OR7-基于近红外光谱法的汽车驾驶员脑氧参数振动响应分析.doc

基于近红外光谱法的汽车驾驶员脑氧参数振动响应分析 李增勇*  作者简介: 李增勇，男，博士，副教授，主要从事生物医学光子学、人机工程学等研究。中国生物医学工程学会个人会员登记号：M082504040M 张亮亮 王岩 李建平 刘菲菲 陈国强 （山东大学机械工程学院 250061） 摘要： 振动是影响驾驶员职业健康的重要因素之一。该文应用近红外光谱法监测驾驶员脑氧信息，评估了三种不同振动频率（3、4.5、6Hz）对10名健康驾驶员脑组织氧合状况的影响。结果发现，振动导致脑组织中氧合血红蛋白(HbO2)的含量上升、还原血红蛋白(Hb)含量下降，说明振动过程中脑组织对氧的需求量增加，不同振动频率对脑氧参数的影响不同。本文研究结果初步揭示了驾驶员振动条件下的脑氧动力学变化特性。 关键词：生物医学工程学；脑氧；近红外光谱；振动 Effect of different vibration frequencies on cerebral oxygenation as assessed by near-infrared spectroscopy in healthy drivers LI Zengyong Zhang Liangliang Wang Yan Li Jianping Liu Feifei Chen Guoqiang (School of Mechanical Engineering, Shandong University, Jinan, 250061 P.R. China) Abstract The objective of this study is to investigate the effects of 3, 4.5 and 6 Hz whole-body vibration (WBV) on changes in cerebral oxygenation oscillation of the pre-frontal cortex region in healthy drivers. Ten healthy men were exposed to three WBV (3, 4.5 and 6 Hz at 0.5 grms in the vertical direction), in a randomized order on separate days. All subjects were required to rest well prior to the experiment. Each day test protocol was as follows: 20 min rest, 20 min of WBV session and 20 min recovery. Cerebral oxygenation signal was monitored from the left frontal lobe using near infrared spectroscopy (NIRS) throughout the entire experiment period. It was found thtat cerebral oxygenation responses increased with vibration at 4.5Hz compared to that without vibration.The results demostrated that the vibration frequency had significant effect on cerebral oxygenation. Keywords: Bioengineering, cerebral oxygenation, near infrared spectroscopy, vibration 1 引言 随着汽车工业的发展,我国机动车拥有量不断增加，职业驾驶员队伍也在不断扩大。驾驶员作为一种特殊职业人群,长期受到振动、噪声、精神紧张、作业时间长等因素的影响，工作环境对驾驶员健康的影响已日益引起关注。Robinson 等（2005)调查发现，作为人類第一杀手的心脑血管疾病在职业驾驶员中发病率明显高于普通人[1]。宋琦如（1996）、茅佩娟（2008)等对国内职业驾驶员流行病学调查亦发现，驾驶员心血管功能及脑血血管功能的异常率均明显高于非驾驶员[2,3]。这表明驾驶员工作环境对驾驶员心、脑血管功能有显著影响，长期驾驶可能影响驶员的思维、判断和执行能力。这提示人们应重视驾驶员心、脑血管系统的健康防护，以保证行车安全。而振动作为影响驾驶员职业健康的重要因素之一，其对驾驶员脑血管系统的影响，正日益受到研究者的重视。 近红外光谱组织脑氧含量检测，是基于人体组织在近红外波段(波长700－900nm)的光学特性，通过检测氧合血红蛋白浓度及还原血红蛋白浓度，评估局部人体组织的氧合状况。通过选择合适的近红外光波长及光源到检测器的距离，可以得到受试者脑灰质中的氧合信息[4]。 2 材料和方法 2.1 试验对象 实验对象：从社会公开招募10名健康驾驶员，平均年龄25.3±6.2。试验选择在每天上午9:00进行，以避免时差因素影响，确保样本之间的可比性。试验前试验对象保证充足的睡眠和正常的精神状态，避免烟、酒、茶和咖啡等任何刺激性的食物和药物。 2.2血氧参量检测设备 血氧参量检测设备使用清华大学研制的近红外组织血氧参数无损检测仪（TSAH-100型)进行测量。该仪器使用双波长（760nm和850nm)和双检测器的近红外光谱技术，来得到与组织的代谢活动密切相关的血氧信息。由于近红外光对皮肤和颅骨有很好的穿透性，因此它可以透过上述外层组织，无损地检测到脑氧参数。该系统属于反射型系统，即光源和探测器放置在同侧皮肤的表面。血氧参量检测设备使用清华大学研制的近红外组织血氧参数无损检测仪（TSAH-100型)进行测量。该仪器使用双波长（760nm和850nm)和双检测器的近红外光谱技术，来得到与组织的代谢活动密切相关的血氧信息。测量脑氧时，将传感器置于测试人员前额部位，实验人员选择正常驾驶姿势。脑氧参数包括氧合血红蛋白浓度([HbO2]、还原血红蛋白浓度([Hb]), 血液中Hb和HbO2的总浓度tHb（以毫摩尔/升为单位）及局部血氧饱和度（rSO2)。 2.3实验振动参数及测试程序 试验在车辆试验室振动模拟驾驶仪上进行。振动频率选择3Hz、4.5Hz、6Hz，振动加速度0.5g (Polaris_Hybrid_Spectra，加拿大NDI公司)。实验开始前实验人员休息20分钟，然后加振20分钟，最后休息20分钟。实验整个过程中应用近红外光谱法监测脑氧参量。 2.4 统计分析 应用重复测量方差分析研究脑氧参量加振前、振动中及振动后的差异 (SPSS version 11.5.1)。p<0.05认为各变量间具有显著性差异。 3. 结果 三种振动频率下脑氧参数浓度变化值的响应分别如图1、图2、图3所示。由图可看出，与加振前比较，3Hz振动下脑氧参数浓度值无显著变化，4.5Hz振动导致脑氧参数浓度值Δ[HbO2]显著上升，6Hz振动导致脑氧参数浓度值Δ[Hb]、Δ[HbO2]、Δ[tHb]显著上升；振动后，三种振动频率下脑氧参数浓度变化值Δ[HbO2]、Δ[tHb]均显著性上升。脑血氧组织饱和度加振前、振动中及加振后脑氧饱和度比较均无显著性变化，如图4所示。 * * ** Δ[HbO2] Δ[tHb] Δ[Hb] mmol/L 图 1 加振前、振动中及加振后脑氧参数浓度变化值比较（3Hz），*p<0.05, **p<0.01 ** * * mmol/L ** ** Δ[tHb] Δ[HbO2] Δ[Hb] 图 2 加振前、振动中及加振后脑氧参数浓度变化值比较（4.5Hz）,*p<0.05, **p<0.01 * ** * * * ** * Δ[tHb] Δ[HbO2] Δ[Hb] mmol/L 图 3 加振前、振动中及加振后脑氧参数浓度变化值比较（6Hz）,*p<0.05, **p<0.01 rSO2(%) 图 4 加振前、振动中及加振后脑氧饱和度比较 4 讨论 在不同振动频率下，驾驶员脑氧参数浓度变化值有不同的响应。由于4.5Hz更接近人体脊柱共振频率[5]，该振动导致脑组织中氧合血红蛋白(HbO2)的含量上升、还原血红蛋白(Hb)含量下降，说明振动过程中脑组织对氧的需求量增加。而振动后，脑组织对氧的需求继续增加，导致三种振动频率下血红蛋白(HbO2)含量继续上升。 组织脑氧饱和度（rSO2)，是对脑氧当前状态的描述，反映了组织中供氧和耗氧动态过程的平衡点。人正常情况下脑氧饱和度存在一定程度的生理波动，但幅度较小。在我们前期的研究工作中，曾经发现长时间驾驶会导致长时间驾驶可引起脑氧饱和度（rSO2）水平下降，导致驾驶疲劳[6]。组织氧饱和度（rSO2）反映人体组织氧供应与消耗的动态平衡，如果脑组织中氧的供应不能满足氧的需求，就会引发脑缺氧。短时间的脑缺氧可使人产生疲劳，昏睡，恶心等不适症状。较长时间的严重脑缺氧可导致脑组织出现功能性和器质性损伤，甚至危及生命。加振前、振动中及加振后脑氧饱和度均无显著性变化，说明短期振动不会引起脑组织供氧和耗氧动态平衡的改变，但会引起脑组织对氧需求的增加。 参考文献 [1] Robinson CF Burnett CA Truck Drivers and Heart Disease in the United States,1979–1990[J]. American Journal of Industrial Medicine 2005,47:113–119 [2] 茅佩娟 沈宝元 陆英 张娴秀 谢燕萍 孙远俊.机动车驾驶职业对驾驶员心血管系统的影响[J].职业与健康2008,24(5):409-411 [3] 宋琦如 张振祥　李伯灵　牛小军　陈非. 汽车驾驶员心、脑血管功能状况的调查[J].中华劳动卫生职业病杂志 1996，14(6):358-359 [4]Teng YC Ding HS Gong QC Jia ZS, Huang L Monitoring Cerebral Oxygen Saturation during Cardiopulmonary Bypass Using Near Infrared Spectroscopy: the Relationships with Body Temperature and Perfusion Rate (J). Journal of Biomedical Optics, 2006, 1 (2), Article Number: 024016 [5]Maikala RV,Bhambhani YN. Cardiovascular responses in healthy young women during exposure to whole-body vibration (J). International Journal of Industrial Ergonomics 2008, 38:775–782 [6] 李增勇 代世勋 张小印 李岳 喻星心. 驾驶员疲劳态下脑氧饱和度的近红外光谱法检测及其分析(J). 光谱学与光谱分析 2009,30 (01): 58-61 4