Erfassung von Anstrengungsempfinden und Biosignalen bei mentalen Belastungen: Zusammenhang von subjektiven und objektiven Beanspruchungsparametern

Zusammenfassung

Hintergrund Die Auswirkungen der sich veränderten Arbeitswelt äußern sich in anwachsenden Anforderungen an den Angestellten, die sich wiederum in einem Anstieg der wahrgenommenen mentalen Beanspruchung am Arbeitsplatz niederschlagen. Aktuelle Forschungsansätze entwickeln Methoden, zur Erfassung des Selbstmanagements mentaler Beanspruchung im Arbeitsalltag. Da eine Ableitung für Präventionsmaßnahmen zur Gesunderhaltung die Identifikation von Belastungsfaktoren voraussetzt, ist Ziel der vorliegenden Studie, subjektive und objektive Parameter bei der Ermittlung der Gesamtbeanspruchung bzgl. der mentalen Belastungen auf Tauglichkeit zu prüfen.

Material und Methoden Über den Verlauf von fünf Phasen zu je fünf Minuten erfolgt ein mentaler Belastungstest am Bildschirm, bei dem die kognitiven Parameter Reaktionsfähigkeit und Reaktionsverhalten mit sukzessiv ansteigender Belastung durch erhöhte Schwierigkeitsgrade (Änderung der Stimuli durch erhöhte Anzahl der Reize, geringere Reizabstände) verändert werden. Dabei wird das subjektive Anstrengungsempfinden (modifizierte CR 10-Skala nach Borg) und die physiologische Reaktion über objektiv erfassbare Biosignale (Herzfrequenz und tonischer Hautleitwert) über die fünf Belastungsphasen sowie zu Beginn und zum Ende einer jeden Belastungsphase (spezifische Phasenzeitpunkte) ermittelt. Es wird angenommen, dass eine phasenabhängig veränderte Beanspruchung existiert und bei mittleren Belastungen ein Zusammenhang zwischen subjektivem Anstrengungsempfinden (CR 10-Skala nach Borg) und der objektiv erfassten Parameter Herzfrequenz und Hautleitwert bei den Probandinnen (N=30, Alter: 34,3 Jahre alt (±3,2)) nachweisbar ist.

Ergebnisse Verglichen zur Basline-Messung zeigten die fünf Belastungsphasen eine signifikant größere subjektive Beanspruchung (CR-10 Skala, p<0,01) sowie höhere Herzfrequenzen und einen höheren Hautleitwert für die Phasen der Beanspruchung. Die weiterführende Analyse innerhalb der fünf Belastungsphasen zeigte für den Vergleich der ersten Belastungsminute gegenüber der letzten Minute innerhalb einer Belastungsphase (spezifische Phasenzeitpunkte) ausschließlich für das subjektive Anstrengungsempfinden (CR-10 Skala) signifikant verschiedene Werte (p≤0,01). Die Gesamtbeanspruchung wurde durch die Probandinnen mit 53,3±13,5 (NASA TLX Skala 0: sehr gering - 100 sehr hoch) angegeben und als mittlere Beanspruchung eingeordnet. Ebenso zeigte sich eine signifikante Assoziation zwischen der CR 10-Skala und den Hautleitwerten (β=0,21, p<0,001). Demgegenüber existierte kein signifikanter Zusammenhang zwischen der CR 10-Skala und der Herzfrequenz (β=0,02, p=0,21).

Schlussfolgerung Die Ergebnisse der Studie deuten darauf hin, dass für das angewendete Protokoll der Stress-assoziierte tonische Hautleitwert ein geeigneter Parameter zur Erfassung der Gesamtbelastung ist. Demgegenüber scheint die Herzfrequenz zur Erfassung einer mentalen Gesamtbeanspruchung weniger geeignet.

Abstract

Background Changes in the modern world of work place ever increasing demands on employees. This in turn is reflected in an increase in perceived mental strain at the workplace. Current research develops methods to improve the self-management of mental stress in everyday work. The presented study aims to analyze the five mental strain phases and their specific times during a state of strain. Furthermore, we analyze the relationship between the subjective feeling of exertion and objectively recorded bio-signals (heart rate and skin conductance) during cognitive load under laboratory conditions. We assume that there is phase-dependent mental strain and that, under moderate mental load, we can find correlation between the subjective perception of exertion (CR 10 scale according to Borg) and the objectively recorded parameters.

Material and methods The bio-signals heart rate and skin conductance measured by the NeXus-10 MKII as well as the perception of exertion represented by the CR 10 scale according to Borg were recorded at a simulated cognitive load system, called RehaCom. Furthermore, the NASA TLX Scale reported the total perceived exertion oft he subjects. The test persons subjects (female, N=30, age: 34.3 years old (±3.2)) were given tasks testing their ability to pay attention and react, the difficulty of which gradually increases over five load levels.

Results The comparison of the basline measurement with the five mental strain levels showed a significantly higher subjective mental strain (CR-10 scale, p<0.01) as well as higher heart rates and a higher skin conductance for the five mental strain phases compared to the baseline measurement. Further analysis of the strain levels showed significantly different values (p≤0.01) for the comparison of the first minute of exertion with the last minute. The total mental load was rated by the test persons as medium mental strain with 53.3±13.5 (NASA TLX scale 0: very low - 100 very high). There was also a significant correlation between the CR-10 scale and the skin conductance values (β=0.21, p<0.001) which, however, turned out to be insignificant for the heart rate (β=0.02, p=0.21)

Conclusion The correlation, albeit weak, between subjective and objective parameters underlines the need for a more individual and comprehensive analysis in order to comprehend the complexity of mental strain, especially in moderate cases. Further investigations should aim at a relation to subjective load parameters such as CR-10 Borg scale in order to supplement the mere observation of the bio-signals.

Schlüsselwörter

mentale Beanspruchung - Biosignale - subjektive Anstrengung

Key words

mental strain - bio-signals - exertion

Publication History

Received: 22 November 2021

Accepted: 28 April 2022

Article published online:
31 May 2022

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