瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验分析

瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验 瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验分析 第20卷第5期 2007年10月 航天医学与医学 SpaceMedicine&MedicalEngineering Vo1.20No.5 0ct.2007 瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验分析 康卫勇,袁修干,柳忠起,董大勇 (北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100083) 摘要:目的根据被试者瞳孔在执行不同难度任务过程fl,的变化,分析不同难度任务引起的脑力负荷的 变化.方法l0名被试者执行不同难度等级的视觉搜索任务,通过眼动仪记录被试者的瞳孔面积数据. 分析在不同脑力负荷下瞳孔面积的变化,以了解瞳孔大小与脑力负荷之间的相关性.结果被试者之间 的瞳孔面积变化既存在2种相同变化规律,又有3种不同的差异,差异表现在瞳孔增大出现在不同的等 级任务下.结论在相同的工作环境中,瞳孔面积的变化能够评价脑力负荷的不同:随着工作难度水平 的增加,瞳孔缩小;而随着紧张程度的增加,瞳孔扩大;当到达一定疲劳程度之后,瞳孔开始缩小. 关键词:工效学;瞳孔;脑力负荷;眼动仪;疲劳 中图分类号:R857.1文献标识码:A文章编号:1002—0837(2007)05—0364—03 AnalysisofRelationsbetweenChangesofPupilandMentalWorkloads,KANGWei—yong,YUANXiu— gan,LIUZhong—qi,DONGDa— yong.SpaceMedicine&MedicalEngineering,2007,20(5):364,366 Abstract:ObjectiveToevaluatementa1workloadbychangesofthesubjects'pupilareaduringtheir performancesofvariabledifficultymissions.MethodsTensubjectsexecutedmissionsofvariable difficultyvisionsearchtasks,theirpupilareasweremeasuredwithandnotedwithaneyemove— mentmeasuringsystem.Changesofpupilareaunderdifferentmentalworkloadswereanalyzedto understandthepertinencyofpupilandmentalworkload.ResultsThechangesofpupilareaamong subjectshadtwosameorderlinessandthreedifferentdiversities.Thediversitiesweretheappear— anceofpupilexpandingonthedifferentdifficultygradetasks.Conclusionlnthesameworkingenvi— rOnment,thechangesofpupilareacanevaluatethedifferenceofmentalworkload:pupilwilldwin— diewiththeincreaseofworkingdifficulty,itW川 expandwiththeaugmentoftensity:pupilswill dwindleduringcertaindegreeoffatigue. Keywords:ergonomics;pupil;mentalworkload;eyemovementmeasUrlngsystem;fatigue Addressreprintrequeststo:KANGWei— yong,SchoolofAeronauticsScienceandTechnology. BeihangUniversity.Beijingl00083.China 人类的视觉系统是通过瞳孔获取外部信息 的.瞳孔大小的变化,起到调节进人眼内光量的 作用.从生物物理角度说,有两种情况会使瞳 孔大小发生变化:一是光的强弱,在强光照射时, 瞳孔缩小以减小光线对视网膜的刺激;弱光时,瞳 孔放大以使视网膜得到足够刺激.二是观察物体 的距离,在看远处物体时,瞳孔放大以增加进人眼 球的光线;看近处物体时,瞳孔缩小以减少进入眼 球的光线l2J.早在20世纪70年代,美国和以色 列学者分别发现,瞳孔并不只是在光线暗淡时才 扩大.某些心理过程(如知觉,记忆,思维,语言 加工,动机,情绪等高级心理活动),也会影响到 瞳孔的大小,因为负责拉伸虹膜的肌肉,通过大脑 交感神经系统的神经末梢,也就是和边缘系统连 接在一起,而边缘系统参与大脑活动,包括情感生 成.学习过程和把学到的东西储存到长期记 修回日期12006—11—22 通讯作者:唐卫勇kangwei5652@sina.com 基金项目:国家航空科学基金资助(03B51045) 忆J.当边缘系统特别活跃时.控制虹膜的肌肉 就会得到扩大瞳孔的指令.一旦边缘系统感觉紧 张,这块肌肉就会变得无力.瞳孔就会缩小. 而瞳孔的这种运动不受意识的控制,因此,它是判 断一个人真正能承受多大工作负荷的一个可靠指 标. 由于瞳孔大小容易受到外界环境的干扰,瞳 孔大小的变化一般只是结合其他脑力负荷评价指 标来探讨.国内在心理学领域有过关于阅读 疲劳对瞳孔大小的影响研究的报道,国外开展过 不同难度的工作任务下,瞳孔变化的研究. 本研究通过不同难度的搜索任务,利用先进 的眼动仪记录瞳孔变化,来分析不同难度的任务 水平下瞳孔的变化,用来分析脑力负荷. 万法 被试者20名在校大学生,年龄l9,25岁, 视力正常. 第5期康卫勇,等.瞳孔的变化与脑力负荷关系的试验分析365 测量设备加拿大EyeLink公司生产的眼 动仪EyeLink?系统. 实验任务被试者在两张相似的飞机座舱图 片中寻找不同,按照任务水平划分,有1个不同,2 个不同和3个不同.而在不同个数相同的图片 中,也有难度的区别,主要是根据搜索需要花费的 时间长短来划分.在每种难度等级的任务中,有 搜索时间限制和没有搜索时间限制2类. 实验步骤 1)实验任务等级划分:20名被试者对每个 不同任务水平的40张实验图片进行搜索,根据他 们搜索需要的时间来划分实验任务等级.在每种 不同个数的40张图片中,除掉时间明显短和明显 长的,剩余的36张图片划分为3个等级,每个等 级12张图片,再把12张图片分为两类,一类在执 行搜索任务时不限制时间,另一类限制时间. 2)实验过程:10名被试者首先熟悉实验内 容,了解实验过程.佩戴眼动仪,进行调试,标定 和验证.开始执行一个不同不限时的搜索任务,3 个等级都完成之后,进行主观调查,对任务难度和 自身的疲劳感受进行评分.然后执行一个不同限 时的任务,同样,在完成了3个等级的任务后,进 行相同的主观调查.2个不同和3个不同的实验 任务,步骤相同,间隔15min,被试者休息. 数据处理采用Excel软件处理数据.得到 每个被试者在执行任务过程中的瞳孔平均大小, 比较每位被试者在执行不同难度和不同等级任务 过程中的瞳孔变化;比较10名被试者瞳孔大小平 均值的变化规律. 结果 被试者之间的瞳孔变化既存在相同规律,也 有不同的差异.相同的规律有两种,一是在相同 个数的任务中3个等级之间,随着任务难度等级 的增加,瞳孔缩小;二是限时的任务与不限时任务 比较,瞳孔都是扩大.而差异性主要表现为3种 情况:1)从1个不同的任务到2个不同的任务,瞳 孔持续扩大,到了3个不同的不限时任务的时候, 瞳孔缩小,然后在3个不同限时的任务中又扩大 (例如1号被试者,见图1);2)从1个不同不限时 到1个不同限时的任务,瞳孔扩大,到了2个不同 不限时的任务,瞳孔缩小,之后瞳孔持续扩大(例 如2号被试者,见图2);3)从1个不同不限时到 限时,瞳孔扩大,2个不同不限时缩小,2个不同限 时扩大,3个不同不限时缩小,3个不同限时扩大 (例如8号被试者,见图3).其中第一种情况占 20%,第二种情况占30%,第三种情况占50%. 图中U代表2个不同不限时任务;L代表2 个不同限时任务;U代表2个不同不限时任务; L'代表2个不同限时任务;U代表3个不同不限 时任务;L代表3个不同限时任务.瞳孔的大小 是由计算机内部单位像素组成. 将10名被试者在每个任务下的瞳孔平均化 处理,得出如下结果:不限时间的3个任务之间, 随着不同个数的增加,瞳孔缩小.相同个数的任 务的3个等级之间,随着任务等级的增加,瞳孔也 缩小.在3个限时任务之间,随着不同个数的增 加,瞳孔缩小.在不同个数相同的任务中,从不限 时任务到限时任务,被试者的瞳孔扩大,见图4. 1 1 弓1 矗1, 1 磊 置 nilSSSIO11 图11号被试者瞳孔变化趋势 Fig.1Changesofpupilareaofsubject1 40 20 00 8O 60 40 20 图22号被试者瞳孔变化趋势 Fig.2Changesofpupilareaofsubject2 III1SS1Ol1 图38号被试者瞳孔变化趋势 Fig.3Changesofpupilareaofsubject8 366航天医学与医学工程第20卷 目firstgrade 圈 -secondgrade 『口thirdgrade 排l》熏l 图410名被试者瞳孔变化平均值比较 Fig.4Comparisonofmeanchangesofpupilareaof10 subjects 讨论 所有被试者的瞳孔的相同变化规律是:1)随 着每个任务的难度等级的增加,瞳孔缩小,可以看 出,瞳孔随着工作难度的增加而缩小.本实验中, 难度等级是根据搜索不同之处需要花费的时间来 划分的,而3个等级的不同之处从明显到不明显 再到非常不明显,被试者需要观察的部分越来越 细小,因此需要投入更多的注意力,更容易造成视 觉疲劳.而在心理学上有关瞳孔的研究已经得出 结论,疲劳会造成瞳孔缩小,本文结果进一步 了此现象.2)比较不限时任务下的瞳孔,限时任 务下的瞳孔会扩大,可以得出,在相同任务难度的 情况下,存在一个时间压力会造成瞳孔扩大.这 主要是因为,当存在时间压力时,被试者会变得精 神紧张,而心理学上有关研究得出,人在紧张时, 瞳孔会扩大,本文结果进一步证明了此现象. 被试者之间的差异主要有3种情况:1)被试 者在执行3个不同的任务时,开始出现疲劳,因为 执行3个不同的任务时,被试者完成需要的时间 明显增加,这就造成了他的疲劳,而在此之前,从 1个不同到2个不同的过程中,被试者均能够轻 松地找出不同之处,只是2个不同更容易给被试 者造成紧张,因此被试者的瞳孔持续扩大;2)被 试者在两个不同的任务中,瞳孔就明显缩小,因为 被试者在完成两个不同的任务时需要的时间明显 增加,之后,疲劳程度维持在一个水平,这样只是 由于紧张程度的增加,而使得瞳孔又开始扩大; 3)被试者从两个不同的任务开始出现疲劳现象, 瞳孔开始缩小,而到了3个任务的时候,疲劳程度 进一步加强,瞳孔继续缩小.造成这3种差异性 主要是由被试者出现疲劳现象的早晚引起的,这 种疲劳现象可以从他们的主观调查表中得出. l0名被试者的瞳孔值平均化处理之后,得到 的变化规律与第三种情况相同,说明3种不同任 务在造成被试者疲劳的程度上是递进的.随着不 同个数的增加,被试者完成需要的时间增加,使得 他们的疲劳程度进一步增加,所以H瞳孔随着疲 劳程度的增加缩小,随着任务难度的增加也缩小. 当存在一个时间压力的时候,被试者精神紧张,瞳 孔扩大 结论 由于决定脑力负荷的因素较多,一般包括工 作难度,时间压力,工作时间长短等,因此评价脑 力负荷需要从不同的侧面来反映.从本文结 果可以得出,工作难度的增加会造成瞳孔缩小;时 间压力的存在,瞳孔会扩大;工作时间越长,越容 易造成疲劳,当出现疲劳现象之后,瞳孔会缩小. 因此,瞳孔变化作为一个不受意识支配的生 理指标,能够很好地反应脑力负荷,但是由于影响 瞳孔因素比较多,而脑力负荷也有很多因素决定, 要想使用瞳孔变化精确地评价脑力负荷,必须要 尽力排除干扰瞳孔变化的外界因素,需要进一步 细化评价任务,来评价单一的脑力负荷任务,例如 在相同的工作难度和工作时间下来评价疲劳,或 者在相同的疲劳程度和工作时间下评价工作难度 等,这还需要进一步研究. [参考文献] 『11MurataA.1waseH.Evaluationofmentalworkloadby fluctuationanalysisofpupilarea『CIProceedlngsofthe 20thAnnuallnternationalConferenceofthelEEEEngi— neeringinMedicineandBiologySociety,1998,20(6): 3094—3097. 『2]CeruttlC.FortisG.LibeartD.Powerspectrumanalysis ofheartrateduringamentaIarithmetictasklJ}JoumaI ofAmbuIatoryMonitoring.1998.1(3):241.250. I3)KahnemanD.BeattyJ.PupiJdiameterandJoad0nmem— orylJScience,1996,154(5):1583—1585. 『4]LlAOJianqiaoMentalworkloadandltsmeasurement [J]JournalofSystemsEngineering,1995,10(3):119— 123. 『5]LfYong,YlNGuo'en.CHENYanlITheregulatingeffect offatigueandmentalloadonpupllsizeIntextreading 『J1StudiesofPsychologyandBehavior,2004,2(3): 545—548. 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