Hoofdstuk 3: Cardiovasculaire toestandsveranderingen in gesimuleerde werkomgevingen

Transcriptie

1

2 Een inspirerende nieuwe fase in het onderzoek naar mens-computer interactie heeft zich aangediend met het ontstaan van adaptieve automatisering. Binnen dit onderzoeksgebied worden technologische systemen ontwikkeld die zich aanpassen aan de behoeften en eisen van de mens als operator (Duric et al.., 2002). De algemene aanpak binnen dit werkterrein is gebaseerd op het idee dat het hele systeem (mens en machine samen) het best functioneert als de werklast van de operator op een optimaal niveau wordt gehouden (Parasuraman et al., 1992;. Rouse, 1988). Enerzijds moet voorkomen worden dat de hele taak geautomatiseerd wordt, zodat de menselijke bestuurder niet meer adequaat kan ingrijpen als er iets mis gaat met het geautomatiseerde systeem. Anderzijds moet voorkomen worden dat de werklast van de menselijke operator gedurende lange tijd te hoog blijft, zodat oververmoeidheid en concentratieverlies optreden. Een manier om mentale belasting te bepalen is met behulp van cardiovasculaire indices. Sommige onderzoekers hebben vraagtekens geplaatst bij de bruikbaarheid van dergelijke maten in (semi-) realistische werkomgevingen. Deze kritiek is ontstaan omdat er soms tegenstrijdige resultaten en inconsistenties worden gevonden, in de relatie tussen mentale inspanning en psychofysiologische reacties (Veltman en Gaillard, 1996; Sirevaag et al., 1993;. Mulder, 1992; Wilson, 1992; Jorna, 1992; Porges en Byrne, 1992). Het eerste doel van dit proefschrift was om de relatie tussen taak-gerelateerde mentale inspanning en cardiovasculaire responses beter te begrijpen. Het tweede doel was om een nieuwe methode te ontwikkelen die meer inzicht geeft in de momentane werklast van de operator en die geschikt is voor het boven geschetste werkterrein. Ter verduidelijking werd een onderscheid gemaakt tussen toestand-gerelateerde (of compensatoire) effecten en korte termijn effecten die waarschijnlijk meer rechtstreeks verband houden met veranderingen in de taakeisen. De toestand gerelateerde effecten waren met name het gevolg van langdurige inspanning waarvan het fysiologisch systeem probeert te herstellen. De verwachting was dat (korte termijn) effecten meer rechtstreeks verband houden met veranderingen in de taakeisen en de reactie op deze eisen door de operator. De methoden die zijn gebruikt voor data-acquisitie, verwerking en analyse zijn beschreven in hoofdstuk twee. In hoofdstuk drie werd de relatie tussen inspanning en (compensatoire) effecten onderzocht door de resultaten van twee langdurende experimenten (twee tot drie uur) in een rijsimulator en een ambulance meldkamer te vergelijken. In hoofdstuk vier werden de inzichten die waren opgedaan in hoofdstuk drie gebruikt om een alternatieve (korte termijn) methode te beschrijven voor de analyse van cardiovasculaire maten, die minder gevoelig was voor de gevolgen van langdurig inspanning en gevoeliger voor directe veranderingen in taakeisen. De methode werd in dit hoofdstuk bestudeerd in een ambulance meldkamer omgeving. In hoofdstuk vijf werd deze korte termijn methode toegepast in een rijsimulator om de generaliseerbaarheid en robuustheid van de methode verder te onderzoeken. Het laatste hoofdstuk bevat een discussie van de implicaties en betekenis van de gevonden effecten. 114

3 Hoofdstuk 3: Cardiovasculaire toestandsveranderingen in gesimuleerde werkomgevingen De bruikbaarheid van cardiovasculaire maten als indices van mentale inspanning en cognitieve belasting is beschreven in verschillende onderzoeken. In dit hoofdstuk werd de vraag onderzocht of cardiovasculaire patronen van hartslag, hartslag variabiliteit, bloeddruk en baroreflexgevoeligheid consistent zijn binnen en tussen twee gesimuleerde werkomgevingen. Twee onderzoeken werden beschreven, beide met 21 deelnemers: één in een gesimuleerde ambulance meldkamer en één in een rijsimulator. Bij het uitvoeren van de meldkamertaak werd initieel een sterke stijging van de bloeddruk gevonden. Vervolgens werd een voortdurende stijging van de bloeddruk gemeten tijdens het volgende uur van taakuitvoering. Dit patroon ging gepaard met een sterke toename van de baroreflexgevoeligheid en een daling van de hartslag. In het onderzoek in de rijsimulator, steeg de bloeddruk aanvankelijk maar daalde daarna bijna tot het rustniveau in het volgende uur. Dit patroon ging gepaard met een daling van de baroreflexgevoeligheid en een daling van de hartslag. De resultaten van beide onderzoeken werden geïnterpreteerd in termen van autonome controle (sympathische en parasympatische effecten), met behulp van een vereenvoudigde simulatie van een model van de korte termijn bloeddrukregulatie (baroreflex). Deze resultaten leiden tot de conclusie dat de cardiovasculaire respons-patronen, bij het uitvoeren van beide taken een combinatie waren van eerst een defensieve reactie met vervolgens een compenserende werking van het parasympatische deel van het autonome zenuwstelsel om voor de gestegen bloeddruk te corrigeren. Het niveau van compenserende bloeddrukcontrole was echter behoorlijk verschillend voor de twee taken. Het patroon van resultaten leverde een bijdrage om de verschillen in reactiepatronen tussen de twee onderzoeken te begrijpen en de gehanteerde onderzoeksaanpak kan in het algemeen zinvol zijn voor het begrijpen van verschillen in cardiovasculaire reactiepatronen. Een substantieel deel van de waargenomen effecten tijdens taakuitvoering waren compenserende regulatieeffecten en waren als zodanig niet altijd direct gerelateerd aan manipulaties van de taakeisen. Geconcludeerd kan worden dat het maken van dit onderscheid bijdraagt aan het beter begrijpen van de verschillen in cardiovasculaire responspatronen tijdens cognitieve belasting. Hoofdstuk 4: Cardiovasculaire korte termijn effecten op veranderende taakeisen In dit hoofdstuk stond de vraag centraal hoe we bruikbare maten voor mentale inspanning kunnen ontwikkelen die met name gevoelig zijn voor veranderingen in mentale inspanning en minder voor andere invloeden. Het startpunt was de kennis die was opgedaan in hoofdstuk drie over de compensatoire effecten van de baroreflex en hoe deze andere cardiovasculaire effecten kunnen 115

4 overschaduwen. Door dit overschaduwen kan de bruikbaarheid van cardiovasculaire maten voor het bepalen van de effecten van taakgerelateerde mentale inspanning verminderen. Een bruikbare oplossing bleek de keuze van korte termijn cardiovasculaire maten. Ondanks de aanwezigheid van effecten van de baroreflex, bleken verschillen in hartslag, hartslagvariabiliteit en andere cardiovasculaire maten nog steeds zichtbaar in de korte termijn respons-patronen. De korte termijn analyse beschreven in dit hoofdstuk is gebaseerd op een tijd-frequentie methode waarbij de spectrale power van de cardiovasculaire maten wordt berekend in tijdsegmenten van 30 seconden. Om de effectiviteit van deze techniek aan te tonen zijn twee simulatiestudies uitgevoerd in de ambulance meldkamertaak, beide met zowel lage en hoge werklast omstandigheden. Een kortdurende stijging van de taaklast bleek te worden weerspiegeld in een kortdurende toename van hartslag en bloeddruk in combinatie met bijbehorende afname in hartslagvariabiliteit en bloeddrukvariabiliteit. Deze effecten waren beter zichtbaar tijdens lage taaklast dan tijdens hoge taaklast. Dit was waarschijnlijk het gevolg van een voortdurend hoger inspanningsniveau tijdens de zware taaklast, waardoor kleine variaties in inspanning niet naar voren kwamen. Op basis van de resultaten werd geconcludeerd dat cardiovasculaire maten nog steeds goede kandidaten zijn voor het bepalen van mentale inspanning tijdens de taakuitvoering indien de korte termijnbenadering wordt toegepast. Hoofdstuk 5: Cardiovasculaire korte termijn indices voor bestuurdersondersteuning De korte termijn aanpak die in hoofdstuk vier werd beschreven, is in de experimenten beschreven in hoofdstuk vijf verder getest in een rijsimulator om de bruikbaarheid in andere domeinen te onderzoeken. Met de voortdurende stijging van de verkeersintensiteit en de beschikbaarheid van meer en meer technologie in de auto is overbelasting van de bestuurder een serieus probleem geworden. Om de werklast van de chauffeur te optimaliseren, worden er daarom ondersteunende systemen voorgesteld om deze werklast automatisch aan te passen. In dit hoofdstuk werd de korte termijn cardiovasculaire aanpak gebruikt om de mentale inspanning van de bestuurder te bepalen als mogelijke input voor zulke ondersteunende systemen. Net als in de meldkamer simulatie bleken de korte termijn maten erg gevoelig te zijn voor veranderingen in werklast in de rijtaak. Ook daar lijken ze minder beïnvloed te worden door de compenserende effecten van de het bloeddrukregulatiesysteem. Twee niveaus van verkeersdichtheid (in segmenten van 7,5 minuten) werden vergeleken waarin in beide condities korte segmenten (40 seconden) van mist werden gebruikt om de werklast tijdelijk extra te verhogen. Hogere verkeersdichtheid werd weerspiegeld in verhoogde systolische bloeddruk en verlaagde bloeddruk variabiliteit. De hartslagvariabiliteit en bloeddrukvariabiliteit daalde tijdens het rijden in de mist in de lage verkeersintensiteit conditie. De cardiovasculaire korte termijn indices bleken niet beïnvloed te worden door de compenserende 116

5 effecten van het bloeddrukregulatiesysteem. De resultaten toonden aan dat de cardiovasculaire maten in de beschreven korte termijn aanpak de werklast in een rijdende taak goed weerspiegelen. Discussie en conclusies In hoofdstuk drie vonden we twee karakteristieke, verschillende cardiovasculaire patronen als functie van de werktijd voor de twee werkomgevingen. Net zoals bij eerder onderzoek in de literatuur, kunnen de effecten goed verklaard worden uit de context en de belangrijkste taakkenmerken. De verschillen tussen de twee onderzoeken konden echter ook in belangrijke mate mede verklaard worden uit de compenserende werking van het bloeddrukregulatie systeem (de baroreflex). Uit de vergelijking in hoofdstuk drie kon worden geconcludeerd dat door een beter begrip van de baroreflex-mechanismen, de gevonden resultaten beter te begrijpen en beter bruikbaar zijn. Hieruit is de conclusie getrokken dat de compenserende werking van het bloeddrukregulatie systeem de interpretatie van de werklast-effecten op de cardiovasculaire maten moeilijker maakt tijdens langdurige inspanning. Dit geldt met name voor de hartslag en hartslagvariabiliteit. Door onderscheid te maken tussen effecten die direct gerelateerd zijn aan de taakeisen en effecten die veroorzaakt worden door het bloeddruk regulatiesysteem, waren we in staat om een aantal van deze effecten te verklaren. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van betere werklast-maten die bruikbaar zijn bij adaptieve automatisering. De eindconclusie is daarom dat het bestuderen van cardiovasculaire maten op een kleinere tijdschaal kansen biedt voor een beter onderscheid tussen (korte termijn) mentale belasting-effecten en compenserende effecten van het bloeddruk regulatiesysteem, omdat deze compenserende mechanismen voornamelijk werken op een grotere tijdschaal. 117

6