因此明顯上升。眼部疾病與視覺(jué)作業(yè)事故,往往與不當(dāng)用眼而導(dǎo)致的視覺(jué)疲勞有關(guān)。視覺(jué)疲勞是一種常見(jiàn)的綜合癥,由長(zhǎng)時(shí)間的不當(dāng)用眼導(dǎo)致,其癥狀為眼睛疲勞、眼睛酸痛、眼干、視物模糊等,還有可能伴隨著頭暈、頭疼的癥狀[5]。頻繁發(fā)生視疲勞,會(huì)使眼睛視力下降,提前老化。預(yù)防視覺(jué)疲勞,對(duì)改善視覺(jué)健康至關(guān)重要。

        目前,對(duì)于視覺(jué)疲勞的判別主要是人的主觀感受,用于預(yù)防視覺(jué)疲勞的客觀評(píng)估方法尚處于研究階段[6]。

        研究視覺(jué)疲勞狀態(tài)導(dǎo)致的人體生理參數(shù)變化,可以認(rèn)識(shí)視覺(jué)疲勞對(duì)生理狀態(tài)的各方面影響,并有效評(píng)估與預(yù)防視覺(jué)疲勞。

        血氧飽和度SpO2(Pulse Oxygen Saturation)[7]、體溫 SKT(Skin Temperature)[8-9]、皮電反應(yīng) GSR(Gal?vanic Skin Response)[10]、心率 RATE(Heart Rate)及心率變異性HRV(Heart Rate Variability)[11-13]是目前熱門研究的幾項(xiàng)生理指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了2種不同的視覺(jué)疲勞實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)前后采集前述生理信號(hào)并進(jìn)行對(duì)比分析,研究視覺(jué)疲勞狀態(tài)對(duì)生理數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

        1 生理數(shù)據(jù)采集

        1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        本文使用美國(guó)BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150型多導(dǎo)生理記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,采用血氧飽和度模塊、體溫放大器、皮膚電反應(yīng)放大器及心電放大器4個(gè)通道,設(shè)置采樣率為1 000。實(shí)驗(yàn)前后分別采集10 min生理信號(hào)。

        1.2 數(shù)據(jù)采集

        血氧飽和度模塊應(yīng)用近紅外光譜法檢測(cè)指端血氧飽和度,該模塊同時(shí)具備脈率檢測(cè)功能,探測(cè)器放置于左手食指;體溫測(cè)量采用體表探頭,放置于脖子下方;皮電反應(yīng)模塊測(cè)量人體兩點(diǎn)間電導(dǎo)值,測(cè)量點(diǎn)為左手中指與無(wú)名指;心電信號(hào)電極放置于胸前與腹部。

        2 實(shí)驗(yàn)方法

        2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

        19名被試(平均年齡24±3y)參與了視覺(jué)疲勞實(shí)驗(yàn),均為在校研究生,身體健康。視覺(jué)疲勞實(shí)驗(yàn)分為2D圖像實(shí)驗(yàn)與3D圖像實(shí)驗(yàn),其中9名被試進(jìn)行2D圖像實(shí)驗(yàn),10名被試進(jìn)行3D圖像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇在每天下午2∶00開始,以避免時(shí)差因素的影響。實(shí)驗(yàn)前,被試保證充足的睡眠和正常的精神狀態(tài)。

        2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

        本文設(shè)計(jì)了2個(gè)視覺(jué)疲勞實(shí)驗(yàn),分別為2D圖像實(shí)驗(yàn)、3D圖像實(shí)驗(yàn)。如圖1所示,2D圖像實(shí)驗(yàn)中被試觀看500組圖片,每組圖片分為2張,分別顯示500 ms,中間無(wú)時(shí)間間隔,第1張圖片為1 920像素×1 080像素的原始圖像,第2張圖片與第1張圖片相同或者為在原始圖像基礎(chǔ)上改變了圖像質(zhì)量的圖像。在1 s的圖像呈現(xiàn)后,顯示器變?yōu)楹谄翣顟B(tài),此時(shí)由被試主觀判斷兩張圖像是否存在質(zhì)量上的差別,若被試認(rèn)為存在質(zhì)量差別,則需點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵作為反應(yīng),否則點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵,此后程序?qū)⒆詣?dòng)進(jìn)入下一組圖片的比較。3D圖像實(shí)驗(yàn)中被試戴上3D眼鏡觀看3D圖像,其他設(shè)置與2D圖像實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)中每組圖片呈現(xiàn)的時(shí)間為1 s,被試反應(yīng)并做出判斷的時(shí)間為1 s~2 s,所以被試觀看500組圖片并做出判斷總共的耗時(shí)為20 min左右。圖像質(zhì)量判斷任務(wù)需要被試付出一定的視覺(jué)努力,以達(dá)到視覺(jué)疲勞狀態(tài)。在視覺(jué)實(shí)驗(yàn)前后,分別采集10 min生理數(shù)據(jù),采集過(guò)程中被試保持放松坐姿并閉眼,盡量避免身體動(dòng)作,左手掌心朝上平放,以方便生理信號(hào)采集。一名被試的實(shí)驗(yàn)耗時(shí)約為40 min。

        圖1 圖像實(shí)驗(yàn)流程

        2.3 數(shù)據(jù)分析

        2.3.1 心率變異性

        圖2 心電圖波形

        實(shí)驗(yàn)中的心電信號(hào)如圖2所示,實(shí)驗(yàn)后提取心電信號(hào)的RR間期數(shù)據(jù)進(jìn)行心率變異性(HRV)分析。HRV指連續(xù)竇性心跳間期的微小漲落,是反映自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和定量評(píng)估心臟交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)張力及其平衡性的指標(biāo)。HRV時(shí)域分析方法的常用指標(biāo)包括SDNN(全部竇性心搏RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差)、RMSSD(相鄰RR間期差值的均方根)等;頻域分析方法的指標(biāo)包括:VLF(極低頻)、LF(低頻)、LF(NU)、HF(高頻)、HF(NU)、LF/HF等,其中NU代表標(biāo)化后的數(shù)值,有LF(NU)=LF/(總功率-VLF),HF(NU)=HF/(總功率-VLF)。

        2.3.2 數(shù)據(jù)分析

        實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)血氧飽和度、體溫、皮電、心率等生理信號(hào)做取均值處理,獲得這些生理指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后的參數(shù)值。另外,對(duì)ECG信號(hào)提取RR間期并進(jìn)行心率變異性分析,取RMSSD、LF(NU)、HF(NU)、LF/HF的值進(jìn)行后續(xù)分析。應(yīng)用方差分析(ANOVA)的方法研究實(shí)驗(yàn)前后被試生理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,設(shè)置時(shí)間點(diǎn)(實(shí)驗(yàn)前/后)為自變量,各項(xiàng)生理指標(biāo)為因變量。在此分析方法中,顯著性水平由P值表示,P<0.05被認(rèn)為是某項(xiàng)生理指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后有顯著變化。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

        2D圖像實(shí)驗(yàn)、3D圖像實(shí)驗(yàn)前后被試各項(xiàng)生理指標(biāo)的ANOVA結(jié)果如表1、2所示。2D圖像實(shí)驗(yàn)中,心率指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后具有顯著差異(P=0.015),實(shí)驗(yàn)后的被試心率由實(shí)驗(yàn)前的67.16 BPM降到了64.23 BPM。另外,血氧飽和度的數(shù)值在實(shí)驗(yàn)后有上升趨勢(shì),P值為0.081,具有一定的顯著性。其他生理指標(biāo)項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)前后變化不顯著。

        表1 2D圖像實(shí)驗(yàn)被試生理指標(biāo)變化情況

        3D圖像實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示,對(duì)比實(shí)驗(yàn)前,實(shí)驗(yàn)后被試指端血氧飽和度有顯著上升(P=0.013),由95.35%升至96.02%,此結(jié)果與2D圖像實(shí)驗(yàn)中血氧飽和度的變化趨勢(shì)相符。3D圖像實(shí)驗(yàn)前后,其他幾項(xiàng)生理指標(biāo)未出現(xiàn)顯著變化。

        表2 3D圖像實(shí)驗(yàn)被試生理指標(biāo)變化情況

        4 結(jié)論

        視覺(jué)疲勞是現(xiàn)代社會(huì)與科技發(fā)展下的熱點(diǎn)問(wèn)題,對(duì)視覺(jué)疲勞狀態(tài)的識(shí)別備受國(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。血氧飽和度、體溫、皮電反應(yīng)、心率、心率變異性等生理參數(shù)蘊(yùn)涵著人體狀態(tài)的基本信息。本文通過(guò)設(shè)計(jì)視覺(jué)疲勞實(shí)驗(yàn),對(duì)比實(shí)驗(yàn)前后生理指標(biāo)的變化,初步探索了視覺(jué)疲勞狀態(tài)對(duì)人體生理參數(shù)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明,血氧飽和度、心率等生理指標(biāo)在視覺(jué)疲勞狀態(tài)下發(fā)生了顯著變化。通過(guò)檢測(cè)生理指標(biāo),有可能為視覺(jué)疲勞狀態(tài)的評(píng)估提供一種客觀方法,為今后建立視覺(jué)疲勞狀態(tài)的識(shí)別模型做了初步探索。另外,本實(shí)驗(yàn)被試人數(shù)較少,只是對(duì)研究視覺(jué)疲勞狀態(tài)下的生理指標(biāo)進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)。對(duì)于視覺(jué)疲勞狀態(tài)與人體生理參數(shù)的具體聯(lián)系,還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

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        陳燕達(dá)(1992-),男,漢族,東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生,407941002@qq.com;

        屠 彥(1965-),女,漢族,東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授,研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)和光學(xué)工程,tuyan@seu.edu.cn。

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