Part.1
引言
进入21世纪以来，煤炭需求攀升，地表煤炭储量枯竭，深度煤矿开采也随之增加。然而地下环境温度湿度也随之升高，高温和湿度带来的危害是煤矿开采安全面临的最重大挑战之一。已有研究发现，矿井温度超过28℃时，矿工的生理健康会受到严重损害，某些疾病的患病率明显增加。此外，温度每升高1℃会导致矿工的生产率降低6-8%。当环境温度超过35℃时，矿工的工作效率仅为正常条件的20%。当矿工需要对特殊情况做出反应时，高温引起的疲劳会影响他们的快速反应能力。
在煤矿安全研究中，人的安全行为一直是研究重点，而警觉性与安全行为密切相关。警觉性等认知能力下降会导致疲劳、工作绩效下降、危险行为出现以及事故的发生。加强对矿工安全行为的管理，需要研究外部环境对矿工神经认知功能的影响，从而深入了解矿工不安全行为的内在机制。为了全面了解矿工不安全行为的内在机制， 我们将使用fNIRS评估100名矿工在不同温度和湿度条件下的警觉性水平。
Part.2
方法
被试
招募100名健康男矿工（26-42岁），将其分为4组，所有被试均为右利手，视力正常。实验环境在西安科技大学安全与应急管理实验室的一个温湿度舱内（图1），被试佩戴fNIRS（Cortivision Photon Cap）设备。选择设备中的10个光源和9个探测器，放置被试的前额叶（PFC），共形成27个通道（图2）。
心理运动警觉任务（PVT）
PVT是一项简单的测试任务，用于评估和测量被试对不规则刺激呈现时做出反应所需的时间（图3）。在该任务中，被试需要关注每个刺激并在目标刺激出现时及时做出反应，记录反应时间（RT）和错误率（ER）。
Part.3
实验设计
本研究使用E-prime3.0呈现PVT刺激。任务中，被试需要对随机呈现的红点及时做出反应。由于血流动力学反应到达峰值后约10秒才能恢复到基线水平，所以每次试验之间至少间隔10秒或以上（图4）。
Part.4
结果
行为结果
RT和ER分析结果表明，温度变化对被试的整理认知表现比湿度影响更大。无论湿度条件如何，温度升高都会导致RT和ER的显著差异。相反，湿度的增加只会影响高温下的认知能力。
使用温度和湿度作为自变量，RT和ER作为两个独立的多元线性回归模型的因变量。结果表明，温度对RT的影响有统计学意义，湿度对RT有显著的负性影响。对于ER，温度对其有正性显著影响，而湿度对其无统计学差异。
Part.5
fNIRS结果
在不同条件下对所有19个通道的Oxyy-Hb浓度进行Tukey’s HSD分析，从表中可以发现，温度升高和湿度增加对Oxyy-Hb浓度有显著变化。
ROI的分析发现，湿度对激活脑区的影响没有温度的影响显著。进行Bonferronin校正后发现，在ROI B中，四种条件都有显著性激活，然而，在激活图中可以发现，温度对ROI B中的激活更大。ROI B的整体激活水平低于ROI A。
不同条件下血流动力学响应可视化显示，右侧（ROI A）和左侧（ROI B）区域的响应时间、峰值时间、峰值振幅和恢复时间存在显著差异。这些结果显示了双侧PFC明显的差异反应模式，在不利条件下，右侧PFC表现出更高的敏感性和较慢的恢复速度，与左侧PFC观察到的更快的、更稳定的反应形成对比。
图6 Oxy-Hb时间变化趋势，所有被试不同条件下的ROI均值，灰色为刺激开始（a）ROI A （b）ROI B
Part.6
结论
本研究使用fNIRS技术，研究PVT任务期间温度和湿度变化对矿工警觉性水平的影响。研究发现，由于温度和湿度的升高，被试的认知负荷显著增加，主要体现在被试的反应时间延长、错误率和血氧浓度增加。此外，温度对这些结果指标的影响大于湿度。在ROI结果中，通道中激活水平也随着温度和湿度的升高而增加，尤其是在右侧PFC的反应中更加明显。在未来的研究中，fNIRS技术应用可用于研究不同环境条件下矿工大脑的功能连接和局部效率的变化。
Part.7
引用
Tian, C., Li, H., Tian, S. et al. The neurocognitive mechanism linking temperature and humidity with miners’ alertness: an fNIRS study. Sci Rep 14, 11796 (2024). https://doi.org/10.1038/s41598-024-62674-z
Part.8
Cortivision无线便携式近红外光学脑成像系统
Cortivision研发的PHOTON CAP设备是一种无线便携式近红外脑光学脑成像系统(fNIRS)，是一款能够有效测量大脑血红蛋白的浓度变化的设备。该设备可记录和分析在人对外界刺激感知时大脑活动区域的氧合血红蛋白浓度和脱氧血红蛋白浓度的变化情况，来推测感知活动脑区和与其相关脑区之间的相互关系。
Cortivision PHOTON CAP是由16个发射器（含4个短波发射器），10个检测器所组成的37通道设备。该设备具有无线、便携、轻巧、安全和兼容性高等特点，可以与VR、EEG/ERP、眼动仪、生理多导仪等多种设备结合使用。
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实时 fNIRS 和 IMU 原始数据、氧合血红蛋白、脱氧血红蛋白、总血红蛋白图； -
从原始数据到结果，无需编码； -
直观的图形用户界面； -
支持 .snirf 和 BIDS 格式； -
具有可视化结果图。
Cortivision PHOTON CAP无线便携式近红外光学脑成像系统在人因工程、神经管理、神经工程管理、人机交互、人-机-环境系统工程、环境行为学、建筑设计、用户体验等方向具有广泛应用和重要科研意义。
公司简介
北京恒挚科技有限公司，由中科(广东)科学集团投资，依托于广东人因技术研究院与武汉人因工程技术研究院，是一家新型的以心理人因、驾驶人因、生物力学、用户体验、虚拟现实等方向为基础，集生产、研发、销售、技术服务于一体的高新科技型企业，已入选国家高新技术企业、科技型中小企业、中关村高新技术企业名单。
恒挚科技自主研发驾驶人因系统、虚拟现实图形化编辑软件、光环境心理评估系统、心理与人因实验教学系统，同时作为波兰Cortivision近红外、俄罗斯Mitsar脑电和德国Eyelogic眼动仪中国区总代理，意大利BTS表面肌电等生物力学与步态分析科研产品总代理，加拿大AdHawk Mindlink高采样眼镜式眼动仪、德国QuaeroSys触觉刺激系统、荷兰Noldus行为科学、瑞典Tobii眼动仪、荷兰MindMedia生理与生物反馈、美国Biopac生理、美国ETT嗅觉/味觉刺激仪等产品代理。已服务单位包括清华大学、北京大学、北京师范大学、东北师范大学、燕山大学、西安建筑科技大学、西北农林科技大学、深圳技术大学、西安科技大学、上海交通大学、新疆师范大学、启元实验室、中国电子科技集团27所、中国电子科技集团28所、华为技术、墨迹天气、网易、航天二院等上千家高校、科研院所及企事业单位，在人才培养、产研合作、成果转化等方面持续进行深入合作。
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