陳燕達(dá)，屠 彥，王莉莉，沈 莉，賀亞光

（東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210096）

隨著社會生產(chǎn)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)在人們工作與生活中的應(yīng)用日益廣泛，視覺顯示終端VDT（Visual Display Terminal）作業(yè)成為一項(xiàng)重要工作，并且各種圖形圖像顯示技術(shù)在日常生活中隨處可見。VDT工作者易于產(chǎn)生視覺疲勞，并有眼睛發(fā)炎等癥狀［1-4］。近年來，人類眼部疾病的發(fā)病率因此明顯上升。眼部疾病與視覺作業(yè)事故，往往與不當(dāng)用眼而導(dǎo)致的視覺疲勞有關(guān)。視覺疲勞是一種常見的綜合癥，由長時間的不當(dāng)用眼導(dǎo)致，其癥狀為眼睛疲勞、眼睛酸痛、眼干、視物模糊等，還有可能伴隨著頭暈、頭疼的癥狀［5］。頻繁發(fā)生視疲勞，會使眼睛視力下降，提前老化。預(yù)防視覺疲勞，對改善視覺健康至關(guān)重要。

目前，對于視覺疲勞的判別主要是人的主觀感受，用于預(yù)防視覺疲勞的客觀評估方法尚處于研究階段［6］。

研究視覺疲勞狀態(tài)導(dǎo)致的人體生理參數(shù)變化，可以認(rèn)識視覺疲勞對生理狀態(tài)的各方面影響，并有效評估與預(yù)防視覺疲勞。

血氧飽和度SpO2（Pulse Oxygen Saturation）［7］、體溫 SKT（Skin Temperature）［8-9］、皮電反應(yīng) GSR（Gal?vanic Skin Response）［10］、心率 RATE（Heart Rate）及心率變異性HRV（Heart Rate Variability）［11-13］是目前熱門研究的幾項(xiàng)生理指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)了2種不同的視覺疲勞實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)前后采集前述生理信號并進(jìn)行對比分析，研究視覺疲勞狀態(tài)對生理數(shù)據(jù)產(chǎn)生的影響。

1 生理數(shù)據(jù)采集

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文使用美國BIOPAC公司生產(chǎn)的MP150型多導(dǎo)生理記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用血氧飽和度模塊、體溫放大器、皮膚電反應(yīng)放大器及心電放大器4個通道，設(shè)置采樣率為1 000。實(shí)驗(yàn)前后分別采集10 min生理信號。

1.2 數(shù)據(jù)采集

血氧飽和度模塊應(yīng)用近紅外光譜法檢測指端血氧飽和度，該模塊同時具備脈率檢測功能，探測器放置于左手食指；體溫測量采用體表探頭，放置于脖子下方；皮電反應(yīng)模塊測量人體兩點(diǎn)間電導(dǎo)值，測量點(diǎn)為左手中指與無名指；心電信號電極放置于胸前與腹部。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)對象

19名被試（平均年齡24±3y）參與了視覺疲勞實(shí)驗(yàn)，均為在校研究生，身體健康。視覺疲勞實(shí)驗(yàn)分為2D圖像實(shí)驗(yàn)與3D圖像實(shí)驗(yàn)，其中9名被試進(jìn)行2D圖像實(shí)驗(yàn)，10名被試進(jìn)行3D圖像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)選擇在每天下午2∶00開始，以避免時差因素的影響。實(shí)驗(yàn)前，被試保證充足的睡眠和正常的精神狀態(tài)。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程

本文設(shè)計(jì)了2個視覺疲勞實(shí)驗(yàn)，分別為2D圖像實(shí)驗(yàn)、3D圖像實(shí)驗(yàn)。如圖1所示，2D圖像實(shí)驗(yàn)中被試觀看500組圖片，每組圖片分為2張，分別顯示500 ms，中間無時間間隔，第1張圖片為1 920像素×1 080像素的原始圖像，第2張圖片與第1張圖片相同或者為在原始圖像基礎(chǔ)上改變了圖像質(zhì)量的圖像。在1 s的圖像呈現(xiàn)后，顯示器變?yōu)楹谄翣顟B(tài)，此時由被試主觀判斷兩張圖像是否存在質(zhì)量上的差別，若被試認(rèn)為存在質(zhì)量差別，則需點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵作為反應(yīng)，否則點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，此后程序?qū)⒆詣舆M(jìn)入下一組圖片的比較。3D圖像實(shí)驗(yàn)中被試戴上3D眼鏡觀看3D圖像，其他設(shè)置與2D圖像實(shí)驗(yàn)相同。實(shí)驗(yàn)中每組圖片呈現(xiàn)的時間為1 s，被試反應(yīng)并做出判斷的時間為1 s～2 s，所以被試觀看500組圖片并做出判斷總共的耗時為20 min左右。圖像質(zhì)量判斷任務(wù)需要被試付出一定的視覺努力，以達(dá)到視覺疲勞狀態(tài)。在視覺實(shí)驗(yàn)前后，分別采集10 min生理數(shù)據(jù)，采集過程中被試保持放松坐姿并閉眼，盡量避免身體動作，左手掌心朝上平放，以方便生理信號采集。一名被試的實(shí)驗(yàn)耗時約為40 min。

圖1 圖像實(shí)驗(yàn)流程

2.3 數(shù)據(jù)分析

2.3.1 心率變異性

圖2 心電圖波形

實(shí)驗(yàn)中的心電信號如圖2所示，實(shí)驗(yàn)后提取心電信號的RR間期數(shù)據(jù)進(jìn)行心率變異性（HRV）分析。HRV指連續(xù)竇性心跳間期的微小漲落，是反映自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和定量評估心臟交感神經(jīng)與迷走神經(jīng)張力及其平衡性的指標(biāo)。HRV時域分析方法的常用指標(biāo)包括SDNN（全部竇性心搏RR間期的標(biāo)準(zhǔn)差）、RMSSD（相鄰RR間期差值的均方根）等；頻域分析方法的指標(biāo)包括：VLF（極低頻）、LF（低頻）、LF（NU）、HF（高頻）、HF（NU）、LF/HF等，其中NU代表標(biāo)化后的數(shù)值，有LF（NU）=LF/（總功率-VLF），HF（NU）=HF/（總功率-VLF）。

2.3.2 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對血氧飽和度、體溫、皮電、心率等生理信號做取均值處理，獲得這些生理指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后的參數(shù)值。另外，對ECG信號提取RR間期并進(jìn)行心率變異性分析，取RMSSD、LF（NU）、HF（NU）、LF/HF的值進(jìn)行后續(xù)分析。應(yīng)用方差分析（ANOVA）的方法研究實(shí)驗(yàn)前后被試生理數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異，設(shè)置時間點(diǎn)（實(shí)驗(yàn)前/后）為自變量，各項(xiàng)生理指標(biāo)為因變量。在此分析方法中，顯著性水平由P值表示，P＜0.05被認(rèn)為是某項(xiàng)生理指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后有顯著變化。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2D圖像實(shí)驗(yàn)、3D圖像實(shí)驗(yàn)前后被試各項(xiàng)生理指標(biāo)的ANOVA結(jié)果如表1、2所示。2D圖像實(shí)驗(yàn)中，心率指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)前后具有顯著差異（P=0.015），實(shí)驗(yàn)后的被試心率由實(shí)驗(yàn)前的67.16 BPM降到了64.23 BPM。另外，血氧飽和度的數(shù)值在實(shí)驗(yàn)后有上升趨勢，P值為0.081，具有一定的顯著性。其他生理指標(biāo)項(xiàng)在實(shí)驗(yàn)前后變化不顯著。

表1 2D圖像實(shí)驗(yàn)被試生理指標(biāo)變化情況

3D圖像實(shí)驗(yàn)的結(jié)果顯示，對比實(shí)驗(yàn)前，實(shí)驗(yàn)后被試指端血氧飽和度有顯著上升（P=0.013），由95.35%升至96.02%，此結(jié)果與2D圖像實(shí)驗(yàn)中血氧飽和度的變化趨勢相符。3D圖像實(shí)驗(yàn)前后，其他幾項(xiàng)生理指標(biāo)未出現(xiàn)顯著變化。

表2 3D圖像實(shí)驗(yàn)被試生理指標(biāo)變化情況

4 結(jié)論

視覺疲勞是現(xiàn)代社會與科技發(fā)展下的熱點(diǎn)問題，對視覺疲勞狀態(tài)的識別備受國內(nèi)外研究者的關(guān)注。血氧飽和度、體溫、皮電反應(yīng)、心率、心率變異性等生理參數(shù)蘊(yùn)涵著人體狀態(tài)的基本信息。本文通過設(shè)計(jì)視覺疲勞實(shí)驗(yàn)，對比實(shí)驗(yàn)前后生理指標(biāo)的變化，初步探索了視覺疲勞狀態(tài)對人體生理參數(shù)產(chǎn)生的影響。研究結(jié)果表明，血氧飽和度、心率等生理指標(biāo)在視覺疲勞狀態(tài)下發(fā)生了顯著變化。通過檢測生理指標(biāo)，有可能為視覺疲勞狀態(tài)的評估提供一種客觀方法，為今后建立視覺疲勞狀態(tài)的識別模型做了初步探索。另外，本實(shí)驗(yàn)被試人數(shù)較少，只是對研究視覺疲勞狀態(tài)下的生理指標(biāo)進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)。對于視覺疲勞狀態(tài)與人體生理參數(shù)的具體聯(lián)系，還有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究。

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陳燕達(dá)（1992-），男，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院碩士研究生，407941002@qq.com；

屠 彥（1965-），女，漢族，東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)槲锢黼娮訉W(xué)和光學(xué)工程，tuyan@seu.edu.cn。