ISSN100020054CN1122223󰃗N　清华大学学报(自然科学版)

JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2009年第49卷第11期2009,Vol.49,No.116󰃗38175721760　

单穴位经皮电刺激对抗脑力疲劳的方法

牛川森1,　郝红伟2,　李路明2,　杨林畅2,　姜长青2

(1.清华大学机械工程系,北京100084;2.清华大学航天航空学院,北京100084)

收稿日期:2008210217

基金项目:国家“八六三”高技术项目(2006AA02Z4E9);

国家“十一五”科技项目(2006BAI03A18)

作者简介:牛川森(1982—),男(汉),河南,博士研究生。

通讯联系人:李路明,教授,E2mail:lilm@tsinghua.edu.cn摘　要:脑力疲劳的监测和对抗研究对于社会公共安全具

有重要意义。该文提出一种单穴位经皮电刺激方法,以模拟

驾驶疲劳为模型,研究该方法对脑力疲劳的对抗作用。18名

男性受试者驾驶模拟器90min,在刺激组受试者左侧内关穴

施以经皮单穴位电刺激,采用SSS(Stanfordsleepinessscale)

量表和眨眼参数变化对驾驶过程中受试者疲劳程度变化进

行评价。刺激组受试者SSS值显著低于对照组受试者(P<

0.001);对照组受试者在驾驶期间眨眼参数变化显著(P<

0.05),而刺激组受试者眨眼参数无显著变化。实验结果表

明,该方法对于驾驶疲劳具有有效的对抗作用。

关键词:电刺激;单穴位;经皮;脑力疲劳;模拟驾驶

中图分类号:R312文献标识码:A

文章编号:100020054(2009)1121757204

Uni-acupointtranscutaneouselectrical

stimulationstocounteractmentalfatigue

NIUChuansen1,HAOHongwei2,LILuming2,

YANGLinchang2,JIANGChangqing2

(1.DepartmentofMechanicalEngineering,TsinghuaUniversity,

Beijing100084,China;

2.SchoolofAerospace,TsinghuaUniversity,

Beijing100084,China)

Abstract:Effectivementalfatiguemonitoringandcountermeasure

methodsareimportantforpublicsafety.Thisstudypresentsa

uni2acupointtranscutaneouselectricalstimulationmethodforuseas

acountermeasureformentalfatigueduringdriving.18malesubjects

drovealaboratorydrivingsimulatorfor90minutes.Uni2acupoint

transcutaneouselectricalstimulationwasappliedattheleftNeiguan

acupointonsomeofthesubjects.TheStanfordsleepinessscale

(SSS)andblinkparameterswereusedtoassessthefatiguechanges

duringdriving.TheresultsshowthattheSSSofthestimulated

groupissignificantlyhigherthanthecontrolgroupattheendofthe

drivingexperiment(P<0.001).Theblinkparameterchanges

relatedtofatiguearealsosignificantinthecontrolgroupduringthe

driving(P<0.05),butnotinthestimulatedgroup.Theseresults

indicatethatuni2acupointtranscutaneouselectricalstimulationisa

validcountermeasureformentalfatigue.

Keywords:electricalstimulation;uni2acupoint;transcutaneous;

mentalfatigue;simulatingdrive目前,脑力疲劳状态监测研究主要通过主观感

受、驾驶绩效、生理反应等对模拟驾驶产生的疲劳状

态进行评价,相关技术尚未实际应用。脑力疲劳对抗

以降低工作强度、短时休息、饮用含咖啡因饮料等为

主,特殊情况时使用药物,但对身体存在危害[1]。

20世纪60年代出现的穴位电刺激疗法利用低

频脉冲电刺激代替针刺手法,刺激参数确定、可重

复。由于该方法具有安全、副作用小等优势,近来开

始被尝试应用于尚无特效疗法的生理心理疲劳及慢

性疲劳等症的对抗研究。赵建明等[2]对某部队80名

官兵进行针刺对抗运动性生理心理疲劳研究,结果

表明针刺可以引起中枢神经向应激态转变,能够调

节和改善肌体疲劳。陈云飞等[3]利用大鼠模型证明

穴位电刺激能够通过调节大鼠下丘脑-垂体-肾上

腺轴的激素水平改善慢性疲劳综合症。董婕等[4]指

出经皮穴位电刺激可抑制因疲劳引起的脑电平均功

率谱密度升高,改善疲劳状态。

经皮穴位电刺激对抗脑力疲劳具有较大潜力,

但传统的双穴位方法需要成对穴位形成电流回路,

使用电极数量多,刺激器和电极不可避免地会影响

到驾驶员的正常操作。针对这种情况,本文提出一种

新颖的基于单穴位的经皮电刺激方法并将其应用于

疲劳对抗研究。与传统方法相比,单穴位经皮电刺激

方法能够减少刺激电极数量,使经皮穴位电刺激对

抗脑力疲劳的应用更为方便、现实。

1　实验方法

1.1　单穴位电刺激方法及装置

如图1a所示,传统双穴位经皮电刺激方法成对选取穴位(如合谷和内关)放置皮肤电极,脉冲电流

所刺激的部位包括所选双穴、穴位之间的经络以及

其他穴位。单穴位电刺激是基于单个穴位的新型电

刺激方法,在单个穴位布置电极,形成刺激电流回

路。刺激时脉冲电流主要集中在所选单个穴区,对其

他穴位和经络无直接刺激。单穴位电刺激方法是对

现有电针方法的创新和发展,已被证明与传统双穴

位电刺激方法具有相似的镇痛效果[5]。如图1b所

示,本实验采用的经皮单穴位电刺激通过集成在一

个电极片上的两个电极实施。内圆电极贴于所选穴

位(如内关)上方皮肤,圆环电极贴于圆环电极周围。

图1　经皮穴位电刺激方法示意图

刺激部位选择内关穴。内关为手厥阴心包经穴

位,适用于神志不清、眩晕等症。它位于小臂内侧腕

横纹上7cm,掌长肌腱与桡侧腕屈肌腱之间,便于

粘贴刺激电极。刺激器为自主研制的TSC2V1型电

流型脉冲发生器。刺激电流采用双穴位电刺激常用

参数:方波脉冲,频率2󰃗100Hz交替,每种频率持续

3s,频率2Hz时脉宽为600Λs,频率100Hz时脉宽

200Λs[6]。电流强度视受试者个体情况而定。

1.2　受试者

18名健康男性青年志愿者,年龄20～26岁(均

值23.7岁,标准差1.3岁),为在读本科或研究生;

驾龄0.5～3a(均值1.4a,标准差0.8a)。生活规律,

无神经及精神科用药史和病史。实验前24h,禁止食

用或饮用含酒精或咖啡因的食物和饮料。

1.3　模拟驾驶器

室内模拟驾驶系统由改装轿车、环幕及放映系

统、信号测量及监视系统组成。如图2所示,道路和

其他场景由车后方放映系统投影到环幕上,受试者

坐在车内,利用车内的方向盘、油门、刹车控制行车

方向及车速。实验车道位于城市内部,以直道为主,

驾驶难度低;建筑景观单调,干扰少,易产生疲劳。受试者右眼上下方放置Ag󰃗AgCl盘电极,驾驶过程

中利用Neuroscan脑电仪(Synamps2放大器,Scan

4.3软件)记录其垂直眼电(VEOG)信号。

图2　模拟驾驶设备

1.4　脑力疲劳状态评价方法

实验采用受试者主观疲劳状态和眨眼参数判断

受试者驾驶过程中疲劳程度变化。

受试者主观疲劳状态变化通过SSS(Stanford

sleepinessscale)量表评测。SSS量表将疲劳状态划

分为从“绝对清醒”到“不愿再坚持保持清醒”的7个

等级,受试者根据测试时刻的状态选择最接近的选

项。该量表常用于对疲劳、疲倦程度的主观评价。

疲劳伴随着生理指标的变化。自发脑电信号被

认为是判断疲劳状态的金标准,但由于记录不便等

原因难以适用于驾驶疲劳状态监测。眨眼参数,包括

眨眼时间和眨眼频率,是最便于测量的能够直观反

映驾驶员警惕状态以及驾驶能力的重要指标。随着

疲劳程度的加深,眨眼时间将增长,频率将提高[7]。

1.5　实验过程

将受试者随机平均分为对照组和刺激组,均匀

分布在各时段进行实验。受试者到达实验现场后,首

先填写SSS表记录到达时主观疲劳状态。然后,采用

国际通用方法放置VEOG记录电极,以额头为地,

左侧乳突为参考。电极与皮肤接触阻抗小于5k8,

记录带宽0.10～30Hz,采样率500Hz。在左侧内关

穴放置单穴位刺激电极,通过导线与刺激器相连。试

驾5min,使受试者适应模拟器操作,同时测量受试

者接受经皮电刺激的感觉阈值、不影响驾驶的安全

驾驶阈值、疼痛阈值。准备时间约为10min,结束后

受试者第2次填写SSS表记录实验前主观疲劳状

态。准备工作结束后立即开始90min的正式模拟驾

驶实验。为避免尝试性驾驶行为引起的兴奋,要求受

试者在直道部分保持70km󰃗h左右的速度,禁止在

行驶中变道。实验中,给予刺激组受试者单穴位经皮

电刺激。模拟驾驶前期受试者比较清醒,采用低强度

电刺激;后期疲劳程度逐渐加深,刺激电流也应逐8571清华大学学报(自然科学版)2009,49(11)