Потеря сна и циркадная несогласованность способствуют многочисленным оперативным несчастным случаям и инцидентам. Эффективность контрмер и проектирования планирования работы, направленных на смягчение усталости, может быть сложной задачей для оценки в оперативных условиях. В данной рукописи кратко излагается подход к сбору данных о сне, циркадном, усталости и производительности в сложных оперативных условиях.
Потеря сна и циркадная несогласованность способствуют значительной доле оперативных аварий и инцидентов. Контрмеры и проекты планирования работы, направленные на смягчение усталости, обычно оцениваются в контролируемых лабораторных условиях, однако эффективность перевода таких стратегий в оперативные среды может быть сложной для оценки. В данной рукописи кратко излагается подход к сбору данных о сне, циркадном, усталости и производительности в сложной рабочей среде. Мы изучили 44 пилотов авиакомпаний в течение 34 дней, пока они летали по фиксированному расписанию, которое включало базовый сбор данных с 5 днями утренних рейсов, четырьмя ранними рейсами, четырьмя высокорабочих полуденными рейсами и четырьмя поздними рейсами, которые приземлились после полуночи. Каждый рабочий блок был разделен на 3-4 дня отдыха. Для оценки сна, участники носили запястье изношенных научно-проверенных деятельности монитор непрерывно и завершена ежедневная сна дневники. Для оценки циркадной фазы пилотам было предложено собрать всю мочу, произведенную в четырех-восьми почасовых бункерах в течение 24 ч после каждого дежурного блока для оценки 6-сульфатоксимелатонина (aMT6s), который является биомаркером циркадного ритма. Для оценки субъективной усталости и объективной работы участникам было предоставлено устройство с сенсорным экраном, используемое для завершения шкалы усталости Самн-Перелли и задачи психомоторной бдительности (PVT) во время и после каждого полета, а также в будильнике, в середине дня, и Сном. Используя эти методы, было установлено, что продолжительность сна была сокращена во время ранних стартов и поздних отделоков относительно базовой линии. Циркадная фаза смещалась в соответствии с графиком пошлин, но в пике aMT6 s был широкий диапазон между людьми по каждому графику. Производительность PVT была хуже на ранних, высокой рабочей нагрузке и поздних графиках по отношению к базовому показателю. В целом, сочетание этих методов было практичным и эффективным для оценки влияния потери сна и циркадной фазы на усталость и производительность в сложной рабочей среде.
Усталость, вытекающая из потери сна и циркадного несоответствия, представляет собой серьезную угрозу для безопасности в профессиях, которые требуют 24 ч операций, нерегулярные графики, и расширенные часы работы1,2. Лабораторные исследования сыграли важную роль в характеристике того, как изменения в продолжительности сна и времени влияют на последующую бдительность и производительность3,4,5. Эти исследования составляют основу для рекомендаций по управлениюрисками усталости и практики планирования работы в оперативных средах 6.
В данной рукописи, полее изучение деятельностей авиации использовано для того чтобы продемонстрировать подход для собирать данные сна, циркадного, усталости, и данных представления в сложных рабочих установках7. Мы изучили 44 пилотов авиакомпаний в течение 34 дней, в то время как они летели по расписанию, которое включало периоды утренних рейсов, ранних рейсов, высокорабочих полуденных рейсов и поздних рейсов, которые приземлились после полуночи. Каждый рабочий блок был разделен на 3-4 дня отдыха. Пилоты собирали объективные и субъективные данные за весь учебный период, включая как полетную службу, так и дни отдыха.
Учитывая различия между лабораторными и реальными условиями, осуществление стратегий и контрмер, разработанных в лаборатории, не всегда приводит к операциям, как ожидалось. Индивидуальные различия, широкий спектр графиков работы, нерегулярные и непредсказуемые операции, организационная практика и культура, а также трудовые соглашения являются одними из факторов, которые могут осложнить применение науки в практической оперативного использования. В результате важно оценить влияние таких вмешательств с помощью последовательных и надежных методов оценки сна, циркадных ритмов, усталости или бдительности и производительности. Уровень мониторинга и сбора данных должен быть пропорционален ожидаемым уровнямусталости и связанным с этим рисками для безопасности в рамках операции 8. Кроме того, в любых условиях, чувствительных к безопасности, поддержание безопасной эксплуатации имеет первостепенное значение для протокола расследования.
Золотой стандартный метод для оценки продолжительности сна и качества с помощью полисомнографии (PSG), которая включает в себя измерение активности мозга, частота сердечных приступов, движения глаз и мышечной активности через набор электродов и датчиков, размещенных на коже головы, лице, и грудь. Несмотря на надежность, PSG не практично для сбора информации о сне в большинстве оперативных условиях. Многие носимые устройства были разработаны для оценки времени сна, продолжительности и качества, но лишь немногие из них были проверены9,10. Сочетание запястья изношенных актиграфии и ежедневные дневники сна были широко использованы для оценки сна в полевых исследованиях по целому ряду профессий11,12,13,14 и были проверены против PSG, показывая согласованность для продолжительности сна15. Кроме того, использование актиграфии и дневников сна для полевых исследований ставит низкое бремя усилий на участников исследования, потому что большинство устройств актиграфии носят на недоминирующих запястье и только удалены для душа или плавания, так же, как наручные часы. Аналогичным образом, хорошо продуманный дневник сна, представленный на телефоне или сенсорном экране устройства, как правило, могут быть завершены участниками менее чем за две минуты.
Цикл сна-бодрствования координируется циркадным кардиостимулятором, расположенным в супрахиазматических ядрах гипоталамуса16. Этот кардиостимулятор также синхронизирует многие другие аспекты биологической функции, такие как температура тела и гормональные ритмы (например, мелатонин и кортизол). Эндогенный циркадный ритм близок к, но не совсем, 24 ч; поэтому его необходимо сбросить каждый день, чтобы обеспечить стабильную синхронизацию (т.е. увечение) до 24 ч. Основным агентом сброса циркадного кардиостимулятора является свет. В оперативных средах, требующих нестандартных графиков и 24 ч операций, может произойти циркадная несогласованность, в которой циркадный привод для сна совпадает с запланированной работой11. Можно определить, когда циркадный кардиостимулятор способствует сну и пробуждению, измеряя пиковое время (т.е. циркадную фазу) ритмов биологических сигналов, которые контролируются циркадным ритмом.
Важно измерить циркадный этап после осуществления контрмер, с тем чтобы лучше понять, являются ли такие методы успешными в приведении циркадного кардиостимулятора к навязанного графику работы. Многие выходы циркадной системы, используемые для определения фазы в лабораторных условиях, подвержены маскировке, что делает их непригодными для использования в полевых условиях. Например, циркадные изменения температуры тела трудно обнаружить у свободно живущих людей, которые могут участвовать в таких видах деятельности, как физические упражнения, которые изменяют температуру тела. Мелатонин остро подавляется воздействием света, что делает сбор мелатонина в крови или слюне невозможным в ситуациях, когда свет не контролируется. Тем не менее, 6-сульфатоксимелатонин (aMT6s), основной метаболит мелатонина, выделяется в моче и в меньшей степени зависит от маскировочного воздействия света, что делает его идеальным кандидатом для измерения циркадной фазы в рабочей среде17, 18.
В дополнение к измерению изменений в физиологии, важно также измерить влияние изменений рабочего графика на субъективную усталость или бдительность. Хотя Есть несколько весов для измерения различных аспектов бдительности и усталости, наиболее часто используемых в авиации являются 7-точка Самн-Перелли Усталость шкала (SP)19 и 9-точка Каролинска Сонливость шкала (KSS)20. SP также широко используется в полевых исследованиях рабочих смены по широкому кругу профессий21,22,23,24. KSS была проверена против объективных показателей сонливости, таких как электроэнцефалография (ЭЭГ) и медленные движения подвижного состава20,25,а также производительность25. Эта шкала широко используется в исследованиях как в лаборатории, так и в поле24,26. Могут быть и другие субъективные шкалы, подходящие для различных смен или профессиональных сред. Важно выбрать шкалу, которая была проверена и в идеале имеет значимые пороговые значения для уровней “приемлемой” бдительности. Например, оценки KSS более 7 связаны с высоким уровнем физиологических признаков сонливости и нарушения производительности вождения25,27, в то время как Рейтинги Самн-Перелли напрямую относятся к летным обязанностям28. Для исследования, описанного в этой рукописи, Самн-Перелли был использован, потому что он был первоначально разработан как субъективная мера усталости в изучении населения, состоящего из пилотов. 28
Хотя измерение сна и циркадной фазы является важным компонентом в оценке вмешательства, основным результатом интереса к полевым исследованиям, как правило, является объективная производительность. Есть целый ряд тестов, которые были разработаны для оценки когнитивных функций, но наиболее чувствительный и надежный тест для измерения последствий потери сна и циркадных выравнивания психомоторных бдительности задачи (PVT). Оригинальный PVT (PVT-192) является простым тестом времени реакции, где человек представлен с стимулом и поручил реагировать на стимул, нажав кнопку как можно быстрее29. PVT был проверен в условиях острой и хронической потерисна и циркадной несогласованности 4,5,30. Продолжительность задачи может быть разной в зависимости от конструкции исследования31,32; хотя, традиционная продолжительность 10 мин предпочтительнее в лабораторных исследованиях33,34. в то время как 5 мин продолжительность PVT, как правило, более осуществима в полевых исследованиях, где оперативные требования могут помешать администрированию теста35.
Кроме того, PVT показывает практически никаких эффектов обучения и прост в использовании, что делает его практическим тестом для развертывания в полевых средах, где участники исследования не могут наблюдаться во время тестирования36. Повсеместное использование устройств с сенсорным экраном позволяет легко развертывать PVT, но исследователи должны быть осторожны при реализации PVT, потому что есть множество аспектов сенсорных устройств, которые могут ввести ошибку в сборе данных PVT37 ,38. Например, различные аппаратные и программные комбинации имеют разные системные протективные, а другие приложения, работающие в фоновом режиме, могут вводить неизвестную ошибку в записанное время реакции. В результате, важно собирать данные PVT с помощью проверенного PVT, с последовательным оборудованием и программным обеспечением, с WiFi, и со всеми другими приложениями выключен. Кроме того, учитывая, что нецелесообразно наблюдать участников исследования во время испытаний в рабочей среде, очень важно, чтобы участники обучены, чтобы завершить каждый PVT с устройством в той же ориентации, используя тот же палец38, 39.
Каждый из этих элементов сбора данных имеет важное значение, и эти инструменты были использованы в других оперативных исследований в последние40,41,42,43. Однако, в дополнение к описанным выше проблемам, может быть трудно добиться соблюдения процедур исследования, когда от участников требуется самостоятельно выполнять задачи, особенно когда такие задачи включают в себя чувствительный к времени компонент. Последним элементом, который имеет важное значение для сбора данных в оперативных средах, является организация информации таким образом, чтобы людям было легко выполнять задачи в срок. Приложение NASA PVT для устройств с сенсорным экраном может быть настроено для представления задач участникам в последовательности, направляя их через процедуры исследования. Например, в представленном здесь исследовании пилоты авиакомпаний оснащены сенсорными устройствами, предварительно загруженными приложением, которое используется для заполнения дневников сна каждое утро и вечер. Устройства также используются для завершения испытаний PVT и усталости рейтинги, среди других задач, утром, на верхней части спуска (TOD) каждого полета, после полета, и вечером перед сном. Такое представление информации позволило пилотам завершить процедуры обучения с минимальными неудобствами для выполнения своих рабочих задач.
Это может быть очень трудно собрать данные среди пилотов, так как характер работы требует от них путешествовать на большие расстояния и работать в ограниченных пространствах (т.е. кабины) со многими отвлекаться и часто непредсказуемые нагрузки. Несмотря на эти проблемы, очень важно собрать данные в этой популяции, потому что усталость пилотов представляет угрозу для безопасных авиационных операций40,44,45. Высокая интенсивность деятельности авиакомпаний способствует ухудшению работы экипажа и повышает риск инцидентов, связанных с усталостью,46,47,49,50. Используя сочетание описанных выше методов, мы измерили сон, циркадные ритмы, усталость и производительность среди 44 пилотов ближнемагистральных авиакомпаний в течение 34 дней. В ходе исследования пилоты выполняли рейсы по фиксированному расписанию, которое включало базовый сбор данных с 5 днями утренних рейсов, четырьмя ранними рейсами, четырьмя высокорабочих полуденными рейсами и четырьмя поздними рейсами, приземляясь после полуночи. Каждый рабочий блок был разделен на 3-4 дня отдыха. Эти результаты демонстрируют, как всеобъемлющий сбор данных, включая измерения сна, циркадные ритмы, усталость и производительность, может быть использован в рабочей среде.
В этом случае целью исследования было оценить сон, циркадные ритмы, усталость и производительность по времени начала работы следующим образом. 1) Базовый униза: во время первого блока службы, все пилоты работали 5 дней, что каждый включал два полета около 2 ч каждый, начиная с середины утра, чтобы обеспечить адекватный эпизод ночного сна. За этим блоком последовало 4 дня отдыха. 2) Ранние старты: во время раннего блока службы, все пилоты работали 5 дней, что каждый включал два рейса около 2 ч, каждый из которых начинается примерно с 5:00 утра и 8:00 утра. За этим блоком последовало 3 дня отдыха. 3) Высокая нагрузка смены в середине дня: во время полуденного блока службы, все пилоты работали 5 дней, каждый из которых включал 2-4 рейса по 2-6 ч каждый, начиная примерно с середины дня. За этим блоком последовало 3 дня отдыха. 4) Поздняя отделка: во время позднего блока службы, все пилоты работали 5 дней, которые включали два рейса около 3 ч каждый, начиная с конца дня около 4:00 вечера и заканчивая около полуночи. За этим блоком последовало 3 дня отдыха.
Методы, описанные в этой рукописи, дают представление о структуре сна, циркадных фазах, рейтингах усталости и выступлениях пилотов во время дневных полетов, включая ранние запуски, высокую нагрузку в середине дня и поздние окончания. Сочетание этих методов показало, что на все эти факторы влияют скромные изменения времени начала работы и рабочей нагрузки. Оценивая систематический график исследований и интегрируя эти меры в простое в использовании приложение с сенсорным экраном, большой объем данных был собран в сложных условиях. Использование этого сочетания методов позволило более четко интерпретировать изменения в бдительности и производительности в нетрадиционные дневные рабочие смены.
Эта конструкция и реализация методов измерения объективного сна, циркадных, усталостных и производительность данных имеют решающее значение в обеспечении определения того, как время начала работы влияет на пилотов во время дневных полетов в отсутствие биоритмов. Протокол был разработан для обеспечения систематического сопоставления условий, а также минимизации неудобств для участников и максимального сбора данных в оперативно соответствующие сроки. Это важнейшие шаги по сбору значимых данных в оперативных средах. Эти меры были подтверждены как в лабораторных, так и в полевых исследованиях, что важно для интерпретации результатов. Хотя исследование было разработано для того, чтобы участники могли самостоятельно завершить процедуры обучения, предучебное брифингимеет сядек имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы добровольцы понимали процедуры исследования и важность поддержания согласованности при завершении тесты и вопросы, особенно для PVT.
Вывод о том, что продолжительность сна и изменения сроков в зависимости от времени начала работы согласуется с предыдущими исследованиями в небольших образцах людей, которые использовали PSG для оценки времени сна59,60. Хотя ранние старты и поздние финиши могут посягать на время сна, большая выборка данных, собранных в оперативной среде, дает представление о неожиданных способах, которыми участники теряют сон. Например, зона обслуживания пробуждения, которая представляет собой сильнейший диск бодрствования, возникает непосредственно перед обычным сном. В лабораторных исследованиях, участники были показаны, что испытывают трудности со сном во время зоны обслуживания бодрствования61,62,63. Ожидалось, что участники могут попытаться лечь спать на несколько часов раньше, чем обычно, чтобы подготовиться к ранним стартам. Ожидалось также, что в результате попытки начать сон во время зоны обслуживания после, участники могут проявлять длительную задержку сна во время сна, предшествующего ранним стартам; однако это не так. Эти данные подчеркивают важные различия между лабораторией и полем и свидетельствуют о необходимости сбора данных о сне в оперативных условиях.
Хотя циркадная информация о фазе была получена в подмножестве индивидуумов, изменения циркадной фазы, наблюдаемые в каждом типе расписания, отражают изменения, наблюдаемые во времени сна. Добавление циркадной фазы к этому протоколу повысило способность понимать, почему оценки усталости и производительность изменились при начале работы. Оповещение и производительность следуют циркадный ритм, с самой низкой бдительности и беднейших производительности, как правило, совпадает со сроками aMT6s акрофазы. Хотя было установлено, что циркадные ритмы большинства участников сместились в ожидаемом направлении по отношению к навязанного рабочего графика, было также установлено, что этот сдвиг был переменным между отдельными лицами. Это говорит о том, что некоторым людям может быть труднее адаптироваться к ранним или поздним графикам, что приводит к скромному циркадное несогласованность. Сочетание этих методов способствовало более эффективному толкованию этих выводов.
Собранные данные о сне также позволили лучше понять, почему оценки усталости и производительность изменились по сравнению с различными графиками работы. Например, было установлено, что во время ранних стартов и поздних финишей, Рейтинги Самн-Перелли и PVT производительность была беднее с каждым из этих графиков. Это имеет смысл, потому что пилоты получили меньше сна во время ранних стартов и поздних финишей по отношению к базовому, что означало, что они начисляли долги сна с каждым днем по этим графикам. В отличие от этого, производительность PVT также была более низкой с каждым днем во время высокой рабочей нагрузки в середине дня графики начала. В течение полуденного графика количество сна, полученное пилотами, не отличалось от продолжительности сна во время сбора исходных данных. В результате этого вывода следует, что более низкие показатели, наблюдаемые в середине дня, вряд ли будут обусловлены острым ограничением сна. Было бы очень трудно интерпретировать оценки усталости и данные о производительности без данных сна, что делает сочетание этих методов важным.
Хотя эти методы были разработаны и успешно реализованы, этот подход может повлечь за собой некоторые проблемы. Например, возможно, что участники могут забыть, когда и как завершить некоторые процедуры. Полезно регулярно общаться с добровольцами, чтобы подтвердить, что они выполняют задания в соответствии с протоколом, особенно на первом этапе сбора мочи. Кроме того, риск потери данных увеличивается по мере увеличения продолжительности исследования, поскольку люди могут потерять или повредить свои учебные устройства. Если исследование запланировано на несколько недель, как это было в случае с данным исследованием, то может быть желательно загрузить данные в середине исследования, чтобы уменьшить потенциальную потерю данных и пересмотреть соответствие протоколу. Недостаточное или отсутствующее количество данных может снизить интерпретацию результатов, поэтому необходимо позаботиться о том, чтобы люди собирали данные надлежащим образом.
Есть много возможных приложений для этих методов в других рабочих условиях. Эти методы могут быть использованы для характеристики сна, циркадной фазы, усталости и производительности в профессиях с необычной практикой планирования или экологическими соображениями, например во время космических полетов или военных операций. Кроме того, существует много перспективных мероприятий и контрмер, оцениваемых в лабораторных условиях, таких как использование синего обогащенного света для ускорения сдвига циркадной фазы, стратегическое визирование на рабочем месте, гипнотики для максимального сна возможности, и стимуляторы, такие как кофеин для повышения бдительности. Хотя такие подходы могут быть доказаны как эффективные в контролируемых лабораторных условиях, развертывание таких инструментов и технологий в оперативных условиях должно быть оценено для подтверждения их эффективности в снижении усталости в реальном мире. Сочетание актиграфии, дневников сна, циркадной фазовой информации, рейтингов усталости и сбора PVT в сочетании с простым в использовании программным приложением для облегчения администрирования задач обеспечивает адекватные данные для оценки эффективности вмешательства. Сочетание этих методов имеет значительный переводческий потенциал для других сложных оперативных сред, где может быть трудно развернуть более инвазивные усилия по сбору данных.
The authors have nothing to disclose.
Мы благодарим участников исследования и персонал авиакомпаний за их поддержку в сборе данных. Мы также благодарим членов Лаборатории по борьбе с усталостью в Исследовательском центре НАСА Эймс за помощь в этом проекте. Это исследование было поддержано программой безопасности системы НАСА.
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. |
Medline DYND30261 Zip-Style Biohazard Specimen Bags, Plastic, Latex Free, 9" Length, 6" Width, Clear | Medline Industries, Inc., Northfield IL | DYND30261 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Medline DYND80024 24 hours Urine Collection Bottle, 3000 mL | Medline Industries, Inc., Northfield IL | DYND80024 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Moveland 3ml Disposable Plastic Transfer Pipettes | Moveland | ||
Nordic Ice NOR1038 No-Sweat Reusable Long-Lasting Gel Pack, 16 oz. (Pack of 3) | Nordic Cold Chain Solutions | 0858687005050 | |
Office Depot Brand Print-Or-Write Color Permanent Inkjet/Laser File Folder Labels, OD98817, 5/8" x 3 1/2", Dark Blue | Office Depot, Inc.Boca Raton FL, USA | 660-426 | |
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 |