李乃文,苏子怡

(辽宁工程技术大学 工商管理学院,辽宁 葫芦岛 125105)

0 引言

由于特殊的工作环境,矿工往往被认为有强于普通人的身体素质与心理素质,但事实上由于矿工长期暴露于危险之中,导致其心理健康状况比普通人更差[1]。矿工职业的特殊性,要求矿工需要保持持续性的注意力并付出长期性的体力劳动,因此矿工在工作生活中常常承载着较高水平的精神压力。适量的精神压力能够对矿工的工作效率产生积极影响,但长期且过量的精神压力会给矿工的身心健康带来不容小觑的负面效应。大量研究表明,矿工群体的高工作倦怠、高酗酒[2]、自杀[3]等过激行为与矿工群体所面临的高压力密切相关,如心血管疾病[4]、肺部疾病[5]、肌肉骨骼疾病[6]等身体疾病以及焦虑症[7]、抑郁症[8]等心理疾病在矿工群体中占比较高。

精神压力又称心理应激,在工作场所中所产生的精神压力主要是由于工作要求与能力的不匹配、曾经亲身经历或听闻的工作灾难事故导致的应激障碍[9]。应激反应包含心理、认知和行为反应,当人处于急性精神压力时,身心会处于高程度的紧张状态,如果没有及时对心理进行干预,极易出现工作倦怠、情绪低沉的情况,在工作时分心,导致职业危险的出现。Sharma等[10]研究证明,由于压力会严重影响大脑的功能和结构,因此可通过脑电信号对精神压力进行测量;Vaccarino等[11]研究指出,精神压力会导致心肌缺血;Crosswell等[12]详细介绍压力源的维度和压力捕捉,同时对何时使用生理指标对精神压力进行测量做出规范,为跨学科研究提供基础;苏杭等[13]研究指出,警察群体的精神压力对公安工作的开展效率产生极大影响;战春霞等[14]通过虚拟现实技术对飞行员的心理应激水平进行检测;李传圣等[9]通过半结构化访谈的方式,对矿难幸存矿工的精神状况进行研究。目前,对于矿工精神压力的研究主要集中于心理学理论角度的分析,鲜少有针对精神压力的生理指标识别的实验研究。

鉴于此,本文基于ErgoLAB人-机-环境同步平台,利用VR虚拟场景,使用生理传感器和血压仪对被试者的心率变异性HRV、皮肤电活动EDA和血压的生理指标进行采集,使用SPSS 27.0对数据进行处理,总结精神压力下生理指标的变化特征,以期为及时识别矿工精神压力、减少生产安全事故的发生提供理论支持。

1 实验

1.1 实验背景

矿井突水是常见的突发性的矿井灾害,矿井突水会破坏资源环境,影响矿井生产并对矿工的生命产生威胁。已有研究表明,煤矿事故的发生会对矿工的心理健康产生巨大影响[15],当突水灾害发生时,会诱发矿工面临灾害时的心理应激反应,带给矿工精神压力。当处于精神压力下的矿工进行井下作业时,很容易发生生产安全事故。同时,精神压力会对矿工的生理产生能动作用,矿工的生理指标能够反映出其精神压力的大小。

1.2 实验仪器与材料

采用ErgoLAB同步平台测量实验所需的HRV和EDA相关数据,通过电子血压仪测量血压。ErgoLAB平台包括1组便携式传感器、无线接收器以及基于计算机的数字平台。已有研究验证ErgoLAB测量数据的有效性[16]。

采用杨廷忠等编写的符合中国背景的PSS-14量表[17]测量被试的精神压力状况,量表得分在14～42分之间的被试被视为具有基本相同的精神压力,筛选出此量表分数段被试参加后续实验。该量表的信效度良好,Cronbach’sα系数为0.864。

采用Watson等编写的PANAS量表[18],测量实验诱发精神压力前后被试的情绪状态,以此来确定实验对被试精神压力的诱发程度。该量表包括与心理和应激相关的6个题项,采用Likert-5点计分法,得分越高表明被试精神压力越严重。被试得分高于15分则认为实验已诱发被试精神压力。该量表的信效度良好,Cronbach’sα系数为0.763。

采用VR虚拟场景设备,使用煤矿-水害灾害逃生场景,模拟矿工工作状态时的急性精神压力,如图1所示。此时大量地下水突然集中涌入井巷中,矿井中瓦斯浓度升高,被试可以进行位置移动全方位感受矿井突水场景,也可以选择利用VR设备手柄进行逃生任务。

图1 实验场景Fig.1 Experimental scenes

1.3 被试选择

实验被试的招募采用2种不同的方法:1)通过电子邮件向辽宁省某煤矿企业负责人发送详细的研究程序,由负责人招募被试;2)本文研究人员亲自询问矿工是否愿意参与。选定的实验被试需符合以下标准:1)不存在可能影响生理结果的身体和情感障碍;2)不存在心脏相关疾病、皮肤疾病;3)对电极不过敏。实验目的及过程在招募时已向矿工充分解释清楚。本文最终选取平均年龄为38.15岁的23名男性矿工作为实验被试,所有被试PSS-14量表得分均在14～42分内,认为被试者精神压力水平基线基本一致。

1.4 实验流程

在实验开始前,明确向被试介绍实验过程和仪器使用方法,对每位被试者进行VR设备使用培训,保障其实验操作的熟练度,避免由于操作不畅对实验结果产生影响。实验在1个安静的房间里进行,被试在学习结束后在这里休息,适应实验场所。实验时间与煤矿企业相关主管进行协调,以便实验时间符合矿工日常时间表。

实验测量步骤具体如下:1)要求每位被试坐在椅子上,同时实验人员帮助被试穿戴生理传感器及头戴式VR设备;2)被试静坐5 min后,测量其平静状态下HRV、EDA基线指标,使用上臂式电子血压计测量血压基线指标;3)被试休息2 min后填写PANAS量表;4)实验开始后,同步记录各项生理指标,并持续记录直到VR模拟矿井突水事故场景结束;5)再次填写PANAS量表;6)所有实验测量结束后,对实验数据进行整理并分析。实验流程如图2所示。

图2 实验流程Fig.2 Experimental process

2 数据处理

根据同步回放将实验划分为基线期和诱发期2个片段,以分析在产生精神压力前后的生理指标变化情况。通过ErgoLAB实验平台针对性地对信号质量差的数据进行小波降噪、异位校正处理,导出HRV和EDA相关生理测量结果。对收集的血压数据和处理后的HRV、EDA数据进行统计分析,对基线生理指标与遭受精神压力后的生理指标进行配对样本t检验,判别精神压力前后被试生理指标是否存在显著差异。

2.1 量表分析

对矿工体验引起精神压力的VR虚拟场景前后填写的PANAS量表得分进行分析研究,结果如表1所示。由表1可知,23名被试者在平静状态下的PANAS量表的平均分为7.53分,精神压力诱发后的平均得分高于15分,为15.67分,表明被试在进行实验后处于精神压力的状态。矿工在实验后的PANAS 量表得分比实验前出现显著性提升(p<0.05),证明实验效果良好。

表1 PANAS量表得分配对样本t检验Table 1 t-test of PANAS scale score paired samples

2.2 生理指标分析

2.2.1 心率变异性HRV

HRV表示交感神经水平(压力)或副交感神经(放松)激活的感觉。当面对精神压力时,心肌和周围血管会产生变化以应对压力。心率受到压力的影响会产生变化,HRV能够有效识别出心脏节律的变化程度,是测量自主神经系统交感-副交感神经平衡的有效手段,因此可通过对心率规律的分析探究个体心理以及生理变化规律,使用HRV数值对精神压力进行评估[19],选取指标如表2所示。

表2 HRV的各项参数Table 2 Parameters of HRV

对矿工体验VR虚拟场景前后HRV相关数据进行分析研究,结果如表3所示。在精神压力状态下,矿工的HR,LF/HF的实验数据均比基线指标有明显提升(p<0.05)。IBI,SDNN,RMSSD和PNN50的指标均比体验VR虚拟场景前有所下降,IBI,SDNN,RMSSD3项实验数据有显著性变化(p<0.05),PNN50与平静时状态相比有一定下降但差异并不显著(p=0.249>0.05)。

表3 HRV配对样本t检验Table 3 t-test of HRV paired samples

2.2.2 皮电活动EDA

EDA是随皮肤汗腺机能变化而出现的1种电现象,可以反映交感神经活动性,在某种程度上来说可以反映出人类的警觉性程度。本文通过无线皮电传感器对EDA进行测量,当个体产生精神压力时,被试的情绪被唤醒,认知负荷提升,引起交感神经的兴奋,从而使汗液分泌量增多,减小皮肤阻值,增加皮肤的导电能力。皮电指标变化快速,能够灵敏地反映出个体在精神压力状态下的实时变化情况,因此EDA可以作为衡量精神压力的重要指标[20]。为方便采集,EDA的数据采集选取汗腺密度较高的手指部位。对于EDA的时域分析指标,实验选取如表4所示的指标进行数据分析。

表4 EDA各项参数的含义与意义Table 4 Meaning and significance of each parameter in EDA

对矿工体验引起精神压力的VR虚拟场景前后EDA相关数据进行分析研究,结果如表5所示。在精神压力状态下,矿工的SCL,SCR次数,SCR高度都比基线生理指标呈现出显著性上升(p<0.05),SCR恢复时间比基线状态下呈现显著性下降(p=0.002<0.01)。

表5 EDA配对样本t检验Table 5 t-test of EDA paired samples

2.2.3 血压

血压是1项基础的生命体征,同时对诊断一些疾病具有一定价值[21]。血压可以理解为保证血液在人体血管中流动的推动力,体现心脏功能和血管健康程度的指标[22]。正常的血压数值反映出人体心脏和血管的正常运行状态,血压指标的波动异常会对个体造成重大影响。当个人出现害怕、紧张、恐慌等精神压力应激状态时,交感神经系统会被过度激活,从而引起心肌收缩力增强、血管收缩、心排血量增加、心率增快的情况,从而导致血压进一步上升[21]。由此可知,通过精神压力所导致的收缩压和舒张压的变化程度可以作为个体精神压力的评估指标。

将矿工观看引起精神压力的视频前后的血压数据进行分析研究,结果如表6所示。矿工在精神压力下的收缩压与舒张压都比基线指标出现显著性提升(p<0.05)。

表6 血压配对样本t检验Table 6 t-test of blood pressure paired samples

3 结论

1)本文以矿井突水视频为刺激材料,对矿工的精神压力进行诱发,同时监控矿工的HRV、EDA和血压的生理指标,通过刺激前后的生理指标的配对t检验,建立科学评价矿工精神压力下的生理变化体系,为研究矿工精神压力的诱发因素和作用效果提供客观数据参考。

2)急性压力源不仅来自于煤矿的突发事故,在时间压力下骤增的工作量、突发的工作场所冲突等都是诱发急性精神压力的原因。本文采用虚拟现实技术,结合HRV、EDA、血压多种生理指标探讨急性精神压力下矿工生理参数的变化特征,提供生理性的证据;通过穿戴便携式传感器,可及时发现和干预矿工存在精神压力的个体,对其进行心理辅导和治疗,这对于提升煤矿的安全生产水平具有重要意义。本文是对现有研究的补充,其结果可为煤矿安全培训和考核体系的建立提供参考。

3)本文仅对矿井突水事故进行实验研究,后续可持续针对其他灾害展开深入研究,通过慢性压力源丰富相关研究,并通过事件相关电位(ERP)、多模态等研究方法探究各种压力源下矿工生理参数的变化特征,从而得到不同灾害的差异,为不同灾害源矿井保障机制的建立提供参考和借鉴。