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在复杂运行环境中采集睡眠、昼夜节律、疲劳与表现数据

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DOI：

10.3791/59851

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2019年8月8日

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1San Jose State University Research Foundation, 2ASRS Research and Technology Solutions, 3Fatigue Countermeasures Laboratory, NASA Ames Research Center

本文内容

摘要

睡眠不足和昼夜节律失调是导致大量操作事故和事件的重要因素。在实际操作环境中，评估旨在减轻疲劳的应对措施和工作排班设计的有效性具有挑战性。本文总结了一种在复杂操作环境中采集睡眠、昼夜节律、疲劳和绩效数据的方法。

摘要

睡眠不足和昼夜节律失调是导致大量操作性事故和事件的重要因素。旨在减轻疲劳的对策和工作排班设计通常在受控的实验室环境中进行评估，但将这些策略应用于实际操作环境中的有效性往往难以评估。本文总结了一种在复杂操作环境中收集睡眠、昼夜节律、疲劳和表现数据的方法。我们对44名航空公司飞行员进行了为期34天的研究，期间他们执行一个固定的飞行排班计划，包括5天上午中段飞行的基线数据采集阶段，随后是4次早班飞行、4次高工作负荷的中午飞行以及4次午夜后降落的晚班飞行。每个工作阶段之间间隔3至4天的休息时间。为评估睡眠情况，参与者持续佩戴经过研究验证的腕戴式活动监测仪，并每日填写睡眠日记。为评估昼夜节律相位，要求飞行员在每次执勤阶段后的24小时内，将所有尿液按每4小时或每8小时分段收集，用于测定6-磺酸氧褪黑素（aMT6s），该物质是昼夜节律的生物标志物。为评估主观疲劳感和客观表现，参与者使用触屏设备在每次飞行期间和之后，以及在起床时、中午和就寝时完成Samn-Perelli疲劳量表和精神运动警觉性任务（PVT）。采用这些方法发现，与基线相比，早班开始和晚班结束期间的睡眠时长减少。昼夜节律相位随执勤时间表发生偏移，但在每种排班条件下，个体间的aMT6s峰值存在较大差异。与基线相比，早班、高工作负荷和晚班排班下的PVT表现更差。总体而言，这些方法的结合在复杂操作环境中评估睡眠缺失和昼夜节律相位对疲劳和表现的影响方面具有良好的可行性和有效性。

引言

由睡眠不足和昼夜节律失调引起的疲劳，对需要24小时连续作业、不规律排班和延长工作时间的职业安全构成严重威胁1,2。实验室研究在阐明睡眠时长和睡眠时间变化如何影响后续警觉性和工作表现方面发挥了关键作用3,4,5。这些研究为实际工作环境中的疲劳风险管控建议和排班实践提供了依据6。

在本研究中，通过一项航空运行的实地研究，展示了一种在复杂运行环境中收集睡眠、昼夜节律、疲劳和绩效数据的方法7。我们对44名航空公司飞行员进行了为期34天的研究，期间他们执行包含上午中段航班、早班航班、高工作负荷的午间航班以及午夜后降落的晚班航班的飞行任务。每个工作阶段之间间隔3至4天的休息时间。飞行员在整个研究期间（包括飞行执勤日和休息日）持续收集了客观和主观数据。

由于实验室环境与真实世界环境之间存在差异，实验室中制定的策略和应对措施并不总能如预期般转化为实际操作。个体差异、多样的工作时间安排、不规律且不可预测的作业流程、组织实践与文化以及劳工协议等因素，均可能使科学成果在实际操作中的应用变得复杂。因此，使用一致且可靠的方法来评估睡眠、昼夜节律、疲劳或警觉性以及作业表现，对于评价这些干预措施的影响至关重要。监测和数据收集的程度必须与作业中预期的疲劳水平及其相关的安全风险相匹配8。此外，在任何对安全敏感的环境中，确保作业安全始终优先于研究方案本身。

评估睡眠时长和质量的金标准方法是多导睡眠图（polysomnography, PSG），该方法通过放置在头皮、面部和胸部的电极与传感器，记录脑电活动、心率、眼动及肌肉活动。尽管PSG具有较高的可靠性，但在大多数实际环境中难以用于采集睡眠数据。目前已开发出多种可穿戴设备以估算睡眠时间、时长和质量，但其中经过验证的设备仍较少。9,10腕戴式活动记录仪与每日睡眠日记相结合的方法已广泛用于多种职业领域的现场研究中，以估算睡眠状况。11,12,13,14 并已通过多导睡眠图（PSG）验证，显示出 睡眠持续时间的一致性15此外，在现场研究中使用体动记录仪和睡眠日记对受试者的负担较小，因为大多数体动记录仪佩戴在非优势手腕上，仅在洗澡或游泳时取下，使用方式类似于手表。同样，设计良好的睡眠日记若呈现在手机或触摸屏设备上，受试者通常可在两分钟内完成填写。

睡眠-觉醒周期由下丘脑视交叉上核中的昼夜节律起搏器协调16。该起搏器还同步调控多种其他生物学功能，如体温和激素节律（例如褪黑素和皮质醇）。内源性昼夜节律接近但并不完全等于24小时；因此，每天必须对其进行重置，以实现与24小时昼夜周期的稳定同步（即授时）。昼夜节律起搏器的主要重置因素是光。在需要非标准作息安排和24小时连续运行的作业环境中，可能出现昼夜节律失调，即昼夜节律驱动的睡眠时段与计划工作时间重叠11。通过测量受昼夜节律控制的生物信号节律的峰值时间（即昼夜相位），可以确定昼夜节律起搏器何时促进睡眠或觉醒。

在实施干预措施后，测量昼夜节律相位非常重要，以更好地了解这些技术是否成功地将昼夜节律起搏器与规定的工作时间表对齐。在实验室环境中用于确定相位的许多昼夜节律系统输出指标容易受到遮蔽效应的影响，因此不适合在实地环境中使用。例如，自由生活个体可能进行运动等活动，从而改变其体温，这使得检测体温的昼夜节律变化变得困难。褪黑激素会因光照而迅速被抑制，因此在光照无法控制的情况下，无法采集血液或唾液中的褪黑激素。然而，6-羟基硫酸褪黑激素（aMT6s）是褪黑激素的主要代谢产物，通过尿液排泄，且受光照遮蔽效应的影响较小，因此是在实际操作环境中测量昼夜节律相位的理想候选指标17,18。

除了测量生理变化外，评估工作时间表变动对主观疲劳或警觉性的影响也十分重要。尽管目前有多种量表可用于测量警觉性和疲劳的不同方面，但在航空领域最常用的量表是7点制的Samn-Perelli疲劳量表（SP）19 和9点制的Karolinska睡意量表（KSS）20。SP量表也广泛用于多种职业领域中轮班工作者的实地研究21,22,23,24。KSS量表已通过客观的睡意指标（如脑电图（EEG）和缓慢眼球滚动）20,25以及行为表现25进行了验证，常用于实验室和实地研究24,26。此外，也可能存在适用于其他轮班或职业环境的其他主观量表。选择一个经过验证、且理想情况下对“可接受”警觉水平具有明确阈值的量表至关重要。例如，KSS评分超过7分与显著的生理睡意指标及驾驶能力受损相关25,27，而Samn-Perelli评分则直接关联飞行任务要求28。在本论文所描述的研究中，选用了Samn-Perelli量表，因其最初即作为飞行员研究人群中主观疲劳的测量工具而开发28。

尽管测量睡眠和昼夜节律相位是评估干预措施的重要组成部分，但现场研究中通常关注的主要结局指标是客观表现。已有多种测试被开发用于评估认知表现，但测量睡眠剥夺和昼夜节律失调影响最敏感且最可靠的测试是精神运动警觉任务（Psychomotor Vigilance Task, PVT）。原始的PVT（PVT-192）是一种简单的反应时间测试，受试者会接收到一个刺激，并被要求通过尽快按下一个按钮来对该刺激做出反应29。PVT已在急性与慢性睡眠剥夺及昼夜节律失调条件下得到验证4,5,30。该任务的持续时间可根据研究设计进行调整31,32；然而，在实验室研究中通常首选传统的10分钟持续时间33,34，而在现场研究中，由于实际操作需求可能影响测试的实施，通常采用5分钟持续时间的PVT更为可行35。

此外，PVT 几乎不存在学习效应且操作简便，因此非常适合在野外环境中使用，尤其适用于无法在测试期间对受试者进行直接观察的研究场景36。触摸屏设备的广泛普及使得 PVT 可以轻松部署，但研究人员在实施 PVT 时应保持谨慎，因为触摸屏设备的多种特性可能在 PVT 数据采集过程中引入误差37,38。例如，不同的硬件和软件组合具有不同的系统延迟，而后台运行的其他应用程序可能对记录的反应时间引入不可预知的误差。因此，使用经过验证的 PVT 程序，并在保持硬件和软件一致的前提下，开启 WiFi 并关闭所有其他应用程序，以采集 PVT 数据，这一点至关重要。此外，考虑到在实际操作环境中难以对受试者进行实时观察，必须对受试者进行培训，确保其每次使用 PVT 时均以相同的设备方向、使用同一手指完成测试38,39。

数据收集的每个环节都至关重要，过去这些工具已在其他运行研究中得到应用40，41，42，43。然而，除了上述提到的挑战之外，当参与者需要独立完成任务时，尤其是这些任务包含时间敏感性成分时，往往难以确保对研究流程的依从性。在运行环境中进行数据收集时，另一个重要的环节是信息的组织方式，应便于个体按时完成各项任务。NASA PVT+ 触摸屏设备应用程序可根据需要自定义，按顺序向参与者呈现任务，引导其完成研究流程。例如，在本研究所描述的方案中，民航飞行员会配备预先加载应用程序的触摸屏设备，用于每天早晨和傍晚填写睡眠日记。这些设备还用于在早晨、每次航班下降顶点（TOD）、航后以及睡前完成PVT测试、疲劳评分及其他任务。这种信息呈现方式使飞行员能够在不影响其工作相关任务的前提下，便捷地完成研究流程。

在飞行员群体中收集数据可能非常困难，因为该职业的性质要求他们长途旅行，并在充满干扰且工作负荷常常不可预测的狭小空间（例如驾驶舱）中工作。尽管存在这些挑战，但在此类人群中收集数据至关重要，因为飞行员疲劳对安全飞行操作构成威胁40,44,45。航空公司高强度的运行环境容易导致机组人员表现下降，并增加与疲劳相关事件的风险46,47,48,49,50。通过使用上述方法的组合，我们在34天内对44名短途航线飞行员的睡眠、昼夜节律、疲劳程度和工作表现进行了测量。在研究期间，飞行员执行一个固定航班计划，包括5天上午中段航班的基线数据采集，随后是4个早班航班、4个高工作负荷的中午航班，以及4个午夜后降落的晚班航班。每个工作阶段之间间隔3至4天的休息时间。这些结果表明，如何在实际运行环境中综合采集睡眠、昼夜节律、疲劳和表现等多方面的数据。

本研究的目的是根据执勤开始时间评估睡眠、昼夜节律、疲劳程度和工作表现，具体如下：1）基线期：在首个执勤周期中，所有飞行员工作5天，每天执行两次飞行任务，每次飞行约2小时，飞行从上午中段开始，以确保夜间有足够的睡眠时间。该周期后跟随4个休息日。2）早班执勤：在早班执勤周期中，所有飞行员工作5天，每天执行两次飞行任务，每次飞行约2小时，飞行时间大约在凌晨5:00至上午8:00之间开始。该周期后跟随3个休息日。3）中段高负荷班次：在中段执勤周期中，所有飞行员工作5天，每天执行2–4次飞行任务，每次飞行约2–6小时，飞行从中午左右开始。该周期后跟随3个休息日。4）晚班结束执勤：在晚班执勤周期中，所有飞行员工作5天，每天执行两次飞行任务，每次飞行约3小时，飞行从下午晚些时候（约16:00）开始，至午夜左右结束。该周期后跟随3个休息日。

方案

本研究获得了美国国家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心机构审查委员会（IRB）的批准，所有受试者均签署了书面知情同意书。所有研究程序均符合 NASA IRB 批准的方案（方案编号 HRI-319）中的规定。

1. 实验参与者的筛选与准备

  1. 确定研究时间表
    1. 应包含一个基线数据收集期，以评估在无干预情况下的结果指标。
  2. 确定实验过程中数据采集的时间点
    1. 在评估疲劳时，由于疲劳和表现会随一天中的时间变化，因此结果指标必须包含多个数据点。
    2. 在可能的情况下，应结合操作关键任务时同步收集性能数据。以航空公司飞行员为例，在航班的下降阶段（TOD）收集心理运动警觉性测试（PVT）数据和疲劳评分是很有用的，该阶段处于巡航末期，紧邻着关键的着陆任务。
      注意： 对于更长的航班或其他操作环境，可能需要收集更多的飞行中PVT数据。例如，研究人员可能关注休息前后疲劳状态的变化，这就需要在休息前后均进行测量。
  3. 招募程序可能因研究目标而异。应确保参与者受雇于同一组织，并能代表该组织的典型人群；因此，通常无需额外设置筛选标准。
    注意： 在实验室环境中，若参与者患有慢性健康问题，或在睡眠障碍问卷中得分超出正常范围，通常会被排除在研究之外。而在实际操作环境中，参与者可能确实存在慢性疾病或未确诊的睡眠障碍，但为了全面评估干预措施在广泛劳动者群体中的有效性，这些个体通常应被纳入研究。应通过电子邮件或面向目标人群的现场宣讲方式邀请个体参与研究。
    1. 让参与者直接与研究人员沟通，并向他们保证其个人数据不会用于任何人事决策。
    2. 采取一切必要措施保护参与者信息对其雇主的保密性，例如申请美国国立卫生研究院（NIH）颁发的保密证书，或获取公司管理层出具的书面声明，向志愿者保证其参与研究不会影响其雇佣状态。
    3. 要求参与者签署知情同意书，确认其参与研究完全出于自愿。确保有意愿的志愿者能够遵守研究的工作安排，并劝阻其在研究期间调换工作班次。
  4. 邀请自愿参与研究的人员参加一次30–60分钟的培训/简报会。
    1. 向参与者发放数据采集工具包，内含活动监测仪、安装有相应应用程序的触摸屏设备以及尿液采集用品。要求参与者填写背景问卷 [例如，匹兹堡睡眠质量指数（PSQI）51、疲劳严重程度量表（FSS）52、埃普沃斯嗜睡量表（ESS）53、个体力量清单（CIS）54、清晨型/夜晚型问卷（MEQ）55]，以估算该人群中基线睡眠问题的流行情况。这些问卷也可在数据分析中作为协变量使用。
    2. 向参与者全面介绍研究的各个环节，并培训其完成研究问卷和测试的流程。要求参与者在研究工作人员面前完成一份睡眠日记和所有日常问卷，以确保其理解填写方法及应用程序的使用方式。按照下文第6节所述，对参与者进行PVT测试的标准化操作培训。
    3. 向参与者提供经过研究验证的活动监测仪。指导参与者全天佩戴该设备，仅在可能接触水时取下。要求参与者在应用程序中记录每次取下设备的时间。
    4. 向参与者提供尿液采集材料，并指导其掌握尿液采集流程。若某位参与者不愿或无法采集尿样，则在获得伦理审查委员会批准的前提下，可将此部分作为可选的子研究内容。

2. 实验设计

  1. 工作时间表：确保所有个体遵循相同的时间表（若为随机实验，则采用平衡时间表）。此外，在实验中应包含基线或安慰剂条件，以便在无干预或无时间表调整的情况下解释研究结果。
    注意：     实施实验时间表时，很可能需要与合作机构密切协作。根据所研究人群的不同，可能还需考虑其他因素。以本研究为例，我们评估的是短途航班飞行员，因此设计了一个允许他们每天返回家中休息的时间表，以确保其拥有稳定的睡眠环境。用于评估目标结果的最终时间表应与图1中所示的示意图类似。
    1. 非工作日数据采集方案：
      1. 指导参与者在每天起床后和就寝前30分钟内填写睡眠日记。
      2. 要求参与者持续佩戴活动监测仪。
      3. 指导参与者每日三次完成Samn-Perelli疲劳量表（SP）和PVT测试：早晨（醒来后1–2小时）、中午（醒来后8–9小时）以及晚上（就寝前1–2小时）。
    2. 工作日数据采集方案：
      1. 指导参与者在每天起床后和就寝前30分钟内填写睡眠日记。
  2. 数据采集时间安排：确保数据采集时间安排涵盖操作相关的关键时间点，并且每天在多个时间点（至少包括早晨、中午和晚上）采集PVT数据，以评估与睡眠剥夺或昼夜节律失调相关的绩效变化。此外，需确认数据采集安排不会因不必要的数据收集而给参与者带来过重负担。
    注意： 在充分采集用于评估干预措施的信息与避免过度增加参与者负担之间取得平衡，对于维持研究依从性并尽量减少参与者退出至关重要。

3. 加速度计数据采集流程

  1. 选择一种已在实验室环境中通过多导睡眠图（PSG）验证的活动监测仪（图2）。
    注意：某些活动监测仪包含额外功能，例如温度和心率监测，但如前所述，这些功能可能受个体活动的影响。部分设备提供的两个有用功能是事件标记和光传感器。光照信息有助于解释昼夜节律相位，事件标记可用于标注就寝时间和活动监测仪的取下时间，但这些功能并非采集睡眠信息所必需。
  2. 指导受试者在整个实验期间将活动监测仪紧密且牢固地佩戴于非优势手的手腕上。若活动监测仪未牢固佩戴，活动计数可能受到影响。在研究前的简报会上应演示正确的佩戴方法。
  3. 指导受试者在运动期间继续佩戴活动监测仪，但在游泳和淋浴前应将其取下。活动监测仪的取下时间应在每日睡眠日记中记录，以便区分因取下设备导致的静止状态与小睡。
  4. 若活动监测仪具备事件标记功能，请受试者每次取下设备时按下标记键。此外，指导受试者在每次睡眠开始就寝和醒来时均按下事件标记键。这将增强睡眠日记所获取的信息，并有助于后续分析。

4. 基于应用程序的问卷、睡眠日记和PVT数据采集

  1. 选择用于日常数据收集的应用程序。
    注意：基于应用程序的问卷应与经过验证的纸质版本进行交叉核对，以确保应用程序版本忠实地反映了原始测量工具。特别是包含视觉模拟量表的问卷，应检查确认应用程序开发者未将结果转换为李克特式量表。同样，应检查所有问题和回答选项，确认原始语言和应答选项被完整保留，并且问题与回答的显示未因所用设备的屏幕尺寸而受到影响。
  2. 问卷：在参与者开始任何研究程序之前，要求其完成基线问卷（见第1.4.1节）以及人口统计学信息，以辅助对研究结果的解释。
  3. 睡眠日记：要求参与者在主要睡眠时段前后分别填写睡眠日记。建议为参与者提供基于应用程序的睡眠日记而非纸质版本，原因如下：1）参与者填写更为便捷；2）基于应用程序的睡眠日记具有时间戳功能，可最大程度减少参与者事后补填的可能性。
    1. 晨起睡眠日记：在主要睡眠时段醒来后，要求参与者记录：1）醒来时间；2）觉醒次数及持续时间；3）睡眠质量。
    2. 睡前睡眠日记：在就寝前，指导参与者记录当日小睡的持续时间和时间点，以及预计的就寝时间。
  4. PVT测试：指导参与者在整个研究期间按照预定时间，采用如下所述的精确方法完成PVT测试（见第6节）。
  5. 清晰简洁地呈现研究信息，使参与者能够以易于理解的方式接收任务内容，快速明确所需完成的操作。
    注意：本研究使用NASA PVT+应用程序。NASA PVT+是由美国国家航空航天局艾姆斯研究中心开发的触屏设备应用程序。该程序可根据每个实验的需求定制，包含或排除不同的问卷内容。应用程序会按顺序呈现参与者需要完成的每一项活动（见图3）。在本研究中，应用程序主页面显示三个主要链接：“研究注册”、“休息日”和“值班日”。“研究注册”链接包含培训日需完成的问卷：人口统计学信息、MEQ、CIS和ESS。完成之后，该链接将对参与者隐藏。“休息日”链接包含休息日需完成的项目：晨间睡眠日记；上午、下午和晚上的SP和PVT测试；以及晚间睡眠日记，按此顺序呈现。“值班日”链接显示三个主要子链接：早晨（睡眠日记）、工作任务和晚间（睡眠日记）。其中“工作任务”链接又包含三个子项：飞行前（SP、PVT、通勤时间）；飞行中记录（TOD），显示由参与者选定用于完成当次飞行测试（SP、PVT）的航班数量；以及飞行后（SP、PVT）。

5. 尿液采集步骤

  1. 使用尿液采集法测定aMT6s生成量以估算昼夜节律相位（针对飞行员的尿液采集方法改编自Lockley18和Hull56所建立的流程）。
    1. 指导受试者在任何可能引起昼夜节律相位偏移的干预措施后采集尿液样本。在培训当天向受试者提供尿液采集套件、尿液记录表及采集说明。尿液采集套件（图4）包括便盆或尿液收集容器、若干移液管、每24小时采集所需的五个已标记尿液采集管、两个备用管和白色标签贴纸、干净的生物危害自封袋、邮寄材料、冰袋、尿液采集记录表（图5），以及每次采集周期可参考的说明副本（详见第5.2节）。
    2. 总体说明：告知受试者需收集24小时内产生的全部尿液。首次采集周期从受试者在第一天尿液采集日醒来时开始，白天每4小时为一个采集段，夜间为一个8小时采集段。每个24小时采集周期共包含五个样本。
    3. 向受试者提供以下尿液采集说明，并在研究前培训期间逐项讲解。确保受试者获得已预付邮资并填写好地址的邮寄标签。
  2. 向受试者提供以下尿液采集说明：
    在第一天醒来后，像平常一样去厕所如厕。您将在第一次排尿后开始收集尿液。
    在每个采集周期开始时，在采集记录表上记录该周期的日期、开始时间及大致结束时间（例如，上午07:00–11:00）。在4小时采集周期内（或夜间8小时采集周期内），您可能会排尿多次。在此情况下，所有排尿均应排入同一个尿液收集容器中。例如，在上午07:00–11:00的采集时间段内，您可能在上午8:00和10:55排尿。这两次排尿的尿液将混合在同一收集容器中。在采集周期结束时，您将从中取样。每次排尿时，均需在采集记录表上记录确切的排尿时间。每次排尿时，所有尿液均应排入收集容器中。
    在取样前，请先排空膀胱。例如，若采集周期在上午11:00结束，请尽量在11:00前将尿液排入收集容器，然后进行取样。在采集周期结束时，使用容器上的刻度记录所收集尿液的总体积。
    取一支新的移液管，将少量尿液从收集容器转移至小采集管中。加注尿液至采集管至少半满即可。盖紧管盖。请勿将采集管完全装满，因为尿液在冷冻时会膨胀，可能导致试管破裂。装管完成后，可丢弃移液管。每个采集管均标有编号并按数字顺序排列。请按编号顺序使用采集管（即先用1号，再用2号，依此类推）。
    将小采集管放入自封式生物危害袋中。将大号自封袋与冰袋一同放入邮寄盒中。取样后，在采集记录表上记录采集管编号及取样时间，然后将收集容器中剩余的尿液倒入厕所冲掉。用清水冲洗收集容器（请勿使用除水以外的任何物质清洗收集容器）。重复上述步骤，完成接下来的三个白天采集周期（例如，上午11:00–下午3:00、下午3:00–晚上7:00、晚上7:00–晚上11:00）。
    对于夜间采集周期，请在就寝前完成第四个白天样本的采集。就寝时，收集容器应为空。夜间采集周期应包括您夜间所有排尿，以及早晨第一次排尿的尿液。早晨醒来后，将尿液排入收集容器中。夜间产生的任何尿液将与早晨首次排尿混合。若您夜间未醒来排尿，则夜间样本可能仅包含早晨首次排尿。在第二天首次排尿后，夜间采集周期即告完成。
    请务必收集24小时内产生的全部尿液。若不慎将尿液排入厕所，请在尿液采集记录表上注明，并告知我们您遗漏了一次采集。

6. PVT 给药方法

注意： 如引言中所述，NASA-PVT 是一种持续5分钟的持续注意力反应时间测试，用于测量个体对视觉刺激的反应速度。测试时长可根据研究设计进行调整。目前已开发出多种PVT设计，包括以目标点亮35,57 或棋盘格图案39作为刺激的形式。NASA-PVT 的设计旨在模拟实验室中的 PVT-192 设备，其目标呈现形式为毫秒计数器。

  1. 向每位参与者宣读以下说明，以确保每位参与者接受相同的训练：“请每次都将设备保持在横向位置，并在整个测试过程中将两个拇指悬停在屏幕上方几毫米处。测试期间，当您看到方框中滚动出现红色数字时，请立即用您惯用手的拇指（即您通常用来写字的手）点击屏幕。在所有测试中，您必须使用惯用手的拇指对刺激做出反应。显示屏上的数字表示您每次的反应速度，数字越小，表现越好。请尽量做到最好，每次争取获得尽可能低的数值。如果过早点击屏幕（在数字出现之前），您将看到错误提示（‘FS’），表示出现抢跑。如果使用非惯用手的拇指点击，则会显示信息‘ERR’，表示操作错误。请避免出现‘FS’和‘ERR’。如果您忘记抬起拇指，过一会儿文本屏幕会提醒您。” 图6 展示了演示版 NASA-PVT 的屏幕界面，显示了进行 PVT 测试时触摸屏设备的正确摆放位置以及拇指应处的位置。
  2. 指导参与者始终将触摸屏设备设置为飞行模式，并关闭 Wi-Fi。
    注意：这一点在 PVT 任务中尤为重要，因为连接功能会影响内部计时器的准确性，从而影响反应时间38。
  3. 指导参与者在无干扰的时间段开始 PVT 测试。如果测试过程中出现干扰，要求参与者在测试结束后通过应用程序记录干扰次数。
    注意：考虑到实际操作环境中的各种干扰因素，参与者可能无法按时完成预定的 PVT 测试。在此情况下，应指导参与者在错过测试后尽快补做。同时，必须告知参与者，每次 PVT 测试之间应至少间隔 30 分钟。

结果

通过采用所述方法，我们收集了44名短途航班飞行员超过700天的数据，以及超过3,000次的PVT测试和疲劳评分7。本研究旨在根据日间飞行的工作开始时间和工作负荷，表征短途航班飞行员在睡眠、昼夜节律相位、疲劳评分和表现方面的变化。

为了考虑受试者内研究设计，采用具有非结构化协方差的重复测量方差分析，以受试者作为重复因子，评估所有条件对睡眠和表现结果的影响。为了评估在特定时间表下睡眠和表现结果是否随天数变化，应用线性混合效应模型分析睡眠和表现随天数的变化情况。为了考虑个体对特定时间表适应性的个体差异，模型允许截距和斜率随个体变化。

这些方法首先旨在考察值班开始时间对睡眠的影响。通过睡眠日记和体动记录仪计算睡眠时长、就寝时间、起床时间和睡眠质量。由活动监测仪生成的活动图谱示例见图7。采用混合效应回归分析表明，睡眠时间和时长随工作开始时间的不同而发生显著变化。表1展示了参与者在睡眠日记中记录的不同排班类型下的就寝时间、起床时间、睡眠时长和睡眠质量。在基线阶段，参与者平均就寝时间为23:10（标准差 = 1:41）。早班排班阶段的就寝时间与基线相比差异显著（p < 0.01），参与者报告的就寝时间更早。中午班和晚班排班的就寝时间也与基线相比差异显著（p < 0.01），参与者报告的就寝时间更晚。与基线相比，休息日的就寝时间显著推迟（p < 0.01）。

图8展示了每种排班类型下按天计算的基于体动记录仪得出的平均睡眠时长。与基线相比，早班开始时参与者的睡眠时间显著减少（p < 0.01）。其他排班类型的睡眠时长与基线相比无显著差异。各种排班类型下的睡眠潜伏期和睡眠效率与基线相比均无显著差异。早班开始时的睡眠后觉醒时间（WASO）与基线相比显著不同（p < 0.05），飞行员报告在早班期间更清醒。基线与其他排班类型之间无显著差异。休息日与基线之间也无显著差异。

这些方法所涉及的第二个目标是检验工作开始时间对以aMT6s测量的昼夜节律相位的影响。aMT6s节律的峰值时间（即峰相位）是昼夜节律相位的一个可靠标志58。图9展示了一名个体在24小时内aMT6s昼夜节律的示例，而图10展示了参与尿液采集程序的每位个体在不同研究阶段的aMT6s峰相位。与睡眠研究结果一致，发现平均昼夜节律相位根据工作开始时间发生了显著偏移。需要注意的是，图10中存在缺失的数据采集信息。部分个体在某些阶段的尿液采集过程中遇到困难，或忘记记录样本采集时间。在这些情况下，无法根据aMT6s浓度生成可靠的昼夜节律相位估计值，因此部分数据缺失。在需要采集昼夜节律相位信息的情况下，建议在每次尿液采集前致电参与者，以确保其正确执行采集流程。

这些方法所涉及的第三个目标是考察值班开始时间对主观报告的疲劳感（通过SP量表测量）以及客观表现（通过PVT测量）的影响。与我们在睡眠方面的研究结果一致，采用混合效应回归分析发现，相较于基线数据采集阶段，早班开始、高工作负荷的午间班次以及晚结束班次期间，疲劳感（表2）和PVT反应时间（图11）均显著恶化（疲劳感：p < 0.001 SP；PVT反应时间：p < 0.01 PVT RT）。与基线相比，每种排班类型下参与者的失误次数均显著增加（早班：p < 0.01；午间班：p < 0.05；晚班：p < 0.01）。休息日的表现与基线水平相似。这些结果也在表3中进行了描述。

昼夜节律模式图；时钟时间间隔；睡眠-觉醒周期分析。
图1：研究期间每日按时间划分的研究方案。深灰色条段表示飞行时段，包括飞行前报到时间（空心条段），浅灰色条段表示睡眠时段。第1–5天代表基线执勤期，第10–14天代表早班执勤起始，第18–22天代表午间执勤起始，第26–30天代表晚班执勤起始。阴影条段表示执勤期后的第一个休息日，期间收集尿液样本。该图引自 Flynn-Evans 等人7。请点击此处查看此图的放大版本。

数字腕部监测仪，时间显示为12:20，剪影视角，聚焦于血管健康评估。
图2：佩戴于非优势手手腕上的活动监测仪/加速度计设备。 请点击此处查看该图的放大版本。

睡眠研究应用程序导航流程图，显示数据录入时间：早晨、中午、傍晚。
图3：使用触摸屏应用程序在休息日进行测试的示例。从左至右：（A）应用程序主页面显示两个链接；（B）休息日页面显示三个链接：早晨、中午、傍晚；（C）早晨链接显示早晨进行的测试；（D）中午链接显示下午进行的测试；（E）傍晚链接显示傍晚进行的测试。请点击此处查看此图的放大版本。

生物样本采集套装，包含移液器、试管、生物危害袋和运输箱。
图 4：尿液采集套装。该套装包含（A）尿液接样帽或尿液收集容器，（B）移液器，（C）尿液收集管，（D）白色标签贴纸，（E）生物危害袋，（F）冰袋，以及（G）运输材料。请点击此处查看此图的放大版本。

尿液采集记录表，用于样本分析中体积和时间的数据记录图表。
图5：尿液采集记录表示例。

手指敲击速度测量界面、计时结果显示、人机交互演示。
图6：精神运动警觉任务（PVT）。（A）触屏设备呈横向放置，测试开始时屏幕上显示两个拇指位置。（B）反应时间显示在屏幕上方中部的矩形框内。请点击此处查看该图的放大版本。

昼夜活动模式图；多日每周睡眠-觉醒行为分析。
图7：连续14天内24小时睡眠-觉醒周期的活动记录图。 深蓝色表示睡眠时段；浅蓝色表示静息时段；黑色表示活动；黄色表示光照。 请点击此处查看该图的放大版本。

睡眠持续时间与计划天数关系图；基线、早间/午间开始、晚间结束比较。
图8：各作息类型下每日由活动记录仪测得的平均睡眠持续时间。第1天表示某一实验阶段首个工作时段前一晚的睡眠。星号表示基线条件与早班时段之间平均值存在显著差异（*p < 0.05，**p < 0.01）。请点击此处查看该图的放大版本。

显示激素水平（µg/h）在基线、早晨、中午和晚期阶段的昼夜节律折线图。
图9：单个参与者每次数据采集过程中五个尿液采集时间段的aMT6谱型。数据采用双周期绘图法展示。请点击此处查看该图的放大版本。

昼夜节律示意图；时钟时间与研究区段；分析的数据模式。
图10：个体昼夜节律最低点时间（24小时制时钟）和作息类型对应的6-硫酸氧褪黑素（aMT6）峰相（峰值）。 实心和空心圆、三角形、方形代表各个受试者。本图改编自Flynn-Evans等人的研究7 请点击此处查看此图的放大版本。

显示5天内反应时间、 lapses 和反应速度的心理运动警觉任务图。
图11：不同作息安排下每日心理运动警觉任务（PVT）的平均反应时间（RT）、lapses（RT >500ms）和反应速度（平均1/RT）。每个斜率后的星号表示该条件下每日表现的变化。方括号表示基线表现斜率与其余各条件表现斜率之间的差异（*p < 0.05，**p < 0.01）。基线 = 实心圆，早晨 = 空心圆，中午 = 实心三角，傍晚 = 空心三角。 请点击此处查看此图的放大版本。

工作安排n就寝时间（小时，标准差）起床时间（小时，标准差）睡眠时长（小时，标准差）睡眠质量（标准差）
基线（参考）3923:10 (1:41)7:20 (1:49)8.2 (0.9)2.4 (0.7)
早班4221:14 (1:01)**4:29 (0:47)7.4 (0.9)**2.5 (0.6)
午班4101:19 (0:43)**9:11 (0:58)7.9 (1.1)2.3 (0.6)
晚班4002:18 (1:07)**9:57 (1:11)7.8 (1.4)*2.3 (0.7)
休息日4223:47 (0:50)**8:16 (0:58)8.5 (0.9)*2.4 (0.5)

表1：根据作息类型划分的睡眠日记记录的睡眠结果（就寝时间、起床时间、睡眠时长和睡眠质量）。 *p < 0.05，**p < 0.01；h = 小时，SD = 标准差。本表格转载自 Flynn-Evans 等人7

工作班次均值（标准差）p 值
基线3.51 (0.80)ref.
早班4.03 (0.88)< 0.001
午班3.85 (0.90)< 0.001
晚班3.85 (0.89)< 0.001

表2：按值班周期分组的Samn-Perelli（SP）评分的平均值与标准差。 评分越高，表示疲劳程度越严重。

工作时间安排参与者数量 (n)平均反应时间 (ms, 标准差)反应速度 (s, 标准差)平均失误次数（> 500 ms）
基线（参考）38236 (48)4.84 (0.61)3.1 (4.1)
早晨40257 (70)**4.63 (0.66)**4.4 (5.4)**
中午39261 (62)**4.56 (0.66)**4.7 (5.1)*
傍晚38266 (64)**4.51 (0.63)**4.7 (5.0)**
休息日40249 (56)4.69 (0.62)4.0 (4.5)

表3：不同作息类型下的精神运动警觉任务（PVT）平均反应时间（RT）、反应速度（平均1/RT）及 lapses（RT > 500 ms）。*p < 0.05，**p < 0.01；本表引自 Flynn-Evans 等人7

讨论

本文所述方法有助于了解飞行员在日间飞行期间的睡眠模式、昼夜节律相位、疲劳评分以及工作表现，其中包括早班起飞、高工作负荷的午间飞行以及晚班结束的情况。这些方法的结合表明，工作开始时间与工作负荷的轻微变化均会影响上述各项因素。通过评估系统性的研究计划，并将这些测量指标整合到一个易于使用的触摸屏应用程序中，研究人员在具有挑战性的环境中收集了大量数据。采用这一系列方法组合，能够更清晰地解读非传统日间工作班次期间警觉性与工作表现的变化情况。

本研究设计并实施了用于测量客观睡眠、昼夜节律、疲劳和表现数据的方法，这对于确定在无时差反应的情况下工作开始时间如何影响飞行员执行日间飞行任务至关重要。该方案的设计旨在实现不同条件之间的系统性比较，同时尽量减少对参与者的干扰，并在操作相关的关键时间点最大化数据采集。这些步骤对于在实际操作环境中收集有意义的数据至关重要。所采用的测量方法已在实验室和现场研究中得到验证，这对于结果的解读具有重要意义。尽管本研究的设计允许参与者独立完成研究流程，但研究前的简报环节至关重要，以确保志愿者充分理解研究流程，以及在完成研究测试和问卷时保持一致性的必要性，特别是对于精神运动警觉性测试（PVT）而言。

睡眠时长和睡眠时间会根据工作开始时间而变化，这一发现与先前在较小样本中使用多导睡眠图（PSG）评估睡眠时间的研究结果一致59,60。尽管较早开始或较晚结束工作可能预期会影响睡眠时间，但在实际作业环境中收集的大样本数据揭示了参与者睡眠损失的一些意料之外的方式。例如，觉醒维持区（wake maintenance zone）代表了人体最强烈的清醒驱动力，通常出现在习惯性就寝时间之前。实验室研究表明，参与者在觉醒维持区内入睡存在困难61,62,63。人们原本预期，参与者可能会比平时提前数小时上床睡觉，以应对较早的工作开始时间；同时也预期，由于在觉醒维持区内尝试入睡，参与者在早班前夜的睡眠可能会表现出较长的睡眠潜伏期。然而，实际情况并非如此。这些数据凸显了实验室环境与真实现场环境之间的重要差异，也表明有必要在实际作业环境中收集睡眠数据。

尽管仅在部分个体中获得了昼夜节律相位信息，但在每种作息类型中观察到的昼夜节律相位变化与睡眠时间的变化趋势一致。将昼夜节律相位纳入本方案，有助于理解疲劳评分和工作表现随工作开始时间变化的原因。警觉性和工作表现遵循昼夜节律，最低警觉性和最差表现通常与褪黑激素代谢产物aMT6s的峰值时间相吻合。尽管发现大多数参与者的昼夜节律相对于设定的工作时间按预期方向发生了偏移，但也发现个体之间的节律偏移存在差异。这表明某些个体在适应早班或晚班作息方面可能存在更大困难，从而导致轻度的昼夜节律失调。这些方法的结合增强了对上述结论的解读能力。

收集的睡眠数据还有助于更好地理解疲劳评分和表现变化与不同工作时间安排之间的关系。例如，研究发现，在早班开始和晚班结束期间，每个班次当天的Samn-Perelli评分和PVT表现均较差。这一点是合理的，因为在早班开始和晚班结束期间，飞行员获得的睡眠时间少于基线水平，这意味着他们在这些班次中每天都在累积睡眠负债。相比之下，在高强度工作负荷的午间开始班次中，PVT表现也随着班次天数增加而下降。然而，在午间班次期间，飞行员获得的睡眠时间与基线数据收集期间的睡眠时长并无差异。因此，这一发现表明，午间工作班次中观察到的表现下降不太可能是由急性睡眠限制所导致的。如果没有睡眠数据，将很难解释疲劳评分和表现数据，因此这些方法的结合具有重要意义。

尽管这些方法已被成功设计并实施，但该方法仍可能涉及一些挑战。例如，参与者可能忘记何时或如何完成某些操作步骤。定期与志愿者沟通有助于确认他们是否按照方案执行任务，尤其是在尿液采集的初始阶段。此外，随着研究周期的延长，数据丢失的风险也会增加，因为受试者可能会遗失或损坏研究设备。如果研究计划持续数周（如本研究的情况），建议在研究中期下载数据，以减少潜在的数据丢失，并审查受试者对方案的依从性。数据不足或缺失可能会影响结果的可解释性，因此必须确保受试者正确地进行数据采集。

这些方法在其他实际操作环境中有许多可能的应用。这些方法可用于描述具有特殊排班方式或环境因素的职业中的睡眠、昼夜节律相位、疲劳和表现，例如在太空飞行或军事行动期间。此外，许多有前景的干预措施和对抗措施已在实验室环境中得到评估，例如使用富蓝光加速昼夜节律相位移动、战略性在岗小睡、使用催眠药物最大化睡眠机会，以及使用咖啡因等兴奋剂提高警觉性。尽管这些方法在受控的实验室条件下可能被证明有效，但必须在实际操作环境中评估这些工具和技术的应用，以确认其在现实世界中减轻疲劳的有效性。结合体动记录仪、睡眠日记、昼夜节律相位信息、疲劳评分和PVT数据采集，并辅以易于使用的软件应用程序以方便任务管理，可提供充分的数据用于评估干预措施的效果。这些方法的组合在其他复杂的操作环境中具有重要的转化潜力，因为在这些环境中可能难以实施更具侵入性的数据采集工作。

披露

EEFE 是 Baby Sleep Science 的顾问，并已收到来自华盛顿州立大学、芝加哥大学、普吉特海峡引航员协会、美国国家安全委员会以及美国睡眠医学学会和睡眠研究学会的差旅资助。其他作者无任何披露事项。

致谢

我们感谢参与研究的受试者和航空公司工作人员在数据收集过程中提供的支持。同时感谢美国国家航空航天局艾姆斯研究中心疲劳应对实验室的成员们为本项目提供的协助。本研究由美国国家航空航天局全系统安全计划资助。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Actiwatch Spectrum ProPhilips Respironics, Bend OR, USA1099351目录编号部分列出的数字是 Actiwatch Spectrum Pro 的参考编号。
iPod Touch 第 5 代Apple Inc., Cupertino CA, USAA1509目录编号部分列出的数字是型号。更新一代的 iPod 也可用于数据采集。
Medline DYND30261 拉链式生物危害样本袋，塑料，无乳胶，9" 长，6" 宽，透明Medline Industries, Inc., Northfield ILDYND30261目录编号部分列出的数字是部件号
Medline DYND80024 24 小时尿液收集瓶，3,000 mLMedline Industries, Inc., Northfield ILDYND80024目录编号部分列出的数字是部件号
Moveland 3 mL 一次性塑料移液管Moveland
Nordic Ice NOR1038 无滴漏可重复使用长效凝胶冰袋，16 盎司（每包 3 个）Nordic Cold Chain Solutions0858687005050
Office Depot 品牌可打印或手写彩色永久墨水/激光文件夹标签，OD98817，5/8" × 3 1/2"，深蓝色Office Depot, Inc. Boca Raton FL, USA660-426
Philips Actiware 6.0.9Respironics, Inc., Murrysville PA, USA1104776该软件用于分析通过 Actiwatch Spectrum Pro 记录的睡眠数据
7 mL 管用中性推盖Sarstedt, Numbrecht, Germany65.793
SAS 软件 9.4SAS Institute, Cary, NChttps://www.sas.com/en_us/software/visual-statistics.html该软件用于数据分析。任何统计软件（例如 SPSS、R）均可使用。
运输材料FedEx, USPS, UPS可使用任意公司。
样本采集器 尿液/粪便 白色 26 盎司McKesson Corporation, San Francisco CA16-9522目录编号部分列出的数字是部件号
试管 7 mL，50 mm × 16 mm，聚苯乙烯（PS）Sarstedt, Numbrecht, Germany58.485

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