Sammeln von Schlaf-, Circadian-, Ermüdungs- und Leistungsdaten in komplexen Betriebsumgebungen

Behavior
 

Summary

Schlafverlust und zirkadiane Fehlausrichtung tragen zu zahlreichen Betriebsunfällen und -vorfällen bei. Die Wirksamkeit von Gegenmaßnahmen und Arbeitsplanungsentwürfen zur Minderung von Ermüdungserscheinungen kann in betrieblichen Umgebungen schwierig zu bewerten sein. Dieses Manuskript fasst einen Ansatz zum Sammeln von Schlaf-, Zirkadianen-, Ermüdungs- und Leistungsdaten in komplexen Betriebsumgebungen zusammen.

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Arsintescu, L., Kato, K. H., Hilditch, C. J., Gregory, K. B., Flynn-Evans, E. Collecting Sleep, Circadian, Fatigue, and Performance Data in Complex Operational Environments. J. Vis. Exp. (150), e59851, doi:10.3791/59851 (2019).

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Abstract

Schlafverlust und zirkadiane Fehlausrichtung tragen zu einem signifikanten Anteil von Betriebsunfällen und -vorfällen bei. Gegenmaßnahmen und Arbeitsplanungsentwürfe zur Minderung von Ermüdung werden in der Regel in kontrollierten Laborumgebungen bewertet, aber die Wirksamkeit der Umsetzung solcher Strategien in betriebliche Umgebungen kann eine Herausforderung darstellen. Dieses Manuskript fasst einen Ansatz zum Sammeln von Schlaf-, Zirkadianen-, Ermüdungs- und Leistungsdaten in einer komplexen Betriebsumgebung zusammen. Wir untersuchten 44 Piloten der Fluggesellschaften über 34 Tage, während sie einen festen Flugplan flogen, der eine Basisdatensammlung mit 5 Tagen Ammorgenflügen, vier Frühflügen, vier Hocharbeits-Mittagsflügen und vier verspäteten Flügen umfasste, die nach Mitternacht landeten. Jeder Arbeitsblock wurde durch 3–4 Tage Ruhe getrennt. Um den Schlaf zu beurteilen, trugen die Teilnehmer kontinuierlich einen am Handgelenk getragenen forschungsvalidierten Aktivitätsmonitor und absolvierten tägliche Schlaftagebücher. Um die zirkadiane Phase zu bewerten, wurden die Piloten gebeten, den gesamten Urin, der während der 24 h nach jedem Zollblock in vier oder acht stündlichen Behältern hergestellt wurde, für die Beurteilung von 6-Sulfatoxymelatonin (aMT6s) zu sammeln, das ein Biomarker des zirkadianen Rhythmus ist. Zur Beurteilung der subjektiven Ermüdung und objektiven Leistung wurde den Teilnehmern ein Touchscreen-Gerät zur Verfügung gestellt, mit dem die Samn-Perelli Fatigue Scale und die PsychomotorIsche Wachsamkeitsaufgabe (PVT) während und nach jedem Flug sowie während der Wachzeit, am Mittag und Schlafenszeit. Mit diesen Methoden wurde festgestellt, dass die Schlafdauer bei frühen Starts und späten Oberflächen relativ zur Ausgangsbasis reduziert wurde. Circadian Phase verschoben sich nach Dienstzeitplan, aber es gab eine breite Palette in der aMT6s Spitze zwischen Individuen auf jedem Zeitplan. Die PVT-Leistung war bei den frühen, hohen Arbeitsauslastungen und späten Zeitplänen im Vergleich zum Ausgangswert schlechter. Insgesamt war die Kombination dieser Methoden praktisch und effektiv für die Beurteilung des Einflusses von Schlafverlust und zirkadianer Phase auf Müdigkeit und Leistung in einem komplexen Betriebsumfeld.

Introduction

Müdigkeit, die durch Schlafverlust und zirkadiane Fehlausrichtung entsteht, stellt eine ernsthafte Bedrohung für die Sicherheit in Berufen dar, die 24-Stunden-Operationen, unregelmäßige Zeitpläne und verlängerte Arbeitszeitenerfordern 1,2. Laborforschung hat entscheidend dazu beigetragen, zu charakterisieren, wie Veränderungen der Schlafdauer und des Timings die nachfolgende Wachsamkeit und Leistung beeinflussen3,4,5. Diese Studien bilden die Grundlage für Empfehlungen für das Ermüdungsrisikomanagement und Arbeitsplanungspraktiken in Betrieblichen Umgebungen6.

In diesem Manuskript wird eine Feldstudie über Flugbetriebsoperationen verwendet, um einen Ansatz zum Sammeln von Schlaf-, Zirkadianer-, Ermüdungs- und Leistungsdaten in komplexen Betriebseinstellungen zu demonstrieren7. Wir untersuchten 44 Piloten der Fluggesellschaften über 34 Tage, während sie einen Flugplan flogen, der Perioden von Flügen am Vormittag, Frühflügen, Hocharbeits-Mittagsflügen und verspäteten Flügen, die nach Mitternacht landeten, umfasste. Jeder Arbeitsblock wurde durch 3–4 Tage Ruhe getrennt. Die Piloten sammelten objektive und subjektive Daten über den gesamten Studienzeitraum, einschließlich Flugdienst- und Ruhetagen.

Angesichts der Unterschiede zwischen Labor- und realen Umgebungen führt die Umsetzung von Strategien und Gegenmaßnahmen, die im Labor entwickelt wurden, nicht immer zu Operationen wie erwartet. Individuelle Unterschiede, eine breite Palette von betrieblichen Arbeitsplänen, unregelmäßige und unvorhersehbare Operationen, organisatorische Praktiken und Kultur sowie Arbeitsverträge sind einige der Faktoren, die die Anwendung der Wissenschaft in die Praxis erschweren können. einsatzbetrieb. Daher ist es wichtig, die Auswirkungen solcher Interventionen mit konsistenten und zuverlässigen Methoden zur Beurteilung von Schlaf, zirkadianen Rhythmen, Müdigkeit oder Wachsamkeit und Leistung zu bewerten. Der Grad der Überwachung und Datenerhebung muss proportional zu den erwarteten Ermüdungserscheinungen und damit verbundenen Sicherheitsrisiken imRahmeneines Vorgangs 8 gehalten werden. Darüber hinaus ist in jedem sicherheitsrelevanten Umfeld die Aufrechterhaltung eines sicheren Betriebs für das Untersuchungsprotokoll von größter Bedeutung.

Die Goldstandardmethode zur Beurteilung von Schlafdauer und -qualität ist die Polysomnographie (PSG), bei der die Gehirnaktivität, Herzfrequenz, Augenbewegung und Muskelaktivität durch eine Ansammlung von Elektroden und Sensoren auf der Kopfhaut, dem Gesicht, und Brust. Obwohl PSG robust ist, ist es nicht praktisch, Schlafinformationen in den meisten Betriebsumgebungen zu sammeln. Viele tragbare Geräte wurden entwickelt, um Schlaf-Timing, Dauer undQualität zu schätzen, aber nur wenige wurden 9,10validiert. Die Kombination aus am Handgelenk getragener Aktigraphie und täglichen Schlaftagebüchern wurde häufig verwendet, um den Schlaf in Feldstudien in einer Reihe von Berufen zu schätzen11,12,13,14 und wurden validiert gegen PSG, zeigt Konkordanz für Schlafdauer15. Darüber hinaus stellt die Verwendung von Aktigraphie und Schlaftagebüchern für Feldstudien eine geringe Belastung für die Studienteilnehmer dar, da die meisten Aktigraphie-Geräte am nicht-dominanten Handgelenk getragen und nur zum Duschen oder Schwimmen entfernt werden, ähnlich wie eine Armbanduhr. Ebenso kann ein gut gestaltetes Schlaftagebuch, das auf einem Telefon oder Touchscreen-Gerät präsentiert wird, in der Regel von Teilnehmern in weniger als zwei Min. vervollständigt werden.

Der Schlaf-Wach-Zyklus wird durch den zirkadianen Herzschrittmacher koordiniert, der sich in den suprachiasmatischen Kernen des Hypothalamus16befindet. Dieser Herzschrittmacher synchronisiert auch viele andere Aspekte der biologischen Funktion wie Körpertemperatur und Hormonrhythmen (z.B. Melatonin und Cortisol). Der endogene zirkadiane Rhythmus ist nahe, aber nicht genau, 24 h; Daher muss es jeden Tag zurückgesetzt werden, um eine stabile Synchronisation (d. h. Einschulung) auf den 24-Stunden-Tag zu ermöglichen. Das primäre Rückstellmittel des zirkadianen Herzschrittmachers ist Licht. In Betriebsumgebungen, die nicht standardmäßige Zeitpläne und 24-Stunden-Operationen erfordern, kann es zu zirkadianer Fehlausrichtung kommen, in der der zirkadiane Weg zum Schlaf mit den geplanten Arbeiten zusammenfällt11. Es ist möglich zu bestimmen, wann der zirkadiane Herzschrittmacher Schlaf und Aufwachen fördert, indem er das Peak Timing (d.h. die zirkadiane Phase) der Rhythmen biologischer Signale misst, die durch den zirkadianen Rhythmus gesteuert werden.

Es ist wichtig, die zirkadiane Phase nach der Umsetzung von Gegenmaßnahmen zu messen, um besser zu verstehen, ob solche Techniken erfolgreich sind, um den zirkadianen Herzschrittmacher an den vorgeschriebenen Arbeitsplan anzugleichen. Viele der Ausgänge des zirkadianen Systems, das zur Bestimmung der Phase in Laboreinstellungen verwendet wird, sind anfällig für Maskierung, so dass sie für den Einsatz in einer Feldumgebung ungeeignet sind. Zum Beispiel, zirkadiane Veränderungen der Körpertemperatur sind schwierig, bei frei lebenden Personen zu erkennen, die an Aktivitäten wie Bewegung, die ihre Körpertemperatur verändert engagieren können. Melatonin wird durch Lichtexposition akut unterdrückt, was die Ansammlung von Melatonin im Blut oder Speichel in Situationen unmöglich macht, in denen Licht nicht kontrolliert werden kann. Jedoch, 6-Sulfatoxymelatonin (aMT6s), der Hauptmetabolit von Melatonin, wird im Urin ausgeschieden und ist weniger von der Maskierung Stelleffekte des Lichts betroffen, so dass es ein idealer Kandidat für die Messung der zirkadianen Phase in betrieblichen Umgebungen17, 18.

Neben der Messung von Veränderungen in der Physiologie ist es auch wichtig, die Auswirkungen von Arbeitsplanänderungen auf subjektive Müdigkeit oder Wachsamkeit zu messen. Zwar stehen mehrere Skalen zur Verfügung, um verschiedene Aspekte der Wachsamkeit und Ermüdung zu messen, aber die am häufigsten verwendeten in der Luftfahrt sind die 7-Punkt Samn-Perelli Ermüdungsskala (SP)19 und 9-Punkt Karolinska Schläfrigkeitsskala (KSS)20. Der SP wird auch häufig in Feldstudien von Schichtarbeitern in einer Vielzahl von Berufen21,22,23,24verwendet. Das KSS wurde gegen objektive Schläfrigkeitsmessungen wie Elektroenzephalographie (EEG) und langsame Rollaugenbewegungen20,25, sowie Leistung25validiert. Diese Skala wird häufig in Studien sowohl im Labor als auch im Bereich24,26verwendet. Es kann andere subjektive Skalen geben, die für unterschiedliche Schichtarbeit oder berufliche Umgebungen geeignet sind. Es ist wichtig, eine Skala auszuwählen, die validiert wurde und idealerweise aussagekräftige Schwellenwerte für "akzeptable" Wachsamkeit enthält. Zum Beispiel sind KSS-Scores über 7 mit hohen physiologischen Anzeichen von Schläfrigkeit und eingeschränkter Fahrleistung25,27verbunden, während Samn-Perelli-Bewertungen sich direkt auf Flugaufgabenbeziehen 28. Für die in diesem Manuskript beschriebene Studie wurde der Samn-Perelli verwendet, da er ursprünglich als subjektive Ermüdungsmaßnahme in einer Ausschöpfungspopulation, die aus Piloten besteht, entwickelt wurde. 28

Obwohl die Messung von Schlaf und zirkadianer Phase ein wichtiger Bestandteil bei der Bewertung einer Intervention ist, ist ein primäres Ergebnis von Interesse an Feldstudien in der Regel objektive Leistung. Es gibt eine Vielzahl von Tests, die entwickelt wurden, um die kognitive Leistungsfähigkeit zu bewerten, aber der empfindlichste und zuverlässigste Test zur Messung der Auswirkungen von Schlafverlust und zirkadianer Fehlausrichtung ist die Psychomotorische Wachsamkeitsaufgabe (PVT). Das originale PVT (PVT-192) ist ein einfacher Reaktionszeittest, bei dem eine Person einen Stimulus erhältund angewiesen wird, auf den Stimulus durch schnelles Drücken einer Taste 29 zu reagieren. Die PVT wurde unter Bedingungen akuten und chronischen Schlafverlusts und zirkadianer Fehlausrichtung4,5,30validiert. Die Dauer der Aufgabe kann je nach Entwurf der Studie31,32variiert werden; obwohl, die traditionelle 10 min Dauer in Laborstudien bevorzugt wird33,34. während eine 5 min Dauer PVT ist in der Regel besser möglich in Feldstudien, wo betriebliche Anforderungen können die Verwaltung des Testsstören 35.

Darüber hinaus zeigt das PVT wenig bis gar keine Lerneffekte und ist einfach zu verwenden, was ihn zueinem praktischen Test für den Einsatz in Feldumgebungen macht, in denen Studienteilnehmer während des Tests 36 möglicherweise nicht beobachtet werden. Die Allgegenwart von Touchscreen-Geräten ermöglicht eine einfache Bereitstellung des PVT, aber Forscher sollten bei der Implementierung des PVT vorsichtig sein, da es zahlreiche Aspekte von Touchscreen-Geräten gibt, die Fehler in die Sammlung von PVT-Daten einbringen können37 ,38. Beispielsweise weisen verschiedene Hardware- und Softwarekombinationen unterschiedliche Systemlatenzen auf, und andere Anwendungen, die im Hintergrund ausgeführt werden, können unbekannte Fehler in die aufgezeichneten Reaktionszeiten einbringen. Daher ist es wichtig, PVT-Daten mit einem validierten PVT, mit konsistenter Hard- und Software, mit WiFi und mit deaktivierten anderen Anwendungen zu sammeln. Da es nicht praktikabel ist, Die Studienteilnehmer bei Tests in Betriebsumgebungen zu beobachten, ist es außerdem von entscheidender Bedeutung, dass die Teilnehmer geschult werden, jede PVT mit dem Gerät in der gleichen Ausrichtung mit demselben Finger zu vervollständigen38, 39.

Jedes dieser Elemente der Datenerhebung ist wichtig, und diese Werkzeuge wurden in anderen operativen Studien in den letzten40,41,42,43verwendet. Zusätzlich zu den oben beschriebenen Herausforderungen kann es jedoch schwierig sein, die Einhaltung von Studienverfahren zu erreichen, wenn die Teilnehmer verpflichtet sind, Aufgaben unabhängig zu erledigen, insbesondere wenn solche Aufgaben eine zeitkritische Komponente enthalten. Ein letztes Element, das bei der Datenerfassung in betrieblichen Umgebungen wichtig ist, ist die Organisation von Informationen in einer Weise, die es Einzelpersonen erleichtert, Aufgaben terminweise abzuschließen. Die NASA PVT+ Anwendung für Touchscreen-Geräte kann angepasst werden, um Aufgaben für die Teilnehmer nacheinander zu präsentieren und sie durch Studienverfahren zu führen. In der hier vorgestellten Studie werden beispielsweise Fluglotsen mit Touchscreen-Geräten ausgestattet, die mit einer Anwendung vorinstalliert sind, mit der jeden Morgen und Abend Schlaftagebücher vervollständigt werden. Die Geräte werden auch verwendet, um PVT-Tests und Ermüdungsbewertungen zu absolvieren, unter anderem am Morgen, an der Spitze der Abfahrt (TOD) jedes Fluges, nach dem Flug, und am Abend vor dem Schlafengehen. Diese Präsentation der Informationen ermöglichte es den Piloten, Die Studienverfahren mit minimalen Unannehmlichkeiten für ihre arbeitsbezogenen Aufgaben abzuschließen.

Es kann sehr schwierig sein, Daten unter piloten zu sammeln, da die Art des Jobs erfordert, dass sie lange Strecken zurücklegen und auf engstem Raum (d. h. im Cockpit) mit vielen Ablenkungen und oft unvorhersehbaren Arbeitsbelastungen arbeiten. Trotz dieser Herausforderungen ist es wichtig, Daten in dieser Population zu sammeln, da die Ermüdung der Piloten eine Bedrohung für den sicheren Flugbetrieb40,44,45darstellt. Die hohe Intensität des Flugbetriebs ist förderlich für die Verschlechterung der Leistung der Besatzung und erhöht das Risiko von ermüdungsbedingten Vorfällen46,47,48,49,50. Mit der oben beschriebenen Kombination von Methoden haben wir Schlaf, zirkadiane Rhythmen, Müdigkeit und Leistung bei 44 Piloten von Kurzstreckenfluggesellschaften über 34 Tage gemessen. Während der Studie flogen die Piloten einen festen Flugplan, der eine Basisdatensammlung mit 5 Tagen Ammorgenflügen, vier Frühflügen, vier Hocharbeitsflügen am Mittag und vier verspäteten Flügen nach Mitternacht umfasste. Jeder Arbeitsblock wurde durch 3–4 Tage Ruhe getrennt. Diese Ergebnisse zeigen, wie eine umfassende Datenerfassung, einschließlich Schlafmessungen, zirkadianen Rhythmen, Ermüdung und Leistung, in betrieblichen Umgebungen verwendet werden kann.

In diesem Fall war der Zweck der Studie, Schlaf, zirkadiane Rhythmen, Müdigkeit und Leistung durch Dienststartzeit wie folgt zu bewerten. 1) Baseline: Während des ersten Einsatzblocks arbeiteten alle Piloten 5 Tage, die jeweils zwei Flüge von jeweils etwa 2 H beinhalteten, beginnend am Vormittag, um eine angemessene Nachtschlaf-Episode zu ermöglichen. Auf diesen Block folgten 4 Ruhetage. 2) Frühe Starts: Während des Früheinsatzes arbeiteten alle Piloten 5 Tage, die jeweils zwei Flüge von ca. 2 h beinhalteten, die jeweils zwischen ca. 5:00 Uhr und 8:00 Uhr starteten. Auf diesen Block folgten 3 Ruhetage. 3) Hocharbeitsschichten am Mittag: Während des Mittagsdiensts arbeiteten alle Piloten 5 Tage, die jeweils 2–4 Flüge von jeweils 2 bis 6 H umfassten, beginnend etwa mittags. Auf diesen Block folgten 3 Ruhetage. 4) Späte Ziele: Während des späten Einsatzblocks arbeiteten alle Piloten 5 Tage, die zwei Flüge von jeweils etwa 3 H beinhalteten, beginnend am späten Nachmittag gegen 16:00 Uhr und endeten gegen Mitternacht. Auf diesen Block folgten 3 Ruhetage.

Protocol

Diese Studie wurde vom Institutional Review Board (IRB) des NASA Ames Research Center genehmigt, und alle Probanden erteilten schriftliche Zustimmung in Kenntnis der Sachlage. Alle Studienverfahren entsprachen denen des von der NASA IRB genehmigten Protokolls (Protokollnummer HRI-319).

1. Auswahl und Vorbereitung der Teilnehmer für das Experiment

  1. Bestimmung des Studienplans
    1. Schließen Sie einen Basisdatenerhebungszeitraum ein, um die Ergebnisse ohne Intervention zu bewerten.
  2. Identifizieren, wann Während des Experiments Daten gesammelt werden sollen
    1. Bei der Beurteilung von Ermüdung ist es entscheidend, dass Ergebnismaßnahmen mehr als einen Datenpunkt aufgrund von Tagesänderungen in Ermüdung und Leistung umfassen.
    2. Sammeln Sie leistungsdaten in Verbindung mit betriebskritischen Aufgaben, wenn möglich. Im Falle von Flugpiloten ist es nützlich, eine PVT- und Ermüdungsbewertung am TOD eines Fluges zu sammeln, der sich in der endletzten Phase der Kreuzfahrt befindet, kurz bevor die kritische Aufgabe der Landung eintritt.
      HINWEIS: Möglicherweise sind mehr PVT-Daten an Bord erforderlich, um die Ergebnisse für längere Flüge oder in anderen Betriebsumgebungen zu bewerten. Ein Forscher könnte sich beispielsweise für die Ermüdungsänderung während einer Ruhepause interessieren, die Maßnahmen vor und nach der Pause erfordert.
  3. Die Einstellungsverfahren können je nach Studienziel variieren. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer von einer einzigen Organisation beschäftigt werden und dass sie die typische Grundgesamtheit der ausgewählten Organisation darstellen; daher müssen keine zusätzlichen Screening-Kriterien angewendet werden.
    HINWEIS: In Laborumgebungen werden die Teilnehmer in der Regel atypisch aus der Teilnahme heraus gescreent, wenn sie chronische Gesundheitszustände haben oder a-normaler Reichweite auf Schlafstörungsfragebögen punkten. In betrieblichen Umgebungen können die Teilnehmer chronische Erkrankungen und nicht diagnostizierte Schlafstörungen haben, aber diese Personen sollten in der Regel in Studien einbezogen werden, um die Wirksamkeit von Interventionen in einem breiten Spektrum von Arbeitnehmern zu messen. Einzelpersonen sollten aufgefordert werden, sich per E-Mail oder in einer individuellen Präsentation an die Interessierte Bevölkerung an der Studie zu beteiligen.
    1. Lassen Sie die Teilnehmer direkt mit dem Studienpersonal in Kontakt treten und ihnen versichern, dass Beschäftigungsentscheidungen nicht auf der Grundlage individueller Daten getroffen werden.
    2. Ergreifen Sie alle zusätzlichen Vorsichtsmaßnahmen, die erforderlich sind, um die Vertraulichkeit der Teilnehmer von ihrem Arbeitgeber zu schützen, wie z. B. die Erlangung einer Vertraulichkeitsbescheinigung durch das National Institute of Health oder ein Schreiben der Unternehmensleitung, das sich Freiwillige, dass ihre Beschäftigung durch ihre Teilnahme an der Studie nicht beeinträchtigt wird.
    3. Lassen Sie sich von den Teilnehmern einer informierten Zustimmung unterziehen, die bestätigt, dass die Teilnahme an der Forschung streng freiwillig ist. Stellen Sie sicher, dass interessierte Freiwillige den Arbeitsplan der Studie befolgen und sie davon abhalten können, während der Studie Schichtarbeit zu handeln.
  4. Laden Sie Teilnehmer, die sich freiwillig an der Studie beteiligt haben, ein Training/Briefing für 30 bis 60 Min. ein.
    1. Stellen Sie den Teilnehmern ein Datenerfassungskit zur Verfügung, das den Aktivitätsmonitor, das Touchscreen-Gerät mit der entsprechenden installierten Anwendung und Urinsammelmaterialien umfasst. Lassen Sie die Teilnehmer Hintergrundfragebögen ausfüllen [z.B. Pittsburgh Sleep Quality Index (PSQI)51, Fatigue Severity Scale (FSS)52, Epworth Sleepiness Scale (ESS)53, Checklist of Individual Strength (CIS)54, Morningness/Eveningness Questionnaire (MEQ)55] zur Schätzung der Prävalenz von Grundschlafproblemen in der Bevölkerung. Diese Fragebögen können auch als Kovariate in der Datenanalyse verwendet werden.
    2. Überprüfen Sie alle Aspekte der Studie mit den Teilnehmern und schulen Sie sie an den Verfahren zum Ausfüllen von Studienfragebögen und Tests. Lassen Sie die Teilnehmer ein Schlaftagebuch und alle täglichen Fragebögen vor dem Studienpersonal ausfüllen, um sicherzustellen, dass der Teilnehmer versteht, wie die Fragen zu beantworten und die Anwendung zu verwenden. Schulung der Teilnehmer nach den geeigneten Verfahren für den Abschluss der PVT, wie in Abschnitt 6 unten beschrieben.
    3. Stellen Sie den Teilnehmern einen forschungsvalidierten Aktivitätsmonitor zur Verfügung. Weisen Sie die Teilnehmer an, den Aktivitätsmonitor jederzeit zu tragen und ihn nur zu entfernen, wenn er in Wasser getaucht werden kann. Bitten Sie die Teilnehmer, die Zeit der Aktivität smonitor Entfernungen in der Anwendung zu notieren.
    4. Stellen Sie den Teilnehmern Urinsammelmaterialien zur Verfügung und orientieren Sie sie an Urinsammelverfahren. Wenn ein Teilnehmer nicht willens oder nicht in der Lage ist, Urinproben zu sammeln, kann dieses Element der Studie als optionale Unterstudie aufgenommen werden, wenn es von der Ethikkommission genehmigt wird.

2. Experimentelles Design

  1. Arbeitsplan: Stellen Sie sicher, dass alle Personen den gleichen Zeitplan (oder einen ausgewogenen Zeitplan im Falle eines randomisierten Experiments) einhalten. Darüber hinaus, fügen Sie eine Baseline oder Placebo-Bedingung in das Experiment, um Ergebnisse in Ermangelung von Intervention oder Zeitplan Manipulation zu interpretieren.
    HINWEIS:
    Es wird wahrscheinlich notwendig sein, eng mit der Partnerorganisation zusammenzuarbeiten, um den Versuchsplan umzusetzen. Je nach zu untersuchender Bevölkerung können andere Überlegungen erforderlich sein. Im Falle unserer Studie, in der wir Kurzstrecken-Airline-Piloten bewerteten, haben wir einen Flugplan entworfen, der es ihnen ermöglicht, jeden Tag nach Hause zurückzukehren, um sicherzustellen, dass sie eine konsistente Schlafumgebung haben. Der endgültige Zeitplan für die Bewertung der Ergebnisse von Interesse sollte dem in Abbildung 1dargestellten entsprechen.
    1. Datenerfassungsprotokoll an arbeitsfreien Tagen:
      1. Weisen Sie die Teilnehmer an, das Schlaftagebuch jeden Tag innerhalb von 30 min nach dem Aufwachen und Demgehen ins Bett zu vervollständigen.
      2. Bitten Sie die Teilnehmer, ihren Aktivitätsmonitor kontinuierlich zu tragen.
      3. Weisen Sie die Teilnehmer an, eine Samn-Perelli-Ermüdungsskala (SP) und eine PVT 3x pro Tag zu absolvieren: morgens (1–2 h nach dem Aufwachen), Am Mittag (8–9 H nach dem Aufwachen) und am Abend (1–2 h vor dem Schlafengehen).
    2. Datenerfassungsprotokoll an Werktagen:
      1. Weisen Sie die Teilnehmer an, das Schlaftagebuch jeden Tag innerhalb von 30 min nach dem Aufwachen und Demgehen ins Bett zu vervollständigen.
  2. Zeitplan für die Datenerfassung: Stellen Sie sicher, dass der Zeitplan für die Datenerfassung die Erfassung von PVT-Daten zu betriebsrelevanten Zeiten und zu mehreren Zeitpunkten pro Tag (mindestens morgens, mittags und abends) umfasst, um Leistungsänderungen zu bewerten Schlafverlust oder zirkadiane Fehlausrichtung. Stellen Sie außerdem sicher, dass der Zeitplan für die Datenerfassung den Teilnehmer nicht übermäßig mit unnötiger Datenerfassung belastet.
    HINWEIS: Das Gleichgewicht zwischen dem Sammeln ausreichender Informationen zur Bewertung von Interventionen und der Nichtbelastung des Teilnehmers ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Studienkonformität und die Minimierung des Rückzugs aus der Studie.

3. Aktigraphie-Erhebungsverfahren

  1. Wählen Sie einen Aktivitätsmonitor aus, der in einer Laborumgebung gegen PSG validiert wurde (Abbildung 2).
    HINWEIS: Einige Aktivitätsmonitore enthalten zusätzliche Funktionen, wie Temperatur und Herzfrequenz, aber wie zuvor beschrieben, können diese Funktionen durch die Aktivitäten einer Person beeinflusst werden. Zwei nützliche Funktionen, die auf einigen Geräten verfügbar sind, sind Ereignismarker und Lichtsensoren. Beleuchtungsinformationen können bei der Interpretation zirkadianer Phaseninformationen nützlich sein, und Ereignismarkierungen können verwendet werden, um entfernungen die Zeit im Bett und aktivitätsmonitorzuentfernen, aber diese Funktionen sind für die Erfassung von Schlafinformationen nicht erforderlich.
  2. Weisen Sie die Teilnehmer an, den Aktivitätsmonitor während des gesamten Versuchszeitraums eng und sicher am Handgelenk der nicht-dominanten Hand zu tragen. Wenn der Aktivitätsmonitor nicht sicher am Handgelenk befestigt ist, kann die Aktivitätsanzahl beeinträchtigt werden. Demonstrieren Sie die geeignete Anpassung während der Briefing-Sitzung vor dem Studium.
  3. Weisen Sie die Teilnehmer an, den Aktivitätsmonitor während des Trainings zu tragen, ihn aber vor dem Schwimmen und Duschen zu entfernen. Aktivitätsmonitor Entfernungen sollten im täglichen Schlaftagebuch notiert werden, um Inaktivität aufgrund von Aktivitätmonitor Entfernungen von Nickerchen zu unterscheiden.
  4. Wenn der Aktivitätsmonitor eine Ereignismarkierungsfunktion enthält, bitten Sie den Teilnehmer, den Marker zu drücken, wenn der Aktivitätsmonitor entfernt wird. Weisen Sie den Teilnehmer außerdem an, den Event-Marker zu drücken, wenn er ins Bett geht und für jede Schlafepisode aufwacht. Dies wird die im Schlaftagebuch erhaltenen Informationen verbessern und bei der Analyse helfen.

4. App-basierter Fragebogen, Schlaftagebuch und PVT-Sammlung

  1. Wählen Sie die Anwendung für die tägliche Datenerfassung aus.
    HINWEIS: App-basierte Fragebögen sollten mit validierten Papierversionen abgeglichen werden, um sicherzustellen, dass die App-basierten Versionen die ursprünglichen Instrumente originalgetreu widerspiegeln. Insbesondere sollten Fragebögen, die visuelle analoge Skalen enthalten, überprüft werden, um zu bestätigen, dass App-Entwickler die Ergebnisse nicht in Likert-Skalen transformiert haben. Ebenso sollten alle Fragen und Antworten überprüft werden, um zu bestätigen, dass die ursprünglichen Sprach- und Antwortoptionen vollständig enthalten sind und dass die Visualisierung der Fragen und Antworten durch die Bildschirmgröße des verwendeten Geräts nicht beeinträchtigt wird.
  2. Fragebögen: Die Teilnehmer müssen die Basisfragebögen (in Abschnitt 1.4.1) und demografische Informationen ausfüllen, bevor sie sich an Studienverfahren beteiligen, um die Interpretation der Studienergebnisse zu unterstützen.
  3. Schlaftagebücher: Bitten Sie die Teilnehmer, das Schlaftagebuch vor und nach der Hauptschlafepisode des Einzelnen zu vervollständigen. Es ist wünschenswert, den Teilnehmern ein anwendungsbasiertes Schlaftagebuch anstelle von Papier zur Verfügung zu stellen, da 1) es für den Teilnehmer leicht zu vervollständigen ist und 2) anwendungsbasierte Schlaftagebücher zeitstempelt sind, was die Möglichkeit minimiert, dass ein Einzelner das Schlaftagebuch rückwirkend zu vervollständigen.
    1. Wachschlaftagebuch: nach dem Aufwachen von der Hauptschlaf-Episode, haben die Teilnehmer zeigen 1) Wachzeit, 2) Anzahl und Dauer des Erwachens, und 3) Schlafqualität.
    2. Schlaftagebuch: Kurz vor dem Schlafengehen, weisen Sie die Teilnehmer an, die Dauer und das Timing von Nickerchen und zu erwartenden Schlafzeiten zu dokumentieren.
  4. PVT: Weisen Sie die Teilnehmer an, die PVT während der gesamten Studie zu vorgegebenen Zeiten mit einer genauen Methodik zu nehmen, wie unten beschrieben (abschnitt 6).
  5. Präsentieren Sie Studieninformationen klar und prägnant, so dass den Teilnehmern Aufgaben in einer Weise präsentiert werden, die es ihnen ermöglicht, schnell zu bestimmen, was sie tun müssen.
    HINWEIS: Wir verwenden die NASA PVT+ App für unsere Studien. Die NASA PVT+ ist eine Anwendung für Touchscreen-Geräte, die am NASA Ames Research Center entwickelt wurde. Die Anwendung wird für jedes Experiment angepasst, um verschiedene Fragebögen bei Bedarf einzuschließen oder auszuschließen. Die App stellt jede Aktivität dar, die ein Teilnehmer nacheinander ausführen muss (siehe Abbildung 3). Für die vorliegende Studie zeigt die Hauptseite der App drei Hauptlinks an: "Studieneinschreibung", "Ruhetag" und "Tag der Arbeit". Der Link "Studieneinschreibung" enthält die folgenden Fragebögen, die während des Ausbildungstages auszufüllen sind: Demografie, MEQ, CIS und ESS. Nach Abschluss ist der Link für die Teilnehmer nicht mehr sichtbar. Der Link "Ruhetag" enthält die Fragebögen, die an freien Tagen auszufüllen sind: Morgenschlaftagebuch; SP und PVT für Morgens, Nachmittag und Abend; und Abendschlaftagebuch, in dieser Reihenfolge dargestellt. Der Link "Tag des Dienstes" zeigt drei Hauptlinks: Morgen (Schlaftagebuch); Arbeitsaufgaben; und Abend (Schlaftagebuch). Die Verknüpfung "Arbeitsaufgaben" besteht aus drei Links: Pre-Flight (SP, PVT, Pendelzeit); Aufzeichnung bei TOD, die die Anzahl der Flüge anzeigt, die der Teilnehmer ausgewählt hat, um die Tests für diesen bestimmten Flug (SP, PVT) abzuschließen; und nach dem Flug (SP, PVT).

5. Urin-Sammlungsverfahren

  1. Verwenden Sie die Urinsammlung, um die Produktion von MT6s zu messen, um die zirkadiane Phase zu schätzen (angepasst für die Urinsammlung bei Piloten aus Verfahren, die von Lockley18 und Hull56entwickelt wurden).
    1. Weisen Sie die Teilnehmer an, Urinproben nach jeder Intervention zu sammeln, von der erwartet wird, dass sie die zirkadiane Phase verschiebt. Geben Sie den Teilnehmern das Urin-Kit, das Urinprotokoll und Anweisungen am Trainingstag. Das Urin-Kit (Abbildung 4) enthält einen Urinalhut oder Urinalsammelbehälter, mehrere Pipetten, fünf beschriftete Urinsammelröhrchen pro 24-h-Sammlung, zwei zusätzliche Tuben und weiße Aufkleber-Etiketten, saubere Biohazard-Reißverschluss-Taschen, Versandmaterialien, ein Eis ein Urinsammelprotokoll (Abbildung 5) und eine Kopie der Referenzanweisungen während jedes Sammelblocks (in Abschnitt 5.2 beschrieben).
    2. Allgemeine Übersichtsanweisungen: Informieren Sie die Teilnehmer, dass sie den gesamten Urin, der über einen Zeitraum von 24 h produziert wird, sammeln müssen. Der erste Sammelblock beginnt mit dem Aufwachen des Teilnehmers am ersten Urinsammeltag und setzt sich tagsüber in 4 h Blöcken und über Nacht in einem 8-Stunden-Block fort. Insgesamt umfasst jede 24-Stunden-Sammlung fünf Proben.
    3. Geben Sie den Teilnehmern die folgenden Anweisungen und überprüfen Sie mit ihnen jeden Schritt im Verfahren während der Vorstudienschulung. Stellen Sie sicher, dass die Teilnehmer mit einem prepaid, adressierten Versandetikett versehen werden.
  2. Verwenden Sie die folgenden Anweisungen zur Urinentnahme für Teilnehmer:
    Wenn Sie am ersten Tag aufwachen, gehen Sie wie gewohnt ins Badezimmer in der Toilette. Sie werden beginnen, Ihren Urin zu sammeln, nachdem Sie zum ersten Mal ins Badezimmer gehen.
    Zeichnen Sie zu Beginn jedes Sammlungsblocks das Datum, die Startzeit und die ungefähre Endzeit des Auflistungsblocks im Sammlungsprotokoll auf (z. B. 07:00–11:00 Uhr). Sie können während eines 4 h-Sammlungsblocks (oder während des 8 h-Übernachtungsblocks) mehr als einmal urinieren. In diesem Fall urinieren Sie im selben Urinsammelbehälter. Während des Abholfensters 07:00–11:00 uhr können Sie beispielsweise um 8:00 Uhr und 10:55 Uhr urinieren. Beide Urinhohlräume mischen sich im selben Sammelbehälter. Am Ende des Sammlungsblocks nehmen Sie ein Beispiel. Zeichnen Sie jedes Mal, wenn Sie urinieren, die genaue Uhrzeit auf dem Sammlungsprotokoll auf. Jedes Mal, wenn Sie urinieren, sollte Ihr urinierter Urin in den Sammelbehälter gehen.
    Leeren Sie Ihre Blase kurz vor der Entnahme einer Probe. Wenn der Auflistungsblock beispielsweise um 11:00 Uhr endet, versuchen Sie, kurz vor 11:00 Uhr in den Auflistungscontainer zu urinieren, und nehmen Sie dann das Beispiel. Notieren Sie am Ende des Sammelblocks das Gesamtvolumen des Urins, der mit den Markierungen auf dem Behälter gesammelt wurde.
    Nehmen Sie eine neue Pipette und übertragen Sie eine kleine Menge des Urins aus dem Sammelbehälter in ein kleines Rohr. Füllen Sie das Rohr mit genügend Urin, so dass es mindestens halb voll ist. Kappen Sie das Rohr. Füllen Sie das Rohr nicht vollständig, da uriniert, wenn es gefroren ist und kann das Rohr brechen, wenn es überfüllt ist. Nachdem Sie das Rohr gefüllt haben, können Sie die Pipette wegwerfen. Jedes Probenrohr ist mit einer Zahl beschriftet und in numerischer Reihenfolge angeordnet. Verwenden Sie die Probenröhrchen in numerischer Reihenfolge (d. h. verwenden Sie zuerst 1, dann 2 usw.).
    Legen Sie das kleine Rohr in eine Reißverschluss-Biohazard-Tasche. Legen Sie den großen Reißverschlussbeutel mit einer Kühlpackung in die Versandbox. Nach der Entnahme der Probe notieren Sie die Rohrnummer und die Uhrzeit, die Sie die Probe auf dem Sammelprotokoll genommen haben, und entsorgen Sie dann den restlichen Urin in der Toilette. Spülen Sie den Sammelbehälter mit Wasser (verwenden Sie nichts anderes als Wasser zum Spülen des Sammelbehälters). Wiederholen Sie den Vorgang für die nächsten drei Tage-Sammlungsblöcke (z. B. 11:00 Uhr– 15:00 Uhr, 15:00–19:00 Uhr und 19:00–11:00 Uhr).
    Für den Übernachtungsblock sammeln Sie Ihre vierte Tagesprobe kurz vor dem Schlafengehen. Der Sammelbehälter sollte leer sein, wenn Sie ins Bett gehen. Der Nächtliche Sammelblock umfasst den gesamten Urin, den Sie während der Nacht urinieren, sowie den Urin vom ersten Urin am Morgen. Wenn Sie morgens aufwachen, urinieren Sie in den Sammelbehälter. Jeder Urin aus der Nacht wird mit diesem ersten Urin, den Sie am Morgen produzieren, eingegmisch. Wenn Sie nachts nicht aufwachen, kann die Nachtprobe nur Ihr erstes morgendliches Wasserlassen enthalten. Nachdem Sie am 2. Tag zum ersten Mal uriniert haben, ist der Übernachtungsblock fertig.
    Bitte sammeln Sie den gesamten Urin, den Sie in einem 24-Stunden-Zeitraum produzieren. Wenn Sie versehentlich in der Toilette urinieren, dann notieren Sie dies bitte auf Ihrem Urinsammelprotokoll und lassen Sie uns wissen, dass Sie eine Sammlung verpasst haben."

6. PVT-Verwaltungsmethoden

HINWEIS: Wie in der Einleitung beschrieben, IST NASA-PVT ein 5 min anhaltender Reaktionszeittest, der die Geschwindigkeit misst, mit der Individuen auf einen visuellen Reiz reagieren. Die Dauer des Tests kann je nach Studiendesign geändert werden. Es gibt zahlreiche PVT-Designs, die entwickelt wurden, einschließlich solche, die ein Ziel35,57 oder Schachbrettmuster39beleuchten. Die NASA-PVT wurde entwickelt, um das Labor-PVT-192-Gerät nachzuahmen, bei dem sich das Ziel in Form eines Millisekundenzählers befindet.

  1. Lesen Sie die folgenden Anweisungen für jeden Teilnehmer, um sicherzustellen, dass jeder das gleiche Training erhält: "Bitte halten Sie das Gerät jedes Mal in der Querquerungsposition und bewegen Sie jeden Ihrer Daumen innerhalb weniger Millimeter des Bildschirms, während Sie sich die ganze Zeit diesen Test zu machen. Tippen Sie während des Tests auf den Bildschirm mit dem Daumen Ihrer dominanten Hand (d. h. der Hand, mit der Sie normalerweise schreiben), sobald die roten Zahlen im Feld scrollen. Sie müssen Ihren Daumen von Ihrer dominanten Hand verwenden, um auf die Reize in allen Tests zu reagieren. Die Zahlen im Display zeigen an, wie schnell Sie jedes Mal reagiert haben. Je kleiner die Zahl, desto besser haben Sie es gemacht. Versuchen Sie, Ihr Bestes zu tun und erhalten Sie die niedrigste Zahl, die Sie jedes Mal können. Wenn Sie zu früh auf den Bildschirm tippen (bevor die Zahlen erscheinen), wird eine Fehlermeldung (FS) angezeigt, die auf einen Fehlstart hinweist. Wenn Sie mit Ihrem nicht dominanten Daumen tippen, wird die Meldung 'ERR' angezeigt, die auf einen Fehler hinweist. Vermeiden Sie 'FS' und 'ERR'. Wenn Sie vergessen, den Daumen zu heben, wird der Textbildschirm Sie nach kurzer Zeit daran erinnern." Abbildung 6 zeigt den Bildschirm der Demo NASA-PVT, der die richtige Position des Touchscreen-Geräts zeigt, während die PVT und die Position des Daumens genommen wird.
  2. Weisen Sie die Teilnehmer an, das Touchscreen-Gerät im Flugzeugmodus zu halten, wobei WLAN jederzeit deaktiviert ist.
    HINWEIS: Dies ist besonders wichtig für die PVT-Aufgabe, bei der die Genauigkeit der internen Stoppuhr durch Konnektivitätsfunktionen beeinflusst wird, wodurch die Reaktionszeit38beeinflusst wird.
  3. Weisen Sie die Teilnehmer an, die PVT zu einer Zeit zu initiieren, die frei von Ablenkungen ist. Wenn Ablenkungen auftreten, lassen Sie die Teilnehmer die Anzahl der Ablenkungen innerhalb der Anwendung nach dem Test notieren.
    HINWEIS: Angesichts der Anforderungen der Betriebsumgebung ist es möglich, dass die Teilnehmer keinen geplanten PVT-Test absolvieren können. In diesem Fall sollten die Teilnehmer angewiesen werden, die PVT so schnell wie möglich nach dem verpassten Test zu nehmen. Es ist auch wichtig, die Teilnehmer darüber zu informieren, dass sie mindestens 30 min zwischen PVT-Testsitzungen halten sollten.

Representative Results

Mit den beschriebenen Methoden konnten wir über 700 Tage Daten und über 3.000 PVTs und Ermüdungsbewertungen unter 44 Kurzstreckenpiloten7sammeln. Ziel dieser Studie war es, Veränderungen im Schlaf, in der zirkadianen Phase, bei den Ermüdungsbewertungen und der Leistung von Kurzstreckenpiloten durch Arbeitsbeginn und Arbeitsbelastung bei Tagesflügen zu charakterisieren.

Um das versuchsweise Studiendesign zu berücksichtigen, wurden alle Zustandseffekte auf Schlaf- und Leistungsergebnisse unter Verwendung wiederholter Maßanalysen der Varianz analyse mit unstrukturierten Kovarianzen unter Verwendung des Teilnehmers als wiederholten Faktor bewertet. Um zu beurteilen, ob Schlaf- und Leistungsergebnisse nach Einem bestimmten Zeitplan je nach Tag variierten, wurden lineare Modelle für gemischte Effekte auf die Veränderungen des Schlafes und der Leistung pro Tag angewendet. Um individuelle Unterschiede in der Anpassung an einen bestimmten Zeitplan zu berücksichtigen, durften Das Abfangen und die Steigung je nach Individuum variieren.

Das erste Ziel, das mit diesen Methoden angesprochen wurde, war die Untersuchung der Auswirkungen der Startzeit auf den Schlaf. Schlafdauer, Schlafzeit, Wachzeit und Schlafqualität wurden anhand des Schlaftagebuchs und der Aktigraphie berechnet. Ein Beispiel für das vom Aktivitätsmonitor abgeleitete Actogramm ist in Abbildung 7dargestellt. Es wurde gezeigt, dass Schlafzeitpunkt und -dauer in Abhängigkeit von der Arbeitsstartzeit mit Hilfe der Regressionsanalyse mit gemischten Effekten signifikant variierten. Tabelle 1 zeigt die Schlafzeit, die Wachzeit, die Schlafdauer und die Schlafqualität nach Zeitplantyp, wie von den Teilnehmern im Schlaftagebuch berichtet. Die Teilnehmer gingen im Durchschnitt gegen 23:10 (SD = 1:41) am Basisblock ins Bett. Die Schlafzeit für den frühdienstlichen Zeitplanblock unterschied sich erheblich von der Ausgangsbasis (p < 0,01), wobei die Teilnehmer frühere Schlafzeiten meldeten. Die Schlafzeiten für Mittags- und Spätdienstpläne unterschieden sich ebenfalls deutlich von der Ausgangszeit (p < 0,01), wobei die Teilnehmer spätere Schlafzeiten meldeten. Die Teilnehmer gingen an Ruhetagen im Vergleich zum Ausgangswert deutlich später (p < 0,01) ins Bett.

Abbildung 8 zeigt die von mittlerer Aktigraphie abgeleitete Schlafdauer pro Tag für jeden Zeitplantyp. Die Teilnehmer erhielten bei frühen Starts deutlich weniger Schlaf (p < 0,01) als bei den Ausgangsstarts. Die Schlafdauer bei den anderen Zeitplantypen war nicht anders als bei der Baseline. Schlaflatenz und Schlafeffizienz aus Deraktigraphie waren nicht signifikant von der Basis für einen der Zeitplantypen. Wake after Sleep Beginn (WASO) war bei frühen Starts signifikant anders als bei Baseline (p < 0,05), wobei Piloten berichteten, dass sie während der frühen Starts wacher waren. Es gab keine Unterschiede zwischen dem Basisplan und anderen Zeitplantypen. Zwischen den Ruhetagen und dem Basiswert gab es keine signifikanten Unterschiede.

Das zweite Ziel, das mit diesen Methoden angesprochen wurde, bestand darin, die Auswirkungen der Startzeit auf die zirkadiane Phase zu untersuchen, gemessen mit aMT6s. Das Peak Timing (Acrophase) des aMT6s-Rhythmus ist ein zuverlässiger Marker der zirkadianen Phase58. Abbildung 9 zeigt ein Beispiel für den zirkadianen Rhythmus von aMT6s über 24 h für eine Person, während Abbildung 10 die aMT6s Akrophase für jede Person zeigt, die an den Urinentnahmeverfahren per Studienblock teilgenommen hat. In Übereinstimmung mit den Befunden über den Schlaf, wurde festgestellt, dass die mittlere zirkadiane Phase je nach Arbeitsbeginn deutlich verschoben wurde. Es ist wichtig, die fehlenden Datenerfassungsinformationen in Abbildung 10zu beachten. Einige Personen hatten Schwierigkeiten mit den Urin-Sammlungsverfahren für einige der Blöcke oder sie vergessen, den Zeitpunkt ihrer Probenentnahme zu protokollieren. In diesen Fällen war es nicht möglich, zuverlässige Schätzungen der zirkadianen Phase aus der aMT6s-Konzentration zu generieren, so dass einige Daten fehlen. In Situationen, in denen die Sammlung von Informationen der zirkadianen Phase wichtig ist, kann es ratsam sein, teilnehmer vor jeder Urinentnahme anzurufen, um sicherzustellen, dass die Verfahren ordnungsgemäß befolgt werden.

Das dritte Ziel, das mit diesen Methoden angesprochen wurde, bestand darin, die Auswirkungen der Startzeit auf die selbst gemeldete Ermüdung, gemessen durch SP, und die objektive Leistung, gemessen durch die PVT, zu untersuchen. In Übereinstimmung mit unseren Ergebnissen mit Schlaf, mit gemischten Effekten Regressionsanalyse, fanden wir, dass sowohl Müdigkeit (Tabelle 2) und PVT-Reaktionszeiten (Abbildung 11) waren schlechter bei frühen Starts, hohe Arbeitsbelastung Zwischentageschichten, und späte Abschlüsse, im Vergleich zu unserer Basisdatenerfassung (p < 0,001 SP; p < 0,01 PVT RT). Die Teilnehmer zeigten einen signifikanten Anstieg der Ausfälle für jeden Zeitplantyp im Vergleich zum Basisplan (p < 0,01 früh; p < 0,05 am Mittag; p < 0,01 spät). Die Leistung an Ruhetagen war ähnlich wie bei der Grundlinie. Diese Ergebnisse sind auch in Tabelle 3beschrieben.

Figure 1
Abbildung 1: Studienprotokoll nach Tageszeit für jeden Tag der Studie. Die dunkelgrauen Balken stellen die Flugperioden einschließlich der Berichtszeit vor dem Flug (offene Balken) und die hellgrauen Balken die Schlafperioden dar. Die Tage 1–5 stellen den Basisdienstblock dar, die Tage 10–14 stellen den frühen Dienstbeginn dar, die Tage 18–22 stellen den Mittagsdienstbeginn dar, und die Tage 26–30 stellen die späten Starts dar. Die schattierten Balken stellen den ersten Ruhetag nach dem Zoll block dar, wenn Urin gesammelt wird. Diese Figur stammt aus Flynn-Evans et al.7. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2: Das Aktivitätsmonitor-/Beschleunigungsgerät, das am Handgelenk der nicht-dominanten Hand getragen wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3: Beispiel für Tests, die während der Ruhetage mit der Touchscreen-Anwendung durchgeführt wurden. Von links nach rechts: (A) die Hauptseite der App zeigt zwei Links; (B) der Ruhetag zeigt drei Links an: morgens, mittags, abends; (C) der Morgenlink zeigt die am Morgen durchgeführten Tests an; (D) der Mittagslink zeigt die am Nachmittag durchgeführten Tests an, und (E) der Abendlink zeigt den am Abend durchgeführten Test an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4: Urin-Kit. Das Kit enthält (A) einen Urinalhut oder Urinalsammelbehälter, (B) Pipetten, (C) Urinsammelrohr, (D) weiße Aufkleber Etiketten, (E) eine Bio-Gefahrentasche, (F) Eispackung, und (G) Versand Materialien. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5: Beispiel für das Urinsammelprotokoll.

Figure 6
Abbildung 6: Psychomotorische Wachsamkeitsaufgabe (PVT). (A) Das Touchscreen-Gerät ist in Querformat ausgerichtet und die Daumen werden zu Beginn des Tests auf dem Bildschirm angezeigt. (B) die Reaktionszeiten werden auf einem rechteckigen Feld im oberen mittleren Teil des Bildschirms angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7: Actogramm der Schlaf-Wach-Zyklen über 24 h für 14 Tage. Die dunkelblaue Farbe stellt die Schlafperioden dar; das Hellblau stellt die Ruhezeiten dar. Die schwarze Farbe steht für Bewegung. Die gelbe Farbe stellt das Licht dar. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8: Mittlere aktigraphieabgeleitete Schlafdauer nach Tag bei jedem Zeitplantyp. Tag 1 stellt die Nacht des Schlafes vor der ersten Arbeitsperiode eines bestimmten Blocks dar. Ein Sternchen bezeichnet einen signifikanten Unterschied (*p < 0,05, **p < 0,01) in den Mittelwerten zwischen der Grundbedingung und dem Block "Frühstarts". Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9: ein MT6-Profil für die fünf Urinsammelbehälter für jede Datenerfassungsepisode für einen einzelnen Teilnehmer. Die Daten werden doppelt gezeichnet. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 10
Abbildung 10: 6-Sulfatoxymelatonin (aMT6) Akrophase (Spitze) durch Zeit (24 h Uhr) von zirkadianem Nadir und Zeitplantyp für jeden Einzelnen. Gefüllte und offene Kreise, Dreiecke, Quadrate stellen einzelne Teilnehmer dar. Diese Abbildung stammt aus Flynn-Evans et al.7Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 11
Abbildung 11: Psychomotorische Wachsamkeitsaufgabe (PVT) mittlere Reaktionszeit (RT), Ausfälle (RT >500ms) und Reaktionsgeschwindigkeit (mittelwert 1/RT) nach Tag bei jedem Zeitplantyp. Sternchen nach jeder Neigung zeigen Änderungen der Leistung nach Tag in diesem Zustand an. Klammern geben Unterschiede in der Steigung zwischen der Basisleistung und der Steigung in der Leistung in jeder der anderen Bedingungen an (*p < 0,05, **p < 0,01). Baseline = gefüllte Kreise, früh = offene Kreise, Am Mittag = gefüllte Dreiecke, spät = offene Dreiecke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Arbeitsplan N Schlafenszeit (h, SD) Wachzeit (h, SD) Schlafdauer (h, SD) Schlafqualität (SD)
Baseline (Ref.) 39 23:10 (1:41) 7:20 (1:49) 8.2 (0.9) 2.4 (0.7)
früh 42 21:14 (1:01)** 4:29 (0:47) 7.4 (0.9)** 2.5 (0.6)
mittag 41 01:19 (0:43)** 9:11 (0:58) 7.9 (1.1) 2.3 (0.6)
spät 40 02:18 (1:07)** 9:57 (1:11) 7.8 (1.4)* 2.3 (0.7)
Ruhetage 42 23:47 (0:50)** 8:16 (0:58) 8.5 (0.9)* 2.4 (0.5)

Tabelle 1: Schlaftagebuch abgeleitete Schlafergebnisse (Schlafzeit, Wachzeit, Schlafdauer und Schlafqualität) nach Zeitplantyp. *p < 0,05, **p < 0,01; h = Stunde, SD = Standardabweichung. Diese Tabelle ist reproduziert von Flynn-Evans et al.7

Arbeitsplan Mittelwert (SD) p-Wert
verbindungslinie zwischen zwei malen 3.51 (0.80) Ref.
Frühdienst 4.03 (0.88) < 0,001
Mittagsdienst 3.85 (0.90) < 0,001
Verspätete Pflicht 3.85 (0.89) < 0,001

Tabelle 2: Mittelwerte und Standardabweichung enden für Samn-Perelli (SP) Punkte nach Pflichtblock. Eine höhere Bewertung deutet auf eine größere Ermüdung hin.

Arbeitsplan n (Teilnehmer) Mittlere Reaktionszeit (ms, SD) Reaktionsgeschwindigkeit (s, SD) Mittlere Lapses (> 500 ms)
Baseline (Ref.) 38 236 (48) 4.84 (0.61) 3.1 (4.1)
früh 40 257 (70)** 4.63 (0.66)** 4.4 (5.4)**
mittag 39 261 (62)** 4.56 (0.66)** 4.7 (5.1)*
spät 38 266 (64)** 4.51 (0.63)** 4.7 (5.0)**
Ruhetage 40 249 (56) 4.69 (0.62) 4.0 (4.5)

Tabelle 3: Psychomotorische Wachsamkeitsaufgabe (PVT) mittlere Reaktionszeit (RT), Reaktionsgeschwindigkeit (mittelwert 1/RT) und Ausfälle (RT > 500 ms) nach Zeitplantyp. *p < 0,05, **p < 0,01; diese Tabelle ist reproduziert von Flynn-Evans et al.7

Discussion

Die in diesem Manuskript beschriebenen Methoden geben Einblick in Schlafmuster, zirkadiane Phasen, Ermüdungsbewertungen und Leistungen von Piloten bei Tagesflügen, einschließlich Frühstarts, hoher Arbeitsbelastung bei Tagesflügen und späten Abschlüssen. Die Kombination dieser Methoden zeigte, dass diese Faktoren alle von bescheidenen Änderungen der Arbeitsbeginnzeit und der Arbeitsauslastung beeinflusst werden. Durch die Auswertung eines systematischen Studienplans und die Integration dieser Maßnahmen in eine einfach zu bedienende Touchscreen-Anwendung wurde eine große Datenmenge in einer herausfordernden Umgebung gesammelt. Die Verwendung dieser Kombination von Methoden ermöglichte eine klarere Interpretation von Veränderungen in Derwach und Leistung während nicht-traditioneller Tagesschichten.

Diese Entwicklung und Implementierung von Methoden zur Messung von Objektivschlaf, Zirkadianen, Ermüdungs- und Leistungsdaten war entscheidend für die Bestimmung, wie die Arbeitsanlaufzeit piloten bei Tagesflügen in Abwesenheit von Jetlag beeinflusst. Das Protokoll wurde entwickelt, um systematische Vergleiche zwischen den Bedingungen zu ermöglichen, gleichzeitig die Unannehmlichkeiten für die Teilnehmer zu minimieren und die Datenerhebung zu betriebsrelevanten Zeitpunkten zu maximieren. Dies sind wichtige Schritte zum Sammeln aussagekräftiger Daten in Betriebsumgebungen. Die Maßnahmen wurden sowohl in Labor- als auch in Feldstudien validiert, was für die Interpretation der Ergebnisse wichtig ist. Obwohl die Studie den Teilnehmern ermöglichen sollte, die Studienverfahren unabhängig abzuschließen, war die Briefing-Sitzung vor dem Studium von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass die Freiwilligen die Studienverfahren und die Bedeutung der Aufrechterhaltung der Konsistenz beim Abschluss der Studientests und -fragen, insbesondere für die PVT.

Die Feststellung, dass Schlafdauer und Timing-Änderungen je nach Arbeitsbeginnzeit mit früheren Studien in kleineren Proben von Personen übereinstimmen, die PSG verwendet haben, um Schlaf-Timing59,60zu bewerten. Obwohl frühe Starts und späte Abschlüsse in das Schlaf-Timing eingreifen können, bietet die große Stichprobe von Daten, die in einer Betriebsumgebung gesammelt werden, Einen Einblick in die unerwartete Art und Weise, wie die Teilnehmer den Schlaf verlieren. Beispielsweise tritt die Wachwartungszone, die den stärksten zu wachenden Antrieb darstellt, kurz vor dem üblichen Schlafengehen auf. In Laborstudien haben die Teilnehmer gezeigt, dass sie während der Wachwartungszone61,62,63Schlafstörungen haben. Es wurde erwartet, dass die Teilnehmer versuchen können, ein paar Stunden früher als normal ins Bett zu gehen, um sich auf einen frühen Start vorzubereiten. Es wurde auch erwartet, dass als Ergebnis des Versuchs, Schlaf während der Wachpflegezone zu initiieren, die Teilnehmer eine lange Schlaflatenz während des Schlafes vor frühen Starts aufweisen können; dies war jedoch nicht der Fall. Diese Daten verdeutlichen wichtige Unterschiede zwischen Labor und Feld und zeigen die Notwendigkeit, Schlafdaten in Betriebsumgebungen zu sammeln.

Obwohl zirkadiane Phaseninformationen in einer Teilmenge von Individuen erhalten wurden, spiegelten die zirkadianen Phasenänderungen, die in jedem Zeitplantyp beobachtet wurden, die Veränderungen wider, die im Schlafzeitpunkt beobachtet wurden. Die Hinzufügung der zirkadianen Phase zu diesem Protokoll verbesserte die Fähigkeit zu verstehen, warum Ermüdungsbewertungen und Leistung durch Die Arbeitsstartzeit geändert. Wachsamkeit und Leistung folgen einem zirkadianen Rhythmus, wobei die geringste Wachsamkeit und die schlechteste Leistung typischerweise mit dem Timing der aMT6s-Akrophase zusammenfallen. Obwohl festgestellt wurde, dass sich die zirkadianen Rhythmen der meisten Teilnehmer in die erwartete Richtung im Verhältnis zum vorgeschriebenen Arbeitsplan verschoben, wurde auch festgestellt, dass diese Verschiebung zwischen Individuen variabel war. Dies deutet darauf hin, dass einige Personen möglicherweise mehr Schwierigkeiten haben, sich an frühe oder späte Zeitpläne anzupassen, was zu einer bescheidenen zirkadianen Fehlausrichtung führt. Die Kombination dieser Methoden verstärkte die Interpretation dieser Schlussfolgerungen.

Die gesammelten Schlafdaten ermöglichten auch ein besseres Verständnis dafür, warum sich Ermüdungsbewertungen und Leistung im Verhältnis zu den verschiedenen Arbeitszeitplänen veränderten. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass bei frühen Starts und späten Finishs, Samn-Perelli Bewertungen und PVT Leistung war von Tag zu Tag auf jedem dieser Zeitpläne schlechter. Dies ist sinnvoll, da die Piloten bei frühen Starts und späten Finishs relativ zum Ausgangswert weniger Schlaf erhielten, was bedeutete, dass sie mit jedem Tag auf diesen Zeitplänen Schlafschulden anhäuften. Im Gegensatz dazu war die PVT-Leistung auch tagsüber schlechter, während der hohen Arbeitsbelastung am Mittag des Starts. Während des Mittagsflugplans war die Schlafmenge, die die Piloten erhielten, nicht anders als die Schlafdauer während der Basisdatenerfassung. Infolgedessen deutet diese Feststellung darauf hin, dass die schlechtere Leistung, die während der Mittagsarbeitszeit enden konnte, wahrscheinlich nicht durch akute Schlafeinschränkungen bedingt war. Es wäre sehr schwierig gewesen, die Ermüdungsbewertungen und Leistungsdaten ohne die Schlafdaten zu interpretieren, was die Kombination dieser Methoden wichtig gemacht hätte.

Obwohl diese Methoden erfolgreich entwickelt und implementiert wurden, kann dieser Ansatz einige Herausforderungen mit sich bringen. Beispielsweise ist es möglich, dass die Teilnehmer vergessen, wann oder wie einige Verfahren abgeschlossen werden. Es ist hilfreich, regelmäßig mit Freiwilligen zu kommunizieren, um zu bestätigen, dass sie Aufgaben gemäß dem Protokoll erledigen, insbesondere während der ersten Phase der Urinentnahme. Darüber hinaus steigt das Risiko von Datenverlust mit zunehmender Dauer der Studie, da Einzelpersonen ihre Studiengeräte verlieren oder beschädigen können. Wenn eine Studie für mehrere Wochen geplant ist, wie dies bei dieser Studie der Fall war, dann kann es wünschenswert sein, Daten am Studienmittelpunkt herunterzuladen, um potenziellen Datenverlust zu reduzieren und die Einhaltung des Protokolls zu überprüfen. Unzureichende oder fehlende Daten können die Interpretationsfähigkeit der Ergebnisse verringern, daher muss darauf geachtet werden, dass Einzelpersonen Daten angemessen sammeln.

Es gibt viele mögliche Anwendungen für diese Methoden in anderen Betriebseinstellungen. Diese Methoden können verwendet werden, um Schlaf, zirkadiane Phase, Müdigkeit und Leistung in Berufen mit ungewöhnlichen Planungspraktiken oder Umweltaspekten zu charakterisieren, z. B. während der Raumfahrt oder militärischer Operationen. Darüber hinaus gibt es viele vielversprechende Interventionen und Gegenmaßnahmen, die in Laborumgebungen evaluiert werden, wie die Verwendung von blau angereichertem Licht, um die zirkadiane Phasenverschiebung zu beschleunigen, strategisches Nappen am Arbeitsplatz, Hypnotika zur Maximierung des Schlafes. Und Stimulanzien wie Koffein zur Verbesserung der Wachsamkeit. Obwohl sich solche Ansätze unter kontrollierten Laborbedingungen als wirksam erweisen können, muss der Einsatz solcher Werkzeuge und Technologien in Betriebsumgebungen bewertet werden, um ihre Wirksamkeit bei der Verringerung der Ermüdung in der realen Welt zu bestätigen. Die Kombination aus Aktigraphie, Schlaftagebüchern, zirkadianen Phaseninformationen, Ermüdungsbewertungen und PVT-Sammlung in Kombination mit einer benutzerfreundlichen Softwareanwendung zur Erleichterung der Aufgabenverwaltung liefert angemessene Daten für die Bewertung der Wirksamkeit. Interventionen. Die Kombination dieser Methoden hat ein erhebliches Übersetzungspotenzial für andere komplexe Betriebsumgebungen, in denen es schwierig sein kann, invasivere Datenerfassungsbemühungen zu unternehmen.

Disclosures

EEFE ist Beraterin für Baby Sleep Science und hat Reisegelder von der Washington State University, der University of Chicago, den Puget Sound Pilots, dem National Safety Council und der American Academy of Sleep Medicine and Sleep Research Society erhalten. Die anderen Autoren haben keine Angaben zu berichten.

Acknowledgments

Wir danken den Studienteilnehmern und dem Airline-Personal für die Unterstützung bei der Datenerfassung. Wir danken auch den Mitgliedern des Fatigue Countermeasures Laboratory am NASA Ames Research Center für ihre Unterstützung bei diesem Projekt. Diese Forschung wurde vom NASA Systemwide Safety Program unterstützt.

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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