Complex Assessment of Pilot Fatigue in Terms of Physiological Parameters

Abstract

Únava pilotů je jedním z hlavních důvodů leteckých nehod, ke kterým došlo v důsledku pochybení lidského činitele. Z tohoto důvodu je v zájmu zachování nejvyšších standardů letové bezpečnosti ve všech fázích letu zásadní být schopen zabránit vzniku únavy nebo alespoň být schopen ji účinně detekovat a následně na tuto skutečnost upozornit posádku, aby byla schopna unaveného člena posádky odstavit. V současnosti existují studie zabývající se detekcí a sledováním únavy pilotů prostřednictvím fyziologických parametrů, jako je srdeční aktivita, pohyby očí, aktivita horních končetin apod. Ze všech dostupných fyziologických měření se pak analýza variability srdečního rytmu (HRV) jeví jako nejvhodnější metoda zkoumání únavy pilota. Ačkoli se k hodnocení únavy používá mnoho parametrů vycházejících z analýzy variability srdečního rytmu, v literatuře neexistuje shoda o tom, které z těchto parametrů variability srdeční frekvence jsou nejdůležitější pro použití při detekci únavy piloty. Na základě tohoto nedostatku informací v kontextu současného stavu poznání je cílem této práce zjistit nejvýznamnější parametry analýzy variability srdečního rytmu, které lze přímo použít při monitorování únavy pilota. Pro účely zisku dat byly provedeny 24hodinové experimenty, při nichž byla sbírána data o srdeční aktivitě 16 subjektů na Ústavu letecké dopravy, Fakulty dopravní, Českého vysokého učení technického v Praze. Údaje o srdeční aktivitě subjektu byly zaznamenány ve formě elektrokardiogramu (EKG), zatímco plnily letové úkoly. První část této práce přináší teoretické základy únavy v prostředí kokpitu a vysvětluje několik metod, které se používají pro analýzu variability srdeční frekvence zaznamenaných signálů EKG. Následující části obsahují metody statistické analýzy používané k zjištění parametrů s nejvyšší importancí. Výsledky naznačují, že parametr pVLF analýzy ve frekvenční a časově-frekvenční doméně a parametr nHF analýzy HRV ve frekvenční doméně jsou parametry s nejvyšší importancí v případě indikace únavy člena letové posádky. Klíčová slova: Únava pilota, fyziologické parametry, srdeční aktivita, variabilita srdečního rytmuPilot fatigue is one of the main reasons of aircraft accidents that were caused due to the human error factors in flight crew. Therefore, in order to maintain the highest standards of flight safety throughout all flight phases, it is crucially important to be able to prevent occurrence of fatigue or at least to be able to efficiently detect it, afterwards alert the crew to eliminate the fatigued member from flying. At present, there are many studies focusing on detection and monitoring of pilot fatigue by tracking pilot’s physiological parameters such as: cardiac activity, eye movements, upper-limb activities etc. Among all those physiological measurements available, heart rate variability analysis seems to be the most accurate method to examine pilot fatigue. Although many indices of heart rate variability analysis are used to evaluate fatigue, there is no consensus in the literature on which of those heart rate variability indices are the most important ones to utilize on determination of pilot fatigue. Based on this lack of information on the current state of the art, the purpose of this thesis is to ascertain the most significant parameters of heart rate variability analysis that can be directly used in determining pilot fatigue. For obtaining data, a 24-hours of cardiac activity measurements were conducted on 16 subjects on a flight simulator located at the Department of Air Transport, Faculty of Transportation Sciences, Czech Technical University in Prague. The subject’s cardiac activity data were recorded in form of electrocardiogram (ECG) while they performed flying tasks. The first part of this thesis delivers a theoretical background on fatigue in the cockpit environment and explains several methods that are used for heart rate variability analysis of the recorded ECG signals. The following parts provide the statistical analysis methods used to find out the most important parameters. The results indicate that pVLF index of the frequency domain and time-frequency domain analysis and nHF parameter of frequency-domain analysis of HRV corresponds to the most important indices which indicate fatigued condition of a flight crew member. Keywords: Pilot fatigue, physiological parameters, cardiac activity, heart rate variabilit