近红外专题 | 利用fNIRS技术对空管员进行脑力劳动量评估

Part.1

引言

人类的脑力劳动量在许多复杂的指挥和控制系统中起着至关重要的作用，它反映了大脑为满足任务需求所付出的努力。有经验的空管员会通过增加努力程度或调整策略的方式使其工作表现保持在一定的水平之上（Matthews，2000）。然而，随着任务难度的增加可能导致工作表现的崩溃，最终引发灾难性的事故和损失。因此，对于空管员的脑力劳动量进行客观的测量就尤为重要，因为准确的评估有助于防止空管员的操作失误（Parasuraman & Wilson，2008）。

近红外光谱技术（fNIRS）因其安全、便携性强、用户友好度高的优势为在真实环境中对空管人员的脑力劳动量进行测量提供了有效的方法和手段。除此之外，fNIRS较高的时间和空间分辨率也极大的提高了脑力劳动量评估的可靠性（Plichta et al., 2007）并作为神经人体工程学研究中脑力工作量的衡量标准之一。因此有研究者利用fNIRS技术来测量执行复杂的ATC任务时空管员大脑的血流动力学反应情况（Ayaz et al., 2012）。

Part.2

方法

　　1、被试：

　　24名年龄在26-55岁且具有从业证书的空中交通管制员，工龄在3-30年之间不等。在研究正式开始之前，向所有参与者都提供了一份书面知情同意书。

　　2、试验设计：

　　对于ACT任务，专业的空管员在ATC模拟器环境中对高分辨率雷达示波器、轨迹球和操作键盘进行控制并与飞行员进行通信（如图1），通信方式包括语音通信（VoiceComm）和数据通信（DataComm），任务难度因每个扇区的飞机数量而异，包括6、12或18架飞机（如图2），最终形成2（通信：基于数据，基于语音）× 3（任务难度：6、12、18 架飞机）的实验设计。

图1

图2

3、fNIRS排布：

　　近红外光极排布在与注意力和执行控制功能密切相关的前额叶区域，共形成16个通道（如图3），并对休息期间和任务期间的大脑血氧变化进行连续监测。

图3

Part.3

实验结果

　　1、主观报告结果：

　　经重复测量方差分析发现，飞机数量与通信类型的交互作用显著，且各自的主效应也显著，任务难度的Tukey事后检验表明，18架飞机条件下的主观工作量评估等级明显高于6和12架飞机条件（如图4）。

图4

2、fNIRS结果：

　　同样利用重复测量方差分析对参与者在任务期间的平均氧合变化进行统计检验。结果表明，显著的测量位置位于通道8（内侧PFC/额极皮质），任务难度与通信类型的主效应显著。任务难度的Tukey事后检验表明相对于6架飞机，18架飞机条件下的氧合血红蛋白浓度增加的幅度更大（如图5）。

图5

Part.4

讨论

此项研究的主要目标是测试是否可以使用fNIRS的方法来评估复杂认知任务（ATC）中的脑力工作量，其中所涉及到的任务非常接近地模拟了空中交通管制员的工作。结果发现，空管人员的内侧PFC（额极皮层）的平均氧合水平随着任务难度的上升而单调增加，这也与主观评估结果相互印证。此外，对于不同的任务难度，VoiceComm 条件导致的氧合血红蛋白含量变化高于 DataComm，这表明，在相同的认知工作负载条件下，DataComm 需要更少的认知资源。这也符合自我报告的结果和以前的研究（Willems et al., 2006）。

Part.5

结论

　　综上所述，fNIRS可用于测量前额叶皮层的血流动力学变化，并通过测量内侧PFC（额极皮层）的平均血氧变化来对空管员的脑力劳动量进行定量测量。结果进一步表明，与传统的基于语音通信（VoiceComm）系统相比，基于文本的通信（DataComm）需要更少的大脑激活。

Part.6

参考文献

1.Matthews, G. (2000). Human performance: Cognition, stress, and individual differences. Psychology Press.

https://doi.org/10.4324/9781315812809

2.Parasuraman, R., & Wilson, G. F. (2008). Putting the brain to work: Neuroergonomics past, present, and future. Human factors, 50(3), 468-474.

doi: 10.1518/001872008X288349

3.Plichta, M. M., Herrmann, M. J., Baehne, C. G., Ehlis, A. C., Richter, M. M., Pauli, P., & Fallgatter, A. J. (2007). Event‐related functional near‐infrared spectroscopy (fNIRS) based on craniocerebral correlations: reproducibility of activation?. Human Brain Mapping, 28(8), 733-741.

doi: 10.1002/hbm.20303

4.Ayaz, H., Shewokis, P. A., Bunce, S., Izzetoglu, K., Willems, B., & Onaral, B. (2012). Optical brain monitoring for operator training and mental workload assessment. NeuroImage, 59(1), 36-47.

https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2011.06.023

5.Willems, B., Hah, S., & Phillips, R. (2006). The effect of data link on en route controller workload. FAA William J. Hughes Technical Center.

公司简介

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