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Belastungs-Beanspruchungs-Konzept und PsychophysiologieKonzept und Psychophysiologie

VL MMS Wintersemester 2013/14Professur für Prozessleittechnik

L. Urbas; J. Ziegler

Ziele und Inhalt

• Definitionen und Konzepte

– Belastungs-Beanspruchungs-Konzept der Ergonomie

– Psychophysiologie

TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 2

– Psychophysiologie

• Psychophysiologische Parameter und Messmethoden

– Pupillometrie, EEG, GSC, fMRT, fNIRS

• Anwendung psychophysiologischer Konzepte und Methoden in der Ergonomie

– Anforderungen an die Experimentgestaltung

DEFINITIONEN UND KONZEPTE

[nach DIN EN ISO 26800, 2011, S.14 und EN ISO 10075-1, S. 6]

Belastungs-Beanspruchungs-Konzept

Belastung

Beanspruchung

Um

welt

Urs

ache

TU Dresden Folie 4MMST (c) Ziegler 2013

Beanspruchung

Kurzfristige Auswirkungen

Beeinträchtigung Verbesserung

Langfristige Auswirkungen

Beeinträchtigung Verbesserung

Indiv

iduum

Wirkungs-modifikatoren

Rückm

eld

ung

Wir

kung

[nach Ribback,2003, S.18]

Arten der Beanspruchung

Gesamtbeanspruchung

TU Dresden Folie 5MMST (c) Ziegler 2013

PhysischeBeanspruchung

Mentale/Kognitive Beanspruchung

EmotionaleBeanspruchung

PsychischeBeanspruchung

Psychophysiologie

= „befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen menschlichem Verhalten und physiologischen Prozessen“ [Schandry, 1998]

• Frage nach physiologischen Begleiterscheinungen menschlichen


• Frage nach physiologischen Begleiterscheinungen menschlichen Verhaltens

– Auftretensbedingungen

– Differentielle Ausgeprägtheit

– Innerorganismische Wirkungszusammenhänge

– Biologische Bedeutsamkeit

• Methodischer Ansatz:

– Variation des Verhaltens (UV) mit psychologischen Mitteln (Instruktion, sensorische Reize, situative Parameter

– Beobachtung der physiologischen Reaktionen (AV)

Ingenieurs-Psychophysiologie

Engineering Psychophysiology [Backs & Boucsein, 2000]

= „Forschungsdisziplin, die psychophysiologische Methoden auf klassische Probleme in der Disziplin der Ingenieurpsychologie anwendet“

Weiterführende Veranstaltungen: Prof. Ingenieurspsychologie und angewandte Kognitionsforschung


Probleme in der Disziplin der Ingenieurpsychologie anwendet“

• Untersucht spezifische Auswirkungen der Arbeitsbelastung und der Arbeits-umgebung auf Zustand, Effizienz und Wohlbefinden der Mitarbeiter

Psychophysiological methodology [Backs & Boucsein, 2000]

= Sammlung von „Messtechniken, die der nicht-invasive Beurteilung der physiologischen Funktion bzw. Arbeitsweise dienen“

• Beschreibt geeignete Messtechniken und deren Kombinationen

• Kombiniert physiologische, subjektive und verhaltensorientierte Maße

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_psychologie/i3/applied-cognition/lehre

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Konzepte der Psychophysiologie

Aktivierung

= „ein innerer Zustand mit unterschiedlich hoher psychischer und körperlicher Funktionstüchtigkeit“ [DIN 10075-1]

Weiterführende Veranstaltungen: Prof. Differentielle und Persönlichkeitspsychologie


körperlicher Funktionstüchtigkeit“ [DIN 10075-1]

= „Optimierung der psychophysiologischen Basis für adäquates Reagieren auf externe oder interne Anforderungen“ [Schandry, 1998, S.50]

• „Freisetzung von Energie in die [...] physiologischen Systeme als Vorbereitung auf eine Aktivität“ [ebenda]

– einer Reihe von psychophysiologischen Anregungsprozessen, die durch eine äußere Stimulation (Erregung) ausgelöst und gesteuert werden

– Nach Wegfall der Stimulation Rückkehr zu einem Ruheniveau

Aktiviertheit = aktueller innerer Zustand

http://tu-dresden.de/die_tu_dresden/fakultaeten/fakultaet_mathematik_und_naturwissenschaften/fachrichtung_psychologie/i2/differentielle/Information Lehre/VL_PP_2013_14/persoenlichkeit I

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Stress-Konzept

Stress [nach Schandry, 1998]

= individuelle, unspezifische psychische und physiologische Reaktion auf Stressoren, die zu einer kurzzeitigen oder anhaltenden


auf Stressoren, die zu einer kurzzeitigen oder anhaltenden Beeinträchtigung der psychischen Befindlichkeit und/oder physischer Funktionen führen

• Reaktion auf (anhaltende) Anforderungssituationen,

– an die eine Adaption schwer oder unmöglich ist

– deren psychisches und physiologisches Geschehen negative Erlebnisqualität haben

– die potenziell irreversibel und damit häufig schädigend

Wirken von Stressoren

Stress-Konzept

Stressor [nach Schandry, 1998]

= Reize oder Situationen mit negativer Erlebnisqualität, an die eine Adaption erschwert oder unmöglich ist und die damit den Auslöser


Adaption erschwert oder unmöglich ist und die damit den Auslöser einer Stressreaktion darstellen

• Klassen von Stressoren: [Jahnke, 1974; nach Schandry, 1998, S.75]

– Äußere Stressoren

– Behinderung bei der Befriedigung von Primärbedürfnissen

– Leistungsstressoren

– Soziale Stressoren

– Konflikte


Orientierungsfunktion

= phasisch ablaufende Reaktion, dessen Intensität bei wiederholter Reizdarbietung kontinuierlich abnimmt


wiederholter Reizdarbietung kontinuierlich abnimmt (Habituation)

– Auslöser: Veränderungen im Reizfeld

• Intensität steigt wieder bei Diskrepanz zw. gespeichertem Reizmodell und auftretendem Reiz (Dishabituation)

– vergrößerte Reaktion auf Standardreiz nach Auftreten eines Fremdreizes


Reaktionsspezifität

= Reaktionen verschiedener Regelsysteme bilden tendenziell stabile Reaktionsmuster aus [Schandry, 1998]


Reaktionsmuster aus [Schandry, 1998]

• Stimulusspezifische Reaktion:

– Reiz/Reizklasse löst über Individuen hinweg gleichartige oder ähnliche Reaktionsmuster aus

• Individualspezifische Reaktion:

– Individuum zeigt über Reize/Reizklassen hinweg typische Reaktionsmuster

• Motivationsspezifische Reaktion:

– Individuum zeigt für bestimmte äußere Begebenheiten bei stabiler Situationsbewertung und Motivationslage typische Reaktionsmuster


Autonome Balance

= „ein Zustand, in dem sich die antagonistischen Teil-systemeSympathikus und Parasympathikus in einem Gleichgewicht


Sympathikus und Parasympathikus in einem Gleichgewicht zueinander befinden“ [Schandry, 1998]

Ruheniveau

• Autonome Dysbalance kann bei längerem Andauern zu gesundheitlichen Schäden führen

• Autonome Dysbalance ist auch eine Determinante für Emotionen [Gellhorn, 1970]


Interozeption [Schandry, 1998]

= Wahrnehmung von Zuständen und Prozessen im Körperinneren


Tiefensensibilität [Schandry, 1998]

= Wahrnehmung von Prozessen in Skelettmuskulatur und Gelenken

können genutzt werden für die subjektive Selbstbeurteilung des aktuellen physiologischen Zustands

• Problem: inter- und intraindividuelle Unterschiede in der Intensität der Wahrnehmung

– interindividuelle Unterschiede im Wahrnehmungsvermögen

– Abhängigkeit von der Aufmerksamkeitslenkung durch konkurrierende interne oder externe Reize

PSYCHOPHYSIOLOGISCHE PARAMETER UND MESSMETHODEN

Respiratorische Aktivität

• Atemfrequenz und -tiefe

Okulomotorische Aktivität

Erfassbare Regelsysteme[Vossel & Zimmer, 1998]

Elektrodermale Aktivität

• Hautleitfähigkeit, -widerstand, -potential

Kardiovaskuläre Aktivität Okulomotorische Aktivität

• Augenbewegung, Lidschlag

Pupillometrie, Elektrookulografie

Biochemie

• Metabolismus (Körpertemperatur, Chemische Atemluftanalyse)

• Endokrines System (Cortisol, Adrenalin)

• Immunsystem

Elektrische Muskelaktivität

• Aktionspotentiale von Muskeln oder Fasern

Elektromyografie, Elektroneurografie

Kardiovaskuläre Aktivität

• Herzschlagfrequenz, Blutdruck

Elektrokardiografie, Plethysmografie

Hirnelektrische Aktivität

• blood-oxygen-level-dependent contrast

• hirnelektrische Aktivität

Funktionelle Magnetresonanztomographie

Elektroenzephalografie

functional Near InfraRed Spectroscopy



Messverfahren (Galvanic Skin Conductance – GSC)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung des elektrischen Hautleitwerts

– Variiert je nach durch die Schweißdrüsen freigegebener Feuchtigkeit

[nach Vossel & Zimmer, 1998]


– Variiert je nach durch die Schweißdrüsen freigegebener Feuchtigkeit

– Korreliert mit momentanem Erregungszustand (Häufigkeit sympathischer Aktionspotenziale)

Messmethode Endo-somatisch

Exosomatisch

Spannung Keine Gleichspannung Wechselspannung

Bezeichung Haut-potenzial

Hautleit-fähigkeit

Hautwiderstand

Haut-admittanz

Haut-impedanz

AbkürzungAllgemeinTonischphasisch

SPSPLSPR

SCSCLSCR

SRSRLSRR

SYSYLSYR

SZSZLSZR


Anwendungen

• Erfassung der Reaktion auf singuläre Reize (phasisch)

• Erfassung des Aktivationsniveaus (tonisch)



• Erfassung des Aktivationsniveaus (tonisch)

– Reize erzeugen elektrodermale Reaktion (positive und negative Erregung)

– Aufmerksamkeit abhängig von Neuheit, Intensität, Bedeutung & emotionalem Gehalt

– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und Umwelteinflüssen

– Unauffällig, leicht, mobil einsetzbar

[Bildquelle: simpleusability.com]


Messverfahren (Pupillometrie und Elektrookulografie)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Augenbewegungen, Änderungen im Durchmesser der Pupille oder des Lidschlags



– gesteuert von ANS

– Extraktion von Kennwerten (Durchmesser, Fläche) und Korrelation zu mentaler Arbeitsbeanspruchung (task evoked pupillary response)

[Bildquelle: Tobii.com] [Bildquelle: http://plasmadesignlab.ch/project/messbrille/]

EOG MessbrilleOptischer Eye Tracker


Anwendungen

• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung

• Erfassung von Müdigkeit und Erschöpfung



• Erfassung von Müdigkeit und Erschöpfung

• Blickverfolgung zur Erfassung von Aufmerksamkeit

– empfindlich ggü. Bewegung, kleinen Augen und langen Wimpern

– beeinflusst von vielen internen und externen Faktoren (Lichtintensität, Augenform)

Emotion responseanalysis mit EEG und Eye Tracking

[Bildquelle: simpleusability.com]


Messverfahren (Elektrokardiografie)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern



– basiert auf dem Mechanismus der Autorhythmie (ZNS und ANS moderieren autonome Herzkontraktion)

– erlaubt Beurteilung des sympathisch-parasympathischen Gleichgewichts


Anwendungen


• Analyse von Prozessen der Aufmerksamkeitsregulation



• Analyse von Prozessen der Aufmerksamkeitsregulation

– vergleichsweise sehr gute Standardisierung

– lineare und nichtlineare Parameter im Zeit- und Frequenzbereich

– relativ einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen

EKG-Standard-Ableitepunkte(Rumpfmessung)


Messverfahren (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Änderungen der Blutsauerstoff-konzentration im Hirn (blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) contrast)

[nach Girouard et al, 2010]


– basiert auf dem Prinzip der Neurovaskulären Kopplung

– Extrapolation verschiedener Niveausder Hirnaktivität [Villringer & Chance, 1997]

– starke Korrelation zu mentaler Arbeits-beanspruchung [Cui et al, 2011]

[Bildquelle: Peck et al., 2010]

[Bildquelle: Wikipedia]


Anwendungen (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)


– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen

[nach Girouard et al, 2010]


– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen

• Adaptive Brain-Computer Interfaces

– Adaption an Arbeitsbeanspruchung und ausgeübte Tätigkeit


Messverfahren (Elektroenzephalografie – EEG)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität

– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche

[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]


– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche (Spontanaktivität)

– Frequenzen korrelieren mit Bewusstseins- und Aufmerksamkeitszuständen

[Bildquellen: l: Sharbrough, F. et al, 1991; r: brainproducts.com]

EEG-Standard-Ableitepunkte nach dem 10-20-System


Anwendungen (Elektroenzephalografie – EEG)

• Analyse tonischer Veränderungen der mentalen Beanspruchung

– Indikatoren mentaler Beanspruchung: Abnahme parietaler und okzipitaler

[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]


– Indikatoren mentaler Beanspruchung: Abnahme parietaler und okzipitaler Alpha-Aktivität, Zunahme frontaler Theta-Aktivität

– Vergleich interessierender Zeitintervalle (Ruhe und Belastungsphasen)

• Analyse kurzer, reizbezogener Zeitintervalle zur Untersuchung phasischerFrequenzänderungen

• Emotion response analysis (Erregung, Engagement, Frustration)

Hirnelektrische Aktivität[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]


[Bildquelle: www.neurologie-ulm.de/leistungen/eeg.html]


Messverfahren (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität

– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS

[nach Huettel et al., 2004]


– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS

– Veränderung der effektiven transversalen Relaxationszeit von Wasserstoff-Kernspin

– sensitiv für Konzentrationsänderung zw. oxygeniertem und desoxygeniertemHämoglobin (BOLD-Kontrast)

[Bildquelle: wikipedia]


Anwendungen (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)

• Hochgenaue räumlich-lokalisierende Untersuchungen von neurologischen Reizreaktionen

[nach Huettel et al., 2004]


– niedrige zeitl. Auflösung, sehr hohe Empfindlichkeit ggü. Bewegung

– hohe räumliche Auflösung

– besonders relevant für Neurologie und Neuropsychologie

[Bildquelle: meduniwien.ac.at]

ANWENDUNGEN IN DER ERGONOMIE

Anforderungen an die Experimentgestaltung

Allgemeine Betrachtungen

• Psychophysiologische Variablen sind selten unabhängig oder monokausal


monokausal

• Psychophysiologische Messungen sind i.d.R. indirekt in Bezug auf die psychische Arbeitsbelastung

Kombination von Messmethoden und Regelungssystemen

Einbeziehung empirisch gut belegter Effekte bzw. Reaktionsmuster


Versuchsplanung

• Prinzip der isolierenden Bedingungsvariation nicht vollständig umsetzbar


umsetzbar

Sorgfältige Auswahl weiterer Kontrolltechniken

Sorgfältige Festlegung und Kontrolle der Zielpopulation (Homogenisierung)

Versuchsdurchführung

• Wahrung der Persönlichkeitsrechte

Nichtinvasive Messung

Wahrung der Intimsphäre


Aufgabengestaltung 1/2

• Sympathische Reaktion sehr unspezifisch bis diffus (Adrenalinflut)


• Biophysiologische Reaktion mit sehr unterschiedlichen Verzögerungen

• Aktivierung erzeugt innere Reaktion in Vorbereitung auf Aufgabenerfüllung

• Habituation verringert innere Reaktion auf äußere Reize

• Emotionale und mentale Belastung nicht trennscharf in innerer Wirkung


Aufgabengestaltung 2/2

Geeignete mentale Vorbereitung der Probanden


Berücksichtigung allg. biophysiologischer Effekte bei den Probanden

Berücksichtigung von Aktivierungseffekten in der Workflow-Gestaltung

Prüfung von Konfundierungseffekten durch Kontrolltechniken (Balancing)

Relevante Zeitbereiche stark von irrelevanten abgrenzen

Messmodell (Beispiel)

Mess-methode

MaßSubcharak-

teristikCharakter-

istikKonzept

EffektivitätErfolgreich

abgeschlossene Aufgaben (%)

Kalkulation(Log-Datei)


Geb

rau

chs-

tau

glic

hke

it

Aufgaben (%)

Effizienz

Arbeitsbean-spruchung

HRV-ParameterEKG, Pupillo-

metrie

Subjektive Bewertung

(0…100)NASA-TLX

Zeitaufwand Zeit pro Aufgabe Kalkulation(Log-Datei)

Zufrieden-stellung

Subjektive Bewertung

(0…100)

BefragungSystem Usability Scale

Zusammenfassung

• Belastungs-Beanspruchungs-Konzept ist ein zentrales Konzept der Ergonomie

• Es begründet die Nutzung psychophysiologischer Methoden zur


• Es begründet die Nutzung psychophysiologischer Methoden zur Erfassung von Arbeitsbeanspruchung als Effizienzmaß im Sinne der Gebrauchstauglichkeit

– Maße sollten immer kombiniert werden und nur als Unterstützungsmaße genutzt werden

– Für mobile Dual-Task Szenarien bieten sich insb. Pupillometrie, EEG, GSC, und ggf. auch fNIRS an

• Psychophysiologische Konzepte müssen auch bei der Gestaltung von Experimenten berücksichtigt werden

– Vor- und nachgelagerte Effekte, Habituation, unspezifische Reaktion bei starker Aktivierung

Literatur

• Ribback, S. (2003) Psychophysiologische Untersuchung mentaler Beanspruchung in simulierten Mensch-Maschine-Interaktionen (Doctoral dissertation, Universitätsbibliothek).

• Gramann, K., & Schandry, R. (2009) Psychophysiologie: Körperliche Indikatoren psychischen Geschehens. Beltz, PVU.

TU Dresden MMST (c) Urbas, Ziegler 2006-2013 Folie 37

psychischen Geschehens. Beltz, PVU.

• Vossel, G., & Zimmer, H. (1998) Psychophysiologie. Kohlhammer.

• Boucsein, W. (Ed.) (2000) Engineering Psychophysiology: Issues and Applications. CRC Press.

• Andreassi, J. L. (2000) Psychophysiology: Human behavior and physiological response.Psychology Press.

• Cacioppo, J. T., Tassinary, L. G., & Berntson, G. (Eds.) (2007) Handbook of psychophysiology. Cambridge University Press.

• Manzey, D. (1998) Psychophysiologie mentaler Beanspruchung. Ergebnisse und Anwendungen der Psychophysiologie. Enzyklopädie der Psychologie, Vol. 100, S. 799-864.

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