通过fNIRS近红外光谱技术识别儿童急救人员认知负荷的研究


01背景介绍

 

儿童院外心脏骤停十分罕见,且预后效果往往不如成人。POHCA 复苏面临独特的挑战,包括基于年龄和体型的对药物、设备和治疗算法的考量。最近研究表明 POHCA 复苏是与照护者相关的高风险患者安全事件。一些研究学者假设在护理方向上的错误和高认知负荷之间存在联系。可使用功能性近红外光谱(fNIRS)进行生理监测,以确定模拟儿科院外心脏骤停(POHCA)复苏期间与高认知负荷相关的特定活动。

 

认知负荷理论认为,人类可用的工作记忆量有限,当任务的需求取代这种可用性时,性能可能会下降。传统上,认知负荷是用主观和总结的仪器来测量的,例如NASA-TLX。研究人员还试图使用瞳孔测量、皮肤电反应、功能磁共振成像和脑电等技术来测量认知负荷的生理标志物,其中用到间接测量认知活动或使用限制活动能力的设备相关技术。

 

 

fNIRS是一种直接测量认知活动的工具,可用于自然环境。fNIRS利用近红外光来确定氧合(HbO)和脱氧血红蛋白(HbR)的浓度,这反映了目标组织的整体代谢活性。在评估认知负荷时,fNIRS设备应用于前额叶(PFC),这是执行涉及工作记忆的任务时使用的大脑区域。fNIRS与磁共振成像仪(fMRI)相似,都可以直接测量认知活动,但fNIRS具有低成本、轻便、便携和抗运动干扰等优势,使其在包括临床护理在内的动态环境中使用更具有吸引力。

 

02实验方法
 

研究员从消防部门招募了急救人员自愿参加POHCA模拟,每个小组有由急救人员和护理人员组成。团队自行选择一名成员作为负责人(PIC),选择的唯一标准必须是护理人员,该负责人将在模拟期间配备fNIRS设备,此次模拟在当地消防部门培训中心进行。

 

在培训完成后,团队接到电话,一名6岁男孩过去一周在外面玩耍时发生了两次昏厥症状,此刻父母发现他在家里中昏倒,于是拨打了911并开始心肺复苏。团队到达后,发现正在进行无效的按压心肺复苏术(CPR)。患者处于室性心动过速状态,小组成员将使用儿科高级生命支持算法提供治疗,包括高质量的CPR、1分钟的节律检查、除颤、基本或先进的气道技术、血管通路(IV或IO),以及在有需要时给予适当剂量的药物。按照上述方案进行,在第三次除颤后男孩恢复了了持续的心跳和呼吸活动(ROSC)。所有的模拟都在大约10分钟内结束。

 

此次模拟使用功能性近红外光谱(OctaMon)记录光学测量结果。OctaMon是一种无线头戴式设备,带有嵌入式光极,可以无创检测PFC的HbO和HbR浓度的变化。浓度变化检测可以通过神经血管耦合与认知负荷有关,神经血管耦合表明,随着神经负荷的增加,脑血量也会增加,从而导致HbO增加和BbR降低。

 

03数据分析与讨论
 

首先使用信号质量指数(SQI)从分析中排除低质量信号。在筛选信号质量后,应用小波和递归最小二乘(RLS)滤波器来消除与心率和血压波动相关的运动和生理噪声引起的伪迹。

 

清理后信号通过功能事件自动识别(AIDE)算法传递,该算法通过将信号与功能活动模型进行比较来识别认知事件。Benjamini-Hochburg程序用于校正信号峰值中的错误发现率,假设检测到的峰值中有5%是错误发现,并设置p值阈值以排除它们。考虑到所探索的空间,这种方法不太保守,但很有用。AIDE算法的输出提供了认知需求出现峰值发生的时间点(图1)。

 

两名审查员独立的审查了模拟的视频记录,并对在每个时间点执行的临床行为进行了编码。复苏的标准步骤用于编码PIC执行的活动。任何差异均通过协商一致解决,并由临床专家进行验证(图1).

 

 

图1:AIDE算法的输出提供了认知需求出现峰值发生的时间点。

 

在类似的临床任务中,PIC的认知负荷似乎有所升高:15例(83%)PIC在给药期间发生认知事件,14例(78%)在除颤期间发生认知事件,13例(73%)在节律检查时有认知事件(图2)。药物管理包括查找、计算和给药。编码为除颤的事件指的是PIC清除患者的团队成员进行电击的时刻。最后,当PIC暂停团队活动以分析患者的节律、脉搏的存在,并确定下一个行动过程时,对节律进行编码。

 

 

图2:在模拟复苏过程中,在执行特定任务时经历认知负荷的PICs的比例。

 

在POHCA模拟过程中,急救人员通常会增加与用药、除颤和节律分析相关的任务表现的认知负荷。这项探索性研究的结果可能指导未来探索儿科复苏过程中的认知负荷,并开发新的干预措施来改善急救护理。

 

参考文献

[1].Identifying high cognitive load activities during simulated pediatric cardiac arrest using functional near-infrared spectroscopy. Resusc Plus. 2023 Jun 8;14:100409.doi:10.1016/j.resplu.2023.100409.

 

 

 

 

关键词:

维拓启创,近红外光谱成像,fNIRS,便携式功能近红外,认知负荷,OctaMon

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