视频显示终端作业过程中的脉搏信号分析研究*

梁栗炎 杨 琳* 崔婧翾 王 琪 芦 杨 汪 然

视频显示终端作业过程中的脉搏信号分析研究*

梁栗炎①杨 琳①*崔婧翾①王 琪①芦 杨①汪 然①

目的：针对长期视频显示终端(VDT)作业引发的疲劳健康问题，设计VDT作业疲劳实验，探求实验前后脉搏参数的变化，为VDT作业疲劳的评价提供方法。方法：筛选30名健康在校大学生进行试验，受试者进行连续4 h的静态计算机游戏操作，每0.5 h采集2 min指端容积脉搏波数据，在实验前后对受试者进行疲劳症状问卷调查。分析提取脉率及脉率变异性参数、指脉搏波波形特征参数，并对比实验前后脉搏波波形图的变化。结果：以疲劳量表FS-14为标准，疲劳实验后受试者精神与躯体疲劳度均有所上升。以Rechichi提出的视疲劳判断标准，疲劳试验后受试者均处于视觉疲劳状态。受试者在VDT作业疲劳实验前后其心率(HR)指标具有显著性差异，且呈下降趋势；脉率变异性算得RMSSD及SDNN指标具有显著性差异，且呈上升趋势；指脉脉搏波波形特征参数K，在实验前后呈波动性上升趋势。结论：脉率及其部分变异性参数、部分脉搏特征参数具显著性变化，脉搏波波形图在VDT作业过程中有趋势性的变化，脉搏波在VDT作业疲劳的监测中具有应用价值，有望成为评价VDT疲劳状态的指标。

脉搏波；疲劳；视频显示终端；脉搏波波形特征；脉搏波波形归一化

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

视频显示终端(visua1 disp1ay termina1，VDT)已广泛应用于日常生活的众多领域，在带来高效率的同时也产生了视觉疲劳、精神疲劳和肌体疲劳等健康问题[1-2]。由于VDT作业引发一系列眼部不适、生理不适及心理不适，致使工作错误率频发而导致财产和经济损失[3-5]。目前，VDT作业疲劳的评测以调查量表为主，此类方法评价易受个人因素影响。而脑电图法、眼电信号及心电图法等测量方法相对复杂，难于满足生活中的检测需求[6-7]。

1 脉搏波信号

脉搏波蕴含丰富的生理信息，受到国内外学界重视[8]。脉搏参数可反映整个心血管系统的变化，且检测方便无创，故有望成为VDT作业疲劳程度的监测指标。此外心率变异性(heart rate variabi1ity，HRV)是公认的测量应激水平的可靠指标，但由其测量不便难于广泛应用于日常[9]。脉率变异性(pu1se rate variabi1ity，PRV)可由相邻脉搏波的波峰间隔计算得出，在一定程度上同样可反映自主神经调节过程，且测量无创简便，故有望通过脉率变异性的检测对疲劳进行监测[10-12]。本研究设计了基于脉搏波采集的VDT疲劳实验，分析受试者的脉率及变异性参数、脉搏波波形特征量K，、脉搏波主波出现时间、重搏波波谷出现时间、重搏波波谷高度以及脉搏波波形图的变化趋势。以期找到可简单评测VDT作业疲劳的脉搏生理指标。

2 资料与方法

2.1 一般资料与试验流程

选取处于完全健康状态的在校学生30名，其中男生20名、女生10名。在疲劳实验前，问卷测评受试者游戏熟练程度，前一天的休息状况，状态良好者完成疲劳前疲劳量表、视觉疲劳量表。随后进行疲劳实验，受试者操作计算机游戏“蒙特祖玛的宝藏”4 h，期间受试者关闭通讯设备，并安排受试者在一个相对封闭的空间。测试期间每30 min采集2 min完好指端容积脉搏波波形。接受试验后受试者再次填写疲劳量表、视觉疲劳量表，并进行波形采集。

2.2 实验环境与设备

实验室平均室温为(23±2.1)℃，采用白色日光灯照明，使室内照度与亮度均匀稳定。使用ADInstruments公司PowerLab四通道生理信号采集系统进行数据采集。传感器为指夹式透射血氧传感器。利用与信号采集系统配套软件对指端容积脉搏波进行显示与记录。

2.3 实验内容

(1)疲劳量表Fatigue Sca1e-14(FS-14)。疲劳量表FS-14系英国King，s Co11ege Hospita1心理医学研究室多位专家编制[13]。由14个条目组成，分别从不同角度反映疲劳的轻重。分值最低为0分，最高为14分，分值越高，疲劳越严重。

(2)视觉疲劳量表。疲劳症状调查表以公认的意大利学者Rechichi[14]等提出的视疲劳10个主诉症状：头痛、流泪等为判断标准。具有其中两个或以上症状时即判定为视疲劳。

2.4 实验分析参数

采用实验室自主开发的脉搏波检测与分析软件进行波形分析，得到指端容积脉搏波的心率、脉率变异性参数RMSSD、SDNN、波形特征量K，、主波及重搏波波谷出现时间及重搏波波谷高度等参数。最终通过SPSS数据分析软件进行分析，得到实验结果。

(1)脉率及其变异性参数。脉率指脉搏在单位时间内脉搏的搏动次数。通过判别脉搏波可得波峰间距。本研究分析脉率变异性的两种时域指标：SDNN(公式1)和RMSSD(公式2)。

式中，N为正常心搏总数；RRi是第i个脉搏峰值点间期；meanRR是N个脉搏峰值间期的平均值。

式中，N为正常心搏总数，RRi+1、RRi为相邻两脉搏周期的长度。

(2)波形归一化处理。由于不同人在不同状态下测量的脉搏波波形图差异较大，为了能对大量脉搏波进行统一的量化处理，同时合理有效地化简计算量，需要对采集到的脉搏波信号进行提取单波、标准化、归一化处理，使每个脉搏波波形信号拥有100个数据点，波形幅值为100个离散的量化值，形成100×100的波形量化平面。

(3)脉搏波时域特征参数。脉搏波主波波峰、重搏波波谷点的位置是十分重要的脉搏波波形特征点。如图1所示，本研究提出主波出现时间T1、重搏波波谷出现时间T2及波谷高度D2，即主波波峰、重搏波波谷点相对于横轴与纵轴的数值。罗志昌[15]提出波形特征K，值能从宏观上描述脉搏波的平均特征。该值即为脉搏波单波面积与单波矩形面积的比值。以上参数均采用波形归一化处理后的脉搏波数据进行计算。

图1 主波出现时间和重搏波波谷出现时间与高度

3 结果分析

3.1 疲劳量表FS-14

30名VDT操作疲劳的受试者实验前、后填写疲劳量表总分值的情况见表1。其中受试者主观疲劳量表结果在实验后分值普遍上升，疲劳分值均值从3.6分上升至7.93分。说明在进行连续4 h计算机操作疲劳测试后，受试者主观上感觉疲劳程度有所上升。

3.2 视觉疲劳量表

统计在实验前、后量表结果，统计相关症状加重者人数。绝大多数受试者均不同程度出现视疲劳症状，其中眼刺痛、眼沉重、眼干及眼疲倦等症状加重明显。表明在连续4 h计算机操作疲劳测试后，受试者普遍达到视觉疲劳状态(见表2)。

表1 30名受试者实验前、后填写疲劳量表总分值的情况

3.3 脉搏波波形的变化

实验前与实验0.5 h后对30名受试者的脉搏波归一化波形图进行对比，显示出受试者在实验进行的前30 min重搏波波谷有下降趋势，主波出现时间提前。反应在疲劳测试初始阶段受试者应激能力增强，处在高的应激水平状态下(如图2所示)。

图2 实验前、0.5 h后脉搏波数据归一化后的波形图

30名受试者实验过程中各时间点采集的脉搏波归一化后的波形图及局部放大图；图中每条曲线代表30名受试者在各时间段采集波形内取10个完整脉搏波数据平均后所得的脉搏波波形(如图3所示)。

图3 实验过程中各次脉搏波数据归一化后的平均波形图

图3 显示，随着实验时间的累计，精神疲劳的累积从实验0.5 h起，指端容积脉搏波逐渐出现明显的潮波，且主波幅度下降，潮波逐渐抬高(局部放大左图)。同时，重搏波波谷呈上升趋势(局部放大右图)。分析图3中0 h与4 h两条曲线表明，最终脉搏波波形在实验后较实验前更加圆滑，重搏波波谷上升明显，指端容积脉搏波出现了较为明显的潮波，主波峰值略有下降。表征受试者在疲劳实验过程中脉搏波波形质量变差。

分析图3可发现，实验2.5 h以后的波形图差异性锐减，整体波形趋于稳定。即疲劳累计到一定程度后，脉搏波波形图将不再有较大的变化。

3.4 心率变异参数的变化

(1)统计学方法。本研究对实验获得的受试者疲劳实验过程中指端脉搏波数据分析后得出的不同参数分别进行SPSS中的配对样本t检验分析。配对样本t检验指同一个试验对象，在两个不同时间上分别接受前、后两次处理，用其前后两次的观测值进行自身对照和比较，以P＜0.05为差异有统计学意义。

(2)心率变异参数的变化结果。受试者在疲劳实验过程中不同时间段测得脉搏波参数的均值(见表3)。

所分析的参数包括：波形特征参数K，，主波出现时间T1、重搏波出现时间T2、重搏波高度D2，以脉搏波单波峰值点识别计算出的心率HR，以脉率替代心率计算的脉率变异性参数RMSSD、SDNN；表中列出对于容积脉搏波参数K，、T1、T2、D2、HR、RMSSD及SDNN在实验过程中各采集时间点参数值与初值的配对t检验结果及各项参数平均值与标准差。心率变异参数变化显示，受试者在实验过程中各次采集心率(HR)及脉率变异性参数与实验开始前相比均具有显著性差异变化。心率呈下降趋势，脉率变异性指标RMSSD和SDNN呈上升趋势。

其中实验4 h处的测量心率均值表现为与之前趋势相反的上升趋势，初步判定为实验结束阶段由于实验环境控制问题，对受试者产生了心理上的影响。

表2 30名受试者实验后视疲劳症状上升情况

表3 实验过程中不同时间段容积脉搏波参数K、T、T、D、HR、RMSSD和SDNN的平均值122

3.5 脉搏波波形特征参数的变化

表3变化趋势表明，波形特征参数K，变化趋势与波形图变化相对应，实验开始0.5 h后较实验开始前K，值下降。从0.5～1.5 h，K，值逐渐上升。随着实验进行，K，值在0.555上下波动，不再有较大的变化。主波出现时间T1及重搏波波谷出现时间T2呈下降趋势，且在实验初始1 h内变化最为显著，表征脉搏波主波、重搏波波谷在VDT作业过程中有提前的趋势。重搏波波谷高度变化与归一化波形图相符，在实验初始的0.5 h，波谷高度下降，从0.5 h起，重搏波波谷逐渐升高。

4 讨论

实验过程中HR、RMSSD和SDNN三项指标每间隔0.5 h参数变化见表4。

表4 HR、RMSSD及SDNN逐次采集结果的变化情况

表中数据显示，HR、RMSSD和SDNN三项指标在实验开始2 h后，相邻间隔0.5 h参数变化均不再具有显著性差异。此趋势与脉搏波波形图在后续测量中变化不明显的特征相符。由此，可初步设想随着实验的开展，受试者的波形参数变异性将由显著逐渐趋于平稳。此外，RMSSD、SDNN两项指标仅在0.5 h与0 h、2 h与1.5 h间的测量值变化具显著性差异。

5 结语

随着视屏显示终端的进一步普及，相关从业者人群将进一步扩大，VDT作业疲劳测评与移动终端的结合将具有重大的研究意义。本研究针对普遍存在VDT作业疲劳问题，以脉搏波为主要研究对象，设计实验开展研究，脉搏波参数有望成为VDT疲劳评价指标，具有一定的应用价值。

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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- )，本科在读。北京工业大学生命科学与生物工程学院， 研究方向：物联网与健康监护。

10.3969/J.ISSN.1672-8270.2014.07.006

2014-01-24

国家级大学生创新创业训练计划项目(GJDC-2013-43)“具有疲劳性亚健康状态警示功能的脉搏波实时监测系统”；北京市教委科技成果转化和产业化项目(PXM2013_014204_07_000069)“下肢血管功能无创检测技术(糖尿病足检测仪)的产业转化”

①北京工业大学生命科学与生物工程学院 北京 100124

*通讯作者：yanglin@bjut.edu.cn