Das
physiologische Aktivierungspotential ("Arousel") einer Person wird als Korrelat der
mentalen oder emotionalen Beanspruchung (mental workload) der Person
interpretiert und liefert somit wertvolle Informationen über den
mentalen Belastungszustand der Person. Der mentale Belastungszustand einer
Person ist eine Größe, die
bei der Beanspruchung der Person hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit
eine große
Bedeutung hat. Diese Informationen sind für verschiedene Zwecke anwendbar,
z.B. in der Diagnostik oder bei Prozesssteuerung mittels Biofeedback-Signalen.
Zugrundeliegender
Stand der Technik
Es
gibt eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zum Ermitteln des
physiologischen Aktivierungspotentials. Einige dieser Verfahren
beruhen auf die Messung der Pupillenweite bzw. der Veränderung der
Pupillenweite des Auges (Pupillometrie), wobei davon ausgegangen
wird, dass sich die Pupillenweite mit zunehmendem physiologischem
Aktivierungspotential vergrößert.
Bei
allen pupillometrischen Verfahren findet eine Messung des Durchmessers
der Pupille statt, wobei ein tatsächlicher Wert des Pupillendurchmessers
ermittelt wird. Hierfür
gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Messvorrichtung. Bevorzugte
solche Messvorrichtungen enthalten eine Kamera oder Videokamera,
die entweder im sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich arbeitet.
Als Beispiel sei hier die Infrarot – Video-Pupillograhie erwähnt, bei welcher die Pupille
mittels einer im nahen infraroten Spektrum empfindlichen Videokamera
gefilmt wird und das Bild computergestützt ausgewertet wird (s. H.Wilhelm,
B.Wilhelm, H.Lüdke: "Pupillographie – Prinzipien
und Anwendungsmöglichkeiten", Z.prakt. Augenheilkd.
(1996) 17:327-336). Eine weitere Vorrichtung zum Messen der Pupillenreaktion
eines Auges ist in der
DE
44 19 489 A1 beschreiben.
Da
die Pupille jedoch nicht nur auf durch emotionale und mentale Beanspruchung
hervorgerufene Veränderungen
im autonomen Nervensystem reagiert, sondern auch auf andere Faktoren,
muss bei pupillometrischen Verfahren zum Ermitteln des physiologischen
Aktivierungspotentials eine Korrektur vorgenommen werden. Der stärkste Faktor
zur Beeinflussung der Pupillenweite ist dabei die henschende Leuchtdichte.
Dabei beträgt
die aufgrund der Änderung
der Leuchtdichte maximal hervorgerufene Änderung des Pupillendurchmessers
ca. 8 mm, während
die Änderung
der mentalen Beanspruchung eine Änderung
des Pupillendurchmessers von nur ca. 2 mm hervorruft. Bis heute
ist man jedoch davon ausgegangen, dass die Empfindlichkeit des Pupillendurchmessers
auf Leuchtdichteveränderungen
in der Umgebung einen breiten Einsatz der pupillometrischen Verfahren
verhindert.
In
dem Buch von Peter Rößger "Die Entwicklung der
Pupillometrie zu einer Methode mentaler Beanspruchung in der Arbeitswissenschaft" (1997, ISBN 3-932490-03-7)
wird die Entwicklung der Pupillometrie als ein Verfahren der Messung
mentaler Beanspruchung in arbeitswissenschaftlichen Kontexten dokumentiert.
Dabei wird beschrieben, dass es nötig ist, die gemessenen Pupillendurchmesser
so vom Helligkeitseinfluss zu befreien, dass die ermittelten Pupillendurchmesserwerte
miteinander vergleichbar sind, um die aus der Pupillometrie brauchbare
Messwerte für
die mentale Beanspruchung zu erhalten. Hierzu werden die gemessenen
Pupillenduchmesser in einen korrigierten Pupillendurchmesser umgerechnet,
der der theoretische Wert ist, den der Durchmesser bei einer Leuchtdichte
von 0 cd/m2 hätte. Dabei wird vorausgesetzt,
dass sich der Pupillendurchmesser mit steigender Leuchtdichte linear
abnimmt, so dass gilt: PDmess = PDhell + PDkorr, (1)wobei
PDmess der gemessene Pupillendurchmesser,
PDkorr der gesuchte korrigierte Pupillendurchmesser bei
x = 0 cd/m2, und
PDhell der
durch die Helligkeit hervorgerufene Pupillendurchmesser ("Helligkeits-Pupillendurchmesserwert") ist, wobei PDhell =
A·LD, (2)wobei
LD
die aktuelle Leuchtdichte, und
A ein Korrekturfaktor ist.
Daraus
ergibt sich PDkorr = PDmess – A·LD. (3)
Dabei
ist der Korrekturfaktor A die Steigung der Geraden, die sich ergibt,
wenn der Pupillendurchmesser über
die Helligkeit aufgetragen wird.
Der
Korrekturfaktor A ist individuell unterschiedlich und muss für jede Versuchsperson
neu ermittelt werden. Dazu werden den Versuchspersonen zwei Leuchtdichteniveaus
(Eichpunktleuchtdichten) LDdun und LDhel präsentiert
und die dabei auftretenden Pupillendurchmesser (PDdun und
PDhel) gemessen. Aus der Pupillendurchmesseränderung
zwischen den beiden Eichpunktleuchtdichten wird dann der Korrekturfaktor
ermittelt: A = (PDdun – PDhel)/(LDdun – LDhel) (4)
Es
wird erwähnt,
dass die Eichpunktleuchtdichten nicht zu weit von den Leuchtdichten
entfernt liegen sollten, die während
der tatsächlichen
Messung auftreten, da die Annahme der Linearität zwischen Pupillendurchmesser
und Leuchtdichte nur angenähert
und für
enge Leuchtdichtebereiche gilt.
Durch
die
DE 198 03 158
C1 ist eine Vorrichtung zur Vigilanzzustandsbestimmung
einer Person bekannt. Die Vorrichtung enthält ein Bildaufnahmesystem mit
einer CCD-Videokamera
und einer Infrarotbeleuchtung zum Aufnehmen von Bildern des Bereichs
wenigstens eines Auges der Person und ein Bildauswertesystem, das
die vom Bildaufnahmesystem aufgenommenen Bilder auswertet. Das Bildauswertesystem
weist Mittel zur Pupillendurchmesserbestimmung auf. Durch eine Auswerteeinrichtung wird
der Vigilanzzustand u.a. in Abhängigkeit
von der durch die Pupillendurchmesserbestimmungsmittel erhaltenen
Pupillendurchmesserzustandsinformation bestimmt. Das Bildauswertesystem
enthält
eine Bildverarbeitungseinheit, der die von der Videokamera aufgenommenen
Bilder übermittelt
werden. Die Bildverarbeitungseinheit arbeitet mit zwei Betriebszuständen, zwischen
denen ständig
hin und her geschaltet wird. In einem ersten Betriebszustand wird bei
ausgeschalteter Infrarotbeleuchtung die durch das Umgebungslicht,
d.h. Fremdlicht, hervorgerufene mittlere Helligkeit gemessen und
diese Information als ein Helligkeitssignal abgegeben. In einem zweiten
Betriebszustand ist die Infrarotbeleuchtung eingeschaltet, und die
Bildverarbeitungseinheit wertet das vom überwachten Auge erhaltene Bild
aus. Bei dieser Auswertung wird der Pupillendurchmesser des beobachteten
Auges durch die Pupillendurchmesserbestimmungsmittel erfasst. Die
Information über
den momentanen Pupillendurchmesser gibt die Bildauswerteeinheit
in Form eines Pupillendurchmessersignals ab. Weiterhin korreliert
eine Korrelationseinheit den zeitlichen Verlauf des kontinuierlich gemessenen
Pupillendurchmessers mit der über
das Umgebungshelligkeitssignal erhaltenen Information über die
Umgebungshelligkeit. Durch diese Korrelation soll die normale Pupillenreaktion
auf Schwankungen der Umgebungshelligkeit als Störeinfluss eliminiert werden.
Die Korrelationseinheit gibt ein entsprechendes Korrelationssignal
ab, das die Information darüber
enthält,
inwieweit Änderungen
des Pupillendurchmessers von einer sich ändernden Umgebungshelligkeit
verursacht sind oder nicht. Es wird jedoch nicht angegeben, wie
dieses Helligkeitssignal ermittelt wird.
Viele
herkömmliche
Schnittstellen der Mensch-Maschine-Interaktion (insbesondere Computerschnittstellen)
sind so konstruiert, dass eine Handlungsaufforderung der Maschine
durch eine Handlung des Menschen beantwortet wird. Bei dieser Form
der Interaktion spielen Eingabegeräte, wie Maus und Tastatur,
eine übergeordnete
Rolle. Eingaben unterliegen somit einer kognitiven Kontrolle des Nutzers
und sind in bestimmten Bereichen entsprechend ungenau.
Es
ist jedoch bekannt, Prozesssteuerungen auf der Grundlage von auf
das physiologische Aktivierungspotential einer Person zurückzuführenden Biofeedback-Signalen
durchzuführen.
Die
US 5,896,164 offenbart
ein Bio-Feedback-Steuerung eines Bildausgabegeräts. Dabei wird das Bild des
Bildausgabegeräts
von einer Signalveränderungseinheit verändert. Die
Signalveränderungseinheit
wird von einem Steuersignal beaufschlagt, welches aus psychophysiologischen
Parameter (z.B. elektrodermale Aktivität) eines Nutzers gewonnen wird.
Offenbarung
der Erfindung
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches der ermittelte Zustand
ein zuverlässiges
Maß für das physiologische
Aktivierungspotential der Person liefert.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach
Anspruch 6 gelöst.
Der
Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren
bzw. eine neue Vorrichtung zur Prozesssteuerung einer Vorrichtung
zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch ein Verfahren nach Anspruch 8 bzw. einer Vorrichtung
nach Anspruch 10 gelöst.
Bei
der vorliegenden Erfindung ist durch die pupillometrischen Messung
der Körperaktivierung eine
direkte Verbindung zum autonomen Nervensystem des Nutzers hergestellt.
Die körperliche
Aktivierung als Indikator mentaler Prozesse unterliegt keiner willkürlichen
Kontrolle des kognitiven Apparates und ist deshalb sehr zuverlässig.
Bisher
ist angenommen worden, dass die Problematik der Beseitigung des
Helligkeitseinflusses bei pupillometrischen Verfahren dazu führt, dass pupillometrische
Verfahren bei bestimmten Anwendungen, insbesondere bei stark schwankender
Umgebungshelligkeit, nicht zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials
brauchbar sind. Dies liegt daran, dass man bis heute einen linearen
Zusammenhang zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser
(PDhell) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte
(LD) angenommen hat. Dieses Problem wird umso größer, je größer die Helligkeitsschwankungen
in der Umgebung sind, z.B. vor einem Bildschirm oder eines Fernsehers.
Überraschenderweise
hat es sich nun durch experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass
pupillometrische Verfahren brauchbare Werte des physiologischen
Aktivierungspotentials liefert, wenn man einen exponentiellen Zusammenhang
zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser
(PDhell) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte
(LD) annimmt.
Erfindungsgemäß erfolgt
also das Ermitteln des Helligkeits-Pupillendurchmesserwerts PDhell auf der Grundlage einer im wesentlichen
exponential verlaufenden Abhängigkeit
PDhell = a + b·exp(-k·LD) zwischen dem Helligkeitswert
LD und dem Helligkeits-Pupillendurchmesserwert
PDhell. Dabei können die Parameter a, b und
k in der exponential verlaufenden Abhängigkeit PDhell =a
+ b·exp(-k·LD) in
einfachsten Fall aus Schätzwerten
gebildet werden. Eine bessere Genauigkeit erreicht man jedoch, wenn diese
Parameter a, b und k aus experimentell ermittelten Werten bestimmt
werden. Dabei können
die zur Bestimmung der Parameter a, b und k verwendeten Werte experimentell
an einem bestimmten Ort (z.B. an einem Arbeitsplatz vor einem Bildschirm) und/oder
an einer einzigen Person ermittelt werden. Diese Person ist dann
bevorzugt die Person, dessen physiologisches Aktivierungspotential
später
bei bestimmten Tätigkeiten
ermittelt werden soll. Die zur Bestimmung der Parameter a, b und
k verwendeten Werte können
jedoch auch experimentell an mehreren Personen ermittelt werden,
wobei dann Mittelwerte der Parameter a, b und k gebildet werden
können.
Die
vorliegende Erfindung kann nicht nur zum Ermitteln des physiologischen
Aktivierungspotentials zum Einsatz kommen, sondern ebenfalls zur Prozesssteuerung
einer Vorrichtung im Sinne einer Schnittstelle Mensch-Maschine ("Bio-Feedback"), insbesondere zur
Steuerung multimedialer Lernsysteme. Zu diesem Zweck wird aus dem
ermittelten korrigierten Pupillendurchmesserwert PDkorr ein
Steuersignal erzeugt und der Vorrichtung aufgeschaltet, wobei eine
Prozesssteuerung der Vorrichtung in Abhängigkeit von diesem Steuersignal
erfolgt. (Solche Bio-Feedback-Prozesssteuerungen sind an sich bekannt,
insbesondere unter Verwendung von anderen Messgrößen (z.B. Hautleitwert) als
Grundlage.) Durch die erfindungsgemäße Annahme eines exponentiellen
Zusammenhangs zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser (PDhell) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte (LD)
stellt die vorliegende Erfindung jedoch eine Mensch-Maschine-Interaktion
mit weitreichenden Einsatzgebieten zur Verfügung.
Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert.
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
1 ist eine schematische
Darstellung und zeigt einen Nutzer an einem Arbeitsplatz mit einem Arbeitsmonitor,
sowie Teile einer pupillometrischen Vorrichtung.
2 ist eine schematische
Blockdarstellung und veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines einer
pupillometrischen Vorrichtung.
3 zeigt eine experimentell
aufgenommene Messkurve zum Ermitteln der Parameter a, b und k in
der Gleichung PDhell = a + b·exp(-k·LD).
Bevorzugte
Ausführung
der Erfindung
In
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
wird das pupillometrische Verfahren bzw. die pupillometrische Vorrichtung
zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials einer Person 10 ("Nutzer") bei einem Arbeitsplatz
mit einem (in den Figuren nicht gezeigten) Arbeitsrechner ("Subject-PC") mit Arbeitsmonitor 12 eingesetzt.
(In 1 ist weiterhin
die Tastatur 14 des Arbeitsrechners angedeutet.) Der Arbeitsmonitor 12 erzeugt
eine stark schwankende Umgebungsleuchtdichte, die durch das pupillometrische
Verfahren zu berücksichtigen ist.
Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
des pupillometrischen Verfahrens bzw. der pupillometrischen Vorrichtung
zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials zwei handelsübliche Rechner
verwendet. Mit dem ersten Rechner 16 ("Control-PC") ist eine handelsübliche Infrarotkamera 18 (REM
II der Firma SensoMotoric Instruments GmbH, Teltow) zum Messen der
Pupillenreaktion eines Auges 20 des Nutzers 10 verbunden.
Durch die Infrarotkamera 18 wird das Auge 20 des
Nutzers 10 gefilmt und die derart gewonnenen Videodaten
werden dem ersten Rechner 16 zugeführt. In dem ersten Rechner 16 werden
diese Videodaten mittels einer Videokarte ausgewertet und den aktuellen
tatsächlichen
Pupillendurchmesser (PDmess) des Auges 20 bestimmt.
Mit
dem zweiten Rechner 22 ("Stearing-PC") ist ein handelsübliches Luxmeter 24 (Testo 545 der Firma
Testo AG, Lenzkirch) verbunden. Das Luxmeter 24 dient zur
Lichtmessung in der Nähe
der zu messenden Pupille und liefert Daten über die Umgebungshelligkeit
in Form von Helligkeitswerte (LD) an den zweiten Rechner 22.
Dem
zweiten Rechner 22 werden ebenfalls die in dem ersten Rechner 16 ermittelten
Pupillendurchmesser-Daten (PDmess) zugeführt. In
dem zweiten Rechner 22 werden diese Pupillendurchmesser-Daten
(PDmess) und die Umgebungslichthelligkeits-Daten
(LD) mittels eines später
näher beschriebenen
Analyseprogramms verarbeitet. Aus den Umgebungslichthelligkeits-Daten
(LD) wird mit einer später
näher beschriebenen
Funktion die entsprechende Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte
(PDhell) ermittelt. Aus den Pupillendurchmesser-Daten (PDmess) und den Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte
(PDhell) werden konigierte Pupillendurchmesserwerte
(PDkorr) ermittelt, wobei PDkorr =
PDmess – PDhell gilt (vgl. Gl. (1)). Dieser korrigierte
Pupillendurchmesserwert (PDkorr) dient dann
als Korrelat des physiologischen Aktivierungspotentials des Nutzers. Hieraus
können
mentale und emotionale Beanspruchungen abgeleitet werden.
Bei
dem Analyseprogramm werden die beiden Datensätze (PDmess und
LD) als Tabellen eingelesen. Bei der Berechnung der Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte
(PDhell) wird dabei Zugrunde gelegt, dass
die Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte (PDhell) exponentiell
mit zunehmender Leuchtdichte (LD) abnimmt. Dabei lassen sich die
Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte (PDhell)
aus den eingelesenen Helligkeitswerten (LD) nach folgender Gleichung berechnen: PDhell =
a + b·exp(-k·LD), (5)wobei a,
b und k experimentell bestimmte Parameter sind.
Dabei
entspricht a den Pupillendurchmesser bei extremer Helligkeit (LD
= unendlich) und a + b den Pupillendurchmesser bei absoluter Dunkelheit (LD
= 0). Der Parameter k beschreibt, wie schnell sich der Pupillendurchmesser
bei zunehmender Leuchtdichte dem Minimalwert a nähert.
Die
experimentelle Bestimmung der Parameter a, b und k in Gleichung
(5) erfolgt durch geeignete Messungen der Leuchtdichten (LD) an
dem in 1 dargestellten
Arbeitsplatz und der zugehörigen Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte
(PDhell) von Nutzern. Dabei erfolgt die
Kalibrierung zur Ermittlung von a und b mittels eines schwarzen
(dunklen) Monitor und eines weißen
(hellen) Monitors. Dabei können die
Messungen an mehreren Nutzern vorgenommen werden und die Parameter
a, b und k aus diesen Messungen als Mittelwerte ermittelt werden.
Es ist auch möglich,
die Messungen direkt lediglich an dem Nutzer vorzunehmen, dessen
physiologisches Aktivierungspotential später ermittelt werden soll.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
werden die Parameter a, b und k mit einem nonlinear-least-square-fit
mit Daten von mehreren Nutzern berechnet.
Das
Analyseprogramm ("mental
workload analyzer") übernimmt
die Messwerte des Pupillendurchmessers und bereinigt diese um eventuell
vorhandene Messfehler (wie sie beispielsweise durch Liedschläge verursacht
werden können)
durch die Eliminierung dieser Extremwerte. Hierzu werden ein Mittelwert
und die dazugehörige
Standartabweichung ermittelt. Sämtliche
Werte, die weiter als zwei Standartabweichungen vom Mittelwert entfernt
liegen, werden für
die weiteren Berechungen ignoriert. Die verbleibenden Werte werden
daraufhin um die Kontamination durch Lichteinflüsse mittels der in Gl. (5)
beschriebenen Funktion bereinigt. Die Verbleibenden Nettowerte werden
vom Programm gespeichert und können
grafisch oder tabellarisch aufgearbeitet werden, sie können jedoch
auch direkt zur Prozessteuerung weitergegeben werden.
Als
Bespiel einer Versuchsreihe zur Bestimmung der Parameter a, b und
k sind in 3 die gemessenen
Pupillenwerte über
die Leuchtdichte aufgetragen. Aus 2500 Messungen an 250 Personen
an einem typischen Computer-Arbeitsplatz wurde aus der Kurve folgende
(abgerundete) Werte ermittelt: a = 623; b = 987 und k = 0,24.
Die
Auswertung der Daten kann entweder nach Abschluss der Messungen
in Tabellenform erfolgen oder als Onlineverarbeitung in einer Grafik.
Mit der direkten Onlineverarbeitung der Daten kann der mentale Zustand
des Nutzers in Echtzeit erfasst werden. Diese Datenbasis kann zur
Steuerung adaptiver Computersysteme genutzt werden. So kann beispielsweise
eine Lernumgebung genau auf die Leistungsfähigkeit des Nutzers laufend
angepasst werden, um einen möglichst
optimalen Lernprozess zu gewährleisten.
Durch die gezielte Abstimmung von Nutzerfähigkeit und Systemanforderung
kann der Lernprozess eine deutliche Effizienzsteigerung erfahren.
Als
erstes Beispiel eines Anwendungsgebietes des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sei die Steuerung adaptiver Computersysteme erwähnt. Da die Pupillengröße als physisches
Korrelat einer mentalen Beanspruchungssituation dient, ist durch
die Vermessung der Pupille das aktuelle Niveau der mentalen Beanspruchung
des Nutzers in Echtzeit möglich.
Der Arbeitsrechner kann mittels der Daten des pupillometrischen
Verfahrens die Schwierigkeit der Anwendung so steuern, dass immer
ein möglichst
günstiges
Belastungsniveau des Nutzers gegeben ist. Durch die Abstimmung zwischen
Nutzerfähigkeit
und Belastung durch das Programm kann eine gute Lernleistung mittels
Flow-Erleben erreicht werden.
Als
zweites Beispiel eines Anwendungsgebietes des erfindungsgemäßen Verfahrens
und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sei die Medienanalyse erwähnt.
Durch die Messung der mentalen und emotionalen Beanspruchung des
Rezipienten können
wichtige Analysedaten für
die Medienforschung bereitgestellt werden, beispielsweise bei Werbefilmen,
Krimis oder Computeranwendungen. In diesem Bereich kann ein auf
das erfindungsgemäße Verfahren
beruhende Bio-Feedback-Gerät
das bisher gängige
Verfahren der Messung des Hautleitwertes vorteilhaft ersetzten,
da die Pupille der schnellere und genauere Indikator für die Aktivität des autonomen Nervensystems
ist. Weiterhin sind keine störenden Verkabelungen
des Nutzers notwendig.