睡眠喪失と概日ミスアライメントは、多くの操作上の事故やインシデントに貢献します。疲労軽減を目的とした対策や作業スケジューリング設計の有効性は、運用環境での評価が難しい場合があります。この原稿は、複雑な運用環境で睡眠、概日、疲労、およびパフォーマンスデータを収集するためのアプローチをまとめたものです。
睡眠喪失と概日ミスアライメントは、運用上の事故やインシデントの有意な割合に寄与します。疲労軽減を目的とした対策や作業スケジューリング設計は、通常、制御された実験室環境で評価されますが、そのような戦略を運用環境に変換する有効性を評価することは困難な場合があります。この原稿は、複雑な運用環境で睡眠、概日、疲労、およびパフォーマンスデータを収集するためのアプローチをまとめた。34日間にわたり44人の航空会社のパイロットを対象に、5日間の午前中のフライト、4つの早期フライト、4つの高い作業負荷の高い昼間のフライト、真夜中以降に着陸した4つの遅延フライトを含む、固定されたスケジュールを飛行しながら調査しました。各作業ブロックは、3-4日間の休息によって分離された。睡眠を評価するために、参加者は手首を着用した研究検証済みの活動モニターを継続的に着用し、毎日の睡眠日記を完成させた。概日相を評価するために、パイロットは、概日リズムのバイオマーカーである6-スルファトキシメラトニン(aMT6s)の評価のために、各デュートブロックの後の24時間の間に4または8時間のビンで生成されたすべての尿を収集するように求められました。主観的な疲労と客観的なパフォーマンスを評価するために、参加者は、各フライト中および飛行中、およびウェイクタイム、昼間、およびウェイクタイムでSamn-Perelli疲労スケールと精神運動警戒タスク(PVT)を完了するために使用されるタッチスクリーンデバイスを提供されました。就寝。これらの方法を用いて、睡眠時間がベースラインに対して早期開始および遅い終了の間に減少したことがわかった。概日相は任務スケジュールに応じてシフトしたが、aMT6sのピークは各スケジュールで個人間で広い範囲であった。PVT のパフォーマンスは、ベースラインに対する初期、高ワークロード、および遅延スケジュールで悪化しました。全体的に、これらの方法の組み合わせは、複雑な運用環境における疲労とパフォーマンスに対する睡眠喪失および概日相の影響を評価するために実用的かつ効果的であった。
睡眠不足と概日不整列に起因する疲労は、24時間の操作、不規則なスケジュール、および長時間労働を必要とする職業の安全性に対する深刻な脅威です。実験室の研究は、睡眠時間とタイミングの変化が、その後の覚醒とパフォーマンス3、4、5にどのように影響するかを特徴付けるのに役立ちました。これらの研究は、運用環境における疲労リスク管理の推奨事項と作業スケジューリングプラクティスの基礎を形成します 6.
この原稿では、航空運用のフィールドスタディを使用して、複雑な運用設定7で睡眠、概日、疲労、およびパフォーマンスデータを収集するためのアプローチを実証します。34日間にわたり44人の航空会社のパイロットを調査し、午前中のフライト、早期フライト、高い作業負荷の高い昼間のフライト、真夜中以降に着陸した遅延便を含むスケジュールを飛行しました。各作業ブロックは、3-4日間の休息によって分離された。パイロットは、飛行義務と休息日の両方を含む研究期間全体にわたって客観的かつ主観的なデータを収集しました。
実験室環境と実世界環境の違いを考えると、研究室で開発された戦略や対策の実施は、必ずしも期待どおりに運用に変換されるとは限りません。個人差、幅広い業務スケジュール、不規則で予測不可能な業務、組織の慣行と文化、労働協定は、科学の実用化を複雑にする要因の一部です。運用上の使用。その結果、睡眠、概日リズム、疲労または覚醒、およびパフォーマンスを評価するために一貫性のある信頼性の高い方法を使用して、このような介入の影響を評価することが重要です。監視とデータ収集のレベルは、予想される疲労レベルと、操作8内の安全性に関連するリスクに比例して維持する必要があります。さらに、安全に敏感な環境では、安全な操作を維持することは調査プロトコルにとって最も重要です。
睡眠時間と品質を評価するためのゴールドスタンダード方法は、頭皮、顔に置かれた電極とセンサーのコレクションを通じて脳活動、心拍数、眼球運動、筋肉活動を測定することを含むポリソムノグラフィー(PSG)を通じて、そして胸。堅牢ですが、PSG はほとんどの運用環境で睡眠情報を収集する実用的ではありません。多くのウェアラブルデバイスは、睡眠のタイミング、持続時間、および品質を推定するために開発されていますが、9、10の検証が行われているものはほとんどありません。手首を着用したアクティグラフィーと毎日の睡眠日記の組み合わせは、幅広い職業11、12、13、14の分野研究で睡眠を推定するために使用され、検証されていますPSGに対して、睡眠時間15の一致を示す。さらに、フィールドスタディにアクティグラフィーと睡眠日記を使用すると、ほとんどのアクティグラフィーデバイスは非支配的な手首に着用され、腕時計のようにシャワーや水泳のためにのみ取り外されるため、研究参加者の労力は低くなります。同様に、電話やタッチスクリーンデバイスに表示される適切に設計された睡眠日記は、通常、2分未満で参加者によって完了することができます。
睡眠覚醒サイクルは視床下部16の上皮核に位置する概日ペースメーカーによって調整される。このペースメーカーはまた、体温やホルモンのリズム(例えば、メラトニンやコルチゾール)などの生物学的機能の多くの他の側面を同期させます。内因性概日リズムは24時間に近いが、正確には24時間ではない。したがって、24 時間の日に安定した同期 (つまり、エントレインメント) を可能にするために、毎日リセットする必要があります。概日ペースメーカーの主なリセット剤は軽いです。非標準スケジュールと 24 時間の操作を必要とする運用環境では、概日上のミスアライメントが発生する可能性があり、その中で、眠る概日ドライブはスケジュールされた作業11と一致します。概日ペースメーカーが睡眠と覚醒を促進している時期は、概日リズムによって制御される生体信号のピークタイミング(概日相)を測定することによって決定することができる。
このような技術が課せられた作業スケジュールに概念ペースメーカーを合わせるために成功しているかどうかをよりよく理解するためには、対策の実施後の概日相を測定することが重要です。実験室の設定の位相を決定するために使用される概日系の出力の多くはマスキングを起こしやすく、フィールド環境での使用には適していません。例えば、体温の概日変化は、体温を変化させる運動などの活動に従事する自由な生活者では検出が困難である。メラトニンは光暴露によって急激に抑制され、血液中のメラトニンや唾液の採取は、光を制御できない状況では不可能になります。しかし、メラトニンの主要代謝産物である6-スルファトキシメラトニン(aMT6s)は尿中に排泄され、光のマスキング効果の影響を受けにくく、運用環境における概日相を測定するための理想的な候補である17、 18.
生理学の変化を測定するだけでなく、主観的な疲労や覚醒に対する作業スケジュールの変化の影響を測定することも重要です。覚醒と疲労の異なる側面を測定するために利用可能ないくつかのスケールがありますが、航空で最も一般的に使用される7点サムンペレリ疲労スケール(SP)19と9ポイントカロリンスカ眠気スケール(KSS)20です。SPはまた、職業21、22、23、24の広い範囲にわたるシフト労働者のフィールドスタディで一般的に使用されています。KSSは、脳波検査(EEG)や遅い転がり目の動き20、25、ならびに性能25などの眠気の客観的な尺度に対して検証されています。このスケールは、研究室とフィールド24、26の両方の研究で一般的に使用されます。異なるシフトワークや職業環境に適した他の主観的なスケールがあるかもしれません。検証済みのスケールを選択し、理想的には「許容可能な」覚醒レベルの有意義なしきい値を持つスケールを選択することが重要です。例えば、7以上のKSSスコアは、眠気および運転性能の障害の高レベルの徴候に関連しており、Samn-Perelliの評価は飛行任務28に直接関連する。この原稿に記載されている研究のために、Samn-Perelliは、もともとパイロットからなる研究集団の主観的疲労対策として開発されたので、使用されました。28歳
睡眠と概日相の測定は介入を評価する上で重要な要素ですが、フィールドスタディに関心のある主な結果は、通常客観的なパフォーマンスです。認知能力を評価するために開発された様々なテストがありますが、睡眠喪失と概日不整列の影響を測定するための最も敏感で信頼性の高いテストは、精神運動警戒タスク(PVT)です。元のPVT(PVT-192)は、個人が刺激を与えられ、可能な限り迅速にボタンを押すことによって刺激に応答するように指示される単純な反応時間テストです29。PVTは急性および慢性睡眠喪失および概日不整列4、5、30の条件の下で証明された。タスクの期間は、研究31、32の設計に基づいて変更することができます。しかし、従来の10分の持続時間は、実験室研究33、34で好ましい。5分の持続時間PVTは、通常、運用上の要求がテスト35の管理を妨げる可能性のあるフィールドスタディでより現実的です。
さらに、PVTは学習効果がほとんどなく、使い方も簡単で、テスト36中に研究参加者が観察されないフィールド環境に展開するための実用的なテストとなっています。タッチスクリーンデバイスのユビキタスは、PVTの簡単な展開を可能にしますが、PVTデータの収集にエラーを引き起こす可能性のあるタッチスクリーンデバイスの多くの側面があるので、研究者は、PVTを実装する際に注意する必要があります37 、38.たとえば、ハードウェアとソフトウェアの組み合わせによってシステムの遅延が異なり、バックグラウンドで実行されている他のアプリケーションでは、記録された反応時間に未知のエラーが発生する可能性があります。その結果、検証済みの PVT を使用して、一貫性のあるハードウェアとソフトウェア、WiFi、および他のすべてのアプリケーションをオフにして PVT データを収集することが重要です。また、運用環境でのテスト中に研究参加者を観察することは実用的ではないことを考えると、参加者が同じ指38を使用して、同じ向きでデバイスで各PVTを完了するように訓練することが重要です。 39.
データ収集のこれらの要素のそれぞれは重要であり、これらのツールは、過去40、41、42、43の他の運用研究で使用されてきました。ただし、上記の課題に加えて、参加者が独立してタスクを完了する必要がある場合、特に時間に敏感なコンポーネントが含まれている場合は、学習手順の遵守を達成することが困難な場合があります。運用環境でのデータ収集で重要な最後の要素は、個人が時間通りにタスクを完了しやすいように情報を編成することです。タッチスクリーンデバイス用のNASA PVT+アプリケーションは、作業手順を通じてそれらを導く、順番に参加者にタスクを提示するためにカスタマイズすることができます。たとえば、ここで示された研究では、航空会社のパイロットには、毎朝と夕方に睡眠日記を完成させるために使用されるアプリケーションがプリロードされたタッチスクリーンデバイスが提供されています。また、PVTテストや疲労定格を完了するためにも使用され、午前中、各フライトの最上方降下(TOD)、飛行後、および就寝前の夕方に使用されます。この情報のプレゼンテーションにより、パイロットは作業に関連する作業に最小限の不便を伴って学習手順を完了することができました。
パイロット間でデータを収集することは非常に困難です。パイロット疲労は安全な航空作戦40、44、45への脅威であるため、これらの課題にもかかわらず、この集団のデータを収集することが重要です。航空会社の運用の高強度は、乗組員のパフォーマンスの低下を助長し、疲労関連のインシデントのリスクを増加させます 46,47,48,49,50.上記の方法の組み合わせを使用して、34日間にわたり44人の短距離航空会社のパイロットの睡眠、概日リズム、疲労、パフォーマンスを測定しました。調査の間、パイロットは、5日間の午前中のフライト、4つの早期フライト、4つの高い作業負荷の高い昼間のフライト、および真夜中以降に着陸する4つの遅いフライトを含むベースラインデータ収集を含む固定スケジュールを飛びました。各作業ブロックは、3-4日間の休息によって分離された。これらの知見は、睡眠、概日リズム、疲労、パフォーマンスの尺測定を含む包括的なデータ収集が、運用環境でどのように使用できるかを示しています。
この場合、研究の目的は、睡眠、概日リズム、疲労、およびパフォーマンスをデューティ開始時間によって以下のように評価することにした。1)ベースライン:最初のデューティブロックの間、すべてのパイロットは、適切な夜間睡眠エピソードを可能にするために、午前中に始まり、それぞれ約2時間の2つのフライトを含む5日間働きました。このブロックの後に4日間の休息日が続いた。2)早期開始:早期勤務ブロックの間、すべてのパイロットは、それぞれ約5:00 AMと8:00 AMの間に始まる約2時間の2つのフライトを含む5日間働きました。このブロックの後に3日間の休息日が続いた。3)高いワークロードシフトは、昼間のデューティブロックの間、すべてのパイロットが5日間働き、それぞれ約2〜6時間の2〜4便を含み、ほぼ昼頃から始まりました。このブロックの後に3日間の休息日が続いた。4)遅い終わり:遅いデューティブロックの間に、すべてのパイロットは、午後4:00頃に始まり、真夜中頃に終わる、約3時間の2つのフライトを含む5日間働きました。このブロックの後に3日間の休息日が続いた。
この原稿に記載されている方法は、睡眠パターン、概日相、疲労評価、および早期開始、高いワークロードの昼間のフライト、および遅い終わりを含む昼間のフライト中のパイロットのパフォーマンスに関する洞察を提供します。これらの方法の組み合わせは、これらの要因はすべて、作業開始時間とワークロードのわずかな変化の影響を受けることがわかります。体系的な研究スケジュールを評価し、これらの対策を使いやすいタッチスクリーンアプリケーションに統合することで、困難な環境で大量のデータを収集しました。この方法の組み合わせを使用すると、従来の昼間の勤務シフト時の覚醒とパフォーマンスの変化をより明確に解釈できます。
客観的な睡眠、概日、疲労、およびパフォーマンスデータを測定する方法の設計と実装は、時差ぼけがない日中の飛行中に作業開始時間がパイロットに与える影響を判断する上で重要でした。このプロトコルは、条件間の体系的な比較を可能にすると同時に、参加者の不便を最小限に抑え、運用上関連するタイムポイントでのデータ収集を最大化するように設計されています。これらは、運用環境で意味のあるデータを収集するための重要な手順です。この対策は、研究室とフィールドスタディの両方で検証されており、結果を解釈するために重要です。この研究は、参加者が独立して学習手順を完了できるように設計されましたが、事前学習説明会は、ボランティアが学習手順を理解し、完了時に一貫性を維持することの重要性を確実に理解するために重要でした。特にPVTのテストと質問を研究します。
睡眠時間とタイミングが仕事の開始時間に応じて変化するという知見は、PSGを使用して睡眠タイミング59、60を評価した個人の小さなサンプルにおける以前の研究と一致している。早期開始と遅い終了は、睡眠のタイミングを侵害することが予想される場合がありますが、運用環境で収集されたデータの大規模なサンプルは、参加者が睡眠を失う予期しない方法に関する洞察を提供します。例えば、覚醒する最強のドライブを表すウェイクメンテナンスゾーンは、習慣的な就寝時間の直前に発生します。実験室の研究では、参加者は覚醒維持ゾーン61、62、63の間に睡眠困難を持つことが示されている。参加者は早起けに備えるために、通常より数時間早く寝ようとすることが期待された。また、覚醒維持ゾーン中に睡眠を開始しようとした結果、参加者は早期開始前の睡眠中に長い睡眠遅延を示す可能性があることも期待された。しかし、これはそうではありませんでした。これらのデータは、実験室と現場の重要な違いを浮き彫りにし、運用環境で睡眠データを収集する必要性を示しています。
概日相情報は個人のサブセットで得られたが、各スケジュールタイプで観察された概日相変化は、睡眠タイミングで観察された変化を反映した。このプロトコルに概日相を追加することで、疲労評価とパフォーマンスが作業開始時刻によって変化した理由を理解する機能が強化されました。覚醒とパフォーマンスは概日リズムに従い、最も低い覚醒と最も低いパフォーマンスは、通常、aMT6sアクロフェイズのタイミングと一致します。ほとんどの参加者の概日リズムは、課せられた作業スケジュールに対して期待される方向にシフトすることが判明したが、このシフトは個人間で変動することがわかった。これは、一部の個人が早期または遅いスケジュールに適応するのがより困難で、控えめな概日不整列を引き起こす可能性があることを示唆しています。これらの方法の組み合わせは、これらの結論の解釈を強化しました。
また、収集された睡眠データは、疲労評価とパフォーマンスが異なる作業スケジュールに対して変化した理由をより深く理解することができました。例えば、初期の開始と遅い終了の間に、サム・ペレリの評価とPVTのパフォーマンスは、これらのスケジュールのそれぞれに日ごとに悪いことがわかりました。これは、パイロットがベースラインに対して初期の開始時と遅い終了時に睡眠を得る時間が少ないため、これらのスケジュールで毎日睡眠負債を発生させていたので、理にかなっています。対照的に、PVTのパフォーマンスは、高いワークロードの昼間の開始スケジュールの間も日中に悪かった。昼間のスケジュールでは、パイロットが得た睡眠時間は、ベースラインデータ収集中の睡眠時間と変わらなかった。その結果、この知見は、昼間の作業スケジュールで観察されたパフォーマンスの低下が急性睡眠制限によって駆動される可能性が低いことを示唆している。睡眠データなしで疲労度とパフォーマンスデータを解釈することは非常に困難であり、これらの方法の組み合わせは重要です。
これらのメソッドは正常に設計および実装されましたが、この方法にはいくつかの課題が伴う場合があります。たとえば、参加者が一部の手順を完了するタイミングや方法を忘れる可能性があります。特に尿採取の第1段階では、プロトコルに従ってタスクを完了していることを確認するために、定期的にボランティアと連絡を取るのに役立ちます。さらに、個人が研究デバイスを紛失したり損傷したりする可能性があるため、研究期間が長くなるにつれてデータ損失のリスクが高まります。この調査の場合と同様に、数週間の研究が予定されている場合は、潜在的なデータ損失を減らし、プロトコルのコンプライアンスを確認するために、研究の中間点でデータをダウンロードすることが望ましい場合があります。データが不十分であったり欠落したりすると、結果の解釈が低下する可能性があるため、個人がデータを適切に収集できるように注意が必要です。
これらのメソッドには、他の操作設定で多くのアプリケーションが考えられます。これらの方法は、宇宙飛行や軍事作戦中など、異常なスケジューリング慣行や環境上の考慮事項を持つ職業における睡眠、概日相、疲労、およびパフォーマンスを特徴付けるために使用できます。さらに、概日相シフトを加速する青色光の使用、戦略的なオンザジョブ昼寝、睡眠を最大化するための催眠術など、実験室環境で評価される多くの有望な介入と対策があります。覚醒を改善するためにカフェインなどの覚醒剤を使用する機会。このようなアプローチは、制御された実験室条件下で有効であることが示されるかもしれませんが、運用環境でのそのようなツールや技術の導入は、現実世界の疲労を軽減する効果を確認するために評価されなければなりません。アクティグラフィー、睡眠日記、概日位相情報、疲労評価、PVTコレクションの組み合わせは、タスクの管理を容易にする使いやすいソフトウェアアプリケーションと組み合わせることで、有効性を評価するための十分なデータを提供します。介入の。これらの方法を組み合わせると、他の複雑な運用環境に対して大きな翻訳の可能性があり、より侵略的なデータ収集の取り組みを展開することが困難になる可能性があります。
The authors have nothing to disclose.
研究参加者と航空会社のスタッフがデータ収集をサポートしてくれたことに感謝します。また、NASAエイムズ研究センターの疲労対策研究所のメンバーの皆様のご支援に感謝申し上げます。この研究は、NASAシステム全体の安全プログラムによって支援されました。
Actiwatch Spectrum Pro | Philips Respironics, Bend OR, USA | 1099351 | The number listed in the Catalog Number section is the Reference number for Actiwatch Spectrum Pro. |
iPod Touch 5Th gen | Apple Inc., Cupertino CA, USA | A1509 | The number listed in the Catalog Number section is the Model number. Newer generations of iPods can be used for data collection. |
Medline DYND30261 Zip-Style Biohazard Specimen Bags, Plastic, Latex Free, 9" Length, 6" Width, Clear | Medline Industries, Inc., Northfield IL | DYND30261 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Medline DYND80024 24 hours Urine Collection Bottle, 3000 mL | Medline Industries, Inc., Northfield IL | DYND80024 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Moveland 3ml Disposable Plastic Transfer Pipettes | Moveland | ||
Nordic Ice NOR1038 No-Sweat Reusable Long-Lasting Gel Pack, 16 oz. (Pack of 3) | Nordic Cold Chain Solutions | 0858687005050 | |
Office Depot Brand Print-Or-Write Color Permanent Inkjet/Laser File Folder Labels, OD98817, 5/8" x 3 1/2", Dark Blue | Office Depot, Inc.Boca Raton FL, USA | 660-426 | |
Philips Actiware 6.0.9 | Respironics, Inc., Murrysville PA, USA | 1104776 | This software is used to analyze sleep recorded through Actiwatch Spectrum Pro |
Push cap, neutral for 7 mL tubes | Sarstedt, Numbrecht, Germany | 65.793 | |
SAS software 9.4 | SAS Institute, Cary, NC | https://www.sas.com/en_us/software/visual-statistics.html | This software is used to analyze the data. Any statistical software (e.g., SPSS, R) can be used. |
Shipping material | FedEx, USPS, UPS | Any company can be used. | |
Specimen Collector Urine/Stool White 26 oz. | McKesson Corporation, San Francisco CA | 16-9522 | The number listed in the catalog Number section is the Part number |
Tube 7 mL, 50x16mm, PS | Sarstedt, Numbrecht, Germany | 58.485 |