这是“神经工程管理”第50篇推送
内容来源：陈茜
本期编辑：张晓洁
校 对：王萌萌
审 核：邢雪娇
仅用于学术交流，原文版权归原作者和原发刊所有
应用脑电技术检测多组分神经生理干预的潜在过程，调节高处作业建筑工人的情绪和心理状态。
高处作业(即在距地面2米以上的作业)是建筑行业中最常见的施工活动之一，容易发生高处坠落、物体撞击等安全隐患。2017年全国共发生高处坠落事故331起(占事故总数的47.83%)，已被确定为伤亡人数最多的事故类型。而施工工人的情绪和心理状态是安全管理的关键因素之一。
在高处作业中，工作工人往往会经历恐惧、焦虑、压力和心理疲劳等不良情绪和心理状态，最终可能导致事故风险的增加。工人可以通过灵活的工作休息时间应对这种不利状态，但许多高处作业建筑工人在工作间隙无法通过自我调节获得有效的缓解。
为防止不良情绪和心理状态带来的不良后果，积极的干预尤为重要，本研究旨在为高处作业工人提供一种简单、快速、主动的工作间歇期干预方法。本文提出了一种由渐进性肌肉放松(PMR)环节和三叉神经刺激(TNS)环节组成的多组分神经生理现场干预方法。为了检验干预措施的有效性，对10名被试进行了抽样调查。
●情绪调节策略
人们不仅可以被动地体验自己的情绪(积极的和消极的)，还可以主动地调整它们。适当的情绪调节可以帮助人们处理自己的情绪，并以适当的行为灵活地应对周围环境。情绪调节的长期缺陷(即不恰当情绪调节的积累)可导致心理失常和其他形式的心理病理疾病。情绪调节作为当代心理学的核心课题之一，已综合心理学、认知心理学、社会心理学、人格心理学、临床心理学、认知神经科学、情感神经科学、心理生理学等多个学科领域。
目前，关于情绪调节的研究越来越多，有不同的情绪调节策略，也有不同的研究个体。自动调节情绪的能力存在个体差异，个体的认知偏差使其难以合理评估情境，从而导致不恰当的情绪调节。特别是，使用不符合情境的策略会导致个体情绪调节的差异。本文研究了脚手架工人在工作间隔期间的情绪调节。考虑到脚手架作业工人的群体特点和脚手架现场操作特点，情绪调节策略的选择需要简单、快速、有效。从关于情绪调节策略种类和个体差异的例证来看，需要一种控制性更强的外部干预调节策略。
渐进性肌肉放松（PMR）是一种非药物干预，通过引导深层肌肉放松过程来实现情绪调节。也就是说，在PMR的外部干预后，身体状况和情绪状况都能得到改善。此外，作为一种以人为本的情绪调节策略，PMR可以保持整体人格系统的完整性，并能获得注意力、知识或身体的长期利益。因此，本研究采用PMR作为调节工作工人不良情绪状态的干预环节。
●心理疲劳干预
心理疲劳是一种普遍现象，人们在长时间从事高要求的脑力活动(如认知活动)时都会出现这种现象，主观上可以描述为感觉疲劳或不活跃。特别是，心理疲劳已被确定为导致工作效率低下甚至危及生命的关键因素。目前的一些研究集中在使用不同的干预方法来减轻心理疲劳，现有的心理疲劳干预研究主要集中在慢性病患者群体，很少有研究集中在建筑工人群体或建筑工地上。
三叉神经刺激（TNS）是对三叉神经分支的直接快速刺激，通过发出适应性电信号来激发相关的大脑活动。目前，TNS已被用于一些精神健康研究，如严重抑郁障碍、癫痫和心理疲劳。基于本研究的研究目的，采用TNS作为非侵入性干预，以减轻脚手架工作被试的心理疲劳。具体地说，三叉神经穿过丘脑和前扣带回皮质，是与情绪、注意力和其他认知活动相关的功能区。因此，本研究在PMR的基础上，研究了TNS对情绪状态和心理疲劳的联合影响。
●脑电图在情绪和心理状态检测中的应用
近来的研究从情绪和心理状态的角度考察了大脑的神经机制，表明功能成像可以揭示情绪和心理干预的本质。例如，当进行情绪调节时，前额叶皮质区域和大脑中与情绪调节相关的区域会变得明显活跃。因此，基于情绪和心理状态的神经机制，及适应性干预可以在坚实的理论基础下进行，而不是单纯的经验支持和行为数据。
脑电图在不同人群情绪和心理状态检测和调节中的作用越来越受到关注。然而，据笔者所知，目前还没有关于高处作业建筑工人情绪和心理状态管理的研究。本研究应用脑电技术(非侵入性)检测多组分神经生理干预的潜在过程，旨在调节高处作业建筑工人的情绪和心理状态。
本研究共从香港理工大学招募了10名健康人士，年龄介于18岁到40岁之间，他们具备基本的建筑工程知识和在建筑工地工作的经验。在这项研究中，所有被试被随机分配到两种情况中的一种：(a) 实验组：7名被试，(b)对照组：3名被试。在进行对照实验之前，向两组被试解释了整个实验过程——如图1所示，所有被试在正常工作条件下被诱导进入脚手架工作的情绪和心理状态。然后，在休息室环境中对实验组进行多组分神经生理干预，包括PMR和TNS，而对照组静坐不动，没有任何其他干预。特别是为了模拟实际施工现场的脚手架工作，以诱导期望的情绪和心理状态，对被试做了一些要求和准备工作：1)根据脚手架工人的身体要求，所有被试身体健康，无影响实验效果的疾病或身体障碍(如恐高症、高血压等)；2)向被试展示脚手架活动的施工现场视频，包括在脚手架高处管架上行走等典型施工场景，同时，向被试讲解了基本建设、法规要求；3)实验前，要求每个被试保持正常的日常生活，保持良好的身心状态。
图1 原始脑电图数据采集、统计过程
为了对实验步骤进行初步设计，并设置干预环节所涉及的一套适应性参数，该实验提前进行了一项涉及3名被试的预实验。在预实验中，被试被安排分别在两个干预程序中的一个程序进行不同的简单试验。通过预实验表明，三叉神经刺激（TNS）对被试主观上的影响比渐进性肌肉放松（PMR）时段更明显、更快。在前人对放松训练及其实际应用研究的基础上，确定PMR时间为10min，TNS为3min。具体而言，被试报告，在背景音乐的PMR干预下，他们感到放松、平静，但有点困。出于实际应用目的，将TNS设置为PMR的下一阶段，以使被试在刺激后保持清醒。
在整个实验过程中，脑电图被用来记录被试的情绪和心理状态。使用可穿戴脑电设备采集脑电图数据(图2)，采样频率保持在128 Hz，原始脑电图数据可以通过无线接收器实时传输。为了统计分析干预程序的效果，实验收集了两组每个实验在四个阶段的脑电图数据，每个实验阶段记录2分钟的实验片段。在干预前静息状态下收集的第1阶段2分钟的脑电图数据被确定为验证后续干预效果的基线。根据研究目的和实际应用目的，这四个EEG数据采集周期足以说明每个干预环节的有效性。同时可以表达工人在整个干预过程中情绪和心理状态的变化趋势。此外，需要注意的是，脑电图信号容易受到外界信号干扰，而两个干预程序(即PMR和TNS)的进行可能伴随着来自身体运动或脉冲发生器的强烈信号效应。因此，为获得准确的结果，避免了来自整个干预期但在四个阶段之外的EEG信号。
图2 可穿戴式脑电图设备和各区域对应的14个电极通道
●脚手架工人情绪和心理状态的模拟
由于高处施工作业的特殊性，现场施工工人容易产生恐惧、焦虑、沮丧等不良情绪和心理疲劳等影响工作绩效的消极状态，这尤其会导致高处摔落和撞击物体等安全隐患。因此，这种不良的情绪和心理状态是这里的重点。在实验室环境中进行认知任务和虚拟现实（VR）模拟，提前诱导被试模拟脚手架工人的情绪和心理疲劳，以此作为验证后续干预措施有效性的基准。
stroop任务是一种典型的带有视觉干扰的认知任务，会导致认知超负荷。以认知负荷理论为基础，采用改进的stroop色词干扰在短时间内诱发心理疲劳。所有被试被要求在30分钟左右完成一项计算机版本stroop任务，在这段时间内，通过反应时间和准确性证明了心理疲劳诱导的影响。然后选择一个模拟高处行走场地的VR任务来诱导脚手架工人的某些负面情绪。被试需在两根细长钢管上行走约10分钟，佩戴VR眼镜显示虚拟高处行走场景(图3)。
图3 虚拟现实任务模拟高处行走
●干预过程
在情绪和精神刺激下模拟现场脚手架工人的状态后，在休息室环境中将多组分和神经生理干预（包括PMR环节和TNS环节）应用于实验组，而对照组则在没有任何干预下静坐不动。干预过程的详细信息如下所示。
（1）渐进性肌肉放松
在PMR阶段，实验组的每个被试都被安排在一个休闲的环境中，没有身体上的干扰，坐在沙发上达到放松的状态；然后被试被引导闭眼、清除思绪；伴随着背景音乐静坐大约10分钟，使得被试身体的特定肌肉群自上而下地获得放松。收集了来自PMR环节3–5分钟和8–10分钟的两个实验段的脑电图数据。通过消除身体运动产生的信号噪声，引导被试暂停动作，并以缓慢而均匀的呼吸进行冥想。
（2）三叉神经刺激
三叉神经刺激试验中使用了医用便携式外部脉冲发生器。在预实验阶段进行了不同的试验，以设置适应性脉冲信号作为三叉神经刺激干预的输出。基于TNS的现有研究和在医疗中的实际应用，预实验对9种脉冲信号(分别为3种不同频率的3种脉冲波形)进行了测试(表1)。
表1 初步实验中测试的九种脉搏信号
图6 与三叉神经眼支相对应放置两个胶粘橡胶电极
((a)三叉神经刺激示意图;(b)实际实验中的对象)
●数据处理和统计分析
（1）数据预处理
脑电图信号在皮层中传播和汇总，当不同脑区被激活时，可穿戴的脑电图设备可以通过头皮捕获脑电图信号。由于微伏(μV)的脑电图信号易受频率噪声的影响，通过汉明窗Sinc FIR滤波器去除低频噪声(0.5 Hz及以下)和高频噪声(40 Hz及以上)。然后采用独立成分分析（ICA）来保留有效成分并消除固有伪迹的噪声成分（例如，眼球运动和面部肌肉活动）（图7）。大脑中代表突触后皮质神经元电位的电活动是根据频段定义的，（例如，δ (0.5–4 Hz), θ( 4–8 Hz), α(8–13 Hz), β(13–30 Hz）。考虑到研究目标感兴趣的频域，本研究采用六层小波包分解和重构（图8）。相关频带（即 θ，α和 β）会被滤出来进行后续分析。通过对原始脑电数据的预处理，得到了14个电极通道的有效频带功率。基于反映情绪和心理状态的脑电指数，可以衡量所提出的干预方法的效果。此外，还对PMR和TNS干预对情绪状态和心理疲劳的联合调节效果进行了分析和评价。
图7 通过独立成分分析得到的14个独立成分和感兴趣的内藏噪声成分
图8 有效频带功率的小波包分解和重构的结构
（2）情绪状态调节
为了有效、直观地刻画工人情绪状态的变化趋势，本研究采用了VDA三维情绪模型(图9)。在图9中，效价维是指从消极到积极的转变；支配维是指情绪状态从被控制到控制的转变；唤醒维是指从不活跃的情绪状态到积极的情绪状态的转变。三个坐标面(即效价-支配面、效价-唤醒面和支配-唤醒面)将VDA模型的空间划分为8个部分(即I~VII象限)。这三个维度的坐标轴作为不同情绪状态的阈值，定义了情绪状态的中心水平。通过比较正负坐标中的坐标点，可以识别情绪状态的变化。除此之外，一种情绪状态的强度是用坐标点到原点O的距离来描述的。
图9 用于识别情绪状态的VDA模型
(典型的离散情绪映射到八个象限作为特定情绪状态的例子)
通过数据预处理，以脑电频带功率为基础，计算效价维、支配维和唤醒维的指数，量化情感特征。
其中α(i)和β(i)分别为从第i个脑电图电极通道采集到的alpha和beta波段功率。
图10总结了实验组和对照组4个采集阶段脑电图的平均坐标值(即效价、支配、唤醒)。两组被试通过干预阶段的情绪状态倾向在VDA模型中可视化呈现(图11)。
图10 实验组和对照组四个脑电采集阶段的效价指数、唤醒指数和支配度指数的平均水平
图11 实验组和对照组的平均情绪状态趋势
(ESi代表实验组的第i个脑电采集阶段，CSi代表对照组的第i个阶段)
为了说明PMR和TNS的干预效果，本文选择了一个标准的统计t检验来检验各干预时段前后的效价指数、支配指数、唤醒指数(表2)。不同实验阶段对应情绪状态的强度由坐标点到原点O的距离计算得出，如表3所示。在实验组中，联合干预的最终结果是效价和支配度显著增加(p < 0.05)。唤醒指数在PMR后显著下降，在TNS后显著上升(p < 0.05)。然而，对照组在限时(13分钟)放松后的效价(p>0.05)、支配(p>0.05)或唤醒(p>0.05)方面没有显著差异。反映在情绪状态的强度上，减速比实验组要小，即13min的放松时间可能不足以产生调节被试不良情绪状态的预期效果。
表2两组干预后效价、支配和唤醒的统计t检验得分
表3不同实验阶段的情绪状态强度
（3）心理疲劳调节
心理疲劳是影响高处作业绩效的主要不良心理状态，因此，本研究特别关注所提出的干预措施对心理疲劳的影响。先前的研究已经强调了脑电信号中一些最显著的成分(例如，θ、α和β频段)与早期心理疲劳之间的相关性。本研究采用频带功率(即θ、α、β)和(θ+α)/β相结合的方法来定量检测心理疲劳水平。
基于预处理的脑电数据，实验组在四个实验阶段的平均值(θ+α)/β如图12所示，这表明心理疲劳随调整的变化趋势。在归一化后，列出了三个涉及的频带功率(即theta、alpha和beta)。从柱状图中可以看出，在PMR和TNS干预时段，alpha波段功率呈递减趋势。同时beta波段功率逐渐增加，而theta波段功率没有明显的统计趋势。以上统计结果与前人关于频带功率和心理疲劳相关性的研究一致。结合这三种频带功率的变化趋势，(θ+ α)/β的总平均值在4个实验阶段逐渐降低，表明心理疲劳有所缓解。
图12.实验组通过干预后的心理疲劳趋势
(条形图：四个实验阶段的θ(θ)(4-8 Hz)、α(α)(8-13 Hz)和β(β)(13-30 Hz)的频带功率的总平均值；折线图：四个实验阶段的θ+α)/β的总平均值。)
为了说明PMR和TNS时段对心理疲劳的干预效果。本文选择了一个标准的统计t检验来检验干预后(θ+α)/β指数的差异。在实验组中，PMR时段后(θ+α)/β显著下降。最终，联合时段干预所对应的(θ+α)/β值显著降低(p<0.05)。而对照组在限时(13分钟)放松后(θ+α)/β无显著性差异(p>0.05)。以上分析是基于四个不同的兴趣区域(即额叶皮层、颞叶皮层、顶叶皮层和枕叶皮层)的平均结果，这四个区域通常被用来反映心理疲劳。根据临床实践和既往研究，本研究利用针对不同皮层区域的特定通道，采用辅助指标来说明干预效果。
考虑到反映一个人心理疲劳的大脑活跃区域，本研究计算了集中在额叶皮层和颞叶皮层的(θ+α)/β值。该指标反映的心理疲劳变化趋势与上述考虑的四个区域的分析结果是一致的。此外，唤醒的诱导和持续与额叶皮层相对更大的激活有关，在表明促进唤醒的状态中起着至关重要的作用。因此在本研究中，特意选择唤醒作为另一项指标来说明对心理疲劳的干预效果。唤醒指数保持在较高水平，间接表明在联合干预后被试头脑清醒。
●多组分干预对情绪状态的影响
本研究采用三维情绪模型，结合PMR和TNS对不良情绪状态的干预，评估提出的多组分干预对不良情绪状态的影响。通过对实验阶段维度指标的计算和统计分析，说明了PMR时段和TNS时段对情绪状态调节的独立和联合作用。主要讨论总结如下：
●效价表示愉悦的程度。实验得出PMR时段和TNS时段在效价调整中起着相似的作用。组合的最终效果是显著增加了效价指数，其接近效价坐标轴的原点，表明幸福感、愉悦感和满足感增加的情绪状态。
●支配表明一个人对行为的控制程度。实验中联合时段的最终效果是支配指数显著增加，偏离了支配坐标轴的原点，这表明一种控制、影响和自主性增强的情绪状态。
●唤醒表示兴奋的程度。实验结果分析得出PMR和TNS在唤醒调节中起相反的作用。组合效果使唤醒指数的降低不显著，保持一个高水平，这表明一种持续被刺激、兴奋和完全清醒的情绪状态。
●利用VDA模型可以有效直观地识别情绪状态。情绪状态的强度可以用坐标点到原点O的距离来描述，通过PMR和TNS的联合干预，情绪状态强度逐渐降低。
●对于对照组，在限定时间(13分钟)放松后，效价、支配和唤醒方面没有显著差异。虽然情绪状态强度有所降低，但比实验组的干预效果要弱。
PMR和TNS在情绪状态调节中的独立和联合作用因此得到验证。综上所述，通过这种多组分和神经生理的干预，高处作业建筑工人的不良情绪状态可以得到缓解，并趋向于相对愉悦、自主、兴奋的水平。
●多组分干预对心理疲劳的影响
在心理状态模拟后，被试报告感到心理疲劳。基于实验1阶段的脑电图数据，确定以初始不良心理状态(心理疲劳)为后续干预阶段的基线。采用(θ+α)/β频带功率组合评价PMR和TNS干预时段对心理疲劳的影响。通过对4个实验阶段(θ+α)/β指数的计算和统计分析，说明了PMR和TNS对心理疲劳调节的独立和联合作用。主要讨论总结如下。
实验组在PMR后(θ+ α)/ β指数显著下降。同样，通过TNS时段，(θ+ α)/β指数显著降低。也就是说，PMR和TNS都在减少心理疲劳方面发挥重要作用。而对照组在限制时间(13 min)放松后(θ+α)/β无显著性差异。另外两个辅助指标反映的心理疲劳的变化趋势与上述统计分析一致，表明在联合干预后，被试的思维高度清醒。
PMR和TNS对心理疲劳调节的独立和联合作用因此被证明。综上所述，多组分和神经生理干预有助于减轻高处施工工人的心理疲劳。
●局限性和未来工作
首先，实验的被试数量有限。被试之间的差异可能会影响结果的准确性，在以后的测试中，随着被试人数的增加，精度会得到提高。其次，本研究仅采用PMR和TNS作为干预，并着重研究它们的联合效果。其他调节情绪和心理状态的干预方法和组合可以在未来进行探索。不仅需要研究干预措施的短期效果，而且还需要在未来研究长期效果。第三，指标要更准确反映针对高处施工工人的情绪和心理状态，以提高结果的准确性。例如，应重点关注反映工人心理疲劳的大脑最活跃的区域，以分析干预效果。此外，建筑工地上的实际工人和参与本研究的被试之间的个人差异对干预结果的影响还有待于进一步考虑。在实践中，当将干预过程应用到实际工程中时，对于特定的工人和干预环境，所涉及的参数(例如，TNS过程中脉冲的频率和持续时间)需要调整多少还有待观察。
Xing XJ, Li H, Li J, Zhong BT, Luo HB, Skitmore M. A multicomponent and neurophysiological intervention for the emotional and mental states of high-altitude construction workers[J]. Automation in Construction, 2019, 105: 102836.
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