視頻顯示終端作業過程中的脈搏信號分析研究*

梁栗炎 楊 琳* 崔婧翾 王 琪 蘆 楊 汪 然

視頻顯示終端作業過程中的脈搏信號分析研究*

梁栗炎①楊 琳①*崔婧翾①王 琪①蘆 楊①汪 然①

目的：針對長期視頻顯示終端(VDT)作業引發的疲勞健康問題，設計VDT作業疲勞實驗，探求實驗前后脈搏參數的變化，為VDT作業疲勞的評價提供方法。方法：篩選30名健康在校大學生進行試驗，受試者進行連續4 h的靜態計算機游戲操作，每0.5 h采集2 min指端容積脈搏波數據，在實驗前后對受試者進行疲勞癥狀問卷調查。分析提取脈率及脈率變異性參數、指脈搏波波形特征參數，并對比實驗前后脈搏波波形圖的變化。結果：以疲勞量表FS-14為標準，疲勞實驗后受試者精神與軀體疲勞度均有所上升。以Rechichi提出的視疲勞判斷標準，疲勞試驗后受試者均處于視覺疲勞狀態。受試者在VDT作業疲勞實驗前后其心率(HR)指標具有顯著性差異，且呈下降趨勢；脈率變異性算得RMSSD及SDNN指標具有顯著性差異，且呈上升趨勢；指脈脈搏波波形特征參數K，在實驗前后呈波動性上升趨勢。結論：脈率及其部分變異性參數、部分脈搏特征參數具顯著性變化，脈搏波波形圖在VDT作業過程中有趨勢性的變化，脈搏波在VDT作業疲勞的監測中具有應用價值，有望成為評價VDT疲勞狀態的指標。

脈搏波；疲勞；視頻顯示終端；脈搏波波形特征；脈搏波波形歸一化

[First-author’s address] College of Life Science and Bio-engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China.

視頻顯示終端(visua1 disp1ay termina1，VDT)已廣泛應用于日常生活的眾多領域，在帶來高效率的同時也產生了視覺疲勞、精神疲勞和肌體疲勞等健康問題[1-2]。由于VDT作業引發一系列眼部不適、生理不適及心理不適，致使工作錯誤率頻發而導致財產和經濟損失[3-5]。目前，VDT作業疲勞的評測以調查量表為主，此類方法評價易受個人因素影響。而腦電圖法、眼電信號及心電圖法等測量方法相對復雜，難于滿足生活中的檢測需求[6-7]。

1 脈搏波信號

脈搏波蘊含豐富的生理信息，受到國內外學界重視[8]。脈搏參數可反映整個心血管系統的變化，且檢測方便無創，故有望成為VDT作業疲勞程度的監測指標。此外心率變異性(heart rate variabi1ity，HRV)是公認的測量應激水平的可靠指標，但由其測量不便難于廣泛應用于日常[9]。脈率變異性(pu1se rate variabi1ity，PRV)可由相鄰脈搏波的波峰間隔計算得出，在一定程度上同樣可反映自主神經調節過程，且測量無創簡便，故有望通過脈率變異性的檢測對疲勞進行監測[10-12]。本研究設計了基于脈搏波采集的VDT疲勞實驗，分析受試者的脈率及變異性參數、脈搏波波形特征量K，、脈搏波主波出現時間、重搏波波谷出現時間、重搏波波谷高度以及脈搏波波形圖的變化趨勢。以期找到可簡單評測VDT作業疲勞的脈搏生理指標。

2 資料與方法

2.1 一般資料與試驗流程

選取處于完全健康狀態的在校學生30名，其中男生20名、女生10名。在疲勞實驗前，問卷測評受試者游戲熟練程度，前一天的休息狀況，狀態良好者完成疲勞前疲勞量表、視覺疲勞量表。隨后進行疲勞實驗，受試者操作計算機游戲“蒙特祖瑪的寶藏”4 h，期間受試者關閉通訊設備，并安排受試者在一個相對封閉的空間。測試期間每30 min采集2 min完好指端容積脈搏波波形。接受試驗后受試者再次填寫疲勞量表、視覺疲勞量表，并進行波形采集。

2.2 實驗環境與設備

實驗室平均室溫為(23±2.1)℃，采用白色日光燈照明，使室內照度與亮度均勻穩定。使用ADInstruments公司PowerLab四通道生理信號采集系統進行數據采集。傳感器為指夾式透射血氧傳感器。利用與信號采集系統配套軟件對指端容積脈搏波進行顯示與記錄。

2.3 實驗內容

(1)疲勞量表Fatigue Sca1e-14(FS-14)。疲勞量表FS-14系英國King，s Co11ege Hospita1心理醫學研究室多位專家編制[13]。由14個條目組成，分別從不同角度反映疲勞的輕重。分值最低為0分，最高為14分，分值越高，疲勞越嚴重。

(2)視覺疲勞量表。疲勞癥狀調查表以公認的意大利學者Rechichi[14]等提出的視疲勞10個主訴癥狀：頭痛、流淚等為判斷標準。具有其中兩個或以上癥狀時即判定為視疲勞。

2.4 實驗分析參數

采用實驗室自主開發的脈搏波檢測與分析軟件進行波形分析，得到指端容積脈搏波的心率、脈率變異性參數RMSSD、SDNN、波形特征量K，、主波及重搏波波谷出現時間及重搏波波谷高度等參數。最終通過SPSS數據分析軟件進行分析，得到實驗結果。

(1)脈率及其變異性參數。脈率指脈搏在單位時間內脈搏的搏動次數。通過判別脈搏波可得波峰間距。本研究分析脈率變異性的兩種時域指標：SDNN(公式1)和RMSSD(公式2)。

式中，N為正常心搏總數；RRi是第i個脈搏峰值點間期；meanRR是N個脈搏峰值間期的平均值。

式中，N為正常心搏總數，RRi+1、RRi為相鄰兩脈搏周期的長度。

(2)波形歸一化處理。由于不同人在不同狀態下測量的脈搏波波形圖差異較大，為了能對大量脈搏波進行統一的量化處理，同時合理有效地化簡計算量，需要對采集到的脈搏波信號進行提取單波、標準化、歸一化處理，使每個脈搏波波形信號擁有100個數據點，波形幅值為100個離散的量化值，形成100×100的波形量化平面。

(3)脈搏波時域特征參數。脈搏波主波波峰、重搏波波谷點的位置是十分重要的脈搏波波形特征點。如圖1所示，本研究提出主波出現時間T1、重搏波波谷出現時間T2及波谷高度D2，即主波波峰、重搏波波谷點相對于橫軸與縱軸的數值。羅志昌[15]提出波形特征K，值能從宏觀上描述脈搏波的平均特征。該值即為脈搏波單波面積與單波矩形面積的比值。以上參數均采用波形歸一化處理后的脈搏波數據進行計算。

圖1 主波出現時間和重搏波波谷出現時間與高度

3 結果分析

3.1 疲勞量表FS-14

30名VDT操作疲勞的受試者實驗前、后填寫疲勞量表總分值的情況見表1。其中受試者主觀疲勞量表結果在實驗后分值普遍上升，疲勞分值均值從3.6分上升至7.93分。說明在進行連續4 h計算機操作疲勞測試后，受試者主觀上感覺疲勞程度有所上升。

3.2 視覺疲勞量表

統計在實驗前、后量表結果，統計相關癥狀加重者人數。絕大多數受試者均不同程度出現視疲勞癥狀，其中眼刺痛、眼沉重、眼干及眼疲倦等癥狀加重明顯。表明在連續4 h計算機操作疲勞測試后，受試者普遍達到視覺疲勞狀態(見表2)。

表1 30名受試者實驗前、后填寫疲勞量表總分值的情況

3.3 脈搏波波形的變化

實驗前與實驗0.5 h后對30名受試者的脈搏波歸一化波形圖進行對比，顯示出受試者在實驗進行的前30 min重搏波波谷有下降趨勢，主波出現時間提前。反應在疲勞測試初始階段受試者應激能力增強，處在高的應激水平狀態下(如圖2所示)。

圖2 實驗前、0.5 h后脈搏波數據歸一化后的波形圖

30名受試者實驗過程中各時間點采集的脈搏波歸一化后的波形圖及局部放大圖；圖中每條曲線代表30名受試者在各時間段采集波形內取10個完整脈搏波數據平均后所得的脈搏波波形(如圖3所示)。

圖3 實驗過程中各次脈搏波數據歸一化后的平均波形圖

圖3 顯示，隨著實驗時間的累計，精神疲勞的累積從實驗0.5 h起，指端容積脈搏波逐漸出現明顯的潮波，且主波幅度下降，潮波逐漸抬高(局部放大左圖)。同時，重搏波波谷呈上升趨勢(局部放大右圖)。分析圖3中0 h與4 h兩條曲線表明，最終脈搏波波形在實驗后較實驗前更加圓滑，重搏波波谷上升明顯，指端容積脈搏波出現了較為明顯的潮波，主波峰值略有下降。表征受試者在疲勞實驗過程中脈搏波波形質量變差。

分析圖3可發現，實驗2.5 h以后的波形圖差異性銳減，整體波形趨于穩定。即疲勞累計到一定程度后，脈搏波波形圖將不再有較大的變化。

3.4 心率變異參數的變化

(1)統計學方法。本研究對實驗獲得的受試者疲勞實驗過程中指端脈搏波數據分析后得出的不同參數分別進行SPSS中的配對樣本t檢驗分析。配對樣本t檢驗指同一個試驗對象，在兩個不同時間上分別接受前、后兩次處理，用其前后兩次的觀測值進行自身對照和比較，以P＜0.05為差異有統計學意義。

(2)心率變異參數的變化結果。受試者在疲勞實驗過程中不同時間段測得脈搏波參數的均值(見表3)。

所分析的參數包括：波形特征參數K，，主波出現時間T1、重搏波出現時間T2、重搏波高度D2，以脈搏波單波峰值點識別計算出的心率HR，以脈率替代心率計算的脈率變異性參數RMSSD、SDNN；表中列出對于容積脈搏波參數K，、T1、T2、D2、HR、RMSSD及SDNN在實驗過程中各采集時間點參數值與初值的配對t檢驗結果及各項參數平均值與標準差。心率變異參數變化顯示，受試者在實驗過程中各次采集心率(HR)及脈率變異性參數與實驗開始前相比均具有顯著性差異變化。心率呈下降趨勢，脈率變異性指標RMSSD和SDNN呈上升趨勢。

其中實驗4 h處的測量心率均值表現為與之前趨勢相反的上升趨勢，初步判定為實驗結束階段由于實驗環境控制問題，對受試者產生了心理上的影響。

表2 30名受試者實驗后視疲勞癥狀上升情況

表3 實驗過程中不同時間段容積脈搏波參數K、T、T、D、HR、RMSSD和SDNN的平均值122

3.5 脈搏波波形特征參數的變化

表3變化趨勢表明，波形特征參數K，變化趨勢與波形圖變化相對應，實驗開始0.5 h后較實驗開始前K，值下降。從0.5～1.5 h，K，值逐漸上升。隨著實驗進行，K，值在0.555上下波動，不再有較大的變化。主波出現時間T1及重搏波波谷出現時間T2呈下降趨勢，且在實驗初始1 h內變化最為顯著，表征脈搏波主波、重搏波波谷在VDT作業過程中有提前的趨勢。重搏波波谷高度變化與歸一化波形圖相符，在實驗初始的0.5 h，波谷高度下降，從0.5 h起，重搏波波谷逐漸升高。

4 討論

實驗過程中HR、RMSSD和SDNN三項指標每間隔0.5 h參數變化見表4。

表4 HR、RMSSD及SDNN逐次采集結果的變化情況

表中數據顯示，HR、RMSSD和SDNN三項指標在實驗開始2 h后，相鄰間隔0.5 h參數變化均不再具有顯著性差異。此趨勢與脈搏波波形圖在后續測量中變化不明顯的特征相符。由此，可初步設想隨著實驗的開展，受試者的波形參數變異性將由顯著逐漸趨于平穩。此外，RMSSD、SDNN兩項指標僅在0.5 h與0 h、2 h與1.5 h間的測量值變化具顯著性差異。

5 結語

隨著視屏顯示終端的進一步普及，相關從業者人群將進一步擴大，VDT作業疲勞測評與移動終端的結合將具有重大的研究意義。本研究針對普遍存在VDT作業疲勞問題，以脈搏波為主要研究對象，設計實驗開展研究，脈搏波參數有望成為VDT疲勞評價指標，具有一定的應用價值。

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Analysis on the pulse wave signal in the process of visual display terminal operation

LIANG Li-yan, YANG Lin, CUI Jing-xuan, et al

China Medical Equipment,2014,11(7):16-19.

Objective:To conduct an experiment of the visual display terminal work during which we analyzed the changing of the pulse wave signal to search the objective indices for diagnosing and assessing fatigue induced by the VDT work Methods: Thirty healthy undergraduates were required to attend the experiment during which the tester continued operating the static PC for 4 hours, and we collected the pulse wave of local blood volume in the finger tip for 2 minutes for each 30 minutes. The tester participated in the fatigue symptom inventory before and after the test. After the experiment, we analyzed the heart rate and pulse rate variability, the pulse wave characteristic values and the pulse contour which had been normalized. Results: By the standard of the Fatigue Scale-14, the fatigue degrees of the testers were all raising up. By the standard of Rechichi’s judging criterion, the testers were all in visual fatigue status after the experiment. There were significant differences of HR before and after the experiment which is clearly declining. The index RMSSD and SDNN of pulse rate variability had significant differences and were all raised up. The pulse contour characteristic value (K’) was increasing in the experiment. Conclusion: the heart rate, pulse rate variability and some parameters of pulse wave characteristic values had significant changes and the wave form of pulse had the tendency changes during the VDT work. The pulse wave has the promising prospect of applying to monitor the fatigue of the VDT works, also it is possible to put it into use as the index of evaluate the fatigue status.

Pulse wave; Fatigue; Visual display terminal; Pulse wave characteristic values; Pulse wave shape normalization

1672-8270(2014)07-0016-04

R318.6

A

梁栗炎，男，(1993- )，本科在讀。北京工業大學生命科學與生物工程學院， 研究方向：物聯網與健康監護。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.006

2014-01-24

國家級大學生創新創業訓練計劃項目(GJDC-2013-43)“具有疲勞性亞健康狀態警示功能的脈搏波實時監測系統”；北京市教委科技成果轉化和產業化項目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能無創檢測技術(糖尿病足檢測儀)的產業轉化”

①北京工業大學生命科學與生物工程學院 北京 100124

*通訊作者：yanglin@bjut.edu.cn