飞行员在模拟飞行训练中脑力疲劳的脑电图研究*

张佳丽，李 靖，蒙 果，李鸣皋△

（1.解放军医学院，2.海军总医院航海航空医学中心，北京100000）

在飞行过程中，飞行员在脑应激等复合因素的作用下长时间处于高度紧张状态出现脑力疲劳。战时连续飞行、夜航、跨时区飞行，造成飞行员脑生物节律紊乱，导致睡眠缺乏，脑力疲劳会进一步加重。因此，近年来对飞行员作业中疲劳程度的研究受到关注。脑电图（electroencephalogram，EEG）是利用现代电子放大技术，通过脑电图描记仪将脑自身微弱的生物电放大记录成为一种曲线图，因为它能直接反映脑部活动的变化，已成为脑力疲劳研究中广泛采用的评定中枢神经系统变化的重要依据［1-4］。但由于脑电设备的便携性较差，实际飞行中不能进行测试，只能应用于模拟飞行中。目前对模拟飞行过程中的脑电研究尚鲜有报道。本研究通过测定模拟飞行的全程脑电，对左右脑各频段脑波的波幅进行比较分析，旨在了解飞行员在模拟飞行过程中脑力疲劳的产生及恢复规律，并初步探讨左右半脑在疲劳过程中不同的作用机制。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象及入组标准

随机选取参加模拟飞行训练的战斗机飞行员50人，年龄23～34岁，飞行时间320～3 300 h。所有受试对象均为男性，右利手，身体健康，均无重大脑部疾病史、精神神经系统疾病及神经症等。为排除其他因素影响，实验前被试者休息1 d，近期未服用任何药物及保健品，不进行剧烈运动，不吸烟，无主观不适。所有被试者均自愿参与本研究。

1.2 实验器材

采用Spirit多通道生物反馈仪8／10series（荷兰）进行数据采集并分析脑电波信号，信号采集按国际10-20系统，取FP1、FP2代表左右脑脑电。

1.3 分组

50名飞行员前后自身对照，将40min按每5min分段，共分 8组：飞行前（5 min），飞行中（共30min，分为 6段，每段 5min），飞行后（5min）。

1.4 实验过程

实验时间为上午 8∶00～12∶00，室温（23～25）℃。实验室内灯光正常照明、受试者睁眼进行。50名飞行员进行起落航线模拟飞行，记录飞行前（坐姿）5 min脑电，模拟飞行器飞行训练全过程中（坐姿）30 min的脑电，模拟飞行训练结束后（坐姿）即刻记录5min脑电。全部测试使用同一套测试仪器并预先校准，全部测试由同一批测试人员完成，数据分析由专门技术人员完成。

1.5 模拟飞行科目

模拟飞行科目为起落航线飞行，选用某虚拟场站地形进行飞行训练，操作步骤包括地面滑行-起飞-平飞-转向-平飞-转向-平飞-转向-平飞-转向-平飞-降落-滑行，各转向地标均为固定，平飞高度控制在800m左右，平飞速度控制在空速500 km／h左右，总飞行时间为30min。飞行5min为飞行初期，主要动作是滑行-起飞；10 min、15 min、20 min、25 min为中期，主要动作是转向-平飞；30 min为后期，主要动作是降落-滑行。

1.6 测量指标

α波（8～12 Hz）波幅、β波（12～30 Hz）波幅、θ波（4～8 Hz）波幅、γ波（30～80 Hz）、感觉运动节律（sensorymotor rhythm，SMR波）（12～15 Hz）波幅。

1.7 统计方法

经BioTrace软件对脑电各频段脑波波幅进行数据提取。数据均呈正态分布，用±s表示，对各时间组使用SPSS 13.0进行随机区组的方差分析或秩和检验；对左右半脑采用配对t检验。

2 结果

2.1 模拟飞行中各波波幅的变化特点及规律

飞行中，左右半脑的各波波幅均呈现不同程度的上升趋势。右脑的α波波幅在飞行5 min及30 min时较飞行前升高（P＜0.05），左脑在各阶段则无明显变化（P＞0.05）。右脑的β波波幅在飞行各阶段均升高（P＜0.05），以飞行5min、20min、25min及30min最显著（P＜0.01）；左脑在飞行 5 min、30 min时升高显著（P＜0.01）。右脑的γ波波幅在飞行5min、10 min及 30 min较飞行前显著升高（P＜0.01）；左脑在飞行 5min、30min时升高（P＜0.05）。θ波波幅在飞行中各阶段均较飞行前升高（P＜0.05），以飞行 5min、30 min最显著（P＜0.01）。右脑的SMR波波幅在飞行5 min、30 min升高显著（P＜0.01），在飞行 10 min、15 min及 25 min升高较显著（P＜0.05）；左脑在 5 min、30 min升高显著（P＜0.01），在飞行 15 min、20 min升高较显著（P＜0.05）。

2.2 模拟飞行后各波波幅的恢复特点及规律

飞行后，除左脑的α波及右脑的β波继续升高之外，其余所有脑波波幅均不同程度地恢复。飞行后，全脑的α波波幅与飞行前比较无差异（P＞0.05），其余各脑波均较飞行前水平高（P＜0.05），以右脑的β波、γ波及左脑的θ波最显著（P＜0.01，表1）

2.3 左右半脑各波波幅在模拟飞行各阶段的比较

右脑的α波在飞行5 min、10 min明显高于左脑（P＜0.05）；β波在飞行过程中未表现出左右脑差异，但在飞行后右脑β波继续上升，左脑β波恢复，左右脑差异明显（P＜0.01）；γ波在飞行早期右脑略高，但无显著差异（P＞0.05）；θ波几乎在飞行全程均显示出明显的左右脑差异：在飞行10 min右脑明显高于左脑（P＜0.01），飞行5min、15min、20min及25min较明显（P＜0.05）。左右半脑的SMR波波幅全程均呈现右脑高于左脑的趋势，但无统计学差异（P＞0.05，表 1）

3 讨论

脑力疲劳指工作或学习过程中，由于长时间从事脑力劳动而导致人们作业机能衰退、脑力能力下降的现象，其主要表现为工作或学习效率低下，反应迟缓，记忆力下降，注意力不集中以及协调性能变差。飞行作业对飞行员的生理心理能力要求极高，在飞行过程中飞行员瞬间的注意力分散、反应迟缓或协调性不够，都可能导致极为严重的事故。分析、研究飞行员作业过程中的脑力疲劳特点与规律，对探讨飞行工作负荷、提高卫勤保障水平十分重要。目前，脑力疲劳程度评估主要采用主观评价与客观评测。主观评价法评分标准不统一、易受主观因素干扰，无法客观评定疲劳的生理心理状态。而评估方法中，近年来，新出现了一些客观评价指标，例如瞳孔测定、脑诱发电位、心率变异性等，但迄今为止最具说服力的还是脑电监测［5］。近年来，应用脑电分析技术对脑力疲劳进行评价成为多领域的热门研究。本研究旨在通过分析飞行员在模拟飞行中的脑电变化，发现飞行员在模拟飞行中的脑力疲劳的规律及特点，从而为模拟训练、空中飞行预警等项目的开展实施提供依据和技术支持。

Tab.1 EEG waves amplitude from both the half hemisphere at different phases during simulated flight（±s，n＝50）

Tab.1 EEG waves amplitude from both the half hemisphere at different phases during simulated flight（±s，n＝50）

*P＜0.05，**P＜0.01 vs before-flight phas； ＃P＜0.05，＃＃P＜0.01 vs left group

Right Before flight 9.867±2.712 9.991±3.269 6.404±2.174 6.517±2.421 10.116±4.026 10.048±3.100 12.677±2.771 13.522±3.023 6.768±2.024 6.924±2.307.5min in flight 10.534±2.421 11.703±3.088*＃7.624±2.241**8.121±2.494** 12.015±4.24* 12.306±4.620** 15.064±2.022** 16.094±2.294**＃ 8.022±2.388**8.544±2.341**10min in flight 9.898±1.945 10.800±2.087＃ 7.104±2.002 7.428±1.765* 11.327±4.173 12.171±4.192** 14.745±1.733* 16.035±2.984*＃＃7.436±1.917 7.930±1.758*15min in flight 10.256±2.342 11.081±2.978 7.251±2.270 7.563±2.125* 11.424±4.091 11.351±4.308 14.919±1.885* 15.937±2.219*＃ 7.650±2.380*8.076±2.183*20min in flight 10.306±1.782 10.956±2.515 7.194±1.949 8.096±2.452** 11.514±4.116 11.383±4.705 14.830±1.843* 15.643±2.189*＃ 7.583±1.940*7.754±2.073 25min in flight 10.084±2.195 10.943±2.714 7.060±1.961 8.189±2.752** 11.359±3.949 12.352±4.186 14.693±2.083* 15.637±2.416*＃ 7.380±1.804 7.926±2.104*30min in flight 10.670±1.967 11.719±4.511*7.653±1.868**8.56±2.734** 12.246±3.906*12.638±4.179** 15.217±1.728** 16.813±6.683** 8.006±1.874**8.146±1.746**After flight 10.889±3.147 11.379±3.951 7.414±2.689* 12.169±4.661**＃＃12.181±4.784*12.474±4.623** 14.162±2.501**15.578±5.611* 7.809±2.401*8.025±2.789 Phases α-waveamplitude（μV） β-waveamplitude（μV） γ-waveamplitude（μV） θ-waveamplitude（μV） SMR-waveamplitude（μV）Left Right Left Right Left Right Left Right Left*

通常脑电波按不同频段可分为β波：频率在12～30 Hz，是紧张状态下的优势波；SMR波为感觉运动节律，频率在12～15 Hz，是β波领域里出现在大脑的感觉皮层中，跟觉悟准备和运动体系状态准备的注意集中有很大关系；θ波：频率为4～8 Hz，通常在睡意朦胧时占主导，俗称“困倦波”；α波：频率在8～12Hz，是放松波，和精神运动有相反关系；γ波：频率在30 Hz以上，与神经活动有同步关系，近年研究提示其同步活动可能是大脑如何进行编码和整合感知、思维等不同网络活动的相应神经生理学机制［6］。

本研究结果显示，飞行中各波波幅均升高，以β波、SMR波、θ波最明显。王利等［7］研究发现，轻度疲劳时，θ节律的相对功率谱的平均值逐渐增强，而α和β节律的相对功率谱的平均值逐渐减弱；重度疲劳时，则各节律的相对功率谱的平均值都会增强。张崇等［8］发现，疲劳时大脑前中部位的α波（蔓延到额叶区的α波活动）活动会增加，持续时间约为1～10 s，同时还伴随枕部α节律的下降。Brookhuis等［9］使用脑能量参数（theta＋alpha）／beta对驾驶员进行研究，发现随着工作时间的增加、疲劳状态的加重，该参数呈上升趋势。本研究结果表明，在模拟飞行过程中飞行员出现了较重的脑力疲劳，SMR波显著升高则提示觉悟准备和运动体系状态准备的注意高度集中是疲劳的主要原因。此外，Klimesch发现［10］α及β波升高，表明受试者对刺激事件感到新奇，动用较多的心理资源。本次研究中受试飞行员多以新学员为主，均是首次接触模拟飞行，也出现了类似表现。飞行后随着代谢产物的消除和大脑能量及氧供的恢复，大脑神经保护性抑制作用逐步解除，神经元兴奋性增强，各波波幅大多均有所恢复，但未恢复至飞行前水平。而唯一例外的是右脑β波，在飞行后不降反升，并与左脑呈现显著差异，既往未见类似报道，分析其原因系飞行中右脑的紧张度较高，局部多巴胺水平高，飞行后仍在局部发挥作用，出现较高的β波。

本研究还显示，在飞行各阶段中，脑波各波幅增幅最大多发生于飞行5 min、30 min，表明在起飞、降落阶段飞行员的注意力较平飞阶段更为集中，脑力疲劳更为严重。起飞、降落阶段是飞行中的技术关键，也是飞行安全的重要环节，飞行员自然会投入更多的心理资源，但同时也伴随出现较重的脑力疲劳，该结果提示在这两个阶段可建立飞行疲劳预警，以提高飞行的安全性。

此外，本研究提示飞行中右侧半脑的各波幅均高于左侧半脑，飞行后右脑的恢复较左脑偏慢。张崇等［8］应用连续数学运算任务研究疲劳时发现，大脑前额叶皮层以及大脑左半球与脑力疲劳相关性较大。这与任务中工作记忆机制相符。左脑以数理推算为主，空间定向则以右脑为主。模拟飞行中飞行员运用的工作记忆多为图像识别，右脑的电活动较左脑活跃。结合本研究结果，疲劳的发生可能与兴奋脑区的代谢物质堆积有关，越兴奋的脑区越易发生疲劳，恢复越慢。

综上所述，飞行员在模拟飞行过程中发生了较重的疲劳反应，负责图像处理的右脑的活动度较左侧明显。下一步可对不同作业任务下的脑电变化开展更深入的研究。

【参考文献】

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［9］ Brookhuis K A，deWaard D.The use of psychophysiology to assess driver status［J］.Ergonomics，1993，36（9）：1099-1110.

［10］Klimesch W.EEG alpha and theta oscillations reflect cognitive and memory performance：a review and analysis［J］.BrainResBrainResRev，1999，29（2-3）：169-195.