使用心电图测量评估认知负荷：人机协作任务

摘要

本方案描述了利用生理指标来测量在人机协作任务中，不同任务难度下认知负荷的变化情况。研究结果表明，人们会根据任务难度调整其决策过程，从而反映出不同水平的认知负荷。

摘要

在工作场所环境中，个体的认知负荷与工作表现和安全性密切相关。随着人类与人工智能（AI）协作的趋势日益增强，在协作过程中以实时且客观的方式捕捉认知负荷动态的能力变得愈发重要。传统上，认知负荷主要通过问卷方式进行评估；然而，这类回顾性方法难以准确捕捉任务执行过程中认知负荷的瞬时波动。相比之下，生理信号能够实现对个体实时状态的连续监测，从而提供更为客观的认知负荷度量。任务难度可能影响参与者的预期，进而塑造其行为，并最终影响认知负荷。本研究设计了一种具有可推广性的人机协作任务，包含多个难度等级。在任务开始前，向参与者告知AI系统的平均准确率。在每次试验中，参与者可选择自行完成任务或将任务交由AI执行。本实验方案旨在利用心电图（ECG）数据作为生理指标，考察当个体在不同任务难度下拥有任务分配权限并与AI协作时，其认知负荷的变化情况。本研究进一步探讨生理数据所揭示的人机协作过程中的内在状态动态。研究结果为优化协作模式、提升效率，以及充分发挥人类与AI的互补优势，实现复杂任务中更优的资源整合提供了科学依据。

引言

认知负荷是指个体在执行特定任务期间，其认知系统所承受的总体心理活动量¹。过高的认知负荷会损害人的表现能力，并是导致工作场所事故的重要因素之一²。高认知负荷状态通过激活交感神经系统并抑制副交感神经系统，影响心脏活动，从而导致心率（HR）升高，心率变异性（HRV）降低³。期望信念是指个体对自己能否成功完成某项特定任务或活动的信心程度⁴。任务难度会影响个体的期望信念，而期望信念反过来调节其行为投入和认知资源的分配，最终表现为不同水平的认知负荷。

心电图（ECG）可提供心脏电活动的高时间分辨率记录。从心电图信号中提取的心率（HR）和心率变异性（HRV）指标能够反映心脏节律的不同方面，并作为个体生理与心理应激状态的生理心理指标⁵。心率反映心脏收缩的总体频率，可用于评估心血管系统的基本状态。心率变异性表示连续心跳之间的时间变化，是自主神经系统（ANS）调控功能的指标，反映了交感神经与副交感神经活动之间的动态平衡^6,7,8。在应激、威胁或高强度活动状态下，交感神经系统被....

方案

本研究遵循《赫尔辛基宣言》的原则，并经江苏科技大学机构审查委员会批准。所有参与者均签署了知情同意书，同意其数据的使用和发表。 本方案中不包含温度敏感性或危险性操作步骤。

1. 准备

1. 向参与者介绍实验流程，并在他们充分了解研究内容后获取书面知情同意书。
2. 准备心电图（ECG）数据采集系统及所有所需材料，包括发射器、接收器、弹性尼龙搭扣带、电极导联线、电源线、公母带状电缆、以太网电缆、酒精棉片和医用胶带（参见材料表）。
   1. 准备足够数量的预凝胶一次性心电图电极。
   2. 将数据采集系统连接至心电图数据接收模块，然后将其接入稳定的电源。
   3. 使用公母带状电缆将数据采集系统与 用于刺激呈现的计算机连接起来。
   4. 使用以太网电缆将数据采集计算机连接至数据采集硬件系统。

2. 仪器设置

1. 使用酒精棉片清洁受试者以下部位的皮肤：左侧肋骨下方、右侧锁骨下方以及右腹部。在每个部位贴上一次性心电图电极片。
2. 连接导联线。
   1. 将导联线连接器牢固地连接至心电图发射器。
   2. 将红色导联线（正极）的....

结果

在生理测量中，我们关注了时域和频域的心率（HR）和心率变异性（HRV）指标。在时域指标中，我们选择了连续差值均方根（RMSSD），该指标被认为是一种稳健的测量方法^22,23,24。在频域指标中，尽管低频/高频比值（LF/HF）常被解释为反映交感神经与副交感神经活动之间的平衡，但这一解释仍存在争议²⁵。因此，我们选择LF和HF作为频域分析指标。正态性检验表明，所有指标均不满足正态分布的假设。因此，采用Wilcoxon符号秩检验对简单图像与困难图像之间的各指标进行比较。结果如图3所示。在不同图像难度水平下，平均心率（Z = -2.525，p = 0.012）、LF（Z = -5.153，p < 0.001）、HF（Z = -5.293，p < 0.001）、LF/HF（Z = -2.172，p = 0.030）和RMSSD（Z = -2........

讨论

在本研究中，心电图信号采集的质量对后续分析至关重要。在实验过程中，电极的正确放置以及与导联的良好连接是准确记录信号的基本前提。所有电极均被放置于指定位置，并确保与皮肤良好接触，以尽量降低阻抗。此外，为减少外界因素对生理信号的影响，要求受试者在实验前避免摄入咖啡因，并在实验前几天内避免使用与心血管相关的药物。既往研究表明，摄入咖啡因可通过增强交感神经活性并影响高频（HF）波动而影响心率变异性（HRV）³⁰，而药物可能改变交感神经与副交感神经活动之间的平衡²⁴。因此，采取这些控制措施对于确保数据的可靠性十分必要。

在数据采集过程中，使用便携式心电图设备可能会因电源线干扰导致心电图信号出现基线漂移或规则的正弦波形。为解决这些问题，我们实施了以下步骤：首先，检查心电图电极与皮肤之间以及导联夹与电极之间的接触情况，并在必要时更换电极；其次，确保心电图设备未过紧地绑在受试者身体上，以避免因呼吸运动引起设备移位。此外，我们采用数字滤波方法，使用1 Hz高通滤波器和50 Hz陷波带阻滤波器以提高信号质量.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
酒精棉片	-	-	用于清洁和消毒皮肤。
Acqknowledge 5.0	BIOPAC		用于信号数据采集和数据分析的软件。
台式计算机	Dell	OptiPlex	用于运行心电图（ECG）采集与分析软件。
心电图数据采集设备	BIOPAC	MP160	用于记录心电图数据。
心电图电极	Shenfeng	S系列	用于采集心电信号的附件。
电极导联线组	BIOPAC	BN-EL45-LEAD3	与发射器配合用于数据记录。
以太网电缆	BIOPAC	-	用于连接MP160系统与数据采集及分析软件。
实验软件	PSYCHOLOGY SOFTWARE TOOLS	E-prime3.0 Build 3.0.3.31	用于编制实验程序的软件。
笔记本电脑	Dell	E5470	用于运行实验程序并呈现刺激材料。
M/F扁平电缆	BIOPAC	CBL110C	用于传输特定信号。
医用胶带	-	-	用于固定长导线。
电源线	BIOPAC	-	用于为设备供电。
接收器	BIOPAC	BN-RSPEC-R	一种心电图接收器。
弹性尼龙搭扣带	BIOPAC	BN-STRAP-137	用于帮助固定心电图发射器。
发射器	BIOPAC	BN-RSPEC-T	一种无线心电图发射器。