睡眠剥夺对工作绩效的影响

航天医学与医学工程 2000年第4期第13卷 学术论著

作者：付兆君　马瑞山

单位：第四军医大学航空航天生理学教研室，西安 710032

关键词：睡眠剥夺；工作绩效；认知；跟踪任务；昼夜节律

　　摘要： 目的 探讨睡眠剥夺情况下人的工作绩效的变化规律。方法 8名健康青年作为被试，采用单因素区组化的实验设计方法。 在实验日6:00至次日8：00的26 h的持续觉醒过程中，每隔特定时间间隔重复一组相同的测试项目。测试项目：(1）听觉Oddball单任务反应时（RT₁）和正确率（CR₁）；(2）听觉Oddball+手控跟踪双任务的跟踪误差(ER)及反应时(RT₂)和正确率(CR₂)；(3）主观任务难度评价（S R）;(4)斯坦福困倦度量表（SSS）。结果 RT₁、RT₂、ER 3项指标的9个时间点间整体比较均具有显著差异（分别为P=0.0001,P=0.00001,P=0.0004），3项指标在睡眠剥夺过程中均显著升高；睡眠剥夺对SR、SSS得分均具有显著影响（P=0.0001,P=0.0000），在夜间这2项指标得分升高;由于反应策略的调整，被试的反应正确率在睡眠剥夺过程中无显著变化。结论 睡眠剥夺对认知反应任务反应时和跟踪任务的跟踪误差、主观任务难度评价及困倦程度均具有显著影响。

　　中图分类号：R852.6；R338.63　　文献标识码：A　　文章编号：1002-0837(2000)04-0240-04

Effects of Sleep Deprivation on Human Performance

FU Zhao-jun　MA Rui-shan

　　（Department of Areospace Physiology,Forth Millitary Medical University, Xi'an 710032,China）

　　Abstract： Objective To investigate the effects of sleep deprivation(SD) on human performance.Method 8 healthy male college students participated the test . During 26 h of continuous awakeness (from 6:00 to 8:00 the next day),the volunteers were demanded to perform a battery of tests at 9 different time (7:00、12：00、16：00、20：00、0：00、2：00、4：00、6：00 、8：00). The tests include:(1) single task: aural Oddball response,the response time(RT₁)and correct rate(CR₁) were recorded;(2) dual tasks:manual tracking and aural Oddball response, the response time(RT₂), tracking error(ER)and correct rate(CR₂) were recorded;(3)The Stanford sleepiness scale and subjective ratings of task difficulty access.Result SD had significant effects on CT₁,CT₂ and ER(P=0.0001,P=0.00001,P=0.0004 respectively);SD increased RT₁,RT₂,ER at night time. SD had significant effects on SR,SSS score(P=0.0001,P=0.0000 respectively);SD increased SR,SSS score at night time. Since the subjects changed their response strategy ,CR₁ and CR₂ were not influenced by SD at night time.Conclusion SD has significant effects on response time,tracking error ,subjective difficulty of cognitive tasks and subjective sleepiness.

　　Key words:sleep deprivation;performance;cognition;tracking task;circadian rhythm

　　睡眠剥夺是指在本应包含一次夜间连续睡眠（持续7～9 h）的一段时间内得不到应有的睡眠。按睡眠剥夺的程度将其分为完全睡眠剥夺和部分睡眠剥夺，后者又被称为睡眠不足。鉴于在当今的社会生活中由于工作学习的需要以及某些领域夜间值班的需要因而睡眠不足的问题广泛存在，其对工作效率以及安全都有不利影响。我们有必要对睡眠不足情况下人的工作绩效变化规律进行探讨，对夜间工作者的所能承受的工作负荷进行评估，为进一步探讨提高夜间工作绩效的方法提供实验依据。 本实验测量了8名被试者在睡眠剥夺条件下的工效指标、主观上的完成任务难度和困倦程度的变化,目的是探讨睡眠剥夺情况下人的工作绩效的变化规律。

　　方　法

　　实验对象　军医大学本科生8名，男性，健康，年龄19～21岁，体重 62.3±5.57 kg，身高169.88±3.44 cm 。SCL-90心理症状自评量表得分25.75±12.20，属于正常范围。为了操纵方便，参加实验的人员均为右利手，视、听力正常。他们平时起居规律，无喝咖啡、茶及吸烟等习惯 。

　　实验设计　采用自身对照区组化的实验设计，即每名被试者在实验日6:00至次日8：00的26 h的持续觉醒过程中，每隔特定时间间隔重复一组相同的测试项目，以发现似昼夜节律与睡眠剥夺对人体生理心理功能的影响。

　　实验步骤　实验前集中训练被试者，向其讲明实验步骤及操作方法，每名被试者练习游戏杆的跟踪操作到能熟练操作的程度。嘱其实验前两晚按时休息，实验前 1 wk禁止饮酒、茶、咖啡及剧烈运动，严格禁止服用中枢抑制性或兴奋类药物。实验从两夜正常睡眠后开始，被试者于6：00起床，在实验人员的监视下禁止睡眠及剧烈活动。在9个时间点我们先后重复进行了一系列的测试。测试项目包括：(1) 听觉Oddball单任务（Single task,ST）;(2)手控跟踪加听觉 Oddball 双任务(Dual tasks,DT);(3)主观任务难度评分（Subjective ratings,SR）；(4）斯坦福困倦度量表 （Stanford sleepiness scale,SSS）评分。

　　(1)听觉 Oddball 单任务^［1］：完成任务时，耳机中以65 dB声强随机呈现高音(2000 Hz)、低音(1000 Hz)两种声音，以高音作为靶刺激，出现概率20% 。 要求被试者在听到靶刺激（高音2000 Hz）时按游戏杆“是”键快速作出反应。 记录的指标为反应时（RT₁）、正确率 （CR₁），由计算机自动测算并记录 。

　　(2)手控跟踪加听觉Oddball双任务^［1,2］：测试时，黑色荧光屏上呈现一个黄色作随机折线运动的光点，被试者坐于计算机前0.5 m处。要求被试者以右手操纵游戏杆控制一个“十”字光标跟踪光点；在完成跟踪的同时耳机中以65 dB声强随机呈现高音(2000 Hz)或低音(1000 Hz)刺激音，以高音作为靶刺激，出现概率20% ，低音为非靶刺激。 要求被试者在尽最大努力跟踪好光标的同时，当听到靶刺激时按游戏杆“是”键快速作出反应 。其跟踪误差（ER），反应时（RT₂），正确率 （CR₂）由计算机自动测算并记录 。

　　（3）主观任务难度评分： 主观任务难度评分是在一段左端表示 0 右端表示 10 的线段上用游戏杆移动游标选择一个位置代表任务的难度，由计算机呈现和记分。

　　（4）SSS量表^［3］：根据自身的困倦程度选择7级选项中的一项 。 由计算机呈现和记分。

　　统计学检验　用本校统计教研室自编线性拟合统计软件 SPLM 处理，采用区组化实验设计方差分析，分析时间点间的主效应 。

　　结　果

　　在实验过程中被试者都能积极配合实验，8名被试者均完成了全部的测试。在夜间实验中偶有打盹者，经轻触唤醒，没有采用大声刺激唤醒。

　　睡眠剥夺引起的工效指标的变化　单任务反应时(图1)、双任务反应时(图2)、双任务跟踪误差(图3)3项指标的9个时间点间整体比较均具有显著差异（分别为P=0.0001,P=0.00001,P=0.0004），单任务反应正确率、双任务反应正确率在9个时间点间无显著差异（分别为P=0.1670,P=0.368）。

图1　单任务反应时的变化

　　Fig.1　Change of RT of single task

　　*P＜0.05,as compared with 7:00

图2　双任务反应的变化

Fig.2　Change of RT of dual task

　　*P＜0.01,as compared with 7:00

　　睡眠剥夺后主观任务难度、主观困倦程度的变化　9个时间点间的整体比较表明似昼夜节律和睡眠剥夺对主观困倦程度(SSS量表得分，图4)、主观任务难度评价得分(图5)均具有显著影响（P=0.0000,P=0.0001）。

图3　双任务跟踪误差的变化

　　Fig.3　Change of tracking-error of dual tasks

图4　主观任务难度评分的变化

　　Fig.4　Change of subjective ratings

i

图5　SSS量表得分的变化

　　Fig.5　Change of Stanford sleepiness scale score

　　**P＜0.01,as compared with 7:00

　　讨　论

　　正常成年人每 24 h需睡眠7～8 h。如果正常人得不到足够的睡眠，工效及逻辑推理能力即会降低，情绪情感状态就会发生改变^［4］。

　　本实验中无论单双任务在白天及夜间的睡眠剥夺情况下对靶刺激作出反应的正确率一直保持接近于100%水平（最小值97%），这表明被试者在完成任务的过程中遵循了“在保证正确的前提下尽快反应”的指导语要求。单任务反应时在夜间0：00以后逐渐延长，并且在凌晨6：00达到最大值（370 ms），而后在8：00的测试中又有所好转。Angus等^［5］对连续54 h模拟信息处理工作进行了研究，结果表明：反应时、警觉性在18 h工作中逐渐下降，在6 h后下降到了70%，维持18小时后又在6 h里下降到40%，而后一直保持在该水平。能力下降最大程度的出现与生理节律的低谷在时间上是一致的（3：00～6：00）。本实验的结果与Angus的实验结果相似。在夜间反应速度变慢与脑功能下降、警觉性降低有关。8：00时测试时反应速度的好转是由于人体的昼夜节律恢复到了白日节律段,可见睡眠剥夺过程中似昼夜节律起着重要的作用。双任务跟踪误差在0:00以后的测试中持续上升，并且在凌晨4：00达到最大值，而后在6：00以后的测试中跟踪误差减小。Aarrie等^［6］的研究表明，一夜不睡中被试的跟踪任务绩效下降明显，与本实验结果吻合。双任务反应时的变化规律与单任务反应时相似，也是在夜间反应速度降低反应时延长。但是双任务反应时的最大值在次日8:00的测试中才出现。综合双任务反应时和跟踪误差的变化，可见在夜间随着睡眠剥夺的进行两者同步出现恶化。对于主副任务在夜间工作绩效低下时被试者并没有将反应策略进行调整—即没有为保证完成好主任务而部分放弃副任务的反应速度。但是在6：00以后尽管昼夜节律达到了白日段，但是被试者把恢复了的精力大部分投入到了作为主任务的跟踪任务中，因此出现跟踪工作绩效好转而听觉反应工作绩效继续恶化。在工作绩效有所恢复时被试者首先增加主任务中投入的资源，而部分忽视副任务的绩效。主观任务难度评分在凌晨2：00达到最大值，而后下降。被试者的困倦程度在凌晨4:00达到最大值，而后下降。可见在凌晨4：00前后是人感觉最困倦的时段，同时也伴随着客观工作绩效达到最低值。根据观察及被试者自己的报告，在4：00前后经常出现微睡眠，它导致了工作绩效的下降。本实验中声音刺激信号声强65 dB，在夜间觉醒水平低下的情况下具有一定的唤醒作用，这可能部分地掩盖了睡眠剥夺的不良影响。

　　由于Oddball反应时任务主要涉及到人的警戒性水平，因此睡眠剥夺引起反应时延长反映了人的警戒性下降。在此情况下在处理突发情况时往往不及时，造成完成任务的工作绩效下降。Haslam^［7］进行了72 h以上睡眠剥夺的系列研究，其被试者（士兵）在90 h睡眠剥夺中要完成有关的军事任务，在90 h的实验中，固定靶的射击成绩未下降，但对突然呈现目标的射击成绩下降了20%。正如在完成射击任务时一样，通过降低速度仍能保证反应的正确性但在反应时间上却受到了损失，并且对于要求迅速限时作出反应的突发任务，往往无法作出令人满意的反应。跟踪任务涉及到连续的视觉注意和手-眼协调能力，跟踪绩效的下降反映了人在睡眠剥夺情况下持续注意能力的下降。Rubin^［8］对63 名值班医生在36 h的值班经历后研究发现持续视觉注意力工作绩效在值班后测量中显著下降，但同时发现被试者的手眼协调能力在值班后加强了。可见本实验中跟踪工作绩效下降的主要原因在于持续注意能力的下降，而手-眼协调能力是否下降还有待于进一步的实验证实。注意能力的下降对于夜间工作来说是十分不利的，注意范围的缩窄、注意转移能力的下降会导致飞行人员忽略了重要仪表信息，或导致错、忘、漏动作发生。当然，反应速度下降和跟踪绩效的恶化与被试夜间的视觉功能下降也有关，被试反映在夜间尤其3：00以后常出现视觉模糊甚至幻视，微睡眠后刚醒来时还存在暗适应不良。

　　睡眠剥夺下反应时和跟踪工作绩效的下降可以用Williams等^［9］的脱漏假说加以解释，该假说认为人在维持长时间的觉醒时，会出现短暂的睡眠现象，这种睡眠被称为微睡眠，它可持续数秒钟或数十秒。它的出现导致了一种散在性的反应脱漏，从而使得作业绩效下降。微睡眠在执行单调、刺激因素少、不需要太多反应的任务时以及睡眠剥夺情况下容易发生。微睡眠的出现导致跟踪过程的短暂间断和选择性反应过程执行阶段准备性不足，从而导致了工作绩效的下降。本实验从某种程度上来说支持了遗漏假说。

　　据本实验结果我们可以得出如下结论：睡眠剥夺过程中在夜间选择性反应速度降低，连续跟踪绩效下降，主观任务难度及困倦度升高；睡眠剥夺过程中微睡眠的出现是导致夜间工作绩效降低的一个重要原因。

［参考文献］

　　［1］　DONG Mingqing,MA Ruishan,CHENG Hongwei.Psychophysiological assessment of mental workload of dual tasks［J］.Chin J Aerospace Med,1997,8(3);138～143

　　董明清，马瑞山，程宏伟.双重任务脑力负荷的生理心理学评定［J］.中华航空航天医学杂志，1997, 8(3):138～143

　　［2］　DONG Mingqing,MA Ruishan,CHENG Hongwei et al.Multivariate discriminant analysis for assessing mental workload during dual task operation［J］.Space Medicine & Medical Engineering,1997,10(5):358～362

　　董明清，马瑞山，程宏伟等.双重任务脑力负荷评定的多变量判别分析［J］.航天医学与医学工程1997，10(5):358～362

　　［3］　Hoddes E,Zarcone V,Smythe H et al.Quantification of sleepiness:A new approach［J］.Psychophysiol,1973,10:431～436

　　［4］　ZHANG Shu,WU Xingyu,HAN Liping et al.Effects of sleep deprivation up to 48 h on tracking performance and two-hand accordance［J］.Chin J Aerospace Med,1997,8(3),158～162

　　张　舒，吴兴裕，韩历萍等.48 h 睡眠剥夺对追踪作业工效、双手协调能力的影响［J］.中华航空航天医学杂志，1997,8(3)：158～162

　　［5］　Angus RG,Heslegrave RJ.Effects of sleep loss on sustained cognitive performance during a command and control simulation［J］.Behav Res Methods Instrum Comput,1985,17(1):55～57

　　［6］　Aarrie G M B, Anthony W K G.The effects of sleep loss in a combined tracking and time estimation task［J］.Ergonomics,1994,37(6):1021～1030

　　［7］　Haslam DR.Sleep loss,recovery sleep,and military performance［J］.Ergonomics,1982,25(2):163～178

　　［8］　Rubin R, Orris P, Lau SL et al.Neurobehavioral effects of the on-call experience in housestaff physicians［J］.J Occup Med. 1991,33(1): 13～8

　　［9］　Williams Al,Lubin A,Goodnow JJ.Impaired performance with acute sleep loss［J］.Psychological Monographs:General and Apploed,1959,73(14):1～26

收稿日期：1999-11-01