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Usability Engineering 5Psychophysiologische Messmethoden in der MMST
VL MMS Wintersemester 2014/15Professur für Prozessleittechnik
L. Urbas; J. Ziegler
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 2
Ziele und Inhalt
• Definitionen und Konzepte
– Belastungs-Beanspruchungs-Konzept der Ergonomie
– Psychophysiologie
• Psychophysiologische Parameter und Messmethoden
– Pupillometrie, EEG, GSC, fMRT, fNIRS
• Anwendung psychophysiologischer Konzepte und Methoden in der Ergonomie
– Anforderungen an die Experimentgestaltung
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 4
[nach DIN EN ISO 26800, 2011, S.14 und EN ISO 10075-1, S. 6]
Belastungs-Beanspruchungs-Konzept
Belastung
Beanspruchung
Kurzfristige Auswirkungen
Beeinträchtigung Verbesserung
Langfristige Auswirkungen
Beeinträchtigung Verbesserung
Indiv
iduum
Wirkungs-modifikatoren
Rückm
eld
ung
Um
welt
Wir
kung
Urs
ache
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 5
[nach Ribback,2003, S.18]
Arten der Beanspruchung
PhysischeBeanspruchung
Gesamtbeanspruchung
Mentale/Kognitive Beanspruchung
EmotionaleBeanspruchung
PsychischeBeanspruchung
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 6
Psychophysiologie
= „befasst sich mit den Zusammenhängen zwischen menschlichem Verhalten und physiologischen Prozessen“ [Schandry, 1998]
• 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)
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 7
Ingenieurs-Psychophysiologie
Engineering Psychophysiology [Backs & Boucsein, 2000]
= „Forschungsdisziplin, die psychophysiologische Methoden auf klassische 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
Weiterführende Veranstaltungen:
Prof. Ingenieurspsychologie und
angewandte Kognitionsforschung
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 8
Konzepte der Psychophysiologie
Aktivierung
= „ein innerer Zustand mit unterschiedlich hoher psychischer und 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
Weiterführende Veranstaltungen:
Prof. Differentielle und
Persönlichkeitspsychologie
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 9
Stress-Konzept
Stress [nach Schandry, 1998]
= individuelle, unspezifische psychische und physiologische Reaktion 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 10
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 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 11
Konzepte der Psychophysiologie
Orientierungsfunktion
= phasisch ablaufende Reaktion, dessen Intensität bei 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 12
Konzepte der Psychophysiologie
Reaktionsspezifität
= Reaktionen verschiedener Regelsysteme bilden tendenziell stabile 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 13
Konzepte der Psychophysiologie
Autonome Balance
= „ein Zustand, in dem sich die antagonistischen Teilsysteme 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]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 14
Konzepte der Psychophysiologie
Interozeption [Schandry, 1998]
= Wahrnehmung von Zuständen und Prozessen im Körperinneren
Propriozeption [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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 16
Respiratorische Aktivität
• Atemfrequenz und -tiefe
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
Erfassbare Regelsysteme[Vossel & Zimmer, 1998]
Elektrodermale Aktivität
• Hautleitfähigkeit, -widerstand, -potential
Kardiovaskuläre Aktivität
• Herzschlagfrequenz, Blutdruck
• Periphere Durchblutung
Elektrokardiografie, Plethysmografie
Hirnelektrische Aktivität
• blood-oxygenation-level-dependent(BOLD) contrast
Funktionelle Magnetresonanztomographie
Elektroenzephalografie
functional Near InfraRed Spectroscopy
Weiterführende Veranstaltungen:
Institut für Biomedizinische
Technik
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 17
Elektrodermale Aktivität
Messverfahren (Galvanic Skin Conductance – GSC)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung des elektrischen Hautleitwerts
– Variiert je nach durch die Schweißdrüsen freigegebener Feuchtigkeit
– Korreliert mit momentanem Erregungszustand (Häufigkeit sympathischer Aktionspotenziale)
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
Messmethode Endo-somatisch
Exosomatisch
Spannung Keine Gleichspannung Wechselspannung
Bezeichung Haut-potenzial
Hautleit-fähigkeit
Hautwider-stand
Haut-admittanz
Haut-impedanz
AbkürzungAllgemeinTonischphasisch
SPSPLSPR
SCSCLSCR
SRSRLSRR
SYSYLSYR
SZSZLSZR
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 18
Elektrodermale Aktivität
Anwendungen
• Erfassung der Reaktion auf singuläre Reize (phasisch)
• 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
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
[Bildquelle: simpleusability.com]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 19
Okulomotorische Aktivität
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)
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
[Bildquelle: Tobii.com] [Bildquelle: http://plasmadesignlab.ch/project/messbrille/]
EOG MessbrilleOptischer Eye Tracker
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 20
Okulomotorische Aktivität
Anwendungen
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
• 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)
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
Emotion responseanalysis mit EEG und Eye Tracking
[Bildquelle: simpleusability.com]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 21
Kardiovaskuläre Aktivität
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
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 22
Kardiovaskuläre Aktivität
Anwendungen
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
• 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
[nach Vossel & Zimmer, 1998]
EKG-Standard-Ableitepunkte(Rumpfmessung)
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 23
Hirnelektrische Aktivität
Messverfahren (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Änderungen der Blutsauerstoff-konzentration im Hirn (blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) contrast)
– basiert auf dem Prinzip der Neurovaskulären Kopplung
– Extrapolation verschiedener Niveausder Hirnaktivität [Villringer & Chance, 1997]
– starke Korrelation zu mentaler Arbeits-beanspruchung [Cui et al, 2011]
[nach Girouard et al, 2010]
[Bildquelle:
Peck et al., 2010]
[Bildquelle:
Wikipedia]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 24
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS)
• Aufnahme aussagekräftiger Daten bezüglich mentaler Arbeitsbeanspruchung
– Einfache Handhabung, robust ggü. Bewegung und EM-Störungen
• Adaptive Brain-Computer Interfaces
– Adaption an Arbeitsbeanspruchung und ausgeübte Tätigkeit
[nach Girouard et al, 2010]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 25
Hirnelektrische Aktivität
Messverfahren (Elektroenzephalografie – EEG)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität
– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche (Spontanaktivität)
– Frequenzen korrelieren mit Bewusstseins- und Aufmerksamkeitszuständen
[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]
[Bildquellen:
l: Sharbrough, F. et al,
1991;
r: brainproducts.com]
EEG-Standard-Ableitepunkte nach dem 10-20-System
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 26
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (Elektroenzephalografie – EEG)
• Analyse tonischer Veränderungen der mentalen Beanspruchung
– 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)
[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 27
Hirnelektrische Aktivität
[nach Gevins & Smith, 2003; Ribback, 2003]
[Bildquelle: www.neurologie-ulm.de/leistungen/eeg.html]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 28
Hirnelektrische Aktivität
Messverfahren (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)
• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität
– selbes Funktionsprinzip wie fNIRS
– Veränderung der effektiven transversalen Relaxationszeit von Wasserstoff-Kernspin
– sensitiv für Konzentrationsänderung zw. oxygeniertem und desoxygeniertemHämoglobin (BOLD-Kontrast)
[nach Huettel et al., 2004]
[Bildquelle: wikipedia]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 29
Hirnelektrische Aktivität
Anwendungen (Funktionelle Magnetresonanztomographie – fMRT)
• Hochgenaue räumlich-lokalisierende Untersuchungen von neurologischen Reizreaktionen
– niedrige zeitl. Auflösung, sehr hohe Empfindlichkeit ggü. Bewegung
– hohe räumliche Auflösung
– besonders relevant für Neurologie und Neuropsychologie
[nach Huettel et al., 2004]
[Bildquelle: meduniwien.ac.at]
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 31
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Allgemeine Betrachtungen
• Psychophysiologische Variablen sind selten unabhängig oder 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 32
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Versuchsplanung
• Prinzip der isolierenden Bedingungsvariation nicht vollständig umsetzbar
Sorgfältige Auswahl weiterer Kontrolltechniken
Sorgfältige Festlegung und Kontrolle der Zielpopulation (Homogenisierung)
Versuchsdurchführung
• Wahrung der Persönlichkeitsrechte
Nichtinvasive Messung
Wahrung der Intimsphäre
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 33
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Aufgabengestaltung 1/2
• Sympathische Reaktion sehr unspezifisch bis diffus (Adrenalinflut)
• Psychophysiologische 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
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 34
Anforderungen an die Experimentgestaltung
Aufgabengestaltung 2/2
Geeignete mentale Vorbereitung der Probanden
Berücksichtigung allg. psychophysiologischer Effekte bei den Probanden
Berücksichtigung von Aktivierungseffekten in der Workflow-Gestaltung
Prüfung von Konfundierungseffekten durch Kontrolltechniken (Balancing)
Relevante Zeitbereiche stark von irrelevanten abgrenzen
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 35
Messmodell (Beispiel)
Mess-methode Instrument
MetrikSubcharak-
teristikCharak-teristik
Konzept
Geb
rau
chs-
tau
glic
hke
it
EffektivitätErfolgreich
abgeschlossene Aufgaben (%)
KalkulationLog-Datei
Effizienz
Arbeitsbean-spruchung
HRV-ParameterBiosignal-
verarbeitung EKG
Subjektive Bewertung (0…100)
Befragung NASA-TLX
Zeitaufwand Zeit pro Aufgabe KalkulationLog-Datei
Zufrieden-stellung
Subjektive Bewertung (0…100)
BefragungSystem Usability Scale
TU Dresden MMST © Ziegler 2013-2014 Folie 36
Zusammenfassung
• Belastungs-Beanspruchungs-Konzept ist ein zentrales Konzept der Ergonomie
• 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
TU Dresden MMST (c) Urbas, Ziegler 2006-2013 Folie 37
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.
• 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.