Systeme zur Beurteilung von Stress, Vigilanz und Ermüdung im Kontext der Arbeit
© GRK 2323
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
NameDipl.-Ing. Hannes Ernst
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Graduiertenkolleg 2323
Graduiertenkolleg 2323
Besuchsadresse:
Institutsgebäude S7A
Raum / Room 205
Georg-Schumann-Str. 7a
01187 Dresden
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Thema
Es ist absehbar, dass CPPS die Arbeitsbedingungen für Bediener grundlegend verändern werden. Die Auswirkungen dieser Veränderungen auf autonome und physiologische Bedienerzustände sind aktueller Forschungsgegenstand. Dabei sollen neue biomedizinische Messverfahren und -technologien entwickelt werden.
In der Psychologie können mentaler Stress, Vigilanz oder Ermüdung durch physiologische Messung der Körperreaktionen auf definierte Reize oder Aufgaben beurteilt werden. Der menschliche Körper reagiert auf extrinsische Reize, und die Körperfunktion wird durch verschiedene Sensor- und Elektrodentechnologien (z.B. EKG, Atmung, Blutdruck, Pupillenreflexe) gemessen. Auf diese Weise lassen sich die Reaktionen des Menschen auf bestimmte Ereignisse untersuchen, wobei weniger Wert auf eine kontinuierliche Überwachung gelegt wird.
Umgekehrt wird in der klinischen Medizin (z.B. Schlafmedizin, Kardiologie, Intensivmedizin) mit ähnlichen Messmethoden der autonome Zustand des vegetativen Nervensystems bewertet, ohne dass der Organismus dabei eine Stimulation durch äußere Einflüsse erfährt. Stattdessen können Abweichungen vom Ausgangszustand als interne Ereignisse interpretiert werden, entweder pathophysiologisch (z. B. plötzlicher Herztod) oder physiologisch (z. B. Schlafphasen). Die Biosignalanalyse ist jedoch typischerweise auf stationäre Bedingungen beschränkt, bei denen sich der Mensch nicht bewegt, was die Messung erleichtert und Artefakte minimiert.
Beide Ansätze haben erhebliche Nachteile bei der Anwendung auf die Arbeitsumgebung: Der physiologische Ansatz erfordert spezifische extrinsische Reize oder Ereignisse (die oft fehlen oder nicht objektiv definiert werden können), während der medizinische Ansatz nur starke pathophysiologische Abweichungen erkennt. Die Kombination beider Ansätze ist eine vielversprechende Strategie, die in dieser Arbeit verfolgt wird. Wenn sich interne Ereignisse identifizieren lassen (z. B. Muster von Augen-/Körperbewegungen oder physische und kognitive Vorgänge im Arbeitsablauf), können sie als Marker für die Beurteilung subtilerer autonomer Reaktionen dienen. Das würde eine kontinuierliche Überwachung und Interpretation menschlicher Zustände auch ohne externe Ereignisse ermöglichen.
Der Fokus aktueller Arbeiten liegt dabei auf akutem mentalen Stress, da hochautomatisierte Produktionssysteme den Bedienern primär mentale Arbeitsbelastung auferlegen. Mit einer umfassenden Laborstudie wurde dabei untersucht, wie sich Körperfunktionen (insbesondere kardiovaskuläres und respiratorisches System sowie Einflüsse des autonomen Nervensystems) kontaktlos mittels kamerabasierter Photoplethysmographie erfassen lassen. Die Messung mit Kameras bietet viele Vorteile, beispielsweise entfallen die Kontaktpunkte mit dem Körper (Sensoren und Elektroden) sowie die zugehörigen Kabelverbindungen. Es entsteht kein Abfall durch Verbrauchsmaterialien (z. B. Elektroden) und es ergeben sich hygienische Vorteile (reduzierter Desinfektionsaufwand, da kein Körperkontakt). Die Pulsation des Blutvolumens, wie sie an der Halsschlagader zu spüren ist, führt zu einer Modulation der optischen Eigenschaften der Haut. Kameras erfassen diese Änderungen, was zur Gewinnung photoplethysmographischer Signale genutzt werden kann. Die Frequenz er optischen Modulation durch das Blut korrespondiert mit der Herzrate, die Regelmäßigkeit gibt Aufschluss über die Herzratenvariabilität und die Amplitude über die Regulation periphärer Blutgefäße. Auch Parameter zur Atmung, zum Blutdruck und zur Sauerstoffsättigung lassen sich aus den Daten gewinnen. Mentale Beanspruchung wirkt sich über das autonome Nervensystem (sympathische Dominanz) auf das kardiovaskuläre und das respiratorische System aus. Im Umkehrschluss charakterisieren Änderungen der Vitalparameter, die diese Körperfunktionen beschreiben, Änderungen des autonomen Nervensystems. Kamerabasierte Photoplethysmographie eignet sich daher - ohne aufdringliche Messtechnik - zum Monitoring von Vitalparametern und zur Detektion mentaler Beanspruchung.
Die methodische Forschung zur kamerabasierten Photoplethysmographie adressiert vor allem die robuste Signalextraktion. Vor allem im Kontext der Arbeit ist mit Bewegung zu rechnen, die die optische Erfassung der Hautdurchblutung mittels Kameras beeinträchtigt. So wurden etwa Optimierungsansätze zur Kombination verschiedener Farbkanäle (typischerweise rot, grün und blau) und Qualitätsmarker zur Bewertung der Verlässlichkeit der gemessenen Vitalparameter entwickelt. Detaillierte Informationen finden sich in den hier gelisteten Publikationen: Profil Dipl.-Ing. Hannes Ernst