脑力负荷评定指标敏感性的比较研究

http://www.100md.com 《航天医学与医学工程》 1999年第2期

     作者：董明清 马瑞山

    单位：第四军医大学航空航天生理学教研室，西安 710032

    关键词：脑力负荷评定；单任务；双任务；心理生理学；心理学鉴定；主观评分

    航天医学与医学工程990207摘要：目的 比较常用脑力负荷评定指标的敏感性。方法 记录分析了受试者完成11种不同难度任务时的主任务绩效、附任务绩效、主观评分和心理生理指标共25种脑力负荷评定指标。结果 追踪误差(ER)、反应时(RT)、正确率(CR)、类别量表评分(CS)、多级估量量表评分(MES)、多维量表评分(MDS)、P3潜伏期(LAT)、逐次心跳间期(IBI)、逐次呼吸间期(IRI)和眨眼率(BR)在不同任务之间有显著差异(P<0.05),CS、MES和MDS对任务总负荷，ER、LAT、IBI和IRI对主任务负荷，RT和CR对附任务负荷，BR对视觉负荷更敏感。结论 各指标评定脑力负荷的敏感性不同，均不能单独地全面反映各任务的脑力负荷信息，联合应用多种指标评定脑力负荷更为可行。

    中图分类号：R857.1 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(1999)02-0106-05

    Comparison of Sensitivity of Mental Load Assessment Indexes

    DONG Ming-qing，MA Rui-shan.

    Abstract: Objective To compare the sensitivities of indexes used in the assessment of mental load. Method Twenty five indexes belonging to primary task performance, additional task performance, subjective rate and psychophysiological measure were recorded during performance of 11 different difficult tasks. Result It showed that tracking error (ER), reaction time (RT), correct rate (CR), category scale (CS), multistage evaluation scale (MES), multi-dimensional scale (MDS), latency of P3 (LAT), inter beat interval (IBI) , inter respiration interval (IRI) and blink rate (BR) were significantly different among the various tasks. CS,MES and MDS were more sensitive to the total load; ER ,LAT, IBI and IRI were more sensitive to the load of primary task, while RT and CR to that of additional task and BR to the visual load. Conclusion It demonstrated that the sensitivities of the various indexes are different and the information are limited. multi-indexes may be prefered for mental load assessment.

    Key words:mental workload assessment;single task;double task;psychophysiology;psychological evaluation;subjective rate

    Address reprint requests to：DONG Ming-qing.Department of Aerospace Physiology,The Fourth Military Medical University,Xi'an 710032,China

    脑力负荷问题在航空航天活动中越来越突出，大量新技术在航空设计中应用使飞行器功能更复杂、自动化程度更高，人在系统中承受的脑力负荷量与质发生了明显的变化，如何有效地评定人的脑力负荷已成为航空工效学家面临的重要课题^[1～3]。为了寻找评定脑力负荷的有效方法，研究者不断将各种指标引入脑力负荷评定中，但这些指标用于脑力负荷评定的敏感性如何至今不很明确。本研究采用四种脑力负荷评定方法(主观评分法、主任务评定法、附任务评定法和心理生理学评定法)中的25种评定指标，对受试者完成11种任务时的脑力负荷进行了评定，以比较不同方法和指标在脑力负荷评定中的敏感性。

    方 法

    被试者 18名健康男性青年(18～20岁)，右利手，视力或矫正视力1.0以上，听力正常，症状自评量表测试总分为30.5±5.8(±s)。

    实验任务 为单、双任务，在486DX66兼容机上用Turbo C2.0编程实现，显示器分辨率为640×480象素。单任务为追踪任务(T1、T2、T3)、视觉Sternberg任务(STE)和听觉Oddball任务(ODD)；双任务为追踪 任务(主任务)分别与STE(TS)和ODD(TO)任务(附任务)的组合(T1S、T2S、T3S、T1O、T2O、T3O)。

    追踪任务 在黑色背景的屏幕上有一运动的红色实心目标光点(半径2个象素)和一可用游戏杆操纵的空心(与目标光点等大)黄色十字光标，要求被试通过操纵游戏杆用光标追踪光点，尽量使光标的空心部分与光点重合。作业分低、中、高三种难度(对应T1、T2和T3)，由目标运动的维度和速度控制^[4]，每个任务时间为6min，任务绩效为追踪误差(光标中心与目标中心之间误差距离的平均值)，由计算机自动测算。

    视觉Sternberg任务 刺激材料为0～9的数字，记忆量为两个数字，刺激时间间隔1.2s，刺激呈现时间为200ms。在黑色背景的屏幕中央首先呈现两个不同的数字(黄色，下同)让被试记忆，然后随机在蓝色方框(26×26象素)背景上出现一个探测数字让被试判断，若其在刚记过的数字中(靶刺激，概率50%)，按游戏杆上的“是”键；否则不反应，反应时及正确率由计算机自动测算(下同)。

    听觉Oddball任务 刺激材料为高(2000Hz)、低(1000Hz)纯音，刺激间隔为1.2s，刺激呈现时间为200ms。实验前首先让被试记忆高音刺激，实验时随机呈现高、低音让被试判断，若是高音(靶刺激，概率30%)则按游戏杆上的“是”键；否则不反应。

    双任务 条件同上，在追踪目标光点过程中，随机呈现Sternberg(TS)或Oddball任务(TO)，TS任务时探测刺激在目标光点上方50象素点处出现。

    指标记录及处理

    脑事件相关电位(ERP)P3波、心电、呼吸、眨眼率^[4]

    反应时、正确率及追踪误差 见实验任务部分。

    主观评分 用类别量表、简化多级估量量表^[4]和多维量表。

    实验设计 随机单位组设计，每名被试需完成11种任务(T1、T2、T3 ，STE，ODD，T1O、T2O、T3O、T1S、T2S、T3S)。实验前训练被试，使其熟悉操作。实验时被试坐于距显示器屏幕0.5m的座椅上，右手操纵游戏杆。指导语为(1)完成主任务的同时尽量完成好附任务；(2)正确的前提下尽快反应。实验开始前记录生理指标5min作为对照，每完成一项任务后即刻让被试在三种量表上评分，休息2min，完成5种任务后休息1h再完成后6种任务，直至结束。

    统计分析 采用基本统计量计算和方差分析，在统计软件包SPLM2.3上进行。

    结 果

    共记录分析了25项指标：主任务绩效追踪误差(ER)；附任务绩效反应时(RT)和正确率(CR)；主观评分有类别量表评分(CS)、简化多级估量量表评分(MES)和多维量表评分(MDS)；心理生理学指标有P3的潜伏期(LAT)和波幅(AMP)，眨眼率(BR),心率及其变异性(HR及HRV)的逐次心跳间期(IBI)及其标准差、HRV谱低频成分(LF，0.05～0.15Hz)及其归一化参数(LFN)、HRV谱高频成分(HF，0.20～0.40Hz) 及其归一化参数(HFN)、HRV谱总功率(TPHRV，0.05～0.40Hz)、LF与HF之比(RFHRV)，呼吸率及其变异性(RR及RRV)的逐次呼吸间期(IRI)及其标准差、RRV谱频带1成分(FB1，0.02～0.06Hz) 及其归一化参数(FB1N)、RRV谱频带2成分(FB2，0.07～0.14Hz)及其归一化参数(FB2N)、RRV谱总功率(TPRRV，0.02～0.14Hz)、FB1与FB2之比 (RFRRV)。

    追踪误差(STE、ODD任务无)的变化见表1。由表1可知ER随主任务难度增加而增大，部分任务间有非常显著差异(P<0.01)。反应时和正确率(追踪单任务无)的变化见表2，其中反应时ODD与所有任务之间，T1O与T3O、T2S、T3S之间(P<0.01),STE与T3O、T3S之间(P<0.05)，均有显著差异；正确率T3S与ODD、T1O、T2O和T3O之间(P<0.01)，T2O与T2S之间(P<0.05)有显著差异。

    表1 不同任务下追踪误差的比较(±s,n=18)

    Table 1 Comparison of ER in different tasks(±s,n=18) 任务(task)

    ER(cm)

    任务(task)

    ER(cm)

    任务(task)

    ER(cm)

    T1

    2.7±0.3

    T1O

    2.5±0.3

    T1S

    2.6±0.2

    T2

    4.0±0.5^*

    T2O

    4.5±0.6^*

    T2S

    4.3± 0.5^*

    T3

    6.3±0.8^*※

    T3O

    6.0±1.0^*※

    T3S

    6.6±1.3^*※

    注：*P<0.01,与T1、T10和TIS组相比；※P<0.01，与T2、T2O和T2S组相比

    Note:*P<0.01,as compared with T1,T10 and TIS;※P<0.01，as compared with T2,T2O and T2S表2 不同任务下反应时和正确率的比较(±s,n=18)

    Table 2 Comparison of RT and CR in different tasks(±s,n=18) 任务(task)

    反应时

    (reaction time)

    正确率

    (correct rate)

    任务

    (task)

    反应时

    (reaction time)

    正确率

    (correct rate)

    ODD

    400±51

    0.98±0.03

    STE

    469±38

    0.96±0.06

    T1O

    456±21

    0.98±0.02

    T1S

    490±34

    0.93±0.06

    T2O

    488±24

    0.99±0.01

    T2S

    540±41

    0.93±0.05

    T3O

    506±39

    0.97±0.01

    T3S

    573±52

    0.91±0.08

    ERP P3波(追踪单任务无)的变化见表3。P3波LAT在ODD与除T1O外所有任务之间，STE与T2S、T3S (P<0.01)，T1O与T1S (P<0.05)、T3O、T2S 、T3S(P<0.01)，T1S与T3S (P<0.01)，T2O与T3O、T3S (P<0.01)，T3O与T3S (P<0.05)之间均有显著差异；AMP只在STE与T1O之间有非常显著差异(P<0.01)。表3 不同任务P3波波幅和潜伏期的比较(±s,n=18)

    Table 3 Comparison of P3 AMP and LAT in different tasks(±s,n=18) 任务(task)

    潜伏期(latency)

    波幅(amplitude)

    任务(task)

    潜伏期(latency)

    波幅(amplitude)

    ODD

    346.4±35.4

    13.6±5.7

    Ster

    430.4±35.6

    17.0±6.2

    T1O

    403.8±47.1

    10.4±5.0

    T1S

    470.0±55.7

    14.0±5.4

    T2O

    442.0±58.4

    14.1±5.1

    T2S

    522.4±54.2

    14.7±6.0

    T3O

    484.7±72.0

    12.4±7.5

    T3S

    553.2±89.3

    15.2±5.1

    IBI及HRV各指标的变化见表4，IRI及RRV各指标的变化见表5。IBI在对照时与T1(P<0.05)、T1O、T1S(P<0.01)，T2与T1S有显著差别(P<0.05)；IRI对照与T2S、T3S相比有显著差异(P<0.05)，SDIRI对照与所有任务之间均有显著差异(P<0.01)。表4 不同任务条件下心率变异性的比较(±s,n=18)

    Table 4 Comparison of HRV in different tasks(±s,n=18) 任务(task)

    IBI

    SDIBI

    (10^-2)

    TPHRV

    (s²×10^-4)

    LF

    (s²×10^-4)

    HF

    (s²×10^-4)

    LFN

    HFN

    RFHRV

    CON

    0.85±0.25

    0.41±0.22

    0.77±0.39

    0.46±0.21

    0.26±0.19

    0.61±0.14

    0.31±0.14

    2.56±1.61

    ODD

    0.93±0.12

    0.63±0.20

    1.19±1.33

    0.39±0.27

    0.66±0.84

    0.43±0.17

    0.47±0.15

    1.16±0.87

    T1O

    1.01±0.12

    0.52±0.41

    1.30±1.43

    0.58±0.77

    0.60±0.56

    0.43±0.15

    0.50±0.17

    1.09±0.71

    T2O

    0.89±0.10

    0.33±0.21

    0.65±0.52

    0.23±0.13

    0.37±0.35

    0.44±0.17

    0.49±0.17

    1.71±3.06

    T3O

    0.97±0.10

    0.41±0.20

    0.89±0.57

    0.36±0.23

    0.45±0.34

    0.46±0.17

    0.49±0.18

    1.36±1.62

    STE

    0.90±0.11

    0.42±0.31

    0.88±0.58

    0.41±0.24

    0.42±0.38

    0.48±0.17

    0.45±0.18

    1.43±1.17

    T1S

    1.01±0.10

    0.43±0.36

    1.05±0.69

    0.45±0.30

    0.51±0.38

    0.44±0.14

    0.48±0.15

    1.11±0.79

    T2S

    0.88±0.10

    0.32±0.21

    0.64±0.55

    0.28±0.22

    0.31±0.32

    0.51±0.18

    0.41±0.19

    2.12±2.42

    T3S

    0.96±0.09

    0.41±0.22

    0.80±0.40

    0.35±0.23

    0.39±0.25

    0.45±0.19

    0.49±0.19

    1.45±1.58

    T1

    1.00±0.12

    0.40±0.20

    0.95±0.78

    0.39±0.30

    0.48±0.50

    0.45±0.18

    0.47±0.19

    1.35±1.08

    T2

    0.87±0.09

    0.32±0.22

    0.69±0.57

    0.30±0.23

    0.31±0.28

    0.49±0.16

    0.42±0.14

    1.60±1.50

    T3

    0.94±0.09

    0.67±0.35

    1.57±1.90

    0.57±0.51

    0.85±1.27

    0.51±0.17

    0.42±0.16

    1.64±1.31

    注：CON，对照组 Note:CON，control表5 不同任务条件下呼吸变异性比较(±s,n=18)

    Table 5 Comparison of RRV in different tasks(±s,n=18) 任务(task)

    IRI

    SDIRI

    TPRRV

    (s²×10^-4)

    FB1

    (s²×10^-4)

    FB2

    (s²×10^-4)

    FB1N

    FB2N

    RFRRV

    CON

    3.49±0.40

    1.02±1.01

    0.46±0.05

    0.19±0.08

    0.24±0.09

    0.38±0.12

    0.53±0.11

    0.82±0.49

    ODD

    3.32±0.56

    0.49±0.61

    0.17±0.23

    0.08±0.04

    0.07±0.09

    0.46±0.13

    0.46±0.13

    1.17±0.67

    T1O

    3.28±0.49

    0.26±0.41

    0.08±0.07

    0.03±0.02

    0.03±0.04

    0.43±0.16

    0.47±0.15

    1.25±0.86

    T2O

    3.19±0.60

    0.28±0.36

    0.10±0.09

    0.09±0.08

    0.03±0.03

    0.46±0.14

    0.45±0.13

    1.28±0.98

    T3O

    3.09±0.44

    0.26±0.20

    0.08±0.06

    0.03±0.03

    0.03±0.02

    0.43±0.11

    0.48±0.09

    0.98±0.49

    STE

    3.25±0.50

    0.45±0.33

    0.19±0.16

    0.08±0.06

    0.08±0.09

    0.44±0.12

    0.46±0.13

    1.14±0.75

    T1S

    3.18±0.54

    0.32±0.25

    0.12±0.96

    0.05±0.05

    0.04±0.03

    0.42±0.13

    0.48±0.14

    1.09±0.96

    T2S

    3.060±0.53

    0.39±0.36

    0.14±0.01

    0.06±0.06

    0.07±0.07

    0.40±0.12

    0.52±0.12

    0.85±0.43

    T3S

    3.05±0.45

    0.36±0.26

    0.10±0.09

    0.05±0.04

    0.06±0.05

    0.39±0.12

    0.52±0.12

    0.94±0.92

    T1

    3.33±0.51

    0.39±0.33

    0.14±0.12

    0.06±0.06

    0.07±0.06

    0.43±0.14

    0.49±0.12

    1.03±0.67

    T2

    3.21±0.55

    0.35±0.29

    0.11±0.09

    0.04±0.05

    0.05±0.04

    0.41±0.09

    0.50±0.09

    0.87±0.35

    T3

    3.11±0.54

    0.36±0.36

    0.10±0.06

    0.04±0.03

    0.05±0.05

    0.38±0.12

    0.52±0.13

    0.86±0.57

    眨眼率及量表评分的结果表明，眨眼率在CON与除ODD外的所有任务，ODD与STE、T2、T2O、T2S之间差异显著(P<0.01)，各量表评分值在多数任务间均有显著差异(P<0.01)。讨 论

    本研究采用四种脑力负荷评定法的多种评定指标，对难度不同的11种任务的脑力负荷进行了评定。结果表明，不同方法和指标评定脑力负荷的敏感性不同，均能在一定程度上反映实验任务的脑力负荷信息。

    主任务评定法是脑力负荷评定常采用的方法，Sirevaag等^[5]和赵旭等^[6]的研究结果表明，主任务绩效与任务难度及脑力负荷密切相关。本研究中追踪单任务难度增加ER增加，双任务时ER主要与追踪主任务难度有关(表1)，说明主任务绩效(主任务评定法)主要反映主任务脑力负荷的变化，与上述文献的报道一致。

    本实验附任务绩效指标采用RT和CR表示。结果表明：主任务相同时，TO双任务的附任务绩效比TS双任务的好，说明STE、ODD附任务脑力负荷不同；附任务相同时，主任务难度增加，TO双任务RT、CR基本不变，但TS双任务的RT延长、CR降低(表2)，即TS任务时RT、CR也可反映主任务脑力负荷的变化。附任务绩效虽可反映双任务条件下完成主任务外的剩余工作能力，但附任务的存在对完成主任务有一定干扰，设计对主任务干扰小且对脑力负荷敏感的附任务是今后的研究内容。

    心理生理学评定法是日益受重视的一类方法，本实验中采用了事件相关电位的P3波、HR和HRV、RR和RRV、BR等多种心理生理指标。P3波是脑认知活动的窗口，可反映任务的认知负荷。Kramer等^[8]和赵旭等^[6]的工作表明，当诱发P3的刺激任务与主任务共用同一输入通道时，附任务诱发的P3波AMP随主任务脑力负荷的增加而升高，用不同输入通道时则减小。一般认为任务负荷加重时LAT延长，本研究结果表明：任务难度增加LAT延长，AMP呈降低的趋势(表3)，但Wilson^[7]曾研究了空间认知任务与脑电地形图的关系，发现任务难度增加时P3波LAT缩短，这也许说明LAT的变化与脑力负荷性质有关。

    研究表明，脑力负荷加重时HR增快，HRV减小。Wilson^[9]研究了飞行训练中工作负荷与多种生理指标的关系，发现HR及HRV在不同的飞行阶段变化非常显著；本研究则表明HR及HRV在不同任务间变化较复杂，IBI只在少数任务间变化明显，HRV各指标在任务间无明显变化规律，且HRV的个体差异较大。这些提示HR和HRV与脑力负荷虽有一定关系，但由于其受多种因素影响的特点并不能可靠地反映脑力负荷的变化，只能作为与脑力负荷相关的一个指标来应用。

    RR通常随脑力负荷增加而增快，RRV与脑力负荷的关系还不确定，Sirevaag等^[5]曾发现RRV在语言通讯负荷增加时减小，但语言通讯可影响呼吸型式，所以这种变化的意义很难确定。本实验所用任务不要求有语言反应，RR(由IRI反映)随任务难度增加逐渐加快(表5)，RRV则除SDIRI外各指标任务间大多数无显著区别，参考Srirevaag等的结果，可以认为RR、RRV与脑力负荷也有一定关系。

    总之，各指标与脑力负荷均有一定的关系，但均不能全面反映各种任务脑力负荷的不同。由于人脑是一开放的复杂的巨系统，目前对其高级功能的知识还知之甚少，从已有的知识看，脑力负荷是多维的，即由性质不同的几个维度组成的，每种指标或许只对其中的一个或几个维度敏感，即对脑力负荷的反映是不全面的，所以，联合多种指标评定脑力负荷是当前更为可行的方法。

    参考文献

    [1]Braby CD, Harris D, Muir HC.A psychophysiological approach to the assessment of work under load[J]. Ergonomics，1993，36(9): 1035～1042

    [2]Caldwell JA，Wilson GF，Cetinguc M et al. Psycho-physiological assessment methods[R]. Agard-Ar-324 (Agard Advisory Report 324)，1994：1～60

    [3]Costa G. Evaluation of workload in air traffic controllers[J]. Ergonomics，1993，36(9): 1111～1120

    [4]董明清，马瑞山，程宏伟 .双任务脑力负荷的多变量判别分析[J].航天医学与医学工程，1997，10(5):358～362

    [5]Sirevaag EJ, Kramer AF, Wickens CD et al. Assessment of pilot performance and mental workload in rotary wing-aircraft[J]. Ergonomics，1993，36(9):1121～1140

    [6]赵 旭,姜淇远. 事件关联脑电位(ERP)与手控工作负荷关系的研究[J]. 航天医学与医学工程，1990，3(4): 267～271

    [7]Kramer AF, Sirevaag EJ, Braune RF.A psychophysiological assessment of operator workload during simulated flight missions[J]. Human Factors，1987， 29(2):145～160

    [8]Wilson G, Swain RA, Davis I. Topographical analysis of vertical evoked activity during a variable demand spatial processing task[J]. Aviat Space Environ Med，1994，65(5,suppl): A54～61

    [9]Wilson GF. Air-to-ground training missions: a psycho-physiological workload analysis[J]. Ergonomics.1993,36 (9): 1071～1087

    收稿日期：1998-05-18

    百拇医药网 http://www.100md.com/html/analecta/2003/09/01/84/880.htm