空間定向障礙評價方法研究

郝晨汝 池子強 趙瑞斌 張敬晶 吳艷茹 張晶 孟燕軍

摘要：空間定向障礙（SD）是指飛行員在三維空間飛行中對飛行姿態、位置和運動狀況發生的錯誤判斷。SD嚴重影響著飛行安全，雖然SD被很多學者關注，但針對不同類型SD的研究不多，尤其缺乏不可認知型SD的相關研究。為解決上述問題，在詳細分析國內外已有研究成果的基礎上，結合SD的產生原因和認知學分類，將現有SD的評價方法歸納總結，概述了主觀評價法、生理心理參數專項檢測法、行為學評價法和認知學評價法的優缺點及其適用的SD類型。以4種評價方法為基礎，提出一種集主觀評價和行為學足底壓力中心評價為一體的、針對認知閾下的不可認知型SD評價方法。所提出的新方法不僅可以從主觀上區分認知類型，還將客觀行為學數據作為是否出現SD的評價依據，適用于不可認知型SD，為其鑒定及后續的對抗訓練提供了重要依據。

關鍵詞：航空航天醫學；空間定向障礙；評價方法；認知；壓力中心

中圖分類號：R852文獻標志碼：Adoi： 10.7535/hbgykj.2018yx01008

Research of spatial disorientation evaluation method

HAO Chenru， CHI Ziqiang， ZHAO Ruibin， ZHANG Jingjing，WU Yanru， ZHANG Jing， MENG Yanjun

（School of Medical Imaging， Hebei Medical University， Shijiazhuang， Hebei 050011， China）

Abstract：Spatial disorientation refers to an erroneous perception of position， altitude， motion related to the plane of the earth's surface or a false perception relative to gravitational vertical and with respect to the aviator's own or other aircraft. Although spatial disorientation which has a strong impact on air safety， gets a lot attention by many scholars， little studies pay attention to different types of spatial disorientation， especially unrecognized spatial disorientation. In order to solve the above problems， the reason and classification of spatial disorientation are generalized based on detailed analysis of the existing researches. And the evaluation methods of SD are summarized by subjective assessment， psychophysiological assessment， behavioural assessment and cognitive assessment. Based on the 4 existing evaluation methods， a new evaluation method is put forward to measure unrecognized SD. The subjective reports and the canter data of foot pressure are combined together in the new method. The proposed new method can not only distinguish the type of spatial disorientation subjectively， but also be used as the judgement basis for objectives behavioristics data to evaluate the SD existence.The new optimization design method will provide important basis for the test of unrecognized SD and countermeasure training.

Keywords：aerospace medicine； spatial disorientation； evaluation method； cognition； COP

空間定向障礙（spatial disorientation，SD）是指飛行人員在飛行中對飛行姿態、位置和運動狀況發生的錯誤判斷。GILLINGHAM[1]將SD定義為對相對于地平面的姿勢、高度以及運動情況的錯誤認知（狹義定義）。之后BENSON[2]又在這基礎上加上了飛行員本身對重力垂線的錯誤認知以及相對于其他飛機對本身飛行姿態的誤判（廣義定義）。

由SD引發的飛行事故很多，近10年間所發生的飛行事故中有54%與SD有關[3]，平均每百萬飛行小時出現1次A類事故[4]。隨著飛機速度的不斷提升，由SD引發的事故比率也不斷提升，而在這些由SD引發的事故當中，致命事故又占絕大比例。各國雖然都開展了SD機理研究以及對抗SD的訓練并取得了一些進展[56]，但仍然存在一些問題和不足。

本文通過對現有SD評價方法的總結，提出一種評價不可認知型SD的方法，幫助飛行員了解SD發生時的飛行條件和自身感覺，從而使飛行員正確對待SD，對減少飛行事故是具有極大意義的。

1空間定向障礙（SD）

1.1引發SD的原因

空間定向障礙從本質上來講是由于飛行員在飛行時所處的三維空間運動中心理和生理上的不足導致的[2]。正常情況下，人類對于方位以及自身狀態的信息收集主要通過視覺系統、前庭系統和本體感覺系統來完成[7]，大腦需要對這些系統所提供的各種信息進行正確的綜合分析后，人類才能正確的認知。視覺、前庭、本體任何一個系統提供了不恰當信息后，都會影響定向的能力，也正是由于這些系統所提供的信息發生了沖突[8]，進而導致了SD的發生[9]。空間定向障礙發生時癥狀很多，從輕微的煩躁不安到眩暈再到行為能力失常都屬于SD。

1.2SD的分類

近年來國外的研究學者綜合分析SD產生原因以及大腦認知過程后，對引發事故的SD按認知過程進行了分類，其中認知閾下的一類SD成為最近的研究熱點，但中國對SD的細分及研究很少。SD按認知水平可分為以下3種[1012]。

1）不可認知型（Unrecognized）SD，指飛行員已經對飛行姿態、位置和運動狀況產生了錯誤判斷，但自己并不認為飛行中存在問題。目前一般認為這一類SD的發生原因是外界刺激信號不足使得飛行員沒有正確認知而導致的，因此，不可認知型SD也通常被稱之為方向迷失。即飛行員未意識到發生了空間定向障礙。

2）可認知型（Recognized）SD，即飛行員對飛行姿態、位置和運動狀況產生了錯誤判斷，并且自己也意識到了這些問題，同時體驗到與實際空間狀態或儀表視覺空間狀態之間的矛盾沖突；現有的對抗訓練方法大多是針對這類SD的，并且已經取得了一些進展。

3）不可對抗型（Incogitative）SD，是指飛行員對飛行姿態、位置和運動狀況產生了錯誤判斷，自己也意識到了這些錯誤，但是心智失能，無法正確操控飛機。這類SD一旦發生其后果極其嚴重。

近年來的研究更傾向于認為這3類SD是一個連續的過程，由于大腦的認知程度不同，而被劃分為3類[9]。其中由不可認知型SD導致的飛行事故占所有SD引發事故的80%[3]。但目前對不可認知型SD的研究很少，其主要原因在于評價方法不完善。

2SD評價方法的研究現狀

國內外學者都開展了SD評價方法的研究，包括：主觀問卷調查、生理心理情況的專項檢測、行為學評價方法、認知學分析方法。其中主觀問卷調查是最早應用于SD評價的方法，雖然在實際應用中表現出了明顯的優越性，但同時由于其主觀性較大，在一定程度上缺失客觀數據。生理心理情況的專項檢測比問卷調查更為客觀，既可以從身體基礎參數的變化了解飛行員的身體狀況，又可以從心理學角度分析飛行中心理準備情況。行為學評價和認知學評價是近些年興起的客觀評價方法，這兩種評價手段分別從身體姿態平衡和大腦電信號變化上判別SD的發生與否，其結果客觀，因而越來越多的研究者都在采用上述方法。

2.1問卷調查

問卷調查是進行SD的鑒定和對抗能力評測的重要手段，同時也是確定SD性質的重要依據。各國都制定了比較詳細的主觀評價量表，內容涉及SD發生的經過、當時所處的環境、所采用的飛行動作、身體狀況、實際飛行狀態和自主感覺等[1314]。

主觀問卷調查從飛行員在飛行中的實際狀態、自身感受、是否出現SD、是否出現不適癥狀等方面進行綜合評價，發現飛行員在某種飛行環境中出現SD或出現錯誤的飛行操作時，可以針對飛行員制定個性化的模擬飛行訓練。從問卷調查的結果可以很直觀地了解飛行員的狀態，尤其在對抗訓練中飛行員一旦出現SD感受，可以及時提醒飛行員正視并調整自身狀態。因此這種評價方法最早應用于SD的研究，主觀評價量表在一定程度上為研究人員提供了SD發生時的場景，飛行員自身感受以及飛行員所采取的對抗措施等信息，但這種評價方法仍然存在一定的問題。

問卷調查方法的主觀成分很大，隨飛行員的不同而變化，且很難得到一致的飛行環境及當下SD感受。該方法前提是受試者明確自己已經發生SD，對于主觀沒有SD發生的調查結果，統一認定為無SD發生。但依據SD分類，不可認知型SD發生時，無主觀SD感受，不能從問卷調查評價方法中認定不可認知型SD發生。故該方法所針對的SD類型屬于受試者已經認知到的可認知型SD和不可對抗型SD。但對于受試者無法認知的不可認知型SD，問卷調查不能給出有效評價。

2.2生理心理情況的專項檢測

發生嚴重空間飛行障礙時，常常伴隨有生理心理的病理學因素，因此根據空間定向障礙知覺形態、性質，對相關系統的功能進行專項檢查，有助于SD的鑒定。

目前，心電信號（ECG）檢測[15]、胃電信號（EGG）檢測[16]、生理心理儲備情況[1718]等，都已經用于SD的評測。其中生理心理儲備情況由心電、眨眼、呼吸等生理參數和注意力分配、情緒穩定性等心理指標結合評判。對于生理參數，著重從心電圖、眨眼頻率和呼吸頻率及通氣量分析飛行員的生理緊張程度[15，19]，心理指標關注于注意力分配、觀察能力、定向能力、判斷能力、修正能力[20]等方面。研究發現，出現SD時，飛行員心理生理儲備情況比未發生SD有顯著性下降。

生理心理情況的專項檢測是一種較為客觀的評價方法，SD的出現伴隨頭暈、炫目、惡心、嘔吐、面色蒼白甚至無法控制身體等癥狀，同時在生理參數中體現出心跳加速、眨眼頻率升高、呼吸頻次加大等異常現象，心理儲備中出現注意力不集中、觀察能力下降、判斷能力變弱、修正能力遲緩等心理指標下降。這些客觀參數的變化可以及時評判飛行員是否出現SD，相對于主觀問卷調查更加客觀，不受飛行員主觀因素影響。目前，生理心理情況的專項檢測手段適用范圍依舊是受試者認知到SD并出現明顯不適癥狀后，但從認知學角度分析大腦接受SD刺激到認知SD，出現明顯的SD癥狀是一個過程，出現SD癥狀之前的認知階段也可能會出現生理及心理信號的變化，故該評價方法理論上可以更早、更及時、更客觀地觀測到SD的出現。

2.3行為學評價方法

模擬飛行條件下的行為學評價是飛行員對抗SD能力評測的重要手段，包括對模擬飛行錯覺的認知準確性、對抗操作的正確性及效率、飛行錯覺下的行為模式特征等，所采用的設備包括特殊設計的行為運動分析設備[21]以及眼震儀[2223]等。運動分析設備的應用是近年來國外開始采用的方法。

從2002年至今，多項關于視覺誘發相對運動錯覺中姿態偏移的研究中[2425]，使用測力臺采集受試者實驗過程中足底壓力中心（the center of foot pressure，COP）的變化，得出受試者主觀發生相對運動錯覺比主觀沒有發生相對運動錯覺時，COP的偏移量更大。

2015年的一項研究中，采用了視頻運動分析設備，來分析實驗中受試者頭部和軀干的偏移情況，也得出了相對運動錯覺產生時身體姿態平衡會受到影響的結論[26]。

由上述研究表明軀體偏移量的大小與SD的發生與否密切相關。從人體姿態平衡分析定向功能是否正常的方法也常用于醫療領域，其數據客觀且不受主觀因素影響，軀體偏移量的大小還能體現定向能力的強弱，人體出現定向障礙時頭部或軀干首先出現姿態不自主偏移，其結果就導致了人體重心位置的偏移，這種偏移包含2種情況：受試者自己沒有認知到軀體偏移和認知到軀體偏移。對于沒有認知到軀體偏移的情況，屬于不可認知型SD范疇；對于認知到軀體偏移的情況屬于可認知型SD或不可對抗型SD范疇。因此，結合運動分析設備的行為學評價方法既可以應用于不可認知型SD，又適用于可認知型SD。

2.4認知學分析方法

認知學分析的方法可以較為客觀地研究SD，認知學分析的方法通常采用腦電技術，通過分析大腦對事物感知、認知過程中大腦皮層電信號的變化情況，明確SD認知的過程及程度。國內外的一些研究者已經將腦電信號分析技術應用于SD的產生機制及其類型的識別，尤其是對視覺錯覺所誘發的SD情況。

2015年的一項研究通過對腦電信號分析，對2種不同的SD（流場錯覺和旋轉錯覺）進行了初步的研究和分析表明，θ波的出現頻率整體減小，標志著SD的發生[27]。

HORNG等[28]利用腦電信號對飛行員在發生SD（科里奧利錯覺）時認知能力進行了分析，發現大腦的視覺相關腦區的信號會有一定的增強。

MICHEAL[9]使用腦電技術采集11名飛行員在模擬飛行中誘發SD時的腦電信號分析后，得出F3導聯上的β波有顯著性的改變可以作為有無SD發生的依據。

腦電信號分析方法的優越性很明顯，既可以對主觀認知到的SD做出評價，明確可認知型SD發生時的腦電特征信號，又可以通過檢測大腦認知過程的電信號變化為不可認知型SD的評價提供參考，但這種方法的使用環境有限。由于腦電信號很微弱，易受肌電、眼電信號的影響，腦電信號采集中必須保證軀體無相對運動、注意力集中、盡量避免眨眼等，因此這種評價方式對SD的誘發條件要求很高，現有的研究也都是針對視錯覺誘發SD，并且需要大量重復實驗才能得到理想的統計學結果。因此，認知學分析法雖適用于不可認知型SD的評價，但因其對實驗條件要求較高，不適用于運動型實驗的分析。

2.5評價方法分析

綜合上述分析，4種評價方法各有其優勢，適用類型不同。

主觀問卷調查評價方法可以全方面了解飛行員的飛行狀態、飛行體驗以及自身是否發生SD，有助于綜合評價飛行員出現SD的頻次和飛行場景，但該方法的主觀成分很大，隨飛行員的不同而變化，因其前提是飛行員主觀有SD發生，故這類評價方法適用于認知閾上的可認知型SD和不可對抗型SD。

生理心理情況的專項檢測相對于主觀問卷調查的方法更為客觀，SD出現后機體表現為異常生理現象和心理儲備能力下降。這些客觀參數的變化可以及時評判飛行員是否出現SD，不受飛行員主觀因素影響。這類評價方法的現有研究關注于可認知型SD和不可對抗型SD，其前提是受試者認知到SD并出現明顯不適癥狀。但從認知學角度分析大腦接受SD刺激到認知SD，直到出現明顯癥狀是一個連續的過程。出現SD癥狀之前的認知階段也可能會伴隨生理及心理信號的變化，故該評價方法理論上可以更早、更及時、更客觀地評價SD。

行為學評價方法是基于軀體姿態平衡檢測的客觀評價方法，人體出現定向障礙時伴隨著軀體位置的偏移，在大腦未認知到SD前和認知到SD后都會出現軀體偏移。因此，對于沒有認知到SD，但軀體出現偏移的情況屬于不可認知型SD范疇；對于認知到軀體偏移的情況屬于可認知型SD或不可對抗型SD范疇。故，結合運動分析設備的行為學評價方法既可以應用于不可認知型SD，又適用于可認知型SD。

認知學評價是基于大腦電信號變化的評價手段，大腦電信號變化是由大腦皮層不同區域的神經元興奮或抑制導致的，反映出大腦對外界事物的感知和認知過程，因此這種評價方法有可能從認知過程中區分出不同類型的SD。但腦電信號的采集易受周圍壞境因素影響，對實驗條件要求較高。

對于已有研究的總結可見，雖然已有文獻大多針對主觀可以認知到的SD類型，但現有的評價方法較為單一，對不可認知型SD的研究很少，其評價方法更是鮮有研究。隨著行為學和認知學評價手段的持續發展，學者將更加重視對認知閾下SD的研究，因此不可認知型SD將會被更多的學者關注，成為SD的研究熱點。

3不可認知型SD評價方法

目前對SD的研究很多，但現有的評價方法較為單一，且大多研究認知閾上的可認知型SD，沒有針對不可認知型SD的評價方法，無法從根本上解決由不可認知型SD引發的飛行事故。作者采用主觀評價和行為學評價結合來實現不可認知型SD的評價，其中主觀評價的方法從認知學領域可以區分出已經認知到的這一類SD，主觀無SD的情況還可以細分為確實沒有發生SD、發生SD但未認知（不可認知型SD）。對于這2種情況，可以由COP的偏移與否來證實。在SD誘發中，確實沒有發生SD的情況，COP理論上不會有統計學偏移；對于發生SD但未認知的情況，在有一定樣本量的統計學規律中，COP 理論上會有統計學偏移。

筆者綜合主觀評價和行為學評價方法，提出采用主觀問卷調查結合軀體壓力中心（COP）偏移程度（行為學評價）來判斷不可認知型SD的發生與否。方法如下：SD誘發中，采集COP數據，經統計學分析會出現COP的偏移情況同正常COP有顯著性差異（有）及無顯著性差異（無）；是否發生SD的主觀回答會出現有SD發生（Y）及無SD發生（N），如表1所示，共有如下4種情況。

1）受試者主觀有SD（Y），COP有顯著性差異（有），發生可認知型SD。受試者出現SD，主觀明確自身對方位的感知有偏差，無法調節軀體的較大偏移度。

2）受試者主觀有SD（Y），COP無顯著性差異（無），發生可認知型SD。受試者出現SD，主觀明確自身對方位的感知有偏差，可以通過視覺信息的攝取調節軀體偏移情況。

3）受試者主觀無SD（N），COP無顯著性差異（有），發生不可認知型SD。受試者出現了較大軀體偏移度，但自身沒有認知到。

4）受試者主觀無SD（N），COP無顯著性差異（無），沒有發生SD。

由此，通過主觀判斷及客觀判斷相結合，可以明確不可認知型SD的發生與否。

在綜合前人工作的基礎上，筆者提出的使用主觀問卷調查結合軀體壓力中心偏移程度（行為學評價）作為認知閾下的不可認知型SD的判斷方法，即有主觀評判，又有客觀標準，可以為認知型SD的評價提供理論依據。作者擬通過后續的SD誘發實驗和統計學分析，驗證不可認知型SD評價方法的可行性。

4結語

SD嚴重影響著飛行安全，雖然SD已被很多學者關注并研究，但針對不同類型SD的研究不多，尤其缺乏不可認知型SD的相關研究，其原因在于不可認知型SD屬于認知閾下，現有的評價方法較為單一，且適合于認知閾上的可認知型SD，沒有針對不可認知型SD的評價方法，無法從根本上解決由不可認知型SD引發的飛行事故。

為解決上述問題，在詳細分析國內外已有研究成果的基礎上，結合主觀評價法、生理心理參數專項檢測法、行為學評價法和認知學評價法的優缺點及其適用的空間定向障礙類型，提出了一種集主觀評價和行為學足底壓力中心評價為一體的、針對認知閾下的不可認知型空間定向障礙評價方法。這種基于主觀評價和行為學客觀評價的方法，既可以了解飛行員是否認知到SD，又可以對未認知到SD的這類行為學數據做進一步分析，以明確是否有不可認知型SD發生。所提出的新方法不僅可以從主觀上區分認知類型，還將客觀行為學數據作為評價是否出現空間定向障礙的依據。

筆者擬通過模擬飛行中的相對運動錯覺誘發SD實驗來驗證這種評價方法的可行性，用于幫助各類飛機駕駛員盡早了解不可認知型SD發生時的飛行條件和自身感覺，從而正確認知SD。為鑒定不可認知型SD、篩選認知閾下的飛行員以及不可認知型SD的對抗訓練提供客觀的依據。

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