Advertisement

Methods for Measuring Mental Stress and Strain

  • Martin Schütte
Conference paper

It is generally agreed that the measurement of work stress and strain provides indication of the appropriateness of work design, i.e. information which is necessary for verifying whether working conditions are in accordance with the criteria of human-centred design (LUCZAK 1998). Accordingly, such an analysis represents an important pre-condition for the evaluation of work-systems. Furthermore an assessment of mental workload is required by legislation, such as the “Machinery Directive” or the “EU Directive on the minimum health and safety requirements for work with display screen equipment”. Both directives contain the obligation to measure mental stress of operators or employees.

Keywords

Heart Rate Variability Mental Stress Pupil Diameter Mental Workload Task Accomplishment 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. Anderson JT (1983) The architecture of cognition. Havard University Press, Cambridge.Google Scholar
  2. Apenburg E (1986) Befindlichkeitsbeschreibung als Methode der Beanspruchungsmessung. Zeitschrift für Arbeits- und Organisationspsychologie, 30: 3–14.Google Scholar
  3. Bartenwerfer H (1978) Ermüdung durch psychische Belastung. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 32: 12–14.Google Scholar
  4. Brennan RL (2001) Generalizability Theory. Springer, Berlin.zbMATHGoogle Scholar
  5. Casali JG, Wierwille WW (1983) A comparison of rating scale, secondary-task, physiological, and primary-task workload estimation techniques in a simulated flight task emphasizing communications load. Human Factors, 25: 623–641.Google Scholar
  6. Colle HA, Reid GB (2005) Estimating a mental workload redline in a simulated air-to-ground combat mission. The International Journal of Aviation Psychology, 15: 303–319.CrossRefGoogle Scholar
  7. Cooper GE, Harper RP (1969) The use of pilot rating in the evaluation of aircraft handling qualities, NASA-TN-D-5153. National Aeronautics and Space Administration, Washington.Google Scholar
  8. Debusmann E, Licher A, Mehrtens M (1991) Aufgaben im Büro analysieren und bewerten. Verlag TÜV Rheinland, Köln.Google Scholar
  9. Eilers K, Nachreiner F, Hänecke K (1986) Entwicklung und Überprüfung einer Skala zur Erfassung subjektiv erlebter Anstrengung. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 40: 215–224.Google Scholar
  10. Eilers K, Nachreiner F, Böning E (1989) Zur subjektiven Skalierung psychischer Beanspruchung – Teil 1: Experimentelle Überprüfung der Validität verankerter Relativurteile. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 43: 217–223.Google Scholar
  11. Eilers K, Nachreiner F, Böning E (1990) Zur subjektiven Skalierung psychischer Beanspruchung – Teil 2: Überprüfung der Validität verankerter Relativurteile in einer Felduntersuchung. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 44: 24–29.Google Scholar
  12. Ellison MG, Roberts BB (1985) Time based analysis of significant coordinated operations (TASCO): A cockpit workload analysis technique. In: Human Factors Society (Edt.) Proceedings of the Human Factors Society – 29th Annual Meeting – 1985. Human Factors Society, Santa Monica, 774–778.Google Scholar
  13. Endsley MR (1995) Toward a theory of situation awareness in dynamic systems. Human Factors, 37: 32–64.CrossRefGoogle Scholar
  14. Frieling E, Maier W, Michallik U, Schwan R (1979) Belastung, Beanspruchung und Zufriedenheit bei unterschiedlich organisierten Schreibtätigkeiten. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 33: 216–223.Google Scholar
  15. Frieling E, Facaoaru C, Benedix J, Pfaus H, Sonntag K (1993) Tätigkeitsanalyseinventar – Theorie, Auswertung, Praxis – Handbuch und Verfahren. Ecomed Verlagsgesellschaft, Landsberg.Google Scholar
  16. Gillmore GM, Kane MT, Naccarato RW (1978) The generalizability of student ratings of instruction: Estimation of the teacher and course components. Journal of Educational Psychology, 15: 1–13.Google Scholar
  17. Gopher D, Braune R (1984) On the psychophysics of workload: Why bother with subjective measures? Human Factors, 26: 519–532.Google Scholar
  18. Haccou P, Meelis E (1992) Statistical analysis of behavioural data – An approach based on time-structured models. Oxford University Press, Oxford.Google Scholar
  19. Haider M (1961) Direkte und indirekte Selbsteinstufungen der Auswirkungen von freier Arbeit und Fließbandarbeit. Psychologie und Praxis, 5: 1–11.MathSciNetGoogle Scholar
  20. Haider E, Rohmert W (1981) Anforderungsermittlung im Bereich der Daten- und Textverarbeitung mit einem arbeitswissenschaftlichen Erhebungsverfahren zur Tätigkeitsanalyse (DTV-AET). International Archives of Occupational and Environmental Health, 46: 203–217.CrossRefGoogle Scholar
  21. Hampel R (1977) Adjektiv-Skalen zur Einschätzung der Stimmung (SES). Diagnostica, 23: 43–60.Google Scholar
  22. Hargutt V (2001) Das Lidschlussverhalten als Indikator für Aufmerksamkeits- und Müdigkeitsprozesse bei Arbeitshandlungen, unpublished doctoral thesis. Julius-Maximilians-Universität, Würzburg.Google Scholar
  23. Harris RM, Iavecchia HP, Ross LV, Shaffer SC (1987) Microcomputer human operator simulator (HOS-IV). In: Human Factors Society (Edt.) Proceedings of the Human Factors Society – 31st Annual Meeting – 1987. Human Factors Society, Santa Monica, 1179–1183.Google Scholar
  24. Hart SG, Staveland LE (1988) Development of NASA-TLX (Task Load Index): Results of empirical and theoretical research. In: Hancock PA, Meshkati N (Eds.) Human mental workload. North-Holland, Amsterdam, 139–183.Google Scholar
  25. Hart SG, Wickens CD (1990) Workload assessment and prediction. In: Booher HR (Ed.) Manprint – An approach to systems integration. Van Nostrand Reinhold, New York, 257–296.Google Scholar
  26. Hecheltjen KG, Mertesdorf F (1973) Entwicklung eines mehrdimensionalen Stimmungsfragebogens. Gruppendynamik, 4: 110–122.Google Scholar
  27. Hendy KC, Hamilton KM, Landry LN (1993) Measuring subjective workload: When is one scale better than many? Human Factors, 35: 579–601.Google Scholar
  28. Holley CD (1989) A model for peforming system performance analysis in pre-design. In: McMillan GR, Beevis D, Salas E, Strub MH, Sutton R, van Breda L (Eds.) Applications of human performance models to system design. Plenum Press, New York, 91–99.Google Scholar
  29. Jordan P, Pohlandt A, Hacker W, Richter P (1997) REBA – Rechnergestütztes Verfahren zur psychologischen Tätigkeitsbewertung. In: Landau K, Luczak H, Laurig W (Eds.) Software-Werkzeuge zur ergonomischen Arbeitsgestaltung. Verlag Institut für Arbeitsorganisation e.V., Bad Urach, 34–52.Google Scholar
  30. Jorna PGAM (1992) Spectral analysis of heart rate and psychological state: A review of its validity as a workload index. Biological Psychology, 34: 237–257.CrossRefGoogle Scholar
  31. Käppler WD (1993) Beitrag zur Vorhersage von Einschätzungen des Fahrverhaltens. VDI-Verlag, Düsseldorf.Google Scholar
  32. Kahnemann D (1973) Attention and effort. Prentice-Hall, Englewood Cliffs.Google Scholar
  33. Kalsbeek JWH, Ettema JH (1963) Continuous recording of heart rate and the measurement of perceptual load. Ergonomics, 6: 306–307.Google Scholar
  34. Kirkpatric M, Malone TB, Andrews PJ (1984) Development of an interactive microprocessor based workload evaluation model (SIMWAM). In: Human Factors Society (Ed.) Proceedings of the Human Factors Society – 28th Annual Meeting – 1984. Human Factors Society, Santa Monica, 78–80.Google Scholar
  35. Künstler B (1980) Psychische Belasdtung durch die Arbeitstätigkeit – Theoretisches Rahmenkonzept der Entwicklung eines Fragebogens zum Belastungserleben. Probleme und Ergebnisse der Psychologie, 74: 45–66.Google Scholar
  36. Künstler B, Nelte B (1983) Zur Analyse der psychischen Beanspruchung von Flugsicherungspersonal. Verkehrsmedizin und ihre Grenzgebiete, 30: 89–97.Google Scholar
  37. Linton PM, Jahns DW, Chatelier PR (1977) Operator workload assessment model: An evaluation of a VF/VA-V/STOL system. In: North Atlantic Treaty Organization (Ed.) Methods to assess workload, AGARD Conference Proceedings No. 216. Advisory Group for Aerospace Research & Development, Neuilly sur Seine.Google Scholar
  38. Luczak H (1979) Fractioned heart rate variability. Part II: Experiments on superimposition of components of stress. Ergonomics, 22: 1315–1323.CrossRefGoogle Scholar
  39. Luczak H (1987) Psychophysiologische Methoden zur Erfassung psychophysischer Beanspruchungszustände. In: Kleinbeck U, Rutenfranz J (Eds.) Arbeitspsychologie – Wirtschafts-, Organisations- und Arbeitspsychologie, Band 1. Hogrefe, Göttingen, 185–259.Google Scholar
  40. Luczak H (1998) Arbeitswissenschaft. Springer, Berlin.Google Scholar
  41. Luczak H, Laurig W (1973) An analysis of heart rate variability. Ergonomics, 16: 85–97.CrossRefGoogle Scholar
  42. Manzey D (1998) Psychophysiologie mentaler Beanspruchung. In: Rösler F (Ed.) Ergebnisse und Anwendungen der Psychophysiologie – Enzyklopädie der Psychologie, Band 7. Hogrefe, Göttingen, 799–864.Google Scholar
  43. Matern B (1983) Psychologische Arbeitsanalyse. VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin.Google Scholar
  44. Nachreiner F, Schütte M (2002) Zur Messung psychischer Belastung und Beanspruchug. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 56: 1–3.Google Scholar
  45. Nachreiner F, Müller GF, Ernst G (1987) Methoden zur Planung und Bewertung arbeitspsychologischer Interventionsmaßnahmen. In: Kleinbeck U, Rutenfranz J (Eds.) Arbeitspsychologie – Wirtschafts-, Organisations- und Arbeitspsychologie, Band 1. Hogrefe, Göttingen, 360–439.Google Scholar
  46. Nickel P, Nachreiner F (2002) The suitability of the 0.1 Hz component of heart rate variability for the assessment of mental workload in real and simulated work situation. In: de Waard D, Brookhuis KA, Moraal J, Toffetti A (Eds.) Human factors in transportation, communication, health, and the worklplace. Shaker Publishing, Maastricht, 317–334.Google Scholar
  47. Nitsch JR (1974) Die hierarchische Struktur des Eigenszustandes – Ein Approximationsversuch mit Hilfe der Binärstrukturanalyse. Diagnostica, 20: 142–164.Google Scholar
  48. Nitsch JR (1976) Die Eigenzustandsskala (EZ-Skala) – Ein Verfahren zur hierarchisch-mehrdimensionalen Befindlichkeitsskalierung. In: Nitsch JR, Udris I (Eds.) Beanspruchung im Sport. Limpert, Bad Homurg, 81–102.Google Scholar
  49. North RA, Riley VA (1989) W/INDEX: A predictive model of operator workload. In: McMillan GR, Beevis D, Salas E, Strub MH, Sutton R, van Breda L (Eds.) Applications of human performance models to system design. Plenum Press, New York, 81–89.Google Scholar
  50. Parks DL, Boucek GP (1989) Workload prediction, diagnosis, and continuing challenges. In: McMillan GR, Beevis D, Salas E, Strub MH, Sutton R, van Breda L (Eds.) Applications of human performance models to system design. Plenum Press, New York, 47–63.Google Scholar
  51. Pfendler C, Schubert KP (1985) Assessment of operator input-load with highly automated engine control tasks. In: Willumeit HP (Ed.) Human decision making and manual control. North-Holland, Amsterdam, 173–183.Google Scholar
  52. Pfendler C, Schweingruber J (1996) Übersicht über rechnergestützte Methoden zur Beanspruchungsermittlung. Forschungsgesellschaft für angewandte Naturwissenschaften e.V., Wachtberg.Google Scholar
  53. Plath HE, Richter P (1984) Ermüdung-Monotonie-Sättigung-Stress. Psychodiagnostisches Zentrum der Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin.Google Scholar
  54. Reid GB, Colle HA (1988) Critical SWAT values for predicting operator workload. In: Human Factors Society (Ed.) Proceedings of the Human Factors Society – 32nd Annual Meeting – 1988. Human Factors Society, Santa Monica, 1414–1418.Google Scholar
  55. Reid GB, Nygren TE (1988) The subjective workload assessment technique: A scaling procdure for measuring mental workload. In: Hancock PA, Meshkati N (Eds.) Human mental workload. North-Holland, Amsterdam, 185–218.Google Scholar
  56. Resch M (1994) VERA-G. In: Volpert W (Ed.) Humanwissenschaft der Arbeit – ein Rückblick. Institut für Humanwissenschaft in Arbeit und Ausbildung der Technischen Universität Berlin, Berlin, 61–64.Google Scholar
  57. Rößger P (1999) Das Verhalten des Pupillendurchmessers bei einfachen Entscheidungen. In: Rötting M, Seifert K (Eds.) Blickbewegungen in der Mensch-Maschine-Systemtechnik. Pro Universitate Verlag, Sinzheim, 163–172.Google Scholar
  58. Roscoe AH (1987) In-flight assessment of workload using pilot ratings and heart rate. In: Roscoe AH (Ed.) The practical assessment of pilot workload, AGARDograph No. 282. Advisory Group for Aerospace Research & Development, Neuilly sur Seine, 78–82.Google Scholar
  59. Rouse WB (1980) System engineering models of human-machine interaction. North-Holland, New York.Google Scholar
  60. Rubio S, Diaz E, Martin J, Puente JM (2004) Evaluation of subjective mental workload: A comparison of SWAT, NASA-TLX, and Workload Profile methods. Applied Psychology: An International Review, 53: 61–86.Google Scholar
  61. Rudolph E,Schönfelder E, Hacker W (1987) Tätigkeitsbewertungssystem – Geistige Arbeit. Psychodiagnostisches Zentrum – Sektion Psychologie der Humoldt-Universität zu Berlin, Berlin.Google Scholar
  62. Sanders AF (1983) Towards a model of stress and human performance. Acta Psychologica, 53: 61–97.CrossRefGoogle Scholar
  63. Senders JW(1964) The human operator as a monitor and controller of multidegree of freedom systems. IEEE Transactions on Human Factors in Electronics, 5: 2–5.CrossRefGoogle Scholar
  64. Schütte M (1999) Mental strain and the problem of repeated measurement. Ergonomics, 42: 1665–1678.CrossRefGoogle Scholar
  65. Schütte M (2001) Diagnostizität und Sensitivität von Beanspruchungsmessverfahren. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 55: 39–48.Google Scholar
  66. Schütte M (2002) Bestimmung der bedingungsbezogenen Messgenauigkeit der Anstrengungsskala. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 56: 37–45.Google Scholar
  67. Schütte M, Ge S, Hertting-Thomasius R (1994) An analysis of the subjective strain perceived by parcel-deliverers. International Journal of Industrial Ergonomics, 13: 15–23.CrossRefGoogle Scholar
  68. Schütte M, Nickel P (2002) Multivariate Analyse der bedingungsbezogenen Messgenauigkeit von Beanspruchungsindikatoren. Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, 56: 55–66.Google Scholar
  69. Sheridan TB, Ferell WR (1974) Man-Machine-Systems: Information, control, and decision models of human performance. MIT Press, Cambridge.Google Scholar
  70. Sternberg S (1969) The discovery of processing stages: Extension of Donders’ method. Acta Psychologica, 30: 276–315.CrossRefGoogle Scholar
  71. Stone G, Gulick RK, Gabriel RF (1983) Use of task timeline analysis to assess crew workload. In: Roscoe AH (Ed.) The practical assessment of pilot workload, AGARDograph No. 282. Advisory Group for Aerospace Research & Development, Neuilly sur Seine.Google Scholar
  72. Tielsch R, Hofmann A, Häcker H (1993) FEMA – Fragebogen zur Erfassung mentaler Arbeitsbelastungen – Erste Ergebnisse einer Validierungsstudie im industriellen Bereich. Zeitschrift für Arbeits- und Organisationspsychologie, 37: 86–94.Google Scholar
  73. Tsang PS, Velazquez VL (1996) Diagnosticity and multidimensional subjective workload ratings. Ergonomics, 39: 358–381.CrossRefGoogle Scholar
  74. Vidulich MA, Ward GF, Schueren J (1991) Using the subjective workload dominance (SWORD) technique for projective workload assessment. Human Factors, 33: 677–691.Google Scholar
  75. Wächter H, Modrow-Thiel B, Roßmann G (1989) Persönlichkeitsförderliche Arbeitsgestaltung – Die Entwicklung des arbeitsanalytischen Verfahrens ATAA. Hampp, München.Google Scholar
  76. Wickens CD (1984) Processing resources in attention. In: Parasuraman R, Davies DR (Eds.) Varieties of attention. Academic Press, Orlando, 63–102.Google Scholar
  77. Wierwille WW, Eggemeier FT (1993) Recommendations for mental workload measurement in a test and evaluation environment. Human Factors, 35: 263–281.Google Scholar
  78. Zadeh LA (1965) Fuzzy sets. Information and Control, 8: 338–353.zbMATHCrossRefMathSciNetGoogle Scholar
  79. Zijlstra F, van Doorn L (1985), The construction of a scale to measure subjective effort, unpublished report. Universität Groningen, Groningen.Google Scholar

Laws

  1. Council Directive of 29 May 1990 on the minimum safety and health requirements for work with display screen equipment (fifth individual directive within the meaning of article 16 (1) of directive 87/391/EEC), L156, Official Journal of the European Union, 21. 6. 1990Google Scholar
  2. Directive 2006/42/EC of the European Parliament and of the Council of 17 May 2006 on machinery, and amending Directive 95/16/EC (recast), L157/24, Official Journal of the European Union, 9. 6. 2006.Google Scholar

Standards

  1. DIN EN ISO 10075-1 (2000) Ergonomische Grundlagen bezüglich psychischer Arbeitsbelastung – Teil 1: Allgemeines und Begriffe. Beuth, Berlin.Google Scholar
  2. DIN EN ISO 10075-3 (2004) Ergonomische Grundlagen bezüglich psychischer Arbeitsbelastung - Teil 3: Grundsätze und Anforderungen an Verfahren zur Messung und Erfassung psychischer Arbeitsbelastung. Beuth, Berlin.Google Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009

Authors and Affiliations

  • Martin Schütte
    • 1
  1. 1.Leibniz Research Center for Working Environment and Human FactorsDortmundGermany

Personalised recommendations