视觉疲劳状态下的生理指标研究*

陈燕达，屠 彦，王莉莉，沈 莉，贺亚光

（东南大学电子科学与工程学院，南京 210096）

随着社会生产的发展，计算机在人们工作与生活中的应用日益广泛，视觉显示终端VDT（Visual Display Terminal）作业成为一项重要工作，并且各种图形图像显示技术在日常生活中随处可见。VDT工作者易于产生视觉疲劳，并有眼睛发炎等症状［1-4］。近年来，人类眼部疾病的发病率因此明显上升。眼部疾病与视觉作业事故，往往与不当用眼而导致的视觉疲劳有关。视觉疲劳是一种常见的综合症，由长时间的不当用眼导致，其症状为眼睛疲劳、眼睛酸痛、眼干、视物模糊等，还有可能伴随着头晕、头疼的症状［5］。频繁发生视疲劳，会使眼睛视力下降，提前老化。预防视觉疲劳，对改善视觉健康至关重要。

目前，对于视觉疲劳的判别主要是人的主观感受，用于预防视觉疲劳的客观评估方法尚处于研究阶段［6］。

研究视觉疲劳状态导致的人体生理参数变化，可以认识视觉疲劳对生理状态的各方面影响，并有效评估与预防视觉疲劳。

血氧饱和度SpO2（Pulse Oxygen Saturation）［7］、体温 SKT（Skin Temperature）［8-9］、皮电反应 GSR（Gal⁃vanic Skin Response）［10］、心率 RATE（Heart Rate）及心率变异性HRV（Heart Rate Variability）［11-13］是目前热门研究的几项生理指标。本文设计了2种不同的视觉疲劳实验，在实验前后采集前述生理信号并进行对比分析，研究视觉疲劳状态对生理数据产生的影响。

1 生理数据采集

1.1 实验设备

本文使用美国BIOPAC公司生产的MP150型多导生理记录仪进行数据采集，采用血氧饱和度模块、体温放大器、皮肤电反应放大器及心电放大器4个通道，设置采样率为1 000。实验前后分别采集10 min生理信号。

1.2 数据采集

血氧饱和度模块应用近红外光谱法检测指端血氧饱和度，该模块同时具备脉率检测功能，探测器放置于左手食指；体温测量采用体表探头，放置于脖子下方；皮电反应模块测量人体两点间电导值，测量点为左手中指与无名指；心电信号电极放置于胸前与腹部。

2 实验方法

2.1 实验对象

19名被试（平均年龄24±3y）参与了视觉疲劳实验，均为在校研究生，身体健康。视觉疲劳实验分为2D图像实验与3D图像实验，其中9名被试进行2D图像实验，10名被试进行3D图像实验。实验选择在每天下午2∶00开始，以避免时差因素的影响。实验前，被试保证充足的睡眠和正常的精神状态。

2.2 实验过程

本文设计了2个视觉疲劳实验，分别为2D图像实验、3D图像实验。如图1所示，2D图像实验中被试观看500组图片，每组图片分为2张，分别显示500 ms，中间无时间间隔，第1张图片为1 920像素×1 080像素的原始图像，第2张图片与第1张图片相同或者为在原始图像基础上改变了图像质量的图像。在1 s的图像呈现后，显示器变为黑屏状态，此时由被试主观判断两张图像是否存在质量上的差别，若被试认为存在质量差别，则需点击鼠标左键作为反应，否则点击鼠标右键，此后程序将自动进入下一组图片的比较。3D图像实验中被试戴上3D眼镜观看3D图像，其他设置与2D图像实验相同。实验中每组图片呈现的时间为1 s，被试反应并做出判断的时间为1 s～2 s，所以被试观看500组图片并做出判断总共的耗时为20 min左右。图像质量判断任务需要被试付出一定的视觉努力，以达到视觉疲劳状态。在视觉实验前后，分别采集10 min生理数据，采集过程中被试保持放松坐姿并闭眼，尽量避免身体动作，左手掌心朝上平放，以方便生理信号采集。一名被试的实验耗时约为40 min。

图1 图像实验流程

2.3 数据分析

2.3.1 心率变异性

图2 心电图波形

实验中的心电信号如图2所示，实验后提取心电信号的RR间期数据进行心率变异性（HRV）分析。HRV指连续窦性心跳间期的微小涨落，是反映自主神经系统活性和定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性的指标。HRV时域分析方法的常用指标包括SDNN（全部窦性心搏RR间期的标准差）、RMSSD（相邻RR间期差值的均方根）等；频域分析方法的指标包括：VLF（极低频）、LF（低频）、LF（NU）、HF（高频）、HF（NU）、LF/HF等，其中NU代表标化后的数值，有LF（NU）=LF/（总功率-VLF），HF（NU）=HF/（总功率-VLF）。

2.3.2 数据分析

实验结束后对血氧饱和度、体温、皮电、心率等生理信号做取均值处理，获得这些生理指标在实验前后的参数值。另外，对ECG信号提取RR间期并进行心率变异性分析，取RMSSD、LF（NU）、HF（NU）、LF/HF的值进行后续分析。应用方差分析（ANOVA）的方法研究实验前后被试生理数据的统计学差异，设置时间点（实验前/后）为自变量，各项生理指标为因变量。在此分析方法中，显著性水平由P值表示，P＜0.05被认为是某项生理指标在实验前后有显著变化。

3 实验结果

2D图像实验、3D图像实验前后被试各项生理指标的ANOVA结果如表1、2所示。2D图像实验中，心率指标在实验前后具有显著差异（P=0.015），实验后的被试心率由实验前的67.16 BPM降到了64.23 BPM。另外，血氧饱和度的数值在实验后有上升趋势，P值为0.081，具有一定的显著性。其他生理指标项在实验前后变化不显著。

表1 2D图像实验被试生理指标变化情况

3D图像实验的结果显示，对比实验前，实验后被试指端血氧饱和度有显著上升（P=0.013），由95.35%升至96.02%，此结果与2D图像实验中血氧饱和度的变化趋势相符。3D图像实验前后，其他几项生理指标未出现显著变化。

表2 3D图像实验被试生理指标变化情况

4 结论

视觉疲劳是现代社会与科技发展下的热点问题，对视觉疲劳状态的识别备受国内外研究者的关注。血氧饱和度、体温、皮电反应、心率、心率变异性等生理参数蕴涵着人体状态的基本信息。本文通过设计视觉疲劳实验，对比实验前后生理指标的变化，初步探索了视觉疲劳状态对人体生理参数产生的影响。研究结果表明，血氧饱和度、心率等生理指标在视觉疲劳状态下发生了显著变化。通过检测生理指标，有可能为视觉疲劳状态的评估提供一种客观方法，为今后建立视觉疲劳状态的识别模型做了初步探索。另外，本实验被试人数较少，只是对研究视觉疲劳状态下的生理指标进行了探索性实验。对于视觉疲劳状态与人体生理参数的具体联系，还有待进一步的实验研究。

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陈燕达（1992-），男，汉族，东南大学电子科学与工程学院硕士研究生，407941002@qq.com；

屠 彦（1965-），女，汉族，东南大学电子科学与工程学院教授，研究方向为物理电子学和光学工程，tuyan@seu.edu.cn。