腦電圖儀器需要的溫溼度（使用腦電圖研究室內熱環境對人員腦力負荷和任務績效的影響）

2023-04-22 03:21:17

內容來源：張夢傑 （2020級碩士研究生）

本期編輯：張曉潔 （2021級碩士研究生）

校 對：王萌萌

審 核：侯彩霞

僅用於學術交流，原文版權歸原作者和原發刊所有

摘要

工作人員在室內辦公室的工作表現很大程度上受到環境熱條件的影響。然而，這種影響是難以量化的，尤其是當熱應力為溫度的適度升高或降低且無法直接測量工作效率時。被試在實驗條件下表現良好的強烈動機也導致難以比較他們在不同熱環境下的表現。

為了克服這些局限性，本文提出了一種研究室內熱環境對居住者行為影響的方法，該方法通過腦電圖測量來研究居住者在執行標準化認知任務的腦力負荷，即對15名被試進行了腦電腦力負荷測量與認知任務相結合的實驗。當被試在電腦上執行四項認知任務時，腦電圖數據被收集。

在前人研究的基礎上，本文提出了一種由額葉theta和頂葉alpha頻段功率計算出的腦力負荷指數，來進行被試內部比較，以調查被試在微冷、中性和微暖三種不同熱環境下的腦力負荷是否存在統計學差異。

結果表明:熱環境對不同個體的影響是不同的。通過比較不同熱環境間的腦力負荷指標，發現在達到相同的績效時，輕度溫暖環境的腦力負荷相對高於其他兩種環境。該研究從神經生理學的角度揭示了熱環境如何影響人的腦力負荷及其表現。

關鍵詞：腦力負荷；工人表現；辦公空間；工人健康

思維導圖

研究背景

建築的室內環境對個人福祉和社會發展起著重要作用,雖然控制建築熱環境需要較高的能源，但居住者對室內熱環境的不滿意，會導致工人的工作滿意度較低，進而影響其工作績效，而熱舒適是影響室內環境質量(IEQ)最重要的因素之一。

大量的文獻使用各種方法研究了工作環境如何影響辦公室工作人員的表現。首先，本文回顧了衡量辦公人員績效的主觀方法：

(1)主觀績效評估。自我評價是衡量辦公環境中人員工作表現的常用方法之一。它易於實施且與任務類型無關。自我評估的結果是直接的，易於比較。然而，自我感知的績效評估是高度偏頗和主觀的。

(2)生產力表現評估。評估人員績效的另一種方法是直接測量其在實際工作條件下的生產率。如今，辦公室工作變得越來越複雜，涉及到各種不同的任務和技能，如管理、溝通和分析。因此，通過觀察到的工作場所的生產力來直接準確地評估辦公室工作人員的表現是不切實際的。

(3)通過標準化測試進行績效評估。衡量辦公室工作人員績效的最常見方法是在實驗室環境中模擬辦公室工作的典型活動，使用標準化的績效測試。例如，Allen等使用戰略管理模擬軟體工具來評估管理層辦公室員工的高階決策績效。然而，開發這類工具需要很多專業知識和資金，被試還需要學習如何使用模擬工具，因此它的主要局限性在於，被試保持績效的動機和能力抵消了不舒適的熱環境對被試績效測試結果的不利影響，尤其當實驗條件下的中熱或低溫壓力和實驗持續時間較短。因此，它不能準確地反映員工在實際辦公環境中的表現。

以往研究發現，當執行任務類型不同時，室溫對人員的測試結果有不同的影響。由於不同類型的任務由不同的大腦皮層區域主導，這就表明表現的變化可能是由熱環境對神經生理活動的影響引起的。

與人們的工作表現相關的神經生理反應之一是腦力負荷。它表示執行一組並發任務所需的腦力資源量。持續的高腦力負荷會導致被試精神疲勞，錯誤率增加，效率和警覺性下降，以及不願意努力。長遠來看，它會導致業績下降和對居住者健康造成有害影響。因此，我們建議通過辦公人員的腦力負荷來了解辦公熱環境對其工作績效的影響。本研究開發一種了解工作場所熱環境對員工腦力負荷影響的方法，以實現最高的員工績效和幸福感。

研究目的

(1)有效檢測熱環境變化引起的個體腦力負荷變化;

(2)不同的熱環境在執行相同的認知任務時如何影響個體的腦力負荷；

(3)不同熱條件下居住者的腦力負荷與認知任務表現的關係。

為了達到這一目的，本研究使用一種低成本的無線腦電圖耳機來測量腦力負荷。研究還探討了腦力負荷指標與人員認知任務表現的關係。

研究方法

本研究首先評估熱環境對人員腦力負荷的影響，然後研究腦力負荷與人員任務績效之間的關係，構建了熱環境對人員工作績效影響的綜合框架，如圖1所示。

圖1 熱環境對腦力負荷和認知任務表現影響的框架

腦電圖

與其他生理反應相比，腦電圖具有較高的時間解析度(>128Hz)。其次，它攜帶方便，價格便宜，重量輕。最重要的是，腦電圖可以直接監測大腦的認知活動，捕捉到認知狀態的細微變化。本研究使用了一種低成本的腦電圖頭戴設備(Emotiv EPOC )，它包括14個通道，無需使用凝膠或糊劑即可快速設置。它還能穩定的記錄大腦活動，並以無線的方式將數據實時上傳到普通的pc、mac和智慧型手機上。

一些研究已經使用腦電圖來研究溫度對居住者的影響。本研究在三個方面與之前的研究不同：（1）我們實驗中的溫度範圍設置為適中(21.7℃-28.6℃/71.1℉-83.5℉)，代表辦公樓中典型的微冷(PMV=1)、中性(PMV=0)和微暖(PMV=1)條件；(2)在被試執行認知任務的同時捕獲EEG信號，這使我們能夠了解被試在不同任務中的腦力負荷以及它與任務表現的關係；（3）所有被試的認知任務及其難度水平被控制為相同。要求每個被試在三種熱條件下以相同的順序執行任務。

頻帶功率數據是從腦電圖設備的捆綁軟體中獲得的，計算頻率為8Hz(即每125毫秒)。分析中排除了低於4Hz或高於45Hz的頻率。收集的頻帶功率數據被分成不同的部分，每個部分只包含一個難度級別的一種任務的數據。

實驗設置

實驗場地

實驗持續三天，被試進行認知能力測試的同時，記錄大腦電信號。被試還被問及他們的自我感知表現和腦力負荷評級。該實驗是於2018年11月至2019年1月的採暖季節，在密西根大學的研究辦公室使用桌上型電腦進行的(見圖2)。辦公室位於地下室，沒有窗戶或其他自然光或自然通風。實驗期間控制空氣品質、通風和照明條件保持一致。2個COZIR溫溼度傳感器(溼度精度±5%;溫度精度±1%)，在試驗辦公室連續測量環境條件。根據ASHRAE標準55，傳感器放置在地面以上0.6m處。溫度由與試驗辦公室恆溫器相連的空調系統控制，該系統允許溫度在20°C至30°C範圍內自由變化。該實驗方案得到了密西根大學的機構審查委員會的批准。

圖2 實驗設置

被試

15名被試均為密西根大學研究生，年齡在22至33歲之間，身體健康，熟悉電腦使用。為了獲得乾淨的腦電數據，被試需要遵守以下要求：(1)實驗前將頭髮洗淨擦乾且不使用護髮產品（護髮素、定型噴霧等）；(2)在連續三天的實驗中，儘量每天在同一時間睡覺和起床，保證夜間良好睡眠;(3)在為期三天的實驗期間，不要服用酒精、咖啡、菸草或其他可能導致興奮或睏倦的飲料。還要求被試在整個實驗期間穿同樣的衣服(長袖毛衣、長褲)和鞋子。實驗開始時，給每個被試分配一個唯一的ID號作為數據參考的標識符。要求被試像對待日常工作一樣認真對待任務。

認知任務

本研究選擇四項計算機認知任務來激發被試的思維、工作記憶、感知和反應功能。

任務1 -數字加法(思維):在數字加法任務中，電腦屏幕上會顯示一列隨機生成的數字(圖3(a))。要求被試在心裡把所有數字相加，然後用鍵盤在下面的文本框裡輸入結果。點擊「繼續」按鈕後，屏幕上會出現一列新的數字，直到時間用完。這項任務分為兩個難度等級。在簡單級別中，一欄中有六個一位數。困難級別，一欄中有四個三位數。任務從持續3.5分鐘的簡單級別開始，然後是持續6分鐘的困難級別。然而，當被試開始一項限時任務時，去除簡單任務前0.5分鐘的腦電數據以排除不穩定因素。被試在給定時間內答對的數量用來衡量他們的任務表現。

任務2-前位數字廣度(工作記憶):前位數字廣度任務採用傳統的韋氏成人智力量表(WAIS)來測量被試的言語工作記憶和注意力。一串數字依次出現在屏幕上800毫秒，每兩位數字之間有200毫秒的間隔時間（圖3（b））。所有數字出現並從屏幕上消失後，要求被試回憶數字序列並通過計算機屏幕上的數字鍵盤輸入。此任務有兩個難度級別，共18個試次。要求被試在簡單水平記住五位數字，在困難水平記住十一位數字。該研究測量了被試在每個難度級別能夠正確記憶的數字序列數量，並將其作為任務表現的指標。

任務3-選擇反應:選擇反應任務分為三個部分，每個部分共60次試驗(圖3(c))。前兩個部分改編自Deary-Liewald任務，第三部分使用Stroop任務。第一部分是一個簡單的反應任務，當一個x形狀的刺激出現在電腦屏幕中央的一個方框中時，被試需要儘快按下鍵盤上的一個按鈕。在第二部分，在屏幕中央有四個以水平線排列的框。一旦x形狀刺激出現在相應的方框中，要求被試按下鍵盤上與正方形方框位置相同的相應鍵，即「z」、「x」、「逗號」和「句號」。在第三部分中，一個顏色名稱以不同的字體顏色一次一個地出現在屏幕中央。要求被試通過按鍵盤上字體顏色的第一個字母來響應單詞的字體顏色，而不管其實際含義。我們通過測試被試對刺激正確反應的平均反應時間來量化他們的任務表現。

任務4–視覺搜索(感知):視覺搜索任務要求被試具有快速準確地搜索目標物體的視覺感知能力。該實驗修改了Goldstein等(1973)的傳統視覺搜索任務。如圖3(d)所示，在計算機屏幕的左側，有一個9×9的網格，由41個白色方塊和40個黑色方塊分割而成。每個白色的正方形都是一個5×5的網格，其中只有兩個正方形是黑色的。屏幕右側顯示了一個目標白色正方形，被試的任務是從9×9的網格中找出目標的位置，並在下面的文本框中輸入它的坐標。任務總共持續9.5分鐘；但排除了前0.5分鐘的EEG數據以確保被試處於穩定狀態。被試點擊「繼續」按鈕後會出現新的試驗，並重複直到達到時間限制。被試在給定的時間內正確回答的數量作為他們任務表現的指標。

根據任務通常需要的工作量和實驗反饋，我們將它們分為兩類(見表1)。A類測試比較費腦力，B類測試相對容易。

試驗協議

在該實驗中，溫度設置來源於PMV模型，PMV模型是根據人體熱平衡方程評價居住者室內熱舒適度的國際標準。鑑於辦公環境中的溫度通常控制在適中的範圍內，該研究將熱狀態設置為PMV=−1,PMV=0,PMV=1，分別對應於熱感覺刻度上的微冷、中性和微暖。每個環境條件的熱條件設置如表2所示。

為了消除熱環境以外的因素（如睡眠剝奪）造成的影響，本文採用以往文獻的方法，包括:(1)要求被試連續三天同時來實驗，以消除生理節奏的影響;(2)被試必須滿足3.3.1的所有要求才能參與實驗，並在實驗前對認知任務進行足夠的練習，以消除學習效果;(3)要求被試認真對待任務(即集中注意力並盡力得到正確答案)。為了平衡被試對實驗的熟悉程度帶來的影響，採用拉丁方設計對被試每天的不同實驗條件(即熱條件)進行排序。15名被試隨機分為G1、G2、G3三組，如表3所示。

每個實驗條件下，被試遵循圖4所示的程序。第一天，在適應環境期間給出實驗說明。腦電圖耳機通過藍牙與筆記本電腦上捆綁的軟體進行連接。筆記本電腦監測各腦電信號通道的接觸質量，如圖5所示，每個點表示一個通道，其中綠色點表示接觸質量好，橙色和紅色點表示通道部分連通，灰色表示通道連接不良。只接受任務期間所有通道連接良好的被試的數據進行分析。作者還檢查了被試每個認知任務部分前後的頭皮狀況，以確保沒有影響數據質量的汗液。

為了防止被試感到不知所措或疲勞，我們分別從A類、B類中選擇了一項任務，並將它們組合成認知任務-1（見表1）。認知任務-2是剩下的兩個任務的組合。隨機打亂任務組合，以抵消順序對被試表現的影響；但是，每個被試每天的任務組合和順序都保持不變。

圖4每天的實驗程序

圖5 腦電圖耳機接觸器質量界面

數據分析

EEG的頻率分為5個不同的頻段。Holm等(2009)通過對腦電圖信號提取的多個指標進行比較，發現額葉theta與頂葉alpha的比值更能準確地反映腦力負荷。

本研究中使用的腦電圖耳機，F3、F4電極用於監測額葉活動和P7、P8電極用於監測頂葉活動。使用等式（1）計算某一頻帶的相對功率(RP)。等式中的頻帶功率是一段中特定頻帶的平均功率:

本文使用兩個電極的相對功率的平均值來計算腦力負荷指數，如式（2）所示。腦力負荷指數越高，說明被試在執行任務時的腦力負荷越高。

通過比較四個電極的RP和輕鬆和困難任務難度級別的腦力負荷指數，發現腦力負荷指數能更好地反映腦力負荷，雙電極比單電極更能準確地反映腦力負荷。因此，本文採用腦力負荷指標進行進一步分析。

結果

有3名被試在部分實驗中由於電極連通性不佳被排除在分析之外。結果表明，其餘12名被試在任務過程中所有通道上的腦電圖信號質量均較好，並用於進一步分析。

(1)比較熱環境對特定任務中腦力負荷的影響

為了探究熱環境是否會對不同個體在執行相同類型任務時的腦力負荷產生影響，比較了三種不同熱環境下每個任務類型的個體的腦力負荷指數，如圖6所示。

圖6 三種熱條件下每種認知任務的腦力負荷比較

即使是同一類型的任務，熱環境對每個被試的腦力負荷影響不同。室溫的變化會導致一部分被試的腦力負荷增加，而另一部分被試的腦力負荷下降。以圖6(h)為例，與中性環境(PMV=0)相比，微涼的環境(PMV=-1)減少了被試3和4的腦力負荷，而導致被試11和12的腦力負荷增加，表明熱環境對腦力負荷影響存在個體差異。儘管存在個體差異，但在96例中的82例，微暖（PMV=1）條件下的腦力負荷在三種熱條件中最高，表明室溫較高時腦力負荷普遍增加。96項腦力負荷指標中有23項高於2.0，其中21項來自PMV=1條件，表明在微暖條件下執行任務可引起較高的腦力負荷。

(2)比較熱環境對特定個體腦力負荷的影響

在本節中，該研究檢查了每個被試在不同類型的任務中，腦力負荷是否以相同的模式變化。採用Wilcoxon符號秩檢驗，在95%置信水平下比較每個被試在不同熱環境下的腦力負荷指標(表4)。

表4三種熱條件下每個個體的腦力負荷比較

對於不同的被試，腦力負荷有顯著差異的熱條件不同。一些被試隨著環境變暖腦力負荷會顯著增加，比如被試8，儘管在較冷和中性的環境下進行簡單的數字相加任務，在中性和較暖的環境下進行困難的選擇反應任務有例外。對於被試7，微暖環境下的腦力負荷顯著高於微冷和中性環境下的腦力負荷。然而，在微冷環境和中性環境中，腦力負荷沒有明顯變化。對於其他一些被試，發現中性環境下的腦力負荷明顯低於其他兩個。例如，對於大多數任務，被試5和被試11的腦力負荷在中性條件下達到最低點，表明中性環境可能是他們工作場所的最佳選擇。儘管大多數被試在三種熱環境下的腦力負荷存在這種趨勢和統計上的差異，但被試3的腦力負荷變化規律並不明顯。原因可能是被試在部分實驗期間的精神狀態不一致，也可能是被試的腦力負荷受到比熱環境更顯著的其他因素的影響。這種現象產生的原因還需要進一步深入的研究，但本研究並未將其納入研究範圍。

(3)不同熱條件下被試腦力負荷指標與認知任務表現的關係

為了研究被試的腦力負荷與認知任務表現之間的關係，本文研究了被試的認知任務表現與相應任務的腦力負荷之間的比值。該比率反映了被試每單位精神工作量所取得的成績，因此，比率越高，表明被試的努力的高效性，反應在任務表現上。結果如圖7所示。不同顏色的彩色方框代表每個被試在不同熱環境下的表現/心理工作負荷指數比率。選擇反應任務使用平均響應時間(s)的倒數來方便比較和可視化。

圖7 績效/腦力負荷比率的比較（P<0.05）

在除簡單水平前位數字廣度任務外的所有類型任務中，微暖條件下的表現/腦力負荷指標比值均顯著低於中性和微冷條件下的比值。在簡單水平的前位數字廣度任務中，僅在微暖和微涼環境之間發現該比率有顯著差異。在腦力負荷相同時，微溫暖環境下的表現較差，這意味著被試需要在微溫暖環境下花費更多的努力來維持任務績效。

討論

本研究採用腦電圖測量的腦力負荷，探討工作環境的熱條件對被試工作表現的影響。

(1)腦力工作負荷指數

腦力負荷指數在這裡用於進一步的分析。雖然腦力負荷指數能夠有效反映各任務類型內的腦力負荷變化，但在不同個體和不同任務類型之間卻不具有可比性。原因是大腦以不同的方式處理每種類型的任務，並調用不同的大腦功能來處理任務。因此，我們只在每個任務類型和每個個體中進行比較。在未來的研究中，不同類型任務的腦力負荷可以用不同的指標來衡量，以適應執行這些任務的大腦過程。

(2)熱環境對腦力負荷的影響

本研究比較了三種熱條件下，不同個體的每種類型任務的腦力負荷指數。熱環境對每個被試腦力負荷的影響不盡相同。原因之一是PMV模型代表了一種普遍的熱感覺，然而，這並不一定保證每個被試對熱環境有相同的感受。另一個原因是熱感覺以不同的方式影響被試的表現。有的人在感覺微涼時可能會感覺清醒，由於環境的喚醒作用，可以更好地解決問題，而另一些人則被涼爽分心，無法專注於工作。個體差異在4.3節中進一步證明，部分被試在微涼環境中的腦力負荷顯著低於中性環境，而對於另一些被試則相反。

(3)腦力負荷與認知任務表現

為了研究被試的腦力負荷指數與其認知任務表現之間的關係，本文使用單因素重複測量方差分析對被試的任務表現進行了被試內比較，以研究任務表現如何隨不同的熱條件而變化。結果如表5所示。實驗結果表明，雖然在一些困難級別的任務中觀察到了顯著的表現差異，但在簡單級別的任務中沒有顯著差異，表明熱環境對被試任務績效的影響只有在任務難度較大時才能觀察到。

本研究使用每種類型任務的Spearman等級相關係數檢驗任務績效與腦力負荷指數之間的相關性。結果表明，腦力負荷指數與被試的任務績效無相關性。換句話說，由於熱環境的幹擾，較高的腦力負荷並不一定會導致更好的表現。因此，我們採用任務績效與腦力負荷的比值來分析不同熱環境對二者關係的影響。在微暖環境中顯著較低的比率表明等量的腦力負荷產生了較低的任務表現。也就是說，在微暖的環境中，要達到與中性和微涼條件下相同的表現，需要付出更高的腦力勞動。微暖的環境導致被試在使用大腦資源和努力提高生產率方面效率較低。

這些結果與之前研究的結果一致，即高室溫可能導致居住者的表現下降。另一方面，Hancock和Vasmatzidis提出，當人們在適度的熱壓力下有很高的表現動機時，他們往往會保持他們的表現。基於這些發現，本研究中發現的腦力負荷增加可以解釋為被試試圖在任務上付出更多努力，以抵消高室溫對其表現的負面影響。此外，正如「認知儲備」理論所提出的，被試具有一定數量的神經資源可用於一項活動。在這種情況下，可以分配神經資源來處理認知任務和熱壓力。當資源充足時，被試能夠在處理熱壓力的同時保持任務表現。但是，如果資源不足以同時處理任務性能和熱壓力，則表現將下降。這種解釋也證明了表5中的結果，在簡單級別的任務中沒有發現顯著差異，而在一些困難任務中發現在微暖的環境中表現下降。

這一結果進一步說明了適當的室內熱環境對居住者的健康和表現的重要性。未來，我們希望這將有助於確定最佳的辦公室熱環境，使居住者無需付出額外的腦力就能保持工作績效。並且，熱環境的設置應滿足環境中大多數居住者的熱需求。

(4)局限性

腦電圖研究的局限性之一是，大腦信號複雜，可能受到許多因素的影響，如被試的情緒和睡眠。未來，腦電信號可以輔以其他生理因素測量，以進一步消除其他因素的影響，改進評估方法。

影響本方法在實際辦公環境應用的局限性:首先，考慮到被試的不舒適會影響實驗結果，休息期間將EEG耳機移除15分鐘。然而，這將阻止在持續幾個小時的實際辦公室工作中監控被試的腦力負荷。第二，在辦公室環境中，涉及大量的運動，電極可能連接性較低或完全失去接觸，這會阻止EEG耳機收集乾淨的數據。

本文的另一個局限性是，本文提出的方法是基於辦公環境設置開發的，因此，只考慮從微冷到微暖的中等熱條件。然而，提出的方法可以用於更大的溫度範圍。還可以用於研究其他IEQ因素（例如，照明、空氣品質等）對居住者的影響。

結論

通過比較腦力負荷指數，以及不同熱條件下其與認知任務結果的關係，得出以下主要結論：

第一，大多數被試在微暖環境下有較高的腦力負荷，而中性狀態和輕度涼爽狀態下的腦力負荷是否較低，取決於被試和任務類型。其次，熱環境對腦力負荷的影響因人而異。對於每項任務，不同個體的腦力負荷隨熱環境變化而不同。第三，由於熱環境的影響，被試在相同任務中較高的腦力負荷並沒有導致更高的任務表現。然而，發現在微暖環境中，大多數被試需要更高的腦力負荷才能達到相同的表現。

這項研究的結果讓我們深入了解腦力負荷和任務表現如何隨熱條件而變化。所提出的方法允許我們為居住者開發個人熱場，了解每個人在不同環境中的腦力工作負荷反應，這可以應用於能量模擬或熱舒適管理。

引用

Wang X，Li D，Menassa CC， Kamat VR. Investigating the effect of indoor thermal environment on occupants' mental workload and task performance using electroencephalogram [J]. Building and Environment, 2019, 158, 120-132

END

道阻且長，行則將至；

行而不輟，未來可期。

西安建築科技大學神經工程管理實驗室成員

付漢良副教授侯彩霞副教授王萌萌博士後郭曉彤博士後