應(yīng)急場(chǎng)景下礦工腦電成分特征的實(shí)驗(yàn)研究*

袁曉芳，李 玲，周 垚

(1.西安科技大學(xué) 管理學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 人因與管理工效學(xué)研究中心，陜西 西安 710054)

0 引言

我國(guó)是產(chǎn)煤大國(guó)，煤炭行業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，煤礦安全事故時(shí)有發(fā)生。大量煤礦安全事故案例表明，礦工的應(yīng)急處置不當(dāng)是造成事故的主要原因[1]，如煤礦發(fā)生冒頂、瓦斯超限等危險(xiǎn)預(yù)兆時(shí)，由于慌亂未能正確及時(shí)應(yīng)對(duì)等，都有可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生?？梢?，探究人的應(yīng)急能力水平是降低煤礦安全事故的重要基礎(chǔ)[2]，而如何提高礦工的應(yīng)急反應(yīng)能力，將是我國(guó)煤礦安全生產(chǎn)中的重要課題。

對(duì)個(gè)體應(yīng)急反應(yīng)及應(yīng)急能力研究方面，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)獲得受試心理、生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析個(gè)體心理、生理變化特性和行為選擇過(guò)程。例如，張江石等[2]通過(guò)建立井下應(yīng)急實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，評(píng)估礦工生理指標(biāo)來(lái)定量計(jì)算礦工應(yīng)急能力；趙鵬飛等[3]采用生理反映心理的方法，測(cè)試了應(yīng)急場(chǎng)景下礦工的心理應(yīng)急能力指標(biāo)，并對(duì)礦工心理應(yīng)急能力進(jìn)行了評(píng)價(jià)；Hammad等[4]通過(guò)問(wèn)卷的方法，發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)對(duì)護(hù)士進(jìn)行應(yīng)急能力的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)來(lái)提高其在突發(fā)事件下的急救工作應(yīng)急能力水平。國(guó)內(nèi)外有關(guān)個(gè)體應(yīng)急反應(yīng)的研究多采用心率、呼吸率、血氧濃度等生理信號(hào)監(jiān)測(cè)與主觀調(diào)查問(wèn)卷分析等方法，而關(guān)于個(gè)體應(yīng)急場(chǎng)景下的深層次認(rèn)知加工過(guò)程的研究成果尚不多見。相關(guān)研究指出，腦電信號(hào)是大腦內(nèi)部神經(jīng)元在皮層組織的表現(xiàn)[5]，在研究突發(fā)事件時(shí)，可很好地反映出個(gè)體的生理活動(dòng)[6]。腦電中的事件相關(guān)電位技術(shù)(Event-Related Potential，ERP)通過(guò)對(duì)頭皮相關(guān)電位的正負(fù)波進(jìn)行腦電波形成像，其可以反饋用戶細(xì)微的腦部認(rèn)知活動(dòng)[7]。李乃文等[8]利用腦電ERP成分中的P300波幅對(duì)不同作業(yè)階段下礦工的安全注意力進(jìn)行了研究，結(jié)果表明礦工在作業(yè)中期階段，P300波幅會(huì)大幅下降，安全注意力水平降低；王金娥等[9]通過(guò)誘發(fā)被試不同的ERP成分，得出選擇注意與維持注意有不同的腦機(jī)制；李紅霞等[10]通過(guò)腦電實(shí)驗(yàn)研究了礦工在疲勞前后的大腦ERP成分特征。

綜上所述，現(xiàn)有研究缺乏對(duì)礦工在應(yīng)急場(chǎng)景下的大腦活動(dòng)情況分析，為更準(zhǔn)確地觀測(cè)礦工在應(yīng)急場(chǎng)景下的認(rèn)知加工狀況從而分析個(gè)體應(yīng)急反應(yīng)情況及應(yīng)急能力水平，研究通過(guò)構(gòu)建腦電ERP測(cè)試實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取礦工在應(yīng)急場(chǎng)景下的大腦活動(dòng)數(shù)據(jù)，以此探究礦工在應(yīng)急場(chǎng)景下的腦電活動(dòng)規(guī)律，揭示礦工應(yīng)急反應(yīng)認(rèn)知加工機(jī)制，為煤礦企業(yè)在事故預(yù)防和提高礦工應(yīng)急能力方面提供新的建議。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)過(guò)程

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究采取Oddball實(shí)驗(yàn)范式，靶刺激與非靶刺激數(shù)量占比為1∶4。通過(guò)搜集煤礦生產(chǎn)作業(yè)中常見的工作場(chǎng)景，用文字與圖片的形式作為實(shí)驗(yàn)刺激素材，并進(jìn)行差異度處理，邀請(qǐng)30名煤礦工作人員，對(duì)每張圖片進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估打分，最終將分值相近的圖片作為實(shí)驗(yàn)素材，其中靶刺激的文字和圖片各5張(20%)，非靶刺激的文字和圖片各20張(80%)，圖1～2為1組素材示例。

圖1 文字刺激素材Fig.1 Text stimulus material

圖2 圖片刺激素材Fig.2 Picture stimulus material

1.2 被試選擇與實(shí)驗(yàn)設(shè)備

選取25名聽力正常、右利手的20～60歲某煤礦男性在崗人員作為被試，平均年齡39歲，實(shí)驗(yàn)前均未服用任何對(duì)生理檢測(cè)有影響的藥物，亦無(wú)飲酒等情況，無(wú)任何腦神經(jīng)損傷和精神疾病病史，所有被試者視力或矯正視力正常，均無(wú)色盲或色弱等癥狀。腦電實(shí)驗(yàn)設(shè)備為NeuroScan32導(dǎo)腦電儀，Ag/AgCI記錄電極固定于32導(dǎo)電極帽，電極點(diǎn)采用國(guó)際10～20標(biāo)準(zhǔn)電極系統(tǒng)定位，參考電極設(shè)置在電極點(diǎn)FCz處，接地點(diǎn)設(shè)置在電極點(diǎn)AFz處。腦電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后被連續(xù)記錄，采樣頻率為500 Hz。

1.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)前，被試閱讀實(shí)驗(yàn)流程并簽署知情同意書，實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇空間小、光線較暗的房間，盡可能模擬井下能見度較低的密閉空間環(huán)境。所有被試均要進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)與正式實(shí)驗(yàn)，根據(jù)E-Prime2.0實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和Oddball實(shí)驗(yàn)范式要求，先呈現(xiàn)文字再呈現(xiàn)圖片。每位被試按空格鍵開始實(shí)驗(yàn)，正式實(shí)驗(yàn)前，先進(jìn)行注視點(diǎn)矯正，矯正圖片呈現(xiàn)時(shí)間為800 ms，然后呈現(xiàn)文字素材，每張素材背景為灰色，呈現(xiàn)時(shí)間為1 000 ms，間隔時(shí)間為800 ms，接著以相同方式呈現(xiàn)圖片素材，呈現(xiàn)時(shí)間為1 500 ms，間隔時(shí)間為800 ms，靶刺激與非靶刺激素材隨機(jī)出現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)素材呈現(xiàn)流程Fig.3 The flow chart of test material presentation

2 應(yīng)急場(chǎng)景下腦電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文運(yùn)用BrainVision Analyzer 2.0分析軟件對(duì)礦工應(yīng)急場(chǎng)景下腦電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，主要包括電極轉(zhuǎn)化、去眼電、去偽跡、濾波、基線校正、疊加平均和波峰檢測(cè)，去除實(shí)驗(yàn)誤差較大的7位被試腦電數(shù)據(jù)后，最終選取18位腦電信號(hào)純凈的被試來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和說(shuō)明。

2.2 腦電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在Oddball實(shí)驗(yàn)范式中，靶刺激的出現(xiàn)會(huì)誘發(fā)較為顯著的P2，P3，N1，N2等ERP成分。其中，P2是出現(xiàn)在刺激呈現(xiàn)后200 ms左右的早期正波成分，主要誘發(fā)電極點(diǎn)位于大腦前額[11]。Liu等[12]發(fā)現(xiàn)被試對(duì)目標(biāo)刺激注意力越高，P2波幅越明顯；Siegfried等[13]指出采用Oddball實(shí)驗(yàn)范式得到P3成分與注意力有關(guān)，而在非注意條件下不能誘發(fā)，其波幅與所投入的心理資源呈正相關(guān)。N1成分與視覺和聽覺的早期注意力有關(guān)，受被試覺醒狀態(tài)的影響，不受刺激因素影響。N2成分與具體時(shí)間和任務(wù)有關(guān)，如：刺激復(fù)雜度、主觀輪廓、注意轉(zhuǎn)移等[14]。

本文將主要采用時(shí)域分析方法中的峰值檢測(cè)與頻域特征分析下的腦電波節(jié)律來(lái)分析被試在應(yīng)急場(chǎng)景下腦電數(shù)據(jù)變化特征，并結(jié)合腦電地形圖來(lái)描述其腦部活動(dòng)。

2.2.1 基于時(shí)域特征分析下腦電數(shù)據(jù)的組平均分析——峰值檢測(cè)

1)腦電ERP波形分析

在有效被試所誘發(fā)的腦電ERP波形圖中，被試大腦頭皮的額葉區(qū)、頂葉區(qū)和枕葉區(qū)都提取出了明顯的N1，P2和P3成分，其中N1成分與人視覺和聽覺的早期注意有關(guān)，受被試覺醒狀態(tài)的影響，而與刺激素材無(wú)關(guān)，故研究將重點(diǎn)分析P2和P3成分。通過(guò)對(duì)所有被試腦電ERP成分檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，被試在文字與圖片的靶刺激下大腦額葉區(qū)與頂葉區(qū)會(huì)出現(xiàn)P2和P3成分且波幅顯著，說(shuō)明在應(yīng)急場(chǎng)景下被試大腦額葉區(qū)和頂葉區(qū)活動(dòng)增強(qiáng)，并且注意力因受到靶刺激的影響，而處于高度集中狀態(tài)。

表1為18名被試在實(shí)驗(yàn)素材刺激下的波幅平均值，研究選取200～400 ms之間的ERP成分為例進(jìn)行說(shuō)明。

表1 ERP成分波峰數(shù)據(jù)值Table 1 ERP component peak data value μv

與文字的非靶刺激相比，被試在靶刺激下的腦電波幅平均峰值較大，且在Fz電極通道提取的P2和P3成分波幅更高，F(xiàn)z電極屬于大腦額葉區(qū)，由此可以得出：在文字靶刺激下，被試大腦的額葉區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的P2和P3成分，說(shuō)明在應(yīng)急場(chǎng)景下，被試大腦額葉區(qū)會(huì)因?yàn)槭艿酵饨缲?fù)面刺激物和強(qiáng)烈視覺刺激效果的影響，大腦會(huì)調(diào)動(dòng)更多注意力資源，使被試的注意力增強(qiáng)，同時(shí)大腦會(huì)處于高度緊張和興奮狀態(tài)。同理，在圖片的靶刺激下，被試大腦的頂葉區(qū)會(huì)出現(xiàn)明顯的P2和P3成分，說(shuō)明在應(yīng)急場(chǎng)景下，被試大腦頂葉區(qū)的注意力會(huì)受到外界負(fù)面且復(fù)雜的視覺刺激物干擾而處于高度集中狀態(tài)，并且注意力也會(huì)增強(qiáng)。為了證明數(shù)據(jù)的有效性，研究對(duì)所得到的ERP成分波幅數(shù)據(jù)進(jìn)行組內(nèi)樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果表明：文字刺激素材的P值分別為0.000 3與0.000 2；圖片刺激素材的P值分別為0.001與0.000 5，4組獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)值遠(yuǎn)小于臨界值p=0.01，故4組數(shù)據(jù)有顯著的差異性。

2)腦電地形圖分析

被試在文字與圖片的靶刺激下，在-200～200 ms中整個(gè)大腦腦區(qū)處于未激活狀態(tài)，此時(shí)被試大腦中ERP成分處于潛伏期；在0～200 ms中所有被試的大腦在文字靶刺激下依然處于未激活狀態(tài)，但圖片靶刺激下有部分區(qū)域被微量激活；在200～300 ms可以發(fā)現(xiàn)大腦的頂葉區(qū)和枕葉區(qū)被大量激活，尤其是在圖片靶刺激下額葉區(qū)的激活程度更明顯；在300～400 ms被試大腦額葉區(qū)和枕葉區(qū)被大量激活，且圖片靶刺激下激活效果更顯著，而在400～1 000 ms時(shí)大腦頂葉區(qū)和枕葉區(qū)會(huì)慢慢恢復(fù)平靜，表明此時(shí)外界刺激對(duì)被試的作用在逐漸減弱，被試大腦信號(hào)逐漸恢復(fù)正常狀態(tài)，具體如圖4～5所示。

圖4 文字素材非靶刺激和靶刺激下的平均腦電地形圖Fig.4 The mean electroencephalogram under the non-target and target stimuli of text materials

基于時(shí)域特征分析得出：應(yīng)急場(chǎng)景即靶刺激的情形下，被試大腦在200～300 ms內(nèi)，額葉區(qū)、頂葉區(qū)和枕葉區(qū)出現(xiàn)顯著的P2成分，并且成分峰值的波幅高，說(shuō)明大腦在額葉區(qū)進(jìn)行記憶加工和工作記憶任務(wù)；在300～400 ms內(nèi)，大腦額葉區(qū)和枕葉區(qū)會(huì)出現(xiàn)顯著的P3成分，并且成分峰值的波幅高，說(shuō)明此時(shí)大腦的額葉區(qū)和枕葉區(qū)處于注意力高度集中的狀態(tài)。這與大腦額葉區(qū)、頂葉區(qū)和枕葉區(qū)控制軀體運(yùn)動(dòng)和高級(jí)思維中樞神經(jīng)以及視覺神經(jīng)有關(guān)，并且與ERP成分中P2和P3成分與人的視覺、聽覺和注意力有關(guān)的理論相符合。

圖5 圖片素材非靶刺激和靶刺激下的平均腦電地形圖Fig.5 The mean electroencephalogram under the non-target and target stimuli of picture materials

2.2.2 基于頻域特征分析下腦電數(shù)據(jù)的腦電波節(jié)律分析

傅立葉變換是1種將腦電信號(hào)基于時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)榛陬l率方法的數(shù)學(xué)方法，能將不同波段的腦電波輸出為波的面積值。因此，可以用各個(gè)節(jié)律波的面積大小來(lái)衡量被試在觀看不同刺激素材下的腦電波節(jié)律變化。在腦電波節(jié)律中，α節(jié)律在人睜眼、感覺刺激、精神活動(dòng)時(shí)有變化，而β節(jié)律通常在人精神緊張或情緒激動(dòng)、亢奮時(shí)出現(xiàn)變化[15]。研究比較被試在文字與圖片的不同刺激下，α和β節(jié)律的面積值大小與變化情況。18名被試在文字與圖片的非靶刺激和靶刺激下的腦電波α和β節(jié)律面積值見表2。

表2 非靶刺激和靶刺激下腦電波α和β節(jié)律面積值比較Table 2 Brain waves under non target stimulation and target stimulation α and β rhythm area comparison

通過(guò)表2可看出，被試β節(jié)律波幅面積平均值總是大于α節(jié)律，由此可以得出刺激素材誘發(fā)大腦情緒緊張的效果明顯，進(jìn)一步說(shuō)明在應(yīng)急場(chǎng)景下被試大腦會(huì)受到外界文字和圖片等刺激的影響處于高度緊張和興奮狀態(tài)。

被試在圖片靶刺激下的α和β節(jié)律波幅面積平均值大于文字靶刺激下，但是在圖片非靶刺激下α和β節(jié)律波幅面積平均值小于文字非靶刺激下，由此可以看出，在靶刺激下，圖片的效果比文字更加明顯，使得被試大腦腦電信號(hào)的頻率特征更顯著，在非靶刺激下，文字比圖片效果明顯，說(shuō)明被試在正常工作環(huán)境中，大腦受到外界文字的影響效果強(qiáng)于圖片。

利用SPSS軟件對(duì)被試觀看文字和圖片實(shí)驗(yàn)素材中有無(wú)靶刺激的2組數(shù)據(jù)進(jìn)行樣本T檢驗(yàn)，結(jié)果表明：文字刺激素材的P值分別為0.000 7與0.000 4；圖片刺激素材的P值分別為0.001與0.000 5，4組數(shù)據(jù)值遠(yuǎn)小于臨界值p=0.01，故這4組數(shù)據(jù)有顯著的差異性。這也進(jìn)一步說(shuō)明，被試在文字與圖片素材中有無(wú)靶刺激條件下的腦電波節(jié)律差異明顯。

綜上所述，基于頻域特征分析得出：在應(yīng)急場(chǎng)景下，礦工大腦會(huì)出現(xiàn)明顯的α和β節(jié)律，并且隨著刺激的出現(xiàn)，α節(jié)律的面積值不斷下降，而β節(jié)律的面積值會(huì)大幅度上升，這與β節(jié)律在人情緒緊張或者激動(dòng)時(shí)出現(xiàn)的理論相符合[16]。

2.3 討論

1)通過(guò)對(duì)礦工的腦電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出，文字與圖片的宣傳內(nèi)容會(huì)讓礦工產(chǎn)生ERP成分：N1，P2與P3，這與礦工注意力及大腦覺醒程度有關(guān)。

在實(shí)驗(yàn)靶刺激素材的作用下，腦電ERP成分的波幅明顯高于非靶刺激素材，這說(shuō)明圖片中的靶刺激內(nèi)容能使礦工大腦快速激活且注意力迅速集中，從而會(huì)更好地應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的突發(fā)事件。所以在煤礦生產(chǎn)工作環(huán)境中，文字與圖片的標(biāo)語(yǔ)宣傳內(nèi)容會(huì)影響礦工的大腦活動(dòng)，而在宣傳素材中加入適當(dāng)?shù)呢?fù)面警示標(biāo)語(yǔ)或圖片可以很好地使礦工保持對(duì)危險(xiǎn)的警惕而提高應(yīng)急能力。宣傳素材盡量多選取圖片，因?yàn)閳D片中的負(fù)面內(nèi)容更能使被試產(chǎn)生警惕的心理。

2)礦工在實(shí)驗(yàn)素材靶刺激下，α和β節(jié)律的波幅面積值會(huì)發(fā)生變化。

α和β節(jié)律與人的情緒相關(guān)，當(dāng)人處于平靜時(shí)，α節(jié)律的波幅面積值要大于β節(jié)律，而當(dāng)人情緒緊張時(shí)則相反。當(dāng)?shù)V工觀測(cè)到實(shí)驗(yàn)素材中的靶刺激時(shí)，α節(jié)律的波幅面積不斷下降，而β節(jié)律的面積不斷上升，說(shuō)明此時(shí)礦工受到實(shí)驗(yàn)素材的刺激影響，大腦會(huì)處于情緒緊張與亢奮狀態(tài)。這也說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)素材中的靶刺激會(huì)使礦工大腦處于緊張狀態(tài)，從而提高其對(duì)突發(fā)事件的警惕性。

因此，在日常的煤礦生產(chǎn)過(guò)程中，可以通過(guò)在文字與圖片的宣傳標(biāo)語(yǔ)中加入負(fù)面警示內(nèi)容來(lái)提高礦工的警惕性，也可以在礦工的日常培訓(xùn)中加入含有負(fù)面警示的文字與圖片來(lái)提高礦工的警惕性同時(shí)增強(qiáng)其應(yīng)急能力水平，其中文字的非負(fù)面內(nèi)容更能引起礦工的遐想，從而提高安全意識(shí)。

3 結(jié)論

1)構(gòu)建應(yīng)急場(chǎng)景下礦工腦電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以文字與圖片作為刺激素材，對(duì)18名礦工進(jìn)行事件相關(guān)電位(ERP)數(shù)據(jù)特征的提取與分析，結(jié)果顯示不同素材刺激下礦工注意力水平有顯著差異，這也說(shuō)明利用腦電實(shí)驗(yàn)可以對(duì)礦工應(yīng)急能力水平進(jìn)行評(píng)估。

2)對(duì)礦工在文字與圖片刺激素材下的ERP成分進(jìn)行分析，結(jié)果表明礦工在素材展示的200～300 ms會(huì)出現(xiàn)顯著的ERP成分P2，300～400 ms會(huì)出現(xiàn)顯著的ERP成分P3，圖片靶刺激下的波幅最大，文字非靶刺激下的波幅最小?；谀X電實(shí)驗(yàn)頻域特征分析，礦工在實(shí)驗(yàn)刺激素材下，α節(jié)律波幅面積值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，β節(jié)律波幅面積值呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且靶刺激素材變化趨勢(shì)更加明顯，表明礦工大腦由覺醒進(jìn)入緊張狀態(tài)，從而產(chǎn)生高的警惕性。此結(jié)論可為礦工應(yīng)急能力的提升方面提供依據(jù)，煤礦安全管理者應(yīng)該通過(guò)宣傳標(biāo)語(yǔ)的內(nèi)容來(lái)加強(qiáng)礦工對(duì)危險(xiǎn)的警惕性，從而保證煤礦生產(chǎn)安全。

3)本文僅對(duì)礦工腦電一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)急反應(yīng)能力受個(gè)體、組織、工作環(huán)境等多方面的影響，其認(rèn)知加工過(guò)程及規(guī)律復(fù)雜多變，后續(xù)可考慮更加詳細(xì)的腦電數(shù)據(jù)分析等技術(shù)對(duì)此進(jìn)一步研究。