睡眠损失和昼夜错位导致许多操作事故和事故。在操作环境中评估旨在缓解疲劳的对策和工作调度设计的有效性可能具有挑战性。本手稿总结了在复杂操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。
睡眠损失和昼夜不协调导致相当比例的操作事故和事故。旨在缓解疲劳的对策和工作安排设计通常在受控的实验室环境中进行评估,但将此类战略转换为操作环境的有效性可能难以评估。本手稿总结了在复杂操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。我们在34天内对44名飞行员进行了研究,他们飞行时有固定的时间表,其中包括5天早间航班的基线数据收集、4次早班航班、4次高负荷的中日航班以及午夜后降落的4次晚点航班。每个工作块分开3~4天的休息。为了评估睡眠情况,参与者会佩戴手腕佩戴的研究验证活动监测仪,并完成每日睡眠日记。为了评估昼夜期,飞行员被要求在每个工作区后的24小时内收集4到8个小时箱中产生的所有尿液,以评估6-磺氧褪二甲酮(aMT6s),这是昼夜节律的生物标志物。为了评估主观疲劳和客观表现,向参与者提供了一个触摸屏设备,用于在每次飞行期间和之后以及唤醒时间、中午和之后完成 Samn-Perelli 疲劳量表和心理运动警戒任务 (PVT),睡觉。使用这些方法,发现睡眠持续时间在早开始和晚完成期间相对于基线减少。循环阶段根据职责安排变化,但在每个时间表上,在 AMT6s 峰值中,个人之间存在广泛的变化。相对于基线而言,PVT 在早期、高工作负载和后期计划上性能较差。总体而言,这些方法的组合对于评估睡眠损失和昼夜相对复杂操作环境中的疲劳和性能的影响是实用和有效的。
疲劳,由睡眠损失和昼夜错位引起的,是严重威胁安全的职业,需要24小时操作,不规则的时间表,和延长工作时间1,2。实验室研究有助于描述睡眠持续时间和时间的变化如何影响随后的警觉性和性能3,4,5。这些研究构成了疲劳风险管理建议和操作环境中的工作调度实践的基础6。
在这份手稿中,航空操作的实地研究用于演示一种在复杂的操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。我们研究了44名飞行员在34天,而他们飞行的时间表,包括期间上午航班,早班航班,高工作量的中日航班,和晚点航班降落后午夜。每个工作块分开3~4天的休息。飞行员在整个研究期间收集了客观和主观数据,包括飞行值班和休息日。
鉴于实验室环境和实际环境之间的差异,在实验室中制定的战略和对策的实施并不总是如预期的那样转化为操作。个人差异、广泛的操作工作计划、不规则且不可预测的操作、组织实践和文化以及劳动协议,这些因素可能使科学的应用变得实际操作使用。因此,使用一致可靠的方法评估睡眠、昼夜节律、疲劳或警觉性以及表现,评估此类干预措施的影响非常重要。在行动8中,监察及数据收集的水平必须与预期中的疲劳程度及有关安全风险的比例保持。此外,在任何对安全敏感的环境中,维护安全操作对调查协议至关重要。
评估睡眠持续时间和质量的黄金标准方法是通过多导睡眠造影术 (PSG),它涉及通过放置在头皮、面部、面部、、和胸部。尽管 PSG 功能强大,但在大多数操作环境中收集睡眠信息并不实用。许多可穿戴设备已经开发,以估计睡眠时间,持续时间和质量,但很少已经验证9,10。手腕磨损行为学和每日睡眠日记的组合已被广泛用于估计在11、12、13、14的各种职业的实地研究中的睡眠情况,并已得到验证对PSG,显示睡眠持续时间15的和谐。此外,使用活动学和睡眠日记进行实地研究,对研究参与者来说,工作量较低,因为大多数活动设备都戴在非显性手腕上,只用于淋浴或游泳,就像手表一样。同样,在手机或触摸屏设备上展示的精心设计的睡眠日记通常可以在两分钟内由参与者完成。
睡眠-觉醒周期由位于下丘脑16超细胞核的昼夜起搏器协调。这种心脏起搏器还同步生物功能的许多其他方面,如体温和荷尔蒙节律(例如褪黑激素和皮质醇)。内源性昼夜节律接近,但不是确切,24小时;因此,必须每天重置它,以允许稳定同步(即,封闭)到 24 小时。昼夜起搏器的主要重置剂是轻的。在需要非标准计划和24小时操作的操作环境中,可能发生昼夜错位,其中昼夜驱动睡眠与预定工作11重合。通过测量由昼夜节律控制的生物信号的节律的峰值时序(即昼夜相),可以确定昼夜起搏器何时促进睡眠和觉醒。
在实施对策后测量昼夜相位非常重要,以便更好地了解此类技术是否成功地将昼夜起搏器与规定的工作时间表保持一致。用于确定实验室环境中相的昼夜系统的许多输出都容易遮蔽,因此不适合在野外环境中使用。例如,在自由生活的人中,很难发现体温的昼夜变化,他们可能会从事运动等活动,改变他们的体温。褪黑激素被光照射严重抑制,使得在光线无法控制的情况下,在血液或唾液中收集褪黑激素是不可能的。然而,6-磺氧褪二甲酸(aMT6s),褪黑激素的主要代谢物,在尿液中排泄,较少受到光的遮蔽作用的影响,使其成为测量操作环境中昼夜相的理想候选物17 18.
除了测量生理变化外,测量工作时间表变化对主观疲劳或警觉性的影响也很重要。虽然有几个尺度可用于测量警觉性和疲劳的不同方面, 在航空中最常用的是 7 点 Samn-Perelli 疲劳量表 (SP)19和 9 点卡罗林斯卡嗜睡量表 (KSS)20。SP也普遍用于对不同职业21、22、23、24的轮班工人进行实地研究。KSS已经验证了客观的嗜睡测量,如脑电图(EEG)和缓慢滚动的眼动20,25,以及性能25。这种量表常用于实验室和24、26领域的研究。可能还有其他主观尺度适合不同的轮班工作或职业环境。请务必选择经过验证且理想情况下具有”可接受”警报级别有意义的阈值。例如,KSS得分超过7与嗜睡的生理症状和驾驶性能受损25,27,而Samn-Perelli评级直接关系到飞行职责28。在本手稿中描述的研究中,使用了 Samn-Perelli,因为它最初是作为由飞行员组成的研究群体中的主观疲劳量度而开发的。28
虽然测量睡眠和昼夜相是评估干预的一个重要组成部分,但实地研究的主要结果通常是客观表现。有各种测试已经开发,以评估认知性能,但最敏感和可靠的测试,以测量睡眠损失和昼夜错位的影响是精神运动警戒任务(PVT)。原始PVT (PVT-192) 是一个简单的反应时间测试,其中个人被呈现刺激,并指示通过按下按钮尽快29响应刺激。PVT已在急性和慢性睡眠损失和昼夜失调4,5,30的条件下被验证。任务期限可以根据研究31、32的设计而变化;虽然,传统的10分钟持续时间是首选在实验室研究33,34。而5分钟持续时间PVT在实地研究中通常更可行,因为操作要求会干扰测试35的管理。
此外,PVT显示很少或没有学习效果,易于使用,使其成为一个实际测试部署在实地环境中,在测试36期间可能无法观察到研究参与者。触摸屏设备的无处不在,便于部署PVT,但研究人员在实施PVT时应谨慎,因为触摸屏设备有许多方面可能会在PVT数据收集中引入错误37 ,38 .例如,不同的硬件和软件组合具有不同的系统延迟,在后台运行的其他应用程序可能会在记录的反应时间中引入未知错误。因此,使用经过验证的 PVT、一致的硬件和软件、WiFi 以及关闭所有其他应用程序来收集 PVT 数据非常重要。此外,鉴于在操作环境中测试期间观察研究参与者并不实际,因此,参与者必须接受培训,以相同的方向使用同一方向完成每个 PVT,使用相同的手指38。 39.
数据收集的每项元素都很重要,在过去40、41、42、43年,这些工具已用于其他操作研究。然而,除了上述挑战外,当参与者需要独立完成任务时,特别是当此类任务包含对时间敏感的部分时,可能难以遵守学习程序。在操作环境中的数据收集中,另一个很重要的元素是组织信息,使个人能够轻松地按时完成任务。NASA 用于触摸屏设备的 PVT® 应用程序可以自定义,以便按顺序向参与者显示任务,指导他们通过学习程序。例如,在此介绍的研究中,航空公司飞行员被预装了触摸屏设备,该应用程序用于每天早上和晚上完成睡眠日记。这些设备还用于完成PVT测试和疲劳等级,以及其他任务,在早晨,在每个航班的上降(TOD),飞行后,晚上睡觉前。这种信息的介绍使飞行员能够完成学习程序,同时减少对与工作相关的任务造成不便。
在飞行员之间收集数据可能非常困难,因为工作性质要求他们长途跋涉,在狭小的空间(即驾驶舱)工作,因为有许多干扰和往往不可预测的工作量。尽管面临这些挑战,但收集这一人群的数据至关重要,因为飞行员疲劳对安全航空作业40、44、45构成威胁。航空公司的高强度运作,有助影响机组人员的表现,增加与疲劳有关的事故的风险46、47、48、49、50。结合上述方法,我们测量了44名短途飞行员在34天内的睡眠、昼夜节律、疲劳和性能。在研究期间,飞行员飞行了固定的时间表,其中包括基线数据收集,包括5天的上午飞行中航班、4次早班飞行、4次高负荷的中日航班以及4次午夜后降落的晚点航班。每个工作块分开3~4天的休息。这些发现表明,在操作环境中如何使用全面的数据收集,包括睡眠、昼夜节律、疲劳和性能的测量。
在这种情况下,本研究的目的是按值班开始时间评估睡眠、昼夜节律、疲劳和表现。1) 基线:在第一个值班期间,所有飞行员工作5天,每个包括两个航班,每个飞行约2小时,从上午中开始,以便进行充足的夜间睡眠。这个街区后面是4个休息日。2) 提前开始:在提前值班期间,所有飞行员工作5天,每个飞行包括两个约2小时的航班,每个飞行从大约5:00到8:00之间开始。这个街区后面是3个休息日。3) 高工作量的班次:在中午值班期间,所有飞行员工作5天,每个包括2⁄4次飞行,每次2⁄6小时,大约从中午开始。这个街区后面是3个休息日。4) 晚点:在晚班期间,所有飞行员工作5天,包括两个航班,每次约3小时,从下午4点左右开始,到午夜左右结束。这个街区后面是3个休息日。
本手稿中描述的方法提供了对睡眠模式、昼夜相、疲劳评分以及飞行员在白天飞行期间的表现的洞察,包括早起、高工作负载的中日飞行和晚点完成。这些方法的组合表明,这些因素都受到工作开始时间和工作量的轻微变化的影响。通过评估系统的研究时间表并将这些措施集成到易于使用的触摸屏应用程序中,在具有挑战性的环境中收集了大量数据。通过这种方法的组合,可以更清楚地解释非传统日工作班期间警报和性能的变化。
这种测量目标睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法的设计和实现对于确定工作开始时间在无时差的情况下在白天飞行期间如何影响飞行员至关重要。该协议旨在允许系统比较条件,同时尽量减少对参与者的不便,并在业务相关时间点最大限度地收集数据。这些是在操作环境中收集有意义的数据的关键步骤。这些措施已在实验室和实地研究中得到验证,这对解释结果十分重要。虽然这项研究旨在使参与者能够独立完成学习程序,但学习前简报会议对于确保志愿者了解学习程序和在完成学习时保持一致性的重要性至关重要研究测试和问题,特别是PVT。
发现睡眠持续时间和时间的变化根据工作开始时间是符合以前的研究,在较小的样本使用PSG评估睡眠时间59,60。尽管早期开始和后期完成可能会影响睡眠时间,但在操作环境中收集的大量数据样本有助于深入了解参与者失眠的意外方式。例如,唤醒维护区域(表示要唤醒的最强驱动器)发生在习惯性就寝时间之前。在实验室研究中,参与者在61、62、63的唤醒维护区出现睡眠困难。预计参与者可能会尝试比正常时间早睡几个小时,以便为早起做准备。还预计,由于试图在唤醒维护区启动睡眠,参与者在早起前的睡眠期间可能会出现长时间的睡眠延迟;然而,情况并非如此。这些数据突出了实验室和现场之间的重要差异,并且表明需要在操作环境中收集睡眠数据。
虽然在个体的一个子集中获得了昼夜相位信息,但在每个计划类型中观察到的昼夜相位变化反映了在睡眠时间中观察到的变化。该协议中加入昼夜相,增强了理解为什么疲劳等级和性能因工作开始时间而改变的能力。警觉性和性能遵循昼夜节律,最低警报性和最差性能通常与 AMT6s 杂技阶段的时序相吻合。虽然发现大多数参与者的昼夜节律相对于强加的工作时间表向预期方向移动,但也发现这种变化在个体之间是可变的。这表明,一些个人可能更难适应早期或较晚的时间表,造成适度的昼夜错位。这些方法的结合加强了对这些结论的解释。
收集的睡眠数据还有助于更好地了解疲劳评分和性能相对于不同工作时间表的变化原因。例如,我们发现,在早开始和后期完成期间,Samn-Perelli 的评分和 PVT 性能在所有这些时间表上都比一天差。这是有道理的,因为飞行员在早起和晚完成时比基线睡眠更少,这意味着他们每天都在这些时间表上累积睡眠债务。相比之下,在高工作负载的中午启动计划期间,PVT 性能也一天比一天差。在中午计划期间,飞行员获得的睡眠量与基线数据收集期间的睡眠时间没有差别。因此,这一发现表明,在中午工作日程中观察到的较差的表现不太可能受到急性睡眠限制的驱动。如果没有睡眠数据,很难解释疲劳评分和性能数据,因此这些方法的组合非常重要。
尽管这些方法设计和实现成功,但这种方法可能涉及一些挑战。例如,参与者可能会忘记何时或如何完成某些过程。定期与志愿者沟通,确认他们按照协议完成任务是很有帮助的,特别是在尿收集的第一阶段。此外,数据丢失的风险随着研究时间的增加而增加,因为个人可能会失去或损坏他们的学习设备。如果像本研究一样,将研究安排在几周内进行,那么最好在研究中点下载数据,以减少潜在的数据丢失并审查协议的遵守情况。数据不足或缺失可能会降低结果的可解释性,因此必须小心确保个人适当地收集数据。
在其他操作设置中,这些方法有许多可能的应用程序。这些方法可用于描述睡眠、昼夜相、疲劳和在具有异常调度做法或环境考虑的职业中的表现,例如在空间飞行或军事行动期间。此外,在实验室环境中还评估了许多有前途的干预措施和对策,例如利用富含蓝色光的光线加速昼夜相移、战略性在职午睡、催眠以最大化睡眠和兴奋剂,如咖啡因,以提高警觉性。虽然这些方法在受控的实验室条件下可能证明是有效的,但必须评估在操作环境中部署此类工具和技术,以确认它们在现实世界中减少疲劳的功效。活动学、睡眠日记、昼夜相位信息、疲劳评分和 PVT 收集相结合,结合易于使用的软件应用程序,便于任务管理,为评估有效性提供了足够的数据干预。这些方法的组合对于其他复杂的操作环境具有显著的转化潜力,在这些环境中,可能难以部署更具侵入性的数据收集工作。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢研究参与者和航空公司人员在数据收集方面的支持。我们还感谢美国宇航局艾梅斯研究中心疲劳对策实验室的成员为这个项目提供的援助。这项研究得到了美国宇航局全系统安全计划的支持。
Actiwatch Spectrum Pro | Philips Respironics, Bend OR, USA | 1099351 | The number listed in the Catalog Number section is the Reference number for Actiwatch Spectrum Pro. |
iPod Touch 5Th gen | Apple Inc., Cupertino CA, USA | A1509 | The number listed in the Catalog Number section is the Model number. Newer generations of iPods can be used for data collection. |
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Philips Actiware 6.0.9 | Respironics, Inc., Murrysville PA, USA | 1104776 | This software is used to analyze sleep recorded through Actiwatch Spectrum Pro |
Push cap, neutral for 7 mL tubes | Sarstedt, Numbrecht, Germany | 65.793 | |
SAS software 9.4 | SAS Institute, Cary, NC | https://www.sas.com/en_us/software/visual-statistics.html | This software is used to analyze the data. Any statistical software (e.g., SPSS, R) can be used. |
Shipping material | FedEx, USPS, UPS | Any company can be used. | |
Specimen Collector Urine/Stool White 26 oz. | McKesson Corporation, San Francisco CA | 16-9522 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Tube 7 mL, 50x16mm, PS | Sarstedt, Numbrecht, Germany | 58.485 |