應用腦波超慢漲落技術研究民航飛行員心理疲勞的可行性及切入點*

林 嶺吳梅婷

（寧波大學體育學院，寧波315211）

應用腦波超慢漲落技術研究民航飛行員心理疲勞的可行性及切入點*

林 嶺**吳梅婷

（寧波大學體育學院，寧波315211）

腦波超慢漲落技術（encephal of luctuograph technology，ET）以其獨特的測評功效已經在臨床醫學、體育等領域得到較多應用。本文通過對ET的技術原理、關鍵測評功效及該技術在有關領域的應用現狀分析，論證了應用腦波超慢漲落技術研究民航飛行員心理疲勞的可行性。根據對目前民航飛行員心理疲勞研究現狀、存在的主要問題及開展民航飛行員心理疲勞研究的必要性的討論，提出了應用ET技術系統開展民航飛行員心理疲勞研究的主要切入點。

腦波超慢漲落技術 民航飛行員 心理疲勞 可行性

1 前 言

飛行員疲勞已成為民航領域主要的飛行安全隱患之一，據統計15％～20％的飛行事故與飛行疲勞有關（吳鋒廣＆牟海鷹，2015）。民航界目前尚無公認的飛行疲勞定義，孫瑞山和田萬里（2015）認為可將飛行疲勞分為生理疲勞和心理疲勞。心理疲勞（mental fatigue）其實只是一種習慣性表述，缺乏明確的概念內涵及維度結構，國內外諸多以心理疲勞為主題的研究主要包括以職業倦怠等表現為主的主觀心理疲勞以及以腦功能狀態下降為主要表現的中樞疲勞兩大類。林嶺和張力為（2008）通過實證研究構建了包括中樞疲勞的五維度心理疲勞概念，該研究結果提示中樞疲勞既可能是心理疲勞的中樞癥狀，也可能是導致主觀心理疲勞有關表現的內在中樞神經機制。任何外在心理疲勞現象都存在其中樞神經機制，心理疲勞的縱深研究必須借助神經生理技術探索其腦功能狀態的變化與中樞神經機制。目前，研究中樞功能狀態的生理技術有腦電圖（包括EEG與ERP）、眼動圖（EOG）、心率變異性（HRV）、功能核磁共振（fMRI）、近紅外光學成像（NIRS）等（徐芬＆董奇，2002）。HRV、EOG、EEG在評價中樞疲勞及心理負荷方面具有一定功效（張智君＆朱祖祥，1994），但其結果易受情緒、人格等因素干擾（王政＆李延軍，2010）。fMRI、NIRS等設備昂貴且使用成本很高，較難普及，在飛行員心理疲勞測評應用方面局限性較大。而且所有這些手段是通過生理信號強弱或區域的變化對中樞疲勞狀態進行現象解釋，難以從中樞疲勞發生的內在機制（特別是神經遞質的變化）進行有效、無創的定量測評。上世紀90年代，我國航天領域自主研發了腦波超慢漲落技術（ET），該技術的測評原理與信號分析完全不同于上述神經生理技術，在中樞神經遞質變化、腦α超慢波競爭協同變化及熵值變化等測評方面具有獨到功效，為中樞疲勞的定量測評及機制探索提供了全新的客觀科學手段，并已在臨床醫學及體育等領域進入實用階段。本文通過對ET技術原理分析、應用ET技術研究測評飛行員心理疲勞的可行性分析、結合目前飛行員心理疲勞研究的局限性提出未來有關研究的切入點，為我國民航心理學領域有效開展飛行員心理疲勞研究與測評提供參考。

2 民航飛行員心理疲勞研究現狀及局限性

通過CNKI中外文數據庫檢索發現，有關民航飛行員心理疲勞實證研究不足50篇，且集中于心理疲勞現狀調查、影響因素、測評手段應用等?；谛睦砗慕邌柧恚∕BI）、自陳疲勞得分等主觀問卷進行的飛行員心理疲勞發生情況調查研究結果顯示不同國家、不同航線飛行員心理疲勞發生率為40％～95％，嚴重的心理耗竭發生率為6．4％（Reis，Mestre＆Canh?o，2013）。關于飛行員心理疲勞影響因素的研究主要為問卷調查研究，有關調查提示夜間飛行、時差、早醒、時間壓力、多個飛行時段和連續執勤時間過長等與飛行員心理疲勞有關（Bourgeois-Bougrine，Carbon，Gounelle et al，2003；Caldwell，2005）。除主觀量表調查研究外，國內外關于飛行員心理疲勞研究也采用了諸如腦電圖等生理學技術。范曉麗和牛海燕等（2015）通過模擬飛行任務誘發飛行員腦疲勞并觀察EEG的參數變化，結果顯示在腦疲勞狀態下不同腦區的α波、β波呈現不同變化趨勢，提示有關指標可以作為衡量腦力疲勞的潛在指標。張佳麗等（2013）應用生物反饋儀的一項實驗研究發現，40分鐘模擬飛行任務后，被試的θ波、β波等腦電波幅產生有意義變化，且存在腦區差異，提示模擬飛行任務導致了飛行員腦力疲勞。李津強（2008）的研究發現睡眠剝奪24小時后飛行員的主觀疲勞感升高、HRV出現有意義變化，提示自主神經系統活性增加。Hankins等（1998）的研究結果則顯示心率變異性對于生理負荷變化是一項敏感的指標，而眼動指標、EEG的θ波波幅在飛行員執行心理計算任務時會增加。

鑒于飛行員心理疲勞與飛行事故隱患間的可能聯系，國內研究者還從心理疲勞與人因差錯的關系角度進行了研究。馬銳和李敬（2011）顯示當發生心理疲勞時飛行員反應遲鈍，同時失誤增多并可能導致人因差錯性飛行事故。杜紅兵，劉明和靳慧斌（2013）在飛行員差錯分析與分類研究中提出心理疲勞是構成導致飛行員因信息加工能力下降而產生飛行差錯的主要因素之一。

從上述討論不難看出，飛行員心理疲勞是一個普遍存在的現象，且是事關人因差錯與飛行事故的安全問題，主觀疲勞問卷及一些簡單的生理技術在民航飛行員心理疲勞研究中得到一定程度應用，相關研究結果也提示有關生理學指標可以輔助檢測飛行員心理疲勞。但由于相關文獻報告總量較少，加之不同研究間被試、測評技術、實驗設計等的差異，就目前研究結果尚難以進行橫向比較及得出比較統一的結論。

通過國內外文獻分析，目前民航飛行員心理疲勞研究局限性主要表現在：①研究深度不足。真正針對民航飛行員心理疲勞的中樞神經機制、標準化測評工具及評價標準的系統化深度研究匱乏。②生理疲勞、心理疲勞界定不清晰。有關研究沒能對生理與心理疲勞進行有效界定與區分，大部分是針對綜合疲勞，而特指心理疲勞的研究報告數量不足。③先進的研究手段應用不足。國內外關于飛行員心理疲勞的相關研究采用的手段基本上是采用主觀問卷及簡單的常規腦電圖、心率變異及眼動圖等測評，而ERP、fMRI、ET等應用匱乏，民航領域對于飛行員心理疲勞研究技術水平及深度已經落后于其他領域相關研究。

3 應用腦波超慢漲落技術研究民航飛行員心理疲勞的可行性

3．1 技術原理、關鍵測評功效

ET最早是為發展我國載人航天的一個預研項目，用于測試和研究航天員的腦功能。該技術通過對中樞神經遞質化學振蕩周期變化而導致的突觸后膜電位漲落變化趨勢的多重頻譜分析可以實時對中樞神經遞質變化情況進行有效測評。根據混沌學的耗散結構理論，不同神經遞質有著不同的化學震蕩周期，神經遞質的周期性釋放與突觸后電位之間存在著緊密關系，再考慮到腦波是大腦神經元突觸后電位的總和，因此，神經遞質振蕩的信息，可以被按下列次序攜帶到腦波中：腦內神經遞質釋放的漲落（化學振蕩）——突觸后電位的變化——腦電α波的漲落——S系統的譜線和譜系結構變化（見下文）。這種過程是非線性的，在各個環節上都可以通過自組織而把主要特征突現出來，鎖定在某個穩定的頻率上。不同神經介質可以有不同的穩定頻率（優勢譜線、譜系）（梅磊，1995）。根據腦電超慢漲落測評技術，在腦電波中隱含著頻率極低（毫赫茲級）的超慢漲落的信號，這些信號可以由計算機掃描、分離后通過頻譜變換從腦電波中提取腦電超慢漲落信號，再對超慢漲落信號進行多重頻譜分析，從而獲得對超慢漲落信號（即S系統，super-slow system）的定量測評。上世紀90年代，國內研究者進行了一系列前期動物學和臨床實驗，實驗結果驗證了不同S譜線系與不同中樞神經遞質的特異性關系。如，S1與γ－氨基丁酸（GABA）有關；S2與谷氨酸（GA）有關；S4系與5－羥色胺（5－HT）有關；S5系與乙酰膽堿（ACh）有關；S7系與去甲腎上腺素（NE）有關；S11系與多巴胺（DA）有關等（白延強，梅磊＆劉月紅，1990；白延強等，1995）。

該技術還可對腦α超慢波（8～13Hz）漲落競爭協同關系進行定量測評。腦α波各頻率成分出現漲落優勢的比例是各頻率競爭的結果，反映有關頻率成分在結構中的地位和作用。

通過ET還能采集分析腦信息熵值。腦的信息熵是集中反映腦所處內外環境變化中適應性反應情況的指標（王霆，王德堃＆鄧興國，2010）。對于大腦來說，熵值越低則腦功能有序化程度越高，熵值升高則相反（李稚，吳瑛＆李捷，2015）。有研究結果還提示腦α波頻率比率與熵值有一定關系（王曉軍＆李捷，2009）。

總之，ET技術是依據現代協同學、混沌學等理論利用多重頻譜分析技術對蘊涵在傳統腦電波形中的特征性信息進行定量分析，可有效揭示出腦內神經遞質變化的特征與實時狀態，大腦功能狀態對環境適應性變化特征等。

3．2 腦波超慢漲落技術在不同領域應用研究現狀

由于ET在中樞神經遞質、不同頻率超慢波比例構成及腦信息熵值的無創性實時測評方面具有獨特功效，除在航空航天領域研究外，該技術已被擴展應用到臨床醫學、體育及心理學等領域。以“腦超慢波”或“漲落技術”或“ET”等檢索詞，通過CNKI中文數據庫檢索得到90年代中期以來國內不同領域發表ET相關實證研究文獻有近200篇（不含綜述類），見表1。

表1 ET技術在不同領域實證研究文獻量分布情況

從表1看出ET的實證研究主要集中在醫學、體育及心理學等領域，研究性質集中于現象描述與應用研究。在臨床醫學方面主要應用到與神經遞質變化有關的神經系統疾病與心理精神疾病的檢測與指導治療中，有關研究結果提示不同的神經系統疾病與心理精神疾病有著不同的神經遞質變化趨勢與特點（楊小軍，2016；郭田生，2014；蔣帥，吳銀俠＆王大剛，2014）。且有關疾病的ET檢測結果與臨床診斷結果比較一致（池名等，2014；段慧君等，2012）。另外，臨床醫學領域還將該技術應用于指導神經系統疾病及精神病的治療方面，并取得了良好的治療效果，有關文獻多達60余篇。在體育領域研究內容涉及心理疲勞、競技狀態評價、選材等方面，有關實驗研究報告有40余篇。運動員心理疲勞相關研究結果提示ET技術可以有效測評運動員心理疲勞狀態下中樞神經遞質變化趨勢及其與軀體行為、主觀疲勞及認知加功能力等方面關系（張振民，2004；林嶺＆劉建秀，2014）。ET技術在認知心理學領域相關研究涉及α波頻率成分與瑞文圖形推理得分間關系與記憶活動過程中的腦波超慢漲落特點等（李會杰，劉涵慧＆沃建中，2006；沃建中，劉慧娟＆林崇德，2002）。航空領域研究視角涉及飛行事故后飛行人員腦神經遞質活動的情況等（王煜蕙＆戚菲，2012）。

作為我國原創的神經生理技術，盡管ET技術誕生時間并不長（不到20年），目前尚未推廣到國外（未檢索到國外研究者有關實證研究報告），但該技術以其有別于其他神經生理技術的獨特測評功效及實用價值，已經在我國醫學、體育、心理學等領域獲得了一定程度的推廣應用，并取得了初步成效。特別是醫學、體育領域的應用研究結果均提示ET的神經遞質測評功效在神經系統疾病、精神病及運動員心理疲勞等方面具有良好的測評診斷及指導治療等實用價值。不同領域的應用研究結果提示ET技術將對于飛行員心理疲勞相關研究也將具有較好的應用價值及可行性。

3．3 應用ET關鍵測評功效研究民航飛行員心理疲勞的可行性

3．3．1 神經遞質測評功效在飛行員心理疲勞研究中的可行性

中樞疲勞的神經生理機制方面基本達成了共識，即γ－氨基丁酸、5－羥色胺等抑制性神經遞質的升高及多巴胺等興奮性遞質的降低與中樞疲勞有關（王永梅，2012；Dey＆Singh，1992；Romain，Philip，Hiroshi et al，2007）。結合上面應用研究現狀分析可見ET技術以其可以實時定量檢測不同大腦功能狀態下的神經遞質變化趨勢，在飛行員心理疲勞及其中樞神經機制的研究方面具有其他技術難以替代的價值。

3．3．2 腦α波頻率（8－13Hz）漲落競爭協同關系在飛行員心理疲勞研究中的可行性

Doppelmayr和Klimesch（2002）發現較多的低頻α波出現，與困倦和較差的認知作業成績有關，較多的高頻α波則與積極認知活動有關，提示α波的不同頻率結構與腦功能狀態有著直接關系。盡管目前尚無足夠實證結果揭示心理疲勞與α波的不同頻率結構之間的關系，但根據ET的技術原理及人腦活動的特點與規律我們不難推測無論何種原因導致的心理疲勞將可能影響α波的不同頻率結構的變化，應用ET技術的腦α波頻率漲落競爭協同關系測評功效探索其與飛行員中樞疲勞或心理疲勞間的關系具備理論與技術的可行性。

3．3．3 熵值測評功效在飛行員心理疲勞研究中的可行性

熵是一個熱力學概念，是衡量一個耗散結構的有序穩定狀態。對于人腦系統來說，熵值越低，大腦的有序程度越高；熵值越高，大腦的有序程度則越低。李浩堅（2007）應用ET技術對熵值的研究結果表明，腦波主頻與熵值呈顯著性負相關，即腦波主頻越高，熵值越小，大腦結構與功能的有序化程度越高。李稚，吳瑛和李捷（2015）也得出相同的結果，且工作負荷、疲勞積累等因素均可影響大腦功能的有序化程度并將導致熵值變化。因此，飛行員因工作負荷強度大等因素導致的心理疲勞乃至中樞疲勞也將可能通過熵值的測評來進行有關機制探索、疲勞狀態評價。

3．3．4 實踐應用的可行性

早期的動物與臨床實驗證實了ET的S譜系與中樞神經遞質的對應關系（白延強等，1995）。臨床醫學領域已經將ET的神經遞質測評功效應用于神經系統與精神系統疾病的診斷與指導治療，并得出了比較一致的結論，如癲癇、頭痛、精神分裂癥等腦功能興奮性疾病時，ET檢測的興奮性神經遞質活動增強（楊小軍，2016；郭田生，2014），而癡呆、高齡、抑郁癥等腦功能狀態抑制性人群則表現出多巴胺、乙酰膽堿、去甲腎上腺素等興奮性遞質活動強度降低，5－羥色胺、γ－氨基丁酸等抑制性遞質活動增強（池名等，2014；蔣帥，吳銀俠＆王大剛，2014；劉昌，李德明＆梅磊，1997）。有研究者將ET技術應用研究運動員的心理疲勞及競技狀態，提示當運動員發生心理疲勞時或競技狀態下降時中樞神經抑制性遞質（代表性指標為S4）活動增強（王曉軍＆李稚，2011；林嶺＆劉建秀，2014；林嶺＆張力為2008）。盡管未見飛行員心理疲勞的ET研究報告，但飛行員因各種飛行職業環境因素導致的心理疲勞與運動員訓練性心理疲勞及有關臨床疾病的腦功能狀態抑制主要差異在于誘因不同，故應具有相同的中樞神經遞質機制，ET技術在神經遞質的獨特測評功效應用于飛行員心理疲勞的相關研究應具有實踐操作的可行性。

綜上，ET的神經遞質測評功效、腦α超慢波漲落競爭協同關系測評功效及熵值測評功效均將在飛行員心理疲勞研究與實踐測評中具有較強的技術可行性。另外，該技術的設備攜帶、測試均較方便（便攜式手提箱，標準EEG 12導聯采樣即可），對測試環境無特殊要求，測試成本較低，且可實時無創測評腦功能，在飛行員的心理學研究中有著較好的推廣發展前景。

4 應用腦波超慢漲落技術研究民航飛行員心理疲勞的切入點

4．1 飛行員不同心理疲勞現象間關系及中樞神經機制研究

ET技術可以對不同誘因的神經遞質變化進行定量檢測。在應用ET技術研究飛行員心理疲勞現象時可以將ET技術的有關測評功效與指標結合其他神經生理技術、主觀測評問卷（MBI等）、行為觀察等手段，有針對性地探索ET不同指標與其他神經生理指標及主觀測評指標間的關系，并可以對不同個體、飛行任務與環境等條件下發生的心理疲勞的中樞神經機制進行探索性研究。研究結果將為不同性質心理疲勞的有效測評、性質界定等奠定必要的理論與方法基礎。

4．2 飛行員心理疲勞影響因素及干預措施效果研究

Wang和Lu（2014）的調查研究發現飛行員個體因素及工作負荷、職業環境、機組配合、管理制度等均可影響飛行員的心理疲勞發生，并與人因差錯有關。迄今為止，未見有關影響因素對飛行員心理疲勞可能伴發的中樞神經遞質變化相關研究。應用ET技術，通過有針對性的橫斷或追蹤實驗研究設計，可以分析探索個體心理特征及環境因素對飛行員心理疲勞及其中樞神經遞質變化及腦功能狀態的影響以及不同心理疲勞干預、管理措施對心理疲勞的調控管理效果。

4．3 飛行員心理疲勞對其他心理現象與過程的影響

諸多研究均提示在心理疲勞狀態下，個體的認知加工能力會降低、負面情緒增加、行為動機與行為績效會降低等（Lim＆Ebstein，2012；Victoria＆John，2010；Yoshihito et al，2005；李俊楠，宋國萍＆趙丹妮，2015；完顏笑如，莊達民＆劉偉2011）。目前相關研究中對于自變量心理疲勞的界定指標均未能觸及心理疲勞的神經遞質變化，即“內在”之因。而ET技術則可有效彌補現有手段局限，為飛行員心理疲勞相關研究提供有效的探因手段。以ET技術定量界定飛行員心理疲勞程度，并與ERP、fMRI及主觀問卷等技術結合起來使用，進行多角度、深層次的機制探索及現象解釋性研究，進而探索心理疲勞對飛行員認知加工過程、情緒、行為績效等的影響等。

5 結 論

（1）應用ET技術研究民航飛行員心理疲勞問題具有理論與技術的可行性。

（2）應用ET技術開展飛行員心理疲勞研究可以從心理疲勞中樞神經機制探索、影響因素以及心理疲勞對飛行員其他心理與行為表現的影響等環節及層面系統進行。

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The Feasibility and Entry Point of the Research on the Civil Aviation Pilots'M ental Fatigue w ith Encephal of Luctuograph Technology

LIN Ling WU M ei-ting
（Physical Education College of Ningbo University，Ningbo 315211，China）

The Encephal of Luctuograph Technology（ET）has been widely used in the fields of clinical medicine and sports etc，as a result of its unique assessment efficacies．This study mainly reviews and analyzes the technical principles and key assessment efficacies of ET，and the current development of its application in the relevant fields，and points out the feasibility of applying ET to themental fatigue research of the civil aviation pilots．On the basis of the discussion that focused on the current research development，remaining problems and the necessity of carrying outmental fatigue research on civil aviation pilots，this study then put forward themain entry points of themental fatigue research on airline pilots using ET．

encephal of luctuograph technology，civil aviation pilots，mental fatigue，feasibility

B845；B849

A

1006－6020（2016）－04－0377－08

教育部人文社科規劃基金項目（12YJA190013）：合格飛行學員心理特征及檢測評價方法研究。

**通信作者：林嶺，男，寧波大學體育學院教授，e-mail：linling＠nbu．edu．cn。