精神壓力下礦工的生理參數變化特征研究*

李乃文,蘇子怡

(遼寧工程技術大學 工商管理學院,遼寧 葫蘆島 125105)

0 引言

由于特殊的工作環境,礦工往往被認為有強于普通人的身體素質與心理素質,但事實上由于礦工長期暴露于危險之中,導致其心理健康狀況比普通人更差[1]。礦工職業的特殊性,要求礦工需要保持持續性的注意力并付出長期性的體力勞動,因此礦工在工作生活中常常承載著較高水平的精神壓力。適量的精神壓力能夠對礦工的工作效率產生積極影響,但長期且過量的精神壓力會給礦工的身心健康帶來不容小覷的負面效應。大量研究表明,礦工群體的高工作倦怠、高酗酒[2]、自殺[3]等過激行為與礦工群體所面臨的高壓力密切相關,如心血管疾病[4]、肺部疾病[5]、肌肉骨骼疾病[6]等身體疾病以及焦慮癥[7]、抑郁癥[8]等心理疾病在礦工群體中占比較高。

精神壓力又稱心理應激,在工作場所中所產生的精神壓力主要是由于工作要求與能力的不匹配、曾經親身經歷或聽聞的工作災難事故導致的應激障礙[9]。應激反應包含心理、認知和行為反應,當人處于急性精神壓力時,身心會處于高程度的緊張狀態,如果沒有及時對心理進行干預,極易出現工作倦怠、情緒低沉的情況,在工作時分心,導致職業危險的出現。Sharma等[10]研究證明,由于壓力會嚴重影響大腦的功能和結構,因此可通過腦電信號對精神壓力進行測量;Vaccarino等[11]研究指出,精神壓力會導致心肌缺血;Crosswell等[12]詳細介紹壓力源的維度和壓力捕捉,同時對何時使用生理指標對精神壓力進行測量做出規范,為跨學科研究提供基礎;蘇杭等[13]研究指出,警察群體的精神壓力對公安工作的開展效率產生極大影響;戰春霞等[14]通過虛擬現實技術對飛行員的心理應激水平進行檢測;李傳圣等[9]通過半結構化訪談的方式,對礦難幸存礦工的精神狀況進行研究。目前,對于礦工精神壓力的研究主要集中于心理學理論角度的分析,鮮少有針對精神壓力的生理指標識別的實驗研究。

鑒于此,本文基于ErgoLAB人-機-環境同步平臺,利用VR虛擬場景,使用生理傳感器和血壓儀對被試者的心率變異性HRV、皮膚電活動EDA和血壓的生理指標進行采集,使用SPSS 27.0對數據進行處理,總結精神壓力下生理指標的變化特征,以期為及時識別礦工精神壓力、減少生產安全事故的發生提供理論支持。

1 實驗

1.1 實驗背景

礦井突水是常見的突發性的礦井災害,礦井突水會破壞資源環境,影響礦井生產并對礦工的生命產生威脅。已有研究表明,煤礦事故的發生會對礦工的心理健康產生巨大影響[15],當突水災害發生時,會誘發礦工面臨災害時的心理應激反應,帶給礦工精神壓力。當處于精神壓力下的礦工進行井下作業時,很容易發生生產安全事故。同時,精神壓力會對礦工的生理產生能動作用,礦工的生理指標能夠反映出其精神壓力的大小。

1.2 實驗儀器與材料

采用ErgoLAB同步平臺測量實驗所需的HRV和EDA相關數據,通過電子血壓儀測量血壓。ErgoLAB平臺包括1組便攜式傳感器、無線接收器以及基于計算機的數字平臺。已有研究驗證ErgoLAB測量數據的有效性[16]。

采用楊廷忠等編寫的符合中國背景的PSS-14量表[17]測量被試的精神壓力狀況,量表得分在14～42分之間的被試被視為具有基本相同的精神壓力,篩選出此量表分數段被試參加后續實驗。該量表的信效度良好,Cronbach’sα系數為0.864。

采用Watson等編寫的PANAS量表[18],測量實驗誘發精神壓力前后被試的情緒狀態,以此來確定實驗對被試精神壓力的誘發程度。該量表包括與心理和應激相關的6個題項,采用Likert-5點計分法,得分越高表明被試精神壓力越嚴重。被試得分高于15分則認為實驗已誘發被試精神壓力。該量表的信效度良好,Cronbach’sα系數為0.763。

采用VR虛擬場景設備,使用煤礦-水害災害逃生場景,模擬礦工工作狀態時的急性精神壓力,如圖1所示。此時大量地下水突然集中涌入井巷中,礦井中瓦斯濃度升高,被試可以進行位置移動全方位感受礦井突水場景,也可以選擇利用VR設備手柄進行逃生任務。

圖1 實驗場景Fig.1 Experimental scenes

1.3 被試選擇

實驗被試的招募采用2種不同的方法:1)通過電子郵件向遼寧省某煤礦企業負責人發送詳細的研究程序,由負責人招募被試;2)本文研究人員親自詢問礦工是否愿意參與。選定的實驗被試需符合以下標準:1)不存在可能影響生理結果的身體和情感障礙;2)不存在心臟相關疾病、皮膚疾病;3)對電極不過敏。實驗目的及過程在招募時已向礦工充分解釋清楚。本文最終選取平均年齡為38.15歲的23名男性礦工作為實驗被試,所有被試PSS-14量表得分均在14～42分內,認為被試者精神壓力水平基線基本一致。

1.4 實驗流程

在實驗開始前,明確向被試介紹實驗過程和儀器使用方法,對每位被試者進行VR設備使用培訓,保障其實驗操作的熟練度,避免由于操作不暢對實驗結果產生影響。實驗在1個安靜的房間里進行,被試在學習結束后在這里休息,適應實驗場所。實驗時間與煤礦企業相關主管進行協調,以便實驗時間符合礦工日常時間表。

實驗測量步驟具體如下:1)要求每位被試坐在椅子上,同時實驗人員幫助被試穿戴生理傳感器及頭戴式VR設備;2)被試靜坐5 min后,測量其平靜狀態下HRV、EDA基線指標,使用上臂式電子血壓計測量血壓基線指標;3)被試休息2 min后填寫PANAS量表;4)實驗開始后,同步記錄各項生理指標,并持續記錄直到VR模擬礦井突水事故場景結束;5)再次填寫PANAS量表;6)所有實驗測量結束后,對實驗數據進行整理并分析。實驗流程如圖2所示。

圖2 實驗流程Fig.2 Experimental process

2 數據處理

根據同步回放將實驗劃分為基線期和誘發期2個片段,以分析在產生精神壓力前后的生理指標變化情況。通過ErgoLAB實驗平臺針對性地對信號質量差的數據進行小波降噪、異位校正處理,導出HRV和EDA相關生理測量結果。對收集的血壓數據和處理后的HRV、EDA數據進行統計分析,對基線生理指標與遭受精神壓力后的生理指標進行配對樣本t檢驗,判別精神壓力前后被試生理指標是否存在顯著差異。

2.1 量表分析

對礦工體驗引起精神壓力的VR虛擬場景前后填寫的PANAS量表得分進行分析研究,結果如表1所示。由表1可知,23名被試者在平靜狀態下的PANAS量表的平均分為7.53分,精神壓力誘發后的平均得分高于15分,為15.67分,表明被試在進行實驗后處于精神壓力的狀態。礦工在實驗后的PANAS 量表得分比實驗前出現顯著性提升(p<0.05),證明實驗效果良好。

表1 PANAS量表得分配對樣本t檢驗Table 1 t-test of PANAS scale score paired samples

2.2 生理指標分析

2.2.1 心率變異性HRV

HRV表示交感神經水平(壓力)或副交感神經(放松)激活的感覺。當面對精神壓力時,心肌和周圍血管會產生變化以應對壓力。心率受到壓力的影響會產生變化,HRV能夠有效識別出心臟節律的變化程度,是測量自主神經系統交感-副交感神經平衡的有效手段,因此可通過對心率規律的分析探究個體心理以及生理變化規律,使用HRV數值對精神壓力進行評估[19],選取指標如表2所示。

表2 HRV的各項參數Table 2 Parameters of HRV

對礦工體驗VR虛擬場景前后HRV相關數據進行分析研究,結果如表3所示。在精神壓力狀態下,礦工的HR,LF/HF的實驗數據均比基線指標有明顯提升(p<0.05)。IBI,SDNN,RMSSD和PNN50的指標均比體驗VR虛擬場景前有所下降,IBI,SDNN,RMSSD3項實驗數據有顯著性變化(p<0.05),PNN50與平靜時狀態相比有一定下降但差異并不顯著(p=0.249>0.05)。

表3 HRV配對樣本t檢驗Table 3 t-test of HRV paired samples

2.2.2 皮電活動EDA

EDA是隨皮膚汗腺機能變化而出現的1種電現象,可以反映交感神經活動性,在某種程度上來說可以反映出人類的警覺性程度。本文通過無線皮電傳感器對EDA進行測量,當個體產生精神壓力時,被試的情緒被喚醒,認知負荷提升,引起交感神經的興奮,從而使汗液分泌量增多,減小皮膚阻值,增加皮膚的導電能力。皮電指標變化快速,能夠靈敏地反映出個體在精神壓力狀態下的實時變化情況,因此EDA可以作為衡量精神壓力的重要指標[20]。為方便采集,EDA的數據采集選取汗腺密度較高的手指部位。對于EDA的時域分析指標,實驗選取如表4所示的指標進行數據分析。

表4 EDA各項參數的含義與意義Table 4 Meaning and significance of each parameter in EDA

對礦工體驗引起精神壓力的VR虛擬場景前后EDA相關數據進行分析研究,結果如表5所示。在精神壓力狀態下,礦工的SCL,SCR次數,SCR高度都比基線生理指標呈現出顯著性上升(p<0.05),SCR恢復時間比基線狀態下呈現顯著性下降(p=0.002<0.01)。

表5 EDA配對樣本t檢驗Table 5 t-test of EDA paired samples

2.2.3 血壓

血壓是1項基礎的生命體征,同時對診斷一些疾病具有一定價值[21]。血壓可以理解為保證血液在人體血管中流動的推動力,體現心臟功能和血管健康程度的指標[22]。正常的血壓數值反映出人體心臟和血管的正常運行狀態,血壓指標的波動異常會對個體造成重大影響。當個人出現害怕、緊張、恐慌等精神壓力應激狀態時,交感神經系統會被過度激活,從而引起心肌收縮力增強、血管收縮、心排血量增加、心率增快的情況,從而導致血壓進一步上升[21]。由此可知,通過精神壓力所導致的收縮壓和舒張壓的變化程度可以作為個體精神壓力的評估指標。

將礦工觀看引起精神壓力的視頻前后的血壓數據進行分析研究,結果如表6所示。礦工在精神壓力下的收縮壓與舒張壓都比基線指標出現顯著性提升(p<0.05)。

表6 血壓配對樣本t檢驗Table 6 t-test of blood pressure paired samples

3 結論

1)本文以礦井突水視頻為刺激材料,對礦工的精神壓力進行誘發,同時監控礦工的HRV、EDA和血壓的生理指標,通過刺激前后的生理指標的配對t檢驗,建立科學評價礦工精神壓力下的生理變化體系,為研究礦工精神壓力的誘發因素和作用效果提供客觀數據參考。

2)急性壓力源不僅來自于煤礦的突發事故,在時間壓力下驟增的工作量、突發的工作場所沖突等都是誘發急性精神壓力的原因。本文采用虛擬現實技術,結合HRV、EDA、血壓多種生理指標探討急性精神壓力下礦工生理參數的變化特征,提供生理性的證據;通過穿戴便攜式傳感器,可及時發現和干預礦工存在精神壓力的個體,對其進行心理輔導和治療,這對于提升煤礦的安全生產水平具有重要意義。本文是對現有研究的補充,其結果可為煤礦安全培訓和考核體系的建立提供參考。

3)本文僅對礦井突水事故進行實驗研究,后續可持續針對其他災害展開深入研究,通過慢性壓力源豐富相關研究,并通過事件相關電位(ERP)、多模態等研究方法探究各種壓力源下礦工生理參數的變化特征,從而得到不同災害的差異,為不同災害源礦井保障機制的建立提供參考和借鑒。