15.02.2011 •

    PSYCHO-PHYSIOLOGISCHE LEISTUNGSPARAMETER IM SOLDATENBERUF: MULTI-METHODALES VORGEHEN ERÖFFNET NEUE PERSPEKTIVEN

    Aus der Laborabteilung IV -Wehrmedizinische Ergonomie und Leistungsphysiologie- (Leiter: Oberstarzt Prof. Dr. Dr. D. Leyk) am Zentralen Institut des Sanitätsdienstes der Bundeswehr Koblenz (Leiter: Flottenarzt Dr. H. Bergmann)¹ dem Institut für Physiologie und Anatomie an der Deutschen Sporthochschule Köln² und der Abteilung PSZ III (Leiter: Generalleutnant W. Born) im Bundesministerium der Verteidigung Bonn³

    Von Alexander Witzki¹, Alexander Sievert², Willi Gorges¹, Karl Jochen Glitz¹, Günter Kreim³ und Dieter Leyk¹,²

    Zusammenfassung

    Hintergrund:

    Die psycho-physiologische Leistungsfähigkeit ist in Folge des hohen Technisierungsgrades bei militärischen Arbeitsaufgaben von zentraler Bedeutung für die erfolgreiche Auftragserfüllung.

    Valide Daten zum Leistungsverhalten unter realitätsnahen Arbeitsund Belastungssituationen fehlen weitgehend. Auch aus dem zivilen Forschungsbereich können entsprechende Kenntnisse nicht einfach übertragen werden.

    Methoden:

    In einem integrativen, multi-methodalen Gesamtkonzept werden nach standardisierten, reproduzierbaren Kriterien Arbeitsund Umweltbedingungen nachgebildet und ihre Wechselwirkungen mit physischen und psychologischen Leistungsanforderungen erfasst. Die Simulation multifaktorieller Belastungssituationen erfolgt mittels verschiedener Testumgebungen (KaSimiR, Laufbandergometer, Klimakammer). Speziell für die Anforderungen militärischer Tätigkeiten entwickelte oder angepasste psychologische Testverfahren werden zur Analyse relevanter Leistungsanforderungen bzw. Leistungsveränderungen verwendet. Physiologische Reaktionen auf Belastungen können zum Beispiel durch kardiovaskuläre Parameter und die berührungsfrei ermittelte okulomotorische Aktivität gemessen werden.

    Ergebnisse/Schlussfolgerungen:

    Das praktizierte interdisziplinäre, multi-methodale Vorgehen bietet einmalige Bedingungen zur Erforschung psycho-physiologischer Leistungsprofile und wichtiger Einzelfaktoren.

    Indicators of psycho-physiological performance in soldiering: Opening new perspectives with a multi-method approach

    Summary Background:

    Due to the high level of mechanization in the military working environment, cognitive performance is a key element for mission success. Reliable data on task-related performance characteristics are frequently unavailable. Findings from research in civilian workplaces are hardly transferable into the military setting.

    Methods:

    An integrative multi-methodal concept is used to replicate working and environmental conditions according to standardized criteria and to capture their interactions with physical and psychological performance requirements. Several test environments (KaSimiR, treadmill, climate chamber) are available for the simulation of multi-factored situations. Psychological tests either developed or adapted to reflect military task requirements are used to analyze relevant changes and characteristics of performance. Examples of employed physiological indicators are cardiovascular parameters and non-invasive monitoring of oculomotoric activity.

    Conclusions:

    The described interdisciplinary and multi-method approach provides unique opportunities for research into psycho-physiological profiles of performance as well as individual factors.

    1. Einführung

    Posttraumatische Belastungsstörungen sind in den vergangen Jahren immer mehr in den Fokus der Bundeswehr und der öffentlichen Wahrnehmung getreten. Dagegen haben Fragen der psycho-physiologischen Leistungsfähigkeit, die in Folge des hohen Technisierungsgrades bei militärischen Arbeitsaufgaben immer größere Bedeutung gewinnt, bisher wenig Beachtung gefunden. Dabei sind viele militärische Schlüsselaufgaben, wie Luftraumüberwachung oder Drohnensteuerung, stark bildschirmorientiert und mit hohen kognitiven Leistungsanforderungen verbunden. Dies gilt zunehmend auch für die klassischen soldatischen Tätigkeiten. So wird zum Beispiel die zukünftige infanteristische Ausrüstung eine Vielzahl von diffizilen informationstechnologischen Komponenten und technischen Unterstützungssystemen enthalten.

    Da kognitiv fordernde Arbeitsaufgaben oft mit hoher Verantwortlichkeit verbunden sind, kann das Nachlassen der mentalen Leistungsfähigkeit schwerwiegende Folgen haben. Typische Fehlleistungen sind übersehene Informationen, reduziertes Reaktionsvermögen, verzögerte oder möglicherweise sogar falsche Entscheidungen, die Auswirkungen auf Leben und Gesundheit besitzen. So belegen statistische Erhebungen des U. S. Army Combat Readiness Centers [1], dass etwa 80 – 85 % aller militärischen Unfälle in einem direkten Zusammenhang mit kognitiven Leistungsabfällen stehen. Deshalb sind valide Kenntnisse zum Leistungsverhalten unter realitätsnahen Arbeits- und Belastungssituationen von entscheidender Bedeutung. Nur durch die Quantifizierung entsprechender Leistungsprofile können fähigkeitsrelevante Veränderungen festgestellt und wirksame Interventionsmaßnahmen entwickelt werden.

    Die analytische Betrachtung einsatzspezifischer Arbeitssituationen erfordert jedoch eine erweiterte Perspektive. Die Verbindung von hohen psychophysischen Anforderungen mit zum Teil extremen Arbeits- und Umweltbedingungen stellt ein multifaktorielles Belastungsgefüge dar, das in der zivilen Arbeitswelt kaum Analogien hat. Deshalb hilft die methodische Untersuchung von Einzelfaktoren nicht weiter. Wie in Abbildung 1 dargestellt, nehmen insbesondere die Wechselwirkungen zwischen den exogenen Situationsgegebenheiten und den endogenen Leistungsfähigkeiten der einzelnen Soldaten eine zentrale Rolle ein.

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    Abb 1: Leistungs- und Tätigkeitsprofil des Soldaten: Multifaktorielle Belastungssituation

     

    Aufgrund der militärspezifischen Arbeitsbedingungen ist die Übertragbarkeit arbeitswissenschaftlicher Grundsätze und Erfahrungen aus dem zivilen Forschungsbereich nur eingeschränkt möglich. Dementsprechend müssen eigene Untersuchungsverfahren realisiert werden, mit denen Arbeitsleistungen nach wissenschaftlichen Kriterien erfasst und bewertet werden können [2]. Die Koblenzer Forschungseinrichtung verfolgt diesen Weg mit einem integrativen, multi-methodalen Gesamtkonzept. Im Vordergrund steht die in Abbildung 1 dargestellte multifaktorielle Belastungssituation, die nach standardisierten und reproduzierbaren Kriterien in verschiedenen Testumgebungen nachgebildet wird. Dies ermöglicht die Simulation relevanter Arbeits- und Umgebungsbedingungen sowie die Kontrolle externer Stressoren und bietet somit die Rahmenvoraussetzungen für realitätsnahe empirische Studien. Die mentale Leistungsfähigkeit und die physiologische Belastung werden durch spezifische psychologische Verfahren und physiologische Indikatoren erfasst. Hierbei eröffnet insbesondere die Verknüpfung von psychologischen und physiologischen Daten aussagekräftige Interpretationsmöglichkeiten mit hohem Praxisbezug.

    Im Folgenden werden einzelne Komponenten dieses innovativen Konzepts und ihre Stärken exemplarisch dargestellt, bevor abschließend die Perspektiven und das Forschungspotenzial diskutiert werden.

    2. Methoden

    2.1 Simulation von multifaktoriellen Belastungssituationen

    Um Veränderungen der psycho-physiologischen Leistungsfähigkeit durch gezielten Einsatz von Stressoren provozieren und bewerten zu können, müssen reproduzierbare Untersuchungsbedingungen geschaffen werden, die wesentliche Elemente einer Arbeitsumgebung realistisch simulieren. Zu diesem Zweck wurden auf der Grundlage positiver Ethikvoten Testumgebungen für sitzende und stehende Tätigkeiten sowie für Tätigkeiten in Verbindung mit körperlicher Bewegung realisiert. Das vielfältigste Untersuchungspotenzial und den differenziertesten Ansatz bietet der Kabinen- Simulator mit integrierter Regeleinrichtung (KaSimiR). Hierbei wurde ein beengter, hermetisch abgeschotteter Sitzarbeitsplatz (vergleichbar mit der Fahrerkabine eines militärischen Fahrzeugs oder einem Kabinenarbeitsplatz) nachgebildet. KaSimiR besteht aus zwei einzelnen, weitgehend identischen Modulen, welche die gleichzeitige Untersuchung von zwei Probanden ermöglichen (Abb 2 - linkes Bild). Zur Kontrolle der Umgebungsbedingungen bestehen Optionen für die Regelung der Lufttemperatur, des Außenluftstroms und des Innendrucks sowie für die Beschallung mit Fahr-/Umgebungsgeräuschen. Beide Untersuchungsplätze sind mit multimonitorfähigen PCSystemen, 30”-Bildschirmen und diversen Bedienelementen ausgestattet, so dass generell sitzende Tätigkeiten simuliert werden können. Es wurde eine offene Architektur mit vielseitigen Präsentations- und Interaktionsmöglichkeiten realisiert, um neben speziell entwickelten psychologischen Tests (siehe Abschnitt 2.2 Anwendungsbezogene Untersuchungsverfahren) auch etablierte Verfahren und komplexe Testszenarien darbieten zu können. Diese Konstellation erlaubt die standardisierte und kontrollierte Nachbildung relevanter kognitiver Leistungsanforderungen.

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    Abb 2: Testumgebung „KaSimiR“ (linkes Bild) und Erfassung mentaler Leistungsfähigkeit bei gleichzeitiger physischer Belastung auf dem Laufbandergometer (rechtes Bild)

    Ergänzend zu KaSimiR stehen weitere Testumgebungen zur Verfügung. Neben einer mobilen Variante von KaSimiR, die auch für Untersuchungen von Steharbeitsplätzen genutzt werden kann, bietet die Verfahrensadaption an ein Laufbandergometer (Abb 2 - rechtes Bild) sowie an eine Klimakammer ein hochrelevantes Forschungspotenzial zur kognitiven Leistungsfähigkeit unter physischen Belastungen. Um die Vergleichbarkeit in Bezug auf Blickwinkel und Sehabstand zu wahren, werden die Verfahren nicht auf einem Bildschirm sondern über ein Beamersystem dargeboten. Die Reaktion auf die Testaufgaben erfolgt über spezielle Eingabetasten oder verbal. In diesem Bereich sind Weiterentwicklungen und Systemmodifikationen geplant. Prinzipiell lassen sich die im Folgenden erläuterten psychologischen Verfahren auch mit Standardcomputersystemen verwenden und sind somit zur parallelen Erfassung von größeren Stichproben geeignet.

    2.2 Anwendungsbezogene Untersuchungsverfahren

    Die in der psychologischen Grundlagenforschung verwendeten Verfahren zur Untersuchung von kognitiven Leistungen zielen auf eine möglichst exakte und störungsfreie Abbildung spezifischer (Teil-)Leistungen ab, beispielsweise der Suppression irrelevanter Informationen im Arbeitsgedächtnis. Diese Vorgehensweise führt teilweise zu sehr abstrakten Verfahren, die wenig Bezug zu realen Tätigkeiten aufweisen und deren Inhaltsvalidität für soldatische Tätigkeiten eher gering ist. Die Folgen sind eine eingeschränkte Akzeptanz der Verfahren und eine geringere Kriteriumsvalidität gemessen an soldatischen Leistungskriterien. Zudem werden in der psychologischen Grundlagenforschung selten physiologische Faktoren berücksichtigt. Daher ist eine derartige Vorgehensweise bei praxisnahen Fragestellungen und zur Erfassung multifaktorieller Belastungssituationen kaum geeignet. Insbesondere gilt dies für Untersuchungen im Kontext militärspezifischer Einsatzbelastungen (Abb 1). Zur Deckung dieser Fähigkeitslücke werden Verfahren entwickelt und angewendet, die den Anforderungen einer wissenschaftlich fundierten Erfassung kognitiver Leistungen genügen, gleichzeitig aber auch größeren Bezug zur Alltagspraxis der Soldatinnen und Soldaten besitzen.

    Der gewählte Forschungsansatz beruht auf einem multi-methodalen Gesamtkonzept, das zusätzlich zu den psychologischen Testverfahren und der experimentellen Kontrolle von Stressoren auch die synchronisierte Erhebung physiologischer Kenngrößen umfasst. Neben der Analyse von kardiovaskulären Parametern wie der Herzfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität, ist besonders die okulomotorische Aktivität von Bedeutung, da sie unter anderem ein guter Prädiktor für aufgaben- oder tätigkeitsbezogene Beanspruchungen und daraus resultierenden Ermüdungseffekten ist [3, 4]. Die Erfassung physiologischer Parameter scheint geeignet, Effekte auf psychologische Tests (und körperliche Belastung) bereits dann identifizieren zu können, wenn noch keine Veränderung in der beobachtbaren Leistung sichtbar ist beziehungsweise subjektiv noch kein Leistungsverlust empfunden wird.

    Im Folgenden werden zunächst exemplarisch zwei psychologische Verfahren vorgestellt, die unterschiedliche, militärisch relevante Fähigkeitsbereiche (Vigilanz und Gedächtnis) repräsentieren. Des Weiteren wird auf die physiologische Methode zur Erfassung der Okulomotorik sowie auf das Ergebnismanagement eingegangen. Dabei ist grundsätzlich zu beachten, dass die Verfahren jeweils für spezifische Fragestellungen auf Basis von Tätigkeitsanalysen entwickelt beziehungsweise angepasst werden. Es handelt sich also keinesfalls um Universalwerkzeuge zur Erfassung mentaler Leistungsfähigkeit in allen militärischen Bereichen.

    2.2.1 Virtuelle Vigilanzaufgabe

    Konzentrationsfähigkeit, Aufmerksamkeit und Vigilanz (Daueraufmerksamkeit) besitzen im militärischen Kontext eine besonders hohe Relevanz. Deshalb wurde eine virtuelle Vigilanz - aufgabe entwickelt, die eine charakteristische, einsatztypische Arbeitssituation nachbildet. Als realitätsnahe Rahmenhandlung dient eine virtuelle Patrouillenfahrt durch eine monotone Landschaft. Die Probanden nehmen hierbei die Funktion eines Beifahrers wahr und haben zur Aufgabe, die Umgebung zu beobachten und auf kritische Zielreize in Form von Tonnen in Nähe der Fahrstrecke zu reagieren. Die Tonnen erscheinen in unregelmäßigen Abständen zunächst am virtuellen Horizont und vergrößern sich perspektivisch korrekt mit der weiteren Annäherung. Testzeit sowie Anzahl, Abfolge und Positionierung der Stimuli sind frei konfigurierbar und können flexibel an die jeweilige Fragestellung angepasst werden.

    2.2.2 Kurzzeitgedächtnis-Test

    Das Abrufen kurzzeitig aufgenommener Informationen ist eine Grundvoraussetzung in vielen alltäglichen Situationen, wie beispielsweise für das Wählen von gerade gehörten Telefonnummern oder das Abschreiben von Texten. In der psychologischen Forschung wird diese Fähigkeit üblicherweise anhand von sinnfreien Silben, Zahlen oder einfachen Wörtern gemessen. Die Übertragbarkeit dieser Ergebnisse auf konkrete Arbeitsleistungen unterliegt jedoch Einschränkungen, wie der Akzeptanz durch die Testpersonen und Unterschieden zu den tatsächlichen Aufgaben am Arbeitsplatz, zum Beispiel Clusterbildung durch Fachwissen und Erfahrung. In der militärischen Praxis sind zudem Gedächtnisleistungen für weitere Informationsinhalte relevant. So zählt beispielsweise die kurzfristige Erinnerung an Personen und Gesichter bei Kontrollen und an Checkpoints zu den wichtigsten Einsatzszenarien. Um diese Fähigkeit im Labor erfassen zu können, wurde ein klassisches Kurzzeitgedächtnisverfahren computeradaptiert und mit gezeichneten Gesichtern als Erinnerungsreizen modifiziert [5].

    Die Probanden sehen zunächst ein Set mit 7 Abbildungen von Gesichtern. Nach einer kurzen Pause ohne visuelle Reize, haben sie die Aufgabe zu entscheiden, ob ein einzelnes Gesicht in der zuvor gesehenen Liste enthalten war. Die flexible Konfigurierbarkeit des Verfahrens erlaubt, neben dem Austausch des Stimulusmaterials, zum Beispiel gegen Handzeichen, Codewörter oder Zahlenkombinationen, eine freie Einstellung der Präsentations- und der Pausendauer. Dadurch ergeben sich neben der Testung des Kurzzeitgedächtnisses noch weitere Forschungsmöglichkeiten. Es kann beispielsweise analysiert werden, ob und wie stark sich die Leistung der Probanden verbessert, wenn ihnen genug Zeit für die Bildung von Bedeutungsclustern oder die Anwendung von Mnemotechniken zur Verfügung steht.

    2.2.3 Okulomotorik

    Für die Erfassung okulomotorischer Kenngrößen werden in der Forschung neben Elektro - okulogrammen und helmadaptierten Kameras zunehmend häufiger berührungslose Messinstrumente eingesetzt. Diese haben den Vorteil, dass sie von den Probanden kaum wahrgenommen werden und somit keine Störgröße bei experimentellen Untersuchungen darstellen. Deshalb wurde das Infrarotkamerasystem SmartEye© (Firma SmartEye, Schweden) ausgewählt und in das multi-methodale Design der Testumgebung KaSimiR integriert (Abb 3). Aufgrund der guten Tracking-Qualität und der vergleichsweise großen Toleranz gegenüber Kopfbewegungen ist das System darüber hin - aus auch bei körperlich belastenden Untersuchungen in anderen Testumgebungen verwendbar, zum Beispiel bei oben genannten Laufbanduntersuchungen, und an realen Arbeitsplätzen.

    SmartEye© identifiziert die Augen anhand markanter Punkte am Kopf und leitet aus deren Purkinje-Reflexen relevante Blickbewegungen ab. Der kontinuierliche Datenstrom wird über eine proprietäre Schnittstelle an die selbstentwickelte Software „Eye Movement Analysis System EMAS“ [6] übergeben und dort mit relevanten Informationen aus externen Anwendungen, zum Beispiel psychologische Testverfahren, synchronisiert.

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    Abb 3: Infrarotkamerasystem SmartEye© (rote Markierungen), eingebaut in die Testumgebung KaSimiR

    2.3 Datenmanagement

    Alle im Rahmen einer Untersuchung anfallenden Daten werden automatisch auf Plausibilität geprüft und in einer standardisierten Formatstruktur gespeichert. Hierin sind sowohl die Testinformationen, unter anderem exakte Testaufgabe, Schwierigkeitsgrad, Koordinaten und Zeitinformationen von Stimuli, als auch die entsprechenden Reaktionen des Probanden enthalten. Die Ergebnisdateien werden mit Hilfe spezieller Parser in eine relationale Datenbank importiert und über definierte Assoziationen in einen logischen Zusammenhang gestellt. So können auch zum Teil heterogene Informationen relativ einfach gefiltert und für die weitere statistische Verarbeitung aufbereitet werden.

    3. Diskussion und Schlussfolgerungen

    Das sich aus dem multi-methodalen Ansatz ergebende Forschungspotential ermöglicht wissenschaftlich fundierte Aussagen zu Praxisfragen und längerfristig den Aufbau und die Pflege eines Pools von Referenzdaten. Die Entwicklung und Evaluierung von KaSimiR und den implementierten psycho-physiologischen Verfahren ist weitgehend abgeschlossen. Zurzeit wird eine erste Anwendungsstudie zur Erfassung der kognitiven Leistungsfähigkeit bei Ermüdung [7] ausgewertet. Die Erfahrungen aus der Datenerhebungsphase dieses Projekts belegen die Zweckmäßigkeit und Robustheit der Testumgebung in der praktischen Forschung.

    Die implementierten Testverfahren eignen sich sehr gut, um soldatische Leistungen zu erfassen, bei denen einzelne kognitive Fähigkeiten im Vordergrund stehen. Viele Arbeitsabläufe bestehen allerdings aus dem komplexen Zusammenwirken vielfältiger Einzelprozesse. Deshalb wird zurzeit eine Arbeitsplatzsimulation entwickelt, die derartige Abläufe idealtypisch abbildet und die auf Testebene standardisiert ist [8]. Parallel hierzu wird das Potential der okulomotorischen Messsysteme weiter erforscht. Das Verfahren scheint geeignet, drohende Leistungseinbrüche identifizieren zu können, bevor diese subjektiv empfunden werden [9]. Somit könnten mit Hilfe moderner okulomotorischer Technologien Personen in spezifischen Arbeitssituationen belastungsfrei überwacht und bei sich anbahnenden Aufmerksamkeitsverlusten alarmiert werden.

    Die praktizierte multi-methodale Vorgehensweise mit der Möglichkeit unterschiedliche Testumgebungen zu nutzen, stellt einmalige Bedingungen zur Erforschung von psycho-physiologischen Leistungsanforderungen zur Verfügung, die in dieser Form auch nicht bei NATO-Partnern vorhanden sind. Hierdurch können für den militärischen Arbeitsalltag relevante Belastungen nach standardisierten und repräsentativen Kriterien analysiert und daraus Interventions- und Präventionsmöglichkeiten abgeleitet werden:

    Literatur

    1. Army Combat Readiness Center 2006: https://crc.army.mil zit. nach: Thomas ML, Russo MB: Neurocognitive monitors: Toward the prevention of cognitive performance decrements and catastrophic failures in the operational environment. Aviat Space Environ Med 2007; 78(5, Suppl.): B144-152
    2. Eßfeld D: Abschlussbericht zum Verbundforschungsprojekt M/SAB1/4/A010. Psycho-physiologische Erfassung der momentanen Leistungsfähigkeit unter einsatznahen Bedingungen; 2008
    3. Link D, Tietze H, Schmidt L, Sievert A, Gorges W, Leyk D: Berührungslose Augen- und Blickbewegungsmessung. In: Schmidt L, Schlick C, Grosche J (Hrsg): Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme. Berlin: Springer 2008; 371–393
    4. Marshall SP: Identifying cognitive state from eye metrics. Aviat Space Environ Med 2007; 78(5. Suppl.): B165-175
    5. Leyk D, Sievert A, Heiss A et al.: Validation of a short-term memory test fort he recognition of people and faces. Ergonomics 2008; 51(8): 1125–1136
    6. Ridder D: Eye Movement Analysis System (EMAS): Zentrales Institut des Sanitätsdiensts der Bundeswehr Koblenz, Laborabteilung IV; 2008;
    7. Sanitätsamt der Bundeswehr: Beauftragung des Forschungsvorhabens M/SAB1/7A006. Auswirkung von Ermüdung und circadianer Rhythmik auf einsatztypische Überwachungs- und Beobachtungsaufgaben; 2007
    8. Sanitätsamt der Bundeswehr: Beauftragung des Forschungsvorhabens M/SABX/9A003. Simulation von militärtypischen Arbeitsplätzen mit hohen kognitiven Anteilen - Methodenweiterentwicklung im Rahmen des Messplatzsystems „KaSimiR“; 2009
    9. Schleicher R, Galley N, Briest S, Galley L: Blinks and saccades as indicators of fatigue in sleepiness warnings. Looking tired? Ergonomics 2008; 51: 982–1010

    Datum: 15.02.2011

    Quelle: Wehrmedizinische Monatsschrift 2010/11-12

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