Summary
睡眠损失和昼夜错位导致许多操作事故和事故。在操作环境中评估旨在缓解疲劳的对策和工作调度设计的有效性可能具有挑战性。本手稿总结了在复杂操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。
Abstract
睡眠损失和昼夜不协调导致相当比例的操作事故和事故。旨在缓解疲劳的对策和工作安排设计通常在受控的实验室环境中进行评估,但将此类战略转换为操作环境的有效性可能难以评估。本手稿总结了在复杂操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。我们在34天内对44名飞行员进行了研究,他们飞行时有固定的时间表,其中包括5天早间航班的基线数据收集、4次早班航班、4次高负荷的中日航班以及午夜后降落的4次晚点航班。每个工作块分开3~4天的休息。为了评估睡眠情况,参与者会佩戴手腕佩戴的研究验证活动监测仪,并完成每日睡眠日记。为了评估昼夜期,飞行员被要求在每个工作区后的24小时内收集4到8个小时箱中产生的所有尿液,以评估6-磺氧褪二甲酮(aMT6s),这是昼夜节律的生物标志物。为了评估主观疲劳和客观表现,向参与者提供了一个触摸屏设备,用于在每次飞行期间和之后以及唤醒时间、中午和之后完成 Samn-Perelli 疲劳量表和心理运动警戒任务 (PVT),睡觉。使用这些方法,发现睡眠持续时间在早开始和晚完成期间相对于基线减少。循环阶段根据职责安排变化,但在每个时间表上,在 AMT6s 峰值中,个人之间存在广泛的变化。相对于基线而言,PVT 在早期、高工作负载和后期计划上性能较差。总体而言,这些方法的组合对于评估睡眠损失和昼夜相对复杂操作环境中的疲劳和性能的影响是实用和有效的。
Introduction
疲劳,由睡眠损失和昼夜错位引起的,是严重威胁安全的职业,需要24小时操作,不规则的时间表,和延长工作时间1,2。实验室研究有助于描述睡眠持续时间和时间的变化如何影响随后的警觉性和性能3,4,5。这些研究构成了疲劳风险管理建议和操作环境中的工作调度实践的基础6。
在这份手稿中,航空操作的实地研究用于演示一种在复杂的操作环境中收集睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法。我们研究了44名飞行员在34天,而他们飞行的时间表,包括期间上午航班,早班航班,高工作量的中日航班,和晚点航班降落后午夜。每个工作块分开3~4天的休息。飞行员在整个研究期间收集了客观和主观数据,包括飞行值班和休息日。
鉴于实验室环境和实际环境之间的差异,在实验室中制定的战略和对策的实施并不总是如预期的那样转化为操作。个人差异、广泛的操作工作计划、不规则且不可预测的操作、组织实践和文化以及劳动协议,这些因素可能使科学的应用变得实际操作使用。因此,使用一致可靠的方法评估睡眠、昼夜节律、疲劳或警觉性以及表现,评估此类干预措施的影响非常重要。在行动8中,监察及数据收集的水平必须与预期中的疲劳程度及有关安全风险的比例保持。此外,在任何对安全敏感的环境中,维护安全操作对调查协议至关重要。
评估睡眠持续时间和质量的黄金标准方法是通过多导睡眠造影术 (PSG),它涉及通过放置在头皮、面部、面部、、和胸部。尽管 PSG 功能强大,但在大多数操作环境中收集睡眠信息并不实用。许多可穿戴设备已经开发,以估计睡眠时间,持续时间和质量,但很少已经验证9,10。手腕磨损行为学和每日睡眠日记的组合已被广泛用于估计在11、12、13、14的各种职业的实地研究中的睡眠情况,并已得到验证对PSG,显示睡眠持续时间15的和谐。此外,使用活动学和睡眠日记进行实地研究,对研究参与者来说,工作量较低,因为大多数活动设备都戴在非显性手腕上,只用于淋浴或游泳,就像手表一样。同样,在手机或触摸屏设备上展示的精心设计的睡眠日记通常可以在两分钟内由参与者完成。
睡眠-觉醒周期由位于下丘脑16超细胞核的昼夜起搏器协调。这种心脏起搏器还同步生物功能的许多其他方面,如体温和荷尔蒙节律(例如褪黑激素和皮质醇)。内源性昼夜节律接近,但不是确切,24小时;因此,必须每天重置它,以允许稳定同步(即,封闭)到 24 小时。昼夜起搏器的主要重置剂是轻的。在需要非标准计划和24小时操作的操作环境中,可能发生昼夜错位,其中昼夜驱动睡眠与预定工作11重合。通过测量由昼夜节律控制的生物信号的节律的峰值时序(即昼夜相),可以确定昼夜起搏器何时促进睡眠和觉醒。
在实施对策后测量昼夜相位非常重要,以便更好地了解此类技术是否成功地将昼夜起搏器与规定的工作时间表保持一致。用于确定实验室环境中相的昼夜系统的许多输出都容易遮蔽,因此不适合在野外环境中使用。例如,在自由生活的人中,很难发现体温的昼夜变化,他们可能会从事运动等活动,改变他们的体温。褪黑激素被光照射严重抑制,使得在光线无法控制的情况下,在血液或唾液中收集褪黑激素是不可能的。然而,6-磺氧褪二甲酸(aMT6s),褪黑激素的主要代谢物,在尿液中排泄,较少受到光的遮蔽作用的影响,使其成为测量操作环境中昼夜相的理想候选物17 18.
除了测量生理变化外,测量工作时间表变化对主观疲劳或警觉性的影响也很重要。虽然有几个尺度可用于测量警觉性和疲劳的不同方面, 在航空中最常用的是 7 点 Samn-Perelli 疲劳量表 (SP)19和 9 点卡罗林斯卡嗜睡量表 (KSS)20。SP也普遍用于对不同职业21、22、23、24的轮班工人进行实地研究。KSS已经验证了客观的嗜睡测量,如脑电图(EEG)和缓慢滚动的眼动20,25,以及性能25。这种量表常用于实验室和24、26领域的研究。可能还有其他主观尺度适合不同的轮班工作或职业环境。请务必选择经过验证且理想情况下具有"可接受"警报级别有意义的阈值。例如,KSS得分超过7与嗜睡的生理症状和驾驶性能受损25,27,而Samn-Perelli评级直接关系到飞行职责28。在本手稿中描述的研究中,使用了 Samn-Perelli,因为它最初是作为由飞行员组成的研究群体中的主观疲劳量度而开发的。28
虽然测量睡眠和昼夜相是评估干预的一个重要组成部分,但实地研究的主要结果通常是客观表现。有各种测试已经开发,以评估认知性能,但最敏感和可靠的测试,以测量睡眠损失和昼夜错位的影响是精神运动警戒任务(PVT)。原始PVT (PVT-192) 是一个简单的反应时间测试,其中个人被呈现刺激,并指示通过按下按钮尽快29响应刺激。PVT已在急性和慢性睡眠损失和昼夜失调4,5,30的条件下被验证。任务期限可以根据研究31、32的设计而变化;虽然,传统的10分钟持续时间是首选在实验室研究33,34。而5分钟持续时间PVT在实地研究中通常更可行,因为操作要求会干扰测试35的管理。
此外,PVT显示很少或没有学习效果,易于使用,使其成为一个实际测试部署在实地环境中,在测试36期间可能无法观察到研究参与者。触摸屏设备的无处不在,便于部署PVT,但研究人员在实施PVT时应谨慎,因为触摸屏设备有许多方面可能会在PVT数据收集中引入错误37 ,38 .例如,不同的硬件和软件组合具有不同的系统延迟,在后台运行的其他应用程序可能会在记录的反应时间中引入未知错误。因此,使用经过验证的 PVT、一致的硬件和软件、WiFi 以及关闭所有其他应用程序来收集 PVT 数据非常重要。此外,鉴于在操作环境中测试期间观察研究参与者并不实际,因此,参与者必须接受培训,以相同的方向使用同一方向完成每个 PVT,使用相同的手指38。 39.
数据收集的每项元素都很重要,在过去40、41、42、43年,这些工具已用于其他操作研究。然而,除了上述挑战外,当参与者需要独立完成任务时,特别是当此类任务包含对时间敏感的部分时,可能难以遵守学习程序。在操作环境中的数据收集中,另一个很重要的元素是组织信息,使个人能够轻松地按时完成任务。NASA 用于触摸屏设备的 PVT® 应用程序可以自定义,以便按顺序向参与者显示任务,指导他们通过学习程序。例如,在此介绍的研究中,航空公司飞行员被预装了触摸屏设备,该应用程序用于每天早上和晚上完成睡眠日记。这些设备还用于完成PVT测试和疲劳等级,以及其他任务,在早晨,在每个航班的上降(TOD),飞行后,晚上睡觉前。这种信息的介绍使飞行员能够完成学习程序,同时减少对与工作相关的任务造成不便。
在飞行员之间收集数据可能非常困难,因为工作性质要求他们长途跋涉,在狭小的空间(即驾驶舱)工作,因为有许多干扰和往往不可预测的工作量。尽管面临这些挑战,但收集这一人群的数据至关重要,因为飞行员疲劳对安全航空作业40、44、45构成威胁。航空公司的高强度运作,有助影响机组人员的表现,增加与疲劳有关的事故的风险46、47、48、49、50。结合上述方法,我们测量了44名短途飞行员在34天内的睡眠、昼夜节律、疲劳和性能。在研究期间,飞行员飞行了固定的时间表,其中包括基线数据收集,包括5天的上午飞行中航班、4次早班飞行、4次高负荷的中日航班以及4次午夜后降落的晚点航班。每个工作块分开3~4天的休息。这些发现表明,在操作环境中如何使用全面的数据收集,包括睡眠、昼夜节律、疲劳和性能的测量。
在这种情况下,本研究的目的是按值班开始时间评估睡眠、昼夜节律、疲劳和表现。1) 基线:在第一个值班期间,所有飞行员工作5天,每个包括两个航班,每个飞行约2小时,从上午中开始,以便进行充足的夜间睡眠。这个街区后面是4个休息日。2) 提前开始:在提前值班期间,所有飞行员工作5天,每个飞行包括两个约2小时的航班,每个飞行从大约5:00到8:00之间开始。这个街区后面是3个休息日。3) 高工作量的班次:在中午值班期间,所有飞行员工作5天,每个包括2⁄4次飞行,每次2⁄6小时,大约从中午开始。这个街区后面是3个休息日。4) 晚点:在晚班期间,所有飞行员工作5天,包括两个航班,每次约3小时,从下午4点左右开始,到午夜左右结束。这个街区后面是3个休息日。
Protocol
这项研究得到了美国宇航局艾斯研究中心机构审查委员会(IRB)的批准,所有受试者都提供了书面的知情同意。所有研究程序均符合美国航天局IRB批准的协议(协议编号HRI-319)。
1. 参与者的选择和实验准备
- 确定学习计划
- 包括一个基线数据收集期,以便在没有干预的情况下评估结果。
- 确定在实验期间何时收集数据
- 在评估疲劳时,由于疲劳和性能的一天中的变化,结果度量必须包括多个数据点。
- 尽可能收集性能数据以及操作关键任务。对于飞行员而言,在着陆的关键任务发生之前,在飞行的 TOD 处收集 PVT 和疲劳等级非常有用,该等级处于巡航的最后阶段。
注:可能需要更多机上 PVT 数据来评估长飞行或其他运营环境的结果。例如,研究人员可能对休息休息时疲劳的变化感兴趣,这就要求在休息前和休息后采取措施。
- 招聘程序可能因学习目标而异。确保参与者受雇于单个组织,并且他们代表所选组织的典型人口;因此,无需应用额外的筛选标准。
注:在实验室环境中,如果参与者有慢性健康状况或睡眠障碍问卷中得分超过正常范围,则通常会被筛查出参与。在操作环境中,参与者可能有慢性疾病和未确诊的睡眠障碍,但这些人通常应纳入研究,以便衡量广泛工作者的干预措施的有效性。应邀请个人通过电子邮件或亲自向感兴趣的民众介绍参与研究。- 让学员直接与学习人员接触,并向他们保证雇佣决策不会基于个人数据。
- 采取任何可能必要的额外预防措施,以保护参与者的机密性,例如从国家卫生研究院获得保密证书或公司管理层的信函,保证志愿者表示,他们的就业不会因参与研究而受到影响。
- 让参与者获得知情同意,确认参与研究是严格自愿的。确保感兴趣的志愿者能够按照学习工作计划,并劝阻他们在研究期间进行工作班次交易。
- 邀请自愿参加研究的参与者参加 30-60 分钟的培训/简报课程。
- 向参与者提供数据收集工具包,其中包括活动监视器、安装了相应应用程序的触摸屏设备以及尿液收集用品。让参与者填写背景问卷,例如,匹兹堡睡眠质量指数(PSQI)51,疲劳严重性量表(FSS) 52,Epworth嗜睡量表(ESS)53,个人力量清单(CIS)54,早安/夜间问卷(MEQ)55= 估计人口中基线睡眠问题的流行程度。这些调查表也可以用作数据分析中的协变量。
- 与参与者一起审查研究的各个方面,并培训他们完成学习问卷和测试的程序。让学员在学习人员面前完成一本睡眠日记和所有每日调查问卷,以确保学员了解如何完成问题和使用应用程序。培训学员了解完成 PVT 的适当程序,如下文第 6 节所述。
- 向学员提供经过研究验证的活动监视器。指示参与者随时佩戴活动监视器,仅在活动监视器可能浸入水中时将其拆下。要求学员记下应用程序中活动监视器删除的时间。
- 向参与者提供尿液收集材料,并引导他们进行尿液收集程序。如果参与者不愿意或无法收集尿样,那么如果得到道德审查委员会的批准,本研究的这一要素可以作为可选的子研究列入。
2. 实验设计
-
工作计划:确保所有个人遵循相同的时间表(或随机实验时的平衡计划)。此外,在实验中包括基线或安慰剂条件,在没有干预或计划操纵的情况下解释发现。
注:可能需要与合作伙伴组织密切合作,以实施实验计划。根据要研究的人口,可能还需要其他考虑。在我们的研究中,我们评估了短途航空公司的飞行员,我们设计了一个时间表,允许他们每天回家,以确保他们有一个稳定的睡眠环境。评估感兴趣结果的最终时间表应类似于图 1中所示的时间表。- 非工作日的数据收集协议:
- 指导参与者在起床和睡觉后30分钟内每天完成睡眠日记。
- 要求参与者持续佩戴活动监视器。
- 指导参与者每天完成 Samn-Perelli 疲劳量表 (SP) 和 PVT 3x:早上(醒来后 1⁄2 小时)、中午(醒来后 8-9 小时)和晚上(睡觉前 1⁄2 小时)。
- 工作日的数据收集协议:
- 指导参与者在起床和睡觉后30分钟内每天完成睡眠日记。
- 非工作日的数据收集协议:
- 数据收集计划:确保数据收集计划包括在操作相关时间和每天多个时间点(至少上午、中午和晚上)收集 PVT 数据,以便评估性能变化与睡眠损失或昼夜失调有关。此外,请验证数据收集计划不会给参与者带来不必要的数据收集负担。
注:在收集足够的信息来评估干预措施和避免参与者负担过重之间取得平衡,对于保持研究合规性和尽量减少从研究中退出至关重要。
3. 活动采集程序
- 选择在实验室环境中针对 PSG 验证的活动监视器(图 2)。
注:某些活动监视器包括其他功能,如温度和心率,但如上所述,这些功能可能受个人活动的影响。某些设备上提供的两个有用功能是事件标记和光传感器。照明信息可用于解释昼夜相位信息,事件标记可用于标记在床上的时间和活动监视器去除,但这些功能不是收集睡眠信息所必需的。 - 在整个实验期间,指示参与者将活动监视器牢固地固定在非主导手的手腕上。如果活动监视器未牢固地固定在手腕上,则活动计数可能会受到影响。在学习前简报会上展示适当的拟合性。
- 指导参与者在锻炼时佩戴活动监视器,但在游泳和淋浴前将其取下。活动监测器的去除应在每日睡眠日记中注明,以区分由于活动监视器从午睡中去除而导致的不活动。
- 如果活动监视器包含事件标记功能,则要求参与者在删除活动监视器时点击标记。此外,指示参与者在睡觉时按事件标记,并在每次睡眠插曲中醒来。这将增强在睡眠日记中获得的信息,并有助于分析。
4. 基于应用程序的调查问卷、睡眠日记和 PVT 收集
- 选择用于每日数据收集的应用程序。
注:应对照经过验证的纸质版本对基于应用的调查问卷进行交叉检查,以确保基于应用的版本忠实地反映原始工具。特别是,应检查包含可视化模拟比例的调查问卷,以确认应用开发人员没有将结果转换为 Likert 类型的比例。同样,应检查所有问题和响应,以确认原始语言和响应选项已完全包含,并且问题和响应的可视化不会因所用设备的屏幕大小而受到影响。 - 问卷:让参与者在参与任何研究程序以帮助解释研究结果之前填写基线问卷(第1.4.1节概述)和人口统计信息。
-
睡眠日记:要求参与者在个人主要睡眠发作前后完成睡眠日记。最好为参与者提供基于应用程序的睡眠日记,而不是纸质日记,因为 1) 参与者很容易完成,2) 基于应用程序的睡眠日记是时间戳,这最大限度地减少了个人将追溯完成睡眠日记。
- 唤醒睡眠日记:从主要睡眠发作中醒来时,参与者指示 1) 醒来时间,2) 觉醒次数和持续时间,以及 3) 睡眠质量。
- 睡前睡眠日记:在睡觉前,指导参与者记录任何午睡和预计的睡觉时间的持续时间和时间。
- PVT:指导学员在整个研究过程中使用精确方法在预定时间服用PVT(第6节)。
- 清晰、简洁地呈现学习信息,使学员能够快速确定需要做什么,从而获得任务。
注:我们使用 NASA PVT® 应用程序进行研究。NASA PVT® 是美国宇航局艾斯研究中心开发的触摸屏设备应用。为每个实验自定义应用程序,以便根据需要包括或排除各种调查表。该应用程序按顺序显示参与者需要完成的每个活动(参见图 3)。在本研究中,应用程序的主页显示三个主要链接:"学习入学"、"休息日"和"学习日"。"学习注册"链接包括培训期间要填写的以下调查问卷:人口统计、MEQ、CIS 和 ESS。完成后,参与者看不到该链接。"休息日"链接包括休息日要填写的调查问卷:早晨睡眠日记;上午、下午和晚上的 SP 和 PVT;和晚上的睡眠日记,按这个顺序呈现。"工作日"链接显示三个主要链接:早晨(睡眠日记);工作任务;和晚上(睡眠日记)。工作任务链接由三个链接组成:飞行前(SP、PVT、通勤时间);在 TOD 上录制,显示参与者为完成该特定航班的测试而选择的航班数(SP、PVT);和飞行后(SP,PVT)。
5. 尿收集程序
- 使用尿液收集测量一个MT6s生产,以估计昼夜相(适应从Lockley18和赫尔56开发的程序飞行员的尿液收集)。
- 指导参与者在预期会改变昼夜阶段的任何干预后收集尿样。在训练日向学员提供尿包、尿日志和说明。尿包(图4)包括小便帽或小便收集容器、几个移液器、每24小时收集5个贴有标签的尿液收集管、两个额外的管子和白色贴纸标签、清洁的生物危害拉链锁袋、运输材料、一个冰包装、尿液收集日志(图5)和说明副本,供每个收集块参考(第 5.2 节概述)。
- 一般概述说明:告知参与者他们需要收集在 24 小时内产生的所有尿液。第一个收集块从参与者在第一个尿收集日醒来的时间开始,并在白天以 4 小时块继续,在一夜之间以 8 小时块继续。总共,每个 24 小时集合包括五个样本。
- 向学员提供以下说明,并在学习前培训期间与他们一起复习程序的每一步。确保向参与者提供预付费地址发货标签。
- 对参与者使用以下尿液收集说明:
第一天醒来时,像往常一样去厕所的浴室。第一次上厕所后,你将开始收集尿液。
在每个收集块开始时记录收集日志上收集块的日期、开始时间和大致结束时间(例如,07:00-11:00 AM)。在 4 小时收集块(或 8 小时隔夜收集块期间),您可能会小便多次。在这种情况下,您将在同一尿液收集容器中小便。例如,在 07:00-11:00 AM 收集窗口期间,您可以在上午 8:00 和上午 10:55 小便。这两个尿空隙将混合在同一收集容器中。在集合块的末尾,您将获取一个示例。每次小便时,在收集日志上记录您小便的确切时钟时间。每次小便时,所有的尿液都应该进入收集容器。
在取样之前清空你的膀胱。例如,如果收集块在上午 11:00 结束,请尝试在上午 11:00 之前在收集容器中小便,然后获取示例。在收集块的末尾,记录使用容器上的标记收集的尿液总量。
取一个新的移液器,将少量尿液从收集容器转移到一个小管中。在管子里填充足够的尿液,使其至少半满。盖住管子。请勿完全填充管,因为尿液在冻结时会膨胀,如果过度填充,可能会破坏管。填充管子后,就可以把移液器扔掉。每个样品管都标有数字,按数字顺序排列。按数字顺序使用样品管(即先使用 1,然后使用 2 等)。
将小管子放入拉链锁生物危害袋中。将大拉链锁袋放入冷藏箱中。取完样品后,在收集日志上记录取样本的管号和时钟时间,然后将剩余的尿液丢弃在厕所中。用水冲洗收集容器(请勿使用水以外的任何物品冲洗收集容器)。重复接下来三个日间收集块的过程(例如,上午 11:00 - 下午 3:00、下午 3:00 -7:00 PM 和晚上 7:00-11:00)。
对于过夜收集块,在睡觉前收集您的第四个日间样品。上床睡觉时,收集容器应为空。过夜收集块将包括您在夜间排尿的所有尿液,以及早上第一次排尿时的尿液。当您在早上醒来时,您将小便到收集容器中。任何来自夜晚的尿液都会与早上产生的第一批尿液混合在一起。如果你在夜间没有醒来,那么过夜的样本可能只包括你第一个早晨的排尿。第 2 天首次小便后,隔夜收集块即完成。
请在 24 小时内收集您产生的所有尿液。如果您在厕所里不小心小便,请在尿液收集日志上注明这一点,并告知我们您错过了收集。
6. PVT 管理方法
注:如导言所述,NASA-PVT 是一个 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。测试的持续时间可以根据学习设计进行更改。有许多PVT设计已经开发,包括那些照亮目标35,57或检查板模式39。NASA-PVT 的设计模仿实验室 PVT-192 设备,其中目标以毫秒计数器的形式出现。
- 阅读以下说明给每位学员,以确保每位学员都接受相同的培训:"请每次都将设备放在横向位置,并在整个屏幕的几毫米内将每个拇指悬停在设备上参加这个测试。在测试过程中,一旦看到框中的红色数字滚动,就用惯用手的拇指(即通常用手写的手)点击屏幕。你必须用你的拇指从你的主导手,以回应刺激在所有测试。显示屏上的数字显示您每次响应的速度。数字越小,你做的越好。尽力做到最好,并每次都得到尽可能低的数字。如果过早地(在数字显示之前)点击屏幕,您将看到一条错误消息("FS"),指示错误的开始。如果您使用非主导拇指点按,您将看到消息"ERR",指示错误。避免使用"FS"和"ERR"。如果您忘记抬起拇指,文本屏幕将在短时间后提醒您。图 6显示了演示 NASA-PVT 的屏幕,显示触摸屏设备在拍摄 PVT 时的正确位置和拇指的位置。
- 指示学员将触摸屏设备保持在飞行模式,并随时关闭 WiFi。
注:这一点对于PVT任务尤其重要,因为内部秒表的精度受连接功能的影响,从而影响反应时间38。 - 指导学员在不受干扰的时间启动 PVT。如果发生干扰,请让学员注意测试后应用程序中的干扰次数。
注:考虑到操作环境的需求,参与者可能无法完成预定的 PVT 测试。在这种情况下,应指示学员在错过测试后尽快服用 PVT。还必须告知学员,他们在 PVT 测试会话之间应至少保持 30 分钟。
Representative Results
使用上述方法,我们能够收集超过700天的数据和超过3000个PVT和疲劳评级的44个短途飞行员7。本研究的目的是按工作开始时间和白天飞行时的工作量来描述短途飞行员的睡眠、昼夜相、疲劳等级和绩效的变化。
为了考虑受试者内部研究设计,使用非结构化协方差的重复度量分析,使用参与者作为重复因子,对所有条件效应进行睡眠和性能结果评估。为了评估睡眠和性能结果是否在给定时间表上每天变化,对睡眠和性能的一天变化应用了线性混合效果模型。考虑到在适应给定时间表方面的个人差异,允许截距和斜率因个人而异。
这些方法涉及的第一个目标是检查值班开始时间对睡眠的影响。睡眠持续时间、就寝时间、唤醒时间和睡眠质量均使用睡眠日记和活动记录计算。图 7中说明了从活动监视器派生的 actogram 的示例。通过混合效应回归分析,表明睡眠时间和持续时间变化显著,作为工作开始时间的函数。表 1按计划类型显示睡眠时间、唤醒时间、睡眠持续时间和睡眠质量,如睡眠日记中的参与者报告的那样。参与者在基线区块上的平均23:10(SD = 1:41)上床睡觉。提前值班表块的就寝时间与基线(p < 0.01)有很大不同,参与者报告早睡时间。中午和晚勤时间表的就寝时间也与基线(p < 0.01)有很大不同,参与者报告晚睡时间。与基线相比,参与者在休息日明显晚睡(p < 0.01)。
图 8显示了每种计划类型的按天显示的平均活动派生睡眠持续时间。与基线相比,参与者在早期开始时获得的睡眠(p < 0.01)明显减少。其他计划类型的睡眠持续时间与基线没有差别。从活动学中获得的睡眠延迟和睡眠效率与任何计划类型的基线没有显著差异。睡眠开始后醒来 (WASO) 与基线(p < 0.05)相比,早期启动时明显不同,飞行员报告在早期启动时更清醒。基线类型和其他计划类型之间没有差异。休息日和基线之间没有显著差异。
这些方法涉及的第二个目标是检查由 aMT6 测量的负荷开始时间对昼夜相的影响。aMT6s节律的峰值正时(杂技阶段)是昼夜相58的可靠标记。图 9显示了一个人在 24 h 以上 AMT6 的昼夜节律示例,而图 10显示了按研究块参与尿检程序的每个人的 aMT6s acroa。与睡眠的发现一致,发现意味着昼夜相会根据工作开始时间显著变化。请务必注意图 10中缺少的数据收集信息。有些人对一些块的尿液收集程序有困难,或者他们忘记记录他们采集样本的时间。在这些情况下,无法从 aMT6s 浓度生成对昼夜相的可靠估计,因此缺少一些数据。在收集昼夜相信息很重要的情况下,在每次尿检之前致电参与者,以确保正确遵循程序,可能是明智的。
这些方法涉及的第三个目标是检查负荷开始时间对 SP 测量的自报疲劳的影响,以及 PVT 测量的客观性能。与睡眠发现一致,使用混合效应回归分析,我们发现疲劳(表2)和PVT反应时间(图11)在早期开始、高负荷的中天轮班和延迟完成期间都更差,相对于我们的基准数据收集(p < 0.001 SP;p < 0.01 PVT RT)。与基线相比,每个计划类型的差值明显增加(p < 0.01 早;p < 0.05 中天;p < 0.01 晚)。休息日的表现与基线相似。这些结果也位于表3中。
图1:每天按时间学习的学习方案。深灰色条表示飞行期间,包括飞行前报告时间(开栏),浅灰色条表示睡眠期间。第 1 天/5 表示基准税段,第 10-14 天表示提前开始,第 18-22 天表示中日税次开始,第 26-30 天表示延迟开始。在收集尿液时,带实的条代表第一个休息日值班区。这个数字是从弗林-埃文斯等人7。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:非主手手腕上佩戴的活动监视器/加速度计装置。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3:使用触摸屏应用程序在休息日进行的测试示例。从左到右: (A) 应用程序的主页显示两个链接;(B) 休息日显示三个环节:上午、中午、晚上;(C) 早晨链接显示上午进行的测试;(D) 午线链接显示下午进行的考试, (E) 显示晚上进行的测试.请点击此处查看此图的较大版本。
图4:尿套件。该套件包含 (A) 小便器或小便收集容器, (B) 移液器, (C) 尿液收集管, (D) 白色贴纸标签, (E) 生物危害袋, (F) 冰袋, 和 (G) 航运材料。请点击此处查看此图的较大版本。
图5:尿液收集日志示例。
图6:精神运动警戒任务(PVT)。(A) 触摸屏设备以横向方向放置,拇指在测试开始时显示在屏幕上。(B) 反应时间显示在屏幕中上部的矩形框上。请点击此处查看此图的较大版本。
图7:睡眠-觉醒周期的actogram在24小时以上14天。深蓝色表示睡眠期;浅蓝色表示休息期。黑色表示运动。黄色表示光。请点击此处查看此图的较大版本。
图 8:每个计划类型上按天表示平均活动派生的睡眠持续时间。第 1 天表示给定块的第一个工作周期之前的睡眠之夜。星号表示基线条件和早期开始块之间的等值之间的显著差异(\p < 0.05,\p < 0.01)。请点击此处查看此图的较大版本。
图 9:单个参与者每个数据收集集中的五个尿液收集箱的一个MT6配置文件。数据是双打印的。请点击此处查看此图的较大版本。
图10:6-磺氧褪二甲酸(aMT6)杂技(峰值)按时间(24小时时钟)的昼夜低谷和时间表类型为每个人。填充和打开的圆圈、三角形、正方形代表单个参与者。这个数字是从弗林埃文斯等人7转载,请点击这里查看这个数字的较大版本。
图 11:每个计划类型上每天的心理运动警戒任务 (PVT) 平均反应时间 (RT)、失效 (RT >500ms) 和响应速度(平均 1/RT)。每个斜率之后的星号表示该条件下按天显示的性能变化。括号表示基准性能与所有其他条件(\p < 0.05、_p < 0.01)中性能斜率之间的差异。基线 = 填充的圆圈,早期 = 打开的圆圈,中午 = 填充三角形,后期 = 打开三角形。请点击此处查看此图的较大版本。
| 工作计划 | n | 就寝时间(小时、SD) | 唤醒时间(h、SD) | 睡眠持续时间(h、SD) | 睡眠质量 (SD) |
| 基线(参考) | 39 | 23:10 (1:41) | 7:20 (1:49) | 8.2 (0.9) | 2.4 (0.7) |
| 早期 | 42 | 21:14 (1:01)** | 4:29 (0:47) | 7.4 (0.9)** | 2.5 (0.6) |
| 中午 | 41 | 01:19 (0:43)** | 9:11 (0:58) | 7.9 (1.1) | 2.3 (0.6) |
| 晚 | 40 | 02:18 (1:07)** | 9:57 (1:11) | 7.8 (1.4)* | 2.3 (0.7) |
| 休息日 | 42 | 23:47 (0:50)** | 8:16 (0:58) | 8.5 (0.9)* | 2.4 (0.5) |
表1:按计划类型分组的睡眠日记衍生睡眠结果(就寝时间、起床时间、睡眠持续时间和睡眠质量)。*p < 0.05, #p < 0.01;h = 小时,SD = 标准偏差。此表由弗林-埃文斯等人转载
| 工作计划 | 均值 (SD) | p 值 |
| 基线 | 3.51 (0.80) | 裁判。 |
| 早期值班 | 4.03 (0.88) | < 0.001 |
| 中午值班 | 3.85 (0.90) | < 0.001 |
| 延迟值班 | 3.85 (0.89) | < 0.001 |
表 2:按占空比计分的 Samn-Perelli (SP) 分数的平均值和标准偏差。评级越高,表示疲劳程度越高。
| 工作计划 | n(参与者) | 平均反应时间(毫秒、SD) | 响应速度(s、SD) | 平均滞后(> 500 ms) |
| 基线(参考) | 38 | 236 (48) | 4.84 (0.61) | 3.1 (4.1) |
| 早期 | 40 | 257 (70)** | 4.63 (0.66)** | 4.4 (5.4)** |
| 中午 | 39 | 261 (62)** | 4.56 (0.66)** | 4.7 (5.1)* |
| 晚 | 38 | 266 (64)** | 4.51 (0.63)** | 4.7 (5.0)** |
| 休息日 | 40 | 249 (56) | 4.69 (0.62) | 4.0 (4.5) |
表3:精神运动警戒任务(PVT)平均反应时间(RT)、响应速度(平均1/RT)和失误(RT >500 ms)按计划类型。*p < 0.05, #p < 0.01;此表转载自弗林-埃文斯等人7
Discussion
本手稿中描述的方法提供了对睡眠模式、昼夜相、疲劳评分以及飞行员在白天飞行期间的表现的洞察,包括早起、高工作负载的中日飞行和晚点完成。这些方法的组合表明,这些因素都受到工作开始时间和工作量的轻微变化的影响。通过评估系统的研究时间表并将这些措施集成到易于使用的触摸屏应用程序中,在具有挑战性的环境中收集了大量数据。通过这种方法的组合,可以更清楚地解释非传统日工作班期间警报和性能的变化。
这种测量目标睡眠、昼夜、疲劳和性能数据的方法的设计和实现对于确定工作开始时间在无时差的情况下在白天飞行期间如何影响飞行员至关重要。该协议旨在允许系统比较条件,同时尽量减少对参与者的不便,并在业务相关时间点最大限度地收集数据。这些是在操作环境中收集有意义的数据的关键步骤。这些措施已在实验室和实地研究中得到验证,这对解释结果十分重要。虽然这项研究旨在使参与者能够独立完成学习程序,但学习前简报会议对于确保志愿者了解学习程序和在完成学习时保持一致性的重要性至关重要研究测试和问题,特别是PVT。
发现睡眠持续时间和时间的变化根据工作开始时间是符合以前的研究,在较小的样本使用PSG评估睡眠时间59,60。尽管早期开始和后期完成可能会影响睡眠时间,但在操作环境中收集的大量数据样本有助于深入了解参与者失眠的意外方式。例如,唤醒维护区域(表示要唤醒的最强驱动器)发生在习惯性就寝时间之前。在实验室研究中,参与者在61、62、63的唤醒维护区出现睡眠困难。预计参与者可能会尝试比正常时间早睡几个小时,以便为早起做准备。还预计,由于试图在唤醒维护区启动睡眠,参与者在早起前的睡眠期间可能会出现长时间的睡眠延迟;然而,情况并非如此。这些数据突出了实验室和现场之间的重要差异,并且表明需要在操作环境中收集睡眠数据。
虽然在个体的一个子集中获得了昼夜相位信息,但在每个计划类型中观察到的昼夜相位变化反映了在睡眠时间中观察到的变化。该协议中加入昼夜相,增强了理解为什么疲劳等级和性能因工作开始时间而改变的能力。警觉性和性能遵循昼夜节律,最低警报性和最差性能通常与 AMT6s 杂技阶段的时序相吻合。虽然发现大多数参与者的昼夜节律相对于强加的工作时间表向预期方向移动,但也发现这种变化在个体之间是可变的。这表明,一些个人可能更难适应早期或较晚的时间表,造成适度的昼夜错位。这些方法的结合加强了对这些结论的解释。
收集的睡眠数据还有助于更好地了解疲劳评分和性能相对于不同工作时间表的变化原因。例如,我们发现,在早开始和后期完成期间,Samn-Perelli 的评分和 PVT 性能在所有这些时间表上都比一天差。这是有道理的,因为飞行员在早起和晚完成时比基线睡眠更少,这意味着他们每天都在这些时间表上累积睡眠债务。相比之下,在高工作负载的中午启动计划期间,PVT 性能也一天比一天差。在中午计划期间,飞行员获得的睡眠量与基线数据收集期间的睡眠时间没有差别。因此,这一发现表明,在中午工作日程中观察到的较差的表现不太可能受到急性睡眠限制的驱动。如果没有睡眠数据,很难解释疲劳评分和性能数据,因此这些方法的组合非常重要。
尽管这些方法设计和实现成功,但这种方法可能涉及一些挑战。例如,参与者可能会忘记何时或如何完成某些过程。定期与志愿者沟通,确认他们按照协议完成任务是很有帮助的,特别是在尿收集的第一阶段。此外,数据丢失的风险随着研究时间的增加而增加,因为个人可能会失去或损坏他们的学习设备。如果像本研究一样,将研究安排在几周内进行,那么最好在研究中点下载数据,以减少潜在的数据丢失并审查协议的遵守情况。数据不足或缺失可能会降低结果的可解释性,因此必须小心确保个人适当地收集数据。
在其他操作设置中,这些方法有许多可能的应用程序。这些方法可用于描述睡眠、昼夜相、疲劳和在具有异常调度做法或环境考虑的职业中的表现,例如在空间飞行或军事行动期间。此外,在实验室环境中还评估了许多有前途的干预措施和对策,例如利用富含蓝色光的光线加速昼夜相移、战略性在职午睡、催眠以最大化睡眠和兴奋剂,如咖啡因,以提高警觉性。虽然这些方法在受控的实验室条件下可能证明是有效的,但必须评估在操作环境中部署此类工具和技术,以确认它们在现实世界中减少疲劳的功效。活动学、睡眠日记、昼夜相位信息、疲劳评分和 PVT 收集相结合,结合易于使用的软件应用程序,便于任务管理,为评估有效性提供了足够的数据干预。这些方法的组合对于其他复杂的操作环境具有显著的转化潜力,在这些环境中,可能难以部署更具侵入性的数据收集工作。
Disclosures
EEFE 是婴儿睡眠科学顾问,她获得了华盛顿州立大学、芝加哥大学、普吉特声音飞行员、国家安全委员会和美国睡眠医学和睡眠研究学会的旅行资助。其他作者没有披露报告。
Acknowledgments
我们感谢研究参与者和航空公司人员在数据收集方面的支持。我们还感谢美国宇航局艾梅斯研究中心疲劳对策实验室的成员为这个项目提供的援助。这项研究得到了美国宇航局全系统安全计划的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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 h Urine Collection Bottle, 3,000 mL | Medline Industries, Inc., Northfield IL | DYND80024 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
| Moveland 3 mL 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, 50 mm x 16 mm, PS | Sarstedt, Numbrecht, Germany | 58.485 |
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