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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
[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
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 6
• 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
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 7
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
Konzepte der Psychophysiologie
Aktivierung
= „ein innerer Zustand mit unterschiedlich hoher psychischer und körperlicher Funktionstüchtigkeit“ [DIN 10075-1]
Weiterführende Veranstaltungen: Prof. Differentielle und Persönlichkeitspsychologie
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 8
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
Stress-Konzept
Stress [nach Schandry, 1998]
= individuelle, unspezifische psychische und physiologische Reaktion auf Stressoren, die zu einer kurzzeitigen oder anhaltenden
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 9
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
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 10
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
Konzepte der Psychophysiologie
Orientierungsfunktion
= phasisch ablaufende Reaktion, dessen Intensität bei wiederholter Reizdarbietung kontinuierlich abnimmt
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 11
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
Konzepte der Psychophysiologie
Reaktionsspezifität
= Reaktionen verschiedener Regelsysteme bilden tendenziell stabile Reaktionsmuster aus [Schandry, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 12
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
Konzepte der Psychophysiologie
Autonome Balance
= „ein Zustand, in dem sich die antagonistischen Teil-systemeSympathikus und Parasympathikus in einem Gleichgewicht
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 13
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]
Konzepte der Psychophysiologie
Interozeption [Schandry, 1998]
= Wahrnehmung von Zuständen und Prozessen im Körperinneren
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 14
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
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
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 16
Elektrodermale Aktivität
Messverfahren (Galvanic Skin Conductance – GSC)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung des elektrischen Hautleitwerts
– Variiert je nach durch die Schweißdrüsen freigegebener Feuchtigkeit
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 17
– 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
Elektrodermale Aktivität
Anwendungen
• Erfassung der Reaktion auf singuläre Reize (phasisch)
• Erfassung des Aktivationsniveaus (tonisch)
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 18
• 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]
Okulomotorische Aktivität
Messverfahren (Pupillometrie und Elektrookulografie)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Augenbewegungen, Änderungen im Durchmesser der Pupille oder des Lidschlags
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 19
– 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
Okulomotorische Aktivität
Anwendungen
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
• Erfassung von Müdigkeit und Erschöpfung
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 20
• 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]
Kardiovaskuläre Aktivität
Messverfahren (Elektrokardiografie)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung der elektrischen Aktivitäten aller Herzmuskelfasern
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 21
– basiert auf dem Mechanismus der Autorhythmie (ZNS und ANS moderieren autonome Herzkontraktion)
– erlaubt Beurteilung des sympathisch-parasympathischen Gleichgewichts
Kardiovaskuläre Aktivität
Anwendungen
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
• Analyse von Prozessen der Aufmerksamkeitsregulation
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 22
• 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)
Hirnelektrische Aktivität
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]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 23
– 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]
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen
[nach Girouard et al, 2010]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 24
– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen
• Adaptive Brain-Computer Interfaces
– Adaption an Arbeitsbeanspruchung und ausgeübte Tätigkeit
Hirnelektrische Aktivität
Messverfahren (Elektroenzephalografie – EEG)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität
– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche
[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 25
– 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
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (Elektroenzephalografie – EEG)
• Analyse tonischer Veränderungen der mentalen Beanspruchung
– Indikatoren mentaler Beanspruchung: Abnahme parietaler und okzipitaler
[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 26
– 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]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 27
[Bildquelle: www.neurologie-ulm.de/leistungen/eeg.html]
Hirnelektrische Aktivität
Messverfahren (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität
– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS
[nach Huettel et al., 2004]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 28
– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS
– Veränderung der effektiven transversalen Relaxationszeit von Wasserstoff-Kernspin
– sensitiv für Konzentrationsänderung zw. oxygeniertem und desoxygeniertemHämoglobin (BOLD-Kontrast)
[Bildquelle: wikipedia]
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)
• Hochgenaue räumlich-lokalisierende Untersuchungen von neurologischen Reizreaktionen
[nach Huettel et al., 2004]
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 29
– niedrige zeitl. Auflösung, sehr hohe Empfindlichkeit ggü. Bewegung
– hohe räumliche Auflösung
– besonders relevant für Neurologie und Neuropsychologie
[Bildquelle: meduniwien.ac.at]
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Allgemeine Betrachtungen
• Psychophysiologische Variablen sind selten unabhängig oder monokausal
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 31
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
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Versuchsplanung
• Prinzip der isolierenden Bedingungsvariation nicht vollständig umsetzbar
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 32
umsetzbar
Sorgfältige Auswahl weiterer Kontrolltechniken
Sorgfältige Festlegung und Kontrolle der Zielpopulation (Homogenisierung)
Versuchsdurchführung
• Wahrung der Persönlichkeitsrechte
Nichtinvasive Messung
Wahrung der Intimsphäre
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Aufgabengestaltung 1/2
• Sympathische Reaktion sehr unspezifisch bis diffus (Adrenalinflut)
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 33
• 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
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Aufgabengestaltung 2/2
Geeignete mentale Vorbereitung der Probanden
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 34
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)
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 35
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
TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 36
• 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.