視覺疲勞狀態下的生理指標研究*

陳燕達，屠 彥，王莉莉，沈 莉，賀亞光

（東南大學電子科學與工程學院，南京 210096）

隨著社會生產的發展，計算機在人們工作與生活中的應用日益廣泛，視覺顯示終端VDT（Visual Display Terminal）作業成為一項重要工作，并且各種圖形圖像顯示技術在日常生活中隨處可見。VDT工作者易于產生視覺疲勞，并有眼睛發炎等癥狀［1-4］。近年來，人類眼部疾病的發病率因此明顯上升。眼部疾病與視覺作業事故，往往與不當用眼而導致的視覺疲勞有關。視覺疲勞是一種常見的綜合癥，由長時間的不當用眼導致，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］。頻繁發生視疲勞，會使眼睛視力下降，提前老化。預防視覺疲勞，對改善視覺健康至關重要。

目前，對于視覺疲勞的判別主要是人的主觀感受，用于預防視覺疲勞的客觀評估方法尚處于研究階段［6］。

研究視覺疲勞狀態導致的人體生理參數變化，可以認識視覺疲勞對生理狀態的各方面影響，并有效評估與預防視覺疲勞。

血氧飽和度SpO2（Pulse Oxygen Saturation）［7］、體溫 SKT（Skin Temperature）［8-9］、皮電反應 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生理指標。本文設計了2種不同的視覺疲勞實驗，在實驗前后采集前述生理信號并進行對比分析，研究視覺疲勞狀態對生理數據產生的影響。

1 生理數據采集

1.1 實驗設備

本文使用美國BIOPAC公司生產的MP150型多導生理記錄儀進行數據采集，采用血氧飽和度模塊、體溫放大器、皮膚電反應放大器及心電放大器4個通道，設置采樣率為1 000。實驗前后分別采集10 min生理信號。

1.2 數據采集

血氧飽和度模塊應用近紅外光譜法檢測指端血氧飽和度，該模塊同時具備脈率檢測功能，探測器放置于左手食指；體溫測量采用體表探頭，放置于脖子下方；皮電反應模塊測量人體兩點間電導值，測量點為左手中指與無名指；心電信號電極放置于胸前與腹部。

2 實驗方法

2.1 實驗對象

19名被試（平均年齡24±3y）參與了視覺疲勞實驗，均為在校研究生，身體健康。視覺疲勞實驗分為2D圖像實驗與3D圖像實驗，其中9名被試進行2D圖像實驗，10名被試進行3D圖像實驗。實驗選擇在每天下午2∶00開始，以避免時差因素的影響。實驗前，被試保證充足的睡眠和正常的精神狀態。

2.2 實驗過程

本文設計了2個視覺疲勞實驗，分別為2D圖像實驗、3D圖像實驗。如圖1所示，2D圖像實驗中被試觀看500組圖片，每組圖片分為2張，分別顯示500 ms，中間無時間間隔，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上改變了圖像質量的圖像。在1 s的圖像呈現后，顯示器變為黑屏狀態，此時由被試主觀判斷兩張圖像是否存在質量上的差別，若被試認為存在質量差別，則需點擊鼠標左鍵作為反應，否則點擊鼠標右鍵，此后程序將自動進入下一組圖片的比較。3D圖像實驗中被試戴上3D眼鏡觀看3D圖像，其他設置與2D圖像實驗相同。實驗中每組圖片呈現的時間為1 s，被試反應并做出判斷的時間為1 s～2 s，所以被試觀看500組圖片并做出判斷總共的耗時為20 min左右。圖像質量判斷任務需要被試付出一定的視覺努力，以達到視覺疲勞狀態。在視覺實驗前后，分別采集10 min生理數據，采集過程中被試保持放松坐姿并閉眼，盡量避免身體動作，左手掌心朝上平放，以方便生理信號采集。一名被試的實驗耗時約為40 min。

圖1 圖像實驗流程

2.3 數據分析

2.3.1 心率變異性

圖2 心電圖波形

實驗中的心電信號如圖2所示，實驗后提取心電信號的RR間期數據進行心率變異性（HRV）分析。HRV指連續竇性心跳間期的微小漲落，是反映自主神經系統活性和定量評估心臟交感神經與迷走神經張力及其平衡性的指標。HRV時域分析方法的常用指標包括SDNN（全部竇性心搏RR間期的標準差）、RMSSD（相鄰RR間期差值的均方根）等；頻域分析方法的指標包括：VLF（極低頻）、LF（低頻）、LF（NU）、HF（高頻）、HF（NU）、LF/HF等，其中NU代表標化后的數值，有LF（NU）=LF/（總功率-VLF），HF（NU）=HF/（總功率-VLF）。

2.3.2 數據分析

實驗結束后對血氧飽和度、體溫、皮電、心率等生理信號做取均值處理，獲得這些生理指標在實驗前后的參數值。另外，對ECG信號提取RR間期并進行心率變異性分析，取RMSSD、LF（NU）、HF（NU）、LF/HF的值進行后續分析。應用方差分析（ANOVA）的方法研究實驗前后被試生理數據的統計學差異，設置時間點（實驗前/后）為自變量，各項生理指標為因變量。在此分析方法中，顯著性水平由P值表示，P＜0.05被認為是某項生理指標在實驗前后有顯著變化。

3 實驗結果

2D圖像實驗、3D圖像實驗前后被試各項生理指標的ANOVA結果如表1、2所示。2D圖像實驗中，心率指標在實驗前后具有顯著差異（P=0.015），實驗后的被試心率由實驗前的67.16 BPM降到了64.23 BPM。另外，血氧飽和度的數值在實驗后有上升趨勢，P值為0.081，具有一定的顯著性。其他生理指標項在實驗前后變化不顯著。

表1 2D圖像實驗被試生理指標變化情況

3D圖像實驗的結果顯示，對比實驗前，實驗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%，此結果與2D圖像實驗中血氧飽和度的變化趨勢相符。3D圖像實驗前后，其他幾項生理指標未出現顯著變化。

表2 3D圖像實驗被試生理指標變化情況

4 結論

視覺疲勞是現代社會與科技發展下的熱點問題，對視覺疲勞狀態的識別備受國內外研究者的關注。血氧飽和度、體溫、皮電反應、心率、心率變異性等生理參數蘊涵著人體狀態的基本信息。本文通過設計視覺疲勞實驗，對比實驗前后生理指標的變化，初步探索了視覺疲勞狀態對人體生理參數產生的影響。研究結果表明，血氧飽和度、心率等生理指標在視覺疲勞狀態下發生了顯著變化。通過檢測生理指標，有可能為視覺疲勞狀態的評估提供一種客觀方法，為今后建立視覺疲勞狀態的識別模型做了初步探索。另外，本實驗被試人數較少，只是對研究視覺疲勞狀態下的生理指標進行了探索性實驗。對于視覺疲勞狀態與人體生理參數的具體聯系，還有待進一步的實驗研究。

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

屠 彥（1965-），女，漢族，東南大學電子科學與工程學院教授，研究方向為物理電子學和光學工程，tuyan@seu.edu.cn。