飛行員在模擬飛行訓(xùn)練中腦力疲勞的腦電圖研究*

張佳麗，李 靖，蒙 果，李鳴皋△

（1.解放軍醫(yī)學(xué)院，2.海軍總醫(yī)院航海航空醫(yī)學(xué)中心，北京100000）

在飛行過(guò)程中，飛行員在腦應(yīng)激等復(fù)合因素的作用下長(zhǎng)時(shí)間處于高度緊張狀態(tài)出現(xiàn)腦力疲勞。戰(zhàn)時(shí)連續(xù)飛行、夜航、跨時(shí)區(qū)飛行，造成飛行員腦生物節(jié)律紊亂，導(dǎo)致睡眠缺乏，腦力疲勞會(huì)進(jìn)一步加重。因此，近年來(lái)對(duì)飛行員作業(yè)中疲勞程度的研究受到關(guān)注。腦電圖（electroencephalogram，EEG）是利用現(xiàn)代電子放大技術(shù)，通過(guò)腦電圖描記儀將腦自身微弱的生物電放大記錄成為一種曲線圖，因?yàn)樗苤苯臃从衬X部活動(dòng)的變化，已成為腦力疲勞研究中廣泛采用的評(píng)定中樞神經(jīng)系統(tǒng)變化的重要依據(jù)［1-4］。但由于腦電設(shè)備的便攜性較差，實(shí)際飛行中不能進(jìn)行測(cè)試，只能應(yīng)用于模擬飛行中。目前對(duì)模擬飛行過(guò)程中的腦電研究尚鮮有報(bào)道。本研究通過(guò)測(cè)定模擬飛行的全程腦電，對(duì)左右腦各頻段腦波的波幅進(jìn)行比較分析，旨在了解飛行員在模擬飛行過(guò)程中腦力疲勞的產(chǎn)生及恢復(fù)規(guī)律，并初步探討左右半腦在疲勞過(guò)程中不同的作用機(jī)制。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象及入組標(biāo)準(zhǔn)

隨機(jī)選取參加模擬飛行訓(xùn)練的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員50人，年齡23～34歲，飛行時(shí)間320～3 300 h。所有受試對(duì)象均為男性，右利手，身體健康，均無(wú)重大腦部疾病史、精神神經(jīng)系統(tǒng)疾病及神經(jīng)癥等。為排除其他因素影響，實(shí)驗(yàn)前被試者休息1 d，近期未服用任何藥物及保健品，不進(jìn)行劇烈運(yùn)動(dòng)，不吸煙，無(wú)主觀不適。所有被試者均自愿參與本研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)器材

采用Spirit多通道生物反饋儀8／10series（荷蘭）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并分析腦電波信號(hào)，信號(hào)采集按國(guó)際10-20系統(tǒng)，取FP1、FP2代表左右腦腦電。

1.3 分組

50名飛行員前后自身對(duì)照，將40min按每5min分段，共分 8組：飛行前（5 min），飛行中（共30min，分為 6段，每段 5min），飛行后（5min）。

1.4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為上午 8∶00～12∶00，室溫（23～25）℃。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)燈光正常照明、受試者睜眼進(jìn)行。50名飛行員進(jìn)行起落航線模擬飛行，記錄飛行前（坐姿）5 min腦電，模擬飛行器飛行訓(xùn)練全過(guò)程中（坐姿）30 min的腦電，模擬飛行訓(xùn)練結(jié)束后（坐姿）即刻記錄5min腦電。全部測(cè)試使用同一套測(cè)試儀器并預(yù)先校準(zhǔn)，全部測(cè)試由同一批測(cè)試人員完成，數(shù)據(jù)分析由專門(mén)技術(shù)人員完成。

1.5 模擬飛行科目

模擬飛行科目為起落航線飛行，選用某虛擬場(chǎng)站地形進(jìn)行飛行訓(xùn)練，操作步驟包括地面滑行-起飛-平飛-轉(zhuǎn)向-平飛-轉(zhuǎn)向-平飛-轉(zhuǎn)向-平飛-轉(zhuǎn)向-平飛-降落-滑行，各轉(zhuǎn)向地標(biāo)均為固定，平飛高度控制在800m左右，平飛速度控制在空速500 km／h左右，總飛行時(shí)間為30min。飛行5min為飛行初期，主要?jiǎng)幼魇腔?起飛；10 min、15 min、20 min、25 min為中期，主要?jiǎng)幼魇寝D(zhuǎn)向-平飛；30 min為后期，主要?jiǎng)幼魇墙德?滑行。

1.6 測(cè)量指標(biāo)

α波（8～12 Hz）波幅、β波（12～30 Hz）波幅、θ波（4～8 Hz）波幅、γ波（30～80 Hz）、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)節(jié)律（sensorymotor rhythm，SMR波）（12～15 Hz）波幅。

1.7 統(tǒng)計(jì)方法

經(jīng)BioTrace軟件對(duì)腦電各頻段腦波波幅進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。數(shù)據(jù)均呈正態(tài)分布，用±s表示，對(duì)各時(shí)間組使用SPSS 13.0進(jìn)行隨機(jī)區(qū)組的方差分析或秩和檢驗(yàn)；對(duì)左右半腦采用配對(duì)t檢驗(yàn)。

2 結(jié)果

2.1 模擬飛行中各波波幅的變化特點(diǎn)及規(guī)律

飛行中，左右半腦的各波波幅均呈現(xiàn)不同程度的上升趨勢(shì)。右腦的α波波幅在飛行5 min及30 min時(shí)較飛行前升高（P＜0.05），左腦在各階段則無(wú)明顯變化（P＞0.05）。右腦的β波波幅在飛行各階段均升高（P＜0.05），以飛行5min、20min、25min及30min最顯著（P＜0.01）；左腦在飛行 5 min、30 min時(shí)升高顯著（P＜0.01）。右腦的γ波波幅在飛行5min、10 min及 30 min較飛行前顯著升高（P＜0.01）；左腦在飛行 5min、30min時(shí)升高（P＜0.05）。θ波波幅在飛行中各階段均較飛行前升高（P＜0.05），以飛行 5min、30 min最顯著（P＜0.01）。右腦的SMR波波幅在飛行5 min、30 min升高顯著（P＜0.01），在飛行 10 min、15 min及 25 min升高較顯著（P＜0.05）；左腦在 5 min、30 min升高顯著（P＜0.01），在飛行 15 min、20 min升高較顯著（P＜0.05）。

2.2 模擬飛行后各波波幅的恢復(fù)特點(diǎn)及規(guī)律

飛行后，除左腦的α波及右腦的β波繼續(xù)升高之外，其余所有腦波波幅均不同程度地恢復(fù)。飛行后，全腦的α波波幅與飛行前比較無(wú)差異（P＞0.05），其余各腦波均較飛行前水平高（P＜0.05），以右腦的β波、γ波及左腦的θ波最顯著（P＜0.01，表1）

2.3 左右半腦各波波幅在模擬飛行各階段的比較

右腦的α波在飛行5 min、10 min明顯高于左腦（P＜0.05）；β波在飛行過(guò)程中未表現(xiàn)出左右腦差異，但在飛行后右腦β波繼續(xù)上升，左腦β波恢復(fù)，左右腦差異明顯（P＜0.01）；γ波在飛行早期右腦略高，但無(wú)顯著差異（P＞0.05）；θ波幾乎在飛行全程均顯示出明顯的左右腦差異：在飛行10 min右腦明顯高于左腦（P＜0.01），飛行5min、15min、20min及25min較明顯（P＜0.05）。左右半腦的SMR波波幅全程均呈現(xiàn)右腦高于左腦的趨勢(shì)，但無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)差異（P＞0.05，表 1）

3 討論

腦力疲勞指工作或?qū)W習(xí)過(guò)程中，由于長(zhǎng)時(shí)間從事腦力勞動(dòng)而導(dǎo)致人們作業(yè)機(jī)能衰退、腦力能力下降的現(xiàn)象，其主要表現(xiàn)為工作或?qū)W習(xí)效率低下，反應(yīng)遲緩，記憶力下降，注意力不集中以及協(xié)調(diào)性能變差。飛行作業(yè)對(duì)飛行員的生理心理能力要求極高，在飛行過(guò)程中飛行員瞬間的注意力分散、反應(yīng)遲緩或協(xié)調(diào)性不夠，都可能導(dǎo)致極為嚴(yán)重的事故。分析、研究飛行員作業(yè)過(guò)程中的腦力疲勞特點(diǎn)與規(guī)律，對(duì)探討飛行工作負(fù)荷、提高衛(wèi)勤保障水平十分重要。目前，腦力疲勞程度評(píng)估主要采用主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)測(cè)。主觀評(píng)價(jià)法評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、易受主觀因素干擾，無(wú)法客觀評(píng)定疲勞的生理心理狀態(tài)。而評(píng)估方法中，近年來(lái)，新出現(xiàn)了一些客觀評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如瞳孔測(cè)定、腦誘發(fā)電位、心率變異性等，但迄今為止最具說(shuō)服力的還是腦電監(jiān)測(cè)［5］。近年來(lái)，應(yīng)用腦電分析技術(shù)對(duì)腦力疲勞進(jìn)行評(píng)價(jià)成為多領(lǐng)域的熱門(mén)研究。本研究旨在通過(guò)分析飛行員在模擬飛行中的腦電變化，發(fā)現(xiàn)飛行員在模擬飛行中的腦力疲勞的規(guī)律及特點(diǎn)，從而為模擬訓(xùn)練、空中飛行預(yù)警等項(xiàng)目的開(kāi)展實(shí)施提供依據(jù)和技術(shù)支持。

Tab.1 EEG waves amplitude from both the half hemisphere at different phases during simulated flight（±s，n＝50）

Tab.1 EEG waves amplitude from both the half hemisphere at different phases during simulated flight（±s，n＝50）

*P＜0.05，**P＜0.01 vs before-flight phas； ＃P＜0.05，＃＃P＜0.01 vs left group

Right Before flight 9.867±2.712 9.991±3.269 6.404±2.174 6.517±2.421 10.116±4.026 10.048±3.100 12.677±2.771 13.522±3.023 6.768±2.024 6.924±2.307.5min in flight 10.534±2.421 11.703±3.088*＃7.624±2.241**8.121±2.494** 12.015±4.24* 12.306±4.620** 15.064±2.022** 16.094±2.294**＃ 8.022±2.388**8.544±2.341**10min in flight 9.898±1.945 10.800±2.087＃ 7.104±2.002 7.428±1.765* 11.327±4.173 12.171±4.192** 14.745±1.733* 16.035±2.984*＃＃7.436±1.917 7.930±1.758*15min in flight 10.256±2.342 11.081±2.978 7.251±2.270 7.563±2.125* 11.424±4.091 11.351±4.308 14.919±1.885* 15.937±2.219*＃ 7.650±2.380*8.076±2.183*20min in flight 10.306±1.782 10.956±2.515 7.194±1.949 8.096±2.452** 11.514±4.116 11.383±4.705 14.830±1.843* 15.643±2.189*＃ 7.583±1.940*7.754±2.073 25min in flight 10.084±2.195 10.943±2.714 7.060±1.961 8.189±2.752** 11.359±3.949 12.352±4.186 14.693±2.083* 15.637±2.416*＃ 7.380±1.804 7.926±2.104*30min in flight 10.670±1.967 11.719±4.511*7.653±1.868**8.56±2.734** 12.246±3.906*12.638±4.179** 15.217±1.728** 16.813±6.683** 8.006±1.874**8.146±1.746**After flight 10.889±3.147 11.379±3.951 7.414±2.689* 12.169±4.661**＃＃12.181±4.784*12.474±4.623** 14.162±2.501**15.578±5.611* 7.809±2.401*8.025±2.789 Phases α-waveamplitude（μV） β-waveamplitude（μV） γ-waveamplitude（μV） θ-waveamplitude（μV） SMR-waveamplitude（μV）Left Right Left Right Left Right Left Right Left*

通常腦電波按不同頻段可分為β波：頻率在12～30 Hz，是緊張狀態(tài)下的優(yōu)勢(shì)波；SMR波為感覺(jué)運(yùn)動(dòng)節(jié)律，頻率在12～15 Hz，是β波領(lǐng)域里出現(xiàn)在大腦的感覺(jué)皮層中，跟覺(jué)悟準(zhǔn)備和運(yùn)動(dòng)體系狀態(tài)準(zhǔn)備的注意集中有很大關(guān)系；θ波：頻率為4～8 Hz，通常在睡意朦朧時(shí)占主導(dǎo)，俗稱“困倦波”；α波：頻率在8～12Hz，是放松波，和精神運(yùn)動(dòng)有相反關(guān)系；γ波：頻率在30 Hz以上，與神經(jīng)活動(dòng)有同步關(guān)系，近年研究提示其同步活動(dòng)可能是大腦如何進(jìn)行編碼和整合感知、思維等不同網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)的相應(yīng)神經(jīng)生理學(xué)機(jī)制［6］。

本研究結(jié)果顯示，飛行中各波波幅均升高，以β波、SMR波、θ波最明顯。王利等［7］研究發(fā)現(xiàn)，輕度疲勞時(shí)，θ節(jié)律的相對(duì)功率譜的平均值逐漸增強(qiáng)，而α和β節(jié)律的相對(duì)功率譜的平均值逐漸減弱；重度疲勞時(shí)，則各節(jié)律的相對(duì)功率譜的平均值都會(huì)增強(qiáng)。張崇等［8］發(fā)現(xiàn)，疲勞時(shí)大腦前中部位的α波（蔓延到額葉區(qū)的α波活動(dòng)）活動(dòng)會(huì)增加，持續(xù)時(shí)間約為1～10 s，同時(shí)還伴隨枕部α節(jié)律的下降。Brookhuis等［9］使用腦能量參數(shù)（theta＋alpha）／beta對(duì)駕駛員進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著工作時(shí)間的增加、疲勞狀態(tài)的加重，該參數(shù)呈上升趨勢(shì)。本研究結(jié)果表明，在模擬飛行過(guò)程中飛行員出現(xiàn)了較重的腦力疲勞，SMR波顯著升高則提示覺(jué)悟準(zhǔn)備和運(yùn)動(dòng)體系狀態(tài)準(zhǔn)備的注意高度集中是疲勞的主要原因。此外，Klimesch發(fā)現(xiàn)［10］α及β波升高，表明受試者對(duì)刺激事件感到新奇，動(dòng)用較多的心理資源。本次研究中受試飛行員多以新學(xué)員為主，均是首次接觸模擬飛行，也出現(xiàn)了類似表現(xiàn)。飛行后隨著代謝產(chǎn)物的消除和大腦能量及氧供的恢復(fù)，大腦神經(jīng)保護(hù)性抑制作用逐步解除，神經(jīng)元興奮性增強(qiáng)，各波波幅大多均有所恢復(fù)，但未恢復(fù)至飛行前水平。而唯一例外的是右腦β波，在飛行后不降反升，并與左腦呈現(xiàn)顯著差異，既往未見(jiàn)類似報(bào)道，分析其原因系飛行中右腦的緊張度較高，局部多巴胺水平高，飛行后仍在局部發(fā)揮作用，出現(xiàn)較高的β波。

本研究還顯示，在飛行各階段中，腦波各波幅增幅最大多發(fā)生于飛行5 min、30 min，表明在起飛、降落階段飛行員的注意力較平飛階段更為集中，腦力疲勞更為嚴(yán)重。起飛、降落階段是飛行中的技術(shù)關(guān)鍵，也是飛行安全的重要環(huán)節(jié)，飛行員自然會(huì)投入更多的心理資源，但同時(shí)也伴隨出現(xiàn)較重的腦力疲勞，該結(jié)果提示在這兩個(gè)階段可建立飛行疲勞預(yù)警，以提高飛行的安全性。

此外，本研究提示飛行中右側(cè)半腦的各波幅均高于左側(cè)半腦，飛行后右腦的恢復(fù)較左腦偏慢。張崇等［8］應(yīng)用連續(xù)數(shù)學(xué)運(yùn)算任務(wù)研究疲勞時(shí)發(fā)現(xiàn)，大腦前額葉皮層以及大腦左半球與腦力疲勞相關(guān)性較大。這與任務(wù)中工作記憶機(jī)制相符。左腦以數(shù)理推算為主，空間定向則以右腦為主。模擬飛行中飛行員運(yùn)用的工作記憶多為圖像識(shí)別，右腦的電活動(dòng)較左腦活躍。結(jié)合本研究結(jié)果，疲勞的發(fā)生可能與興奮腦區(qū)的代謝物質(zhì)堆積有關(guān)，越興奮的腦區(qū)越易發(fā)生疲勞，恢復(fù)越慢。

綜上所述，飛行員在模擬飛行過(guò)程中發(fā)生了較重的疲勞反應(yīng)，負(fù)責(zé)圖像處理的右腦的活動(dòng)度較左側(cè)明顯。下一步可對(duì)不同作業(yè)任務(wù)下的腦電變化開(kāi)展更深入的研究。

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