應急場景下礦工腦電成分特征的實驗研究*

袁曉芳，李 玲，周 垚

(1.西安科技大學 管理學院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學 人因與管理工效學研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

我國是產煤大國，煤炭行業內部生產環境復雜，煤礦安全事故時有發生。大量煤礦安全事故案例表明，礦工的應急處置不當是造成事故的主要原因[1]，如煤礦發生冒頂、瓦斯超限等危險預兆時，由于慌亂未能正確及時應對等，都有可能導致重大事故的發生。可見，探究人的應急能力水平是降低煤礦安全事故的重要基礎[2]，而如何提高礦工的應急反應能力，將是我國煤礦安全生產中的重要課題。

對個體應急反應及應急能力研究方面，國內外很多學者采用實驗的方法來獲得受試心理、生理指標數據，進而分析個體心理、生理變化特性和行為選擇過程。例如，張江石等[2]通過建立井下應急實驗場景，評估礦工生理指標來定量計算礦工應急能力；趙鵬飛等[3]采用生理反映心理的方法，測試了應急場景下礦工的心理應急能力指標，并對礦工心理應急能力進行了評價；Hammad等[4]通過問卷的方法，發現可以通過對護士進行應急能力的培訓和學習來提高其在突發事件下的急救工作應急能力水平。國內外有關個體應急反應的研究多采用心率、呼吸率、血氧濃度等生理信號監測與主觀調查問卷分析等方法，而關于個體應急場景下的深層次認知加工過程的研究成果尚不多見。相關研究指出，腦電信號是大腦內部神經元在皮層組織的表現[5]，在研究突發事件時，可很好地反映出個體的生理活動[6]。腦電中的事件相關電位技術(Event-Related Potential，ERP)通過對頭皮相關電位的正負波進行腦電波形成像，其可以反饋用戶細微的腦部認知活動[7]。李乃文等[8]利用腦電ERP成分中的P300波幅對不同作業階段下礦工的安全注意力進行了研究，結果表明礦工在作業中期階段，P300波幅會大幅下降，安全注意力水平降低；王金娥等[9]通過誘發被試不同的ERP成分，得出選擇注意與維持注意有不同的腦機制；李紅霞等[10]通過腦電實驗研究了礦工在疲勞前后的大腦ERP成分特征。

綜上所述，現有研究缺乏對礦工在應急場景下的大腦活動情況分析，為更準確地觀測礦工在應急場景下的認知加工狀況從而分析個體應急反應情況及應急能力水平，研究通過構建腦電ERP測試實驗來獲取礦工在應急場景下的大腦活動數據，以此探究礦工在應急場景下的腦電活動規律，揭示礦工應急反應認知加工機制，為煤礦企業在事故預防和提高礦工應急能力方面提供新的建議。

1 實驗設計及實驗過程

1.1 實驗設計

研究采取Oddball實驗范式，靶刺激與非靶刺激數量占比為1∶4。通過搜集煤礦生產作業中常見的工作場景，用文字與圖片的形式作為實驗刺激素材，并進行差異度處理，邀請30名煤礦工作人員，對每張圖片進行危險評估打分，最終將分值相近的圖片作為實驗素材，其中靶刺激的文字和圖片各5張(20%)，非靶刺激的文字和圖片各20張(80%)，圖1～2為1組素材示例。

圖1 文字刺激素材Fig.1 Text stimulus material

圖2 圖片刺激素材Fig.2 Picture stimulus material

1.2 被試選擇與實驗設備

選取25名聽力正常、右利手的20～60歲某煤礦男性在崗人員作為被試，平均年齡39歲，實驗前均未服用任何對生理檢測有影響的藥物，亦無飲酒等情況，無任何腦神經損傷和精神疾病病史，所有被試者視力或矯正視力正常，均無色盲或色弱等癥狀。腦電實驗設備為NeuroScan32導腦電儀，Ag/AgCI記錄電極固定于32導電極帽，電極點采用國際10～20標準電極系統定位，參考電極設置在電極點FCz處，接地點設置在電極點AFz處。腦電信號經過放大后被連續記錄，采樣頻率為500 Hz。

1.3 實驗過程

實驗前，被試閱讀實驗流程并簽署知情同意書，實驗環境選擇空間小、光線較暗的房間，盡可能模擬井下能見度較低的密閉空間環境。所有被試均要進行預實驗與正式實驗，根據E-Prime2.0實驗系統設計和Oddball實驗范式要求，先呈現文字再呈現圖片。每位被試按空格鍵開始實驗，正式實驗前，先進行注視點矯正，矯正圖片呈現時間為800 ms，然后呈現文字素材，每張素材背景為灰色，呈現時間為1 000 ms，間隔時間為800 ms，接著以相同方式呈現圖片素材，呈現時間為1 500 ms，間隔時間為800 ms，靶刺激與非靶刺激素材隨機出現。實驗流程如圖3所示。

圖3 實驗素材呈現流程Fig.3 The flow chart of test material presentation

2 應急場景下腦電實驗數據預處理和分析

2.1 實驗數據預處理

本文運用BrainVision Analyzer 2.0分析軟件對礦工應急場景下腦電實驗數據進行預處理，主要包括電極轉化、去眼電、去偽跡、濾波、基線校正、疊加平均和波峰檢測，去除實驗誤差較大的7位被試腦電數據后，最終選取18位腦電信號純凈的被試來進行數據分析和說明。

2.2 腦電實驗數據分析

在Oddball實驗范式中，靶刺激的出現會誘發較為顯著的P2，P3，N1，N2等ERP成分。其中，P2是出現在刺激呈現后200 ms左右的早期正波成分，主要誘發電極點位于大腦前額[11]。Liu等[12]發現被試對目標刺激注意力越高，P2波幅越明顯；Siegfried等[13]指出采用Oddball實驗范式得到P3成分與注意力有關，而在非注意條件下不能誘發，其波幅與所投入的心理資源呈正相關。N1成分與視覺和聽覺的早期注意力有關，受被試覺醒狀態的影響，不受刺激因素影響。N2成分與具體時間和任務有關，如：刺激復雜度、主觀輪廓、注意轉移等[14]。

本文將主要采用時域分析方法中的峰值檢測與頻域特征分析下的腦電波節律來分析被試在應急場景下腦電數據變化特征，并結合腦電地形圖來描述其腦部活動。

2.2.1 基于時域特征分析下腦電數據的組平均分析——峰值檢測

1)腦電ERP波形分析

在有效被試所誘發的腦電ERP波形圖中，被試大腦頭皮的額葉區、頂葉區和枕葉區都提取出了明顯的N1，P2和P3成分，其中N1成分與人視覺和聽覺的早期注意有關，受被試覺醒狀態的影響，而與刺激素材無關，故研究將重點分析P2和P3成分。通過對所有被試腦電ERP成分檢測發現，被試在文字與圖片的靶刺激下大腦額葉區與頂葉區會出現P2和P3成分且波幅顯著，說明在應急場景下被試大腦額葉區和頂葉區活動增強，并且注意力因受到靶刺激的影響，而處于高度集中狀態。

表1為18名被試在實驗素材刺激下的波幅平均值，研究選取200～400 ms之間的ERP成分為例進行說明。

表1 ERP成分波峰數據值Table 1 ERP component peak data value μv

與文字的非靶刺激相比，被試在靶刺激下的腦電波幅平均峰值較大，且在Fz電極通道提取的P2和P3成分波幅更高，Fz電極屬于大腦額葉區，由此可以得出：在文字靶刺激下，被試大腦的額葉區會出現明顯的P2和P3成分，說明在應急場景下，被試大腦額葉區會因為受到外界負面刺激物和強烈視覺刺激效果的影響，大腦會調動更多注意力資源，使被試的注意力增強，同時大腦會處于高度緊張和興奮狀態。同理，在圖片的靶刺激下，被試大腦的頂葉區會出現明顯的P2和P3成分，說明在應急場景下，被試大腦頂葉區的注意力會受到外界負面且復雜的視覺刺激物干擾而處于高度集中狀態，并且注意力也會增強。為了證明數據的有效性，研究對所得到的ERP成分波幅數據進行組內樣本T檢驗，結果表明：文字刺激素材的P值分別為0.000 3與0.000 2；圖片刺激素材的P值分別為0.001與0.000 5，4組獨立樣本T檢驗值遠小于臨界值p=0.01，故4組數據有顯著的差異性。

2)腦電地形圖分析

被試在文字與圖片的靶刺激下，在-200～200 ms中整個大腦腦區處于未激活狀態，此時被試大腦中ERP成分處于潛伏期；在0～200 ms中所有被試的大腦在文字靶刺激下依然處于未激活狀態，但圖片靶刺激下有部分區域被微量激活；在200～300 ms可以發現大腦的頂葉區和枕葉區被大量激活，尤其是在圖片靶刺激下額葉區的激活程度更明顯；在300～400 ms被試大腦額葉區和枕葉區被大量激活，且圖片靶刺激下激活效果更顯著，而在400～1 000 ms時大腦頂葉區和枕葉區會慢慢恢復平靜，表明此時外界刺激對被試的作用在逐漸減弱，被試大腦信號逐漸恢復正常狀態，具體如圖4～5所示。

圖4 文字素材非靶刺激和靶刺激下的平均腦電地形圖Fig.4 The mean electroencephalogram under the non-target and target stimuli of text materials

基于時域特征分析得出：應急場景即靶刺激的情形下，被試大腦在200～300 ms內，額葉區、頂葉區和枕葉區出現顯著的P2成分，并且成分峰值的波幅高，說明大腦在額葉區進行記憶加工和工作記憶任務；在300～400 ms內，大腦額葉區和枕葉區會出現顯著的P3成分，并且成分峰值的波幅高，說明此時大腦的額葉區和枕葉區處于注意力高度集中的狀態。這與大腦額葉區、頂葉區和枕葉區控制軀體運動和高級思維中樞神經以及視覺神經有關，并且與ERP成分中P2和P3成分與人的視覺、聽覺和注意力有關的理論相符合。

圖5 圖片素材非靶刺激和靶刺激下的平均腦電地形圖Fig.5 The mean electroencephalogram under the non-target and target stimuli of picture materials

2.2.2 基于頻域特征分析下腦電數據的腦電波節律分析

傅立葉變換是1種將腦電信號基于時間轉變為基于頻率方法的數學方法，能將不同波段的腦電波輸出為波的面積值。因此，可以用各個節律波的面積大小來衡量被試在觀看不同刺激素材下的腦電波節律變化。在腦電波節律中，α節律在人睜眼、感覺刺激、精神活動時有變化，而β節律通常在人精神緊張或情緒激動、亢奮時出現變化[15]。研究比較被試在文字與圖片的不同刺激下，α和β節律的面積值大小與變化情況。18名被試在文字與圖片的非靶刺激和靶刺激下的腦電波α和β節律面積值見表2。

表2 非靶刺激和靶刺激下腦電波α和β節律面積值比較Table 2 Brain waves under non target stimulation and target stimulation α and β rhythm area comparison

通過表2可看出，被試β節律波幅面積平均值總是大于α節律，由此可以得出刺激素材誘發大腦情緒緊張的效果明顯，進一步說明在應急場景下被試大腦會受到外界文字和圖片等刺激的影響處于高度緊張和興奮狀態。

被試在圖片靶刺激下的α和β節律波幅面積平均值大于文字靶刺激下，但是在圖片非靶刺激下α和β節律波幅面積平均值小于文字非靶刺激下，由此可以看出，在靶刺激下，圖片的效果比文字更加明顯，使得被試大腦腦電信號的頻率特征更顯著，在非靶刺激下，文字比圖片效果明顯，說明被試在正常工作環境中，大腦受到外界文字的影響效果強于圖片。

利用SPSS軟件對被試觀看文字和圖片實驗素材中有無靶刺激的2組數據進行樣本T檢驗，結果表明：文字刺激素材的P值分別為0.000 7與0.000 4；圖片刺激素材的P值分別為0.001與0.000 5，4組數據值遠小于臨界值p=0.01，故這4組數據有顯著的差異性。這也進一步說明，被試在文字與圖片素材中有無靶刺激條件下的腦電波節律差異明顯。

綜上所述，基于頻域特征分析得出：在應急場景下，礦工大腦會出現明顯的α和β節律，并且隨著刺激的出現，α節律的面積值不斷下降，而β節律的面積值會大幅度上升，這與β節律在人情緒緊張或者激動時出現的理論相符合[16]。

2.3 討論

1)通過對礦工的腦電實驗數據分析得出，文字與圖片的宣傳內容會讓礦工產生ERP成分：N1，P2與P3，這與礦工注意力及大腦覺醒程度有關。

在實驗靶刺激素材的作用下，腦電ERP成分的波幅明顯高于非靶刺激素材，這說明圖片中的靶刺激內容能使礦工大腦快速激活且注意力迅速集中，從而會更好地應對可能發生的突發事件。所以在煤礦生產工作環境中，文字與圖片的標語宣傳內容會影響礦工的大腦活動，而在宣傳素材中加入適當的負面警示標語或圖片可以很好地使礦工保持對危險的警惕而提高應急能力。宣傳素材盡量多選取圖片，因為圖片中的負面內容更能使被試產生警惕的心理。

2)礦工在實驗素材靶刺激下，α和β節律的波幅面積值會發生變化。

α和β節律與人的情緒相關，當人處于平靜時，α節律的波幅面積值要大于β節律，而當人情緒緊張時則相反。當礦工觀測到實驗素材中的靶刺激時，α節律的波幅面積不斷下降，而β節律的面積不斷上升，說明此時礦工受到實驗素材的刺激影響，大腦會處于情緒緊張與亢奮狀態。這也說明，實驗素材中的靶刺激會使礦工大腦處于緊張狀態，從而提高其對突發事件的警惕性。

因此，在日常的煤礦生產過程中，可以通過在文字與圖片的宣傳標語中加入負面警示內容來提高礦工的警惕性，也可以在礦工的日常培訓中加入含有負面警示的文字與圖片來提高礦工的警惕性同時增強其應急能力水平，其中文字的非負面內容更能引起礦工的遐想，從而提高安全意識。

3 結論

1)構建應急場景下礦工腦電實驗系統，以文字與圖片作為刺激素材，對18名礦工進行事件相關電位(ERP)數據特征的提取與分析，結果顯示不同素材刺激下礦工注意力水平有顯著差異，這也說明利用腦電實驗可以對礦工應急能力水平進行評估。

2)對礦工在文字與圖片刺激素材下的ERP成分進行分析，結果表明礦工在素材展示的200～300 ms會出現顯著的ERP成分P2，300～400 ms會出現顯著的ERP成分P3，圖片靶刺激下的波幅最大，文字非靶刺激下的波幅最小。基于腦電實驗頻域特征分析，礦工在實驗刺激素材下，α節律波幅面積值呈現下降趨勢，β節律波幅面積值呈現上升趨勢，且靶刺激素材變化趨勢更加明顯，表明礦工大腦由覺醒進入緊張狀態，從而產生高的警惕性。此結論可為礦工應急能力的提升方面提供依據，煤礦安全管理者應該通過宣傳標語的內容來加強礦工對危險的警惕性，從而保證煤礦生產安全。

3)本文僅對礦工腦電一部分數據進行分析，應急反應能力受個體、組織、工作環境等多方面的影響，其認知加工過程及規律復雜多變，后續可考慮更加詳細的腦電數據分析等技術對此進一步研究。