礦工疲勞的ERP特征

張 宏，路 偉，田方圓，黨應強，田水承，胥 靜，楊鵬飛，陳 磊

(1.陜煤集團紅柳林礦業有限公司，陜西 榆林 719000；2.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引 言

在煤炭企業的安全生產事故中，80%是由于人的不安全行為造成的，預防和控制煤礦生產中人的不安全行為尤其重要[1]。礦工長期在井下作業，工作強度大、時間長、環境條件相對較差，再加上睡眠休息時間不足等，使得礦工精神壓力偏大，導致注意力分散、反應遲鈍、工作效率降低等，從而產生一些不安全行為[2]。因此，探究礦工作業過程中的疲勞狀況，提出緩解礦工疲勞的措施是減少安全事故發生的有效途徑[3]。

在廣義上，疲勞分為生理疲勞和精神疲勞，但這兩種疲勞之間的關系十分密切[4]。對于井下一線礦工而言，體力勞動易導致生理疲勞，而長期緊張和單調的作業又易導致精神疲勞[5]。與生理疲勞相比，精神疲勞更難以識別[6]。

目前，在心理學、認知神經科學及人機工效學等領域，利用事件相關電位(ERP)技術來準確客觀反映被試對信息的認知加工過程得到了廣泛的應用。因此，應用ERP技術來檢測礦工疲勞是合理可行的。宋國萍等的研究表明，ERP技術可以用來研究疲勞對認知加工能力的影響[7]。沈麗麗等對比清醒狀態和疲勞狀態下的N200和P300成分，發現疲勞狀態下幅值明顯下降，而潛伏期略有增加，這說明疲勞狀態下認知反應速度下降[8]。FOWLER的研究表明，腦力負荷過大會導致P300潛伏期延長，且P300的幅值和潛伏期都是評價腦力疲勞的有效指標[9]。SMULDERS等通過對正常睡眠與睡眠不足的對比發現，睡眠不足對刺激加工時間和準確率有影響，且P300的潛伏期明顯增加[10]。LEE等研究發現，疲勞后反應注意水平的P300和N200潛伏期顯著延長[11]。BOKSEM等研究發現，N200與認知加工能力有關，當出現精神疲勞時，認知控制能力受損，振幅降低[12]。BIFERNO研究發現P300的幅值與疲勞有關[13]。LARUE等發現疲勞產生后，ERP成分中的P300的幅值隨著時間的變化呈線性下降趨勢[14]。ZHAO等通過模擬疲勞駕駛實驗研究發現，電極Fz和Cz上的P300的幅值明顯下降，且潛伏期變長[15]。

以往的研究多集中于實驗室中誘發的疲勞，對真實場景作業人員疲勞背后的心理生理機制研究較少[16]，而一線礦工較普通人群更容易產生疲勞現象[17]。因此，本文以作業前后的真實礦工為研究對象，從多角度、多指標對井下一線礦工的連續作業引發的疲勞展開研究。利用主觀評價和行為績效評定方法，運用ERP提取技術，對引發礦工疲勞的特征指標進行分析，為后期研究礦工疲勞的對抗措施提供依據，從而提高煤礦工人的工作績效和安全性。

1 研究方法

1.1 實驗假設

長時間持續井下作業產生的疲勞使礦工的注意力能力受損，腦部自動信息加工能力下降。與下井前相比，礦工上井后P300的波幅明顯降低。

1.2 被試選擇

選擇一線健康男性礦工14人，年齡24～38(28.2±1.5)歲。所有被試視力和聽力水平正常，均為右利手，沒有家族病史，且沒有濫用藥物。被試應在下井前保證充分休息，實驗前講解實驗流程和目的，消除被試思想顧慮和恐懼心理，緩解精神緊張，實驗過程中被試需要保持高度集中，完成指導語提示的內容。被試自愿參加實驗，并填寫實驗同意書。

1.3 任務設計

1.3.1 疲勞誘發

一線礦工的工作制度為“三八制”，礦工作業時間加上井下輔助時間，井下總時間會達到12 h以上。這種輪班制度使得工人要克服井下復雜環境、自身身體調節能力和疲勞困倦的壓力，以往的研究表明，零點班是最不符合人的正常生理作息的，更容易產生疲勞。因此，本研究選擇零點班的礦工作為被試。

1.3.2 Oddball實驗流程

被試需要在正式實驗前盡量保持良好的睡眠，讓身心得到充分的休息。然后填寫基本信息表，包括年齡、學歷、工種、下井前的當日睡眠時間及主觀自評量表。實驗過程中提醒被試要放松，少動，在自然放松的情況下盡量少眨眼。實驗開始后，首先進行五分鐘閉眼休息的靜息態，在靜息狀態下，被試需要放松并注視黑色電腦屏幕。之后屏幕會隨機(800～1 200 ms)出現數字8(標準刺激50 ms)或者數字2(靶刺激50 ms)，當出現數字2時按下鼠標左鍵，一共進行400次Oddball任務，其中標準刺激320次，靶刺激80次，實驗總長約20 min左右。實驗范式通過Eprime 3.0進行編寫，具體實驗流程如圖1所示。

圖1 Oddball任務實驗流程

被試在下井前后需要對自己的精神狀態進行主觀評分，即4個項目(思維敏捷度、注意力集中度、困倦勞累度以及綜合疲勞評估)[18]。其中，每個項目包含10個等級，對應1～10分。

實驗過程中，分別記錄腦電數據、操作績效數據(反應時、正確率以及遺漏率)。

1.4 腦電信號采集及處理

使用Neuroscan 64導腦電設備采集腦電信號，采取國際通用的10～20電極導聯定位標準，選取乳突電極M1和M2為參考電極。腦電采集頻率為1 000 Hz，AC采集，頭皮電阻控制在5 kΩ以下。采用Matlab軟件對采集的腦電數據進行離線處理，主要步驟包括：電極定位、濾波、降低采樣率、重參考、分段、獨立成分分析(independent component analysis，ICA)去偽跡、基線校正、疊加平均及峰值和潛伏期提取等。

本文對靶刺激引發的P300特征值進行提取。對含標記的靶刺激進行分段(Marker前200 ms到呈現后800 ms)；對所有分段進行基線矯正(Marker前200 ms)；將所有分段疊加平均即可得到P300波形，根據成分時程分析(250～550ms)提取ERP波形，得到特征值的潛伏期和幅值。

1.5 統計方法

利用統計軟件SPSS 20.0對數據展開分析。采用配對樣本t檢驗的方法，對礦工下井前和上井后的主觀評價和行為績效數據分析，比較是否具有統計學差異，檢驗礦工連續工作前后是否產生疲勞。在產生疲勞的前提下，利用配對樣本t檢驗的分析方法，對ERP特征值的潛伏期和波幅進行分析，以驗證潛在的疲勞評價指標P300的有效性。以上顯著性水平取α= 0.05。

2 實驗結果分析

2.1 主觀分析

分析被試下井前和上井后主觀疲勞感是否具有統計學差異。對下井前和上井后主觀的數據進行配對樣本t檢驗，描述性統計結果(平均值和標準差)及t檢驗結果見表1。從表1中可以看出，被試下井前和上井后的思維敏捷度顯著下降(P<0.05)、注意集中程度明顯減弱(P<0.05)、困倦勞累度明顯增加(P<0.05)、綜合疲勞評估感顯著差異上升(P<0.05)。因此，上井后被試的主觀疲勞感明顯高于下井前，從主觀評價的角度驗證了一線礦工連續工作后產生了疲勞。

表1 主觀疲勞前測和后測數據及配對樣本t檢驗結果

2.2 行為數據分析

對被試在下井前和上井后的反應時間、正確率和遺漏率進行配對樣本t檢驗，結果如表2所示。從表2中可以看出，被試下井前和上井后的反應時明顯增加(P<0.05)，正確率顯著下降(P<0.05)，遺漏率增加(P<0.05)。因此，從行為學角度驗證了井下一線礦工連續工作后產生了疲勞。

表2 行為績效前測和后測數據及配對樣本t檢驗結果

2.3 ERP分析

采用ERP技術提取關于P300特征分析。礦工下井前和上井后Oddball范式P300的總平均波形比較如圖2所示。

圖2 Oddball范式P300的總平均波形

結果可見，除枕部外，全腦范圍內Oddball范式P300的平均波形在疲勞后均出現明顯的下降。已有研究表明，P300在導聯Fz、Cz、Pz這3點表現比較明顯，P300的標準電極分布特點是它的波幅由額葉至中央區再到頂葉的順序依次增加，它的最大波幅位于Pz點[19]，因此本研究選擇這3個導聯的腦電信號進行研究。3個導聯處誘發的腦電總平均疊加波形如圖3所示，可見靶刺激誘發出了較為明顯的P300波形，并且上井后被試的波幅明顯低于下井前。進一步對Fz、Cz、Pz這3個位點的P300進行波幅(μV)及峰值潛伏期(ms)的測量，采用配對樣本t檢驗統計分析，結果見表3。

圖3 在Fz、Cz、Pz的靶刺激平均ERP

表3 P300的描述性統計及配對t檢驗結果

結果表明，上井后Fz、Cz、Pz的幅值顯著降低(均有P<0.05)，對于潛伏期，Cz和Pz點顯著(均有P<0.05)，Fz點不顯著(有P>0.05)。將不同腦區分布作為組內因素，共分為3個水平(前：Fz；中：Cz；后：Pz)；下井前與上井后作為組內因素為2個水平，對靶刺激所誘發出P300成分的波幅和潛伏期進行重復測量方差分析。統計分析得出被試P300波幅出現疲勞主效應，即上井后P300的波幅較下井前降低。同時疲勞前后潛伏期的分析并未呈現統計差異，也未見任何交互作用。綜上所述，P300的幅值在上井后顯著降低，因此可作為評價一線礦工疲勞的有效指標。

3 討 論

本研究采用主觀量表和客觀生理指標相結合的方法，對礦工疲勞狀況進行研究。一線礦工在經過夜班8 h連續工作后，主觀評價和行為學分析結果表明，礦工出現了疲勞狀態，具體表現為上井后礦工反應時間、錯誤率和遺漏率都顯著增加。所有被試的主觀疲勞問卷得分均顯著增加，這與煤礦工作環境和工作性質有直接的關系。例如，礦工經常抱怨在上井后感到渾身虛弱乏力、注意力難以集中、興趣喪失、困倦感明顯上升等。

本研究認為在完成夜間班連續作業任務上井后的被試已經處于疲勞狀態。從前后測量靶刺激實驗結果的ERP特征分析來看，P300波幅具有明顯的疲勞效應，特別是頂區的波幅與下井前對比明顯降低。這與以往研究P300的波幅受注意資源分配、記憶能力等多種因素的影響一致[20]。長時間從事單調重復的井下作業后P300波幅明顯增大，而潛伏期差異不明顯。

通過進一步的數據統計檢驗后發現，P300波幅的這種差異是顯著的，潛伏期雖然有延長的趨勢，但差異不顯著。這有可能是因為從理論上來說P300潛伏期比波幅更穩定，并且P300的潛伏期與被試對刺激的決策時間和任務復雜度有關，本研究Oddball任務決策簡單，并沒有對被試處理信息的速度造成太大影響。P300的最大波幅位于Pz點，與下井前對比，上井后P300在頂區的波幅變化比前額葉和中央區變化更明顯，說明上井后礦工大腦接受和處理信息的速度差異不大，但是投入到任務中的腦資源分配少，這也與礦工在主觀評價上井后思想難以集中、思考反應變慢相符合。上述結果說明，P300波幅是井下一線煤礦工人長時間作業評估疲勞的一個較為有效的客觀生理指標。由于P300波幅反映了主體的認知水平，因此也說明了疲勞直接導致礦工的認知水平降低。

礦工出現疲勞是一種非常普遍的現象，這種疲勞常常讓人難以集中注意力，導致對當前工作的反感性增加，工作效率降低和警覺性下降，增加了事故風險。導致疲勞的主要原因是礦工高強度的工作和不充足的睡眠，這2種因素相互作用損害礦工的健康。同時，這種損害會隨著工作時間的延長而不斷累積，直至達到礦工的物理極限。所以，深入研究疲勞對礦工的生理和心理功能的影響，提出有效疲勞程度量化指標，檢測和管理礦工的疲勞是十分必要的。這不僅有助于減少意外事故發生，還為煤礦的疲勞監測和防護措施的建立提供合理客觀的指標和理論支撐。根據本研究的結果，取消夜班是減少礦工疲勞最有效的方法。礦山可以選擇在夜間進行設備維護，以減少夜班的工作時間，如果有足夠的工人，煤礦盡量采取五組四班的工作時間安排。此外，建議管理者應該保障夜班礦工有足夠的休息時間，確保他們精力充沛。

4 結 論

1)應用事件相關電位(ERP)技術，通過現場實驗測量的方法可用來研究礦工的疲勞程度。

2)夜班礦工上井后疲勞程度顯著增加，具體體現在操作反應時明顯延長，操作正確率下降。

3)P300成分的波幅可作為評價礦工疲勞的有效指標。

在今后的研究中，我們還需要進一步探討，是否通過休息、飲食等對抗措施來讓礦工迅速恢復到下井前的水平。到目前為止，對于疲勞的探索還沒有一個公認可信賴的測量指標，本研究結果可以為疲勞檢測提供一定的理論和客觀依據。