La perdita di sonno e il disallineamento circadiano contribuiscono a numerosi incidenti operativi e incidenti. L’efficacia delle contromisure e dei progetti di programmazione del lavoro volti a mitigare la fatica può essere difficile da valutare in ambienti operativi. Questo manoscritto riassume un approccio per la raccolta di dati di sonno, circadiano, fatica e prestazioni in ambienti operativi complessi.
La perdita di sonno e il disallineamento circadiano contribuiscono a una percentuale significativa di incidenti e incidenti operativi. Le contromisure e i progetti di programmazione del lavoro volti a mitigare l’affaticamento sono in genere valutati in ambienti di laboratorio controllati, ma l’efficacia della traduzione di tali strategie in ambienti operativi può essere difficile da valutare. Questo manoscritto riassume un approccio per raccogliere dati di sonno, circadiano, fatica e prestazioni in un ambiente operativo complesso. Abbiamo studiato 44 piloti di compagnie aeree per oltre 34 giorni mentre volavano un programma fisso, che includeva una raccolta di dati di base con 5 giorni di voli di metà mattina, quattro voli in anticipo, quattro voli di metà giornata ad alto carico di lavoro e quattro voli in ritardo che sono atterrati dopo la mezzanotte. Ogni blocco di lavoro è stato separato da 3-4 giorni di riposo. Per valutare il sonno, i partecipanti indossavano un monitor di attività convalidato dalla ricerca consumata dal polso continuamente e completavano i diari del sonno giornalieri. Per valutare la fase circadiana, ai piloti è stato chiesto di raccogliere tutte le urine prodotte in quattro o otto bidoni orari durante le 24 ore dopo ogni blocco di dazio per la valutazione di 6-sulfatoxymelatonin (aMT6s), che è un biomarcatore del ritmo circadiano. Per valutare l’affaticamento soggettivo e le prestazioni oggettive, ai partecipanti è stato fornito un dispositivo touch screen utilizzato per completare il Samn-Perelli Fatigue Scale e Psychomotor Vigilance Task (PVT) durante e dopo ogni volo, e al risveglio, metà giornata, e Coricarsi. Utilizzando questi metodi, si è scoperto che la durata del sonno è stata ridotta durante le partenze iniziali e le finiture tardive rispetto alla linea di base. Fase circadiana spostato secondo il programma di dovere, ma c’era una vasta gamma nel picco aMT6s tra gli individui in ogni programma. Le prestazioni del PVT sono state peggiori nelle prime fasi, nei carichi di lavoro elevati e nelle pianificazioni tardive rispetto al basale. Nel complesso, la combinazione di questi metodi è stata pratica ed efficace per valutare l’influenza della perdita di sonno e della fase circadiana sulla fatica e le prestazioni in un ambiente operativo complesso.
La fatica, dovuta alla perdita di sonno e al disallineamento circadiano, è una grave minaccia per la sicurezza nelle occupazioni che richiedono 24 ore di funzionamento, orari irregolari e ore di lavoro prolungate1,2. La ricerca di laboratorio è stata determinante nel caratterizzare come i cambiamenti nella durata del sonno e nella tempistica influenzano la successiva vigilanza e le prestazioni3,4,5. Questi studi costituiscono la base per le raccomandazioni di gestione del rischio di affaticamento e le pratiche di programmazione del lavoro negli ambienti operativi6.
In questo manoscritto, uno studio sul campo delle operazioni aeronautiche viene utilizzato per dimostrare un approccio per la raccolta di dati di sonno, circadiano, fatica e prestazioni in complesse impostazioni operative7. Abbiamo studiato 44 piloti di compagnie aeree per oltre 34 giorni mentre volavano un programma che includeva periodi di voli di metà mattina, voli in anticipo, voli di metà giorno ad alto carico di lavoro e voli in ritardo che sono atterrati dopo la mezzanotte. Ogni blocco di lavoro è stato separato da 3-4 giorni di riposo. I piloti hanno raccolto dati oggettivi e soggettivi per l’intero periodo di studio, compresi i giorni di volo e di riposo.
Date le differenze tra ambienti di laboratorio e ambienti reali, l’implementazione di strategie e contromisure sviluppate in laboratorio non sempre si traducono in operazioni come previsto. Differenze individuali, un’ampia gamma di orari di lavoro operativi, operazioni irregolari e imprevedibili, pratiche organizzative e cultura, e accordi di lavoro sono alcuni dei fattori che possono complicare l’applicazione della scienza in pratica uso operativo. Di conseguenza, è importante valutare l’impatto di tali interventi utilizzando metodi coerenti e affidabili per valutare il sonno, i ritmi circadiani, la fatica o la vigilanza e le prestazioni. Il livello di monitoraggio e raccolta dei dati deve essere mantenuto proporzionale ai livelli previsti di affaticamento e ai rischi associati alla sicurezza nell’ambito di un’operazione8. Inoltre, in qualsiasi ambiente sensibile alla sicurezza, il mantenimento di operazioni sicure è fondamentale per il protocollo investigativo.
Il metodo gold standard per valutare la durata e la qualità del sonno è attraverso la polisonnografia (PSG), che comporta la misurazione dell’attività cerebrale, della frequenza cardiaca, del movimento degli occhi e dell’attività muscolare attraverso una raccolta di elettrodi e sensori posizionati sul cuoio capelluto, sul viso, e petto. Anche se robusto, PSG non è pratico per la raccolta di informazioni sul sonno nella maggior parte degli ambienti operativi. Molti dispositivi indossabili sono stati sviluppati per stimare la tempistica, la durata e la qualità del sonno, ma pochi sono stati convalidati9,10. La combinazione di attività indossata da polso e diari del sonno quotidiani è stata ampiamente utilizzata per stimare il sonno negli studi sul campo in una serie di occupazioni11,12,13,14 e sono stati convalidati contro il PSG, mostrando concordanza per la durata del sonno15. Inoltre, l’utilizzo di attività e diari del sonno per gli studi sul campo pone un basso onere di sforzo sui partecipanti allo studio, perché la maggior parte dei dispositivi di attività sono indossati sul polso non dominante e rimossi solo per la doccia o il nuoto, proprio come un orologio da polso. Allo stesso modo, un diario del sonno ben progettato, presentato su un telefono o un dispositivo touch-screen, in genere può essere completato dai partecipanti in meno di due min.
Il ciclo sonno-veglia è coordinato dal pacemaker circadiano situato nei nuclei soprachiasmatici dell’ipotalamo16. Questo pacemaker sincronizza anche molti altri aspetti della funzione biologica come la temperatura corporea e i ritmi ormonali (ad esempio, melatonina e cortisolo). Il ritmo circadiano endogeno è vicino, ma non esattamente, 24 h; pertanto, deve essere reimpostato ogni giorno per consentire una sincronizzazione stabile (cioè l’intrappolamento) al giorno di 24 ore. L’agente di reimpostazione principale del pacemaker circadiano è la luce. Negli ambienti operativi che richiedono pianificazioni non standard e operazioni di 24 ore, può verificarsi un disallineamento circadiano, in cui l’unità circadiana per dormire coincide con il lavoro programmato11. È possibile determinare quando il pacemaker circadiano sta promuovendo il sonno e la veglia misurando la tempistica di picco (cioè la fase circadiana) dei ritmi dei segnali biologici che sono controllati dal ritmo circadiano.
È importante misurare la fase circadiana dopo l’attuazione delle contromisure al fine di comprendere meglio se tali tecniche sono riuscite ad allineare il pacemaker circadiano con il programma di lavoro imposto. Molte delle uscite del sistema circadiano utilizzato per determinare la fase nelle impostazioni di laboratorio sono soggette a mascheramento, rendendole inadatte all’uso in un ambiente di campo. Ad esempio, i cambiamenti circadiani della temperatura corporea sono difficili da rilevare in individui liberi che possono impegnarsi in attività come l’esercizio fisico che altera la loro temperatura corporea. La melatonina è acutamente soppressa dall’esposizione alla luce, rendendo impossibile la raccolta di melatonina nel sangue o nella saliva in situazioni in cui la luce non può essere controllata. Tuttavia, 6-sulfatoxymelatonina (aMT6s), il principale metabolita della melatonina, viene espulso nelle urine ed è meno influenzato dagli effetti di mascheramento della luce, rendendolo un candidato ideale per misurare la fase circadiana in ambienti operativi17, 18.
Oltre a misurare i cambiamenti nella fisiologia, è anche importante misurare l’impatto dei cambiamenti del programma di lavoro sulla fatica soggettiva o sulla vigilanza. Mentre ci sono diverse scale disponibili per misurare diversi aspetti di vigilanza e fatica, il più comunemente utilizzato in aviazione sono il 7-point Samn-Perelli Scala fatica (SP)19 e 9-point Karolinska Sleepiness Scale (KSS)20. L’SP è anche comunemente usato negli studi sul campo dei turnisti in una vasta gamma di occupazioni21,22,23,24. Il KSS è stato convalidato in base a misure oggettive di sonnolenza come l’elettroencefalografia (EEG) e i movimenti lenti dell’occhio di rotolamento20,25, così come le prestazioni25. Questa scala è comunemente utilizzata negli studi sia in laboratorio che nel campo24,26. Ci possono essere altre scale soggettive che sono appropriate per diversi turni o ambienti professionali. È importante scegliere una scala che è stata convalidata e idealmente ha soglie significative per i livelli di vigilanza “accettabile”. Ad esempio, i punteggi KSS su 7 sono associati ad alti livelli di segni fisiologici di sonnolenza e prestazioni di guida compromesse25,27, mentre le valutazioni Samn-Perelli si riferiscono direttamente ai compiti di volo28. Per lo studio descritto in questo manoscritto, è stato utilizzato il Samn-Perelli, perché è stato originariamente sviluppato come misura di fatica soggettiva in una popolazione di studio composta da piloti. 28 mi la più del 24
Anche se la misurazione del sonno e della fase circadiana è una componente importante nella valutazione di un intervento, un risultato primario di interesse per gli studi sul campo è in genere prestazioni oggettive. Ci sono una varietà di test che sono stati sviluppati per valutare le prestazioni cognitive, ma il test più sensibile e affidabile per misurare gli effetti della perdita di sonno e disallineamento circadiano è il Sforzo Vigilanza Psicomotora (PVT). Il PVT originale (PVT-192) è un semplice test del tempo di reazione, in cui a un individuo viene presentato uno stimolo e viene richiesto di rispondere allo stimolo premendo un pulsante il più rapidamente possibile29. Il PVT è stato convalidato in condizioni di perdita di sonno acuta e cronica e disallineamento circadiano4,5,30. La durata del compito può essere variata in base alla progettazione dello studio31,32; anche se, la durata tradizionale di 10 min è preferito negli studi di laboratorio33,34. mentre un PVT di durata di 5 min è in genere più fattibile negli studi sul campo in cui le richieste operative possono interferire con la somministrazione del test35.
Inoltre, il PVT mostra pochi o nessun effetto di apprendimento ed è semplice da usare, rendendolo un test pratico per la distribuzione in ambienti sul campo in cui i partecipanti allo studio non possono essere osservati durante i test36. L’ubiquità dei dispositivi touch-screen consente una facile distribuzione del PVT, ma i ricercatori dovrebbero essere cauti quando si implementa il PVT, perché ci sono numerosi aspetti dei dispositivi touch-screen che possono introdurre errori nella raccolta di dati PVT37 ,38. Ad esempio, diverse combinazioni hardware e software hanno latenze di sistema diverse e altre applicazioni in esecuzione in background possono introdurre errori sconosciuti nei tempi di reazione registrati. Di conseguenza, è importante raccogliere dati PVT utilizzando un PVT convalidato, con hardware e software coerenti, con WiFi e con tutte le altre applicazioni disattivate. Inoltre, dato che non è pratico osservare i partecipanti allo studio durante i test in ambienti operativi, è fondamentale che i partecipanti siano addestrati a completare ogni PVT con il dispositivo con lo stesso orientamento, utilizzando lo stesso dito38, 39.
Ognuno di questi elementi di raccolta dei dati è importante e questi strumenti sono stati utilizzati in altri studi operativi negli ultimi40,41,42,43. Tuttavia, oltre alle sfide descritte in precedenza, può essere difficile ottenere la conformità alle procedure di studio quando i partecipanti sono tenuti a completare le attività in modo indipendente, soprattutto quando tali attività includono una componente sensibile al tempo. Un elemento finale importante nella raccolta dei dati negli ambienti operativi è l’organizzazione delle informazioni in modo da semplificare il completamento tempestivo delle attività da parte degli utenti. L’applicazione NASA PVT per dispositivi touchscreen può essere personalizzata per presentare le attività ai partecipanti in sequenza, guidandoli attraverso procedure di studio. Ad esempio, nello studio qui presentato, i piloti delle compagnie aeree sono dotati di dispositivi touchscreen precaricati con un’applicazione che viene utilizzata per completare i diari del sonno ogni mattina e sera. I dispositivi sono utilizzati anche per completare i test PVT e le valutazioni della fatica, tra le altre attività, al mattino, al top di discesa (TOD) di ogni volo, post-volo e la sera prima di andare a letto. Questa presentazione di informazioni ha permesso ai piloti di completare le procedure di studio con il minimo inconveniente per i loro compiti legati al lavoro.
Può essere molto difficile raccogliere dati tra i piloti, in quanto la natura del lavoro richiede loro di percorrere lunghe distanze e lavorare in spazi ristretti (cioè cabine di pilotaggio) con molte distrazioni e carichi di lavoro spesso imprevedibili. Nonostante queste sfide, è fondamentale raccogliere dati in questa popolazione, perché la fatica del pilota è una minaccia per le operazioni di aviazione sicure40,44,45. L’elevata intensità delle operazioni aeree favorisce il degrado delle prestazioni dell’equipaggio e aumenta il rischio di incidenti legati alla fatica46,47,48,49,50. Utilizzando la combinazione di metodi descritti sopra, abbiamo misurato il sonno, i ritmi circadiani, la fatica e le prestazioni tra 44 piloti di compagnie aeree a corto raggio nell’arco di 34 giorni. Durante lo studio, i piloti hanno volato un programma fisso che includeva una raccolta di dati di base con 5 giorni di voli di metà mattina, quattro voli in anticipo, quattro voli di metà giorno ad alto carico di lavoro e quattro voli in ritardo atterrati dopo la mezzanotte. Ogni blocco di lavoro è stato separato da 3-4 giorni di riposo. Questi risultati dimostrano come la raccolta completa dei dati, comprese le misure del sonno, i ritmi circadiani, la fatica e le prestazioni, possa essere utilizzata in ambienti operativi.
In questo caso, lo scopo dello studio era quello di valutare il sonno, i ritmi circadiani, la fatica e le prestazioni in base all’ora di inizio del dovere come segue. 1) Linea di base: durante il primo blocco di servizio, tutti i piloti hanno lavorato 5 giorni, ciascuno dei quali comprendeva due voli di circa 2 h ciascuno, a partire dalla metà del mattino, per consentire un adeguato episodio di sonno notturno. Questo blocco è stato seguito da 4 giorni di riposo. 2) Inizio anticipato: durante il blocco anticipato, tutti i piloti lavoravano 5 giorni, ciascuno con due voli di circa 2 ore, ciascuno a partire dalle 5:00 e dalle 8:00. Questo blocco è stato seguito da 3 giorni di riposo. 3) Turni ad alto carico di lavoro a metà giornata: durante il blocco di servizio di metà giornata, tutti i piloti lavoravano 5 giorni, ciascuno dei quali comprendeva 2-4 voli di 2-6 h ciascuno, a partire da circa metà giornata. Questo blocco è stato seguito da 3 giorni di riposo. 4) Finiture tardive: durante il blocco di servizio tardivo, tutti i piloti hanno lavorato 5 giorni, che comprendevano due voli di circa 3 h ciascuno, a partire dal tardo pomeriggio intorno alle 16:00 e terminando intorno a mezzanotte. Questo blocco è stato seguito da 3 giorni di riposo.
I metodi descritti in questo manoscritto forniscono informazioni sui modelli di sonno, le fasi circadiane, le valutazioni della fatica e le prestazioni dei piloti durante i voli diurni, tra cui partenze anticipate, voli a metà giornata ad alto carico di lavoro e finiture tardive. La combinazione di questi metodi ha dimostrato che questi fattori sono tutti influenzati da modesti cambiamenti nell’ora di inizio e nel carico di lavoro del lavoro. Valutando un programma di studio sistematico e integrando queste misure in un’applicazione touch-screen di facile utilizzo, una grande quantità di dati è stata raccolta in un ambiente difficile. L’utilizzo di questa combinazione di metodi ha consentito un’interpretazione più chiara dei cambiamenti nella vigilanza e nelle prestazioni durante i turni di lavoro diurni non tradizionali.
Questa progettazione e implementazione di metodi che misurano dati oggettivi sul sonno, circadiano, affaticamento e prestazioni sono stati fondamentali per consentire la determinazione di come il lavoro di avvio influenza i piloti durante i voli diurni in assenza di jet lag. Il protocollo è stato concepito per consentire confronti sistematici tra le condizioni, riducendo al contempo l’inconveniente per i partecipanti e massimizzando la raccolta dei dati a i tempi rilevanti dal punto di vista operativo. Si tratta di passaggi critici per la raccolta di dati significativi in ambienti operativi. Le misure sono state convalidate sia negli studi di laboratorio che in quelli sul campo, il che è importante per l’interpretazione dei risultati. Sebbene lo studio sia stato progettato per consentire ai partecipanti di completare le procedure di studio in modo indipendente, la sessione di briefing pre-studio è stata fondamentale per garantire che i volontari comprendessero le procedure di studio e l’importanza di mantenere la coerenza al completamento test di studio e domande, in particolare per il PVT.
La scoperta che la durata del sonno e la tempistica cambiano in base all’ora di inizio del lavoro è coerente con studi precedenti in campioni più piccoli di individui che hanno utilizzato il PSG per valutare il tempo di sonno59,60. Anche se ci si può aspettare che le partenze anticipate e le finiture tardive invadano la tempistica del sonno, l’ampio campione di dati raccolti in un ambiente operativo fornisce informazioni sui modi imprevisti in cui i partecipanti perdono il sonno. Ad esempio, la zona di manutenzione della veglia, che rappresenta l’unità più forte per essere sveglio, si verifica appena prima di un’ora di sonno abituale. Negli studi di laboratorio, i partecipanti hanno dimostrato di avere difficoltà a dormire durante la zona di vegliasveglia 61,62,63. Ci si aspettava che i partecipanti possano provare ad andare a letto poche ore prima del normale per prepararsi per le partenze anticipate. Ci si aspettava anche che, come risultato del tentativo di avviare il sonno durante la zona di manutenzione della veglia, i partecipanti possano presentare una lunga latenza del sonno durante il sonno precedente alle partenze anticipate; tuttavia, questo non era il caso. Questi dati evidenziano importanti differenze tra il laboratorio e il campo e dimostrano la necessità di raccogliere i dati del sonno in ambienti operativi.
Anche se le informazioni sulla fase circadiana sono state ottenute in un sottoinsieme di individui, i cambiamenti di fase circadiana osservati in ogni tipo di programma rispecchiavano i cambiamenti osservati nella tempistica del sonno. L’aggiunta della fase circadiana a questo protocollo ha migliorato la capacità di comprendere perché le valutazioni della fatica e le prestazioni sono cambiate in base al tempo di inizio del lavoro. La vigilanza e le prestazioni seguono un ritmo circadiano, con la vigilanza più bassa e le prestazioni più scarse tipicamente in coincidenza con la temporizzazione dell’acrofase di aMT6s. Anche se si è scoperto che i ritmi circadiani della maggior parte dei partecipanti si spostavano nella direzione prevista rispetto al programma di lavoro imposto, si è anche scoperto che questo spostamento era variabile tra gli individui. Ciò suggerisce che alcuni individui possono avere più difficoltà ad adattarsi a orari precoci o tardivi, causando modesto disallineamento circadiano. La combinazione di questi metodi ha migliorato l’interpretazione di queste conclusioni.
I dati sul sonno raccolti hanno anche permesso di comprendere meglio perché le valutazioni della fatica e le prestazioni sono cambiate rispetto ai diversi orari di lavoro. Ad esempio, si è scoperto che durante le partenze anticipate e finali, le valutazioni samn-Perelli e le prestazioni PVT erano più scarse di giorno in ognuno di questi programmi. Questo ha senso, perché i piloti hanno ottenuto meno sonno durante le partenze anticipate e finiture tardive rispetto al basale, il che significava che stavano accumulando debito di sonno con ogni giorno su quegli orari. Al contrario, anche le prestazioni del PVT sono state più ridotte di giorno durante le pianificazioni di avvio di metà giornata con carico di lavoro elevato. Durante il programma di mezzogiorno, la quantità di sonno ottenuta dai piloti non era diversa dalla durata del sonno durante la raccolta dei dati di base. Di conseguenza, questa scoperta suggerisce che le prestazioni più scarse osservate durante gli orari di lavoro di mezzogiorno non erano probabilmente guidate da una restrizione del sonno acuta. Sarebbe stato molto difficile interpretare le valutazioni di fatica e i dati sulle prestazioni senza i dati di sonno, rendendo importante la combinazione di questi metodi.
Anche se questi metodi sono stati progettati e implementati con successo, questo approccio può comportare alcune sfide. Ad esempio, è possibile che i partecipanti dimentichino quando o come completare alcune procedure. È utile comunicare regolarmente con i volontari per confermare che stanno completando le attività secondo il protocollo, soprattutto durante la prima fase della raccolta delle urine. Inoltre, il rischio di perdita di dati aumenta con l’aumentare della durata dello studio, perché gli individui possono perdere o danneggiare i loro dispositivi di studio. Se uno studio è previsto per diverse settimane, come è stato il caso di questo studio, allora può essere auspicabile scaricare i dati al punto medio dello studio per ridurre la potenziale perdita di dati e rivedere la conformità con il protocollo. Dati insufficienti o mancanti possono ridurre l’interpretazione dei risultati, quindi occorre prestare attenzione per garantire che le persone raccolgono i dati in modo appropriato.
Esistono molte possibili applicazioni per questi metodi in altre impostazioni operative. Questi metodi possono essere utilizzati per caratterizzare il sonno, la fase circadiana, la fatica e le prestazioni nelle occupazioni con pratiche di pianificazione insolite o considerazioni ambientali, ad esempio durante il volo spaziale o le operazioni militari. Inoltre, ci sono molti interventi promettenti e contromisure valutati in ambienti di laboratorio, come l’uso di luce arricchita di blu per accelerare il cambiamento di fase circadiano, il pipping strategico sul posto di lavoro, l’ipnotica per massimizzare il sonno opportunità e stimolanti come la caffeina per migliorare la vigilanza. Anche se tali approcci possono essere dimostrati efficaci in condizioni di laboratorio controllate, l’impiego di tali strumenti e tecnologie in ambienti operativi deve essere valutato per confermare la loro efficacia nel ridurre la fatica nel mondo reale. La combinazione di attività, diari del sonno, informazioni di fase circadiana, valutazioni della fatica e raccolta PVT, combinata con un’applicazione software facile da usare per facilitare l’amministrazione delle attività, fornisce dati adeguati per valutare l’efficacia degli interventi. La combinazione di questi metodi ha un significativo potenziale di traduzione per altri ambienti operativi complessi, in cui potrebbe essere difficile implementare sforzi di raccolta dati più invasivi.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo i partecipanti allo studio e il personale delle compagnie aeree per il loro sostegno nella raccolta dei dati. Ringraziamo anche i membri del Fatigue Countermeasures Laboratory del NASA Ames Research Center per la loro assistenza in questo progetto. Questa ricerca è stata supportata dal Programma di Sicurezza A livello di Sistema della NASA.
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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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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 |