Väittelijä kehitti silmänliikkeisiin perustuvan hereilläoloaikaa mittaavan menetelmän kenttäolosuhteita varten

Silmänliikkeitä voidaan käyttää niin tarkkaavaisuuden kuin univajeen ja väsymyksen tutkimiseen.

Väsymys on yksi suurimmista tunnetuista mutta estettävissä olevista onnettomuuksien syistä. Tiedetään, että se aiheuttaa esimerkiksi 10 – 20 prosenttia liikenneonnettomuuksista. Mittalaitetta, jolla voisi kenttäolosuhteissa mitata luotettavasti, objektiivisesti ja käytännöllisesti kuljettajan hereilläolon kokonaisaikaa, ei kuitenkaan vielä ole saatavilla.

Tutkija Kati Pettersson on väitöskirjatyöhönsä liittyen nyt kehittänyt silmänliikkeisiin perustuvan menetelmän, jonka avulla voidaan mitata hereilläoloaikaa laboratorion ulkopuolella, siis vaikkapa liikenteessä.

Algoritmeja silmänliikkeiden tunnistamiseksi

Väitöskirja koostuu kahdesta osasta. Siinä on kehitetty algoritmeja silmänliikkeiden tunnistamiseksi luotettavasti kenttäolosuhteissa silmänliikesignaalista ja luotu silmänliikepohjainen menetelmä hereilläoloajan arvioimiseen.

– Univajeessa ihmisen kognitiiviset toiminnot heikkenevät, erityisesti tarkkaavuus ja silmänliikkeiden avulla tapahtuva ympäristön havainnointi. Näitä toimintoja säätelevät osittain samat otsalohkojen hermoverkot aivoissa. Tästä syystä näitä niin sanottuja sakkadisia silmänliikkeitä voidaan käyttää sekä tarkkaavuuden että univajeen ja väsymyksen tutkimiseen, tohtoriksi väittelevä Pettersson sanoo.

Univaje on kuin humalatila

Pitkittynyt hereilläoloaika lisää unipainetta ja siten väsymystä. Kasvava unen tarve aiheuttaa kontrolloimattomia torkahduksia, jotka heikentävät merkittävästi ihmisen tarkkaavuutta ja siten kognitiivisia toimintoja. Univajeen aiheuttama epävakaa tila onkin verrattavissa humalatilaan.

Sakkaditesti tehtiin yhdelletoista terveelle ihmiselle 60 tunnin valvomisen aikana

Väitöskirjatutkimuksessa silmänliikkeitä, sakkadeita, mitattiin yhdeltätoista terveeltä aikuiselta elektro-okulografalla (EOG) 8 minuuttia kestävän sakkaditestin aikana, aina 6 tunnin välein 60 tunnin yhtäjaksoisen univajeen aikana.

Tehtävässä suoriutumista arvioitiin sen aikana suoritettujen sakkadien lukumäärällä, mikä laski hereilläoloajan funktiona kaikilla tutkittavilla. Tuloksissa huomattiin, että suoriutuminen vaihteli henkilöiden välillä. Viiden henkilön kohdalla tutkittiin testin toistettavuutta, näiden tutkittavien kohdalla testi oli toistettava.

Mittauksesta saadaan siis samalaisia tuloksia, kun mittaus toistetaan samalla koehenkilöllä uudestaan.

Sisäisen kellon vaikutus

– Väsymys näyttäisi vaikuttavan aina samalla tavalla henkilön suoriutumiseen silmänliiketehtävässä. Yksilöllisistä eroista johtuen mittaus vaatii henkilökohtaisen kalibroinnin, mutta koska mittaus on toistettava, mittaria voitaisiin käyttää henkilön hereilläoloajan arvioimiseen kalibroinnin jälkeen, Kati Pettersson sanoo.

Myös vuorokaudenaika vaikutti tehtävässä suoriutumiseen. Tästä syystä ihmisen sisäisten elintoimintojen vuorokausivaihteluun liittyvä niin sanottu sirkadiaaninen rytmi poistettiin vireystilaa mallintavan niin sanotun TPMA- eli Three-process model of alertness -mallin avulla.

Sirkadiaanisen rytmin poistamisen jälkeen sakkadien lukumäärä laski lineaarisesti kuudella tutkittavalla yhdestätoista. 

Vielä on osattava ottaa huomioon yksilölliset erot

Väitöskirjassa esitettyjen tulosten perusteella EOG-menetelmällä mitattujen silmänliikkeiden avulla voidaan arvioida hereilläoloajan kokonaiskestoa kenttäolosuhteissa. Tällä hetkellä mittaus vaatii henkilökohtaisen kalibrointimittauksen ennen varsinaista testimittausta.

– Lisää tutkimustyötä tarvitaan henkilöiden yksilöllisten erojen tutkimiseen ja mittausasetelman optimointiin kenttäolosuhteisiin laajemmin sopivaksi, Kati Pettersson sanoo.

Väitöskirja ja tilaisuus:

FL Kati Pettersson väittelee aiheesta "Saccadic eye movements estimate prolonged time awake" keskiviikkona 12.9.2018 kello 12. Professori Hans Van Dongen toimii vastaväittäjänä. Väitöstilaisuus järjestetään osoitteessa Unioninkatu 34 - Päärakennus, Auditorium XII (3032).

Pettersson on tehnyt väitöskirjansa Työterveyslaitoksella. Työn ohjaajina ovat toimineet dosentti Kiti Müller (Nokia Bell Labs, Espoo & Neurotieteiden osasto, lääketieteellinen tiedekunta, Helsingin yliopisto) ja materiaalifysiikan professori Edward Hæggström Helsingin yliopistosta.

Elektroninen väitöskirja on luettavissa tästä: https://helda.helsinki.fi/handle/10138/239934

Yhteystiedot:
Tutkija Kati Pettersson, +358 40 533 7881, kati.pettersson@ttl.fi

Lue lisää aiheesta: Luonnontieteet