Using cardiovascular measures for adaptive automation

Adaptieve automatisering betekent zoveel als een technologisch ingerichte werkomgeving die zich aanpast aan de gebruiker. Binnen het onderzoeksgebied adaptieve automatisering worden technologische systemen ontwikkeld die flexibel zijn en zich kunnen aanpassen aan de specifieke behoeften en eisen van de individuele mens. Het idee is dat het hele systeem (mens en machine samen) het best functioneert als de werklast van de mens op een optimaal niveau wordt gehouden. Enerzijds moet voorkomen worden dat de hele taak geautomatiseerd wordt, zodat de menselijke bestuurder niet meer snel en adequaat kan ingrijpen als er iets mis gaat met het geautomatiseerde systeem. Anderzijds moet voorkomen worden dat oververmoeidheid en concentratieverlies optreden door een voortdurende (te) hoge werklast . Meten is weten. Een belangrijke eerste voorwaarde om de werklast op een adequaat niveau te houden is deze te kunnen meten. Een geschikte manier om mentale belasting te bepalen is met behulp van fysiologische methoden, in het bijzonder met behulp van hartslag, bloeddruk en ademhalingsmaten. In de literatuur is er nog enige onduidelijkheid over de relatie tussen mentale inspanning en de psychofysiologische reacties daarop. In dit proefschrift worden een aantal onduidelijkheden over deze relatie verklaard aan de hand van een onderscheid dat gemaakt wordt tussen toestand-gerelateerde (of compensatoire) effecten en korte termijn effecten die naar verwachting meer rechtstreeks verband houden met veranderingen in de taakeisen. De toestand gerelateerde effecten zijn pogingen van het lichaam om te herstellen van langdurige inspanning en terug te keren naar een evenwichtssituatie. De korte termijn effecten ontstaan doordat het lichaam reageert op momentane verschillen in werklast waar het lichaam energie voor moet leveren. In het beschreven onderzoek is een aantal experimenten in een gesimuleerde ambulancemeldkamer en in een rijsimulator uitgevoerd op basis waarvan een nieuwe methode is ontwikkeld die meer inzicht geeft in de momentane werklast van de mens. Deze methode leent zich ook uitstekend voor gebruik bij adaptieve automatisering. In het kort kan worden gezegd dat de toestandseffecten, met andere woorden het herstellen van inspanning, de effecten die door de huidige werklast worden veroorzaakt, in veel werksituaties overschaduwen. Hierdoor zijn de directe effecten van werklastveranderingen vaak niet zichtbaar. De oplossing die in dit proefschrift wordt beschreven is een keuze voor korte termijn cardiovasculaire maten. Daarmee zijn verschillen in hartslag, hartslagvariabiliteit en andere cardiovasculaire maten nog steeds zichtbaar in de korte termijn respons-patronen, ondanks de aanwezigheid van de toestandseffecten. De korte termijn analyse berust op een tijd-frequentie methode waarbij de variabiliteit van de cardiovasculaire maten wordt berekend in tijdsegmenten van 30 seconden. Deze methode is getoetst in experimenten die opnieuw in de ambulance meldkamer simulatie en rijsimulator zijn uitgevoerd. De conclusie is dat de verschillen in gevonden effecten in eerder beschreven onderzoek m.b.t. werkbelastingmaten in belangrijke mate verklaard kunnen worden uit de compenserende werking van het bloeddrukregulatie systeem. De compenserende werking van het bloeddrukregulatiesysteem nivelleert de directe effecten van mentale inspanning en maakt daarmee de interpretatie van de werklast-effecten op de cardiovasculaire maten moeilijker. 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, krijgen we meer zicht op de echte taakgerelateerde mentale inspanning. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van betere mentale werklast-maten die bruikbaar zijn bij adaptieve automatisering

Cardiovascular state changes in simulated work environments

The usefulness of cardiovascular measures as indicators of changes in cognitive workload has been addressed in several studies. In this paper the question is explored whether cardiovascular patterns in heart rate, blood pressure, baroreflex sensitivity and HRV that are found are consistent within and between two simulated working environments. Two studies, were performed, both with 21 participants: one in an ambulance dispatch simulation and one in a driving simulator. In the ambulance dispatcher task an initial strong increase in blood pressure is followed by a moderate on-going increase in blood pressure during the next hour of task performance. This pattern is accompanied by a strong increase in baroreflex sensitivity while heart rate decreases. In the driving simulator study, blood pressure initially increases but decreases almost to baseline level in the next hour. This pattern is accompanied by a decrease in baroreflex sensitivity, while heart rate decreases. Results of both studies are interpreted in terms of autonomic control (related to both sympathetic and para-sympathetic effects), using a simplified simulation of a baroreflex regulation model. Interpretation of the results leads to the conclusion that the cardiovascular response patterns in both tasks are a combination of an initial defensive reaction, in combination with compensatory blood pressure control. The level of compensatory blood pressure control, however, is quite different for the two tasks. This helps to understand the differences in response patterns between the two studies in this paper and may be helpful as well for understanding differences in cardiovascular response patterns in general. A substantial part of the effects observed during task performance are regulatory effects and are not always directly related to workload manipulations. Making this distinction may also contribute to the understanding of differences in cardiovascular response patterns during cognitive workload

Using cardiovascular measures for adaptive automation

Adaptieve automatisering betekent zoveel als een technologisch ingerichte werkomgeving die zich aanpast aan de gebruiker. Binnen het onderzoeksgebied adaptieve automatisering worden technologische systemen ontwikkeld die flexibel zijn en zich kunnen aanpassen aan de specifieke behoeften en eisen van de individuele mens. Het idee is dat het hele systeem (mens en machine samen) het best functioneert als de werklast van de mens op een optimaal niveau wordt gehouden. Enerzijds moet voorkomen worden dat de hele taak geautomatiseerd wordt, zodat de menselijke bestuurder niet meer snel en adequaat kan ingrijpen als er iets mis gaat met het geautomatiseerde systeem. Anderzijds moet voorkomen worden dat oververmoeidheid en concentratieverlies optreden door een voortdurende (te) hoge werklast . Meten is weten. Een belangrijke eerste voorwaarde om de werklast op een adequaat niveau te houden is deze te kunnen meten. Een geschikte manier om mentale belasting te bepalen is met behulp van fysiologische methoden, in het bijzonder met behulp van hartslag, bloeddruk en ademhalingsmaten. In de literatuur is er nog enige onduidelijkheid over de relatie tussen mentale inspanning en de psychofysiologische reacties daarop. In dit proefschrift worden een aantal onduidelijkheden over deze relatie verklaard aan de hand van een onderscheid dat gemaakt wordt tussen toestand-gerelateerde (of compensatoire) effecten en korte termijn effecten die naar verwachting meer rechtstreeks verband houden met veranderingen in de taakeisen. De toestand gerelateerde effecten zijn pogingen van het lichaam om te herstellen van langdurige inspanning en terug te keren naar een evenwichtssituatie. De korte termijn effecten ontstaan doordat het lichaam reageert op momentane verschillen in werklast waar het lichaam energie voor moet leveren. In het beschreven onderzoek is een aantal experimenten in een gesimuleerde ambulancemeldkamer en in een rijsimulator uitgevoerd op basis waarvan een nieuwe methode is ontwikkeld die meer inzicht geeft in de momentane werklast van de mens. Deze methode leent zich ook uitstekend voor gebruik bij adaptieve automatisering. In het kort kan worden gezegd dat de toestandseffecten, met andere woorden het herstellen van inspanning, de effecten die door de huidige werklast worden veroorzaakt, in veel werksituaties overschaduwen. Hierdoor zijn de directe effecten van werklastveranderingen vaak niet zichtbaar. De oplossing die in dit proefschrift wordt beschreven is een keuze voor korte termijn cardiovasculaire maten. Daarmee zijn verschillen in hartslag, hartslagvariabiliteit en andere cardiovasculaire maten nog steeds zichtbaar in de korte termijn respons-patronen, ondanks de aanwezigheid van de toestandseffecten. De korte termijn analyse berust op een tijd-frequentie methode waarbij de variabiliteit van de cardiovasculaire maten wordt berekend in tijdsegmenten van 30 seconden. Deze methode is getoetst in experimenten die opnieuw in de ambulance meldkamer simulatie en rijsimulator zijn uitgevoerd. De conclusie is dat de verschillen in gevonden effecten in eerder beschreven onderzoek m.b.t. werkbelastingmaten in belangrijke mate verklaard kunnen worden uit de compenserende werking van het bloeddrukregulatie systeem. De compenserende werking van het bloeddrukregulatiesysteem nivelleert de directe effecten van mentale inspanning en maakt daarmee de interpretatie van de werklast-effecten op de cardiovasculaire maten moeilijker. 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, krijgen we meer zicht op de echte taakgerelateerde mentale inspanning. Dit heeft geleid tot de ontwikkeling van betere mentale werklast-maten die bruikbaar zijn bij adaptieve automatisering

Cumulative lateral position: a new measure for driver performance in curves

Vehicle control can be described with lateral and longitudinal control measures. The Standard Deviation of Lateral Position (SDLP) is probably the most common measure to reflect lateral control. Indices such as mean Lateral Position (MLP) and Time-to-Line Crossing (TLC) have also been used to describe driver behaviour. Even though all these measures have demonstrated their value, in some specific cases, these measures may indicate that driver behaviour is deteriorated while that may not necessarily be the case. When negotiating curves for example, most drivers prefer to not to follow the centre of the lane. We propose a new index, called the Cumulative Lateral Position (CLP), an index that does not suffer from drawbacks of the earlier mentioned measures in these conditions. We also applied the CLP in a practical case. In a simulator experiment drivers negotiated three types of curves: traditional circular (CIR), clothoid (CLO), and a new curve, a polynomial curve with continuous curvature (CON). Results show that the CLP index, unlike the older measures, is able to well summarise the trajectory on a road curve and is sensitive in distinguishing different driving behaviour with respect to variations in road geometry, even in cases where these differences are small. The proposed methodology can be used to evaluate both new and existing roads design solutions, and showed in this experiment that driving behaviour was safest in the continuous curve

Other road users’ adaptations to increase safety in response to older drivers’ behaviour

Changes in physical and cognitive abilities not only challenge the driving ability of older adults, in some situations age-related changes in driving behaviour require other road users to adapt their behaviour to maintain a safe traffic situation. In this study, we aimed to map age-related differences in driving behaviour and assess the impact on other road users. A group younger and a group older adults drove four different routes containing challenging situations (e.g., merging into motorway traffic) in a driving simulator while measures of driving behaviour were collected. Other road users’ deceleration responses to the driver's behaviour were also collected as a measure of behavioural adaptation. Our results showed similar driving performance between young and older drivers when task complexity was low, but reduced performance in older drivers when tasks requirements increased. Lower driving speed and longer waiting times that were observed in older drivers can be interpreted as compensatory behaviour aimed at creating more time to lower task requirements. Crucially, in a non-time critical situation this compensatory behaviour was found to be successful, however in a time-critical situation (merging onto a motorway) this strategy had negative side effects because other road users had to decelerate in order to keep a safe distance. Our results show the importance of anticipation and adaptation by other road users for the success of older driver's strategies and traffic safety