Beurteilung ergonomischer Fragestellungen mit Herzfrequenz und Sinusarhythmie (Indicatoren von mentaler Beanspruchung und Ermüdung)

Summary

Heart rate and 2 scores of variability of heart rate in several test series with tracking tasks are reported. These data allow determination of the suitability of the different parameters of cardiac regulation for assessing the level of stress and mental load.

Heart rate is not an especially suitable parameter for the qantification of stress (mental load) in monotonous working conditions which do not require any noticeable motor activities from the subject. Values measured during resting and working phases do not differ systematically. Even a rough scoring method of irregularity of heart rate (variance of immediately succeeding values of heart rate level per minute) allows recognition of concentration and effort during the test in suppressed arrhythmia.

Brief variations of mental load (e.g. up to 1 min) can be shown only by a scoring method for arrhythmia, which is derived from beat-to-beat heart rate and the R-R interval in the ECG, respectively (differentiation, rectification and integration of an analogous voltage output of a cardiotachometer).

Long tracking sessions cause slowing of heart beat and slight elevations of sinus arrhythmia. Increased demands on motor components is best seen in an elevated heart rate. To a certain degree, heart rate determines sinus arrhythmia. An elevated heart rate is accompanied by suppressed irregularities, and a lowered heart rate brings about increasing arrhythmia. But tests with different age groups and experiments with and without central nervous stimulants demonstrate that there is no completely negative correlation between heart rate and irregularity of cardiac activity. Sinus arrhythmia was practically constant at the same low level for several hours, whereas heart rate fell rapidly. The results indicate that elderly subjects can take the same amount of stress as young, physically fit subjects only with the help of a central nervous stimulant.

Test-retest coefficients of correlation and correlations from values within test sessions demonstrate the reliability of the sinus arrhythmia score, which can be recorded at the same time as heart rate.

In a second chapter a summary of heart rate variability and the most used methods of scoring sinus arrhythmia is represented. The results obtained in own test series are discussed and compared with data from the literature. In a conclusion a possible improvement of the method of processing individual values is pointed out and a new way of quantifying the factor “mental load” is briefly discussed.

Zusammenfassung

Es werden Ergebnisse von Pulsfrequenzmessungen und zwei VariabilitÄtsma\en dieser bei TrackingtÄtigkeiten aus mehreren Versuchsserien vorgestellt. An Hand dieser Daten sollten sich Eignung und VerlÄ\lichkeit der verschiedenen Kenndaten der Kreislaufregulation für die Beurteilung ergonomisch bedeutsamer Fragestellungen wie „mental-konzentrative Beanspruchung“ und „psychische Ermüdung“ bei lÄnger dauernden Arbeitszeiten ablesen lassen. Insofern verstehen sich die dargestellten Ergebnisse als Beitrag zur Sammlung von Erfahrungen mit dem Parameter „Sinusarhythmie“.

Bei monotonen Arbeitssituationen, die keine merklichen motorischen BetÄtigungen des „ArbeitstÄtigen“, jedoch vornehmlich stÄndige Konzentration erfordern, versagt die Pulsfrequenz als Indicator der durch die Arbeit hervorgerufenen Beanspruchung. So differieren bei bestimmten RegelungstÄtigkeiten (Tracking) infolge des nur gering höheren Energieumsatzes die Pulsfrequenzen, die wÄhrend der Arbeit und wÄhrend der Pausen gemessen wurden, nicht mehr eindeutig.

Bei einem groben Ma\ der UnregelmÄ\igkeit der Pulsfrequenz (Streuung serieller Pulsfrequenzwerte aus jeweils 1 min) können jedoch Konzentration und Anstrengung bei vorwiegend mental-konzentrativen TÄtigkeiten in erniedrigten Werten noch erkannt werden. Kurzzeitige Schwankungen der Konzentration (Beanspruchungsgrad) sind aber nur noch mit einem Ma\ der Sinusarhythmie darstellbar, das aus einer als analoge Spannung vorliegenden Pulsfrequenz durch Bildung der Summe absoluter Differenzen zwischen aufeinanderfolgenden R-Zacken-Intervallen ermittelt wird.

Der Faktor „Arbeitszeit“ führt bei der Pulsfrequenz zu erniedrigten, bei der Sinusarhythmie zu leicht erhöhten Werten. Steigende Anforderungen an motorische Komponenten durch die Art der Versuchsaufgaben lassen sich am besten durch die Pulsfrequenz belegen. über die AbhÄngigkeit einer mehr oder weniger niedrigen Arhythmie bei mehr oder weniger hoher Pulsfrequenz hinausgehend, wird durch Tests an verschiedenen Versuchspersonengruppen und durch Versuche mit bzw. ohne ein zentrales Stimulans deutlich, da\ keine alleinige negative Korrelation zwischen Pulsfrequenzpegel und Sinusarhythmie besteht. Die Ergebnisse zeigen, da\ Ältere Probanden mit Hilfe des zentralen Stimulans Ähnlich stark beansprucht werden können wie junge, körperlich in bestem Fitness-Zustand befindliche Versuchspersonen. So konnte in bestimmten Versuchen über mehrere Stunden die Sinusarhythmie gleichmÄ\ig konstant gehalten werden, wÄhrend die Pulsfrequenz relativ weniger stark abfiel als in Kontrollversuchen.

Ma\korrelationskoeffizienten aus Test-Retest-Versuchen sowie innerhalb von Versuchssitzungen demonstrieren eine gute VerlÄ\lichkeit des simultan zur Pulsfrequenz direkt ermittelbaren Ma\es der Sinusarhythmie-Integrale.

In einem zweiten Teil wird ein überblick über die HerzfrequenzvariabilitÄt und eine Zusammenstellung der gebrÄuchlichsten Ma\e der Sinusarhythmie gegeben. Die in den eigenen Testserien gewonnenen Ergebnisse werden den Daten aus der Literatur gegenübergestellt. In einer Schlu\folgerung wird auf evtl. mögliche verfahrenstechnische Verbesserungen zur Behandlung individueller Daten und zur Ermittlung der mental-konzentrativen Beanspruchung hingewiesen.