Human Factors 5: Psychophysiologie

Belastungs-Beanspruchungs- 

Konzept und Psychophysiologie 

VL MMS 

Wintersemester 2013/14 

Professur für Prozessleittechnik 

L. Urbas; J. Ziegler

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 (c) Ziegler 2013 Folie 2

DEFINITIONEN UND 

KONZEPTE

Belastungs-Beanspruchungs-Konzept 

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

Belastung 

Beanspruchung 

Umwelt 

Ursache 

Wirkungsmodifikatoren 

Kurzfristige Auswirkungen 

Beeinträchtigung 

Verbesserung 

Rückmeldung 

Individuum 

Wirkung 

Langfristige Auswirkungen 

Beeinträchtigung 

Verbesserung 

TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 

Folie 4

Arten der Beanspruchung 

[nach Ribback,2003, S.18] 

Gesamtbeanspruchung 

Physische 

Beanspruchung 

Psychische 

Beanspruchung 

Mentale/Kognitive 

Beanspruchung 

Emotionale 

Beanspruchung 

TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 

Folie 5

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) 


Weiterführende Veranstaltungen: 

Prof. Ingenieurspsychologie und 

angewandte Kognitionsforschung 

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 Arbeitsumgebung 

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. Differentielle und 

Persönlichkeitspsychologie 

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 


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 


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 



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 



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 



Autonome Balance 

= „ein Zustand, in dem sich die antagonistischen Teil-systeme 

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

Erfassbare Regelsysteme 

[Vossel & Zimmer, 1998] 

Elektrodermale Aktivität 

• Hautleitfähigkeit, -widerstand, -potential 

Kardiovaskuläre Aktivität 

• Herzschlagfrequenz, Blutdruck 

Elektrokardiografie, Plethysmografie 

Hirnelektrische Aktivität 

• blood-oxygen-level-dependent contrast 

• hirnelektrische Aktivität 

Funktionelle Magnetresonanztomographie 

Elektroenzephalografie 

functional Near InfraRed Spectroscopy 

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 



[nach Vossel & Zimmer, 1998] 

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) 

Messmethode 

Exosomatisch 

Spannung Keine Gleichspannung Wechselspannung 

Bezeichung 

Abkürzung 

Allgemein 

Tonisch 

phasisch 

SP 

SPL 

SPR 

SC 

SCL 

SCR 

Hautwidersta 

nd 

Endosomatisch 

Hautpotenzial 

Hautleitfähigkeit 

Hautadmittanz 

Hautimpedanz 

TU Dresden MMST (c) Ziegler 2013 Folie 17 

SR 

SRL 

SRR 

SY 

SYL 

SYR 

SZ 

SZL 

SZR



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 

[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) 

Optischer Eye 

Tracker 

EOG Messbrille 

[Bildquelle: Tobii.com] 

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




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) 

Emotion response 

analysis 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 

– 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) 



[nach Girouard et al, 2010] 

Messverfahren (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS) 

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von Änderungen der Blutsauerstoffkonzentration 

im Hirn (blood-oxygenation-level-dependent (BOLD) contrast) 

– basiert auf dem Prinzip der Neurovaskulären Kopplung 

– Extrapolation verschiedener Niveaus 

der Hirnaktivität [Villringer & Chance, 1997] 

– starke Korrelation zu mentaler Arbeitsbeanspruchung 

[Cui et al, 2011] 

[Bildquelle: 

Wikipedia] 

[Bildquelle: 

Peck et al., 2010] 



[nach Girouard et al, 2010] 

Anwendungen (functional Near InfraRed Spectroscopy – fNIRS) 


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

• Adaptive Brain-Computer Interfaces 

– Adaption an Arbeitsbeanspruchung und ausgeübte Tätigkeit 



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

Messverfahren (Elektroenzephalografie – EEG) 

• Nichtinvasive Echtzeitmessung von elektrischer Hirnaktivität 

– Aufzeichnung der Potenzialschwankungen an der Kopfoberfläche 

(Spontanaktivität) 

– Frequenzen korrelieren mit Bewusstseins- und Aufmerksamkeitszuständen 

EEG-Standard- 

Ableitepunkte nach 

dem 10-20-System 

[Bildquellen: 

l: Sharbrough, F. et al, 

1991; 

r: brainproducts.com] 




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 phasischer 

Frequenzänderungen 

• Emotion response analysis (Erregung, Engagement, Frustration) 




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



[nach Huettel et al., 2004] 

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 desoxygeniertem 

Hämoglobin (BOLD-Kontrast) 

[Bildquelle: wikipedia] 



[nach Huettel et al., 2004] 

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 

[Bildquelle: meduniwien.ac.at] 


ANWENDUNGEN IN DER 

ERGONOMIE

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 




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 




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) 

Konzept 

Subcharakteristik 

Charakteristik 

Messmethode 

Maß 

Effektivität 

Erfolgreich 

abgeschlossene 

Aufgaben (%) 

Kalkulation 

(Log-Datei) 

Effizienz 

Gebrauchstauglichkeit 

Arbeitsbeanspruchung 

Zeitaufwand 

HRV-Parameter 

Subjektive 

Bewertung 

(0…100) 

Zeit pro Aufgabe 

EKG, Pupillometrie 

NASA-TLX 

Kalkulation 

(Log-Datei) 

Zufriedenstellung 

Subjektive 

Bewertung 

(0…100) 

Befragung 

System Usability Scale 


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 


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. 

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

Human Factors 5: Psychophysiologie

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