FAKULTÄT FÜR
ELEKTROTECHNIK,
INFORMATIK UND
MATHEMATIK
Minimalsensorisches Konzept zur multimodalen
Fahrerzustandsüberwachung auf Basis physiologischer Daten
- Validierung einer neuen Methode
Zur Erlangung des akademischen Grades
DOKTORINGENIEUR (Dr.-Ing.)
der Fakultät für Elektrotechnik, Informatik und Mathematik
der Universität Paderborn
genehmigte Dissertation
von
Dipl.-Ing. Cord Volker Bauch
Blomberg
Referent: Prof. Dr.-Ing. habil. D. Barschdorff
Korreferent: PD Dr.-Ing. habil. U. Büker
Tag der mündlichen Prüfung: 21.07.2010
Paderborn, den 21.12.2010
Diss. EIM-E/268
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit zunächst als wissenschaftlicher
Mitarbeiter und später als Stipendiat des Heinz-Nixdorf-Institutes in der Fachgruppe Me-
chatronik und Dynamik der Fakultät für Maschinenbau und im L-Lab, dem in Public Private
Partnership zwischen der Hella KGaA Hueck & Co. und der Universität Paderborn betriebe-
nen Kompetenzzentrum Licht.
Besonders bedanken möchte ich mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. D. Barschdorff für seine Be-
reitschaft, die Arbeit zu betreuen, für seine wissenschaftlichen Anregungen und Ratschläge
sowie für die mir entgegen gebrachte Geduld und die kritische Durchsicht der Arbeit. Er war
der Initiator und Ideengeber für dieses Thema, das er stets mit großem Interesse verfolgt und
gefördert hat.
Weiter danke ich Herrn Dr.-Ing. U. Büker für die Übernahme des Korreferates sowie den
weiteren Mitgliedern der Prüfungskommission Herrn Prof. Dr.-Ing. R. Häb-Umbach, Herrn
Prof. Dr.-Ing. B. Henning und Herrn Prof. Dr.-Ing. A. Thiede.
Ebenso gilt mein Dank allen Mitarbeitern und Studenten des L-Lab und der Fachgruppe
Mechatronik & Dynamik, die durch ihre Hilfsbereitschaft, Diskussionsbereitschaft und tat-
kräftige Unterstützung zum Gelingen der Arbeit beigetragen haben. Es hat viel Spaß gemacht,
mit euch zusammen zu arbeiten.
Außerdem bedanke ich mich bei allen Personen, die sich zur Teilnahme an den durchgeführ-
ten Untersuchungen bereiterklärt und dabei viel Geduld und Motivation gezeigt haben.
Schließlich möchte ich meinen Eltern und Freunden für die private Unterstützung herzlich
danken.
Paderborn, im Dezember 2010
Cord Volker Bauch
V
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis........................................................................................................VIII
Tabellenverzeichnis................................................................................................................XI
Kurzfassung..........................................................................................................................XII
Abstract................................................................................................................................XIII
1 Einleitung............................................................................................................................1
2 Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen........................................................5
2.1 Fahrerzustand und Beanspruchung .............................................................................5
2.1.1 Definition des Begriffs „Beanspruchung“......................................................6
2.1.2 Beanspruchung beim Fahren eines Kraftfahrzeugs........................................9
2.1.3 Zusammenhang von Beanspruchung und Fahrverhalten .............................11
2.2 Fahrerassistenzsysteme .............................................................................................12
2.2.1 Definition des Begriffs „Fahrerassistenzsystem“.........................................13
2.2.2 Entwicklung und Stand der Technik............................................................13
2.2.3 Beanspruchung bei der Nutzung von Fahrerassistenzsystemen...................15
2.2.4 Nutzungsstrategien und Verhaltensadaptation.............................................15
2.3 Zusammenfassung.....................................................................................................16
3 Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand.............................19
3.1 Erfassung von Beanspruchung..................................................................................19
3.1.1 Physiologische, leistungsbezogene und subjektive
Beanspruchungsindikatoren .........................................................................19
3.1.2 Gütekriterien für Beanspruchungsindikatoren .............................................25
3.2 Verwendung physiologischer Maße zur Zustandscharakterisierung von
Personen ....................................................................................................................27
3.2.1 Medizinische und telemedizinische Anwendung.........................................27
3.2.2 Müdigkeitserkennung im Kraftfahrzeug......................................................29
3.3 Ausgewählte Indikatoren der Fahrerbeanspruchung.................................................29
3.3.1 Indikator Herzaktivität .................................................................................30
3.3.2 Indikator Blutdruck ......................................................................................33
3.3.3 Indikator Elektrodermale Aktivität ..............................................................34
3.3.4 Beanspruchungsskala „NASA-Task Load Index“ .......................................37
3.3.5 Beanspruchungsskala “Rating Scale of Mental Effort”...............................38
3.3.6 Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung ............................................39
3.3.7 Indikator Fahrgeschwindigkeit.....................................................................39
3.4 Zusammenfassung.....................................................................................................40
4 Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung.....43
4.1 Kreislaufsystem.........................................................................................................43
4.1.1 Das Herz.......................................................................................................44
VI
4.1.2 Erregungsphysiologie des Herzens ..............................................................45
4.1.3 Gefäßsystem und Kreislaufregulation..........................................................46
4.1.4 Pulswellen ....................................................................................................48
4.2 Methoden der Blutdruckmessung .............................................................................49
4.2.1 Riva-Rocci Verfahren ..................................................................................50
4.2.2 Oszillometrisches Verfahren........................................................................51
4.2.3 Invasive Blutdruckmessung .........................................................................54
4.2.4 Nicht-invasive Verfahren zur kontinuierlichen Blutdruckmessung.............56
4.2.5 Zusammenfassung........................................................................................58
4.3 Modellansatz für den systolischen Blutdruck ...........................................................59
4.3.1 Formaler Zusammenhang von Pulstransitzeit und systolischem
Blutdruck......................................................................................................59
4.3.2 Modellbildung..............................................................................................63
4.3.3 Bestimmung der Modellkoeffizienten aus Stützwerten der Be- und
Entlastungsphase..........................................................................................64
4.3.4 Bestimmung der Modellkoeffizienten allein aus Stützwerten der
Entlastungsphase..........................................................................................68
4.3.5 Modellansatz für praktische Anwendungen.................................................71
4.3.6 Modellanwendung........................................................................................74
4.3.7 Abschätzung des systolischen Blutdrucks aus der Pulswellensteigung.......76
4.4 Modellansatz für den diastolischen Blutdruck..........................................................76
4.4.1 Formaler Zusammenhang von Pulsvolumen und diastolischem
Blutdruck......................................................................................................77
4.4.2 Modellbildung..............................................................................................79
4.5 Ergebnisse .................................................................................................................80
4.6 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse ..........................................................88
4.7 Vorauswurfs- und Pulstransitzeit ..............................................................................90
4.8 Sensorik und Datenverarbeitung...............................................................................91
4.8.1 Sensorik zur kontinuierlichen Blutdruckmessung........................................91
4.8.2 Hardware......................................................................................................92
4.8.3 Signalverarbeitung .......................................................................................96
4.8.4 Datenerfassung und –auswertung mit MatLab...........................................100
4.8.5 Klassifikation mit Neuronalem Netz und Beanspruchungsindex ..............101
5 Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung ....................................105
5.1 Forschungsmethoden und -instrumente ..................................................................105
5.2 Studie 1: Laborstudie zur Beanspruchung am Wiener Testsystem.........................108
5.2.1 Untersuchungsdesign .................................................................................108
5.2.2 Ergebnisse ..................................................................................................112
5.3 Studie 2: Simulatorstudie zur Beanspruchungserhebung........................................118
5.3.1 Untersuchungsdesign .................................................................................118
5.3.2 Ergebnisse ..................................................................................................121
VII
5.4 Studie 3: Feldstudie zur Beanspruchung im realen Straßenverkehr .......................128
5.4.1 Untersuchungsdesign .................................................................................128
5.4.2 Ergebnisse ..................................................................................................131
5.5 Studie 4: Simulatorstudie zu Beanspruchung und Müdigkeit im nächtlichen
Straßenverkehr ........................................................................................................135
5.5.1 Untersuchungsdesign .................................................................................135
5.5.2 Ergebnisse ..................................................................................................140
5.6 Studie 5: Felduntersuchung zum Einfluss der Scheinwerferlichtverteilung auf
die Fahrerbeanspruchung ........................................................................................148
5.6.1 Untersuchungsdesign .................................................................................149
5.6.2 Ergebnisse ..................................................................................................151
6 Zusammenfassung..........................................................................................................155
7 Ausblick...........................................................................................................................161
Literaturverzeichnis.............................................................................................................163
Anhang ..................................................................................................................................175
A.1 Fragebögen..............................................................................................................175
A.1.1 Beanspruchungsskala „NASA-Task Load Index“ .....................................175
A.1.2 Beanspruchungsskala „Rating Scale of Mental Effort“.............................181
A.1.3 Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung ..........................................182
A.1.4 Befindlichkeitsfragebogen „Swedish Occupational Fatigue Inventory“ ...183
A.1.5 Müdigkeitsfragebogen „Stanfort Sleepiness Scale“...................................184
A.2 Kontinuierliche nicht-invasive Blutdruckmessverfahren........................................185
A.2.1 Volumenkompensationsmethode, Peñáz-Verfahren ..................................185
A.2.2 Arterielle Applanationstonometrie.............................................................186
A.2.3 Kontaktdruckmethode................................................................................187
A.3 Abschätzung des systolischen Blutdrucks aus der Pulswellensteigung..................188
A.3.1 Formaler Zusammenhang...........................................................................188
A.3.2 Ergebnisse ..................................................................................................191
A.4 Erweiterung der Sensorik zu einem Head-Set.........................................................193
A.5 Programmstruktur zur Datenerfassung und -auswertung........................................196
A.6 Trainingsdatensätze.................................................................................................197
A.7 Versuchsergebnisse Studie 1: Wiener Testsystem..................................................198
A.8 Versuchsergebnisse Studie 3: Straßenverkehr ........................................................199
A.9 Versuchsergebnisse Studie 4: Müdigkeit................................................................202
A.10 Abkürzungsverzeichnis...........................................................................................207
A.11 Verwendete Formelzeichen.....................................................................................209
VIII
Abbildungsverzeichnis
Abb. 2.1: Dimensionen der Beanspruchung ............................................................................8
Abb. 2.2: Zusammenhang zwischen Beanspruchungs- und Leistungsniveau .......................11
Abb. 2.3: Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Leistungsfähigkeit.......................12
Abb. 2.4: Entwicklung heutiger und zukünftiger Fahrerassistenzsysteme ............................14
Abb. 3.1: Methoden der Beanspruchungsmessung................................................................20
Abb. 3.2: Idealform einer Hautleitwertreaktion mit den daraus erfassbaren Parametern......35
Abb. 4.1: Links: Frontalansicht des Herzens. Rechts: schematisch getrennte Darstellung
der beiden Herzhälften und ihrer Verbindung mit dem Lungen- bzw.
Körperkreislauf ......................................................................................................44
Abb. 4.2: Normalform des Elektrokardiogramms bei bipolarer Ableitung von der
Körperoberfläche in Richtung der Längsachse des Herzens..................................45
Abb. 4.3: Links: schematische Darstellung des Barorezeptorreflexes als Regelkreis.
Rechts: Wirkungspfade des Barorezeptorreflexes .................................................47
Abb. 4.4: Schematische Darstellung des Blutdrucks im kardiovaskulären System...............48
Abb. 4.5: Schematische Darstellung der Ausbreitung einer Pulswelle in einem
elastischen Schlauch...............................................................................................48
Abb. 4.6: Druckpulse in der Armarterie des Menschen.........................................................49
Abb. 4.7: Übersicht Blutdruckmessmethoden .......................................................................50
Abb. 4.8: Prinzip der Blutdruckmessung nach Riva-Rocci ...................................................51
Abb. 4.9: Prinzip der oszillometrischen Blutdruckmessung; Ermittlung von Psys und
Pdias mittels faktoriellem Bezug auf das Amplitudenmaximum...........................52
Abb. 4.10: Links: Prinzip der invasiven Blutdruckmessung. Rechts: Messung am
Handgelenk ............................................................................................................55
Abb. 4.11: Schematische Darstellung des Arterienmodells.....................................................60
Abb. 4.12: Herzfrequenz- und Pulstransitzeitverlauf bei einer Ergometeruntersuchung.........65
Abb. 4.13: Blutdruckmesswerte, Approximation des maximalen Druckes.............................66
Abb. 4.14: Be- und Entlastungskennlinie.................................................................................67
Abb. 4.15: Berechneter Blutdruckverlauf und manschettenbasiert erfasste Messwerte..........68
Abb. 4.16: Abschätzung der Steigung des Blutdruckverlaufes am Belastungsbeginn ............69
Abb. 4.17: Blutdruckbestimmung durch Schätzen der Anfangssteigung der
Belastungskennlinie ...............................................................................................70
Abb. 4.18: Blutdruckbestimmung aus Einzelmodell der Entlastungsmesswerte.....................72
Abb. 4.19: Blutdruckbestimmung aus gemitteltem Doppelmodell..........................................73
Abb. 4.20: Modellkorrektur mit zusätzlichem Messwert.........................................................75
Abb. 4.21: Gewebemodell mit Transmissionssensor...............................................................77
Abb. 4.22: Modellbildung für den diastolischen Blutdruck.....................................................79
Abb. 4.23: Proband 1 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen
Blutdrucks und auskultatorische Blutdruckwerte ..................................................81
Abb. 4.24: Proband 2 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen
Blutdrucks und auskultatorische Blutdruckwerte ..................................................82
Abb. 4.25: Proband 3 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen
Blutdrucks und oszillometrische Blutdruckwerte ..................................................84
Abb. 4.26: Proband 4 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen
Blutdrucks und oszillometrische Blutdruckwerte ..................................................85
Abb. 4.27: Proband 5 - Schellong Stufentest: zeitlicher Verlauf des berechneten
systolischen und diastolischen Blutdrucks und oszillometrische
Blutdruckwerte.......................................................................................................86
IX
Abb. 4.28: Proband 6 - Schellong Stufentest: zeitlicher Verlauf des berechneten
systolischen und diastolischen Blutdrucks und oszillometrische
Blutdruckwerte.......................................................................................................87
Abb. 4.29: Links: Proband beim Schellong-Stufentest. Rechts: berechneter
kontinuierlicher systolischer Blutdruckverlauf mit gemessenen
Referenzwerten. .....................................................................................................89
Abb. 4.30: Zusammenhang von Pulstransitzeit und Pre-Ejection Period ................................90
Abb. 4.31: Brustgurt und Ohrsensor der Firma Kettler............................................................91
Abb. 4.32: Zeitlicher Zusammenhang zwischen EKG, Brustgurtsignal und Pulstransitzeit ...92
Abb. 4.33: Messkette für die kontinuierliche Blutdruckbestimmung......................................93
Abb. 4.34: Ausgangssignal des Brustgurtempfängers .............................................................96
Abb. 4.35: Brustgurtsignal mit Artefakten...............................................................................97
Abb. 4.36: Verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Pulstransitzeit................................99
Abb. 4.37: Schematische Darstellung des Messverfahrens....................................................101
Abb. 4.38: Links: Struktur eines Neuronalen Netzes. Rechts: Aufbau eines Neurons .........102
Abb. 4.39: Verwendetes Multilayer-Perceptron-Netzwerk mit Eingangs- und
Ausgangsgrößen...................................................................................................103
Abb. 4.40: Berechnete Beanspruchungskenngröße................................................................104
Abb. 5.1: Wiener Testsystem...............................................................................................108
Abb. 5.2: Testablauf und zugehörige Markierungen für die Messdatenauswertung ...........111
Abb. 5.3: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP2).......................................................113
Abb. 5.4: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP8).......................................................114
Abb. 5.5: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP15).....................................................115
Abb. 5.6: Änderung der einzelnen physiologischen Parameter gegenüber dem Ruhewert
bei den unterschiedlichen Testvorgaben ..............................................................116
Abb. 5.7: Fragebogen-Score des KAB vor und nach dem Determinationstest....................117
Abb. 5.8: Links: Aufbau des Fahrsimulators Lightdriver. Rechts: Fahrt unter
Nachtbedingungen................................................................................................118
Abb. 5.9: Ablauf der Untersuchung.....................................................................................119
Abb. 5.10: Links: Simulatorfahrt mit vorausfahrendem Fahrzeug und Stressor S2. Rechts:
Versuchsstrecke Rüthen-Szenerie mit Streckenpunkten......................................120
Abb. 5.11: Verlaufskurve des Blutdrucks einer Versuchsperson (Fahrt 1) ...........................122
Abb. 5.12: Verlaufskurve der Herzfrequenz einer Versuchsperson (Fahrt 1) .......................122
Abb. 5.13: Verlaufskurve des Hautleitwerts einer Versuchsperson (Fahrt 1) .......................123
Abb. 5.14: Verlaufskurve des Blutdrucks einer Versuchsperson (Fahrt 2) ...........................123
Abb. 5.15: Verlaufkurve der Herzfrequenz einer Versuchsperson (Fahrt 2).........................124
Abb. 5.16: Verlaufskurve des Hautleitwerts einer Versuchsperson (Fahrt 2) .......................124
Abb. 5.17: Ergebnisse des t-Tests..........................................................................................125
Abb. 5.18: Versuchsstrecke....................................................................................................130
Abb. 5.19: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) bei Anhalten an einer roten Ampel.........131
Abb. 5.20: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) bei Abbiegen mit gleichzeitigem
Bremsen eines vorausfahrenden Fahrzeuges .......................................................132
Abb. 5.21: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) beim seitlichen Einparken am
Straßenrand ..........................................................................................................133
Abb. 5.22: Änderung der physiologischen Parameter gegenüber dem Ruhewert in
Abhängigkeit der Fahrsituation............................................................................134
Abb. 5.23: Kamera des Müdigkeitserkennungssystems im Fahrsimulator............................136
Abb. 5.24: Versuchsstrecke, gefahren wurde auf dem äußeren Ring ....................................139
Abb. 5.25: Versuchsleiterplatz mit Überwachungsmonitoren ...............................................140
Abb. 5.26: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP9)..................................................................142
Abb. 5.27: Reh am Straßenrand .............................................................................................143
X
Abb. 5.28: Messdaten einer Versuchsperson (VP12) bei plötzlichem Auftauchen eines
Rehs......................................................................................................................144
Abb. 5.29: Messdaten einer Versuchsperson (VP11) bei Eintritt von Schwindel und
Übelkeit................................................................................................................145
Abb. 5.30: Auswertung SOFI-Kategorien Müdigkeit, Antriebslosigkeit und mentale
Leistungskraft.......................................................................................................146
Abb. 5.31: Median der Augenöffnungsdauer und der Lidschlussdauer.................................147
Abb. 5.32: Versuchsfahrzeug mit eingebauten Scheinwerfermodulen..................................149
Abb. 5.33: Versuchsstrecke....................................................................................................150
Abb. 5.34: Probandin mit Messgeräten im Versuchsfahrzeug...............................................151
Abb. 5.35: Mittelwerte und Standardabweichungen der um die Ruhewerte korrigierten
Herzfrequenz für beide Versuchsbedingungen ....................................................152
Abb. 5.36: Mittelwerte und Standardabweichungen des um die Ruhewerte korrigierten
systolischen Blutdrucks für beide Versuchsbedingungen....................................153
Abb. 5.37: Mittelwerte und Standardabweichungen der Anzahl spontaner
Hautleitwertreaktionen pro Minute für beide Versuchsbedingungen..................153
Abb. 5.38: Mittelwerte und Standardabweichungen der Amplituden des Blutdruck- und
Herzfrequenzanstiegs in drei Situationen.............................................................154
Abb. A.1: Finapres- und Portapres-Blutdruckmesssystem...................................................185
Abb. A.2: Messprinzip der Volumenkompensationsmethode ..............................................186
Abb. A.3: Prinzip der arteriellen Applanationstonometrie ...................................................187
Abb. A.4: Elastisches Schlauchelement................................................................................188
Abb. A.5: Differentielles Element der Wellenleitung...........................................................189
Abb. A.6: Zusammenhang zwischen Volumenänderung und Blutdruck..............................191
Abb. A.7: Oben: Pulstransitzeit zur Modellbildung verwendet. Unten: Steigung der
Pulskurve zur Modellbildung verwendet (VP1) ..................................................192
Abb. A.8: Prototyp des entwickelten Head-Sets...................................................................195
Abb. A.9: Komponenten und Aufbau der Datenerfassung und -auswertung mit Matlab.....196
Abb. A.10: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6).................................................................200
Abb. A.11: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP8).................................................................201
Abb. A.12: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP12)...............................................................203
Abb. A.13: Messdaten einer Versuchsperson (VP8) bei plötzlichem Auftauchen eines
Rehs......................................................................................................................204
Abb. A.14: Messdaten einer Versuchsperson (VP19) bei Eintritt von Schwindel und
Übelkeit................................................................................................................205
Abb. A.15: Messdaten einer Versuchsperson (VP21) bei Eintritt von Schwindel und
Übelkeit................................................................................................................206
XI
Tabellenverzeichnis
Tab. 3.1: Physiologische Parameter und deren Zusammenhang mit physischer, mentaler
und emotionaler Beanspruchung...............................................................................22
Tab. 3.2: Skalierungsverfahren zur Erfassung subjektiv erlebter Beanspruchung ..................24
Tab. 4.1: Mittlere Abweichung des berechneten Blutdrucks von den Messwerten für
verschiedene Untersuchungen und unterschiedliche Modellanwendungen..............74
Tab. 4.2: Daten der vorgestellten Untersuchungen..................................................................88
Tab. 5.1: Klassifikation mittels Blutdruckanstieg..................................................................126
Tab. 5.2: Klassifikation mittels Anstieg der Herzfrequenz....................................................127
Tab. 5.3: Klassifikation mittels Anstieg des Hautleitwerts....................................................127
Tab. A.1: Mögliche physiologische Beanspruchungsindikatoren..........................................193
Tab. A.2: Verwendete Datensätze zum Training des Neuronalen Netzes .............................197
Tab. A.3: Daten der Versuchspersonen aus Studie 1.............................................................198
Tab. A.4: Zusammenfassung der Ergebnisse aus Studie 1 ....................................................198
Tab. A.5: Daten der Versuchspersonen aus Studie 3.............................................................199
Tab. A.6: Daten der Versuchspersonen aus Studie 4.............................................................202
XII
Kurzfassung
Die Beanspruchung des Kraftfahrers im Straßenverkehr nimmt ständig zu. Höhere Verkehrs-
dichten, längere Fahrzeiten und komplexere Bedienelemente im Fahrzeug wirken sich negativ
auf die Aufnahmefähigkeit und Informationsverarbeitung des Fahrers aus und erhöhen das
Unfallrisiko. Die Messung der Fahrerbeanspruchung könnte Abhilfe schaffen und als eigen-
ständiges Fahrerassistenzsystem in kritischen Situationen Warnungen generieren. Auch bei
der Entwicklung von Fahrzeugsystemen würden Kenntnisse über den Fahrerzustand helfen,
die Mensch-Maschine-Schnittstelle zu optimieren.
Da die Beanspruchung eine Größe ist, die zwar von äußeren Reizen beeinflusst, aber dabei
subjektiv unterschiedlich empfunden wird und nicht direkt messbar ist, werden stattdessen
physiologische Beanspruchungsindikatoren erfasst und ausgewertet. In diesem Zusammen-
hang werden vor allem die Eignung und die Zuverlässigkeit des kontinuierlich gemessenen
Blutdrucks als neuem Indikator untersucht und mit etablierten Parametern der psychophysio-
logischen Forschung verglichen. Mit Hilfe dieser Indikatoren lässt sich eine neuartige Kenn-
größe zur Quantifizierung des aktuellen Beanspruchungszustandes des Fahrers bestimmen.
Für die Erfassung der berücksichtigten Signale wird eine neu und speziell für den Einsatz im
Kraftfahrzeug konzipierte Sensorik vorgestellt. Die kontinuierliche Bestimmung des Blut-
druckverlaufes basiert auf einer von BARSCHDORFF und Mitarbeitern [Ba98, Ba00] vorge-
schlagenen Methode, die in dieser Arbeit erweitert und verbessert wurde.
Teilergebnisse dieser Arbeit wurden bereits auf verschiedenen nationalen und internationalen
Tagungen vorgestellt [Ba05a, Ba05b, Ba06, Ba07, Ba08].
XIII
Abstract
Driver workload increases constantly. Higher traffic density, longer driving times and more
complex control elements in the vehicle have got a negative effect on reception and informa-
tion processing of the driver and increase the risk of accidents. The measurement of driver
workload could help to solve the problem and - as an independent driver assistant system - it
could generate warnings in critical situations. Being informed about the driver's actual condi-
tion could also be useful for the development of new vehicle systems and the optimization of
the human-machine-interface.
Since workload is a dimension which is on the one hand clearly affected by external stimuli,
but on the other perceived differently and subjectively by the individual and can not be meas-
ured directly, we seize and evaluate physiological workload indicators instead. Above all the
appropriateness and the reliability of the continuously measured blood pressure as a new
indicator are examined and compared to established parameters in psycho-physiological
research. With the help of these indicators a new parameter can be determined which can
quantify the current state of driver workload.
For the measurement of the considered signals a new sensor system designed especially for
the use in motor vehicles is introduced. The continuous registration of blood pressure is based
on a method which is suggested from BARSCHDORFF ET AL. [Ba98, Ba00] and extended and
improved in this work.
Parts of the results of this work were presented at different national and international confer-
ences [Ba05a, Ba05b, Ba06, Ba07, Ba08].
Einleitung
1
1 Einleitung
In neueren Kraftfahrzeugen findet man zum Schutz der Insassen mehr und mehr passive und
aktive Sicherheitssysteme. Trotzdem ereignen sich im Straßenverkehr viele Unfälle mit zum
Teil schweren Verletzungen oder tödlichem Ausgang. Von diesen wird eine erhebliche Zahl
durch menschliches Versagen hervorgerufen. Im Jahr 2004 basierten 86 % der Verkehrsunfäl-
le auf einem Fehlverhalten des Fahrers [Be06]. Für den Fahrzeugführer zwar gefährliche, aber
unfallfreie Situationen sind statistisch nicht erfasst. Trotz rückläufiger Unfallzahlen ist der
Anteil von Fahrerfehlern bis heute annähernd konstant geblieben [Schö09, St08a].
Menschliches Versagen kann auf Unachtsamkeit beruhen oder aus körperlichen Beein-
trächtigungen entstehen. Plötzlich auftretende Herz-Kreislaufstörungen können beispielsweise
zu einer, zumindest kurzfristigen, Beeinträchtigung der Fahrtüchtigkeit und im schlimmsten
Fall zu einer Gefährdung des Straßenverkehrs führen.
Besonders kritisch sind Fahrten zu Dämmerungs- und Nachtzeiten, bei denen häufig Unfälle
mit sehr schweren Verletzungen auftreten. Die durch Dunkelheit verringerte Sichtweite wirkt
sich nicht nur in einer erhöhten Reaktionszeit des Fahrers – insbesondere bei plötzlich und
unerwartet auftretenden Ereignissen – aus, sondern führt auch zu einem erhöhten Beanspru-
chungsniveau1, das möglicherweise die Konzentrationsfähigkeit weiter herabsetzt und sich so
ebenfalls auf die Reaktionszeit auswirkt. Ob der Versuch, mit besseren und moderneren
Scheinwerfern die Sichtverhältnisse für den Fahrer zu verbessern, hier helfen kann, ist bisher
nicht untersucht.
Eine weitere Gefahr liegt in der Übermüdung des Kraftfahrzeugführers, die als Ursache von
ca. 0,5 Prozent aller Unfälle mit Personenschäden gilt [St07, Ca07]. Die Dunkelziffer liegt
nach anderen Quellen mit 5% - 25% [Be06] jedoch deutlich höher, da Müdigkeit bei der
Unfallrekonstruktion oft nicht mehr feststellbar ist. Daher müssen Übermüdung und der damit
verbundene Sekundenschlaf als großer Risikofaktor eingestuft werden.
Die stetige Zunahme der Verkehrsdichte und die höheren Durchschnittsgeschwindigkeiten,
hervorgerufen durch veränderte Verkehrsbedingungen, steigern die Beanspruchung des Fah-
rers und damit das Risiko für die Entstehung von gefährlichen Situationen. Auch immer kom-
plexer werdende Bedienelemente führen in bestimmten Verkehrssituationen zu einer erhöhten
Belastung. Bei der Gestaltung von Fahrerassistenzsystemen wie z. B. Infrarotnachtsichtsys-
temen, die eine Entlastung des Fahrers bewirken sollen, ist daher darauf zu achten, dass nicht
genau das Gegenteil eintritt.
1 Definition des Begriffs in Kapitel 2.1.
2
Bisher werden im Kraftfahrzeug Sicherheitssysteme – passive wie Airbag oder Gurtstraffer
und aktive wie Antiblockiersystem (ABS) oder das Elektronische Stabilitätspro-
gramm (ESP) – und Fahrerassistenzsysteme wie Brems- oder Spurhalteassistent eingesetzt.
Sie gewinnen ihre Informationen ausschließlich aus Fahrzeugdaten bzw. aus Fahrzeug-
umfelddaten wie Fahrgeschwindigkeit, Lenkwinkel, Beschleunigung oder Querbeschleuni-
gung. Der Fahrer selbst wird dabei bisher nicht berücksichtigt. Ausfallerscheinungen des
Fahrers in Form von physiologischen Schwächezuständen, Müdigkeit oder Stress werden
nicht erkannt und können daher nicht zu sinnvollen bzw. notwendigen Reaktionen des Fahr-
zeugs eingesetzt werden. Beispielsweise fährt ein Fahrzeug mit aktiviertem Tempomat bei
einer plötzlichen Bewusstlosigkeit oder einem Herzinfarkt des Fahrers ungebremst weiter.
Um den Fahrer in den Regelkreis Mensch-Fahrzeug zu integrieren und die Unfallzahlen zu
senken, wäre eine kontinuierliche Überwachung der wichtigsten Vitalfunktionen sowie die
Messung von Beanspruchungs- und Müdigkeitsindikatoren Voraussetzung. Ein daraus resul-
tierender Parameter Fahrerzustand könnte dann zur Beeinflussung beliebiger Sicherheits-,
Fahrerassistenz- und Fahrerinformationssysteme verwendet werden. Beispielsweise könnte
die Lautstärke des Entertainmentsystems reduziert werden, wenn eine kritische Phase erkannt
wird. Weiterhin bestünde die Möglichkeit, dem Fahrer über seinen Zustand Rückmeldung zu
geben oder in Notfällen den Rettungsdienst zu alarmieren.
Eine solche Fahrerüberwachungseinrichtung kann neben dem Einsatz als eigenständiges
Sicherheitssystem zur Vermeidung von Unfällen auch bei der Gestaltung von Fahrerassistenz-
systemen helfen, indem Aussagen über Beanspruchungsunterschiede des Fahrers, bei Fahrten
mit und ohne Hilfssystem, getroffen werden können. Dadurch könnten Phasen erhöhter Belas-
tung durch Informationsüberflutung ermittelt, Nutzungsstrategien beurteilt und damit die
Bedienfreundlichkeit neuer Systeme verbessert werden.
Ziel dieser Arbeit ist es, ein Konzept zur Ermittlung des Fahrerzustandes und speziell des
Beanspruchungsniveaus und dessen Veränderung während des Fahrens zu entwickeln. Dazu
muss zunächst überlegt werden, wie sich Beanspruchung operationalisieren lässt, welche –
hauptsächlich physiologischen – Parameter als Indikatoren geeignet sind, wie man diese
zuverlässig erfassen kann und anschließend daraus ein noch zu definierendes Beanspru-
chungsmaß ableiten kann. Das Konzept soll dabei so angelegt werden, dass es sich später
einfach zu einem eigenen Fahrzeugsystem erweitern lässt.
Zur objektiven Erfassung des Fahrerzustandes werden hier verschiedene physiologische
Parameter wie die Herzfrequenz, die Herzratenvariabilität, der Hautleitwert und der Blutdruck
verwendet. Diese können einzeln als Indikatoren dienen, wobei erst die Verknüpfung dieser
Größen zu einer umfassenden Bestimmung des Beanspruchungszustands einer Person führt.
Einleitung
3
Es werden Verfahren der Mustererkennung und Klassifikation eingesetzt, um eine Kenngröße
zu berechnen, die Beanspruchung quantitativ darstellen kann.
Da bisher keine adäquaten kontinuierlich arbeitenden und gleichzeitig nicht-invasiven Mess-
verfahren zur Erfassung des Blutdrucks zur Verfügung standen, fand dieser in der Vergan-
genheit kaum Verwendung als Indikator. Eine von BARSCHDORFF und Mitarbeitern [Ba98,
Ba00] vorgeschlagene Methode wurde in dieser Arbeit weiterentwickelt und zur Beantwor-
tung neuartiger Fragestellungen, insbesondere im Bereich der psychischen Beanspruchungs-
ermittlung, eingesetzt. Die Bestimmung des arteriellen Druckverlaufes erfolgt für jeden
Herzschlag aus der Laufzeit und der Amplitude der Pulsvolumenwelle mit Hilfe von persona-
lisierten Modellen, die durch einen Kreislauffunktionstest ermittelt werden. Die Steigerung
der Aussagekraft des kontinuierlich gemessenen Drucks gegenüber Einzelmesswerten mit
manschettenbasierten Geräten ist insbesondere bei Belastungswechseln immens und bietet
zudem die Möglichkeit, kleinste Änderungen des Drucks zuverlässig zu erfassen. Ein Zu-
sammenhang zwischen Blutdruckanstieg und Beanspruchung eines Probanden konnte in
verschiedenen Voruntersuchungen durch den Vergleich mit den etablierten Parametern Herz-
frequenz und Hautleitwert nachgewiesen werden.
Der Einsatz als Fahrzeugsystem macht eine geeignete Sensorik notwendig, die sehr einfach
anzulegen bzw. im Fahrzeug integriert ist. Sie muss ohne Justage sicher platziert werden
können und während üblicher Fahrmanöver störungsfrei und zuverlässig funktionieren. Au-
ßerdem ist es erforderlich, dass das System für alle Fahrer, die das Fahrzeug nutzen, einge-
setzt werden kann, ohne dass eine aufwändige Kalibrierung durchgeführt werden muss. Das
in dieser Arbeit entwickelte minimalsensorische Konzept zur Messdatenerfassung trägt diesen
Anforderungen Rechnung, indem verschiedene Sensoren in einem Head-Set kombiniert wer-
den und die einzelnen Sensorelemente mehrere physiologische Parameter erfassen. Diese
Lösung sorgt für optimale Anwendungsbedingungen im Fahrzeug und könnte leicht um Tele-
fon- und Sprachsteuerungsfunktionen erweitert werden.
Zur genauen Bewertung der einzelnen Messgrößen im Hinblick auf ihre Eignung als Bean-
spruchungsindikator und um eine verknüpfte Größe wie den Fahrerzustand zu erhalten, wur-
den Fahrversuche im Fahrsimulator des L-Lab2 und im Versuchsfahrzeug auf der Straße
durchgeführt. Dabei mussten unterschiedlich beanspruchende bzw. monoton ermüdende
Fahraufgaben absolviert werden. Die relevanten Parameter wurden anschließend für verschie-
dene Fahrsituationen analysiert. Des Weiteren wurde das Wiener Testsystem3 – ein compu-
tergestütztes Verfahren zur psychologischen Diagnostik – verwendet, um die Kennwerte unter
standardisierten Bedingungen zu bewerten.
2 Kompetenzzentrum Licht, Public Private Partnership der Hella KGaA Hueck & Co. und der Universität Pader-
born.
3 Anbieter: Firma Dr. G. Schuhfried GmbH, weitere Informationen in Kapitel 5.2.1.1.
4
Die vorliegende Arbeit ist in folgende Abschnitte gegliedert:
Die beiden Kapitel 2 und 3 geben einen Überblick über die für diese Arbeit relevante Litera-
tur. Dabei beschäftigt sich das Kapitel 2 mit theoretischen Grundlagen und Begriffsdefinitio-
nen zu Beanspruchung und Fahrerassistenzsystemen. Kapitel 3 stellt die wichtigsten
Forschungsmethoden zur Erhebung von Beanspruchung dar und gibt beispielhaft eine Über-
sicht über empirische Studien, die die Thematik im Zusammenhang mit dem Führen eines
Kraftfahrzeugs beschreiben.
In Kapitel 4 werden die Grundlagen zur Kreislaufphysiologie und verschiedene Verfahren
zur Blutdruckmessung vorgestellt und bewertet. Außerdem wird die neu entwickelte Methode
der kontinuierlichen nicht-invasiven Blutdruckmessung ausführlich dargestellt und anschlie-
ßend die verwendete Sensorik und die Erweiterung zu einem Head-Set beschrieben.
In Kapitel 5 werden mehrere Studien vorgestellt, deren Schwerpunkt die Erprobung und
Anwendung des neuen Blutdruckmessverfahrens im Rahmen der Beanspruchungserfassung
ist. Dabei kommen verschiedene physiologische Parameter und subjektive Ratingskalen zum
Einsatz, die in unterschiedlichen Versuchsszenarien verwendet und verglichen werden.
Kapitel 6 diskutiert und bewertet die in den Untersuchungen angewandten Methoden, insbe-
sondere das Verfahren der kontinuierlichen Blutdruckmessung, im Hinblick auf ihre Einsetz-
barkeit zur Erfassung von Beanspruchung im Allgemeinen und dem Fahrerzustand im
Speziellen.
Die Arbeit schließt in Kapitel 7 mit einem Ausblick auf offene Fragestellungen und Ansätze
für weitere Forschungsarbeiten.
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
5
2 Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
Aus den bisherigen Ausführungen ergibt sich, dass eine Antwort auf die Frage nach der Ver-
änderung der Beanspruchung beim Führen eines Kraftfahrzeuges sehr bedeutend ist. Insbe-
sondere, weil der heutige technische Fortschritt im Automobilbereich grundsätzlich die
gezielte Unterstützung des Fahrers bei seiner Aufgabe, das Fahrzeug sicher und entspannt
durch den Straßenverkehr zu navigieren, ermöglicht.
In diesem Kapitel wird zunächst eine Einführung in die Themengebiete Fahrerzustand und
Beanspruchung gegeben. Anschließend wird die Entwicklung von Fahrerassistenz- und Fah-
rerinformationssystemen erläutert, der aktuelle Stand der Technik vorgestellt und ihr Einfluss
auf den Kraftfahrer näher betrachtet.
2.1 Fahrerzustand und Beanspruchung
Für den Begriff Fahrerzustand gibt es nach KOPF [Ko06] verschieden weit reichende Definiti-
onen, die unterschiedliche Faktoren und fahrrelevante Informationen über die mit der Kraft-
fahrzeugführung beschäftigte Person beinhalten. Unterschieden wird zwischen langfristigen
(z. B. Fahrerfahrung, Belastbarkeit, motorische Fähigkeiten), mittelfristigen (z. B. Ermüdung,
Alkoholeinfluss, individuelle Fahrstrategie) und kurzfristigen Faktoren. Zu letzteren gehören
beispielsweise Beanspruchung, Aktiviertheit, Situationsbewusstsein, Aufmerksamkeit, Fahr-
manöverabsicht und Emotionen. Sie werden häufig im engeren Sinne mit dem Begriff Fahrer-
zustand beschrieben und sind die wichtigsten Einflussfaktoren für verkehrssicheres Fahren. In
dieser Arbeit soll vor allem der Aspekt Beanspruchung näher betrachtet werden.
Dabei sind auch die Folgen zu betrachten, die aus der beanspruchenden Situation entstehen.
Es werden physiologische, psychologische und verhaltensbezogene Folgen unterschieden, die
wiederum jeweils kurz- und langfristig auftreten können. Langfristige Reaktionen können
unter Umständen gesundheitsgefährdend wirken. In der psychophysiologischen Beanspruch-
ungsforschung werden aber meist die kurzfristigen Beanspruchungsfolgen untersucht [Ri03].
Neben dem Begriff der Beanspruchung werden nach RIBBACK [Ri03] häufig weitere Bezeich-
nungen verwendet, die in engem Zusammenhang stehen. Dazu gehört der Begriff der Kon-
zentration, der die Fokussierung der Aufmerksamkeitsrichtung und die Aktivierung des
Organismus beschreibt. Anstrengung hingegen bezieht sich auf den Ressourcenbedarf für die
Informationsverarbeitung bei der Bewältigung von wechselnden und nicht regelgeleiteten
Aufgaben. Die erzielte Leistungsqualität ist neben der Informationsmenge und -qualität auch
vom Willen der Person abhängig, Anstrengung und Fertigkeiten zur Aufgabenbearbeitung zu
investieren. Eine Unterforderung zeigt sich bei monotonen Arbeitsbedingungen, so dass für
eine angemessene Leistung zusätzliche Energie benötigt wird. Daher kann Unterforderung
6
ähnlich ermüdend wirken wie Überlastung. Der Begriff Stress wird häufig in verschiedenen
Bedeutungen verwendet. Im Sinn des Beanspruchungskonzeptes beschreibt er Überforderung,
Unsicherheit und Angst vor Kontrollverlust. Dies führt zu einer verringerten Leistungsfähig-
keit bei höherem Energiebedarf. Die Stressreaktionen werden von ungünstigen Umweltein-
flüssen ausgelöst und hängen von Art und Dauer der Stressoren sowie von der Belastbarkeit
der Person ab.
Ein anderer Ansatz verwendet die Begriffe Komfort und Diskomfort zur Beschreibung des
Fahrerzustandes, wobei die beiden Eigenschaften auch gleichzeitig auftreten können. Diskom-
fort beschreibt in diesem Zusammenhang Faktoren der Ermüdung und Einflüsse auf die Bio-
mechanik des Körpers, während der Begriff Komfort Wohlbefinden und Ästhetik ausdrückt
[He97].
2.1.1 Definition des Begriffs „Beanspruchung“
Der Begriff Beanspruchung wird im täglichen Sprachgebrauch sehr selbstverständlich ver-
wendet. Zur genaueren Definition wird er zunächst vom Begriff Belastung abgegrenzt und ein
Modell für deren Zusammenhang vorgestellt.
2.1.1.1 Abgrenzung der Begriffe Belastung und Beanspruchung
Die beiden Begriffe gehen auf das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept der Ergonomie
[Ro84, Ro75] zurück, das wegen seiner Einfachheit [Ho02] eine besondere Stellung ein-
nimmt. Die Bedeutung dieses Modells zeigt sich auch in der Verwendung als Basis für die
Normung in den Bereichen Ergonomie und psychische Arbeitsbelastung [Na02].
In diesem Konzept wird zwischen einer von außen auf den Menschen einwirkenden Belastung
und der dadurch im menschlichen Organismus ausgelösten Beanspruchung unterschieden:
• Unter Belastung (engl.: stress) wird die Gesamtheit aller Einflüsse verstanden, die von
außen auf den Menschen einwirken.
Solche Einflüsse ergeben sich zum einen aus dem Arbeitsinhalt bzw. der Arbeitsauf-
gabe, mit der die Person konfrontiert wird, und zum anderen aus der sozialen, physi-
schen und organisatorischen Arbeitsumgebung und -situation sowie den Arbeitsmit-
teln [Kl89, Ro84, Ro75].
• Unter Beanspruchung (engl.: strain, workload) wird die Gesamtheit aller durch unter-
schiedliche individuelle Arbeitsvoraussetzungen beeinflussten Auswirkungen der Be-
lastung im Menschen verstanden [Kl89, Ro84, Ro75].
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
7
Dementsprechend besteht kein einfacher Ursache-Wirkungs-Zusammenhang zwischen Belas-
tung und Beanspruchung, sondern objektiv gleiche Belastungsfaktoren wirken sich individuell
unterschiedlich aus. D. h. das Ausmaß an Beanspruchung einer Person wird nicht direkt durch
die Schwierigkeit oder Komplexität der Arbeitsaufgabe bestimmt, sondern durch die Leis-
tung, die sie erbringt bzw. zu erbringen bereit ist, um diese Aufgabe zu erfüllen [Ro75]. Die
Beanspruchung einer Person kann also nicht direkt aus den zugrundeliegenden Anforderun-
gen erschlossen werden [Ku94]. Dabei bestimmen individuelle Voraussetzungen wie Eigen-
schaften, Fähigkeiten oder aktuelle Bedürfnisse, welche Aktivität mit welchem Aufwand in
einer gegebenen Belastungssituation gezeigt wird und welche Beanspruchungsreaktionen
daraufhin auftreten.
Das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept der Ergonomie wird kritisiert, weil es sich auf
negative Beanspruchungsfolgen und physiologische Indikatoren zur Beanspruchungserfas-
sung konzentriert. Förderlich wirkende Beanspruchungsfolgen wie beispielsweise Trainings-
effekte oder die Weiterentwicklung eigener Bewältigungsstrategien werden unterschätzt
[Ri98a], obwohl Beanspruchung nicht grundsätzlich als etwas Negatives zu sehen ist.
2.1.1.2 Definition und Modelle der psychischen Beanspruchung
Eine einheitliche und umfassende Theorie bzw. Definition der Beanspruchung existiert bisher
nicht [Ma98]. Allerdings gehen nahezu alle verwendeten Modelle von einer Mehrdimensiona-
lität des Beanspruchungskonzepts aus, d. h. es werden mehrere Arten der Beanspruchung
unterschieden, die aber auch zu einer Gesamtbeanspruchung zusammengefasst werden kön-
nen [Ku94]. Dabei wird fast immer zwischen physischer – das Muskel- und Kreislaufsystem
betreffend – und psychischer Beanspruchung differenziert.
Psychische Beanspruchung wird definiert als "die individuelle, zeitlich unmittelbare und nicht
langfristige Auswirkung der psychischen Belastung im Menschen in Abhängigkeit von seinen
individuellen Voraussetzungen und seinem Zustand" [Di00]. Sie lässt sich in emotionale und
mentale Beanspruchung unterteilen [Ku94, Ma98, Schm93]. Dabei wird derjenige Anteil der
psychischen Beanspruchung als mental bezeichnet, der von aufgabenspezifischen Anforde-
rungen an das menschliche Informationsverarbeitungssystem bestimmt wird. Dies ist bei-
spielsweise die Komplexität einer Aufgabe, die zu einer Aufmerksamkeitsanspannung und
-fokussierung führt. Emotionale Beanspruchungsanteile hingegen werden von ausführungs-
spezifischen Belastungsfaktoren wie Zeitdruck, Gefahren, sozialen Konflikten oder Konse-
quenzen bei Versagen bestimmt [Ma98].
8
Abb. 2.1: Dimensionen der Beanspruchung [nach Ri03]
Eine weitere Differenzierung von Beanspruchungsdimensionen findet meist nur auf theoreti-
scher Ebene statt, da viele Tätigkeiten sowohl emotionale als auch mentale Beanspruchung
auslösen und beide Aspekte somit fast immer zusammen auftreten.
Hinsichtlich der Mechanismen, die der psychischen Beanspruchung zugrunde liegen, existie-
ren verschiedene Vorstellungen, die auch mit verschiedenen Vorgehensweisen zu ihrer Erfas-
sung verbunden sind. Dabei lassen sich zwei dominierende theoretische Ansätze
unterscheiden: aktivierungstheoretische und ressourcentheoretische Beanspruchungsmodelle.
Aktivierungstheoretische Modelle basieren auf der Annahme, dass psychische Beanspruchung
mit einer allgemeinen Aktivierung des Organismus einher geht [Ku94, Ma98, Ri98a]. Die
Verkopplung beider Prozesse wird über die Funktionsweise des autonomen Nervensystems
(ANS) erklärt, das die vegetativen Prozesse des Organismus an die äußeren Belastungen
anpasst. Das ANS innerviert die glatte Muskulatur aller Organe und Organsysteme sowie das
Herz und die Drüsen und regelt damit u. a. Funktionen des Kreislaufs, des Stoffwechsels, der
Atmung und der Drüsensekretion, die nicht der willentlichen Steuerung unterliegen. Teilsys-
teme des ANS sind der Sympathikus, der Parasympathikus und das Darmnervensystem. Im
Rahmen aktivierungstheoretischer Konzepte steht die sympathische Reaktion des Organismus
im Mittelpunkt, die den Körper in Belastungssituationen in hohe Leistungsbereitschaft ver-
setzt und ihn damit auf außergewöhnliche Anstrengungen vorbereitet. Man spricht auch von
der „Fight-or-flight“ Reaktion, die auf niedrigster Verarbeitungsebene den Selbstschutz des
Organismus aktiviert. Beispiele für sympathische Anpassungsreaktionen sind eine Steigerung
der Herztätigkeit, des Blutdrucks sowie der Durchblutung und des Tonus der Skelettmuskula-
tur. Vertreter aktivierungstheoretischer Modelle empfehlen daher physiologische Aktivie-
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
9
rungsindikatoren des Herz-Kreislauf-Systems, des Muskelsystems, der Atmung, etc. zur
Erfassung der psychischen Beanspruchung des Organismus durch äußere Belastungen
[Ma98].
Ressourcentheoretische Modelle verstehen psychische Beanspruchung als Inanspruchnahme
bzw. Ausschöpfung von begrenzten individuellen psychischen Ressourcen, deren Gesamtka-
pazität inter- und auch intraindividuell variieren kann. Dabei wird der Prozess der freiwilligen
Aktivierung von Ressourcen als Anstrengung bezeichnet. Dementsprechend wird die psychi-
sche Beanspruchung einer Person nicht durch das Ausmaß an Ressourcen bestimmt, die für
eine Tätigkeit aufgewendet werden, sondern durch die verbleibende Restkapazität. Die Bean-
spruchung einer Person wird also umso höher sein, je mehr der insgesamt verfügbaren Verar-
beitungsressourcen bei einer Tätigkeit ausgeschöpft werden, d. h. je geringer die verbleibende
Kapazität ist.
Die psychische Beanspruchung wird nach den ressourcentheoretischen Modellen ermittelt,
indem zusätzlich zu einer Hauptaufgabe4, deren Beanspruchungswirkung untersucht werden
soll, eine Nebenaufgabe vorgegeben wird. Die Leistung in dieser Nebenaufgabe wird als Maß
für die Restkapazität erfasst und gibt Aufschluss über das Ausmaß der Inanspruchnahme bzw.
Beanspruchung der verfügbaren Ressourcen einer Person durch die Hauptaufgabe.
Der Vergleich aktivierungstheoretischer und ressourcentheoretischer Beanspruchungsmodelle
zeigt, dass sich diese unterschiedlichen theoretischen Konzeptionen nicht gegenseitig aus-
schließen [Ma98]. So wird Beanspruchung übereinstimmend als ein individuelles Phänomen
und als Prozess, nicht als Zustand, verstanden. D. h. Beanspruchung kann als Prozess der
individuellen Auseinandersetzung einer Person mit äußeren Anforderungen aufgefasst wer-
den, die von den vorhandenen psychischen Leistungsvoraussetzungen beeinflusst wird [Go86,
Ku94, Ri98a].
2.1.2 Beanspruchung beim Fahren eines Kraftfahrzeugs
Das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept wird zwar klassischerweise auf den Arbeitskontext
angewandt, lässt sich aber auch auf eine Fahrsituation übertragen. So weisen RICHTER ET AL.
[Ri98b] darauf hin, dass die Fahrtätigkeit als Arbeitstätigkeit angesehen und entsprechend
untersucht werden kann. HOYOS ET AL. [Ho86] sehen die Fahrtätigkeit als eine Kette einzelner
Fahraufgaben, die darin bestehen, eine bestimmte Verkehrssituation zu bewältigen. Bezieht
man das Modell auf Fahrsituationen, so kann also von Belastung und Beanspruchung des
Kraftfahrers gesprochen werden.
4 Die Begriffe Haupt- und Nebenaufgabe werden hier allgemein im arbeitspsychologischen Sinn verwendet und
im Kap. 3.1.1 am Beispiel der Fahrerbeanspruchungsmessung genauer erläutert.
10
Am Beispiel einer Autofahrt wären u. a. Einflüsse aus Fahrbahn- und Fahrzeugeigenschaften
oder situative Einflüsse aus dem Verkehr oder dem Fahrzeuginneren als Belastungsfaktoren
denkbar. Bei nächtlichen Autofahrten beispielsweise kommen als besondere Belastungs-
faktoren die Dunkelheit und damit einhergehend reduzierte Kontraste sowie das einge-
schränkte Gesichtsfeld des Fahrers hinzu, das sich auf den Ausschnitt von Fahrbahn und
Fahrbahnumgebung beschränkt, der von Scheinwerfern oder der Straßenbeleuchtung erhellt
wird.
Die Fahraufgabe ist dabei sowohl mit aufgaben- als auch ausführungsspezifischen Belas-
tungsfaktoren verbunden. Anforderungen, die das Einhalten von Verkehrsregeln, das Finden
des richtigen Weges oder die korrekte Bedienung des Fahrzeugs betreffen, gehen mit Fakto-
ren der Verkehrssituation oder des Zustands der Verkehrswege einher und können Unsicher-
heit oder Ärger beim Fahrer auslösen. Die überwiegende Zahl von Untersuchungen zur
Fahrerbeanspruchung beschäftigt sich allerdings ausschließlich mit der mentalen Beanspru-
chung des Fahrers ohne Berücksichtigung emotionaler Anteile, da Unfälle oder Fahrfehler mit
einer „Überlastung“ der mentalen Kapazitäten des Fahrers verbunden werden [DW96, He99,
Ri98b]. Physische Beanspruchungen, beispielsweise durch das Lenken, die Bedienung eines
Fahrerassistenzsystems etc., spielen ebenfalls eine untergeordnete Rolle und sollen im Fol-
genden nicht weiter betrachtet werden.
Das Steuern eines Kraftfahrzeugs ist also eine Aufgabe, die durch ihre Komplexität mentale
Kapazitäten des Fahrers beansprucht. Viele Fahrtätigkeiten können aber nach einiger Zeit
automatisiert ausgeführt werden, so dass der Fahrer freie Ressourcen beispielsweise für Un-
terhaltungen mit anderen Fahrzeuginsassen, Telefongespräche oder zum Essen oder Trinken
verwenden kann [Rö05]. Durch diese zusätzlichen Tätigkeiten werden dann wiederum Res-
sourcen gebunden, die im Bedarfsfall nicht mehr für die Erfüllung der eigentlichen Fahrauf-
gabe zur Verfügung stehen. Dieser Effekt wird als Fahrerablenkung bezeichnet.
RÖßGER [Rö05] unterscheidet beispielsweise folgende Arten der Fahrerablenkung:
• Physische Ablenkung (z. B. Einstellen eines Radiosenders)
• Akustische Ablenkung (z. B. Telefongespräche, Beifahrer)
• Visuelle Ablenkung (z. B. durch den Blick auf Anzeigeinstrumente im Fahrzeug)
• Kognitive Ablenkung (durch kognitive Aufgaben, die nicht zur Fahraufgabe gehören)
Für den Begriff Fahrerablenkung gibt es nach GELAU [Ge04] noch keine geeignete Definition.
Er schlägt daher vor, zur Beschreibung der Auswirkungen von Tätigkeiten, die neben der
Fahraufgabe durchgeführt werden, das Belastungs- und Beanspruchungskonzept heranzuzie-
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
11
hen. Die Begriffe Fahrerablenkung und Fahrerbeanspruchung werden daher häufig synonym
verwendet.
2.1.3 Zusammenhang von Beanspruchung und Fahrverhalten
Wie sich die Beanspruchung einer Person auf ihre Leistungsfähigkeit auswirkt, wird in einem
Modell von O’DONELL ET AL. [OD86] beschrieben. Dabei hängt die Veränderung des Leis-
tungsniveaus vom Grad der Beanspruchung ab, wobei drei unterschiedliche Ausprägungen
des Beanspruchungsniveaus verwendet werden, wie in Abbildung 2.2 zu sehen ist. Diese
Modellvorstellung kann von beliebigen Arbeitshandlungen auch auf Fahrsituationen im Spe-
ziellen übertragen werden, wobei das Leistungsniveau das Fahrverhalten widerspiegelt.
Abb. 2.2: Zusammenhang zwischen Beanspruchungs- und Leistungsniveau [nach OD86]
Im Bereich A (niedriges Beanspruchungsniveau) stehen noch genügend Ressourcen zur Ver-
fügung, um eine Zunahme der Beanspruchung zu kompensieren, so dass das Leistungsniveau
konstant bleibt. Bei weiterer Erhöhung der Beanspruchung in Region B (mittleres Beanspru-
chungsniveau) werden die Ressourcen der Person überschritten. Dies führt zu einer Ver-
schlechterung der Leistungsfähigkeit. Im Bereich C (hohe Beanspruchung) ist die Person
schließlich nicht mehr fähig, den Beanspruchungsanstieg zu kompensieren und das Leis-
tungsniveau ist deutlich verschlechtert.
Nach dieser Modellvorstellung kann der Kraftfahrer also die Beanspruchung bis zu einem
gewissen Grad kompensieren. Erst wenn sie zu groß wird, hat dies möglicherweise negative
Auswirkungen auf das Fahrverhalten und damit auch auf die Verkehrssicherheit [OD86].
Leistungs-
niveau
AC B
Beanspruchungsniveau
12
DE WAARD [DW96] verwendet in einem Modell zum Zusammenhang zwischen Beanspru-
chung und Leistung sechs unterschiedliche Bereiche, wie in Abbildung 2.3 zu sehen ist. Dies
stellt eine Erweiterung des oben beschriebenen Ansatzes von O’DONELL ET AL. [OD86] dar.
Abb. 2.3: Zusammenhang zwischen Beanspruchung und Leistungsfähigkeit [nach DW96]
Die durch eine bestimmte Aufgabe hervorgerufenen Anforderungen an eine Person nehmen
hier von Region D bis Region C zu. Obwohl sie in Region D noch gering sind, liegt die sub-
jektiv wahrgenommene Beanspruchung auf einem hohen Niveau und somit ist die Leistung,
die erbracht werden kann, gering, wie es beispielsweise bei monotonen Aufgaben beobachtet
werden kann. Bei zunehmenden Anforderungen in Region A1 nimmt die Beanspruchung ab
und die Leistungsfähigkeit steigt an. Stehen die erbrachte Leistung und die Anforderungen im
Einklang, Region A2, so ist die Beanspruchung am niedrigsten. Weiter ansteigende Anforde-
rungen können zuerst noch kompensiert werden und die Leistung bleibt auf konstantem Ni-
veau während die Beanspruchung bereits zunimmt, wie in Region A3 zu sehen ist. Treten
schließlich in Region B noch höheren Anforderungen auf, kann die Beanspruchungszunahme,
die daraus entsteht, nicht mehr ausgeglichen werden und eine sinkende Leistungsfähigkeit ist
die Folge. Kommt es zu einer Situation der Überforderung, wie in der letzten Region C, ist die
Leistung der Person am geringsten.
2.2 Fahrerassistenzsysteme
Derzeit wird eine Vielzahl von Fahrerassistenzsystemen für Kraftfahrzeuge erforscht und
entwickelt, die dem Fahrer auf unterschiedliche Art die Fahraufgabe erleichtern sollen. Ziel
ist es, das Unfallrisiko zu minimieren und den Komfort zu steigern. Einige der Systeme gehö-
ren zur Serienausstattung, andere – insbesondere Neuentwicklungen – sind aus Kosten- und
Imagegründen nur als Sonderausstattung für Oberklassefahrzeuge verfügbar.
Performance
Workload
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
13
2.2.1 Definition des Begriffs „Fahrerassistenzsystem“
Häufig wird der Begriff Fahrerassistenzsystem als Oberbegriff für alle, meist elektronischen,
Fahrzeugsysteme verwendet, die dem Fahrer Informationen zur Verfügung stellen oder ihn
bei Fahrmanövern entsprechend seinen Vorstellungen unterstützen [We00, Be04]. Andere
Autoren benutzen differenziertere Definitionen, welche Fahrzeugeinrichtungen zur Gruppe
der Fahrerassistenzsysteme gezählt werden. PENKA [Pe01] beispielsweise unterteilt in Abhän-
gigkeit der Systemfunktion in drei Kategorien:
• Systeme, die das Fahrverhalten des Fahrzeuges auf der Straße verbessern (z. B. ABS
und ESP)
• Fahrerassistenzsysteme, die auf der Fahrzeugführungsebene unterstützen (z. B. Tem-
pomat)
• Systeme, die Informationen und Warnungen anzeigen, aber nicht direkt auf die Fahr-
aufgabe einwirken (z. B. Navigationssysteme)
Die Grundgedanken beim Einsatz dieser Systeme sind unabhängig von einer Gruppenzugehö-
rigkeit die Entlastung des Fahrers, der Ausgleich von fahrerspezifischen Defiziten in der
Informationsgewinnung und Informationsverarbeitung sowie die Verringerung bzw. Vermei-
dung von Fehlhandlungen des Fahrers [We00]. Dadurch soll ein Sicherheitsgewinn für alle
Verkehrsteilnehmer erreicht werden. Für den Fahrer steigt gleichzeitig der Komfort im Fahr-
zeug und die Fahraufgabe kann effizienter und besser bewältigt werden [Ja04].
2.2.2 Entwicklung und Stand der Technik
Fahrerassistenz gehörte von Anfang an zu den Entwicklungszielen der Automobilhersteller.
Dabei ist keines der im Folgenden genannten Beispiele für die Mobilität notwendig, trotzdem
wurden sie größtenteils zu unverzichtbaren Ausrüstungsstandards [Ko06]. Abbildung 2.4
zeigt eine Übersicht über bereits heute und zukünftig erhältliche Assistenzsysteme. Man
erkennt, dass ihr Anteil im Fahrzeug weiter zunehmen wird und sich sowohl die Funktionali-
tät in Richtung autonomer Fahrzeugführung als auch die Sensorik über das Fahrzeug hinaus
zu einem Sensornetzwerk entwickelt.
14
Abb. 2.4: Entwicklung heutiger und zukünftiger Fahrerassistenzsysteme [St06b]
Klassische Systeme, wie ABS und ESP, die in fast jeder Fahrzeugklasse zur Serienausstattung
gehören, werden durch Abstandsregler (ACC), Notbremsassistent, Spurhalte- und Spurwech-
selassistent, Einparkassistent, Lichtsysteme und –funktionen, Nachtsichtsysteme und Ver-
kehrszeichenbeobachter ergänzt [De07]. Durch die Weiterentwicklung und Vernetzung der
Systeme wird eine immer weiter gehende Autonomie möglich. So ist gerade z. B. die
Stop & Go Funktionalität als Weiterentwicklung des ACC-Systems serienreif geworden. In
Zukunft werden Systeme zur Unfallvermeidung in kritischen Situationen die Steuerung des
Fahrzeugs (z. B. Notbremsung oder Ausweichen) übernehmen können. Nach geltender
Rechtsauffassung bleibt der Fahrer aber trotz Technisierung weiter für alle Aktionen verant-
wortlich und steht somit im Mittelpunkt der Fahrzeugführung [Ko06].
Das Beispiel ACC zeigt, dass im Entwicklungsprozess von Fahrerassistenzsystemen die
Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human-Machine-Interface - HMI) immer
wichtiger wird. Die Einstellmöglichkeiten moderner Fahrzeugsysteme sind oft sehr umfang-
reich und damit auch entsprechend komplex. Nur wohl durchdachte Bedien- und Informati-
onselemente lassen den Sicherheitsgewinn, der mit derartigen Systemen erreicht werden soll,
auch wirklich zum Tragen kommen. Andernfalls steigt das Unfallrisiko aufgrund der Auf-
merksamkeitsverschiebung von der Straße ins Fahrzeuginnere. Es gilt dabei, das Spannungs-
feld zwischen Nutzen und Risiken abzuwägen.
Allgemein wird angenommen, dass Fahrerassistenzsysteme ihrem Ziel entsprechend die
Anzahl von Unfällen und somit auch Verkehrstoten maßgeblich reduzieren. Eine Studie von
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
15
GOTTSELIG [zitiert nach Wi09], bei der 9000 Unfallsituationen analysiert wurden, zeigt, dass
dies nicht generell so ist. Spurhaltesysteme verhindern circa 14 Prozent der schweren Verlet-
zungen im Straßenverkehr und bleiben damit hinter den Erwartungen zurück. Notbremssys-
teme, die das Auffahren verhindern sollen, reduzieren die Zahl der Schwerverletzten um rund
drei Prozent und Systeme für die Totwinkelüberwachung zeigen eine Verringerung von zwei
Prozent. Zum angestrebten Ziel, die Zahl der Verkehrstoten zu halbieren, kann Fahrerassis-
tenz in der heutigen Form, so das Fazit von GOTTSELIG, nur einen Teilbeitrag leisten.
Die zurzeit serienmäßig im Fahrzeug eingesetzten Sicherheits-, Fahrerassistenz- und Fahrerin-
formationssysteme gewinnen ihre Informationen fast ausschließlich aus Fahrzeug- bzw. Fahr-
zeugumfelddaten [St06b]. Fehlreaktionen des Fahrers können so allerdings nur teilweise
kompensiert werden. Der Zustand des Fahrers und seine aktuelle Reaktionsfähigkeit bleiben
bisher unberücksichtigt. Um dies zu ändern, müssen Indikatoren ermittelt werden, die auf das
Beanspruchungsniveau des Fahrers schließen lassen.
Erste Ansätze dazu werden bei neuen Systemen zur Müdigkeitserkennung (Kap. 3.2.2) ver-
wendet, die den Fahrer mittels Videokamera beobachten.
2.2.3 Beanspruchung bei der Nutzung von Fahrerassistenzsystemen
Ein Argument für die Einführung von Fahrerassistenzsystemen ist der aus einer Reduzierung
der Beanspruchung resultierende Komfortgewinn. Außerdem wird davon ausgegangen, dass
durch eine geringere Beanspruchung Unfälle vermieden werden können. Aber die Einführung
eines neuen Fahrerassistenzsystems kann durch die zusätzliche Informationsdarbietung des
Systems auch zu einer mentalen Beanspruchung des Fahrers führen. Somit würde ein solches
System nicht die intendierte Beanspruchungsreduktion, sondern sogar einen Anstieg der
Beanspruchung und damit ein erhöhtes Sicherheitsrisiko hervorrufen. Dies muss bei der Ent-
wicklung eines neuen Fahrerassistenzsystems ausgeschlossen werden. Daher ist es wichtig,
bei der Evaluation die Beanspruchung zu erfassen.
2.2.4 Nutzungsstrategien und Verhaltensadaptation
Ob der Einsatz neuer Systeme zu einer Steigerung der Verkehrssicherheit führt, wird auch
durch empirische Untersuchungen der Nutzungsstrategien des Anwenders erforscht. Es wer-
den z. B. Antworten auf folgende Fragen gesucht: in welchen Situationen verwendet der
Fahrer ein Fahrerassistenzsystem, wie lange benötigt er, um Informationen abzulesen und
kommt es zu Problemen beim Umgang mit dem System [Sp08]? Von Interesse ist insbesonde-
re die Gewöhnungsphase, in der es durch fehlende Nutzungsstrategien zu einer Sicherheitsge-
fährdung kommen kann.
16
Hiervon unterschieden werden muss der verwandte Begriff der Verhaltensadaptation. Sie
bezeichnet die aus der Verwendung eines neuen Systems resultierende Änderung des Verhal-
tens in Bezug auf die Fahraufgabe selber [Pa95]. Untersucht wird in diesem Zusammenhang
beispielsweise, wie Fahrgeschwindigkeit oder Abstandsverhalten angepasst werden. Die
Betrachtung der Verhaltensadaptation ist somit ein wichtiger Faktor bei der Bewertung von
neuen Fahrerassistenzsystemen hinsichtlich deren Einfluss auf die Verkehrssicherheit [Sp08].
Zentraler Punkt aller verwendeten Theorien zur Verhaltensadaptation ist, dass der Zusam-
menhang von Motivation einer Person und einem veränderten Risiko beziehungsweise einer
veränderten Risikowahrnehmung maßgeblich für eine Verhaltensänderung ist. STANTON ET
AL. [St98] formulieren sieben psychologische Parameter, die einen Einfluss auf die Vorhersa-
ge von Adaptation und damit die Bewertung von neuen Systemen haben:
• Kontrollüberzeugung: Ist der Fahrer der Meinung, dass er weiterhin die Kontrolle hat
oder dass das Fahrzeug teilweise die Kontrolle übernimmt?
• Vertrauen: Vertraut der Fahrer dem System und ist dieses Vertrauen aufgrund der
Systemeigenschaften gerechtfertigt?
• Situationsbewusstsein: In welchem Maße verfügt der Fahrer über Situationsbewusst-
sein? Weiß er beispielsweise, ob bzw. wann er in einer bestimmten Situation eingrei-
fen muss?
• Mentale Repräsentation: Stimmen die Vorstellungen des Fahrers über die Systemei-
genschaften mit den realen Eigenschaften überein?
• Beanspruchung: Wie hoch ist das Ausmaß der Beanspruchung durch das System?
• Rückmeldung: Informiert das System den Fahrer über seine Aktionen und wie wird
diese Rückmeldung gegeben?
• Stress: Unterforderung und Überforderung führen zu einer Verschlechterung der Fahr-
leistung. Erreicht der Fahrer ein optimales Stressniveau beim Fahren?
Hier ist zu erkennen, dass eine Erfassung des Beanspruchungszustandes und des Stresslevels
für die Vorhersage einer Verhaltensadaptation und damit für die Verkehrssicherheit sehr
wichtig ist und den Entwicklungsprozess unterstützen bzw. beeinflussen kann.
2.3 Zusammenfassung
Für mehr Sicherheit im Straßenverkehr ist es erforderlich, Veränderungen der Beanspruchung
beim Fahren eines Kraftfahrzeuges zu kennen. So könnten Verkehrssituationen analysiert und
gegebenenfalls Maßnahmen zur Entschärfung von Unfallschwerpunkten getroffen werden.
Auch die Nutzung eines Fahrerassistenzsystems während der Fahrt kann eine Steigerung der
Beanspruchung des Fahrzeugführers hervorrufen und so zu einem Sicherheitsrisiko werden.
Theoretische Grundlagen und Begriffsdefinitionen
17
Die wichtigsten Fragen [Sp08], die sich bei der Erprobung und Bewertung, beispielsweise im
Entwicklungsprozess, eines neuen Fahrerassistenzsystems stellen, sind:
1. Bringt das System Vorteile für den Fahrer, z. B. einen Sicherheits- oder Komfortge-
winn?
2. Wie und in welchem Umfang nutzt der Fahrer das neue System?
3. Verändert sich das Fahrverhalten des Nutzers durch die Verwendung des neuen Sys-
tems?
4. Kommt es zu einem erhöhten Sicherheitsrisiko, z. B. während der Gewöhnungsphase
an das Fahrerassistenzsystem?
5. Verändert sich die Fahrerbeanspruchung durch die Nutzung des Systems? Wird sie re-
duziert oder steigt sie an?
Ziel der Beanspruchungsanalyse ist es, Antworten auf die Fragestellung 5 zu erhalten und
somit auch im Sinne der Fragestellung 4 auf das Sicherheitsrisiko bei der Nutzung des Sys-
tems zu schließen. Dies ermöglicht eine umfassendere Bewertung von Fahrerassistenzsyste-
men im Hinblick auf Systemgestaltung und Mensch-Maschine-Schnittstelle sowie die
Absicherung der Entscheidung einer Markteinführung.
Um die Beanspruchung messtechnisch zu ermitteln, bedarf es adäquater Lösungen. Die
Hauptforschungsfragen, die sich bei der Gestaltung eines solchen Erfassungssystems für den
Automobilbereich stellen, sind:
1. Wie kann man Beanspruchung operationalisieren?
2. Welche Parameter sind als Indikatoren für Beanspruchung und Fahrerzustand geeig-
net?
3. Wie kann man diese Indikatoren zuverlässig und für den Fahrer nicht störend erfas-
sen?
4. Wie kann man aus den Indikatoren ein Beanspruchungsmaß ableiten?
Diese Fragen werden in den folgenden Abschnitten der Arbeit aufgegriffen und erörtert.
Die Weiterentwicklung des Konzeptes zur Beanspruchungsanalyse zu einem eigenständigen
Fahrzeugsystem würde weit über den Bereich der Systemgestaltung hinausgehen. Die Wir-
kung von Verkehrssituationen auf den Fahrer könnten das Fahrzeug und dessen Verhalten
beeinflussen und als Zustandsfeedback zurückgemeldet werden. Im Gegensatz zu bisherigen
Fahrerassistenzsystemen stünde der Fahrer direkt im Mittelpunkt des Regelkreises Mensch,
Fahrzeug und Umwelt. Dieser Zusammenhang wird als Workload-Management bezeichnet
[Mü10]. Heutige Systeme beziehen den Fahrer höchstens indirekt über dessen Reaktionen und
Fahrmanöver ein und liefern so kein umfassendes Bild über den aktuellen Fahrerzustand.
18
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
19
3 Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fah-
rerzustand
In den folgenden Abschnitten werden verschiedene Gruppen von Beanspruchungsindikatoren
vorgestellt. Anschließend wird über Anwendungen physiologischer Maße zur Zustandscha-
rakterisierung von Personen und aktuelle Forschungsergebnisse zum Einsatz der ausgewähl-
ten Indikatoren im Kraftfahrzeugumfeld berichtet.
3.1 Erfassung von Beanspruchung
Psychische Beanspruchung entzieht sich der direkten Beobachtung und damit einer Messung
[Na02, Schm02]. Sie kann somit nur über Indikatoren erfasst werden [Ho86, Ku94]. Als
Indikatoren für psychische Beanspruchung können dabei solche Maße herangezogen werden,
von denen begründet angenommen werden kann, dass sie mit Unterschieden in der psychi-
schen Beanspruchung unter verschiedenen Belastungsbedingungen und bei verschiedenen
individuellen Voraussetzungen korrelieren [Ma98]. Sie sind jedoch unterschiedlich gut für
diese Aufgabe geeignet. So stellt SCHMIDKE [Schm02] fest, dass die Arbeitswissenschaft
derzeit über keinen verlässlichen „Standardindikator“ zur Messung der psychischen Belastung
und Beanspruchung verfügt. Für jede wissenschaftliche Untersuchung muss daher eine Aus-
wahl jeweils bestgeeigneter Parameter gefunden werden.
3.1.1 Physiologische, leistungsbezogene und subjektive Beanspruchungsin-
dikatoren
Beanspruchung ist immer mit Veränderungen in physiologischen Vorgängen des Körpers
sowie in Leistungsfähigkeit und Erleben der Person verbunden [Kl89, OD86, Ku94]. Dement-
sprechend können nach O’DONELL ET AL. [OD86] drei Kategorien zur Unterteilung der Erfas-
sungsmethoden festgelegt werden:
1. Physiologische Messmethoden: Ableitung verschiedener physiologischer Parameter
als Beanspruchungsindikatoren, z. B. des Blutdrucks.
2. Leistungsbezogene Messmethoden: Maße der primären Fahraufgabe oder einer Se-
kundäraufgabe werden als Indikator für eine Beanspruchung herangezogen, z. B. die
Qualität der Spurhaltung.
3. Subjektive Messmethoden (Selbstreport): Erfassung von subjektiven Einschätzungen
des Fahrers, der sein eigenes Erleben berichtet und bewertet, z. B. mit Ratingskalen.
20
Es gibt dabei eine sehr große Zahl von Maßen, denen eine Indikatorfunktion für psychische
Beanspruchung zugeschrieben wird und die in empirischen Untersuchungen eingesetzt wer-
den können. Mit den oben beschriebenen Forschungsmethoden werden allerdings unter-
schiedliche Aspekte erfasst [Bu02]: mit Hilfe des Selbstreports wird der von einer Person
subjektiv empfundene Komfort gemessen. Diskomfort hingegen ist durch die objektiven
leistungsbasierten und physiologischen Messmethoden erfassbar. Es bleibt allerdings festzu-
halten, dass die objektiv gemessenen Werte nicht zwingend mit den subjektiven identisch sein
müssen.
Die Abbildung 3.1 gibt einen Überblick über die Einteilung der unterschiedlichen Erhe-
bungsmethoden.
Abb. 3.1: Methoden der Beanspruchungsmessung [Sp08]
Physiologische Beanspruchungsindikatoren:
Der Einsatz physiologischer Maße ist heute, obwohl ursprünglich bevorzugt auf Beanspru-
chungen des Muskel- und Kreislaufsystems ausgerichtet [Schm93], in der Beanspruchungs-
forschung etabliert [Ku94]. Man hat jedoch erkannt, dass auch psychische Anforderungen mit
physiologischen Reaktionen reproduzierbar einhergehen, wenn auch nicht so eindeutig wie
dies bei körperlichen Belastungen der Fall ist [Ku94].
Eine Erklärung hierfür liefern aktivierungstheoretische Ansätze, die davon ausgehen, dass
psychische Beanspruchung eine allgemeine Aktivierung des Organismus hervorruft. Bean-
spruchung lässt sich somit über bekannte physiologische Aktivierungsindikatoren wie Herz-
frequenz oder Blutdruck erfassen [Ma98]. Eine alternative Erklärungsmöglichkeit für das
Phänomen beruht auf der muskulären Mitaktivierung bei mentalen Vorgängen. Danach sind
geistige Leistungen immer von einem, teilweise nur geringfügig, erhöhten Muskeltonus be-
gleitet. Diese Muskelanspannungen rufen physiologische Reaktionen hervor, die denen bei
physischen Leistungen ähneln. Dazu gehören beispielsweise ein erhöhter Sauerstoff-
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
21
verbrauch, der Anstieg von Herzfrequenz und Atemvolumen oder die Zunahme der Durchblu-
tung [Ku94; Schm65].
Die Verwendung physiologischer Maße hat den Vorteil, dass sie häufig kontinuierlich wäh-
rend der interessierenden Tätigkeit erhoben werden können und dass die Messung den Pro-
banden dabei meist nicht beeinflusst oder behindert. Außerdem erfordert die Erfassung
physiologischer Parameter keine Rückmeldung des Probanden und unterliegt nicht seiner
willentlichen Kontrolle, so dass die Ergebnisse nicht verfälscht werden.
Der Einsatz physiologischer Beanspruchungsindikatoren ist jedoch auch mit Nachteilen ver-
bunden. Die Datenauswertung erfordert Fachwissen, wird durch die typischerweise hohe
inter- und intraindividuelle Varianz von physiologischen Maßen erschwert und ist insbeson-
dere bei der Verwendung kontinuierlicher Daten recht aufwändig. Das Fehlen eines einheitli-
chen theoretischen Hintergrundes für den Zusammenhang von physiologischen Vorgängen
und psychischer Beanspruchung erschwert zusätzlich die Interpretation physiologischer Pa-
rameter [Ga00]. Zudem werden häufig spezielle und zum Teil teure Geräte benötigt. Einen
weiteren Nachteil bildet das Auftreten von Artefakten bei der Erfassung physiologischer
Signale, was deren Einsatzmöglichkeiten einschränkt. Mit Artefakten sind hier Veränderun-
gen im registrierten Biosignal gemeint, die nicht von der untersuchten Quelle herrühren,
sondern die durch das Messverfahren oder durch Reaktionen anderer physiologischer Systeme
bedingt sind, wie z. B. Sprech- und Bewegungsartefakte [Bo92].
Physiologische Beanspruchungsparameter können aus der Aktivität des Herz-Kreislauf-
Systems, des Muskelsystems, des endokrinen Systems, der Atmung und der elektrodermalen
sowie hirnelektrischen Aktivität abgeleitet werden. Dabei muss immer zwischen dem physio-
logischen Vorgang und der jeweiligen Parametrisierung unterschieden werden. Beispielsweise
lassen sich aus der Herzaktivität zahlreiche verschiedene Parameter bestimmen – das Inter-
Beat-Interval, die Herzfrequenz, die Dauer der T-Welle im Elektrokardiogramm (EKG) oder
die 0,1-Hertz-Komponente der Herzfrequenzvariabilität – die jeweils in eigenem Zusammen-
hang mit psychischer Beanspruchung stehen.
Die gebräuchlichsten physiologischen Parameter, denen Indikatorfunktionen für psychische
Beanspruchung zugeschrieben werden, sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Herzfrequenz, Blut-
druck und Kennwerte der elektrodermalen Aktivität, die in der vorliegenden Arbeit zur Bean-
spruchungsabschätzung herangezogen werden sollen, werden in Kapitel 3.3 näher
beschrieben.
22
Tab. 3.1: Physiologische Parameter und deren Zusammenhang mit physischer, mentaler und emotionaler Bean-
spruchung
Physiologische Parameter Beanspruchung
Physisch Mental Emotional
Hirnelektrische Aktivität
EEG-Alpha-Aktivität (8-12 Hz) ↓↓
EEG-Theta-Aktivität (4–7 Hz) ↑↑
Amplitude der P300-Komponente des
Ereigniskorrelierten Potentials
↑↑
Latenz der P300-Komponente des Ereigniskorre-
lierten Potentials
↑
Kardiovaskuläre Aktivität
Herzfrequenz ↑↑ ↑ ↑
0,1-Hz-Komponente der Herzfrequenzvariabilität ↓↓
Fingerpulsvolumen-Amplitude
↓ ↓
Systolischer Blutdruck ↑↑ ↑
Diastolischer Blutdruck ↑ ↑
Atmung
Atemfrequenz ↑ ↑
Arrhythmie der Atmungskurve ↓↓
Elektrodermale Aktivität
Frequenz spontaner Hautleitwertreaktionen
↑ ↑↑
Amplitude elektrodermaler Reaktionen ↑ ↑
Erholungszeit elektrodermaler Reaktionen ↑
Okulomotorische Aktivität
Lidschlussfrequenz
↑↑ ↑
Sakkadische Augenbewegungen ↑
Pupillenweite
↑ ↑
Muskelaktivität
EMG-Aktivität ↑ ↑ ↑
Muskeltremor ↑↑
Endokrine Aktivität
Adrenalin-Konzentration
↑↑ ↑
Noradrenalin-Konzentration ↑↑ ↑
Cortisol-Konzentration
↑ ↑↑
Anmerkung: Modifiziert nach BOUCSEIN ET AL. [Bo00, S. 9.], „↑“ bzw. „↓“ bedeutet, dass
Hinweise für eine Zunahme bzw. Abnahme der Werte des Parameters mit zunehmender Be-
anspruchung vorliegen, Doppelpfeile weisen auf besonders hohen Zusammenhang hin.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
23
Leistungsbezogene Beanspruchungsindikatoren:
Ausgangspunkt für die Verwendung leistungsbezogener Beanspruchungsindikatoren ist die
Annahme, dass die erbrachte Leistung unter erhöhter Beanspruchung nachlässt. Dies kann
sich in Mengen-, Güte- und Geschwindigkeitsaspekten des Leistungsergebnisses äußern.
Insbesondere nimmt die Fehlerwahrscheinlichkeit zu, und es treten Leistungsschwankungen
auf [Ku94]. Leistungsmaße lassen sich danach unterscheiden, ob sie sich auf die Hauptaufga-
be, deren Beanspruchungswirkung untersucht werden soll, eine Nebenaufgabe oder eine
Referenzaufgabe beziehen, wie im Folgenden erläutert wird [DW96].
Für die Hauptaufgabe kann es keine Standardleistungsmaße geben, da diese abhängig von der
zu untersuchenden Tätigkeit ausgewählt werden müssen [OD86]. Für die Ermittlung der
Beanspruchung beim Führen von Fahrzeugen werden also Maße der Fahrleistung als Indika-
toren für die Fahrerbeanspruchung herangezogen, wie beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit
[DW04, He99, Li06, Ri98b], die laterale Abweichung von der Sollspur [DW04, Li06], die
Bremskraft, -dauer und -häufigkeit [He99, Ho86], die Lenkfrequenz und die Varianz der
Lenkbewegungen [Si02, Ve96] oder Fahrfehler [Po94].
Auch die Erfassung der Leistung in einer zusätzlich zur Hauptaufgabe gestellten Nebenaufga-
be dient, entsprechend dem ressourcentheoretischen Ansatz, zur Abschätzung der Restkapazi-
tät des Probanden und damit seiner Beanspruchung. Typische Aufgaben für diesen Zweck
sind Wahlreaktionstests, Zeitschätz-, Gedächtnis-, Tracking- und Rechenaufgaben [He99,
OD86]. Bei der Untersuchung der Fahrerbeanspruchung muss die Nebenaufgabe so ausge-
wählt werden, dass es nicht zu einer sicherheitsgefährdenden Beeinflussung der Fahraufgabe
kommt [He99]. Beispiele für Leistungsmaße bei Nebenaufgaben im Fahrversuch sind „car
following“, wobei der Abstand zu einem vorausfahrenden Fahrzeug ausgewertet wurde
[DW96], die Taktgenauigkeit beim taktgebundenen Aussprechen kurzer Wörter [Ba95] oder
der Prozentsatz erkannter Zielreize, die auf einem Display neben dem Lenkrad dargeboten
wurden [Ve96].
Referenzaufgaben, die sowohl vor als auch nach der interessierenden Tätigkeit ausgeführt
werden, stellen eine weitere Möglichkeit dar, Aussagen zur Beanspruchungswirkung einer
Tätigkeit zu machen. Aus der Leistungsdifferenz von Prä- und Postmessung können dann
Rückschlüsse auf die, vorwiegend mentale, Beanspruchung durch die zwischenzeitliche Auf-
gabe gezogen werden [DW96; Kl89]. SCHMIDTKE [Schm93] empfiehlt insbesondere Wahlre-
aktionstests als Referenzaufgabe, die mehrere Reaktionsmöglichkeiten bieten.
Die Leistungsfähigkeit bzw. Fehlerneigung einer Person stellt einen wichtigen Aspekt psychi-
scher Beanspruchung dar. Allerdings sagen Leistungsmaße allein oft nichts über die Bean-
spruchung einer Person aus, da trotz erhöhter Beanspruchung die Leistung durch vermehrte
24
Anstrengung konstant gehalten werden kann. Daher wird eine Kombination mit physiologi-
schen und subjektiven Maßen empfohlen [DW96, OD86].
Subjektive Beanspruchungsindikatoren:
Zur Beanspruchungserfassung werden häufig Verfahren eingesetzt, die die subjektiv empfun-
dene Beanspruchung einer Person über Selbstauskünfte erfassen [OD86]. Dabei liegt die
besondere Bedeutung dieser Maße in ihrem direkten Zugang zum Erleben der Person, das
einen Hauptbestandteil der Beanspruchungswirkung darstellt und das Verhalten einer Person
in einer Belastungssituation mitbestimmt [Ha88, Ku94].
Tab. 3.2: Skalierungsverfahren zur Erfassung subjektiv erlebter Beanspruchung
Verfahren Erfasste Parameter
BMS-Verfahren*
Plath & Richter [1984]
Ermüdung, Monotonie, Sättigung,
Stress
Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung
Müller & Basler [1993]
Emotionale Beanspruchung
Modified Cooper-Harper Scale
Wierwille & Casali [1983]
Mentaler Aufwand
NASA-Task Load Index*
Hart & Staveland [1988]
Geistige, physische und zeitliche An-
forderung, Anstrengung, Frustration,
Erfolg der Ausführung
Rating Scale of Mental Effort
Zijlstra [1993]
Mentaler Aufwand
Skala der allgemeinen zentralen Aktiviertheit
Bartenwerfer [1969]
Allgemeine zentrale Aktiviertheit
Subjective Workload Assessment Technique*
Armstrong Aerospace Medical Research Labo-
ratory [1987]
Zeitdruck, mentale Beanspruchung,
Stress
Anmerkung: * Mehrdimensionale Skalierungsverfahren.
Die gebräuchlichste Technik zur Erhebung subjektiv empfundener Beanspruchung sind Ska-
lierungsverfahren. Der Aufwand sowie die Kosten für deren Herstellung, Anwendung und
Auswertung sind gering, sie sind in jeder Umgebung einsetzbar und lassen sich schnell an die
jeweilige Untersuchung anpassen [Go86, Ri98a].
Ein Nachteil subjektiver Verfahren ist der Einfluss von Antwortvorgaben, Einstellungen oder
Erwartungen der Probanden auf das Antwortverhalten. Auch eine Verwechslung der empfun-
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
25
denen Beanspruchung durch eine Tätigkeit mit den objektiven Anforderungen der Aufgabe
kann zu verzerrten Angaben führen. Zudem werden Selbstauskünfte der Probanden meist erst
nach der interessierenden Tätigkeit erhoben, um deren Ausführung nicht zu behindern, so
dass durch die zeitliche Verzögerung Informationen verloren gehen können [Go86].
Zur Erfassung subjektiv erlebter Beanspruchung können ein- und mehrdimensionale Skalie-
rungsverfahren verwendet werden, wobei erstere ein Maß für die empfundene Gesamtbean-
spruchung liefern, während letztere eine Einschätzung einzelner Aspekte der Beanspruchung
erlauben [DW96, Fa02]. Zur umfassenden Einschätzung erlebter Beanspruchung erscheint ein
kombinierter Einsatz beider Verfahren sinnvoll [Hi92]. Die im nichtklinischen Bereich ge-
bräuchlichsten Skalierungsverfahren sind in Tabelle 3.2 aufgeführt.
Zusammenfassung
Obwohl die verschiedenen Parameter alle eine Indikatorfunktion für Beanspruchung besitzen,
messen sie dennoch nicht immer dasselbe und reagieren selektiv auf bestimmte Aspekte der
Beanspruchung. Ein häufig beobachtetes Phänomen sind daher die unterschiedlichen Verläufe
oder Muster der einzelnen Beanspruchungsparameter in derselben Belastungssituation [Ri03,
Ro75, Ve96], die auf die Mehrdimensionalität von Beanspruchung hinweisen [DW96, Ma98,
Ri98a]. Dementsprechend wird die Nutzung mehrerer Beanspruchungsparameter empfohlen,
um eine umfassende Bewertung vornehmen zu können [Go96, Na02, Ri98a, Schm02].
DE WAARD [DW96] empfiehlt, Parameter aus allen drei Indikatorbereichen – physiologisch,
leistungsbezogen und subjektiv – sowie mehrere pro Bereich heranzuziehen. Die Wahl der
verwendeten Beanspruchungsparameter bestimmt dabei maßgeblich das Ergebnis einer Un-
tersuchung.
3.1.2 Gütekriterien für Beanspruchungsindikatoren
Die Fülle von physiologischen Parametern, Leistungsmaßen und Skalierungsverfahren, die
zur Abschätzung der Beanspruchung herangezogen werden können, macht es notwendig, die
bestgeeigneten Parameter für die jeweilige Fragestellung und Versuchsanordnung eigens
auszuwählen. Hierbei helfen Gütekriterien, anhand derer sich die Einsatzmöglichkeiten und
-grenzen der verschiedenen Maße einschätzen lassen. O`DONNELL ET AL. [OD86] nennen
folgende Kriterien zur Bewertung von Beanspruchungsindikatoren, denen bei verschiedenen
Anwendungssituationen und Fragestellungen jeweils unterschiedliches Gewicht beigemessen
wird.
• Sensitivität: Sie bezeichnet die Empfindlichkeit, mit der ein Parameter auf Beanspru-
chungsunterschiede reagiert und stellt ein wichtiges Kriterium dar, um einem Parame-
ter Indikatorfunktion für Beanspruchung zuzuschreiben [Ma98]. Hoch sensitive Maße
26
vermögen auch kleine Unterschiede abzubilden, allerdings haben auch weniger sensi-
tive Maße ihre Berechtigung, wenn eine Untersuchung nur der groben Abschätzung
der Beanspruchungswirkung einer Tätigkeit dient.
• Diagnostizität: Sie gibt an, inwieweit ein Parameter selektiv auf bestimmte Beanspru-
chungsarten reagiert. Hoch diagnostische Maße sind also nur sensitiv für bestimmte
Aspekte von Beanspruchung und erlauben somit Rückschlüsse auf die Quellen der
vorliegenden Gesamtbeanspruchung [Ma98]. Ist das Ziel einer Untersuchung lediglich
die Einschätzung der Gesamtbeanspruchung, so tritt das Kriterium der Diagnostizität
in den Hintergrund, und es können globale Parameter verwendet werden.
• Interferenzfreiheit: Sie bezeichnet das Ausmaß, in dem die Erfassung eines Parameters
ohne Beeinflussung oder Beeinträchtigung des Probanden und der zu untersuchenden
Tätigkeit erfolgen kann. Ist dieses Kriterium nur unzureichend erfüllt, so lassen die er-
hobenen Maße keine gültigen Schlüsse auf die durch störungsfreie Ausführung einer
Tätigkeit bedingte Beanspruchung einer Person zu. Gerade in Felduntersuchungen
kann mangelnde Interferenzfreiheit auch sicherheitsrelevant sein. Typischerweise ist
der Einsatz von Nebenaufgaben am häufigsten mit Interferenz verbunden.
• Praktische Erfordernisse: Beispielsweise muss die zur Erfassung eines Parameters be-
nötigte Messeinrichtung und Auswertungssoftware sowie gegebenenfalls medizini-
sches Fachpersonal verfügbar sein. In Feldversuchen ist es besonders wichtig, dass die
verwendeten Geräte portabel sind. Grundsätzlich sind Skalierungsverfahren zur Erfas-
sung der erlebten Beanspruchung mit den wenigsten praktischen Erfordernissen ver-
bunden.
• Akzeptanz: Um Motivation und Kooperation der Probanden zu gewährleisten und
nicht zuletzt, um überhaupt Personen zur Teilnahme an der Untersuchung bewegen zu
können, ist es wichtig, dass die Probanden den verwendeten Parameter und die Um-
stände seiner Messung akzeptieren.
Zur Auswahl der Parameter, die in der vorliegenden Untersuchung verwendet werden, wurde
insbesondere den Kriterien „Sensitivität“, „Interferenzfreiheit“ und „Praktische Erfordernisse“
hohes Gewicht verliehen. Da für einige Untersuchungen nur ein kleiner Effekt auf die Bean-
spruchung des Fahrers vermutet wurde, waren sehr sensitive Parameter zur Detektion not-
wendig. Außerdem musste eine Gefährdung von Probanden und Versuchsleitung durch
Interferenz der Messung mit der Fahrtätigkeit unbedingt vermieden und praktische Ein-
schränkungen für Untersuchungen im Feld berücksichtigt werden. Der Diagnostizität der
Parameter wurde hier weniger Bedeutung beigemessen. Zudem orientierte sich die Auswahl
der zu verwendenden Parameter an Voruntersuchungen [Ba05a, Ba05b], die unmittelbare
Erfahrungswerte für den Umgang mit den verwendeten Messverfahren lieferten.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
27
3.2 Verwendung physiologischer Maße zur Zustands-
charakterisierung von Personen
Die Nutzung von unterschiedlichen physiologischen Daten zur Charakterisierung des Zustan-
des von Personen ist nicht neu. Neben üblichen stationären Monitoren zur Herz-
Kreislaufüberwachung, wie sie in Kliniken eingesetzt werden, sind seit einiger Zeit mobile
Erfassungssysteme verfügbar, teils im Entwicklungsstadium, teils als Prototypen oder als
erste Serienmodelle. Sie dienen zumeist der Überwachung von Patienten in ihrem häuslichen
Umfeld (Home-Monitoring, Telemedizin). Die Messdaten werden dabei häufig direkt an ein
Telemedizinisches Zentrum übertragen, wo sie zunächst automatisch und bei Unregelmäßig-
keiten auch manuell ausgewertet werden. Die Geräte müssen einfach aufgebaut, die Verwen-
dung ohne fremde Hilfe möglich und die Bedienung nach kurzer Einweisung leicht
nachvollziehbar sein. Ähnlich funktionieren auch „Physiologger“, die zur Beanspruchungs-
messung eingesetzt werden. Diese batteriebetriebenen Datenspeicher sind mit ausgewählten
Sensoren und entsprechenden Messverstärkern für einen universellen Einsatz ausgestattet. Die
Geräte sind allerdings nicht optimal für eine Anwendung im Fahrzeug ausgelegt und das
Anlegen der Elektroden und Sensoren bedeutet einen erhöhten Aufwand. Im Bereich der
Müdigkeitserkennung im Kraftfahrzeug werden bereits kamerabasierte Verfahren eingesetzt
mit denen der Fahrer überwacht wird. Aber auch physiologische Parameter wie z. B. EEG-
Daten werden erforscht, um Sekundenschlaf vorherzusagen.
3.2.1 Medizinische und telemedizinische Anwendung
Relevante Parameter für die Zustandscharakterisierung einer Person, die einfach zu erheben
sind, werden bei der Herz-Kreislaufüberwachung im Bereich des Telemonitoring abgeleitet.
Verschiedene Anbieter und wissenschaftliche Institute sind hier aktiv. Die Messeinrichtungen
werden den Patienten meist in Krankenhäusern oder von Ärzten für eine häusliche Überwa-
chung zur Verfügung gestellt.
Das Lifeshirt System der Firma VIVOMETRICS [Vi04] wurde ursprünglich zur Messung der
Atemaktivität entwickelt und wird wie eine Weste getragen. Mit Hilfe von zusätzlichen han-
delsüblichen Sensoren können auch Parameter wie Sauerstoffsättigung, EEG, EOG, Tempera-
tur und Bewegung gemessen und der Blutdruck manschettenbasiert erfasst werden. Die
Messdaten werden auf einem PDA gespeichert und später über das Internet an ein Telemedi-
zinisches Zentrum geschickt.
Unter dem Begriff Lifetronics entwickelt das FRAUNHOFER IPMS [Fr07] ein System für das
Herz-Kreislauf-Monitoring im Stationär- und Heimbereich sowie für das Fitness-Monitoring
im Wellness-Bereich. Dazu wurde ein sogenanntes Body-Area-Network entwickelt, das ver-
schiedene medizinische Sensoren zur EKG-Messung sowie zur Puls- und Blutdruckbestim-
28
mung drahtlos miteinander kommunizieren lässt. Die telefongebundene Weiterleitung der
Daten an ein medizinisches Auswertezentrum ermöglicht die Langzeitüberwachung des Pati-
enten.
Einen ganz ähnlichen Ansatz verfolgt die Firma TOUMAZ TECHNOLOGY LIMITED [To07] mit
ihrer Sensium-Technologie. Energieeffiziente Sensoren in Form eines Pflasters kommunizie-
ren via RF-Transmitter mit einem PDA, der am Körper getragen wird und eine Auswertungs-
software zur Verfügung stellt oder die Weiterleitung der Daten mittels Basisstation und
Internet an eine zentrale Datenbasis ermöglicht. Die Sensorpflaster können EKG und Tempe-
ratur messen. Mit externen Sensoren können auch Blutzucker und Sauerstoffsättigung be-
stimmt werden.
Das CorBelt-System der Firma CORSCIENCE GMBH & CO. KG [Co07] verwendet einen Brust-
gurt zum permanenten EKG-Monitoring. Das Sensorsignal wird im Gurt analysiert und bei
Unregelmäßigkeiten werden die entsprechenden Abschnitte via Bluetooth und Mobiltelefon
an eine webbasierte Patientenakte weitergeleitet, auf die Arzt und Patient Zugriff haben. Auch
Einzelmesswerte eines oszillometrischen Blutdruckmessgerätes können so übermittelt wer-
den.
Im Projekt AMON (Advanced Telemedical Monitor) an der ETH ZÜRICH [Lu02a] entstand ein
Handgelenk-Monitor zur Patientenüberwachung. Das erweiterte Handgelenk-Blutdruckmess-
gerät erfasst Daten wie Blutdruck, Puls, Sauerstoffsättigung, Temperatur und ein 1-Kanal-
EKG diskontinuierlich, die von Medizinern über eine Mobiltelefonverbindung abgerufen
werden können. Eine Auswertung der Messdaten auf dem Gerät ermöglicht im Notfall die
Alarmierung eines Arztes.
Die Firma WELCH ALLYN [We06] bietet Systeme zur mobilen Patientenüberwachung für den
stationären Einsatz im Krankenhaus an. Das Wireless Propaq CS ist ein vollwertiger Patien-
tenmonitor mit kabelgebundenen Sensoren, der die Messdaten über eine Netzwerkanbindung
an eine Zentralstation übermittelt. Das Micropaq eröffnet dem Patienten mehr Bewegungs-
freiheit. Die Messung von EKG, Herzfrequenz und Sauerstoffsättigung erfolgt auf einer trag-
baren Erfassungseinheit, die ebenfalls einen Datenaustausch via Netzwerk ermöglicht.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass bei allem Komfort durch drahtlose Übertragung der
Messdaten und Integration von Sensoren in Kleidung oder Pflaster das Anlegen für eine
Anwendung im Kraftfahrzeug zur ständigen Fahrerüberwachung zu aufwändig bleibt. Wei-
terhin ist fast immer ein Mediziner nötig, um die gewonnenen Daten zu analysieren. Außer-
dem werden bei fast allen Systemen mehrere Einzelsensoren verwendet, die teilweise auch
unter der Kleidung getragen werden müssen. Dies ist ebenfalls nicht für einen permanenten
Einsatz im Fahrzeug geeignet.
Es zeigt sich aber, dass für eine Patientenüberwachung EKG und Herzfrequenz, Körpertempe-
ratur und Sauerstoffsättigung offenbar entscheidende Parameter sind, die auch in einer neu zu
entwickelnden Sensorik Berücksichtigung finden sollten.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
29
3.2.2 Müdigkeitserkennung im Kraftfahrzeug
Im Bereich der Aufmerksamkeits- und Müdigkeitserkennung werden seit einiger Zeit Verfah-
ren der Bildverarbeitung erprobt. Parameter wie Kopfposition, Augenöffnungsgrad, Lid-
schlagfrequenz, Lidschlussdauer und andere dienen als Indikatoren für bevorstehenden
Sekundenschlaf, stützen sich aber nur auf äußerlich sichtbare Merkmale des Fahrers, die
kamerabasiert ermittelt werden. Weitere Ansätze bestehen in der Analyse von EEG-
Ableitungen und der Messung von Augenbewegungen [Go06, Ha01], die allerdings eine
komplexe Sensorik voraussetzen und derzeit noch keine Serienreife erlangt haben. Ein ande-
res System erkennt das Absinken des Kopfes beim Einschlafen und alarmiert den Fahrer
akustisch [Ho07, Al08].
DAIMLER-CHRYSLER [Ca07, Vi09] arbeitet an einem System zur Müdigkeitserkennung, das
durch Kombination von Mess- und Erfahrungswerten den Übergang vom Wachzustand zur
Ermüdung detektieren soll. Der Fahrer wird gewarnt, wenn seine Konzentration nachlässt.
Dabei werden verschiedene Sensorkonzepte verwendet: Die Beobachtung der Lidschlagfre-
quenz mittels Infrarotkamera wird mit EEG-Daten und Fahrdynamikdaten kombiniert. Derzeit
erhältlich ist das System Attention Assist, das den Fahrer bei einsetzender Müdigkeit warnt
[Bä07]. Die Informationen werden dabei aus der Lenkbewegung und weiteren Fahrzeugdaten
durch Abgleich mit einem gespeicherten Fahrerprofil gewonnen.
Ähnliche Wege geht auch SIEMENS VDO AUTOMOTIVE [Bo04, Ho07] mit seinem Driver
Attention System. Um den Müdigkeits- und Aufmerksamkeitszustand des Fahrers zu bestim-
men, wird ein Kamerasystem zur Augenbeobachtung verwendet und die Bewegungsaktivität
des Fahrers mittels Kamerabeobachtung erfasst. Der geplante Einsatz von Drucksensoren im
Sitz und kapazitiven Sensoren im Fahrzeug sowie die Verwendung physiologischer Maße wie
Herz- und Atemfrequenz oder Körpertemperatur wurde bisher nicht umgesetzt.
Der Einsatz eines Kamerasystems ist aufwändig und kostspielig und muss verschiedene Sitz-
positionen des Fahrers sowie unterschiedliche Lichtverhältnisse berücksichtigen. Der Rück-
schluss von physiologischen Maßen auf den Müdigkeitszustand des Fahrers scheint hier eine
gute Alternative zu sein. Die EEG-Messung im Fahrzeug kann zu Forschungszwecken sinn-
voll eingesetzt werden, eine Markteinführung ist aber aufgrund des messtechnischen Aufwan-
des derzeit nicht zu erwarten.
3.3 Ausgewählte Indikatoren der Fahrerbeanspruchung
Dieses Kapitel widmet sich den Grundlagen und bisherigen Forschungsergebnissen zu den
Indikatoren, die in verschiedenen Untersuchungen dieser Arbeit zur Erfassung der Beanspru-
30
chung des Fahrers herangezogen werden: der Herzfrequenz, dem Blutdruck, der elektroder-
malen Aktivität, den Skalierungsverfahren NASA-Task Load Index und Rating Scale of
Mental Effort sowie der Fahrgeschwindigkeit. Dabei werden empirische Untersuchungen
exemplarisch angeführt, in denen diese Maße bereits als Beanspruchungsindikatoren verwen-
det wurden und Ergebnisse zu deren Eignung vorgestellt.
Der Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung, der ebenfalls in der Arbeit eingesetzt
wurde, stellt kein in verkehrspsychologischen Untersuchungen gebräuchliches Instrument dar,
so dass keine relevanten Forschungsergebnisse vorgestellt werden können.
Es existiert eine Vielzahl physiologischer Parameter, die für eine Beanspruchungsmessung
herangezogen werden können. Wichtig bei der Erhebung physiologischer Indikatoren ist die
Notwendigkeit, mehrere Maße gleichzeitig zu erfassen, um gut interpretierbare Ergebnisse zu
erhalten [Fr87]. Eine theoretische Einführung in die Zusammenhänge menschlichen Verhal-
tens und physiologischer Prozesse und eine Übersicht über Messmethoden der Psychophysio-
logie ist bei SCHANDRY [Scha81] zu finden.
3.3.1 Indikator Herzaktivität
Die Herzfrequenz gibt die Zahl der Herzschläge pro Minute an und wird aus dem Elektrokar-
diogramm (EKG) abgeleitet, indem die so genannten R-Zacken, die mit jedem Herzschlag
auftreten, detektiert werden und deren zeitlicher Abstand bestimmt wird. Die durchschnittli-
che Herzfrequenz liegt in Ruhesituationen bei 70 Schlägen pro Minute und kann unter großer
Belastung bis auf 180 Schläge pro Minute ansteigen [Bi06].
Aufgrund der vielfachen Bewährung als Beanspruchungsindikator, der unproblematischen
Anbringung der Elektroden und der sehr geringen Anfälligkeit für Bewegungsartefakte ist die
Herzfrequenz einer der häufigsten im Rahmen der Untersuchung von psychischer Beanspru-
chung verwendeten Parameter überhaupt [Bo00, Ku94].
Sehr ausführlich diskutiert wird jedoch noch immer die Diagnostizität der Herzfrequenz für
mentale Beanspruchung. MANZEY [Ma98] und RIBBACK [Ri03] geben zahlreiche Studien an,
die die Sensitivität der Herzfrequenz für Unterschiede in der mentalen Beanspruchung bele-
gen, verschiedene andere Arbeiten lassen jedoch keinen Zusammenhang erkennen. Eine
mögliche Erklärung dafür bieten NICKEL ET AL. [Ni02], die auf der Grundlage von systemati-
schen Evaluationsstudien die Sensitivität der Herzfrequenz für mentale Beanspruchungszu-
stände generell in Frage stellen. Sie gehen davon aus, dass der Parameter nur dann auf
mentale Anforderungen anspricht, wenn gleichzeitig emotionale Beanspruchung (beispiels-
weise ausgelöst durch Zeitdruck oder Versagensangst) vorliegt, was häufig der Fall ist, aber in
den meisten Untersuchungen nicht kontrolliert wurde und die Autoren damit zu falschen
Schlüssen führt.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
31
Insgesamt erscheint es daher ratsam, die Herzfrequenz als globalen Indikator zur Abschätzung
der Gesamtbeanspruchung zu interpretieren.
Auch bei der Erforschung der Beanspruchung des Kraftfahrers, insbesondere im Feldversuch,
stellt die Herzfrequenz ein ausgesprochen beliebtes und sehr häufig eingesetztes Maß dar, das
für die Verkehrspsychologie als „klassisch“ bezeichnet werden kann.
So untersuchte DE WAARD [DW96] in einer Reihe von Feldversuchen die Herzfrequenz von
Kraftfahrern in verschiedenen Situationen und stellte fest, dass sich während des Autofahrens
höhere Werte als in Ruhesituationen zeigten. Noch höhere Werte ergaben sich, wenn die
Probanden zusätzlich telefonierten. Zudem ging das Fahren in geschlossenen Ortschaften, an
Autobahnauffahrten oder Kreisverkehren mit einer höheren Herzfrequenz einher als das Fah-
ren auf einer zweispurigen Straße. Außerdem zeigte sich ein deutlicher Trend zu höheren
Werten bei Landstraßenfahrten durch Waldgebiet gegenüber freier Heidefläche. DE WAARD
bewertet abschließend die Herzfrequenz als nützlichen Indikator für die Gesamtbeanspru-
chung des Fahrers, der sowohl auf eine erhöhte Komplexität der Verkehrssituation als auch
auf zusätzliche Aufgaben während des Fahrens anspricht.
Einen ähnlichen Ansatz verfolgte HERING [He99], der eine Feldstudie zur Fahrerbeanspru-
chung im Kölner Stadtgebiet durchführte. Er untersuchte den Einfluss unterschiedlicher Ver-
kehrssituationen auf die Herzfrequenz und verschiedene Leistungsmaße der Fahraufgabe
sowie einer optischen Nebenaufgabe. Dabei lässt sich über die Herzfrequenz deutlich zwi-
schen Stand und Fahrt und auch zwischen den Geschwindigkeitsklassen 5 bis 20 km/h sowie
20 bis 40 km/h differenzieren. Zudem zeigten sich bei Abbiegevorgängen höhere Werte als
für Geradeausfahrten, wobei die Herzfrequenz jedoch nicht wie angenommen zwischen einfa-
chen und komplexen Abbiegemanövern unterscheiden konnte. Die höchsten Werte ergaben
sich beim Einparken5. Außerdem fanden sich für alle Situationen signifikante Zusammenhän-
ge zwischen Herzfrequenz, Leistung in der Nebenaufgabe und Lenkbewegungen. Auch
HERING kommt zu dem Schluss, dass die Herzfrequenz geeignet erscheint, die Beanspruchung
des Fahrers in Abhängigkeit von verschiedenen Verkehrssituationen abzubilden.
DE WAARD ET AL. [DW04] untersuchten in einem Fahrsimulator, wie viel visuelle Informa-
tion für sicheres und komfortables Fahren notwendig ist. Die Fahrerbeanspruchung wurde mit
Hilfe der Indikatoren Herzfrequenz, Herzfrequenzvariabilität und Fahrgeschwindigkeit, sowie
über die laterale Abweichung von der Fahrbahnmitte operationalisiert. Die Simulation zeigte
eine ländliche Gegend ohne Häuser, Bäume oder Gegenverkehr und war in fünf Abschnitte
unterteilt. Pro Streckensegment wurde ein Element der visuellen Führung, das den weiteren
Verlauf der Fahrbahn besser erkennen ließ, hinzugefügt. Dabei zeigte sich eine Abnahme der
Herzfrequenz und der Querabweichung beim Übergang von keinerlei Straßenmarkierung zur
5 Ein Vergleich mit Ergebnissen eigener Untersuchungen erfolgt in Kapitel 5.4.2.
32
Anzeige eines Mittelstreifens, die sich jedoch nicht weiter beim Hinzufügen von Leitpfosten,
Seitenstreifen und Laternen fortsetzte. Nur das vollkommene Fehlen von visuellen Elementen
scheint also beeinträchtigend zu wirken. In einer zusätzlichen Versuchsbedingung fuhren die
Probanden auf eine Straßengabelung zu, die sie zu einer Richtungsentscheidung zwang. Hier
zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Herzfrequenz bis zur Gabelung, danach fielen die Werte
wieder ab. DE WAARD ET AL. schlussfolgerten, dass sich die Herzfrequenz als sensitiver Indi-
kator sowohl für einen unterschiedlichen visuellen Informationsgehalt der Fahr-
bahn(umgebung) als auch für emotionale Beanspruchung durch den Entscheidungsdruck und
die Unsicherheit an der Straßengabelung gezeigt habe.
In einem Feldexperiment zum Einfluss der Streckenführung auf die emotionale und mentale
Beanspruchung des Fahrers erhoben RICHTER ET AL. [Ri98b] Herzrate, Herzratenvariabilität,
Fahrtgeschwindigkeit, Frequenz spontaner Hautleitwertreaktionen, Lidschlussfrequenz sowie
eine subjektive Schwierigkeitseinschätzung. Für die Herzfrequenz ergaben sich höhere Werte
auf Landstraßenabschnitten mit mittleren gegenüber leichten Kurvenradien; zwischen starken
und mittleren Kurven vermochte die Herzfrequenz jedoch nicht zu differenzieren. Der Zu-
sammenhang der Frequenz spontaner Hautleitwertreaktionen mit dem Auftreten von Kurven
wird in Kapitel 3.3.3 beschrieben.
LIU ET AL. [Li06] untersuchten in einer Feldstudie den Einfluss einer Mobiltelefonnutzung
während des Autofahrens auf Beanspruchung und Fahrleistung. Das Telefonieren wurde dabei
simuliert, indem über ein Mobiltelefon zweistellige Zahlen genannt wurden, deren Summe
mündlich wiederzugeben war. Während der Fahrt wurden verschiedene Maße der Fahrleis-
tung wie die Geschwindigkeit, die Leistung bei den Additionsaufgaben als Nebenaufgabe
sowie die Herzfrequenz erfasst. Für letztere wurden nicht die Absolutwerte, sondern die um
den individuellen Ruhewert korrigierten Werte zur Auswertung verwendet. So sollten die
hohen interindividuellen Unterschiede, die typischerweise bei diesem Parameter auftreten,
reduziert werden. Für die Mobiltelefon-Bedingung zeigten sich signifikant größere Änderun-
gen der Herzfrequenzwerte als bei Fahrten ohne zu telefonieren. Zudem variierte die Herzfre-
quenz auch mit verschiedenen Verkehrsereignissen: beim Beschleunigen, Überholen und
Bremsen bei der Zufahrt auf eine rote Ampel zeigten sich höhere Werte als beim gleichförmi-
gen Fahren.
VERWEY ET AL. [Ve96] verglichen in einer Felduntersuchung neun gängige Beanspruchungs-
indikatoren hinsichtlich ihrer Sensitivität während relativ kurzer Perioden erhöhter Belastung.
Die Probanden fuhren auf einer Autobahn und bekamen die Anweisung auf der rechten Spur
zu bleiben. Die Belastungsspitzen wurden dabei durch zwei Zusatzaufgaben – eine visuelle
(Detektion eines bestimmten Musters auf einem seitlich angebrachten Display) und eine
mentale (Zählen von bestimmen Zielreizen in einer Abfolge akustisch dargebotener Buchsta-
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
33
ben) – erzeugt, die während der Fahrt für 10, 30 oder 60 Sekunden dargeboten wurden. Es
zeigte sich zwar ein Trend zu ansteigender Herzfrequenz bei zunehmender Dauer der Zusatz-
belastung, der jedoch nicht statistisch signifikant war, so dass sich dieser Parameter als wenig
sensitiv für die Belastungsvariation dieses Experiments erwiesen hat.
Insgesamt kann die Herzfrequenz jedoch als nützlicher Indikator für die Abschätzung der
Gesamtbeanspruchung des Fahrers gewertet werden. Er hat sich in zahlreichen empirischen
Untersuchungen sowohl hinsichtlich Veränderungen in der Beanspruchung bei verschiedenen
Verkehrssituationen und Fahrbahneigenschaften als auch hinsichtlich Beanspruchung durch
zusätzliche Aufgaben während der Fahrt sensitiv gezeigt [DW96].
3.3.2 Indikator Blutdruck
Der Blutdruck bezeichnet den Druck, den das Blut auf die Gefäßwände ausübt, und wird in
Millimeter Quecksilbersäule (mmHg) angegeben. Er ist nicht konstant, sondern schwankt im
Verlauf eines Herzzyklus zwischen einem Maximalwert, der sich mit dem Höhepunkt des
Blutauswurfs in die Arterien durch die Kontraktion des Herzmuskels ergibt, und einem Mini-
malwert zwischen den Herzschlägen. Der höchste Wert wird als systolischer, der niedrigste
Wert als diastolischer Blutdruck und deren Differenz als Blutdruckamplitude bezeichnet. Bei
gesunden jungen Menschen liegt der Blutdruck durchschnittlich bei einem systolischen Wert
von 120 mmHg und einem diastolischen Wert von 80 mmHg.
Gemessen wird der Blutdruck üblicherweise nicht-invasiv nach der Methode von Riva-Rocci
oder oszillometrisch (Kapitel 4.2). Eine kontinuierliche Blutdruckmessung erlauben beide
Verfahren nicht, da die Messprozedur jeweils mindestens eine halbe Minute dauert und zwi-
schen zwei Messungen eine Minute verstreichen sollte. Im Rahmen verkehrspsychologischer
Forschung zur Fahrerbeanspruchung sind jedoch häufig gerade kurzfristige Veränderungen
des Blutdrucks, beispielsweise in Abhängigkeit von verschiedenen Verkehrssituationen, von
Interesse, was eine kontinuierliche Messung erfordert. Eine solche kann zum einen invasiv
erfolgen, wobei dieses Verfahren nach Aussagen von Medizinern aufgrund der Risiken für
den Probanden nicht für Labor- und Felduntersuchungen angewendet werden kann und nur im
intensiv-medizinischen Bereich eingesetzt wird. Zum anderen stehen nicht-invasive Verfahren
zur kontinuierlichen Blutdruckmessung zur Verfügung, die jedoch in der Vergangenheit
wegen geringer Zuverlässigkeit der Messung, der großen Anfälligkeit für Bewegungsartefakte
oder der Notwendigkeit häufiger Neukalibrierungen keine befriedigenden Ergebnisse liefer-
ten.
Aufgrund der Problematik der kontinuierlichen Messung ist der Zusammenhang von Blut-
druck und psychischer Beanspruchung verglichen mit der Herzfrequenz weit weniger gut
dokumentiert [Ma98]. RIBBACK [Ri03] hat mehrere Studien zusammengetragen, die sich mit
34
diesem Thema beschäftigen, wobei die Messung des Blutdrucks fast ausschließlich diskonti-
nuierlich erfolgte. Seine Schlussfolgerung lautet, dass auch der diskontinuierlich gemessene
Blutdruck hinreichend sensitiv für psychische Beanspruchung und sein Einsatz als Beanspru-
chungsindikator gerechtfertigt ist. In Untersuchungen zur Fahrerbeanspruchung wird der
Blutdruck höchst selten verwendet, da diskontinuierliche Messungen für viele Fragestellun-
gen nicht befriedigend und Messungen mit Manschettengeräten während der Fahrt sehr stö-
rend sind.
Mit dem von BARSCHDORFF und Mitarbeitern vorgeschlagenen und in dieser Arbeit neu ent-
wickelten Messaufbau gelingt eine kontinuierliche Blutdruckbestimmung über die Erfassung
der Pulstransitzeit gut und hat sich bereits in Simulator- und Laborversuchen bewährt. Eine
genaue Beschreibung des Verfahrens findet sich in Kapitel 4.
Insgesamt kann davon ausgegangen werden, dass der Blutdruck als Indikator für psychische
Beanspruchung verwendet werden kann [Bo00, Ri03] und dass dessen kontinuierliche Mes-
sung mit dem neu entwickelten Messaufbau zuverlässig möglich ist.
3.3.3 Indikator Elektrodermale Aktivität
Die elektrodermale Aktivität bezeichnet Veränderungen des elektrischen Leitwerts bzw.
Widerstands der Haut, die im Zusammenhang mit psychischen Prozessen auftreten. Die Haut-
leitfähigkeit wird üblicherweise in Mikrosiemens (μS), der Hautwiderstand in Ohm (Ω) ange-
geben. Als gebräuchliche Größe hat sich seit langem der Hautleitwert etabliert.
Die physiologischen Grundlagen und die Funktionsmechanismen der elektrodermalen Aktivi-
tät sind bis heute nicht vollständig geklärt. Allerdings kann davon ausgegangen werden, dass
Schwankungen des Hautleitwerts durch das Auffüllen der Schweißdrüsen mit Schweißflüs-
sigkeit und deren anschließende Reabsorption durch die Membranen der Schweißdrüsengänge
entstehen. Diese Abläufe werden durch sympathische Nervenfasern gesteuert. Folglich kön-
nen die Schwankungen am deutlichsten an den Handinnenflächen und Fußsohlen registriert
werden, wo die Dichte sympathisch gesteuerter Schweißdrüsen besonders hoch ist (Bo92].
Eine entscheidende Beobachtung sind die systematischen Veränderungen des Hautleitwertes
[Bi06]. Er zeigt infolge von emotionalen Reizen innerhalb von wenigen Sekunden eine Amp-
litudenänderung, die als Hautleitwertreaktion (engl.: Skin Conductance Response, SCR)
bezeichnet wird. Neben diesen reizgebundenen Reaktionen treten auch Spontanfluktuationen
des Hautleitwerts auf, die als nichtspezifische bzw. spontane Reaktionen (engl.: NonSpecific
Skin Conductance Response, NS.SCR) bezeichnet werden, da sie keinem bestimmten Reiz
oder Ereignis zugeordnet werden können. Dennoch ist die Frequenz ihres Auftretens abhängig
von inneren und äußeren Reizen, die auf die Person einwirken [Bo92].
Erfasst wird die Hautleitfähigkeit, indem Elektroden an der Hautoberfläche angebracht wer-
den, über die eine schwache elektrische Spannung angelegt und der resultierende Stromfluss
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
35
gemessen wird. Die aufgezeichnete Hautleitwertkurve besteht aus einer – häufig driftenden –
Grundlinie und den überlagerten kurzzeitigen Anstiegen, den (Spontan)Reaktionen. Eine
komplexe Betrachtung unter Berücksichtigung kapazitiver Komponenten eines Hautmodells
wird nur sehr selten durchgeführt.
Im Hinblick auf Aussagen zur Beanspruchung einer Person werden sowohl Informationen zur
Lage der Grundlinie – dem Hautleitwertniveau (engl.: Skin Conductance Level, SCL) – als
auch Eigenschaften spezifischer und unspezifischer Reaktionen ausgewertet. Dabei können
Kennwerte tonischer und phasischer Veränderungen des Hautleitwerts unterschieden werden.
Wichtige Beanspruchungsindikatoren auf Seiten der tonischen Maße stellen das durchschnitt-
liche Hautleitwertniveau sowie die Anzahl der Spontanreaktionen pro Minute dar [Scha81],
wobei insbesondere letzteres sehr häufig verwendet wird und als besonders sensitives Maß
gilt [Bo89, Ma98]. Auf Seiten der Maße phasischer Reaktionen werden verschiedene Eigen-
schaften spezifischer Reaktionen ausgewertet, wie Amplitude oder Anstiegs- und Erholungs-
zeit, die in Abbildung 3.2 veranschaulicht sind.
Der Zusammenhang der elektrodermalen Aktivität mit psychischer – insbesondere aber emo-
tionaler – Beanspruchung gilt als gut belegt [Bo89, Bo92, Ma98]. Aufgrund der kontinuierli-
chen Erfassbarkeit und einfachen Ableitung wird der Hautleitwert auch häufig in
verkehrspsychologischen Studien zur Fahrerbeanspruchung verwendet.
Abb. 3.2: Idealform einer Hautleitwertreaktion mit den daraus erfassbaren Parametern [Bo92, S. 135], E-
DA=Electrodermal Activity, EDR=Electrodermal Response mit den Kennwerten: EDR amp.=Amplitude, EDR
lat.=Latenz, EDR ris.t.=Anstiegszeit, EDR rec.t=Erholungszeit)
36
So untersuchte HELANDER [He78] Hautleitwertreaktionen bei verschiedenen Verkehrsereig-
nissen und wollte damit überprüfen, ob die erfassten SCR unterschiedlich beanspruchende
Situationen abbilden können. Außerdem sollte der Frage nachgegangen werden, inwieweit die
SCR, die sich in Zusammenhang mit einer Bremstätigkeit beobachten ließen, durch die damit
verbundene Muskelaktivität oder durch die psychische Beanspruchung des vorausgehenden
Ereignisses bedingt wurden. Zur Auswertung wurden die unterschiedlichen Verkehrssituatio-
nen dann hinsichtlich der Stärke der Bremskraft sowie der SCR in eine Rangfolge gebracht,
wobei sich eine starke Übereinstimmung und eine hohe Plausibilität zeigten. Ereignisse wie
„Fußgänger oder Fahrradfahrer am Fahrbahnrand“, „einscherendes Fahrzeug“, „multiple
Ereignisse“ und „Überholvorgang“ fanden sich auf den vorderen Plätzen und Ereignisse wie
„parkendes Fahrzeug“, „einem Fahrzeug folgen“ und „kein Ereignis“ auf den hinteren Plät-
zen. Bei der Untersuchung des Ursprungs der SCR wurde deren zeitliche Verzögerung be-
rücksichtigt und es zeigte sich, dass die Reaktionen vor der Muskelaktivität beim Bremsen
ausgelöst werden und somit keine Folge davon sein können. HELANDER schlussfolgerte, dass
insbesondere solche Verkehrsereignisse, die eine Bremstätigkeit notwendig machen, SCR
auslösen und damit als beanspruchend interpretiert werden können. Ausnahme bilden hierbei
Überholvorgänge, die auch mit SCR einhergehen. Insgesamt stellen Hautleitwertreaktionen
also einen nützlichen Indikator der Beanspruchung in verschiedenen Verkehrssituationen dar.
Auch RICHTER ET AL. [Ri98b] nutzten den Hautleitwert neben der Herzfrequenz als weiteren
Beanspruchungsindikator in ihrer Felduntersuchung zum Einfluss der Streckenführung auf die
Fahrerbeanspruchung (siehe Kapitel 3.3.1). Dabei wurde die Frequenz spontaner Hautleit-
wertreaktionen ausgewertet, für die sich ein ähnliches Muster wie für die Herzfrequenz ergab.
Die niedrigsten Werte traten bei leichten Kurvenradien, die höchsten Werte bei mittleren bis
starken Kurven auf. Das heißt, die Anzahl von Spontanreaktionen differenzierte zwischen den
großen Bereichen, nicht aber in einem Bereich mit mittleren Kurvenradien.
Auch in der Untersuchung von VERWEY ET AL. [Ve96] zur Sensitivität verschiedener Bean-
spruchungsindikatoren für relativ kurze Perioden erhöhter Belastung durch Zusatzaufgaben
während des Fahrens (siehe Kapitel 3.3.1) wurde die Spontanaktivität als Parameter der
elektrodermalen Aktivität herangezogen. Hier zeigten sich erhöhte Werte während der menta-
len Zusatzaufgabe, nicht aber während der visuellen Zusatzaufgabe. Zudem ergaben sich für
beide Aufgaben höhere Werte bei einer 60 Sekunden andauernden Zusatzbelastung gegenüber
10 Sekunden. VERWEY ET AL. schlussfolgerten, dass die Frequenz der Spontanreaktionen
sensitiv für erhöhte mentale Belastung während des Fahrens und für eher länger dauernde
Zusatzbelastung ist.
Insgesamt können der Hautleitwert und die daraus gewonnenen Parameter – insbesondere die
Frequenz von Spontanreaktionen – als sensitive Indikatoren für psychische Beanspruchung
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
37
betrachtet werden. Sie haben sich in verkehrspsychologischen Untersuchungen sowohl hin-
sichtlich verschiedener Verkehrssituationen und Fahrbahneigenschaften als auch hinsichtlich
Beanspruchung durch kurzfristige Zusatzbelastung als sensitiv erwiesen.
3.3.4 Beanspruchungsskala „NASA-Task Load Index“
Der „NASA-Task Load Index“ (NASA-TLX, siehe Anhang A.1.1) ist ein von HART ET AL.
[Ha88] entwickeltes Skalierungsverfahren, das die subjektiv erlebte Beanspruchung während
einer Tätigkeit mehrdimensional erfasst. Er besteht aus sechs bipolaren Subskalen zu den
Bereichen Geistige Anforderung, Visuelle Anforderung, Zeitliche Anforderung, Anstrengung,
Frustration und Ausführung, auf denen das Ausmaß der Beanspruchung angegeben wird.
Danach erfolgt mit einem Paarvergleich eine Gewichtung der Subskalen, indem die Ver-
suchspersonen bewerten, welche der Teilbeanspruchungen für die absolvierte Aufgabe wich-
tiger war. Ergebnis dieser Gewichtung ist das Gesamtmaß der subjektiven Beanspruchung.
Konstruiert wurde der NASA-TLX für den Einsatz im Bereich der Luft- und Raumfahrt und
dementsprechend bezieht sich die überwiegende Zahl der empirischen Untersuchungen auf
die Beanspruchung von Piloten. Mit diesem Verfahren werden allerdings auch Aspekte ermit-
telt, die über diesen Kontext hinausgehen, so dass ein Einsatz in anderen Feldern problemlos
möglich scheint. Er wird jedoch vergleichsweise selten zur Betrachtung der Fahrerbeanspru-
chung verwendet.
In einer Felduntersuchung von MATTHEWS ET AL. [Ma03b] beispielsweise wird die subjektiv
empfundene Beanspruchung des Fahrers durch eine Mobiltelefonbenutzung während der
Fahrt über eine Landstraße untersucht. Unterschieden wurden Fahrten ohne Mobiltelefonnut-
zung, mit Mobiltelefon in der Hand und mit Freisprechanlage. Über das Telefon wurden
Wörter vorgelesen und dabei die Verstehensleistung erfasst. Die Probanden füllten nach
jedem Versuchsdurchgang den NASA-TLX aus. Die Beanspruchungswerte weisen darauf hin,
dass Autofahren als beanspruchender empfunden wird, wenn gleichzeitig telefoniert wird,
insbesondere ohne Freisprecheinrichtung. Aus der negativen Korrelation des entscheidenden
NASA-TLX-Bereichs „Frustration“ und der Verstehensleistung schlussfolgerten MATTHEWS
ET AL, dass die schlechte Verständlichkeit der entscheidende Faktor für die höhere Beanspru-
chung beim Mobiltelefonieren während der Fahrt ist. Darüber hinaus scheint der NASA-TLX
sensitiv für Unterschiede in der Fahrerbeanspruchung in Abhängigkeit von zusätzlichen Auf-
gaben zu sein.
Der NASA-TLX hat sich insbesondere in den Bereichen Luftfahrt und Militär für Belastungs-
variationen sensitiv gezeigt [Hi92, Pf02] und sich ebenso beim Führen von Kraftfahrzeugen
bewährt. Daher kann sein Einsatz im Rahmen der vorliegenden Arbeit als gerechtfertigt gel-
ten.
38
3.3.5 Beanspruchungsskala “Rating Scale of Mental Effort”
Mit dem von ZIJLSTRA [Zi93] entwickelten eindimensionalen Skalierungsverfahren „Rating
Scale of Mental Effort“ (RSME) wird die mentale Anstrengung erfasst, die bei der Ausfüh-
rung einer Tätigkeit aufgebracht werden muss. Bei der Anstrengungsskala (siehe Anhang
A.1.2), einer überarbeiteten deutschsprachigen Fassung der RSME, wird eine Skala von 0 bis
220 verwendet. Als Hilfsmittel sind sieben Ankerreize angegeben, die beispielsweise den
Wert 20 als kaum anstrengend, den Wert 40 als etwas anstrengend und den Wert 119 als
ziemlich anstrengend bezeichnen.
DE WAARD [DW96] verwendete die RSME in mehreren Felduntersuchungen zur Fahrerbean-
spruchung, um deren Sensitivität für unterschiedlich komplexe Fahraufgaben oder den Zu-
stand des Fahrers zu untersuchen. Dabei wurde die Fahraufgabe manipuliert, indem die
Probanden zusätzlich telefonierten oder mit einem Tutoring-Programm interagieren mussten,
das Fahrfehler rückmeldet. Der Fahrerzustand wurde durch sedierende Medikamente, Alkohol
oder Schlafentzug beeinflusst. Vergleichsbedingung war immer das Fahren ohne Zusatzauf-
gabe oder veränderten Fahrerzustand. Die RSME differenzierte stets zwischen dieser Ver-
gleichsbedingung und den Belastungsbedingungen. DE WAARD bewertete die RSME
abschließend als geeignetes Maß zur Abschätzung der Fahrerbeanspruchung, das sowohl auf
aufgaben- als auch auf zustandsbedingte Veränderungen in der Beanspruchung des Fahrers
sensitiv reagiert.
In einer Feldstudie von VERWEY ET AL. [Ve96] wurde die Sensitivität der RSME für kurzzei-
tig erhöhte Belastungen während des Fahrens untersucht (siehe Kapitel 3.3.1). Es zeigten sich
höhere Skalenwerte für die Belastungsperioden, sowohl durch die mentale als auch die visuel-
le Zusatzaufgabe. Außerdem reagierte die RSME sensitiv auf unterschiedlich lang andauernde
Zusatzbelastungen: sie differenzierte gut zwischen 10 und 60 Sekunden Belastungsdauer.
VERWEY ET AL. schlussfolgerten in einer vergleichenden Betrachtung mit den anderen ver-
wendeten Beanspruchungsindikatoren, dass sich diese einfach strukturierte und leicht ver-
wendbare Skala sehr sensitiv für kurzzeitige Belastungserhöhung zeige.
Insgesamt kann die RSME als geeignetes Verfahren zur Erfassung der Fahrerbeanspruchung
bewertet werden, das sowohl auf kurz- als auch langfristige Veränderungen der Belastung
sowie auf verschiedene Zustände des Fahrers sensitiv reagiert.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
39
3.3.6 Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung
Der von MÜLLER ET AL. [Mü93] konstruierte „Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung“
(KAB, siehe Anhang A.1.3) erfasst die subjektiv erlebte emotionale Beanspruchung einer
Person im Vergleich zu den beiden obigen Methoden nicht erst nach, sondern schon während
der Aufgabe. Der KAB besteht aus sechs bipolar angeordneten Adjektiven, die verschiedene
Aspekte der Beanspruchung abbilden (1. angespannt / gelassen, 2. gelöst / beklommen,
3. besorgt / unbekümmert, 4. entspannt / unruhig, 5. skeptisch / vertrauensvoll, 6. behaglich /
unwohl). Zwischen diesen Gegensatzpaaren ist eine sechs-stufige Ratingskala eingefügt, auf
der die Probanden entsprechend ihres aktuellen Befindens ein Kreuz setzen. Der Skalenwert
ergibt sich als Mittelwert der einzelnen Kategorienwerte. Ein höherer Skalenwert drückt dann
eine höhere aktuelle Beanspruchung aus. Es können sich Skalenwerte zwischen 1 (minimal
beansprucht) und 6 (maximal beansprucht) ergeben.
Im Rahmen der Validierung des KAB zeigte sich ein konformer Verlauf von Herzfrequenz
und KAB-Skalenwerten in Abhängigkeit von induzierter Entspannung und Stress [Mü93]. Für
den KAB können allerdings keine empirischen Untersuchungen angeführt werden, die auf
seine Eignung hinweisen, da er in Studien zur Fahrerbeanspruchung bisher keine Verwendung
gefunden hat.
3.3.7 Indikator Fahrgeschwindigkeit
Autofahren ist eine Aufgabe, bei der im Gegensatz zu vielen anderen Aufgaben, die Arbeits-
geschwindigkeit über die Regulierung der Fahrgeschwindigkeit zu einem großen Teil selbst
bestimmt werden kann. Einflussfaktoren sind der Anforderungsgehalt bzw. die Komplexität
der Verkehrssituation oder der Fahrerzustand. Die Fahraufgabe macht also kompensatorisches
Verhalten möglich. Daher kann die selbst gewählte Fahrgeschwindigkeit als Maß für die
Beanspruchung, die das Fahren auslöst, interpretiert werden [DW96]. Dabei gehen jüngere
Modelle nicht mehr von einer Konstanthaltung des Risikos durch Geschwindigkeitsanpassung
aus, wie es von WILDE [Wi84] formuliert wurde, sondern von einer Regulierung der wahrge-
nommenen Aufgabenschwierigkeit [Fu04].
In einer Felduntersuchung von LIU ET AL. [Li06] wurde der Effekt der Mobiltelefonnutzung
während des Autofahrens auf Beanspruchung und Fahrleistung untersucht (siehe Kapitel
3.3.1). Dabei zeigten sich während der Versuchsbedingung mit Mobiltelefonnutzung geringe-
re Geschwindigkeiten als bei der Kontrollbedingung. Dies wurde als kompensatorisches
Verhalten aufgrund der Zusatzbelastung durch das Telefonieren interpretiert.
Auch FAIRCLOUGH ET AL., 1991 [zitiert nach Ma03b] untersuchten in einem Feldversuch die
Beanspruchung des Fahrers durch das Telefonieren am Steuer. Neben einer Kontrollbedin-
40
gung ohne Gespräch wurden zwei Versuchsbedingungen realisiert: eine Verhandlung mit
einer Person am Mobiltelefon und auf dem Beifahrersitz. Auch hier konnte eine Geschwin-
digkeitsreduktion von der Kontrollbedingung zu den Versuchsbedingungen festgestellt wer-
den. Neben der haptischen Einschränkung durch das Halten des Telefons führt auch die
Konversation als solche zu einer Beanspruchung beim Telefonieren am Steuer.
In der Felduntersuchung von VERWEY ET AL. [Ve96] zur Beanspruchungswirkung von kurzen
Perioden erhöhter Beanspruchung (siehe Kapitel 3.3.1) zeigte sich jedoch entgegen den Er-
wartungen keine Geschwindigkeitsreduktion während der Zusatzaufgaben – egal welcher
Dauer. Die Autoren gaben jedoch zu bedenken, dass die Fahraufgabe per se wenig beanspru-
chend war, da die Probanden mit maximal 90 km/h auf der rechten Spur einer Autobahn
fahren und nicht überholen sollten. Die Fahraufgabe war dadurch auf Spurhalten auf gerader
Fahrbahn bei für Autobahnen eher mäßiger Geschwindigkeit reduziert. Dies dürfte bei geüb-
ten Fahrern größtenteils automatisiert ablaufen [Ba95] und kann eine Begründung dafür sein,
dass sich hier die Geschwindigkeit nicht sensitiv für die Zusatzbelastung zeigte.
Insgesamt kann die Geschwindigkeit, sofern sie vom Fahrer frei gewählt werden kann, als ein
Maß betrachtet werden, das Rückschlüsse auf die Beanspruchung des Fahrers zulässt.
3.4 Zusammenfassung
Es gibt drei Kategorien, mit denen sich Methoden zur Erfassung von Beanspruchung zusam-
menfassen lassen: Physiologie (objektiv), Selbstreport (subjektiv), Leistung (objektiv). Da im
Folgenden sowohl objektiv messbare als auch die subjektiv empfundene Beanspruchung
erfasst werden soll, werden im Wesentlichen physiologische Messungen und Selbstreport als
Methodenkategorien gewählt.
Ein direktes Messen objektiver Beanspruchung ist nicht möglich. Physiologische Reaktionen
des Körpers können aber als Parameter für eine Beanspruchung herangezogen werden. Dazu
wurden die Herzfrequenz und der Blutdruck als Reaktionen des kardiovaskulären Systems
und die elektrodermale Aktivität ausgewählt. Auch eigene Vorstudien haben gezeigt, dass
diese Parameter zur Messung der Beanspruchung beim Fahren geeignet sind.
Der Blutdruck ist ein wenig untersuchter Parameter, da dieser bisher nicht-invasiv nur diskon-
tinuierlich gemessen werden konnte. Das hier entwickelte System zur kontinuierlichen, nicht-
invasiven Blutdruckmessung wurde erstmalig in den im Folgenden beschriebenen Untersu-
chungen an einer größeren Probandenstichprobe getestet. Die anderen physiologischen Para-
meter, die parallel erhoben wurden und in der Beanspruchungsforschung als etabliert gelten,
dienen zum Vergleich und zur Bewertung des Blutdrucks als Beanspruchungsindikator.
Methoden zur Erhebung von Beanspruchung und Fahrerzustand
41
Zur Erfassung der subjektiven Beanspruchung wurden drei Instrumente ausgewählt: Der
NASA-TLX, die Anstrengungsskala, eine Variante der RSME und der KAB. Durch den
Einsatz der beiden erstgenannten Erhebungsinstrumente ist es möglich, sowohl die Korrela-
tion der objektiven mit den subjektiven Daten zu untersuchen als auch zu überprüfen, inwie-
weit mit den beiden Methoden dieselben Ergebnisse erzielt werden. Der Einsatz des KAB
muss als Versuch gewertet werden, da er bisher nicht für die Erfassung von Fahrerbeanspru-
chung verwendet wurde.
Als leistungsbasierter Parameter wurde die Fahrgeschwindigkeit ausgewählt. Es ist jedoch
anzumerken, dass nicht alle Parameter in jeder Untersuchung verwendet wurden. Die Aus-
wahl der Indikatoren richtete sich neben der Bedingung einer möglichst großen Sensitivität
auch auf den Aspekt der praktischen Einsetzbarkeit in Feld- und Kraftfahrzeuguntersuchun-
gen.
42
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
43
4 Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der
Beanspruchungsmessung
Die bisherigen Ausführungen zeigen, dass es eine Vielzahl physiologischer Parameter gibt,
die als Indikatoren für Beanspruchung und Aktivierung dienen können. Diese Indikatoren
müssen kontinuierlich und genau mit einfachen Messgeräten erfasst werden können, ohne
dabei den Probanden zu stören. Dafür haben sich unter anderem die Herzfrequenz, die Herzra-
tenvariabilität und der Hautleitwert als geeignet erwiesen, die sowohl im Labor als auch in der
Feldanwendung zuverlässig erhoben werden können. Da sich wiederholt gezeigt hat, dass die
Messung einzelner Parameter als Beanspruchungsindikatoren aufgrund der großen interindi-
viduellen Unterschiede bei den Reaktionen physiologischer Parameter auf Stressbelastung
ungenau ist, soll der Blutdruck als weiterer und bisher wenig verwendeter Parameter herange-
zogen werden.
Für eine nicht-invasive kontinuierliche Messung des Blutdrucks wird das in diesem Kapitel
vorgestellte, neuentwickelte Verfahren verwendet. Der Druck wird, basierend auf der Aus-
breitung der Pulswellen im Gefäßsystem, für jeden Herzschlag berechnet. Dazu wird eine
einfache Sensorik verwendet, mit der sich gleichzeitig mehrere physiologische Parameter
erfassen lassen. Verfahren der Mustererkennung und Klassifikation ermöglichen die Bestim-
mung einer einzelnen Kenngröße für den aktuellen Fahrerzustand aus den aufgezeichneten
Messdaten.
Zum besseren Verständnis der Vorgehensweise bei der Auslegung des Messverfahrens wird
zunächst auf den Blutdruck selbst eingegangen und der Einfluss der Herztätigkeit auf den
Druckverlauf beschrieben. Anschließend werden verschiedene Methoden vorgestellt, mit
denen sich der Blutdruck ermitteln lässt. Diese Verfahren unterscheiden sich dabei erheblich
in ihrem theoretischen Hintergrund, ihrem apparativen Aufwand und ihrer Genauigkeit.
4.1 Kreislaufsystem
Blut ist eine undurchsichtige rote Flüssigkeit, die aus Blutplasma und den darin suspendierten
roten Blutzellen, weißen Blutzellen und Blutplättchen besteht. Zu seinen Aufgaben gehören
der Transport von Sauerstoff, Nährstoffen, Hormonen und Wärme. Das Blut dient zur Auf-
rechterhaltung eines konstanten Körpermilieus und zur pH-Wert-Regulation im Organismus.
Ein erwachsener Mensch besitzt ein Blutvolumen von 4-6 Litern, das etwa einmal pro Minute
vollständig im Kreislaufsystem zirkuliert. Dabei werden pro Herzschlag von den 140 ml Blut
in einer Herzkammer etwa 80 ml als Schlagvolumen ausgestoßen.
Die folgenden Zusammenhänge beziehen sich auf Beiträge der Autoren BUSSE [Bu82],
SCHANDRY [Scha81], SCHMIDT ET AL. [Schm05] und TRAUTWEIN ET AL. [Tr72], die auch das
weiterführende Studium ermöglichen.
44
4.1.1 Das Herz
Das Blut kann seine Aufgaben nur erfüllen, wenn es ständig durch die im Körper verteilten
Gefäße zirkuliert. Die Umwälzpumpe der Blutbewegung ist das Herz, das sich aus zwei mus-
kulösen Hohlorganen – der rechten und der linken Herzhälfte – zusammensetzt. Während die
rechte Herzhälfte das sauerstoffarme Blut aus dem Körper in Richtung Lunge pumpt (Lun-
genkreislauf), verteilt die linke Herzhälfte das sauerstoffreiche Blut aus der Lunge an die
verschiedenen Organe (Körperkreislauf), siehe Abbildung 4.1. Dabei handelt es sich jedoch
um keine vollständigen Kreise, denn streng genommen existiert nur ein Kreislauf, in dem die
beiden Herzhälften als Antriebspumpen in Reihe geschaltet sind. Daher müssen beide Hälften
stets in ihrer Pumpleistung synchron arbeiten, um keine Blutstauungen zu verursachen.
Abb. 4.1: Links: Frontalansicht des Herzens. Die Richtung der Blutströmung ist durch Pfeile gekennzeichnet.
Rechts: schematisch getrennte Darstellung der beiden Herzhälften und ihrer Verbindung mit dem Lungen- bzw.
Körperkreislauf [Schm05]
Die Pumpwirkung des Herzens beruht auf dem rhythmischen Wechsel von Erschlaffung
(Diastole) und Kontraktion (Systole) der Herzkammern. In der Diastole füllen sich die Herz-
kammern mit Blut, das dann in der Systole in die angeschlossenen großen Arterien ausgewor-
fen wird. Jeder Herzkammer ist ein Vorhof vorgeschaltet, der das Blutvolumen einer
Herzaktion (Schlagvolumen) aus den großen Venen aufnimmt und anschließend die Füllung
der Kammern unterstützt.
Durch wechselnde Belastungen des Körpers entstehen unterschiedliche Anforderungen an die
Tätigkeit des Herzens. Dies setzt eine erhebliche Anpassungsfähigkeit des Organs voraus. So
kann beispielsweise beim Erwachsenen das von einer Herzkammer pro Minute geförderte
Blutvolumen (Herzzeitvolumen) von ca. 5 Liter in Ruhe auf 25 Liter und mehr bei schwerer
Muskelarbeit ansteigen.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
45
4.1.2 Erregungsphysiologie des Herzens
Die Funktionselemente des Herzens sind die Herzmuskelfasern, die aus Fasern der Arbeits-
muskulatur, die die Pumparbeit verrichten, und Fasern zur Erregungsbildung und
-weiterleitung bestehen. Wie alle Nerven- und Muskelzellen des Körpers besitzen auch sie ein
Ruhepotential und reagieren auf eine überschwellige Reizung mit einer Erregung in Gestalt
eines Aktionspotentials. Die rhythmische Kontraktion des Herzens, bei der alle Muskelfasern
zusammen im Sinne einer gerichteten Pumpwirkung reagieren, wird durch Erregungen ausge-
löst, die im Herzen selbst entstehen. Man spricht daher von Autorhythmie. Der primäre
Schrittmacher ist der Sinusknoten, der für eine Ruheherzfrequenz von ca. 60-90 Schlägen pro
Minute sorgt. Fällt die Erregungsbildung oder -weiterleitung aus, springen untergeordnete
Instanzen ein, die den Herzschlag mit einer niedrigeren Frequenz anregen.
Neben der Autorhythmie des Herzens findet man auch übergeordnete Kontrollinstanzen, die
die Herztätigkeit äußeren Bedingungen anpassen. Herznerven, die sowohl sympathischen als
auch parasympathischen Ursprungs sind, üben allerdings nur modulierenden Einfluss aus
[Scha81]. Gleichzeitig werden über andere Nervenbahnen Rückmeldungen des Herzens an
das Gehirn weitergegeben. Die Reizweiterleitung kann neben den elektrischen Nervenimpul-
sen auch über Botenstoffe erfolgen.
Abb. 4.2: Normalform des Elektrokardiogramms bei bipolarer Ableitung von der Körperoberfläche in Richtung
der Längsachse des Herzens [Schm05]
Bei der Ausbreitung und Rückbildung der Erregung des Herzens entstehen Ströme, die sich
bis an die Körperoberfläche ausbreiten. Die zeitliche Veränderung von Größe und Richtung
dieser Ströme spiegelt sich in Veränderungen von Potenzialdifferenzen wider, die an ver-
46
schiedenen Stellen der Hautoberfläche gemessen werden können. Das Elektrokardiogramm
stellt die Aufzeichnung solcher Potentialdifferenzen zwischen definierten Messpunkten in
Abhängigkeit von der Zeit dar. Es handelt sich hierbei um einen Ausdruck der Herzerregung
und nicht der Kontraktion.
Die einzelnen Ausschläge (P bis T) enthalten u. a. folgende Informationen über den kardialen
Erregungsablauf:
• P-Welle: Erregungsausbreitung über die Vorhöfe
• QRS-Gruppe: Erregungsausbreitung über die Kammern
• T-Welle: Erregungsrückbildung in den Kammern
Bei der Ableitung des Elektrokardiogramms unterscheidet man zwischen Extremitäten- und
Brustwandableitung, sowie zwischen bipolarer und unipolarer Ableitung. In der Praxis sind
heute vor allem folgende Ableitungsformen üblich:
• Bipolare Extremitätenableitungen nach Einthoven (I, II, III)
• Unipolare Extremitätenableitungen nach Goldberger (aVR, aVL, aVF)
• Bipolare Brustwandableitungen nach Nehb (D, A, I)
• Unipolare Brustwandableitungen nach Wilson (V1 – V6)
4.1.3 Gefäßsystem und Kreislaufregulation
Der Blutkreislauf des Menschen besteht aus einem geschlossenen System von teils parallel
und teils seriell geschalteten Blutgefäßen. Durch das Herz wird in diesem System ein ausrei-
chend hohes Druckgefälle erzeugt, um einen gerichteten Blutstrom aufrecht zu erhalten. Die
Geschwindigkeit, mit der das Blut zirkuliert, ist dabei an die Bedürfnisse des Gewebes und
die erforderlichen Transportraten der Atemgase Sauerstoff und Kohlendioxid angepasst. Das
von der linken Herzkammer in die Aorta gepumpte Blut strömt weiter in die großen Arterien,
die sich wiederum aufspalten, so dass am Ende ein dichtes Gefäßnetz – die Kapillaren – ent-
steht. Mit jeder Aufteilung steigt die Gesamtzahl der Adern während gleichzeitig deren
Durchmesser immer weiter abnimmt. Über die Venen, die sich nach und nach vereinigen,
gelangt das Blut zurück zum Herzen. Für den Lungenkreislauf ergibt sich ein vergleichbarer
Aufbau.
Der arterielle Blutdruck kommt, vereinfacht gesagt, als das Produkt von Auswurfleistung des
Herzens und peripherem Widerstand zustande [Scha81]. Die Auswurfleistung wird im We-
sentlichen durch Schlagvolumen und Herzfrequenz bestimmt, während der periphere Wider-
stand hauptsächlich von der Elastizität der größeren Arterien, bzw. dem Durchmesser der
kleineren Arterien beeinflusst wird. Kontraktionskraft und peripherer Widerstand unterliegen
einem Koppelungsmechanismus, der für einen konstanten Blutdruck sorgt.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
47
Die Regelungseigenschaften des Kreislaufes beruhen zunächst auf der Autoregulation des
Herzens, die für eine synchrone Pumpleistung des linken und rechten Herzens sorgt. Auf
diese Weise werden in bestimmten Grenzen Änderungen des peripheren Widerstandes und
des zur Verfügung stehenden venösen Blutvolumens ausgeglichen.
Zur Anpassung des Herzzeitvolumens und des peripheren Widerstandes der Gefäße an die
aktuelle Belastungssituation greift der Barorezeptorreflex als weiterer Regelkreis ein. Barore-
zeptoren sind Drucksinneskörperchen, die den Druck des arteriellen Blutes über die Dehnung
der Gefäßwände der Schlagadern erfassen. Abhängig vom Grad der Gefäßdehnung werden
Signale zur Medulla oblongata, einer Teilstruktur des Zentralen Nervensystems gesendet, die
zu einer Reduzierung der Pulsfrequenz führen. Von dort aus werden Sinusknoten, Myokard
und Vasomotoren als Stellglieder des Kreislaufsystems angesteuert. Die Barorezeptoren
reagieren etwa innerhalb einer Sekunde, so dass schon der nächste Herzschlag an veränderte
Bedingungen angepasst werden kann, um den Blutdruck zu stabilisieren.
Abb. 4.3: Links: schematische Darstellung des Barorezeptorreflexes als Regelkreis. Rechts: Wirkungspfade des
Barorezeptorreflexes [Br08]
Aufgrund der niedrigen Strömungswiderstände in der Aorta sowie in den großen und mittle-
ren Arterien sinkt der Blutdruck innerhalb dieser Bereiche nur geringfügig ab. Erst in den
kleineren Arterien beginnt der Druckabfall pro Längeneinheit deutlich größer zu werden und
erreicht in den so genannten Widerstandsgefäßen, das sind die Arteriolen, Kapillaren und
Venolen (Abbildung 4.4), die größten Werte. Durch aktive Durchmesseränderung dieser
Gefäße lässt sich der periphere Strömungswiderstand erheblich variieren.
48
Abb. 4.4: Schematische Darstellung des Blutdrucks im kardiovaskulären System [Schm05]
Im Gefäßsystem treten zusätzlich hydrostatische Drücke auf, die im Stehen maximal sind.
Dagegen sind sie beim Liegen wegen der geringen vertikalen Differenz im Gefäßsystem
relativ klein und können praktisch vernachlässigt werden. Beim Übergang vom Liegen zum
Stehen kommt es daher zu einer beträchtlichen Volumenverlagerung des Blutes in die unteren
Extremitäten.
4.1.4 Pulswellen
Der rhythmische Blutauswurf des Herzens erzeugt in den Arterien Pulswellen, die sich bis zu
den Kapillaren fortpflanzen. In vereinfachter Form lassen sich diese Vorgänge anhand eines
flüssigkeitsgefüllten elastischen Schlauches, der unter einem gewissen Ausgangsdruck steht,
erklären. In den Schlauch wird ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen eingepumpt. Die Flüssig-
keit am Anfang des Schlauches widersteht aufgrund ihrer Massenträgheit einer Beschleuni-
gung, und es kommt zu einem lokal begrenzten Druckanstieg. Dieser Anstieg führt über eine
Dehnung der elastischen Wand zu einer lokalen Querschnittserweiterung des Schlauches, in
der ein Teil des eingeströmten Volumens gespeichert wird.
Abb. 4.5: Schematische Darstellung der Ausbreitung einer Pulswelle in einem elastischen Schlauch [Schm05]
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
49
Es entsteht ein Druckgradient zu den folgenden Segmenten des Schlauches, der seinerseits
eine Beschleunigung und Weiterbewegung des gespeicherten Volumens in das nächste
Schlauchsegment bewirkt. Dieser Vorgang wiederholt sich nun fortlaufend. Speicherung und
Weiterströmen erfolgen allerdings nicht schrittweise, sondern sind in Wirklichkeit simultane
Phänomene, die sich kontinuierlich als Pulswellen mit einer bestimmten Geschwindigkeit
über den Schlauch hinweg fortpflanzen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Pulswelle
darf nicht mit der wesentlich niedrigeren Strömungsgeschwindigkeit des Blutes verwechselt
werden.
Abb. 4.6: Druckpulse in der Armarterie des Menschen [El01]. Markierte Phasen: 1) Systole, 2) Diastole
Der niedrigste Druckwert der Pulswelle am Ende der Diastole bzw. vor Beginn des systoli-
schen Anstiegs wird als diastolischer Druck bezeichnet, der in der Systole erreichte maximale
Druckwert als systolischer Druck. Bei einem gesunden jüngeren Erwachsenen beträgt der
diastolische Wert ca. 80 mmHg, der systolische ca. 120 mmHg. Ab Werten von 90 mmHg
(diast.) und 140 mmHg (syst.) spricht man von Bluthochdruck, der ärztlich kontrolliert und
gegebenenfalls behandelt werden sollte. Die Blutdruckwerte geben nicht den absoluten Druck
im Arteriensystem an, sondern den Differenzdruck zur Umgebung.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulswelle hängt dabei von verschiedenen Einflussfakto-
ren ab. Mit zunehmendem Blutdruck steigt die Pulswellengeschwindigkeit an, da mit wach-
sender Dehnung der Arterien der Elastizitätsmodul zunimmt. Auch ein höheres Lebensalter
bewirkt einen Anstieg der Pulswellengeschwindigkeit aufgrund der abnehmenden Elastizität
der Arterienwände. Mit größerer Entfernung vom Herzen erhöht sich die Pulswellenge-
schwindigkeit von 4-5 m/s in der Aorta auf bis zu 9-10 m/s. Dies resultiert aus einem kleine-
ren Durchmesser und einer geringeren Dehnbarkeit der peripheren Gefäße.
4.2 Methoden der Blutdruckmessung
Zu den klassischen Methoden bei der Blutdruckmessung gehören das Riva-Rocci- und das
oszillometrische Verfahren, die beide diskontinuierlich Blutdruckwerte ermitteln, sowie die
50
meist im klinischen Umfeld verwendete invasive Messmethode. Anschließend werden unter-
schiedliche Ansätze zur kontinuierlichen nicht-invasiven Blutdruckmessung vorgestellt. Ab-
bildung 4.7 zeigt dazu eine Übersicht.
Abb. 4.7: Übersicht Blutdruckmessmethoden
4.2.1 Riva-Rocci Verfahren
Das nicht-invasive quantitative Messen des Blutdrucks ist 1896 von Riva-Rocci entwickelt
und 1905 von Korotkow durch die auskultatorische Methode verfeinert worden. Bei diesen
Verfahren wird um den Oberarm des Probanden eine aufblasbare Manschette gelegt, die sich
etwa auf Herzhöhe befinden sollte. Zu Beginn einer Messung wird die Manschette bis auf
einen Wert deutlich oberhalb des systolischen Blutdrucks aufgepumpt, so dass die Oberarmar-
terie abgeschnürt wird. Sie bleibt also während des gesamten Herzzyklus verschlossen. Wird
der Druck wieder gesenkt, beginnt das Blut pulsartig durch die Arterie zu fließen, sobald der
Manschettendruck gleich oder kleiner dem systolischen Blutdruck ist. Das durch den abge-
schnürten Arterienabschnitt pulsierende Blut ruft typische Geräusche (Korotkow-Geräusche)
hervor, die man mit einem Stethoskop hören oder mit einem akustischen Sensor automatisiert
registrieren kann. Das Einsetzen der Töne signalisiert, dass die vorher noch verschlossene
Arterie im Moment des maximalen Blutdrucks geöffnet wird. Der vorherrschende Manschet-
tendruck entspricht in diesem Zustand dem systolischen Blutdruckwert. Sinkt der Manschet-
tendruck weiter ab, so werden mit jeder Herzaktion immer größere Blutmengen durch die
künstliche Gefäßverengung gepresst. Das Korotkow-Geräusch ist so lange hörbar, bis der
Manschettendruck die Arterie nicht mehr deformiert und das Blut ungehindert hindurchströ-
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
51
men kann. In diesem Moment verschwinden die Korotkow-Töne und der Manschettendruck
entspricht dem diastolischen Blutdruck [Bo03, Ap05, Ma03a].
Für die auskultatorische Messung muss das Stethoskop genau auf der Unterarmarterie plat-
ziert werden. Dies kann insbesondere bei fettleibigen Patienten schwierig sein. Das Erkennen
der Korotkow-Töne sowie der Zeitpunkte, zu denen sie einsetzen und verschwinden, erfordert
einige Erfahrung. Durch Umgebungslärm, Körpergeräusche und Bewegungen wird die Mes-
sung noch erschwert. Der Fehler des Verfahrens liegt bei etwa 1-3 mmHg wenn es von ver-
sierten Personen durchgeführt wird [Br00]. Eine Selbstmessung ist kaum möglich.
Ein weiterer Nachteil dieser Methode ist, dass der Proband vor einer Messung etwa 5 Minuten
ruhig sitzen sollte. Während der Messung sollte er sich nicht bewegen, nicht sprechen und den
Arm, an dem gemessen wird, auf Herzhöhe halten [Br00]. Die Positionierung der Manschette
kann sich auf das Messergebnis auswirken. Weiterhin ist zu beachten, dass systolischer und
diastolischer Blutdruck nicht zum selben Zeitpunkt gemessen werden. Der diastolische Wert
wird vielmehr etwa 10-20 Sekunden nach dem systolischen Wert bestimmt. Diese Zeitspanne
hängt davon ab, wie schnell die Luft aus der Manschette entweichen kann.
Abb. 4.8: Prinzip der Blutdruckmessung nach Riva-Rocci [Br00]
4.2.2 Oszillometrisches Verfahren
Die heute eingesetzten halb- und vollautomatischen Geräte nutzen häufig die oszillometrische
Methode. Dabei wird ebenfalls eine aufblasbare Manschette verwendet, an der die systolische
Druckwelle, die sich in der arteriellen Blutsäule fortpflanzt, „abgebremst“ wird. Hierdurch
52
entstehen Druckschwankungen cuff
p
Δ, die sich dem Manschettendruck cuff
p
überlagern und
anstelle der Korotkow-Geräusche ausgewertet werden, vergleiche Abbildung 4.9 [Ma03a].
Abb. 4.9: Prinzip der oszillometrischen Blutdruckmessung; Ermittlung von Psys und Pdias mittels faktoriellem
Bezug auf das Amplitudenmaximum [El01]
Aus diesen Oszillationen wird nun auf den systolischen und diastolischen Blutdruck geschlos-
sen. Bei der Reduktion des Manschettendrucks steigen die Oszillationsamplituden anfänglich
an, erreichen ein Maximum und fallen schließlich wieder ab. Es existiert eine Vielzahl empi-
rischer Kriterien zur Bestimmung des Blutdrucks. Das häufigste kommerziell verwendete
Kriterium ist der Bezug auf das Amplitudenmaximum [As00, El01]. Dazu werden die Oszilla-
tionen auf den maximalen Spitze-Spitze-Wert normiert. Man nimmt dann an, dass der systoli-
sche Blutdruck gleich dem Manschettendruck ist, wenn zuerst etwa 40 bis 60% der
maximalen Oszillationsamplitude erreicht werden. Der diastolische Blutdruck ist indiziert,
wenn die Oszillationen zum zweiten Mal ca. 70 bis 90% des Spitze-Spitze-Wertes betragen,
siehe Abbildung 4.9 [El01].
Ein weiteres Kriterium lässt sich aus dem Hüllkurvenverlauf der lokalen Oszillationsmaxima
ableiten [El01]. Der systolische Blutdruck wird hierbei dem Manschettendruck bei der größ-
ten positiven Steigung in der Hüllkurve zugeordnet, der diastolische Druck entsprechend bei
der größten negativen Steigung. Wie schon erwähnt, ist allen Kriterien gleich, dass sie empiri-
scher Natur sind und nicht auf einer fundierten Systemanalyse beruhen. Diese Verfahren
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
53
liefern daher nur bei Personen, die ein normales Kreislaufverhalten aufweisen, genaue Ergeb-
nisse.
Ein Vorteil gegenüber der auskultatorischen Methode ist, dass kein Stethoskop erforderlich ist
und auch bei Umgebungsgeräuschen problemlos gemessen werden kann. Die Messung muss
nach Anlegen der Manschette nur initialisiert werden, so dass sich diese Geräte sehr gut für
die häusliche Selbstmessung eignen. Die genannten Schwächen des Riva-Rocci-Verfahrens
bezüglich der Messdauer gelten allerdings gleichermaßen auch für die oszillometrische Me-
thode.
Da die Ermittlung des Blutdrucks mit einem prinzipiell anderen Messverfahren erfolgt, kön-
nen Messungen andere Blutdruckwerte ergeben als die auskultatorische Methode. Zurzeit ist
kein allgemein anerkannter Algorithmus zur Berechnung des Blutdrucks vorhanden, so dass
je nach verwendetem Algorithmus unterschiedliche systolische und diastolische Blutdruck-
werte bei unterschiedlichen Geräten errechnet werden. Insbesondere bei hohen Drücken
(>140 mmHg) können die Messwerte der oszillometrischen Methode deutlich von denen der
auskultatorischen Messung abweichen. Weiterhin ist das Verfahren bei Patienten mit Herz-
rhythmusstörungen ungeeignet und besitzt eine hohe Anfälligkeit für Bewegungsartefakte bei
der Anwendung in der Ergometrie und unter gewissen Bedingungen bei der Langzeit-
Blutdruckmessung [Fe01].
Messung am Handgelenk:
Die Manschette für die oszillometrische Messung muss nicht unbedingt am Oberarm ange-
bracht werden. Es befinden sich heute eine Vielzahl von Messgeräten auf dem Markt, die eine
Messung am Handgelenk ermöglichen. Das Anlegen der Geräte wird dadurch einfacher und
führt zu einer geringeren Patientenbelastung. Die Genauigkeit der Ergebnisse am Handgelenk
ist aber umstritten. Oft stimmen diese Messwerte nicht mit denen am Oberarm überein [Fe01].
Dies kann an verhärteten Arterien durch Diabetes oder Arteriosklerose liegen. Eine nicht
passende Handgelenksmanschette kann ebenfalls zu Messfehlern führen. Für die meisten
Geräte fehlen klinische Vergleichsstudien.
Messunsicherheit beim oszillometrischen Verfahren:
Die STIFTUNG WARENTEST [St01, St06a, St08b] hat mehrfach Oberarm- und Handgelenkgerä-
te untersucht. Dabei wurden die Messwerte auch mit einer invasiven Messung verglichen.
Abweichungen von weit mehr als ± 10 mmHg für den systolischen und den diastolischen
Druck waren keine Seltenheit. In der Ausgabe 12/2001 wurde berichtet, dass acht der 17
getesteten Geräte nur in etwa 60 bis 70 Prozent der Fälle relativ genau messen, was die Tester
zur Vergabe des Qualitätsurteils „Befriedigend“ veranlasste. Bei fünf Geräten war lediglich
54
die Hälfte der Messungen verlässlich – ein „Ausreichend“. Vier Blutdruckmessgeräte messen
in weniger als 40 Prozent der Fälle den Blutdruck annähernd genau – daher die Note „Man-
gelhaft“. Die untersuchten Oberarmgeräte lagen dabei in der Spitzengruppe. Im Jahr 2006
fielen die Ergebnisse etwas besser aus während dann 2008 wieder eine leichte Verschlechte-
rung zu verzeichnen war. Fazit der Tester: eine einzige Messung genügt nicht. Es müssen
immer mehrere Messungen über den Tag verteilt verglichen werden und trotz Weiterentwick-
lung der Geräte muss man mit schwankenden Messwerten rechnen. Wichtig ist in jedem Fall,
dass die Gebrauchsanleitung der Geräte berücksichtigt wird, wie die Tests immer wieder
zeigten.
Ein Vergleich zwischen den Messergebnissen eines Oberarm- (Hestia OZ 80) und eines
Handgelenkgerätes (Nais Blood Pressure Watch) mit denen einer invasiven Messung wurde
von SAUL ET AL. [Sa96] an 100 Probanden durchgeführt. Systolischer und diastolischer Druck
am Handgelenk waren bei großer Variabilität durchschnittlich 4,3 mmHg (syst.) und
6,0 mmHg (diast.) höher als der Aortendruck. Am Oberarm ergaben sich um durchschnittlich
0,9 mmHg (syst.) und 9,3 mmHg (diast.) höhere Werte, bei ebenfalls großer Variabilität.
Abweichungen des systolischen Blutdrucks am Oberarm um mehr als ± 20 mmHg fanden sich
bei 6%, Abweichungen des diastolischen Drucks um mehr als 20 mmHg bei 11% der Patien-
ten. Die automatische oszillometrische Blutdruckmessung am Handgelenk ist nach dieser
Studie eine nützliche Methode zur Selbstmessung, jedoch nur dann zu empfehlen, wenn sich
bei Vergleichsmessungen am Oberarm höchstens eine Abweichung von 10 mmHg ergibt.
WEBER ET AL. [We99] vergleichen das Bosotron 2 Blutdruckmessgerät mit den Ergebnissen
einer invasiven Messung an 24 Versuchspersonen. Dabei wurden Abweichungen von
+1,74 ± 9,6 mmHg für den systolischen und +4,87 ± 5,6 mmHg für den diastolischen Druck
gefunden. Das Gerät wird damit als für den klinischen Einsatz geeignet eingestuft. Allerdings
nutzt dieses vollautomatisch arbeitende Messgerät nicht die oszillometrische Methode, son-
dern wertet die Korotkow-Töne aus, die mit einem Mikrofon in der Manschette aufgezeichnet
werden.
Insgesamt lässt sich sagen, dass die Premiumgeräte von Markenherstellern, die eine Ober-
armmanschette verwenden, eine sehr gute Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei der Mes-
sung aufweisen, die der einer invasiven Messung gleichwertig ist. Dies gilt insbesondere für
den systolischen Blutdruckwert.
4.2.3 Invasive Blutdruckmessung
Diese, wegen ihrer Genauigkeit auch als „Goldstandard“ der Blutdruckmessung bezeichnete
Methode, wird fast ausschließlich in der Intensivmedizin eingesetzt, da neben dem relativ
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
55
hohen messtechnischen Aufwand auch einige Risiken mit dieser Methode verbunden sind.
Um den Blutdruck invasiv zu messen, muss ein Katheter unter lokaler Anästhesie in eine
Arterie eingeführt werden. Es handelt sich hierbei um einen flexiblen Schlauch mit einem
Durchmesser von ca. 0,66 bis 2 mm [Br00]. Durch den Einsatz des Katheters kann es zu
Gefäßverletzungen, Hämatombildung und Nervenläsionen kommen.
Abb. 4.10: Links: Prinzip der invasiven Blutdruckmessung. Rechts: Messung am Handgelenk [Fi99, Ka09]
Es wird bei der invasiven Messung zwischen zwei Verfahren unterschieden, den extra- und
den intravaskulären Mess-Systemen [El01, Bu82]. Weit verbreitet ist das extravaskuläre
Verfahren, bei dem der Blutdruck über einen mit blutisotoner Salzlösung gefüllten Katheter
an den außerhalb des Körpers angeordneten Drucksensor übertragen wird. Die Druckmessung
selbst wird meist mit Hilfe eines Membranmanometers durchgeführt, bei dem die Auslenkung
der Membran durch Dehnungsmessstreifen in ein elektrisches Signal umgesetzt wird. Für ein
gutes Messergebnis muss der Sensor eine hohe Empfindlichkeit und ein lineares Übertra-
gungsverhalten haben.
Bei dem intravaskulären Verfahren werden Miniaturmanometer – so genannte Katheter-Tip-
Manometer – verwendet, die an der Spitze des Katheters angebracht sind. Dadurch kann auf
die druckübertragende Flüssigkeitssäule verzichtet werden, die durch ihr Schwingungsver-
halten zu Signalverzerrungen führen kann. Die intravaskulären Drucksensoren sind allerdings
teurer und haben eine geringere Lebensdauer.
56
Mit den Verfahren der invasiven Blutdruckmessung wird der tatsächliche Druck am Messort
mit hoher zeitlicher Auflösung ermittelt.
4.2.4 Nicht-invasive Verfahren zur kontinuierlichen Blutdruckmessung
Bisher wurde ein Verfahren vorgestellt, das den Blutdruck invasiv aber kontinuierlich und
genau messen kann und verschiedene Methoden der nicht-invasiven Messung, die aber weni-
ger exakte Messergebnisse liefern und nicht kontinuierlich arbeiten. Sie sind allerdings auf-
grund der oben genannten Nachteile nicht für den Einsatz bei den später diskutierten
Anwendungen, wie Ergometer-, Stress- und Verkehrsuntersuchungen, geeignet.
Im Folgenden werden Methoden und Systeme beschrieben, die auf einem nicht-invasiven
Ansatz beruhen und den Blutdruck kontinuierlich mit Hilfe der Pulswellenlaufzeit berechnen.
Dies stellt ein sensorisch einfach zu lösendes und robustes Messverfahren dar, mit dem der
Blutdruck für jeden Herzschlag mit guter Genauigkeit berechnet werden kann. Weitere Ver-
fahren zur kontinuierlichen und nicht-invasiven Messung sind die Volumenkompensations-
methode (Peñáz-Verfahren), die arterielle Applanationstonometrie und die Kontaktdruckme-
thode, die mittels einer Manschette externen Druck auf eine Körperstelle ausüben [El01].
Diese Systeme, die im Anhang A.2 ausführlich beschrieben werden, konnten sich allerdings
aufgrund ihrer Empfindlichkeit und der Beeinträchtigung der Probanden auf dem Markt nicht
in größerem Umfang etablieren.
Pulstransitzeitmethode:
Bei den bisher vorgestellten nicht-invasiven kontinuierlich arbeitenden Blutdruckmesssyste-
men wirkt externer Druck auf das Gewebe ein, um Informationen zu erhalten, die auf den
Blutdruck schließen lassen. Um dies und die damit verbundenen Nachteile zu vermeiden,
sollte der Blutdruck über andere ebenfalls nicht-invasiv und kontinuierlich messbare physio-
logische Parameter bestimmt werden. Ein Ansatz besteht darin, den Zusammenhang zwischen
Blutdruck und Pulstransitzeit auszunutzen. Erste Versuche dazu wurden bereits vor etwa 85
Jahren von BRAMWELL ET AL. [Br22] und SANDS [Sa25] durchgeführt.
Konkretere Aussagen werden 1976 von GRIBBIN [Gr76] getroffen. Bei 26 Personen werden an
einem Arm zwei Tonometer zur Druckkurvenregistrierung befestigt, mit deren Hilfe die
Pulstransitzeit berechnet wird. Anschließend wird der Arm in einer luftdichten Kammer mit
einstellbarem Druck ruhig gestellt und am anderen Arm der Blutdruck invasiv gemessen. Für
die Messung wird der Druck in der Kammer variiert, wobei angenommen wird, dass sich der
transmurale Druck aus der Differenz von mittlerem arteriellen Blutdruck und eingestelltem
Kammerdruck ergibt. Dabei wird für jeden Probanden ein individueller linearer Zusammen-
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
57
hang zwischen Blutdruck und Pulswellenlaufzeit gefunden. Einzelne Wiederholungsmessun-
gen bestätigten diese Beziehung.
ELTER [El01] stellt drei Geräte zur kontinuierlichen Messung des Blutdrucks unter Verwen-
dung der Pulstransitzeit vor. Davon scheint keines Marktreife erreicht zu haben. Das Gerät
von Pulse Transit Time Products [Ca88, Or89] nutzt zur Berechnung des Druckes eine EKG-
Ableitung und den photoplethysmographisch gemessenen Fingerpuls. Dazu muss das Gerät in
Ruhe und nach Belastung kalibriert werden. Das Prototyp-System der Firma Vectron [Gr89]
funktioniert vergleichbar, wobei der Fingerpuls mit einem Pulsoximeter erfasst wird. Das
dritte Gerät der Firma Sentinel Monitoring heißt Artrac 7000. Die Pulstransitzeit wird aus den
Messsignalen von zwei photoplethysmographischen Sensoren bestimmt, die an Ohr und
Finger befestigt werden. Das System wird mittels oszillometrischer Messung kalibriert, die
alle fünf Minuten wiederholt werden muss. ELTER beurteilt die Bestimmung der Transitzeit
aus Pulswellen, die nicht an einem Gefäßast in Serie gemessen werden, als kritisch. Ebenso
sind die häufig notwendigen Kalibrierungen störend, insbesondere wenn sie während Phasen
mit deutlichen Blutdruckänderungen stattfinden.
KOHDEN [Ko05] nutzt die Pulstransitzeit als neuen nicht-invasiven Parameter, um plötzliche
Blutdruckschwankungen zu erkennen. Bisher wurde der Blutdruck mit einem von ihm ent-
wickelten Gerät mittels manschettengestützter Methode in periodischen Abständen gemessen.
Schwankungen des Drucks, die zwischen den Messungen auftraten, konnten so nicht erkannt
werden, oder sie wurden erst mit der nächsten Messung festgestellt. Änderungen in der Puls-
wellenlaufzeit lösen nun zusätzliche Messungen aus, so dass sich auch zwischenzeitliche
Veränderungen erkennen lassen. Bei dem Verfahren handelt es sich allerdings nicht um eine
kontinuierliche Blutdruckerfassung.
HEARD ET AL. [He00] beschreiben das Gerät DxTek monitor (Patentanmeldung 1999 [Go99])
der Firma DxTek Inc. Es handelt sich hierbei ebenfalls um einen Apparat zur kontinuierlichen
nicht-invasiven Blutdruckmessung unter Verwendung der Pulstransitzeit. Der zeitliche Ab-
stand zwischen der R-Zacke einer EKG-Ableitung und dem Zeitpunkt des halben Pulsanstiegs
am Finger wird als Pulswellenlaufzeit berechnet. Der systolische Blutdruck berechnet sich mit
Hilfe einer quadratischen Gleichung aus dem Kehrwert der Transitzeit. Der Koeffizient des
quadratischen Terms ist dabei fest vorgegeben. Die additive Konstante wird in einem Kali-
brierungsschritt individuell ermittelt. Das System wurde bisher in einer klinischen Studie
validiert, scheint aber nicht auf dem Markt angeboten zu werden.
Der Aufbau des patentierten Beat-2-Beat Gerätes [Be01, Ch03, Li03] der Firma VSM Med-
Tech Ltd. ist vergleichbar mit dem oben beschriebenen Artrac 7000. Eventuell handelt es sich
hier um ein Nachfolgemodell. Die zwei Sensoren zur optischen Volumenpulsmessung können
dabei an verschiedenen Körperstellen wie Ohr, Zeh, Stirn oder Finger platziert werden. Aus
58
den registrierten Pulswellen wird dann durch Kreuzkorrelation die Transitzeit ermittelt. Nach-
teil ist hier wieder die Messung an zwei verschiedenen Arterienästen. Die eigentliche Blut-
druckberechnung erfolgt dann mit einer Gleichung der Form
()
lnpab T=+⋅ , wobei Tdie
Pulswellenlaufzeit,
p
der Blutdruck und aund bindividuelle Konstanten sind. Die Kalibrie-
rung erfolgt mittels oszillometrischer Messung bei zwei verschiedenen Blutdrücken. Das
Gerät wurde in mehreren klinischen Studien an über 100 Patienten validiert.
Im Fachgebiet Elektrische Messtechnik der Universität Paderborn werden seit längerem Un-
tersuchungen zur kontinuierlichen Blutdruckmessung durchgeführt. BARSCHDORFF ET AL.
[Ba98] beschreiben einen linearen Zusammenhang zwischen Blutdruck und Pulswellenge-
schwindigkeit. Die Modellkoeffizienten werden in einem einmaligen Kalibrierungsschritt
individuell bestimmt. Für die zur Pulstransitzeitberechnung erforderliche R-Zacken-Bestim-
mung wird ein im Fitnessbereich üblicher Brustgurt verwendet. Das periphere Pulssignal wird
mit einem photoplethysmographischen Sensor an Ohr bzw. Finger abgenommen. In [Ba00]
wird eine Weiterentwicklung des Verfahrens vorgestellt. Die Auswertung der Pulswellenlauf-
zeit und die Berechnung des Blutdrucks erfolgen nun mit Hilfe eines neuronalen Netzes, das
mit den Daten zahlreicher Probanden trainiert wurde.
LASS ET AL. [La04] beschreiben den Zusammenhang zwischen Pulstransitzeit und Blutdruck
durch ein Polynom vierter Ordnung. Die Kalibrierung erfolgt mit Hilfe von Blutdruckwerten,
die mit einem manschettengestützten Messverfahren gewonnen wurden. Die Pulstransitzeit
wird dabei aus der R-Zacke des EKGs und dem Zeitpunkt des halben Anstiegs der Pulswelle
ermittelt. Die Transitzeit aus dem Zeitpunkt, an dem die Pulswelle 10% des maximalen An-
stiegs erreicht, liefert zwar eine geringfügig bessere Korrelation mit den Blutdruckmess-
werten, reagiert aber deutlich weniger robust auf Bewegungsartefakte.
4.2.5 Zusammenfassung
Für die in dieser Arbeit zu untersuchenden Fragestellungen sind die klassischen manschetten-
basierten Messverfahren wegen ihrer diskontinuierlichen Datenerfassung nicht geeignet.
Ebenso scheidet die invasive Messung aufgrund des hohen apparativen Aufwandes und der
Risiken für die Probanden aus. Die Bestimmung des Blutdrucks ohne Manschette, d. h. ohne
externen Druck, aus kardiovaskulären Parametern ist ein sehr interessanter Weg, der in dieser
Arbeit weiter verfolgt werden soll. Es ist das einzige Verfahren, mit dem belastungsfrei und
kontinuierlich gemessen werden kann, ohne störend zu wirken und Aufmerksamkeit auf sich
zu ziehen. Außerdem ist die Messung wenig störungsanfällig und erreicht eine gute Messge-
nauigkeit. Eine Überprüfung der Genauigkeit mit Hilfe einer gleichzeitig durchgeführten
invasiven Messung wäre sinnvoll, erscheint aber aus den in Kapitel 4.2.3 genannten Gründen
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
59
nicht möglich. Daher werden in dieser Untersuchung Vergleichswerte mit einem manschet-
tengestützten Verfahren ermittelt.
4.3 Modellansatz für den systolischen Blutdruck
Die Methode, den systolischen Blutdruck aus der Pulstransitzeit zu bestimmen, scheint für die
vorliegende Fragestellung am vielversprechendsten zu sein. Im Folgenden werden der ma-
thematische Zusammenhang zwischen der Pulstransitzeit und dem systolischen Blutdruck
hergeleitet und die eigenen Ansätze zur kontinuierlichen Blutdruckberechnung, die darauf
beruhen, dargestellt.
4.3.1 Formaler Zusammenhang von Pulstransitzeit und systolischem
Blutdruck
Die folgenden Zusammenhänge beruhen auf Ausführungen der Autoren BUSSE [Bu82], EL-
TER [El01], GOLUB [Go99], HEARD ET AL. [He00], SCHMIDT ET AL. [Schm05] und TRAUT-
WEIN ET AL. [Tr72]. Zur Bestimmung des interarteriellen Blutdrucks aus der Pulswellen-
laufzeit kann man das Arteriensystem als einfaches mechanisches Modell behandeln. Der
anatomische Aufbau der Gefäße gestattet einen Vergleich mit einem zylindrischen, unge-
dämpften, verlustfreien, elastischen Schlauch, der mit Flüssigkeit gefüllt ist und sich gefäß-
mechanisch mit gewissen Annahmen und Näherungen anschaulich beschreiben lässt.
Wie in Kapitel 4.1.4 beschrieben, kommt es bedingt durch die elastischen Eigenschaften der
Schlauchwand zu lokalen Volumenspeicherungen, die dann über die Gefäße hinweg weiter-
strömen. Die räumlichen und zeitlichen Veränderungen des Flüssigkeitsvolumens lassen sich
mit Hilfe der Wellengleichungen beschreiben, zu deren Herleitung die Kontinuitätsgleichung
eines verlustfreien Schlauches und die Bewegungsgleichung einer reibungsfreien, inkompres-
siblen Flüssigkeit verwendet werden [Bu22]. Dies führt zu:
22
2
22
p
p
c
tz
∂∂
=⋅
∂∂
und
22
2
22
ii
c
tz
∂
∂
=⋅
∂
∂ Gl. 4-1
wobei p der Druck, i die Stromstärke und c die Pulswellengeschwindigkeit ist. Die Lösung
der Wellengleichung wird auch im Anhang A.3.1 behandelt. Für eine weitere und genauere
Beschreibung des mechanischen Verhaltens der Gefäße bzw. der Gefäßwände lassen sich
Beziehungen zwischen Druck und den Gefäßeigenschaften wie beispielsweise dem Quer-
schnitt und der Wandelastizität des Schlauches ableiten. Der Schlauch besitzt den Innenradius
R
, die Wanddicke h und die Länge l. Im Innern des Schlauches herrscht der Druck
p
.
60
Abb. 4.11: Schematische Darstellung des Arterienmodells [El01]
Ein Maß für die Elastizität und damit auch für die Volumenspeicherung des Gefäßsegments
ist der Kompressionsmodul K, der sich als Quotient von Druck- und Volumenänderung
ergibt:
/
dp
KdV V
= Gl. 4-2
Dieser kann andererseits zusammen mit der Fluiddichte
ρ
zur Berechnung der Ausbreitungs-
geschwindigkeit c einer longitudinalen Druckwelle, hier der Pulswellengeschwindigkeit,
herangezogen werden [Ti09].
K
c
ρ
= Gl. 4-3
Durch Einsetzen von Gleichung 4-2 in Gleichung 4-3 folgt:
1dp
cV
dV
ρ
=
⋅⋅
Gl. 4-4
Eine Möglichkeit des weiteren Vorgehens ist die Betrachtung eines längs fixierten, zylindri-
schen Schlauches ( 0lΔ= ). Für diesen ergibt sich mit der Volumenänderung 2dV l R dR
π
=⋅ ⋅
und dem Volumen des Zylinders 2
VRl
π
=⋅:
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
61
2
R
dp
cdR
ρ
=
⋅ Gl. 4-5
Diesen Schlauch kann man gedanklich in zwei longitudinale Symmetrieebenen teilen, so dass
zwei Hälften entstehen, die der Druck
p
mit der Kraft:
2
P
FRlp
=
⋅⋅⋅ Gl. 4-6
auseinander zu treiben bestrebt ist. Dieser Kraft wirkt eine gleich große Kraft entgegen, die
von der tangentialen Wandspannung t
σ
herrührt:
2
t
Fhl
σ
σ
=
⋅⋅⋅ Gl. 4-7
Das Gleichsetzen dieser beiden Kräfte liefert:
t
p
R
h
σ
⋅
= bzw. t
dp R
dh
σ
⋅
= Gl. 4-8
Die Beziehung zwischen der Spannung
σ
und der Dehnung /dR R
ε
=
eines Wandelements
lässt sich allgemein mit Hilfe des Elastizitätsmoduls E beschreiben. Der lineare Bereich für
kleine Änderungen des Radius wird auch als Hook’sches Gesetz bezeichnet und kann hier
näherungsweise verwendet werden.
()
d
Ed
σ
σ
ε
= Gl. 4-9
Die auf die Druckänderung bezogene Durchmesseränderung kann aus Gleichung 4-8 und
Gleichung 4-9 abgeleitet werden:
2
t
dR R
dp h E
=
⋅
Gl. 4-10
Setzt man dieses Ergebnis in Gleichung 4-5 ein, so erhält man die bekannte Formel nach
Moens und Korteweg:
2
t
hE
c
R
ρ
⋅
=
⋅
⋅ Gl. 4-11
62
Um nun einen Zusammenhang zwischen dem Druck im Schlauch und der Ausbreitungsge-
schwindigkeit einer Druckwelle zu beschreiben, kann ein linearer Ansatz für die Beziehung
zwischen t
E und
p
aufgestellt werden, der sich auf experimentelle Untersuchungen stützt:
0tp
E
EEp
=
+⋅
Gl. 4-12
Bei 0
E und p
E handelt es sich um Konstanten.
Damit kann durch Einsetzen von Gleichung 4-12 in Gleichung 4-11 und entsprechendes
Umstellen der Druck folgendermaßen berechnet werden:
20
2
pp
E
R
pc
Eh E
ρ
⋅
=⋅⋅− Gl. 4-13
Der Blutdruck hängt also vom Verhältnis des Radius zur Wandstärke eines Arteriensegmen-
tes, von der Blutdichte und vor allem von der Pulswellengeschwindigkeit ab. Man sieht, dass
eine Erhöhung des Blutdrucks zu einer Steigerung der Pulswellengeschwindigkeit führt. Da
sie umgekehrt proportional zur Pulswellenlaufzeit ist, verkürzt sich die Laufzeit bei Erhöhung
des Blutdrucks.
Nimmt man den Gefäßradius
R
und die Wanddicke h sowie die Blutdichte
ρ
als konstant
an, so kann man den Blutdruck allein durch Messen der Pulswellengeschwindigkeit bestim-
men:
2
12
p
Cc C
=
⋅− Gl. 4-14
Dieser quadratische Ansatz wird im Folgenden weiterverfolgt, um ein Verfahren zur modell-
gestützten kontinuierlichen Blutdruckbestimmung zu entwickeln.
In Gleichung 4-14 wird die Konstante 2
C vom quadratischen Term subtrahiert. Dieser Zu-
sammenhang wird aus Gleichung 4-13 übernommen. Im Folgenden sollen alle Terme in
einem allgemeinen Modellansatz additiv verknüpft werden. Das Vorzeichen wird dann durch
den Wert des entsprechenden Koeffizienten berücksichtigt.
Eine andere Herangehensweise ist die direkte Lösung der Differentialgleichung 4-4 mit Hilfe
des Verfahrens der Trennung der Variablen. Gesucht ist ein Zusammenhang zwischen Druck
p und Pulswellengeschwindigkeit c. Dabei wird nicht die exakte Lösung der Differentialglei-
chung benötigt, sondern vielmehr ein daraus abzuleitender Funktionstyp p = f(c), dessen
Parameter anschließend über das im folgenden Abschnitt beschriebene Verfahren zur Modell-
bildung individuell bestimmt werden.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
63
Für die Berechnung wird näherungsweise c ~ f(p) anstelle von c ~ f(p,V) verwendet. Dieser
Ansatz ist aufgrund der geringen Kompressibilität von Blut und der damit verbundenen klei-
nen Volumenänderungen gerechtfertigt. Das Ergebnis ist ein Zusammenhang, der der Form
von Gleichung 4-14 entspricht.
4.3.2 Modellbildung
Die gesuchte Größe Blutdruck und die Pulswellenlaufzeit hängen nach der in Kapitel 4.3.1
beschriebenen Beziehung über eine Anzahl von physiologischen Parametern zusammen, die
nicht alle individuell gemessen werden können. Es wird daher ein allgemeiner quadratischer
Ansatz verwendet, dessen Koeffizienten durch eine Kalibrierungsmessung bestimmt werden
müssen. Es handelt sich deshalb bei diesem Verfahren um ein modellgestütztes Verfahren,
wie es z. B. auch beim oszillometrischen Blutdruckmessverfahren verwendet wird.
Das mathematische Modell, das dem Verfahren zugrunde liegt, besitzt als Eingangsgröße die
Pulstransitzeit _RP
T und als Ausgangsgröße den systolischen Blutdruck
()
_
s
ys R P
PfT= als
Funktion der Transitzeit.
Die Pulswellenlaufzeit und der Blutdruck werden nicht als absolute, sondern als auf den
Ruhewert normierte Größen in das Modell eingesetzt. Der Ruhewert entspricht dabei dem
jeweiligen Parameter bei größtmöglicher Entspannung einer Person. Dies steigert die Robust-
heit der Modellkoeffizienten gegenüber Schwankungen im physiologischen und psychologi-
schen Zustand des Probanden. So kann beispielsweise bei konstanter Pulstransitzeit ein
unterschiedlicher Ruheblutdruck festgestellt werden, abhängig u. a. vom Verhalten vor der
Untersuchung und dem allgemeinen Gesamtzustand der Person.
Weiterhin wird der Modellansatz zunächst nach Be- und Entlastungsphase aufgeteilt. Es hat
sich bei mehreren Messungen gezeigt, dass sich für die beiden Phasen verschiedene Zusam-
menhänge zwischen Blutdruck und Pulstransitzeit ergeben. Dies hängt mit den unterschiedli-
chen Zeitkonstanten der einzelnen Regelmechanismen für Schlagvolumen, peripheren
Widerstand und Gefäßelastizität bei sympathischem und parasympathischem Einfluss, wie in
Kapitel 4.1.3 gezeigt wurde, zusammen.
Das Modell lässt sich somit allgemein in der folgenden Form angeben.
2
,1, _2, _3,
2
,1, _2, _3,
s
ys bel bel R P bel R P bel
s
ys ent ent R P ent R P ent
PaTaTa
PaTaTa
Δ=⋅Δ+⋅Δ+
Δ=⋅Δ+⋅Δ+
Gl. 4-15
64
Dabei sind 1
a, 2
a und 3
a die noch zu bestimmenden personenspezifischen Modellkoeffizien-
ten und _RP
TΔ sowie
s
ys
P
Δ
die auf den Ruhewert normierte Eingangs- bzw. Ausgangsgröße.
,
___,
sys sys sys Ruhe
RP RP RPRuhe
PPP
TTT
Δ
=−
Δ=− Gl. 4-16
Die Ruhewerte werden dabei zu Beginn einer Versuchsphase über einen vorher definierten
Zeitraum ermittelt, in dem sich der Proband entspannt und möglichst nicht bewegt.
Der Modellansatz beinhaltet im Unterschied zu Gleichung 4-14 aus Kapitel 4.3.1 noch einen
linearen Term, zur Verbesserung der durch die Parameterschätzung entstehenden Näherung
für den systolischen Blutdruck. Bei Nichtgebrauch kann dieser Teil des Modells entfallen,
wenn der Koeffizient 2
a gleich Null gesetzt wird.
Um den systolischen Blutdruck kontinuierlich berechnen zu können, benötigt man die Puls-
transitzeit, die für jede Herzaktion bestimmt und aufgezeichnet wird, die individuellen Mo-
dellkoeffizienten und den Ruheblutdruck. Die Modellkoeffizienten müssen vorab in einem
Kalibrierungsversuch ermittelt werden. Dazu wird mit Hilfe eines Belastungstests – z. B. auf
einem Ergometer – eine dynamische Änderung von Pulstransitzeit und Blutdruck erreicht,
währenddessen Blutdruckmesswerte mit einem manschettengestützten Messverfahren gewon-
nen werden. Nachteil ist allerdings, dass während der eigentlichen Belastungsphase aufgrund
von Bewegungen des Probanden nicht oder nur mit unzureichender Genauigkeit gemessen
werden kann und somit verlässliche Referenzmessdaten nur in der Ruhe- und Erholungsphase
vorliegen.
Daher werden zur Berechnung der Modellkoeffizienten zwei Varianten vorgestellt, die sich
der Stützwerte der Be- und Entlastungsphase als auch allein der Stützwerte der Entlastungs-
phase bedienen.
4.3.3 Bestimmung der Modellkoeffizienten aus Stützwerten der Be- und
Entlastungsphase
Zunächst soll die Bestimmung der Modellkoeffizienten anhand einer Messung6 (ID00117,
16.11.2000, Ergometerversuch) erläutert werden, bei der Blutdruckwerte während der Be-
lastungs- als auch der Entlastungsphase mit Hilfe der auskultatorischen Methode ermittelt
wurden. Abbildung 4.12 zeigt den zeitlichen Verlauf der Herzfrequenz und der Pulstransitzeit
dieser Untersuchung. Die gestrichelten senkrechten Markierungen geben die Zeitpunkte an,
zu denen die systolischen Werte abgelesen wurden. Die Belastungsphase ist grau hinterlegt.
6 Vielen Dank an Prof. Dieter Barschdorff für die Bereitstellung der Messdaten.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
65
Abb. 4.12: Herzfrequenz- und Pulstransitzeitverlauf bei einer Ergometeruntersuchung (ID00117)
In Abbildung 4.13 sind die gemessenen systolischen Blutdruckwerte zu sehen. Der Blutdruck-
ruhewert ergibt sich als arithmetisches Mittel der Messwerte aus der Ruhephase vor Beginn
der Belastung. Die Herzfrequenz- und Pulstransitzeitruhewerte erhält man entsprechend durch
Berechnung des arithmetischen Mittels der zum Zeitpunkt der Ruheblutdruckmessungen
abgelesenen Herzfrequenz- und Pulstransitzeitwerte. In den Darstellungen 4.15 und 4.16 sind
die Ruhewerte als horizontale gestrichelte Linien eingetragen.
Man erkennt, dass für den erwarteten maximalen Blutdruck direkt am Ende der Belastung
kein Messwert vorliegt. Wie im Folgenden (vgl. Kapitel 4.6) noch beschrieben wird, tritt
dieses Problem insbesondere bei Untersuchungen auf, bei denen die Referenzblutdruckwerte
nach dem oszillometrischen Verfahren gewonnen werden, da aufgrund der Messdauer nicht
direkt am Belastungsende gemessen werden kann.
66
Um diese prinzipielle, durch das manschettenbasierte Verfahren bedingte Messunsicherheit zu
verringern, wird aus den Messwerten der Entlastungsphase mit Hilfe der Methode der kleins-
ten Fehlerquadrate eine quadratische Funktion der Form 2
at bt c
⋅
+⋅+ approximiert und so
der maximale Blutdruckwert am Ende der Belastung geschätzt. So erhält man einen zusätzli-
chen Stützwert für die weitere Auswertung.
Abb. 4.13: Blutdruckmesswerte, Approximation des maximalen Druckes (ID00117)
Der quadratische Funktionstyp liefert die plausibelsten Werte für den maximalen Druck.
Andere Funktionen, z. B. von der Form exp( / )abt
⋅
, liefern nicht immer akzeptable Ergeb-
nisse. Insbesondere bei geringer Anzahl von Blutdruckmesswerten während der Entlastungs-
phase und auftretenden Messfehlern, nimmt die Qualität der Schätzung schnell ab.
Die folgende Abbildung 4.14 zeigt die normierten Blutdruckwerte aufgetragen über den je-
weils zugehörigen normierten Pulstransitzeitwerten. Die Messwerte der Entlastungsphase sind
als rote, die der Belastungsphase als blaue Symbole dargestellt. Der durch Mittelung entstan-
dene Ruhewert befindet sich in dieser Darstellung im Koordinatenursprung. Der Blutdruck-
schätzwert aus dem Zeitverlauf der Messwerte ist mit dem zugehörigen Pulstransitzeitwert als
rotes Kreuz markiert.
Schätzwert für den Blutdruck am Belastungsende
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
67
Abb. 4.14: Be- und Entlastungskennlinie (ID00117)
Es kann nun getrennt nach Be- und Entlastung eine quadratische Approximationsfunktion für
den systolischen Blutdruck nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate ermittelt werden.
Die Koeffizienten dieser Funktionen sind die gesuchten Modellkoeffizienten. Der geschätzte
maximale Blutdruckwert tritt hier als zusätzlicher Stützwert auf und wird von den gefundenen
Funktionen nicht zwangsläufig durchlaufen. Da es sich nur um einen Schätzwert handelt, soll
dies auch nicht gefordert werden. Außerdem wird als zusätzlicher Stützwert für die Belas-
tungsfunktion der Ruhewert – also der Koordinatenursprung aus Abbildung 4.14 – eingesetzt,
da diese ebenfalls in der Ruhephase Anwendung finden soll.
Es zeigt sich nun, dass die Belastungsfunktion im Allgemeinen nicht durch den Ursprung
verläuft und die Entlastungskennlinie nicht bei _,maxRP
T
Δ
schneidet, wobei _,maxRP
TΔ der zum
Belastungsende gehörende Pulstransitzeitwert ist. Dies muss aber gefordert werden, damit für
den Ruhewert der Pulstransitzeit auch der Blutdruckruhewert berechnet wird und damit beim
Wechsel der Modellfunktion am Belastungsende ein stetiger Übergang entsteht. Dazu wird
nun die Belastungsfunktion mit drei Stützstellen neu approximiert.
Der am Belastungsende gefundene Wert _,maxRP
T
Δ
muss nicht der tatsächlich auftretende
maximale Pulstransitzeitwert sein. Häufig ergeben sich im Verlauf der Belastung betragsmä-
ßig größere Werte, so dass die Belastungskennlinie noch über _,maxRP
T
Δ
hinaus verwendet
wird. Am Ende der Belastungsphase ergibt sich dann aber wieder ein stetiger Übergang auf
die Entlastungskennlinie.
Entlastun
g
Belastun
g
ΔTR-P
,
max
Schätzwert für den Blutdruck am Belastungsende
68
Mit den Modellkoeffizienten kann nun der Blutdruckverlauf aus der Pulstransitzeit berechnet
werden. Abbildung 4.15 zeigt das Ergebnis zusammen mit den nach auskultatorischer Metho-
de gemessenen Werten.
Abb. 4.15: Berechneter Blutdruckverlauf und manschettenbasiert erfasste Messwerte (ID00117)
Die mittlere Abweichung zwischen dem berechneten Verlauf und den Messwerten ist mit
3,5 mmHg gering. Dieses Ergebnis war zu erwarten, da alle Stützwerte in den Modellansatz
eingeflossen sind.
4.3.4 Bestimmung der Modellkoeffizienten allein aus Stützwerten der Entlas-
tungsphase
In der Praxis ist es meist nicht möglich, Blutdruckwerte als Stützwerte zur Modellbestimmung
während der Belastungsphase mit guter Genauigkeit zu ermitteln. Daher soll das im vorigen
Abschnitt vorgestellte Verfahren angepasst werden, so dass sich das Modell allein aus Stütz-
werten während Ruhe- und Entlastungsphase bestimmen lässt.
Für die Entlastungskennlinie wird wie zuvor der maximale Blutdruck am Ende der Belastung
geschätzt und mit den anderen Messwerten aus der Erholungsphase als zusätzlicher Stützwert
für die Approximation der Modellfunktion verwendet. Für die Belastungskennlinie werden
jetzt als Stützwerte der Ursprung der ΔTR_P/ΔPsys-Darstellung und die Entlastungsfunktion bei
_,maxRP
TΔ herangezogen. Als dritter Parameter zur Bestimmung der Modellfunktion wird die
Anfangssteigung der Kennlinie im Ursprung vorgegeben. Diese lässt sich aus den Steigungen
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
69
des zeitlichen Blutdruckverlaufs und des Pulstransitzeitverlaufs am Belastungsbeginn A
t
berechnen, wie Gleichung 4-17 zeigt.
()
()
()
(
)
()
()
()
,0/0 _
__
0
sys
A
sys
bel R P
RP RP
A
dP tt
dP dt
mT
dT dT tt
dt
Δ=
Δ
=Δ==
ΔΔ
=
Gl. 4-17
Für die Pulstransitzeit liegt eine kontinuierliche Folge von Messwerten vor, und die Steigung
ergibt sich aus dem Differenzenquotienten wie folgt:
()
()
()( )
__, _,1
_, _,1
RP RPi RPi
A
RPi RPi
dT TT
tt
dt tT tT
−
−
ΔΔ−Δ
==
Δ−Δ Gl. 4-18
Um den berechneten Wert von einzelnen möglichen Artefakten unabhängig zu machen, wer-
den die Differenzenquotienten zwischen A
t und 10
A
tsek
+
gemittelt. Für den Blutdruck
liegen nur die einzelnen manschettenbasiert gewonnenen Messwerte vor. Die Steigung am
Belastungsbeginn wird daher aus dem Ruhedruck und dem berechneten maximalen Druck
,maxsys
PΔ am Ende der Belastungsphase sowie der Dauer dieser Phase abgeschätzt, siehe Ab-
bildung 4.16.
(
)
() () ()
,max , ,max
sys
s
ys E sys Ruhe sys E
A
EA EA
dP PttP Ptt
tt
dt t t t t
Δ=− Δ =
== =
−−
Gl. 4-19
Abb. 4.16: Abschätzung der Steigung des Blutdruckverlaufes am Belastungsbeginn (ID00117)
tA t
E
70
Die Modellkoeffizienten berechnen sich dann wie folgt aus den genannten Größen:
()
()
3,
2, ,0/0
,max 2, _ ,max
1, 2
_,max
0
bel
bel bel
sys bel R P
bel
RP
a
am
PaT
a
T
=
=
Δ−⋅Δ
=Δ
Gl. 4-20
Abbildung 4.17 zeigt das Beispiel aus dem vorigen Abschnitt, wobei das Modell und der
Blutdruckverlauf mit der neuen Variante berechnet wurden.
Abb. 4.17: Blutdruckbestimmung durch Schätzen der Anfangssteigung der Belastungskennlinie (ID00117)
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
71
Man sieht, dass sich hier ebenfalls eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Blut-
druckwerten ergibt. Die mittlere Abweichung ist mit 3,7 mmHg nur geringfügig schlechter als
bei der Verwendung aller Stützwerte. Die Berechnung der Anfangssteigung ist allerdings nur
eine Näherung für den tatsächlichen Verlauf der Belastungsfunktion.
4.3.5 Modellansatz für praktische Anwendungen
Die Verwendung eines getrennten Modellansatzes für Be- und Entlastung, der im Folgenden
als Doppelmodell bezeichnet werden soll, liefert eine sehr gute Beschreibung der Entlas-
tungsphase, da die Kennlinie hier nicht zwingend direkt wieder den Ursprung erreicht und die
unterschiedlichen Zeitkonstanten der Kreislaufregulation berücksichtigt. Im Gegensatz dazu
muss ein Einzelmodell – bei dem nur eine Kennlinie für Be- und Entlastung verwendet wird –
immer den Ursprung durchlaufen, um für den Ruhewert der Pulstransitzeit auch den Blut-
druckruhewert zu bestimmen. Soll ein vorhandenes Modell in einer Untersuchung angewen-
det werden, bei der nicht eindeutig zwischen Be- und Entlastungsphasen zu unterscheiden ist,
so ist der Einsatz des Doppelmodells nicht möglich. Dies gilt beispielsweise für Stressunter-
suchungen und Messungen während des Autofahrens, wie sie in dieser Arbeit diskutiert wer-
den. Auch bei Intervallmessungen auf einem Ergometer mit Pausen zwischen den einzelnen
Belastungsphasen ist die Anwendung des Doppelmodells sehr aufwändig, da jeweils für einen
stetigen Übergang zwischen den beiden Modellfunktionen gesorgt werden muss.
Im Folgenden werden drei Ansätze vorgestellt mit deren Hilfe sich ein Einzelmodell berech-
nen lässt, das den Blutdruckverlauf auch bei unbekannten oder wechselnden Belastungssitua-
tionen mit guter Genauigkeit bestimmen kann.
Verwendung von Stützwerten der Be- und Entlastungsphase:
Sind Stützwerte in der Belastungsphase vorhanden, so kann eine Modellapproximation mit
Hilfe des Verfahrens der kleinsten Fehlerquadrate unter Verwendung aller Stützwerte durch-
geführt werden. Da hier in den folgenden Untersuchungen aber keine Belastungsmesswerte
vorhanden sind, soll dieser Ansatz nicht weiter verfolgt werden.
Verwendung von Stützwerten aus der Entlastungsphase:
Wird ein Einzelmodell ausschließlich mit den Stützwerten aus der Entlastungsphase approxi-
miert, so ergibt sich die Entlastungsfunktion des Doppelmodells. Diese dient dann auch als
Schätzung für die Belastungsphase. In einem zweiten Schritt wird die gefundene Funktion mit
drei Stützstellen neu approximiert, so dass sie durch den Ursprung der ΔTR_P/ΔPsys-
Darstellung verläuft. Die Anpassung an die Stützwerte der Entlastungsphase ist in diesem Fall
72
gut, die Belastungsphase wird aber gegebenenfalls nur ungenau beschrieben, wie Abbildung
4.18 zeigt.
Abb. 4.18: Blutdruckbestimmung aus Einzelmodell der Entlastungsmesswerte (ID00117)
Mittelung des Doppelmodells:
Eine weitere Möglichkeit, ein Einzelmodell zu erhalten, besteht darin, die Be- und Entlas-
tungskennlinie des Doppelmodells zusammenzufassen. Diese Variante kann auch durchge-
führt werden, wenn keine Messwerte während der Belastungsphase vorliegen. Dazu werden
die Koeffizienten der beiden Funktionen entsprechend ihrer Ordnung gemittelt, so dass die
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
73
neue Funktion an jedem Ort _RP
TΔ genau zwischen den beiden Ausgangsfunktionen liegt und
den Punkt _ ,max ,max
/
RP sys
TPΔΔ schneidet.
()
,,
,
22
1, _ 2, _ 3, 1, _ 2, _ 3,
1, 1, 2, 2, 3, 3,
2
__
2
2
222
sys bel sys ent
sys ges
bel R P bel R P bel ent R P ent R P ent
bel ent bel ent bel ent
RP RP
PP
P
aT aTaaT aTa
aa aa aa
TT
Δ+Δ
Δ=
⋅Δ + ⋅Δ + + ⋅Δ + ⋅Δ +
=
+++
=⋅Δ+⋅Δ+
Gl. 4-21
Abb. 4.19: Blutdruckbestimmung aus gemitteltem Doppelmodell (ID00117)
74
Im zweiten Schritt wird die Funktion mit drei Stützstellen neu berechnet, so dass sie durch
den Ursprung verläuft, vergleiche Abbildung 4.19. Es ergibt sich auf diese Weise im Gegen-
satz zum Einzelmodell aus den Messwerten der Entlastung ein Blutdruckverlauf, der sowohl
in der Be- als auch in der Entlastungsphase einen gewissen Kompromiss in der Anpassungs-
genauigkeit an die manschettenbasierten Messwerte eingeht. Für Untersuchungen, bei denen
sich nicht eindeutig einzelne Messphasen bestimmen lassen, erscheint dies sinnvoller. Die
mittlere Abweichung des berechneten Blutdruckverlaufes und der manschettenbasiert gemes-
senen Werte liegt mit 5,0 mmHg etwas höher als bei der Verwendung der Doppelmodellan-
sätze.
Tabelle 4.1 fasst noch einmal die Ergebnisse der vorgestellten Untersuchung zusammen und
zeigt einen Vergleich mit weiteren Messungen.
Tab. 4.1: Mittlere Abweichung des berechneten Blutdrucks von den Messwerten für verschiedene Untersuchun-
gen und unterschiedliche Modellanwendungen. Rot markiert: Beispiel aus den vorangehenden Abschnitten
Die kleinsten Abweichungen ergeben sich beim Einsatz des Doppelmodells, bei dem sowohl
die Be- als auch die Entlastungskennlinie aus Stützwerten berechnet wurden. Es zeigt sich
aber auch, dass die Verwendung der Anfangssteigung für die Belastungskennlinie fast ebenso
gute Ergebnisse liefert. Daher kann im Folgenden auf die Messung von Blutdruckstützwerten
in der Belastungsphase verzichtet werden. Für die Einzelmodelle ist die mittlere Abweichung
etwas größer als für die Doppelmodelle. Sie liegt aber noch im vertretbaren Bereich, wenn
man bedenkt, dass die auskultatorisch ermittelten Stützwerte ebenfalls fehlerbehaftet sind.
4.3.6 Modellanwendung
Sind die Modellkoeffizienten bekannt, kann der Blutdruck kontinuierlich berechnet werden,
wenn die Pulstransitzeit für jeden Herzschlag und der Ruheblutdruck, der zu Beginn der
Untersuchung ermittelt wird, vorliegen.
Proband Messung mittlere Abweichung in mmHg
Doppelmodell
aus Stützwer-
ten
Einzelmodell:
gemittelt aus
Doppelmodell
mit Stützwer-
ten
Doppelmodell
mit Anfangs-
steigung
Einzelmodell:
gemittelt aus
Doppelmodell
mit Anfangs-
steigung
ID0001 30.11.1999 3,1 3,2 3,0 3,2
ID00019 15.09.1999 2,8 3,2 3,0 3,5
ID00115 13.11.2000 2,7 4,0 2,9 4,1
ID00115 16.11.2000 4,4 6,0 4,5 6,0
ID00117 16.11.2000 3,5 4,7 3,7 5,0
ID24507 02.04.2003 0,5 2,4 2,2 2,6
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
75
Bei der Übertragung eines bekannten Modells auf eine neue Messung unterscheidet sich die
Vorgehensweise zwischen Doppelmodell und Einzelmodell. Für die Anwendung des Dop-
pelmodells ist ein zusätzlicher Normierungsschritt erforderlich, mit dem eine Anpassung an
die neue Maximalbelastung erfolgt. Da die Übertragung des Doppelmodells nur bei wenigen
Untersuchungen sinnvoll einsetzbar ist, soll stattdessen die Übertragung des Einzelmodells
von einer Kalibrier- auf eine Anwendungsmessung betrachtet werden. Die vorhandenen Mo-
dellkoeffizienten können direkt für die neue Messung verwendet werden, da keine Unter-
scheidung zwischen Be- und Entlastungsphase mehr erforderlich ist.
Werden während einer neuen Messung zusätzliche Blutdruckwerte mit Hilfe einer manschet-
tengestützten Messmethode erhoben, so kann ein Korrekturschritt zur Optimierung des be-
kannten Modells durchgeführt werden. Dazu wird – wie in Abbildung 4.20 zu sehen – ein
Messwert nahe dem Belastungsende verwendet und ebenfalls der berechnete Blutdruck
()
sys
PModellΔ abgelesen.
Abb. 4.20: Modellkorrektur mit zusätzlichem Messwert
Die berechneten Blutdruckwerte werden anschließend durch ()
sys
PModell
Δ
geteilt und mit
dem Messwert multipliziert.
ΔPsys (Modell)
ΔPsys (Messwert)
76
(
)
()
,
sys
sys korr sys korr sys
sys
P Messwert
PPfP
P Modell
Δ
Δ=Δ⋅=Δ⋅
Δ Gl. 4-22
Der neu berechnete Blutdruckverlauf passt sich den Messwerten deutlich besser an und der
Punkt ( )
sys
P MesswertΔ wird genau durchlaufen.
Die Fehleranfälligkeit dieses Verfahrens wächst, je näher der verwendete Messwert
()
sys
P MesswertΔ aus Abbildung 4.20 am Ruhedruck liegt.
Weiterhin kann es sinnvoll sein, das Blutdruckmodell eines Probanden adaptiv zu optimieren,
indem die Ergebnisse mehrerer Messungen Einfluss nehmen. Für das Einzelmodell kann in
diesem Fall einfach eine Mittelung der berechneten Modelle durchgeführt werden.
4.3.7 Abschätzung des systolischen Blutdrucks aus der Pulswellensteigung
Ein weiterer Ansatz für die Bestimmung des systolischen Blutdrucks ist eine Abschätzung aus
der Steigung der Pulswellenfront. Mit zunehmender Herzfrequenz und gleichzeitig steigen-
dem Blutdruck verkürzt sich der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Herzaktionen und somit auch die Periodendauer der Pulswelle. Dies führt zu einem steileren
Anstieg des Druck- bzw. Volumenverlaufes bei gleichzeitig geringeren Druckamplituden. Die
Größe der Änderung des Blutvolumens in einem Gefäßabschnitt nach einer Herzaktion ist
somit aussagekräftig in Bezug auf den arteriellen Mitteldruck und damit auch auf den systoli-
schen Blutdruck. Wie sich dies formell herleiten lässt und wie die Ergebnisse im Vergleich
zur bisherigen Berechnung aus der Pulswellenlaufzeit aussehen, wird im Anhang A.3 gezeigt.
Vorteil dieser Methode ist, dass im Vergleich zur Berechnung der Pulswellenlaufzeit keine
weitere Sensorik zur Ermittlung des Auswurfzeitpunktes des Blutvolumens am Herzen mehr
benötigt wird.
4.4 Modellansatz für den diastolischen Blutdruck
Alle Überlegungen in den vorangegangenen Abschnitten gelten ausschließlich für den systoli-
schen Blutdruck. Jetzt soll ein Ansatz zur kontinuierlichen Berechnung des diastolischen
Druckes gefunden werden. Dazu gibt es mehrere Möglichkeiten.
Als erstes bietet es sich an, den diastolischen Blutdruck mit demselben Verfahren aus der
Pulswellenlaufzeit zu ermitteln, das auch für den systolischen Druck verwendet wurde. Dazu
wird ein quadratischer Modellansatz benutzt, der mit Messwerten aus einer manschettenge-
stützten Blutdruckmessung kalibriert wird. Es hat sich aber wiederholt gezeigt, dass die Puls-
wellenlaufzeit nicht geeignet ist, den kontinuierlichen Verlauf des diastolischen Blutdrucks
zuverlässig abzubilden.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
77
Eine zweite Möglichkeit besteht darin, den Zusammenhang zwischen der Volumenpulsampli-
tude und dem Differenzdruck zwischen systolischem und diastolischem Druck auszunutzen,
wie im Folgenden gezeigt wird. Über diesen Ansatz lassen sich sehr gut Ergebnisse für die
kontinuierliche Berechnung des diastolischen Blutdrucks erzielen.
4.4.1 Formaler Zusammenhang von Pulsvolumen und diastolischem Blut-
druck
Für die folgenden Überlegungen wird von einem idealisierten Gewebemodell, wie in Abbil-
dung 4.21 dargestellt, ausgegangen. Der Gewebeanteil eines durchleuchteten Hautsegmentes
weist die Dicke Gew
lkonst= auf, während der Arterienanteil die variable Dicke
,max ,min
A
rt Art Art
ll l=+Δ
besitzt.
Abb. 4.21: Gewebemodell mit Transmissionssensor
Die Dickenänderung wird durch die von der Pulswelle hervorgerufene Druck- und damit
einhergehende Volumenänderung der Gefäße verursacht. Das Hautsegment wird nun von
einer Seite homogen mit der Intensität I0 bestrahlt. Auf der Rückseite wird die transmittierte
Intensität I mit Hilfe eines Fotoempfängers gemessen. Die empfangene Intensität ist somit
abhängig von der periodischen Änderung der Dicke des Arterienanteils. Für die minimal und
maximal auftretende Intensität am Empfänger ergeben sich in Abhängigkeit der Eingangsin-
tensität nach dem Lambert-Beerschen Gesetz folgende Zusammenhänge:
,min
min
max 0 0
Gew Gew Gew Art Art Art
cl cl
cl
IIe Ie
εε
ε
−⋅⋅−⋅⋅
−⋅⋅
=⋅ =⋅ Gl. 4-23
78
,max
max
min 0 0
Gew Gew Gew Art Art Art
cl cl
cl
IIe Ie
εε
ε
−⋅⋅−⋅⋅
−⋅⋅
=⋅ =⋅ Gl. 4-24
In den Gleichungen ist l die aktive Gewebe- bzw. Arterienlänge und c die jeweilige Stoffkon-
zentration. Bei
ε handelt es sich um den Extinktionskoeffizienten des Gewebes bzw. des
Blutvolumens im Arterienanteil. Die Eingangsintensität I0 lässt sich leicht eliminieren, indem
man den Quotienten von Imax und Imin bildet. Durch Logarithmieren werden die Exponential-
funktionen beseitigt.
()()
max
,min ,max
min
ln Gew Gew Gew Art Art Art Gew Gew Gew Art Art Art
Icl cl cl cl
I
εε εε
⎛⎞
=− ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅ −− ⋅ ⋅ − ⋅ ⋅
⎜⎟
⎝⎠
Gl. 4-25
Zusammenfassen der rechten Seite ergibt die folgende Darstellung:
()
max
,max ,min
min
ln Art Art Art Art Art Art Art
Icl l c l
I
εε
⎛⎞
=⋅⋅ − =⋅⋅Δ
⎜⎟
⎝⎠ Gl. 4-26
Die Beziehung zwischen Druck und Durchmesser eines Gefäßes ist nach Aussage von BUSSE
[Bu82, Seite 52] bis zu Druckamplituden von 50 mmHg noch annähernd linear. Dieser Be-
reich bezieht sich auf die Änderung des arteriellen Mitteldruckes und ist ausreichend groß, um
die auftretenden Schwankungen bei üblichen Belastungen abzudecken. Nimmt man also an,
das
Δ
l ~
Δ
p für
Δ
p < 50 mmHg so erhält man:
max
1
min
ln ICp
I
⎛⎞
=
⋅Δ
⎜⎟
⎝⎠ Gl. 4-27
Der Parameter C1 in Gleichung 4-27 ist eine Proportionalitätskonstante.
Dies lässt sich alternativ auch über das bereits dargestellte Schlauchmodell zeigen. Setzt man
in Gleichung 4-10 für dR den Ausdruck
Δ
lArt ein und für R die halbe Schichtdicke lArt, so
erhält man:
2
1
2Art
Art
l
lp
hE
⎛⎞
⎜⎟
⎝⎠
Δ
=⋅Δ
⋅ Gl. 4-28
Einsetzen von Gleichung 4-28 in Gleichung 4-26 liefert wieder das Ergebnis aus Gleichung
4-27.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
79
2
max
2
min
ln 4
Art
Art Art Art Art Art
Il
cl c pCp
IhE
εε
⎛⎞
= ⋅ ⋅Δ = ⋅ ⋅ ⋅Δ = ⋅Δ
⎜⎟ ⋅⋅
⎝⎠ Gl. 4-29
Eine Plausibilitätsprüfung für den Sonderfall
Δ
p=0 ergibt, dass max min
I
I
=
sein muss. Dies
bedeutet, dass keine Volumenpulswelle vorhanden ist, wenn keine Druckänderungen auftre-
ten.
4.4.2 Modellbildung
Im Fall des diastolischen Druckes ist die Modellbildung sehr einfach. Da für die Berechnung
des systolischen Blutdruckes in jedem Fall eine manschettenbasierte Ruhemessung des Blut-
druckes erfolgt, können zu diesem Zeitpunkt auch die Maximal- und Minimalwerte der Vo-
lumenpulswelle ermittelt werden. So lässt sich die Konstante C2 aus Gleichung 4-29 leicht
berechnen. Anschließend kann der diastolische Druck kontinuierlich bestimmt werden, indem
der aus den Pulswellendaten ermittelte Differenzdruck vom berechneten systolischen Druck
abgezogen wird. C2 entspricht der Steigung der unteren Geraden in Abbildung 4.22. Nach
Gleichung 4-29 dürfte sich diese Steigung während einer Messung nicht ändern. Dass sie das
dennoch tut, kann am Verrutschen des Sensors und damit an einer Änderung der durchstrahl-
ten Fläche liegen oder daran, dass die bisher als konstant angenommenen Gewebeparameter
unter Belastung doch nicht konstant sind. Da diese Änderung auch bei sehr gut befestigtem
Sensor auftritt, wird hier eine systematische Parameteränderung vermutet. Diese kann durch
einen weiteren Stützwert am Ende der Belastungsphase korrigiert werden.
Abb. 4.22: Modellbildung für den diastolischen Blutdruck
1: Ruhephase
2: Belastung
3: Erholung
(hier wie
Belastung)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
80
4.5 Ergebnisse
Die Ergebnisse der modellbasierten kontinuierlichen Blutdruckmessung werden im Folgenden
an verschiedenen Untersuchungen in der Vestischen Kinder- und Jugendklinik Datteln7 und
im Biomedizinischen Labor der Universität Paderborn erläutert.
Für die ersten Untersuchungen absolvierten verschiedene Probanden auf einem Ergometer ein
zyklisches Belastungsprogramm. Der Ablauf war an die standardmäßig durchgeführten Er-
gometrieuntersuchungen der Klinik angelehnt. Auf eine kurze Ruhezeit folgten drei Belas-
tungsphasen mit einer Dauer von jeweils zwei Minuten und dazwischen liegenden Pausen von
je einer Minute. Im Anschluss an die dritte Belastungsstufe fand eine Erholungsphase statt, in
der alle Vitalparameter wieder ihre Ruhewerte erreichen konnten. Die Ausführung des Mess-
ablaufs ist beispielhaft und kann jederzeit variiert werden, so dass auch eine Belastungssteige-
rung ohne Pause denkbar ist [Ki91].
7 Vielen Dank an Prof. Eckhard Trowitzsch und Dr. Thomas Menke für das Ermöglichen der Messungen und die
freundliche Unterstützung.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
81
Abb. 4.23: Proband 1 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen Blutdrucks und auskul-
tatorische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphasen sind grau unterlegt
Während der gesamten Messzeit wurde eine EKG-Ableitung (Brustwandableitung) mit kli-
nikeigenem Gerät aufgezeichnet. Zusätzlich wurden die Herzfrequenz und die Pulstransitzeit
bzw. die Pulswellenamplitude kontinuierlich erfasst. Weiter wurden zu bestimmten Zeiten
von einem erfahrenen Mediziner auskultatorische Blutdruckmessungen bei den Probanden
durchgeführt. Die Abbildungen 4.23 und 4.24 zeigen die zeitlichen Verläufe des berechneten
systolischen und diastolischen Blutdrucks zusammen mit den auskultatorisch gemessenen
Werten für zwei Personen.
40 W 67 W 89 W
82
Abb. 4.24: Proband 2 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen Blutdrucks und auskul-
tatorische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphasen sind grau unterlegt
Die beiden Belastungs-Ergometerversuche ermöglichen hier einen direkten Vergleich der
auskultatorischen Messung und des neuen Verfahrens zur kontinuierlichen Bestimmung des
systolischen und diastolischen Blutdrucks. Es fällt auf, dass sich der berechnete Blutdruckver-
lauf sowohl für den systolischen als auch den diastolischen Druck sehr gut an die gemessenen
Druckwerte annähert. Es werden aber durch die kontinuierliche Darstellung auch zeitliche
Schwankungen sichtbar, die mit dem konventionellen Blutdruckmessgerät verborgen geblie-
ben wären. Dazu gehören z. B. die Abnahmen des systolischen Drucks zwischen den Belas-
tungsphasen. Außerdem werden die maximalen Anstiege des systolischen Blutdrucks am
70 W 105 W 140 W
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
83
Belastungsende in beiden Fällen durch das manschettenbasierte Verfahren unterschätzt bzw.
nicht erfasst. Zusätzlich fehlen Informationen zu den schnellen Druckänderungen, die insbe-
sondere am Belastungsende auftreten. Dies liegt vor allem daran, dass die auskultatorische
Messung durch das Aufpumpen der Manschette eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt und oft
nicht genau zum Zeitpunkt des Belastungsendes einen Messwert liefert. Die starken Druckän-
derungen während des Messvorgangs tragen dazu bei, dass kein gesichertes Ergebnis erzielt
werden kann. Wie besonders in Abbildung 4.23 deutlich wird, ist die auskultatorische Metho-
de kaum geeignet, Schwankungen des diastolischen Drucks abzubilden. Hier bietet der mo-
dellgestützte Ansatz deutliche Vorteile.
Die im Folgenden beschriebenen Ergometer-Untersuchungen wurden im Biomedizinischen
Labor an der Universität Paderborn durchgeführt. Die Probanden mussten nach einer Ruhe-
phase ein mehrstufiges Belastungsprogramm durchlaufen, wobei zwischen den Belastungsstu-
fen keine Pausen vorgesehen waren. Danach schloss sich, wie bei den oben beschriebenen
Klinikmessungen, eine Erholungsphase an. Die für die kontinuierliche Blutdruckberechnung
erforderlichen Kalibrierpunkte sowie weitere Kontrollwerte wurden hier mit einem nach dem
oszillometrischen Verfahren arbeitenden Gerät ermittelt. Dabei wurde ausschließlich in der
Ruhephase und in der Erholungsphase gemessen, da bei Bewegung keine gesicherten Werte
bestimmt werden können.
84
Abb. 4.25: Proband 3 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen Blutdrucks und oszil-
lometrische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphase ist grau unterlegt
65 W 100 W 130 W
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
85
Abb. 4.26: Proband 4 - Zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen und diastolischen Blutdrucks und oszil-
lometrische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphase ist grau unterlegt
Die Ergebnisse in den Abbildungen 4.25 und 4.26 unterscheiden sich nur unwesentlich von
den oben gezeigten Verläufen. Durch den ohne Pausen durchgeführten Belastungszyklus
entsteht im Gegensatz zu den Klinikmessungen ein kontinuierlicher Anstieg des systolischen
Blutdrucks. Der Maximaldruck am Belastungsende wird dabei wie zuvor durch die manschet-
tenbasierte Messung unterschätzt. Die Entlastungsphase unterscheidet sich bei den zwei Un-
tersuchungsvarianten nicht. Für den diastolischen Druckverlauf zeigt sich während der
Belastungsphasen ein leichter Anstieg, der bei der lückenlosen Belastungssituation deutlicher
50 75 100 125 150 175 W
86
hervortritt als das bei den unterbrochenen Belastungsphasen der Fall ist. Insgesamt lässt sich
auch hier erkennen, dass der kontinuierlich berechnete Verlauf des Blutdrucks kurzzeitige
Schwankungen besser abbilden kann, als dies bei der oszillometrischen Messmethode mög-
lich ist.
Abb. 4.27: Proband 5 - Schellong Stufentest (siehe Kap. 4.6): zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen
und diastolischen Blutdrucks und oszillometrische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphase ist grau unterlegt
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
87
Abb. 4.28: Proband 6 - Schellong Stufentest (siehe Kap. 4.6): zeitlicher Verlauf des berechneten systolischen
und diastolischen Blutdrucks und oszillometrische Blutdruckwerte (◊), die Belastungsphase ist grau unterlegt
Bei den beiden in Abbildung 4.27 und 4.28 dargestellten Untersuchungen wurde die Belas-
tung nicht wie bisher mittels Ergometer realisiert, sondern der Schellong Stufentest (siehe
Kapitel 4.6) verwendet. Die Ergebnisse und deren Interpretation unterscheiden sich indes
nicht von den bisher vorgestellten Daten und zeigen, dass der Stufentest ein adäquates Mittel
zur Belastungserzeugung ist.
88
In der folgenden Tabelle 4.2 sind die Daten der vorgestellten Untersuchungen und Probanden
mit den mittleren Abweichungen des berechneten Blutdruckverlaufes von den manschettenba-
siert ermittelten Werten zusammengefasst.
Tab. 4.2: Daten der vorgestellten Untersuchungen
Abbildung
Versuchs-
person
Datum der
Messung
Art der
Belastung Alter
Gewicht/
Größe
mittlere
Abweichung
sys/dias
4.23 Proband 1 30.11.2007
Ergometer,
Intervall 10 44 kg /
143 cm
6,2 mmHg /
5,0 mmHg
4.24 Proband 2 30.11.2007
Ergometer,
Intervall 19 69 kg /
178 cm
3,7 mmHg /
4,8 mmHg
4.25 Proband 3 26.11.2004
Ergometer,
Kontinuierlich 27 67 kg /
176 cm
3,5 mmHg /
3,9 mmHg
4.26 Proband 4 03.02.2005
Ergometer,
Kontinuierlich 69 85 kg /
182 cm
2,9 mmHg /
2,6 mmHg
4.27 Proband 5 24.01.2007 Stufentest 20 55 kg /
167 cm
1,7 mmHg /
2,4 mmHg
4.28 Proband 6 23.01.2007 Stufentest 20 50 kg /
169 cm
0,9 mmHg /
2,6 mmHg
4.6 Zusammenfassung der bisherigen Ergebnisse
In den vorangehenden Abschnitten konnte gezeigt werden, dass sich sowohl der systolische
als auch der diastolische Blutdruck mit Hilfe der verwendeten Modellansätze kontinuierlich
mit guter Genauigkeit berechnen lassen.
Die Bestimmung des systolischen Drucks erfolgt aus der Pulswellenlaufzeit. Für eindeutig
abgegrenzte Belastungsphasen liefert das Doppelmodell die besten Ergebnisse, für alle ande-
ren Fälle der praktischen Anwendung ist das Einzelmodell vielseitiger einsetzbar. Der diasto-
lische Druck wird mit Hilfe der Amplitude der Pulswelle ebenfalls zuverlässig ermittelt.
Auf diese Weise kann der Blutdruck für jeden Herzschlag berechnet werden und bietet damit
eine deutlich höhere Aussagekraft als manschettenbasiert gewonnene Einzelmesswerte, insbe-
sondere bei schnellen Schwankungen und kleinen Änderungen.
Um die Modellkoeffizienten für eine Person zu bestimmen, müssen Blutdruck und Pulstran-
sitzeit bzw. Pulsvolumen bei verschiedenen Belastungsstufen gemessen werden. Dies kann
durch eine Ergometeruntersuchung mit oder ohne Pausen zwischen den Belastungsstufen
geschehen [Ki91]. Steht kein Ergometer zur Verfügung, bietet sich der Stufentest nach Schel-
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
89
long an [Ro03, Sche54], bei dem der Proband für eine bestimmte Zeit eine Stufe auf- und
absteigen muss. Auch weniger sportliche Personen können diese Belastungsarten problemlos
ausführen. Nach Belastungsbeginn folgt eine unmittelbare Zunahme der Herzrate, eine Ver-
minderung der Pulstransitzeit und ein steiler Anstieg des systolischen Blutdrucks, siehe Ab-
bildung 4.29. In einer Erholungsphase werden üblicherweise wieder die vor dem Test
gemessenen Anfangswerte erreicht.
Abb. 4.29: Links: Proband beim Schellong-Stufentest. Rechts: berechneter kontinuierlicher systolischer Blut-
druckverlauf mit gemessenen Referenzwerten (Omron 705 IT)
Die Referenzwerte zur Modellkalibrierung werden auskultatorisch oder mit Hilfe eines oszil-
lometrischen Gerätes ermittelt. Zuverlässige Werte können jedoch nur dann gefunden werden,
wenn sich der Proband während der Messung möglichst wenig bewegt. Daher können Refe-
renzwerte nur während der Ruhephase vor der Belastung und in der Erholungsphase gemes-
sen werden. Insgesamt sind drei bis vier manschettenbasierte Messungen erforderlich, eine in
der Ruhephase vor Belastungsbeginn und zwei bis drei während der Erholungsphase. Zusätz-
liche Messwerte erhöhen die Genauigkeit des Verfahrens. In den hier durchgeführten Unter-
suchungen wird ein nach dem oszillometrischen Prinzip arbeitendes Gerät der Firma Omron
(Omron 705 IT) verwendet.
Das Kalibrierungsverfahren zur Bestimmung der Modellkoeffizienten muss von jeder Person
nur einmal durchgeführt werden. Danach kann das Modell bei verschiedenen Untersuchun-
gen, wie z. B. Ergometermessungen oder in der psychophysiologischen Forschung zur Ermitt-
lung von Stresssituationen eingesetzt werden. Nach welchem Zeitraum eine Neukalibrierung
sinnvoll ist bzw. erforderlich wird, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören Än-
derungen im Konsum von Blutdruck beeinflussenden Medikamenten, Lebens- oder Genuss-
mitteln, wechselnder Gesundheits- und Fitnesszustand und das zunehmende Alter. Für
verschiedene Personen konnte die Gültigkeit des Blutdruckmodells über mehrere Monate
gezeigt werden.
In einer Veröffentlichung von MEIGAS ET AL. [Me06] aus dem Jahre 2006 verwenden die
Autoren den hier beschriebenen und von uns zuvor auf der IMEKO-Tagung in Budapest
erstmals gemachten Vorschlag der individuellen Kalibrierung personalisierter Modelle zur
Belastungsphase
Erforderliche
Kalibrierpunkte
90
Blutdruckbestimmung aus der Pulswellenlaufzeit [Ba05a, Ba05b] und kommen zu ähnlichen
Ergebnissen. Allerdings wird für den Zusammenhang zwischen Druck und Laufzeit ein linea-
rer Ansatz verwendet, von dem eine vergleichsweise schlechte Genauigkeit berichtet wird und
der im Rahmen unserer ersten Untersuchungen bereits betrachtet und anschließend verworfen
wurde. Weiter bleiben die Autoren Verlaufskurven des modellbasiert berechneten Blutdrucks
schuldig.
4.7 Vorauswurfs- und Pulstransitzeit
Die folgenden Überlegungen dienen dazu, eine geeignete Sensorik zu entwickeln, um die für
die Blutdruckberechnung benötigten Parameter zu erfassen.
Durch die Kontraktion des Herzens wird pulsartig Blut in die Aorta gedrückt. Dabei entsteht
eine longitudinale Druckwelle, die sich vom Herzen in die Arterien ausbreitet. Die Laufzeit –
also die Pulstransitzeit – zwischen zwei Messorten ist als Quotient der Wegstrecke zwischen
den Messorten und der Pulswellengeschwindigkeit definiert. Sie kann als mittlere oder als
lokale Transitzeit ermittelt werden [El01]. Für die Bestimmung der lokalen Größe wird der
zeitliche Verlauf von zwei an unterschiedlichen Orten eines Arterienastes gemessenen Puls-
wellen aufgezeichnet. Die Verzögerung zwischen korrespondierenden Punkten in den beiden
registrierten Wellen ergibt die lokale Transitzeit. Für die mittlere Transitzeit wird nur die
Messung einer peripheren Pulswelle benötigt. Die Zeitmessung beginnt dann mit dem Auftre-
ten der R-Zacke des EKG-Signals, das etwa den Zeitpunkt des Blutauswurfs vom Herzen in
die Aorta darstellt. Beendet wird die Messung, wenn die Pulswelle den peripheren Messort
erreicht, d. h. wenn die Sensorik die steigende Flanke der dort ankommenden Welle erkennt.
Die mittlere Transitzeit ist weniger fehleranfällig, da die Laufzeit über eine längere Strecke
gemessen wird. Daher fallen auch Ungenauigkeiten bei der Ermittlung der Bezugspunkte
weniger stark ins Gewicht.
Abb. 4.30: Zusammenhang von Pulstransitzeit und Pre-Ejection Period [nach Ko05]
EKG:
PEP
Aorta Pulswelle:
Periphere Pulswelle: PEP: Pre-Ejection Period
PTT PTT: Pulstransitzeit
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
91
Ein Nachteil könnte allerdings darin gesehen werden, dass durch die R-Zacke nicht direkt der
Beginn der Pulswelle in der Aorta angezeigt wird. Vielmehr liegt noch die so genannte Vor-
auswurfszeit bzw. die Pre-Ejection Period (PEP) dazwischen. Sie ist nicht konstant, aber die
Änderungen in der PEP sind mit den Änderungen der Transitzeit sehr hoch korreliert [El01,
Ko05], so dass der Einfluss der PEP auf die Transitzeitbestimmung über EKG und Pulswelle
als sehr gering eingestuft werden kann. Über die individuelle Kalibrierung wird er bei der
modellbasierten Blutdruckbestimmung berücksichtigt.
4.8 Sensorik und Datenverarbeitung
4.8.1 Sensorik zur kontinuierlichen Blutdruckmessung
In der medizinischen Diagnostik werden bei der Aufzeichnung eines EKGs meist mehrere
Ableitungen gleichzeitig registriert. Für die Bestimmung von Herzfrequenz bzw. Herzratenva-
riabilität und Pulstransitzeit genügt allerdings eine einkanalige Ableitung. Diese kann mit
einem Brustgurt gewonnen werden, wie ihn einige Sportgerätehersteller anbieten. Abbil-
dung 4.31 zeigt ein solches System der Firma Kettler [Ke03].
Abb. 4.31: Brustgurt und Ohrsensor der Firma Kettler
Vorteil dieser Geräte ist, dass sie einfach anzuwenden und mobil einsetzbar sind. Der zur
Trainingskontrolle bestimmte Gurt ist mit zwei Elektroden ausgestattet, mit denen das EKG
abgeleitet wird. Außerdem verfügt er über einen Sender, der ein Funksignal abstrahlt, sobald
eine R-Zacke erkannt wurde. Der Empfänger kann z. B. eine Pulsuhr sein, die zur Anzeige der
Herzfrequenz dient oder – wie bei den hier durchgeführten Messungen – ein separates Emp-
fangsmodul, das einen Spannungsimpuls ausgibt, wenn das Signal empfangen wurde. Der
Vergleich mit einem konventionell gemessenen EKG zeigt, dass der Brustgurt die R-Zacke
hinreichend genau bestimmt [Ba98]. Die steigende Flanke des Brustgurtsignals tritt nach
Abbildung 4.32 noch innerhalb des QRS-Komplexes auf.
92
Abb. 4.32: Zeitlicher Zusammenhang zwischen EKG, Brustgurtsignal und Pulstransitzeit [Ba98]
Neben den R-Zacken wird zur Bestimmung der Pulstransitzeit ein peripheres Pulssignal benö-
tigt, das hier mit einem photoplethysmographischen Sensor gewonnen werden soll. Das
Messprinzip der Photoplethysmographie beruht darauf, dass Blut rotes bis infrarotes Licht
stärker absorbiert als das umliegende Gewebe [El01]. Die Pulswelle verursacht eine Gefäß-
dehnung und somit eine Zunahme des Blutvolumens. Dadurch wird die Absorptionsfläche
vergrößert, und am Empfangsteil des Sensors wird weniger Licht detektiert. Es wird also eine
Volumenpulswelle gemessen, die aufgrund der Druckpulswelle in den Arterien entsteht. Sie
wird gleichzeitig auch zur Berechnung des diastolischen Blutdrucks verwendet. Sensoren, die
nach dem Transmissionsverfahren arbeiten, durchstrahlen das Gewebe, daher ist ihr Einsatz
nur an Körperstellen wie Finger oder Ohr möglich. Reflexionssensoren können dagegen auf
jeder ausreichend durchbluteten Stelle der Hautoberfläche platziert werden. Für die im Rah-
men dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen wird ein Transmissionssensor am Ohr-
läppchen verwendet.
4.8.2 Hardware
Wie beschrieben, sind für die kontinuierliche Bestimmung des Blutdruckverlaufes das Signal
eines Brustgurtes und die gleichzeitige Erfassung eines peripheren Pulssignals erforderlich.
Die Berechnung des Drucks aus diesen Daten mit Hilfe eines mathematischen Modells soll
am Computer erfolgen. Dazu wird neben den Sensoren und dem PC noch weitere Hardware
benötigt. Das im Folgenden als Sensorbox bezeichnete Modul dient zur Spannungsversorgung
PTT
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
93
des eingebauten Brustgurtempfängers und des photoplethysmographischen Sensors und zur
Verstärkung und Filterung des registrierten Ohrpulssignals. Weitere Komponenten ermögli-
chen die Digitalisierung für die Weiterverarbeitung im PC bzw. die Übertragung der Messsig-
nale zum PC. In diesem Kapitel sollen alle benötigten Komponenten erläutert werden.
Die folgenden Anforderungen werden dabei an die Sensorik gestellt:
• Die Hardware soll klein und portabel sein.
• Die Verstärkung soll in einem weiten Bereich einstellbar sein.
• Die Sensorsignale sollen mit mindestens 12 Bit pro Sample bei einer Abtastrate von
mindestens 300 Hz digitalisiert werden.
• Die Datenspeicherung muss in Echtzeit erfolgen.
• Die gesamte Sensorik muss der Patientensicherheit genügen.
• Es sollen weitestgehend kommerziell verfügbare Komponenten verwendet werden.
Abb. 4.33: Messkette für die kontinuierliche Blutdruckbestimmung
4.8.2.1 Die Sensorbox
Wie bereits angesprochen beinhaltet die Sensorbox mehrere Teilkomponenten. Zur Versor-
gung des eingebauten Brustgurtempfängers dient ein Spannungsregler. Das Ausgangssignal
des Empfängers wird unverändert an den Ausgang der Box weitergeleitet.
Damit der photoplethysmographische Sensor ein optimales Ausgangssignal liefert, muss
dessen Arbeitspunkt mit Hilfe eines Vorwiderstandes korrekt eingestellt werden. Das Aus-
gangssignal setzt sich dann aus einem hohen Gleichanteil und einem sehr kleinen Wechselan-
teil, dem eigentlichen Nutzsignal, zusammen. Um den Gleichanteil zu entfernen, wird das
Eingangssignal zunächst hochpassgefiltert. Das Nutzsignal mit Spektralanteilen im Bereich
von 1 Hz bleibt erhalten. Es folgt eine Zwischenverstärkung und eine Tiefpassfilterung zur
Brustgurt
Sensorbox USB-Messwert-
erfassung / Blue-
tooth-Übertragung
PC zur Aus-
wertung und
Anzei
g
e
Ohrsensor
94
Rauschunterdrückung. Aufgrund von Offsetspannungen der Operationsverstärker und unter-
schiedlichen Toleranzen in den Bauteilen entstehen Unsymmetrien in der Schaltung, die zu
einer unvollständigen Beseitigung des Gleichanteils führen. Daher wird nicht die gesamte
erforderliche Verstärkung in einer Stufe durchgeführt. Stattdessen wird der nach der Zwi-
schenverstärkung verbleibende Gleichanteil erneut mit Hilfe eines Hochpassfilters eliminiert.
Den Abschluss bildet ein Verstärker mit einstellbarem Verstärkungsfaktor zur manuellen
Aussteuerung des Pulssignals.
4.8.2.2 Signalübertragung und –speicherung
Für die Signalübertragung von der Sensorbox zum PC stehen verschiedene Möglichkeiten zur
Verfügung.
Eine Variante ist die Nutzung des USB-Messwerterfassungssystems LabJack (LabJack U12,
Meilhaus Electronic). Das Modul bietet mehrere Single-Ended 12 Bit Analog-Eingänge mit
einem Eingangsbereich von ± 10 V. Im Stream-Modus wird eine Abtastrate von insgesamt 1,2
kSamples pro Sekunde erreicht [La02]. Die Stromversorgung des Moduls erfolgt über die
USB-Schnittstelle des PC. Bei Verwendung eines Laptops kann somit die Messhardware
vollständig vom öffentlichen Stromnetz getrennt und per Batterie betrieben werden. Dies ist
Voraussetzung, um die Patientensicherheit zu garantieren.
In einer Neuentwicklung der Sensorbox wurde die kabelgebundene Übertragung der Messda-
ten durch eine Drahtlosverbindung via Bluetooth ersetzt. Dies bietet den Vorteil, dass sich der
Proband frei bewegen kann und in seinem Aktionsradius deutlich weniger stark eingeschränkt
ist. Er muss lediglich die Sensorbox mit der vollständigen Hardware zur Messdatenerfassung
und dem Bluetoothsender am Gürtel tragen. Neben einer Erleichterung für den Probanden
wird auch eine einfachere Versuchsdurchführung erreicht, da nicht auf eine geeignete Kabel-
führung geachtet werden muss. Und auch im Hinblick auf eine in Zukunft mögliche generelle
Überwachung des Fahrerzustandes, erhöht die drahtlose Übertragung Komfort und Sicherheit
bei der Verwendung des Systems.
Um die Messdaten für die Übertragung vorzubereiten, müssen diese zunächst digitalisiert
werden. Dazu wird ein Microcontroller (PIC18-Serie) verwendet, der über einen program-
mierbaren Analog-Digital-Wandler mit acht parallelen Eingängen verfügt. Die Daten stehen
dann am Ausgang als serieller Datenstrom zur Verfügung und werden direkt an das Blue-
tooth-Sendemodul (F2M03AC2 der Firma Free2Move) übergeben. Am PC wird als Gegen-
stelle ein USB-Bluetooth-Dongle installiert, der eine virtuelle serielle Schnittstelle anbietet,
die wie ein Standardport angesprochen werden kann. Das Sendemodul bietet neben dem
sogenannten SerialPortProfile auch noch weitere Übertragungsmodi für eine Erweiterung des
Systems sowie die Möglichkeit zur Nutzung eines Low-Power-Modes zur Reduzierung des
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
95
Energieverbrauches. Der Einsatz des Moduls ist sehr einfach, da Datenpakete, sobald sie am
Eingang anliegen, direkt versendet werden. Die nominelle Reichweite des Klasse-2-Senders
liegt bei 20 Metern, was für die hier vorgesehenen Anwendungen vollkommen ausreichend
ist.
Die Verwendung von Bluetooth als Übertragungsstandard bietet sich an, da diese Technik
weit verbreitet und bei hoher Datenrate wenig fehleranfällig ist. Viele elektronische Geräte
besitzen serienmäßig eine entsprechende Schnittstelle und mit dem SerialPortProfile ist die
Handhabung und Weiterverarbeitung der Daten leicht durchzuführen.
Der PC dient zur Auswertung der aufgezeichneten Daten. Dazu wird das Programmpaket
MatLab der Firma The Mathworks verwendet. Der Einsatz von leistungsfähiger und bedie-
nungsfreundlicher Software ermöglicht den Aufbau von Mess-Systemen, die durch die An-
passung der Programme sehr variabel sein können. Dies ist für den Entwicklungs- und
Laboreinsatz von großem Vorteil.
4.8.2.3 Erweiterung der Sensorik zu einem Head-Set
Die Erfassung verschiedener Beanspruchungsindikatoren bietet den Vorteil einer robusten
Identifikation des Fahrerzustandes. Dabei ergibt sich gleichzeitig aber auch der Nachteil, eine
Vielzahl von Sensoren einsetzen und diese an verschiedenen Messstellen applizieren zu müs-
sen. Dies ist zeitraubend und wird vom Probanden oft nicht oder nur ungern akzeptiert. Au-
ßerdem darf die Messtechnik nicht stören und den Fahrer in keinem Fall behindern.
Besonders im Hinblick auf den Einsatz eines solchen Systems als eigenständiges, jederzeit
verwendbares Fahrerassistenzsystem, ist das einfache und schnelle Anlegen von größter
Wichtigkeit. Dabei muss ein Messort ausgewählt werden, der leicht zugänglich ist und nicht
von Kleidung verdeckt wird.
Das als Prototyp umgesetzte Konzept ermöglicht es, die relevanten physiologischen Messgrö-
ßen gleichzeitig mit mehreren Sensoren zu registrieren, die in einem Head-Set am Ohr getra-
gen werden. Die Gesamtanzahl einzelner Sensorelemente wird dadurch verringert und die
Baugröße reduziert. Das Modul lässt sich einfach anlegen und beeinträchtigt den Fahrer nicht.
Die Datenübertragung erfolgt via Bluetooth an einen Rechner, auf dem die Bestimmung des
Fahrerzustandes aus den erfassten Indikatoren erfolgt. Durch Kombination mit weiteren Funk-
tionalitäten wie z. B. einer Telefonfunktion kann das System noch aufgewertet und für den
Fahrer attraktiver gestaltet werden. Ein Nachteil liegt in der Tatsache, dass die Messeinrich-
tung am Körper getragen werden muss und nicht kontaktlos arbeitet. Sie bietet auf diese
Weise aber auch durchgehend gleiche Signalqualität. Der genaue Aufbau des Systems wird
im Anhang A.4 beschrieben.
96
4.8.3 Signalverarbeitung
4.8.3.1 Herzfrequenz und Herzratenvariabilität
Die Herzfrequenz, lässt sich einfach aus dem Brustgurtsignal berechnen, indem der zeitliche
Abstand RR
T in Sekunden zwischen den steigenden Flanken von jeweils zwei aufeinander
folgenden Pulsen bestimmt wird. Für eine Angabe der Herzfrequenz
H
F
f
in Schlägen pro
Minute ist dann folgende Umrechnung nötig.
sek
60 min
HF
RR
fT
= Gl. 4-30
Abb. 4.34: Ausgangssignal des Brustgurtempfängers
Artefakte im Brustgurtsignal erschweren die Bestimmung der Herzfrequenz. Zum einen kön-
nen ihnen physiologische Gegebenheiten wie z. B. Rhythmusstörungen des Herzens oder
Extrasystolen zugrunde liegen. Andererseits kann auch ein schlechter Kontakt zwischen den
Elektroden des Brustgurtes und der Hautoberfläche zu Artefakten führen. Diese treten dann
insbesondere bei Bewegungen des Probanden auf, wenn der Gurt auf der Haut verrutscht.
Eine Aussage über die Ursache ist aufgrund der im Brustgurtsignal sichtbaren Erscheinungen
kaum möglich. In Kombination mit dem erfassten Pulssignal gelingt in den meisten Fällen
allerdings eine Unterscheidung zwischen physiologisch- und messungsbedingten Artefakten.
Sie äußern sich im Wesentlichen in einer der folgenden Formen:
• ein oder mehrere Pulse des Brustgurtes fehlen
• zwischen zwei regulären Pulsen treten zusätzliche Flanken auf
• ein Puls ist in seiner Position zwischen zwei regulären Pulsen verschoben
TRR
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
97
Abb. 4.35: Brustgurtsignal mit Artefakten. Rot markiert: erkannte Pulse nach der Korrektur
Um das Auftreten von messungsbedingten Artefakten in der Darstellung der Herzfrequenz zu
verhindern, muss also eine Überprüfung und gegebenenfalls eine Korrektur des Brustgurtsig-
nals durchgeführt werden. Die Beseitigung der drei oben genannten Artefaktformen be-
schränkt sich dann auf das Einfügen fehlender Pulse und das Entfernen von Pulsen, die
zusätzlich auftreten. Zeitlich verschobene Pulse lassen sich dabei als eine Zusammensetzung
von fehlenden und zusätzlichen Pulsen auffassen.
Für die Korrektur werden die Regeln der Artefaktkorrektur bei EKG-Signalen nach MULDER
[Mu88, Pi02] zu Grunde gelegt. Ist ein RR-Intervall RR
T größer als zweimal der Mittelwert
der beiden Vorgänger, so spricht man von einem „Loch“. Ist RR
T kleiner als 270 ms – das
entspricht einer Herzfrequenz von über 220 Schlägen pro Minute – oder kleiner als 0,8-mal
dem Mittelwert der beiden Vorgänger, so handelt es sich um ein „verkürztes“ Intervall. Der
Puls nach einem solchen verkürzten Intervall wird unter bestimmten weiteren Voraus-
setzungen, die hier nicht weiter erläutert werden sollen, entfernt. In die „Löcher“ werden neue
Pulse mit einem zeitlichen Abstand zum letzten korrekten Puls eingefügt, der dem Mittelwert
der beiden Vorgängerintervalllängen entspricht. Es wird dem Brustgurtsignal allerdings nur
dann ein Puls hinzugefügt, wenn in den folgenden 0,3 Sekunden eine steigende Flanke im
Ohrpulssignal aufzufinden ist. Das Einfügen von Pulsen ist zwar fehlerbehaftet, da die Posi-
tion des neuen Pulses nur geschätzt werden kann, aber im Normalfall ist eine Korrektur auch
nur äußerst selten erforderlich. Außerdem wirkt sich dieser Fehler nur in sehr geringem Maße
aus, da sowohl die berechnete Herzfrequenz als auch die Pulstransitzeit gleitend gemittelt
werden. Sollten zu viele Fehlstellen auftreten, muss überlegt werden, die Messung ganz von
der Auswertung auszuschließen.
Rhythmusstörung Fehlender Puls Mehrfachpuls
98
Aus der Herzfrequenz kann direkt die Herzratenvariabilität berechnet werden, die die Unre-
gelmäßigkeit des Herzschlages quantifiziert. Dazu werden in der Literatur mehrere Ansätze
beschrieben, die sich alle der Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden R-Zacken
bedienen (RR-Intervall). Als Variabilitätsmaße dienen dann die Differenz benachbarter RR-
Intervalle, die Standardabweichung der RR-Intervalle, die quadratische Abweichung der
Differenz benachbarter RR-Intervalle oder die Kurzzeitvarianz der RR-Intervalle [Op09].
Letzteres ist das gängigste Maß und soll auch hier verwendet werden. Für die Berechnung
wird über ein gleitendes Zeitfenster der Länge 20 Sekunden jeweils die Varianz, mit der
Einheit Quadratsekunde, nach folgender Vorschrift ermittelt:
()
2
1
1N
i
i
HRV RR RR
N=
=⋅ −
∑ Gl. 4-31
Wie bei der Bestimmung der Herzfrequenz wird auch für die Herzratenvariabilität mit jedem
Herzschlag ein neuer Wert ermittelt, so dass eine hohe zeitliche Auflösung erreicht wird.
4.8.3.2 Pulstransitzeit und Pulswellenamplitude
Für die Bestimmung der Pulstransitzeit muss die Zeit vom Auftreten eines Brustgurtpulses bis
zum folgenden Anstieg des Ohrpulssignals gemessen werden. Während die Lokalisation des
Pulses eindeutig möglich ist, stellt die Ermittlung eines charakteristischen Punktes im Puls-
signalverlauf ein nicht triviales Problem dar. Dieser Punkt muss möglichst für jede Herzaktion
eindeutig in der Pulswelle auffindbar sein. Es gibt dazu verschiedene Ansätze, mit denen
jedoch jeweils unterschiedliche Laufzeiten ermittelt werden. Dies ist allerdings unerheblich,
da für die Blutdruckbestimmung nur die Änderung der Laufzeit von Bedeutung ist. Es soll
daher eine Methode ausgewählt werden, die robust auf Störungen in der Pulswelle reagiert
und die ein Maß für die Pulstransitzeit findet, das nur geringen fehlerbedingten Schwankun-
gen unterlegen ist.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
99
Abb. 4.36: Verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Pulstransitzeit (TR_P). Rot: Brustgurtsignal, blau:
Ohrpulssignal
Den hier dargestellten Verfahren ist gemein, dass sie bei typischer Form der Pulswelle ver-
gleichbar gute Ergebnisse liefern. Bei leichten Störungen des Signalverlaufes durch Bewe-
a) Übersicht d) Minimum
b) Sekante 20-80 e) 20%-Punkt
c) Tangente im Punkt größter Steigung f) 50%-Punkt
100
gungen oder eine physische Belastungssituation treten jedoch Unterschiede hervor. Das Bei-
spiel aus Abbildung 4.36a zeigt den Verlauf eines Pulssignals mit einer erheblichen Abnormi-
tät, wie sie nur selten auftritt, aber zur Verdeutlichung der Schwächen einiger Verfahren gut
geeignet ist. Die Abbildungen 4.36b-f zeigen den markierten Signalausschnitt vergrößert mit
den jeweils ermittelten Pulstransitzeiten.
Die Verwendung des Minimums der Pulskurve (Abbildung 4.36d) hat oft eine große Streuung
der Laufzeiten zur Folge. Kleinere Schwankungen im Signalverlauf lassen das Minimum im
Vergleich zur steigenden Flanke der Pulswelle von Periode zu Periode an unterschiedlichen
Stellen auftreten. Selbst wenn die Schwankungen durch Mittelung eliminiert werden können,
sorgen unterschiedliche Übergänge von der fallenden auf die steigende Signalflanke für wech-
selnde Ergebnisse bei der Pulstransitzeitberechnung. Letzteres gilt ebenfalls, wenn auch abge-
schwächt, für die Nutzung des Punktes, bei dem 20 Prozent des Signalhubes erreicht werden
(Abbildung 4.36e) [Ca95]. Ebenso ist das „Sekanten“-Verfahren (Abbildung 4.36b) [Ba98]
von Unregelmäßigkeiten an Anfang und Ende des Anstieges betroffen. Positionsschwankun-
gen der Stützstellen können dabei durch die Übertragung auf die Abszisse noch verstärkt
werden. Ein häufig beschriebenes Verfahren ist die Verwendung der Tangente im Punkt der
größten Steigung (Abbildung 4.36c) [El01, Lu02b] und die Berechnung des Schnittpunktes
mit der Abszisse. Allerdings gilt auch hier, dass sich kleinste Schwankungen der Flankenstei-
gung zu einer deutlichen Streuung der ermittelten Pulstransitzeiten verstärken. Die besten
Ergebnisse, d. h. die geringsten Streuungen in der Laufzeit, erreicht man bei der Verwendung
des Punktes, bei dem 50 Prozent des Signalhubes erreicht werden (Abbildung 4.36f) [Go99,
La04]. Die Einflüsse von Unregelmäßigkeiten an Flankenbeginn und –ende wirken sich hier
kaum aus. Daher soll dieses Verfahren für die folgenden Untersuchungen verwendet werden.
Zur Bestimmung der Pulstransitzeit wird für jeden Herzzyklus ein Intervall festgelegt, das
vom zugehörigen Brustgurtpuls bis zum folgenden Puls andauert. Innerhalb dieses Zeitfens-
ters werden Maximum und Minimum des Pulssignals gesucht, die auch gleichzeitig zur Be-
stimmung des Modellansatzes für den diastolischen Druck dienen. Für die steigende Flanke
wird mittels linearer Interpolation der Zeitpunkt berechnet, zu dem 50 Prozent des Signalhu-
bes erreicht werden. Die Pulstransitzeit ergibt sich dann als Differenz zwischen diesem be-
rechneten Wert und dem Anstieg des Brustgurtpulses.
4.8.4 Datenerfassung und –auswertung mit MatLab
Die Auswertung der physiologischen Daten, also die Berechnung der Herzfrequenz, der Herz-
ratenvariabilität, der Pulstransitzeit und der Pulswellenamplitude aus den Sensorsignalen und
die Bestimmung und Anwendung der Blutdruckmodelle wird mit dem Software-Paket Mat-
Lab realisiert. Das verwendete Programm besteht aus verschiedenen Modulen, die spezielle
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
101
Aufgaben realisieren und teilweise mit graphischen Oberflächen ausgestattet sind. Vom
Hauptmenü aus kann man neue Messdaten erfassen, vorhandene Daten auswerten und externe
Daten von anderen Geräten einbinden, um diese zu synchronisieren und in die Darstellungs-
oberfläche zu integrieren. Nach der Messdatenerfassung erfolgt die Auswertung in mehreren
Schritten. Zuerst werden aus den Rohdaten die Herzfrequenz, die Herzratenvariabilität und
die Pulstransitzeit berechnet und angezeigt. An dieser Stelle können auch Korrekturen an der
automatischen Auswertung vorgenommen werden. Anschließend besteht die Möglichkeit,
manschettenbasiert erfasste Blutdruckmesswerte einzugeben und ein Blutdruckmodell zu
generieren. Alternativ können vorhandene Modellkoeffizienten eingetragen und dieses Modell
auf die Daten angewendet werden. Die berechneten Verläufe für den systolischen und den
diastolischen Druck werden anschließend angezeigt. Stehen externe Daten, z. B. des in den
folgenden Versuchen verwendeten Hautleitwertmessgeräts zur Verfügung, so können diese
ebenfalls in die graphische Ausgabe integriert werden. Die Daten können dabei beliebig
ausgewählt und in der Reihenfolge flexibel angezeigt werden. Eine grafische Darstellung der
Programmstruktur zur Datenerfassung und –auswertung befindet sich im Anhang A.5.
4.8.5 Klassifikation mit Neuronalem Netz und Beanspruchungsindex
Zur Ermittlung des aktuellen Fahrerzustandes wird eine Kenngröße benötigt, die Beanspru-
chungen quantitativ darstellen kann und erkennen lässt, welche speziellen Situationen und
Umstände den Fahrer beeinflussen und zu einer Veränderung des Beanspruchungsniveaus
führen. Da diese nicht direkt und objektiv erfasst werden kann, werden stattdessen Messgrö-
ßen registriert, die Informationen über die von der Fahraufgabe ausgehende Belastung bein-
halten, Abbildung 4.37.
Abb. 4.37: Schematische Darstellung des Messverfahrens.
Wie in Kapitel 3 gezeigt, können verschiedene physiologische Parameter als Indikatoren für
unterschiedliche Aspekte wie Beanspruchung, Aktivität usw. dienen. Allerdings liefern die
einzelnen Parameter oft kein einheitliches Ergebnis. Der Beanspruchungszustand einer Person
kann nur unter Berücksichtigung mehrerer physiologischer Indikatoren umfassend bestimmt
werden. Um aus einer Vielzahl von Eingangsdaten eine einzelne nicht direkt messbare Ziel-
größe zu ermitteln, werden Verfahren der Mustererkennung und Klassifikation eingesetzt.
102
Die normierte Zielgröße, der berechnete Beanspruchungsindex des Probanden, wird mit Hilfe
eines Neuronalen-Netz-Klassifikators gewonnen, der individuell trainiert werden muss. Vor-
teil Neuronaler Netze ist das gute Adaptationsvermögen an neue Randbedingungen.
Eine Übersicht über verschiedene Klassifikationsverfahren und eine Beschreibung der Eigen-
schaften Neuronaler Netze geben BARSCHDORFF ET AL. [Ba90].
4.8.5.1 Künstliche Neuronale Netze
Bei einem Neuronalen Netz handelt es sich um einen mathematischen Algorithmus, der Aus-
gangsgrößen aufgrund von verschiedenen am Eingang angelegten Merkmalen erzeugt. Sie
werden häufig zur Klassifikation der Eingangsdaten verwendet.
Die Netze können unterschiedlich aufgebaut sein, bestehen aber meist aus mehreren mitein-
ander verbundenen Schichten von Recheneinheiten, die als Neuronen bezeichnet werden.
Beim hier verwendeten Multilayer-Perceptron-Netz werden die an den Eingängen anliegen-
den Größen zunächst mit Gewichtungsfaktoren multipliziert und danach zum Aktivitätswert
des jeweiligen Neurons aufsummiert. Der Ausgangswert ergibt sich dann aus dem Aktivitäts-
niveau und einer Aktivierungsfunktion, die dem Neuron zugeordnet ist. Die Informationsver-
arbeitung erfolgt im Netz vorwärts von der Eingangsschicht über eine oder mehrere
Zwischenschichten zur Ausgangsschicht.
Abb. 4.38: Links: Struktur eines Neuronalen Netzes. Rechts: Aufbau eines Neurons [Pe99]
Beim Einsatz des Netzes für Klassifikationsaufgaben werden zu bewertende Mustervektoren
am Eingang angelegt und das Klassifikationsergebnis am Ausgang abgelesen. Damit dies
funktioniert, muss das Netz trainiert werden. Während dieses Trainings werden für jede Mus-
terklasse möglichst viele typische Eingangsvektoren und die zugehörigen Ergebnisvektoren
am Ausgang angelegt. Beim Backpropagation-Verfahren, einem Standardlernalgorithmus,
werden die Gewichtungsfaktoren in mehreren Schritten so angepasst, dass der Fehler zwi-
schen Ausgangsvektor des Netzes und erwartetem Ergebnisvektor minimiert wird.
Kontinuierliche Blutdruckerfassung als Methode der Beanspruchungsmessung
103
4.8.5.2 Ermittlung des Beanspruchungszustandes
Eingangsmuster für das verwendete Multilayer-Perceptron-Netz sind die berechneten Kenn-
werte der erhobenen physiologischen Parameter, die zur Bestimmung des Beanspru-
chungsniveaus des Probanden dienen. Wichtig ist dabei, dass ausschließlich nicht korrelierte
Maße eingesetzt werden. Für die Auswertung wurden die Amplituden der Parameter Herzra-
tenvariabilität und systolischer Blutdruck sowie die Anzahl der Hautleitwertreaktionen pro
Minute ausgewählt, da diese die besten Indikatoreigenschaften aufweisen und linear unabhän-
gig voneinander sind.
Abb. 4.39: Verwendetes Multilayer-Perceptron-Netzwerk mit Eingangs- und Ausgangsgrößen
Die Berechnung des systolischen Blutdrucks und der Herzratenvariabilität erfolgt nach den
bereits beschriebenen Verfahren mit hoher zeitlicher Auflösung, da für jeden Herzschlag ein
neuer Wert ermittelt wird.
Zur Bestimmung der Anzahl der Hautleitwertreaktionen pro Minute wird ein gleitendes Fens-
ter der Länge 60 Sekunden über den Signalverlauf der elektrodermalen Aktivität gelegt. Wei-
terhin wird ein Kriterium benötigt, mit dem man entscheiden kann, ob eine Reaktion vorliegt
oder nicht. Dabei wird nicht zwischen Spontanreaktionen und reizbedingten Reaktionen
unterschieden. Ist die Amplitude eines kurzzeitigen Signalanstieges größer als 1 Prozent des
aktuellen Hautleitwertniveaus, so wird der Anstieg als Reaktion gezählt [Scha81]. Die Anzahl
der Spontanfluktuationen unterliegt großen interindividuellen Schwankungen. Häufig werden
6-8 Reaktionen pro Minute als Ruhewert und 15-20 Reaktionen pro Minute bei Aktiviertheit
angegeben. Die Anzahl reizbedingter Reaktionen variiert mit den Versuchsbedingungen. Die
Anstiegszeit einer Reaktion liegt nach SCHANDRY zwischen 0,5 und 2,5 Sekunden (vgl. Ab-
bildung 3.2).
Die Parameterwerte werden jeweils über zehn Sekunden gemittelt und das Fenster für die
Bestimmung der Hautleitwertreaktionen um zehn Sekunden verschoben, so dass sechsmal pro
Minute ein neuer Beanspruchungsindex vorliegt.
Als Lernstichprobe werden die Daten der im Folgenden vorgestellten Untersuchung am Wie-
ner Testsystem verwendet (siehe Anhang A.6). Dabei wird sukzessive der Datensatz von
jeweils der Versuchsperson ausgeschlossen, deren Daten ausgewertet werden sollen. Für die
weiteren Untersuchungen im Fahrzeug werden alle Datensätze der Versuchsreihe am Wiener
Testsystem eingesetzt.
Multilayer-
Perceptron-
Netzwerk
Herzratenvariabilität
Syst. Blutdruck
Hautleitwertreaktionen
Beanspruchungsindex
104
Vor der Verwendung als Eingangsmuster, werden die Datenwerte normiert. Die Ausgangs-
größe wird ebenfalls normiert angegeben, als wertekontinuierliche Darstellung und als
3-wertige Ausgabe mit den Abstufungen geringe Beanspruchung (< 0,3), mittlere Beanspru-
chung (0,3 – 0,7) und hohe Beanspruchung (> 0,7). Ein Beispiel ist in Abbildung 4.40 darge-
stellt.
Abb. 4.40: Berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung).
Zum Training der Stufe geringe Beanspruchung werden die ermittelten Parameter aus der
Ruhephase zu Beginn der Untersuchung verwendet. Für die Stufe hohe Beanspruchung wer-
den die Messdaten während des Determinationstests herangezogen, siehe Anhang A.6.
Für die Normierung der Eingangsdatensätze werden die Ruhewerte der einzelnen Versuchs-
personen sowie die maximale Änderung des jeweiligen Parameters über alle Versuchsperso-
nen verwendet. Auf diese Weise wird die Änderung des Parameters gegenüber dem Ruhewert
normiert und auf die größte in der Untersuchung auftretende Abweichung vom Ruhewert
bezogen. Eine individuelle Normierung hingegen setzt voraus, dass der Determinationstest
immer als beanspruchend wahrgenommen wird. Die Verwendung eines festen Wertebereiches
kann dazu führen, dass Personen mit hohen Parameterwerten fälschlicherweise als bean-
sprucht eingestuft werden.
Beanspruchungsinduktion
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
105
5 Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungs-
erfassung
Wie bereits in den vorangehenden Kapiteln dargestellt, besteht der Bedarf, den augenblickli-
chen physiologischen und mentalen Zustand eines Fahrers zu überwachen. Dafür steht eine
Vielzahl von empirischen Forschungsmethoden zur Verfügung, die in Kapitel 3 vorgestellt
wurden. Eine bislang wenig untersuchte physiologische Methode ist die Messung des Blut-
drucks. Die Entwicklung eines kontinuierlich nicht-invasiv arbeitenden Verfahrens (vgl.
Kapitel 4) ermöglicht nun erstmals, auch den Blutdruck als sensitiven Beanspru-
chungsindikator zu verwenden. Das Ziel der folgenden Studien ist, dieses System auf seine
Einsetzbarkeit bei Untersuchungen zur Beanspruchungsmessung, insbesondere im Kraftfahr-
zeug, zu überprüfen. Die mit diesem Messverfahren erhobenen Daten werden dazu auch mit
Ergebnissen etablierter Methoden verglichen.
In einer ersten Studie wurde die generelle Eignung der Methode der kontinuierlichen Blut-
druckmessung zur Erfassung von Beanspruchung mit Hilfe des Wiener Testsystems unter-
sucht und ein Beanspruchungsindex abgeleitet. Darauf aufbauend wurde das Messverfahren in
einer zweiten Untersuchung speziell zur Erfassung der Fahrerbeanspruchung in einer Simula-
torstudie eingesetzt. Da sich das Verfahren als geeignet zur sensitiven Indikation von Bean-
spruchungsreaktionen erwiesen hat, wurden verschiedene Anwendungsszenarien betrachtet.
Dazu gehören Studien zur Beanspruchungserfassung beim Fahren in unterschiedlichen Ver-
kehrssituationen und unter Einfluss verschiedener Scheinwerferlichtverteilungen. Weiter
wurde eine Untersuchung durchgeführt, die das Thema Müdigkeit am Steuer betrachtet.
5.1 Forschungsmethoden und -instrumente
In den folgenden Studien wurden physiologische Messungen und Selbstreport als Methoden-
kategorien gewählt, um sowohl objektiv messbare als auch die subjektiv empfundene Bean-
spruchung erfassen zu können.
Zur Erfassung der subjektiven Beanspruchung wurden drei Instrumente ausgewählt: der
NASA-TLX, die Anstrengungsskala, eine Variante der RSME und der KAB. Auf diese Weise
ist es möglich, die Korrelation der objektiven mit den subjektiven Daten zu untersuchen.
Da ein direktes Messen objektiver Beanspruchung nicht möglich ist, wurden die folgenden
physiologischen Parameter als Indikatoren für Beanspruchung herangezogen: der Blutdruck,
die Herzfrequenz bzw. die Herzratenvariabilität und der Hautleitwert.
106
Das neu entwickelte System zur kontinuierlichen, nicht-invasiven Blutdruckmessung wurde
erstmalig in den hier beschriebenen Untersuchungen an einer größeren Probandenstichprobe
getestet. Die Ergebnisse wurden mit den etablierten Parametern Herzfrequenz – die über den
Brustgurt des Blutdruckmesssystems erfasst wurde – und Hautleitwert verglichen, da Vorstu-
dien gezeigt haben, dass sie für die Messung der Beanspruchung beim Fahren als geeignet
angesehen werden können.
Der Hautleitwert wurde mit Hilfe des Biosignalerfassungsgerätes PAR-PORT/F der PAR
Medizintechnik GmbH erfasst. Dazu werden an der Hautoberfläche zwei mit leitfähigem
Elektrodengel gefüllte Silber/Silberchlorid-Napfelektroden aufgeklebt. Auf diese Weise wer-
den gleichbleibende Kontaktflächen und ein guter elektrischer Kontakt zwischen Hautoberflä-
che und Elektrodenfläche gewährleistet. Hinsichtlich der Ableitungsorte gibt es keine
allgemein anerkannte Standardisierung, jedoch zeigen sich die Hand- bzw. Fingerinnenflä-
chen als besonders geeignet [Bo92]. In der vorliegenden Untersuchung wurden die Elektroden
am mittleren Glied von Zeige- und Mittelfinger angebracht und durch das Umwickeln mit
Pflasterband gegen Verrutschen oder Abreißen gesichert, was sich in Voruntersuchungen
bewährt hat. Vor dem Anbringen der Elektroden wurden die betroffenen Hautstellen mit
alkoholhaltigem Desinfektionsmittel behandelt. Das Messgerät liefert sowohl das Hautleit-
wertniveau (SCL) als auch die Hautleitwertreaktionen (SCR).
Probandenauswahl
Bei vielen wissenschaftlichen Untersuchungen unterliegt die Auswahl der Probanden nur
wenigen Beschränkungen. Häufig spielen Gründe der Verfügbarkeit eine große Rolle bei der
Entscheidung für bestimmte Versuchsteilnehmer, so dass der Versuchsablauf und die zeitliche
Disposition der Versuchspersonen in Einklang gebracht werden können. Außerdem ergeben
sich möglicherweise aus der Art der zu untersuchenden Fragestellung bestimmte Auswahlkri-
terien. Dies ist auch bei den in dieser Arbeit vorgestellten Studien der Fall, die die Beanspru-
chung beim Fahren eines Kraftfahrzeuges zum Inhalt haben oder darauf vorbereitende
Untersuchungen darstellen. Ziel war es daher, mit der Probandenstichprobe möglichst viele
Eigenschaften von Fahrzeugführern abzudecken und die relevanten Unterscheidungsmerkma-
le von Personengruppen, die einen anzunehmenden Einfluss auf die Fahrerbeanspruchung
darstellen, gezielt zu variieren.
Als wichtigste Parameter wurden das Geschlecht und das Alter identifiziert und bei den Ver-
suchsplanungen einbezogen. Frauen und Männer wurden bei entsprechender Verfügbarkeit je
hälftig rekrutiert, wobei Studie 5 aufgrund der erwarteten Vorkenntnisse männlicher Teilneh-
mer eine Ausnahme bildet. Kein Proband war jünger als 20 Jahre. Die Untergrenze wurde
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
107
deshalb gewählt, damit eine aus geringer Fahrpraxis resultierende Beanspruchung ausge-
schlossen werden konnte. BARTMANN [Ba95, Li06] definiert Fahrer als Experten, wenn sie
seit mindestens zwei Jahren im Besitz eines Führerscheins sind und mindestens 5000 Kilome-
ter im Jahr fahren. Eine Obergrenze für das Alter gab es, wie im Straßenverkehr, nicht. Auf-
grund der Verfügbarkeit wurden aber mehr jüngere Personen ausgewählt. Untersuchungen mit
Fahranfängern müssten gesondert durchgeführt werden und stehen hier nicht im Fokus.
Insbesondere bei Simulatorstudien ist die Teilnahme älterer Personen aufgrund der geringeren
Technik- und Computeraffinität manchmal kritisch. Daher wurden in der Studie 2 eher jünge-
re Personen angesprochen. In der Studie 4 war dies aufgrund der Fragestellung nicht möglich,
führte aber auch zu einer höheren Ausfallrate bei den älteren Teilnehmern. Wichtig war eben-
falls, dass die Probanden weder den Fahrsimulator noch die Fahrstrecke kannten und somit
ein vergleichbares Vorwissen gewährleistet war.
Ein weiteres Kriterium, das gegen eine Teilnahme an den Studien sprach, war die Einnahme
von Medikamenten, die den Blutdruck oder die Herzfrequenz beeinflussen.
Um gezielt Personen auszuwählen, die bestimmte Eigenschaften erfüllen, steht im L-Lab eine
Probandendatenbank zur Verfügung. Die dort registrierten Personen haben sich freiwillig
dazu bereit erklärt, an Studien teilzunehmen und stehen den Fragestellungen somit aufge-
schlossen und interessiert gegenüber. Sie werden im Bedarfsfall telefonisch angefragt und
erhalten bei einer Teilnahme zum Abschluss ein kleines Präsent als Dankeschön.
108
5.2 Studie 1: Laborstudie zur Beanspruchung am Wiener
Testsystem
Gegenstand der ersten Studie war die Validierung der kontinuierlichen Blutdruckmessung als
neuartige und sensitive Forschungsmethode zur Beanspruchungsmessung und der Eignungs-
nachweis des Blutdrucks als zuverlässigem Beanspruchungsindikator. Mit Hilfe des Wiener
Testsystems sollten verschiedene Tests zur Erzeugung und Variation der Beanspruchung des
Probanden durchgeführt werden. Verwendet wurden dazu der Wiener Determinationstest, der
Wiener Reaktionstest und der Test Cognitrone, die jeweils von einer Pause unterbrochen
waren. Während der gesamten Messung wurden die physiologischen Daten Blutdruck, Herz-
frequenz und Hautleitwert aufgezeichnet. Außerdem wurde untersucht, inwieweit die gemes-
senen objektiven Daten mit subjektiven Beanspruchungseinschätzungen der Probanden
übereinstimmen.
Die nachfolgenden Unterkapitel stellen das Untersuchungsdesign und die Ergebnisse der
Studie dar.
5.2.1 Untersuchungsdesign
5.2.1.1 Versuchsinstrumentarium
Das Wiener Testsystem der Firma Dr. G. Schuhfried GmbH [Schu07] ist ein weltweiter Stan-
dard für computergestützte psychologische Diagnostik. Es besteht aus einer Basissoftware
und einer Vielzahl verschiedener Testverfahren mit entsprechenden Eingabemedien. Die
Bedienung ist, auch für Personen, die mit Computern wenig vertraut sind, sehr einfach. Die
Testergebnisse werden zur weiteren Verwendung und Auswertung gespeichert. Die Testab-
läufe bestehen aus einer bildschirmgeführten Instruktionsphase, einer Übungsphase und der
eigentlichen Testphase.
Abb. 5.1: Wiener Testsystem
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
109
Der Wiener Determinationstest (DT) ist ein komplexer Mehrfachreiz-Test, bei dem der Pro-
band mittels Tasten und Fußpedalen auf optische und akustische Signale reagieren muss. So
ist vor allem die Untersuchung des Verhaltens unter hoher psycho-physischer Belastung
möglich. Durch eine entsprechend hohe Signalfrequenz kann jede Person in eine Überforde-
rungssituation gebracht werden, in der sie mit ihren Reaktionsbewegungen nicht mehr sicher
zurechtkommt. Eine Belastung ist dabei gegeben, wenn ein hochmotiviertes Individuum nicht
fähig ist, auf eine Reizkonstellation extremer Art eine angepasste Reaktion zu finden. Der
Begriff Belastbarkeit beschreibt dann die Fähigkeit des Probanden, der Reizwirkung Wider-
stand entgegenzusetzen, d. h. Verhaltensweisen zu einer möglichst guten Bewältigung der
Situation zu aktivieren.
Die Einzelzuordnung von Reiz und Reaktion stellt meist kein nennenswertes Problem dar.
Das Belastende beim Determinationstest liegt vielmehr im fortlaufenden, möglichst anhaltend
schnellen und unterschiedlichen Reagieren auf wechselnde Reize. Demnach hängt die
Schwierigkeit vor allem von der Geschwindigkeit, mit der die Reizdarbietung wechselt, und
der Anzahl der Reize und Reaktionen, zwischen denen gewechselt wird, ab.
Die Darbietung der Farbreize erfolgt auf dem Bildschirm. Hierbei handelt es sich um zehn
optische Reize in den Farben weiß, gelb, rot, grün und blau, die eine obere und eine untere
Reihe bilden. Die diesen fünf Farben zugeordneten Reaktionstasten sind so angeordnet, dass
mit zwei Händen agiert werden kann. Zudem werden zwei weitere Reize (weiße, rechteckige,
optisch abgehobene Felder) links und rechts unten am Bildschirm dargeboten, auf die mit der
Betätigung des entsprechenden Fußpedals zu reagieren ist. Zwei akustische Signale (hoher
bzw. tiefer Ton) sind der grauen und der schwarzen Taste in der Mitte des Eingabegerätes
zugeordnet.
Bei der adaptiven Form wird das Tempo der Reizausgabe von der Arbeitsgeschwindigkeit des
Probanden gesteuert. Die Reizdauer ergibt sich aus dem Mittelwert der letzten acht Reakti-
onszeiten. Wurde bei einem Reiz nicht richtig geantwortet, wird statt der Reaktionszeit die
doppelte Reizdarbietungszeit angenommen. Bei dieser Form der Reizdarbietung bewegt sich
der Proband immer an der Grenze seiner Leistungsfähigkeit. Das Tempo der Reizausgabe
wird laufend so an die Arbeitsgeschwindigkeit des Probanden angepasst, dass etwa 70 Prozent
der Reize richtig beantwortet werden.
Der Test Cognitrone (COG) dient zur Erfassung von Aufmerksamkeit und Konzentration
durch den Vergleich von verschiedenen geometrischen Figuren hinsichtlich ihrer Ähnlichkeit.
Dabei wird Konzentration als ein Zustand angesehen, der durch den anstrengungsbedingten
Energieverbrauch und die Präzision der Aufgabenerfüllung beschrieben wird.
Die Aufgabe des Probanden ist es, bei jedem Durchgang eine angezeigte Testfigur mit vier
darüber angeordneten Figuren zu vergleichen und zu beurteilen, ob die Testfigur mit einer der
vier Figuren identisch ist. In diesem Fall muss mittels Tastendruck reagiert werden. Bei der
Testform mit fester Bearbeitungszeit erfolgt die Bearbeitung unter Zeitdruck. Falls kein Urteil
abgegeben wird, wird automatisch der nächste Reiz präsentiert.
110
Der Wiener Reaktionstest (RT) deckt neben der Reaktionszeitmessung auch die Erfassung von
Aufmerksamkeit bzw. Vigilanz ab. Dazu stehen drei verschiedene Farb- und ein Tonreiz zur
Verfügung, so dass sich unterschiedliche Konstellationen herstellen lassen, die Einzelreize
und Reizkombinationen abdecken. Die Verwendung einer Ruhe- und einer Reaktionstaste
ermöglicht eine Aufspaltung in Reaktions- und Motorische Zeit. Die Reaktionszeitmessung
besteht also darin, dass der Proband einen Finger auf die Ruhetaste legt und – von dort
ausgehend – die Drucktaste betätigt.
Beim verwendeten Test muss die Versuchsperson möglichst schnell auf eine Kombination
zweier Reize (gelb und Ton bzw. gelb und rot) reagieren, bei anderen Reizen darf nicht
reagiert werden. Das Wiedererkennen relevanter Kombinationen erfordert dabei eine einfache
Gedächtnisleistung.
In der vorliegenden Untersuchung wurde der Wiener Determinationstest adaptiv vorgegeben,
wobei die Testphase vier Minuten dauerte (Testform S1, adaptiv kurz). Der Wiener Reakti-
onstest wurde als Wahlreaktionstest dargeboten (Testform S5, Wahlreaktion - Gelb/Rot und
Gelb/Ton). Der Test dauerte etwa 4 Minuten. Für den Test Cognitrone wurde die Testform S4
ausgewählt, wobei die Bearbeitungszeit pro dargestelltem Reiz mit 1,8 Sekunden fest vorge-
geben ist.
Der Vergleich mit anderen verfügbaren Testformen ergab, dass der Determinationstest wahr-
scheinlich der größte Stressor ist. Die beiden anderen Tests wurden jeweils vor und nach dem
Determinationstest durchgeführt, um weitere Beanspruchungsniveaus zu erzeugen und gleich-
zeitig durch Veränderung der Testergebnisse den Einfluss des Determinationstests als Stressor
zu belegen.
5.2.1.2 Stichprobe
Der Stichprobenumfang wurde auf N = 15 festgelegt. Es haben vier Frauen und elf Männer an
der Untersuchung teilgenommen. Alle Probanden waren zwischen 21 und 41 Jahren alt.
5.2.1.3 Durchführung
Zur Überprüfung der Fragestellung wurde folgender Ablauf der Untersuchung konzipiert.
Zunächst wurden mit einem Fragebogen die demographischen Daten der Versuchspersonen
erfasst und der Versuchsablauf erklärt. Außerdem wurde die Frage gestellt, inwieweit die
Probanden Sport treiben, rauchen, Alkohol trinken und Medikamente einnehmen, die den
Blutdruck beeinflussen. Nach Beendigung dieser Befragung wurden den Probanden die
Messgeräte zur Erfassung der physiologischen Parameter angelegt und die Datenaufzeichnung
gestartet.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
111
Der Ablauf am Wiener Testsystem war soweit automatisiert, dass alle Vorgaben in der ge-
planten Reihenfolge in einer so genannten Testbatterie gespeichert wurden. Jeder Versuchs-
durchgang begann mit einer fünfminütigen Ruhephase, in der sich alle physiologischen
Parameter normalisieren sollten. Dabei wurden zwei manschettenbasierte Ruheblutdruckmes-
sungen durchgeführt. Daran schloss sich der eigentliche Versuch an, bei dem die Tests
Cognitrone, Wiener Reaktionstest, Wiener Determinationstest, Wiener Reaktionstest und
Cognitrone in dieser Reihenfolge vorgegeben wurden. Die Wiederholung der beiden ersten
Tests sollte Leistungsunterschiede des Probanden vor und nach der Vorgabe des als beanspru-
chend angenommenen Wiener Determinationstests aufzeigen. Abbildung 5.2 zeigt den Test-
ablauf.
Zeitlicher Ablauf Markierung
Beginn P
Blutdruck-Messung 0
Blutdruck-Messung 0
COG 1 Übung 1
COG 1 Test 2
COG 1 Ende 3
Pause: 2min (KAB 1)
RT 1 Übung 1
RT 1 Test 2
RT 1 Ende 3
Pause: 2min
DT Übung 1
DT Test 2
DT Ende 3
Blutdruck-Messung 0
Pause: 2min (KAB 2)
RT 2 Test 2
RT 2 Ende 3
Pause: 2min
COG 2 Test 2
COG 2 Ende 3
Blutdruck-Messung 0
Ende P
Abb. 5.2: Testablauf (COG = Cognitrone, RT = Reaktionstest, DT = Determinationstest) und zugehörige Mar-
kierungen für die Messdatenauswertung
112
Die Testdurchführungen waren dabei von jeweils zweiminütigen Pausen unterbrochen. Nach
dem ersten Durchlauf des Cognitrone und nach dem Wiener Determinationstest wurde der
Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung vorgegeben. Während des zweiten Durchlaufs
der beiden ersten Tests wurde auf die Präsentation der Instruktions- und Übungsphase ver-
zichtet, da sich im Vorversuch gezeigt hat, dass die Testabläufe noch ausreichend bekannt
waren. Beginn und Ende der Tests wurden zur besseren Zuordnung in den Daten markiert.
Am Ende des Tests wurde die Datenaufzeichnung gestoppt und die Teilnehmer mussten den
Schellong-Stufentest zur Kalibrierung des für die kontinuierliche Blutdruckerfassung verwen-
deten Messgerätes absolvieren.
5.2.2 Ergebnisse
Ziel dieser Untersuchung war zu zeigen, dass der Blutdruck ein zuverlässiger und sensitiver
Beanspruchungsindikator ist. Dazu wurden verschiedene Vergleichsparameter aufgezeichnet
und aus dem Kollektiv physiologischer Indikatoren das in Kapitel 4.8.5 vorgestellte Bean-
spruchungsmaß abgeleitet. Es sollten sich für die verschiedenen Testvorgaben unterschiedlich
hohe Beanspruchungen bzw. unterschiedliche Niveaus der einzelnen Indikatoren finden las-
sen.
Die Abbildungen 5.3, 5.4 und 5.5 zeigen von oben nach unten betrachtet beispielhaft die
zeitlichen Verläufe von Herzratenvariabilität, systolischem Blutdruck und der Anzahl der
Hautleitwertreaktionen. In den jeweils unteren Zeilen ist die normierte Zielgröße, das berech-
nete Beanspruchungsniveau des Probanden, als wertekontinuierliche Darstellung und als
vereinfachte 3-stufige Ausgabe zu sehen. Dieses wurde mit Hilfe eines Neuronalen Netzklas-
sifikators gewonnen, der individuell trainiert8 wurde. Vorteil Neuronaler Netze ist das gute
Adaptationsvermögen an neue Randbedingungen. Eingangsmuster für das verwendete Multi-
layer-Perceptron-Netz sind die über zehn Sekunden gemittelten Amplituden der dargestellten
physiologischen Parameter und die Anzahl der Hautleitwertreaktionen.
Die nummerierten Markierungen in den folgenden Abbildungen beziehen sich auf die Anga-
ben in Abbildung 5.2 und beschreiben die Zeitpunkte der oszillometrischen Blutdruckmes-
sungen (0), den Beginn der Übungsphasen (1), den Beginn der Testphasen (2) und das Ende
der Testphasen (3).
8 Die Beschreibung des Trainings findet sich in Kap. 4.8.5.2. Trainingsdaten: siehe Anhang A.6.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
113
Abb. 5.3: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP2): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung)
Es ist zu erkennen, dass vor allem der apriori als beanspruchend angenommene DT in allen
drei Beispielen als deutlich belastend identifiziert wurde, wobei die Beanspruchung innerhalb
der Testvorgabe variiert. In den Abbildungen 5.3 und 5.4 ist ebenfalls der Beginn der Test-
phase des COG 1 als belastend klassifiziert worden.
Der RT 1 erzeugt nur ein geringes bis mittleres Beanspruchungsniveau. Die Wiederholung der
beiden ersten Tests wirkt sich aufgrund des Vorwissens über den Ablauf in allen Fällen kaum
noch belastend aus.
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
114
Abb. 5.4: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP8): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung)
In den Abbildungen 5.4 und 5.5 treten auch wiederholt zwischendurch mittlere Beanspru-
chungswerte auf, die meist mit Beginn oder Ende einer Testphase korreliert sind. Hier muss
sich der Proband erst in das Testgeschehen einarbeiten bzw. am Ende mehr Anstrengung
aufwenden um das Leistungsniveau bis zum Schluss durchzuhalten.
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
115
Abb. 5.5: Untersuchung am Wiener Testsystem (VP15): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl
der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe
Beanspruchung)
Die Verknüpfung der Information mehrerer Indikatoren zu einer Kenngröße für den aktuellen
Beanspruchungszustand einer Person liefert also zuverlässige Ergebnisse. Voraussetzung
hierfür ist allerdings, dass die verwendeten Messgrößen selbst sensitiv auf Beanspruchungs-
änderungen reagieren. Die Abbildungen zeigen erwartungsgemäß während der als belastend
identifizierten Abschnitte deutliche Anstiege des systolischen Blutdrucks bei gleichzeitiger
Abnahme der Herzratenvariabilität. Für den Hautleitwert zeigt sich eine Zunahme der Anzahl
der Leitwertreaktionen vor allem während des Determinationstests.
Nachdem nun die Ergebnisse der Untersuchung anhand von drei Beispielen vorgestellt wur-
den, sollen im Folgenden alle Probanden betrachtet werden.
In Abbildung 5.6 sind die Änderungen der einzelnen aufgezeichneten physiologischen Para-
meter bezogen auf den Ruhewert zu Beginn der Messung für jede Testvorgabe als Mittelwert
über alle Probanden dargestellt.
Man erkennt leicht, dass der Determinationstest außer bei den Hautleitwertreaktionen die
größten Parameteränderungen verursacht. Der Reaktionstest und der Cognitrone unterschei-
den sich nur geringfügig. Es ist aber zu sehen, dass bei der Wiederholung der Testvorgabe die
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
116
Änderung der Parameter jeweils deutlich schwächer ausfällt. Nur der zweite Durchgang des
Reaktionstests hat eine höhere mittlere Herzfrequenz zur Folge.
Dieses Ergebnis korreliert auch mit den Testergebnissen. Beim Cognitrone stieg die Summe
der richtigen Reaktionen vom ersten zum zweiten Testlauf an und die Summe der falschen
Reaktionen und der falschen Nichtreaktionen ging zurück. Beim Reaktionstest verringerte
sich die Reaktionszeit im Mittel von 531 ms auf 494 ms. Die Anzahl falscher Reaktionen
stieg bei konstant bleibenden richtigen Reaktionen geringfügig an. Ein direkter Vergleich
zwischen den Tests ist leider nicht möglich.
Änderung HRV [sec²]
-0,008
-0,007
-0,006
-0,005
-0,004
-0,003
-0,002
-0,001
0
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
Änderung Psys [mmHg]
0
2
4
6
8
10
12
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
Abb. 5.6: Änderung der einzelnen physiologischen
Parameter gegenüber dem Ruhewert bei den unter-
schiedlichen Testvorgaben (COG = Cognitrone, RT =
Reaktionstest, DT = Determinationstest)
Neben den physiologischen Parametern wurde die Beanspruchung auch mit Hilfe des Kurz-
fragebogens zur aktuellen Beanspruchung erhoben. Wie in Abbildung 5.7 zu sehen, wurde
eine sehr leichte Abnahme des Fragenbogen-Scores ermittelt, was eine geringere gefühlte
Beanspruchung der Probanden nach der Durchführung des Determinationstests bedeutet.
Erwartet wurde hier ein höherer Wert. Da es sich aber nur um eine Momentaufnahme handelt
und der Fragebogen nach Abschluss des Determinationstests vorgegeben wurde, wird davon
ausgegangen, dass sich die Beanspruchung während des Testlaufs nicht im Befragungsergeb-
nis widerspiegelt. Dies spricht für eine kontinuierliche Beanspruchungserfassung mittels
physiologischer Parameter.
Änderung SCR [1/min]
0
5
10
15
20
25
COG 1 RT 1 DT RT 2 COG 2
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
117
KAB-Score
3,57
3,58
3,59
3,60
3,61
3,62
3,63
KAB 1 KAB 2
Abb. 5.7: Fragebogen-Score des KAB vor und nach dem Determinationstest
118
5.3 Studie 2: Simulatorstudie zur Beanspruchungserhebung
Inhalt der zweiten Studie war die Validierung der kontinuierlichen Blutdruckmessung als
neuartige Methode zur Beanspruchungsmessung im Kfz. Dazu wurde in einer Untersuchung
im Fahrsimulator die generelle Einsetzbarkeit dieser Forschungsmethode im Straßenverkehr
überprüft. Außerdem sollte ermittelt werden, inwieweit die gemessenen objektiven Daten mit
subjektiven Beanspruchungseinschätzungen der Probanden übereinstimmen. In den folgenden
Unterkapiteln werden das Untersuchungsdesign und die Ergebnisse der Studie vorgestellt.
5.3.1 Untersuchungsdesign
5.3.1.1 Versuchsinstrumentarium
Für diese Studie wurde ein Fahrsimulator verwendet, da eine standardisierte Versuchsdurch-
führung mit guter Kontrolle der Umgebungsparameter von großer Bedeutung ist. Dies ist im
Feld nicht oder nur schwer umsetzbar.
Der Simulator Lightdriver des L-Lab ermöglicht die Echtzeitsimulation verschiedener Fahr-
strecken, die mittels Projektoren auf drei Leinwände projiziert werden. Bei dem hier verwen-
deten Kurs handelt es sich um eine digitalisierte reale Teststrecke mit verschiedenen
Straßenbreiten, Kurven und Abzweigungen sowie Verkehrsschildern, Gebäuden und Vegeta-
tion in der Fahrbahnumgebung. Für einen möglichst realitätsgetreuen Fahreindruck wird zur
Steuerung ein modifiziertes reales Fahrzeug der Marke Smart verwendet, siehe Abbil-
dung 5.8. Damit können die Fahrer mit dem System in Form von Beschleunigungs- und
Bremsvorgängen sowie Lenkbewegungen interagieren.
Abb. 5.8: Links: Aufbau des Fahrsimulators Lightdriver. Rechts: Fahrt unter Nachtbedingungen
Der Lightdriver bietet einen großen Vorteil gegenüber anderen Fahrsimulatoren: Fahrten bei
Dunkelheit werden physikalisch korrekt und realitätsnah simuliert. Bei der Firma Hella KGaA
Hueck & Co. wurde eine Software entwickelt, mit der Lichtverteilungen unterschiedlicher
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
119
Scheinwerfer berechnet und visualisiert werden können, um so die Ausleuchtung des Ver-
kehrsraums zu realisieren. Fahrten bei Tageslicht sind ebenfalls möglich.
5.3.1.2 Stichprobe
Der Stichprobenumfang wurde auf N = 24 festgelegt, wobei je 12 Frauen und Männer ausge-
wählt wurden. Um diese Stichprobengröße zu erreichen, mussten insgesamt 34 Personen an
der Studie teilnehmen, da 10 Personen die Studie nicht bis zum Ende durchführen konnten,
weil bei ihnen während der Fahrt die Simulatorübelkeit auftrat. Alle Probanden waren zwi-
schen 23 und 35 Jahren alt.
5.3.1.3 Durchführung
Zuerst wurden mittels Fragebogen die demographischen Daten und die Fahrerfahrung der
Versuchspersonen sowie die Einnahme blutdruckbeeinflussender Medikamente erfasst. An-
schließend wurden den Probanden die Messgeräte zur Erfassung der physiologischen Parame-
ter angelegt.
Abb. 5.9: Ablauf der Untersuchung
120
Nach einer Eingewöhnungsfahrt zum Kennenlernen des Simulators fand eine fünfminütige
Ruhephase statt, um nach der Übungsphase wieder ein Ruheniveau der physiologischen Pa-
rameter zu erreichen. Der Blutdruck wurde während dieser Zeit durch drei oszillometrische
Messungen überprüft.
Bei der ersten von zwei Versuchsfahrten umrundeten alle Versuchspersonen die ca. 10 km
lange Teststrecke einmal. Um eine möglichst hohe Standardisierung der Fahrgeschwindigkeit
zu gewährleisten, wurde ein Fahrzeug in die Szenerie eingefügt, dem die Versuchspersonen
folgen sollten, siehe Abbildung 5.10.
Abb. 5.10: Links: Simulatorfahrt mit vorausfahrendem Fahrzeug (oben) und Stressor S2 (unten). Rechts: Ver-
suchsstrecke Rüthen-Szenerie mit Streckenpunkten
Durch dieses Fahrzeug konnte während der Versuchsfahrt auch auf zusätzliche Anweisungen
bezüglich der Fahrtrichtung verzichtet werden, um eine Störung der Versuchspersonen zu
vermeiden. In einer vorbereitenden Studie [Il05] waren verschiedene Abschnitte der Fahrstre-
cke als beanspruchend definiert worden. Da untersucht werden sollte, ob diese beanspruchen-
den Situationen mit Hilfe der kontinuierlichen Blutdruckmessung erkannt werden können,
wurden die folgenden Streckenabschnitte in den physiologischen Messdaten markiert:
1 Start/Ende der Rundstrecke
2 Kurve 1
3 Abbiegevorgang 1
4 Kurve 2
5 Kurve 3
6 Abbiegevorgang 2
7 Abbiegevorgang 3
S3
S1
S2
2
1
3
4
5
6
7
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
121
Als besonders fahrerbeanspruchend wurden die Markierungen 3 (Abbiegevorgang 1), 4 (Kur-
ve 2) und 6 (Abbiegevorgang 2) eingestuft und für die statistische Auswertung herangezogen.
Nach der ersten Versuchsfahrt mussten die Probanden anhalten und ihre subjektive Beanspru-
chung mit Hilfe des NASA-TLX und der Anstrengungsskala einschätzen. Dabei muss beach-
tet werden, dass mit diesen Fragebögen ausschließlich das Beanspruchungsempfinden für die
gesamte Versuchsfahrt erfasst wird. Eine detaillierte Einschätzung der Beanspruchung im
Hinblick auf die oben aufgeführten Streckenabschnitte ist daher nicht möglich.
Um einen Vergleich der subjektiv empfundenen Beanspruchung mit den erhobenen physiolo-
gischen Daten zu ermöglichen, wurde eine zweite Versuchsfahrt durchgeführt. Die Stichprobe
wurde hierzu in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe fuhr die gleiche Strecke noch
einmal. Bei der zweiten Gruppe wurden zusätzliche Stressoren in die Versuchsfahrt einge-
baut, siehe Abbildung 5.10, die eine Erhöhung der Beanspruchung bewirken sollten. Als
Stressoren wurden folgende Ereignisse ausgewählt:
Stressor 1 (S1): Das vorausfahrende Fahrzeug bremst plötzlich ab.
Stressor 2 (S2): Es steht ein Fahrzeug quer auf der eigenen Fahrspur.
Stressor 3 (S3): Das vorausfahrende Fahrzeug erhöht die Geschwindigkeit.
Im letzten Schritt der Untersuchung wurde mit dem Schellong-Stufentest [Ro03, Sche54] die
Kalibrierung des zur kontinuierlichen Blutdruckerfassung verwendeten Messgerätes durchge-
führt. Die Gesamtdauer betrug pro Versuchsperson ungefähr 90 Minuten.
5.3.2 Ergebnisse
Die Auswertung der physiologischen Messdaten erfolgt zunächst deskriptiv und anschließend
inferenzstatistisch.
Deskriptive Analyse der Messdaten:
Abbildung 5.11 zeigt exemplarisch die Verlaufskurve des Blutdrucks eines Probanden wäh-
rend der ersten Versuchsfahrt. In der Grafik sind zusätzlich die Markierungen der oben ge-
nannten und als beanspruchend definierten Streckenabschnitte eingetragen (Ziffern 1 bis 7).
Es ist zu erkennen, dass die meisten Blutdruckanstiege mit den beanspruchenden Situationen
einhergehen.
122
Abb. 5.11: Verlaufskurve des Blutdrucks einer Versuchsperson (Fahrt 1)
Die übrigen Anstiege des Blutdruckverlaufes können bisher nicht beachteten Streckenab-
schnitten wie kleineren Kurven (*) und Bodenwellen zugeordnet werden und lassen sich
somit plausibel erklären.
Vergleichbare Ergebnisse liefern auch die zusätzlich erfassten Parameter Herzfrequenz und
Hautleitwertniveau. Die beanspruchenden Streckenabschnitte lassen sich auch hier in den
Verlaufskurven wiederfinden, wie die Abbildungen 5.12 und 5.13 zeigen.
Abb. 5.12: Verlaufskurve der Herzfrequenz einer Versuchsperson (Fahrt 1)
Bei genauerer Betrachtung ist auffällig, dass die Zunahme des Hautleitwertniveaus bei Beginn
der markierten Situationen in einem kleineren Zeitfenster erfolgt, als dies bei Blutdruck und
Herzfrequenz der Fall ist. Dies bestätigt die Aussage von HELANDER [He78], dass der Haut-
leitwert eine höhere Dynamik aufweist und daher zur Erfassung kurzzeitiger Beanspru-
chungsunterschiede gut geeignet ist.
130
132
134
136
138
140
142
144
146
148
240 340 440 540 640 740 840
Zeit [s]
Blutdruck [mmHg]
1
2 3
4
56
7
*
*
**
*
*
60
65
70
75
80
85
90
240 340 440 540 640 740 840
Zeit [s]
Herzfrequenz [1/min]
1
2 3
45
6
7
*
*
**
**
*
(**)
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
123
Abb. 5.13: Verlaufskurve des Hautleitwerts einer Versuchsperson (Fahrt 1)
Für die zweite Versuchsfahrt wurden bei der Hälfte der Versuchspersonen zusätzlich drei
weitere Stressoren (S1 bis S3) integriert, damit sich ein Beanspruchungsunterschied zur ersten
Fahrt ergibt.
Auch bei diesen Stressoren lassen sich entsprechende Anstiege im Blutdruckverlauf finden,
siehe Abbildung 5.14, die auf eine erhöhte Beanspruchung hinweisen. Die Änderungen fallen
dabei für Stressor 1, dem Abbremsen des vorausfahrenden Fahrzeugs, am niedrigsten aus.
Eine Erklärungsmöglichkeit wäre, dass der Bremsvorgang durch eine noch ausreichende
Entfernung zum Vordermann für die Versuchsperson wenig beanspruchend war. Der Abstand
der Fahrzeuge konnte vom Versuchsleiter allerdings nicht kontrolliert werden.
130
132
134
136
138
140
142
144
146
148
1258 1358 1458 1558 1658 1758 1858
Zeit [s]
Blutdruck [mmHg]
1
2
34
5
6
7
*
*
S1
S2
S3
**
**
Abb. 5.14: Verlaufskurve des Blutdrucks einer Versuchsperson (Fahrt 2)
Vergleichbare Ergebnisse liefert, wie bei der ersten Versuchsfahrt, die Erfassung der Herzfre-
quenz und des Hautleitwerts, deren Verläufe in den Abbildungen 5.15 und 5.16 dargestellt
sind.
0
1
2
3
4
5
6
240 340 440 540 640 740 840
Zeit [s]
Hautleitwert [µS]
1
2
3 4
5
6
7
*
**
**
S1
S2
S3
124
60
65
70
75
80
85
90
1258 1358 1458 1558 1658 1758 1858
Zeit [s]
Herzfrequenz [1/min]
1
2
34
5
67
*
*
**
*
S1
S2
S3
*
Abb. 5.15: Verlaufkurve der Herzfrequenz einer Versuchsperson (Fahrt 2)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
1258 1358 1458 1558 1658 1758 1858
Zeit [s]
SCL [μS]
1
2
34
5
6
7
*
S1
S2
S3
**
*
*
Abb. 5.16: Verlaufskurve des Hautleitwerts einer Versuchsperson (Fahrt 2)
Aufgrund der bisherigen Analyse der physiologischen Daten kann gefolgert werden, dass der
Blutdruck ein geeigneter Parameter und das eingesetzte Verfahren der kontinuierlichen Blut-
druckmessung eine geeignete Methode zur Erfassung von Fahrerbeanspruchung ist. Die im
Vorfeld als beanspruchend definierten Verkehrs- bzw. Streckensituationen führen zu einem
Anstieg des Blutdrucks, der ein vergleichbares Verhalten wie die gleichzeitig erfassten Para-
meter Herzfrequenz und Hautleitwert zeigt. Da ein Anstieg der Messwerte fast immer einer
bestimmten Situation zugeordnet werden kann, scheint auch die Erfassung unbekannter, nicht
induzierter Beanspruchungsreaktionen mit Hilfe der Blutdruckmessung problemlos möglich
zu sein.
S1 S2
S3
S1
S2
S3
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
125
Inferenzstatistische Analyse der Messdaten:
Nach der Beschreibung der Untersuchungsergebnisse am Beispiel einer ausgewählten Ver-
suchsfahrt folgt hier die inferenzstatistische Analyse der Daten aller Probanden. Mit dieser
Auswertung wird betrachtet, in wie weit aus den physiologischen Daten auf eine beanspru-
chende Situation geschlossen werden kann, d. h. wie gut das Verfahren der kontinuierlichen
Blutdruckmessung geeignet ist, beanspruchende und nicht-beanspruchende Fahrsituationen zu
unterscheiden.
Für die Auswertung werden den drei als besonders fahrerbeanspruchend definierten Strecken-
abschnitten drei weitere Abschnitte gegenübergestellt, in denen augenscheinlich keine bean-
spruchenden Ereignisse wie z. B. Kurven, Abbiegevorgänge oder Bodenwellen vorliegen.
Mit Hilfe eines t-Tests für abhängige Stichproben wird überprüft, ob sich auf Basis der Daten
der erfassten physiologischen Parameter zwei Gruppen bilden lassen, die sich signifikant
voneinander unterscheiden. Für die Berechnung werden die Mittelwerte der Parameterände-
rungen bei Situationen ohne beanspruchendes Ereignis mit den mittleren Änderungen bei
Situationen mit beanspruchendem Ereignis für jede Person miteinander verglichen.
Aus dem t-Test ergibt sich, dass sich die Werte von Blutdruck, Herzfrequenz und Hautleitwert
in Situationen mit Beanspruchung statistisch hoch signifikant von den jeweiligen Werten in
Situationen ohne Beanspruchung unterscheiden.
0
2
4
6
8
10
12
mit
Beanspruchung
ohne
Beanspruchung
Mittelwert Blutdruck [mmHg]
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
mit
Beanspruchung
ohne
Beanspruchung
Mittelwert Herzfrequenz [1/min]
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
mit
Beanspruchung
ohne
Beanspruchung
Mittelwert Hautleitwert [uS]
Abb. 5.17: Ergebnisse des t-Tests
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass die inferenzstatistische Auswertung der Daten
aller Versuchsfahrten die oben gezeigte deskriptive Analyse bestätigt. Der Parameter Blut-
druck und die zum Vergleich herangezogenen Parameter Herzfrequenz und Hautleitwert
zeigen ein einheitliches Ergebnis und ermöglichen es, beanspruchende von wenig beanspru-
chenden Fahrsituationen zu unterscheiden. Das Verfahren der kontinuierlichen Blutdruckmes-
sung ist somit zur Erfassung von Fahrerbeanspruchung geeignet.
126
Geht es nicht darum, im Vorfeld definierte Beanspruchungssituationen zu detektieren, son-
dern unbekannte Beanspruchungen zu erkennen, benötigt man ein geeignetes Kriterium zur
Differenzierung von beanspruchenden und nicht beanspruchenden Situationen. Dieses Krite-
rium muss eine möglichst große Zahl von Messwerten richtig in die Gruppen beanspruchend
und nicht beanspruchend einordnen. Mit der aus den Versuchsdaten ermittelten Standardab-
weichung gelingt dies sehr gut. Andere Trennwerte, wie beispielsweise von HECK ET AL.
[He84] oder LYMPIUS [Ly00] vorgeschlagen, liefern deutlich schlechtere Ergebnisse. Für die
Einstufung wurde festgelegt, dass alle Parameteränderungen unterhalb des Grenzwertes von
einer Standardabweichung den nicht beanspruchenden Situationen und alle Werte oberhalb
dieser Grenze den beanspruchenden Situationen zugeordnet werden.
Für die Auswertung werden wie zuvor die Daten der drei als besonders beanspruchend und
der drei als nicht beanspruchend definierten Situationen verwendet. Für beide Kategorien
liegen somit bei insgesamt 24 teilnehmenden Probanden jeweils 72 Messwerte vor. Diese
Werte werden mit Hilfe des Diskriminanzkriteriums (sd = 2,8 mmHg) in eine Vierfeldertafel
eingeordnet, siehe Tabelle 5.1.
Tab. 5.1: Klassifikation mittels Blutdruckanstieg – Diskriminanzkriterium: sd = 2,8 mmHg
auf Basis der physiologischen Daten
ermittelte Gruppenzugehörigkeit
a priori festgelegte
Gruppenzugehörigkeit nicht beanspruchend beanspruchend
gesamt
nicht beanspruchend 59 13 72
beanspruchend 4 68 72
Die Vierfeldertafel zeigt, wie viele Messwerte richtig klassifiziert wurden und wie viele Wer-
te falsch positiv (es wurde keine Beanspruchung vorhergesagt, der Blutdruckanstieg war aber
höher als eine Standardabweichung) bzw. falsch negativ (es wurde eine Beanspruchung vor-
hergesagt, der Blutdruckanstieg war aber niedriger als eine Standardabweichung) eingeordnet
werden. Insgesamt zeigt sich, dass 88,2 % aller Messwerte richtig klassifiziert werden konn-
ten.
Auch die Daten der zum Vergleich herangezogenen Parameter Herzfrequenz (sd = 3,8 1/min)
und Hautleitwert (sd = 0,6 μS) werden mit Hilfe des Diskriminanzkriteriums eine Standard-
abweichung in eine Vierfeldertafel einsortiert. Bei der Herzfrequenz werden 84,7 % der
Messwerte richtig klassifiziert, wie Tabelle 5.2 zeigt.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
127
Tab. 5.2: Klassifikation mittels Anstieg der Herzfrequenz – Diskriminanzkriterium: sd = 3,8 1/min
auf Basis der physiologischen Daten
ermittelte Gruppenzugehörigkeit
a priori festgelegte
Gruppenzugehörigkeit nicht beanspruchend beanspruchend
gesamt
nicht beanspruchend 50 22 72
beanspruchend 1 71 72
Beim Hautleitwert werden hingegen nur 72,9 % der Werte richtig zugeordnet, siehe Tabel-
le 5.3. Bei allen drei betrachteten Parametern überwiegen bei den nicht richtig klassifizierten
Messwerten die falsch positiven Fälle.
Tab. 5.3: Klassifikation mittels Anstieg des Hautleitwerts – Diskriminanzkriterium: sd = 0,6 μS
auf Basis der physiologischen Daten
ermittelte Gruppenzugehörigkeit
a priori festgelegte
Gruppenzugehörigkeit nicht beanspruchend beanspruchend
gesamt
nicht beanspruchend 49 23 72
beanspruchend 16 56 72
Insgesamt lässt sich feststellen, dass der Blutdruck ein sehr guter Indikator für beanspruchen-
de Situationen beim Führen eines Kraftfahrzeuges ist. Ein Zusammenhang zwischen den
physiologischen Messdaten und den verwendeten subjektiven Maßen konnte nicht gefunden
werden.
128
5.4 Studie 3: Feldstudie zur Beanspruchung im realen
Straßenverkehr
In dieser Untersuchung mussten die Probanden ein Kraftfahrzeug im realen Straßenverkehr
bewegen. Dabei wurde die Fahrstrecke so gewählt, dass verschiedene Verkehrsbedingungen
mit unterschiedlich hohem Verkehrsaufkommen enthalten waren. Ziel war es, das Beanspru-
chungsniveau für die unterschiedlichen Streckenabschnitte und die enthaltenen Fahrsituatio-
nen unter realen Bedingungen zu ermitteln und zu vergleichen. Gleichzeitig sollte die
Sensitivität der dazu verwendeten physiologischen Parameter herausgestellt werden und die
Eignung der eingesetzten Messtechnik auch für Beanspruchungsmessungen im realen Kraft-
fahrzeug unter Beweis gestellt werden.
Die Untersuchungsbedingungen in einem Feldversuch variieren leider zwischen den einzelnen
Versuchsdurchgängen. Dennoch wurde versucht, bei gleichbleibender Witterung zu fahren
und Umgebungsbeleuchtung sowie Verkehrsdichte weitestgehend konstant zu halten, indem
immer zur gleichen Uhrzeit mit den Fahrten begonnen wurde. Einzelne Ereignisse, wie z. B.
Rot- oder Grünphasen einer Ampelschaltung bei Annäherung des Versuchsfahrzeuges oder
vorausfahrende Fahrzeuge, die plötzlich abbremsen, konnten allerdings nicht kontrolliert
werden. Aufgrund der Vielzahl dieser Situationen waren für jede Versuchsperson ausreichend
viele auswertbare Ereignisse im Fahrtverlauf enthalten.
Zusätzlich wurde ein besonderes Ereignis, das als beanspruchend angenommen wurde, in den
Ablauf eingebaut. Die Probanden erhielten während der Versuchsfahrt die Anweisung, bei der
nächsten Gelegenheit am Straßenrand einzuparken. Sie mussten dazu selber eine ausreichend
große Parklücke finden und das Fahrzeug rückwärts hineinbewegen.
Während der gesamten Untersuchung wurden die physiologischen Parameter zur Beanspru-
chungsbestimmung sowie die aktuelle Fahrgeschwindigkeit erfasst und gespeichert.
Die nachfolgenden Unterkapitel stellen das Untersuchungsdesign und die Ergebnisse der
Studie dar.
5.4.1 Untersuchungsdesign
5.4.1.1 Versuchsinstrumentarium
Für diese Studie stand als Versuchsfahrzeug ein BMW E60 545i zur Verfügung. Es handelt
sich hierbei um einen Wagen mit Automatikschaltung. Dadurch wird das Fahren in einem für
sie fremden Auto für die Probanden deutlich vereinfacht. Die Fahrgeschwindigkeit wurde mit
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
129
Hilfe einer GPS-Maus auf dem im Fahrzeug eingebauten PC aufgezeichnet und mit den phy-
siologischen Daten synchronisiert. Gleichzeitig wurde ein Video der Fahrt aufgenommen, um
die einzelnen Fahrabschnitte im Nachhinein noch mal analysieren zu können. Die Videoka-
mera wurde neben dem Kopf des Fahrers montiert, um dessen Blickwinkel zu berücksichti-
gen.
5.4.1.2 Stichprobe
Der Stichprobenumfang für die Untersuchung wurde auf 10 Personen festgelegt. Es haben 4
Frauen und 6 Männer teilgenommen, die zwischen 24 und 58 Jahren alt waren.
5.4.1.3 Durchführung
Die Dauer der Versuchsfahrt wurde auf circa eine Stunde festgelegt, richtete sich allerdings
auch nach den auftretenden Verkehrsbedingungen. Die Fahrt wurde etwa um 16 Uhr gestartet,
so dass sie in Teilen vom Berufsverkehr in der Paderborner Innenstadt betroffen war.
Nachdem die Probanden im Versuchsfahrzeug Platz genommen hatten, wurden sie zuerst
gebeten, den Sitz und die Spiegel an ihre Bedürfnisse anzupassen. Anschließend wurden alle
für die Fahrt wichtigen Bedienelemente des Fahrzeugs erklärt.
Vor dem Versuchsbeginn wurden zunächst mit Hilfe eines Fragebogens die demografischen
Daten und die Fahrerfahrung der Versuchspersonen erfasst. Anschließend wurden die Mess-
geräte zur Erfassung der physiologischen Parameter angelegt und gestartet. Dazu gehörten der
Brustgurt und der Ohrsensor sowie die Elektroden des Hautleitwertmessgerätes und die Man-
schette des oszillometrischen Blutdruckmessgerätes. Ebenso wurde die Videoaufzeichnung
der Versuchsfahrt gestartet. Nach dem Verlesen der Instruktion wurde die Fahrt gestartet.
Die Fahrstrecke beginnt am L-LAB und endet auch dort. Sie enthält verschiedene Verkehrssi-
tuationen. Zu Beginn führt sie durch ländliche Umgebung mit geringerem Verkehrsaufkom-
men, wechselt dann in städtischen Verkehr von Paderborn zur Zeit des beginnenden
Berufsverkehrs und führt zum Ende wieder über ruhigere Landstrassen zum Ausgangspunkt
zurück. Der Fahrer bekam Änderungen der Fahrtrichtung immer frühzeitig verbal mitgeteilt
und sollte sich ansonsten an die Verkehrsregeln halten. Eine Streckenskizze befindet sich in
Abbildung 5.18.
130
Abb. 5.18: Versuchsstrecke
Während der Fahrt war die Nutzung des Radios nicht erlaubt und es wurde vereinbart, dass
keine Gespräche zwischen Versuchsleiter und Proband stattfinden sollten. Der Versuchsleiter
saß dabei auf der Rückbank des Fahrzeugs, wo auch sämtliche Geräte zur Datenaufzeichnung
platziert waren. Von dort aus konnte auch das Verkehrsgeschehen überwacht werden und die
im Folgenden genannten besonderen Ereignisse in den Daten per Tastendruck markiert wer-
den:
1 Rote Ampel, an der angehalten werden musste
2 Abbiegen
3 Kreisverkehr
4 Vorausfahrendes Fahrzeug, das deutlich bremst
5 Einparken
6 Baustelle
0 Sonderereignis
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
131
Nach Beendigung der Versuchsfahrt wurde die Datenaufzeichnung gestoppt. Mit dem Schel-
long-Stufentest wurde als letzter Schritt der Untersuchung die Kalibrierung des zur kontinu-
ierlichen Blutdruckerfassung verwendeten Messgerätes durchgeführt.
Die Gesamtdauer der Untersuchung betrug pro Versuchsperson circa 1,5 Stunden.
5.4.2 Ergebnisse
Die Ergebnisse der Untersuchung werden im Folgenden zunächst deskriptiv ausgewertet.
Dabei werden sowohl die aufgezeichneten physiologischen Parameter als auch die Fahrge-
schwindigkeit betrachtet.
Die nachstehenden Abbildungen zeigen Ausschnitte der Signalverläufe der aufgezeichneten
physiologischen Parameter und der Beanspruchungskenngröße für eine Versuchsperson. Der
vollständige Verlauf sowie ein zweites Beispiel befinden sich im Anhang.
Abb. 5.19: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) bei Anhalten an einer roten Ampel: Herzratenvariabilität,
systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: gerin-
ge Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
132
Sowohl beim Anhalten an einer roten Ampel als auch beim Abbiegen treten Anstiege im
Blutdruckverlauf und bei der Anzahl der Hautleitwertreaktionen auf, während die Herzraten-
variabilität abnimmt. Im ersten Fall nimmt das Beanspruchungsniveau nach kurzer Zeit wie-
der seinen Ruhewert an, wohingegen beim zweiten Beispiel ein länger andauernder Zustand
mittlerer Beanspruchung gehalten wird.
Abb. 5.20: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) bei Abbiegen mit gleichzeitigem Bremsen eines vorausfahren-
den Fahrzeuges: Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete
Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Abbildung 5.21 zeigt eine Situation, in der der Versuchsfahrer seitlich am Straßenrand ein-
parken musste. Das Beanspruchungsniveau steigt schon nach der Aufforderung des Versuchs-
leiters einen geeigneten Parkplatz auszuwählen an. Während des Einparkens tritt eine weitere
Steigerung auf ein hohes Beanspruchungsniveau auf, das aber nur von kurzer Dauer ist.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
133
Abb. 5.21: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6) beim seitlichen Einparken am Straßenrand: Herzratenvariabili-
tät, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0:
geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Wichtig ist zu beachten, dass die empfundene Beanspruchung vom Fahrer über die Fahrge-
schwindigkeit kompensiert werden kann. Damit kann er sein Beanspruchungsniveau selber
regulieren.
Die Abbildung 5.22 zeigt die Änderungen der aufgezeichneten physiologischen Parameter
gegenüber deren Ruhewerten in Abhängigkeit von verschiedenen Verkehrssituationen als
Mittelwert über alle Versuchsteilnehmer. Auffällig ist die Übereinstimmung der einzelnen
Parameter bezüglich der Einstufung der unterschiedlichen Situationen. Nur die Herzratenvari-
abilität zeigt ein etwas anderes Bild.
134
Änderung HRV [sec²]
-0,016
-0,014
-0,012
-0,01
-0,008
-0,006
-0,004
-0,002
0
rote Ampel Abbiegen
Fahrzeug
bremst Einparken
Änderung Psys [mmHg]
0
2
4
6
8
10
12
14
rote Ampel Abbiegen Fahrzeug
bremst
Einparken
Abb. 5.22: Änderung der physiologischen Parameter
gegenüber dem Ruhewert
in Abhängigkeit der Fahrsituation
Demnach ruft Abbiegen die geringste Beanspruchung hervor. Dies ist plausibel, da der Fahrer
das Manöver selber planen und in beliebiger Geschwindigkeit durchführen kann. Bei roten
Ampeln zeigen sich dagegen schon höhere Änderungen der Parameter, was auf ein höheres
Beanspruchungsniveau schließen lässt. Danach folgen vorausfahrende Fahrzeuge die plötzlich
bremsen und das als besonderes Ereignis in den Versuchsablauf eingebaute Einparken mit den
größten Änderungen in den Parameterwerten. Auch subjektiv wurde das Ereignis Einparken
von mehreren Probanden als besonders anstrengend bewertet, oft schon direkt nach der An-
weisung des Versuchsleiters, noch bevor die Aktion tatsächlich durchgeführt wurde. Nur der
Parameter Herzratenvariabilität deutet darauf hin, dass vorausfahrende abbremsende Fahrzeu-
ge die höchste Beanspruchung hervorrufen.
Insgesamt hat sich die Messtechnik unter realen Bedingungen bewährt. Keiner der Ver-
suchsteilnehmer hat sich negativ über die Sensorik geäußert oder gestört gefühlt. Die Messda-
tenerfassung funktioniert im Fahrzeug ebenso gut wie im Laborversuch.
Änderung SCR [1/min]
0
5
10
15
20
25
30
rote Ampel Abbiegen Fahrzeug
bremst
Einparken
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
135
5.5 Studie 4: Simulatorstudie zu Beanspruchung und Müdigkeit im
nächtlichen Straßenverkehr
Diese Untersuchung wurde in Zusammenarbeit mit der Abteilung GE-ADS1 der Hella KGaA
Hueck und Co. durchgeführt, die ein neues kamerabasiertes System zur Müdigkeitserkennung
und -prädiktion erproben wollte und dafür verschiedene Referenzdatensätze zur Überprüfung
der verwendeten Algorithmen benötigte.
In dieser Studie wurde untersucht, wie sich längeres Fahren auf einer monotonen Strecke auf
den Müdigkeitszustand des Fahrers auswirkt und ob sich eine Abschätzung des aktuellen
Müdigkeitsniveaus erzielen lässt, indem die Änderungen der während der gesamten Untersu-
chung aufgezeichneten physiologischen Parameter Blutdruck, Herzratenvariabilität und Haut-
leitwert ausgewertet werden. Diese stehen im Rahmen der Beanspruchungsmessung ohnehin
zur Verfügung und das System könnte bei einem positiven Ergebnis der Studie auch für die
Erfassung des Fahrerzustandes bezüglich Müdigkeit eingesetzt werden. Gleichzeitig wurde
das Müdigkeitsniveau sowohl vom Fahrer selbst als auch vom Versuchsleiter auf einer
7-stufigen Skala bewertet und mit den physiologischen Daten verglichen.
Ziel war es also, im Fahrsimulator so lange zu fahren, bis der Proband erste Anzeichen von
starker Müdigkeit bis hin zu Einschlafereignissen zeigt. Das gesamte Spektrum vom wachen
bis zum schläfrigen Zustand sollte erfasst werden. Auch die individuellen Unterschiede der
Fahrer sind wichtige Kriterien bei der Bewertung des Müdigkeitszustandes einer Person und
sollten untersucht werden.
Zusätzlich wird in dieser Studie das lange und monotone Fahren ausgenutzt, um die Reaktion
des Fahrzeugführers auf ein plötzlich auftauchendes Hindernis auf der Fahrbahn zu beobach-
ten und die zugehörigen Reaktionen der physiologischen Parameter zu analysieren.
Die nachfolgenden Unterkapitel stellen das Untersuchungsdesign und die Ergebnisse der
Studie dar.
5.5.1 Untersuchungsdesign
5.5.1.1 Versuchsinstrumentarium
Die Untersuchung wurde im Nachtfahrsimulator Lightdriver des L-LAB durchgeführt, um
standardisierte Versuchsbedingungen zu gewährleisten. Dies gilt sowohl für die Fahrstrecke
als auch für die Verkehrsdichte, die Witterungsbedingungen und die Umgebungsbeleuchtung.
136
Der Simulator ermöglicht es außerdem, eine hinreichend monotone Route zu generieren, die
das gewünschte Ziel, dass der Fahrer müde wird und nach Möglichkeit einschläft, begünstigt.
Im Gegensatz zu einem Realfahrzeug kann auch im Fall von Sekundenschlaf keine Gefähr-
dung für die Testperson entstehen. Weiterhin lassen sich nur im Simulator Hindernisse gezielt
und reproduzierbar darbieten.
Alle relevanten Fahrzeugdaten wie Lenkwinkel, Fahrgeschwindigkeit, Gas- und Bremspedal-
stellung und die Querabweichung von der idealen Fahrspur wurden mittels CAN-Bus vom
Simulator übergeben und aufgezeichnet.
Die Kamera zur Gesichts- und Lidschlagüberwachung der Hella KGaA Hueck und Co. wurde
auf dem Lenkradsockel angebracht. Sie ist mit zwei IR-Lichtquellen ausgestattet, die links
und rechts der Kamera befestigt sind. Sie zeichnet 50 Bilder pro Sekunde auf und hat eine
Auflösung von 640x480 Pixel bei einer Brennweite von 8 mm. Die Daten der Müdigkeitsal-
gorithmen dienen in dieser Untersuchung als Vergleichsparameter zu den physiologischen
Parametern und den Müdigkeitseinschätzungen.
Abb. 5.23: Kamera des Müdigkeitserkennungssystems im Fahrsimulator
Ein weiterer Vergleichsparameter wurde durch einen Zustandsfragebogen ermittelt, der zu
Beginn und am Ende der Fahrt vom Fahrer ausgefüllt werden musste. Hierfür wurde der
SOFI-Fragebogen (Swedish Occupational Fatigue Inventory, siehe Anhang A.1.4) ausge-
wählt. Er wurde von ASHBERG ET AL. [As98] vom National Institue for Working Life in
Schweden entwickelt und dient zur Beschreibung der aktuellen Befindlichkeit. Die 32 Fragen
des SOFI lassen sich in die Kategorien Körperliche Anstrengung, Motivationsmangel, Müdig-
keit, Antriebslosigkeit, Aufgeschlossenheit sowie mentale Leistungskraft und Reizabwehr
gliedern. Die achtstufige Skala reichte von 0 (gar nicht) bis 7 (sehr stark). Darüber hinaus gibt
es ein weiteres Feld, in der die Probanden einen höheren Skalenwert eintragen konnten, falls
die Stufe 7 zur Beschreibung der Befindlichkeit nicht ausreichte.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
137
Weiterhin wurde die "Stanford Sleepiness Scale" (SSS, siehe Anhang A.1.5) verwendet, um
das Müdigkeitsniveau des Probanden während der Fahrt zu ermitteln. Die SSS ist ein Selbst-
einschätzungsfragebogen, der in den 70er Jahren entwickelt wurde, um den momentanen
Zustand an Schläfrigkeit und Aktiviertheit standardisiert zu beschreiben [Ho72]. Die 7-stufige
Skala reflektiert dabei einen Verlauf der Müdigkeit, der von einem "vollkommen wachen" zu
einem "fast träumenden" Zustand reicht. Diese Einschätzung war sehr wichtig, weil mit ihrer
Hilfe ein Referenzwert für die "tatsächliche" Müdigkeit festgelegt wurde. Die Einschätzung
soll dabei keinen hundertprozentigen Wert darstellen, jedoch eine Tendenz aufzeigen.
5.5.1.2 Stichprobe
Der Stichprobenumfang für die Untersuchung wurde auf 15 Personen festgelegt, bei denen
gezielt Geschlecht und Alter variiert wurden. Um die geforderte Stichprobengröße zu errei-
chen, mussten insgesamt 22 Probanden an der Untersuchung teilnehmen, weil bei einigen der
Teilnehmer während der Fahrt Simulatorübelkeit9 (engl.: simulator sickness) auftrat oder die
Videoaufzeichnung aufgrund technischer Schwierigkeiten mit dem verwendeten Raid-
Festplattensystem nicht korrekt funktioniert hat. Es haben 9 Frauen und 13 Männer teilge-
nommen, die zwischen 25 und 73 Jahren alt waren.
Im Rahmen einer Voruntersuchung wurden circa 10-minütige Testaufnahmen von den einzel-
nen Probanden gemacht, um die Tauglichkeit für die Gesichts- sowie Lidschlagerkennung zu
gewährleisten. Brillenträger konnten unter bestimmten Voraussetzungen nicht berücksichtigt
werden. Personen, die unter Simulatorübelkeit litten, konnten ebenfalls nicht berücksichtigt
werden. Allerdings fielen aus den genannten Gründen trotz der vorausgehenden Überprüfung
weitere Personen im Hauptversuch aus.
5.5.1.3 Durchführung
Am Abend vor dem Versuchstag sollten die Probanden normal zu Bett gehen und einige
Stunden vor Versuchsbeginn keine stimulierenden Getränke wie Kaffee oder Cola zu sich
nehmen. Den Teilnehmern wurde gesagt, dass ihr Gesicht während der Fahrt durch ein Kame-
rasystem aufgenommen wird, jedoch nicht, dass der Schwerpunkt des Interesses auf der Be-
obachtung der Augen liegt. So sollte vermieden werden, dass die Probanden auf ihr
Lidschlagverhalten achten und bewusst manipulieren.
9 Simulatorübelkeit tritt bei unbewegten Fahrsimulatoren auf, da dem Auge des Fahrers eine Bewegung vorge-
täuscht wird, die der Information, die der Gleichgewichtssinn liefert, widerspricht.
138
Die Dauer des Versuches wurde auf zwei Stunden festgelegt, richtete sich allerdings auch
nach der vom Probanden erreichten Müdigkeitsstufe. Wenn noch keine Anzeichen einer
Ermüdung festzustellen waren oder er sich kurz vor dem Einschlafen befand, wurde ca. 30
Minuten länger gefahren. Der Beginn der Fahrt lag in den Abendstunden zwischen 22:30 Uhr
und 24:00 Uhr und richtete sich nach der gewöhnlichen Einschlafzeit der Testperson, um die
Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass während der Versuchsdurchführung eine Steigerung der
Müdigkeit und möglicherweise Einschlafereignisse auftreten.
Zunächst wurden mit Hilfe eines Fragebogens die demografischen Daten und die Fahrerfah-
rung der Versuchspersonen erfasst. Anschließend wurden die Messgeräte zur Erfassung der
physiologischen Parameter angelegt. Dies beinhaltete den Brustgurt und den Ohrsensor sowie
die Elektroden des Hautleitwertmessgerätes und außerdem die Manschette des oszillometri-
schen Blutdruckmessgerätes. Nach Abschluss der Vorbereitungen hatten die Versuchsperso-
nen Zeit sich mit dem Fahrsimulator vertraut zu machen. Dabei wurde auch die
Selbsteinschätzung des Müdigkeitsniveaus mit Hilfe der Stanford Sleepiness Scale geübt und
die Datenaufzeichnung der physiologischen Parameter gestartet sowie die korrekte Einstel-
lung der Videokamera überprüft. Nach der Übungsphase wurde den Probanden die Versuchs-
instruktion vorgelesen und sie erhielten den wichtigen Hinweis, dass sie beim Fahren nicht
die Hand vor die Kamera oder ins Gesicht halten sollten. Anschließend mussten die Proban-
den den SOFI-Fragebogen bearbeiten und daraufhin wurde die Versuchsfahrt gestartet.
Um mit den Versuchsfahrten passend zur Uhrzeit einen realistischen Eindruck zu erzeugen
und möglichst das gesamte Spektrum der Müdigkeit – von wach bis hin zum Einschlafen –
abzudecken, wurde eine Nachtfahrt simuliert. Die Fahrstrecke ist ein etwa 15 Minuten langer
Rundkurs, der Landstraßen und auch urbane Gebiete enthält. Der Fahrer sollte sich an die
Verkehrsregeln halten und innerstädtisch mit Tempo 50 km/h und außerorts mit 100 km/h
fahren. Die gesamte Strecke ist auf Monotonie ausgelegt, um Müdigkeit des Fahrers zu pro-
vozieren. Deshalb wurden längere Geraden mit wenig bis keiner Randbebauung integriert.
Der Proband wurde angewiesen, dem Straßenverlauf zu folgen und nicht abzubiegen. Gegen-
verkehr wurde nicht simuliert, um den Fahrer nicht ungewollt abzulenken und Einschlafereig-
nisse zu verzögern. Eine Streckenskizze befindet sich in Abbildung 5.24.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
139
Abb. 5.24: Versuchsstrecke, gefahren wurde auf dem äußeren Ring
Während der Fahrt wurde in 10-Minuten-Intervallen die Müdigkeit mit der Stanford Sleepi-
ness Scale abgefragt. Um die Probanden nicht durch explizites Ansprechen von der Fahrauf-
gabe abzulenken, wurde ein Monitor im Beifahrerfußraum installiert, der zum entsprechenden
Zeitpunkt weiß aufleuchtete und den Fahrer anwies, seinen aktuellen Müdigkeitszustand
zwischen Eins und Sieben einzuschätzen und verbal an den Versuchsleiter mitzuteilen. Zum
selben Zeitpunkt bewertete der Versuchsleiter den Grad der Müdigkeit auf der gleichen Skala
aufgrund der Mimik und des Verhaltens der Versuchsperson, die er auf der Videodarstellung
des Müdigkeitsüberwachungssystems erkennen konnte.
140
Abb. 5.25: Versuchsleiterplatz mit Überwachungsmonitoren
Kurz vor dem Ende der Versuchsfahrt wartete noch eine Überraschung auf den Probanden:
Per Knopfdruck konnte vom Versuchsleiter ein Reh auf der Fahrspur platziert werden, dem
die Testperson nach Möglichkeit ausweichen musste. Das Reh wurde zweimal platziert, um
zu sehen inwieweit die Beanspruchungsreaktion sich unterscheidet, wenn ein Objekt völlig
unerwartet und nicht ganz unerwartet auftaucht.
Nach Beendigung der Versuchsfahrt wurde die Datenaufzeichnung gestoppt und die Teilneh-
mer mussten noch einmal den SOFI-Fragebogen ausfüllen. Mit dem Schellong-Stufentest
wurde als letzter Schritt die Kalibrierung des für die kontinuierliche Blutdruckerfassung
verwendeten Messgerätes durchgeführt.
Die Gesamtdauer der Untersuchung betrug pro Versuchsperson circa 3 bis 3,5 Stunden.
5.5.2 Ergebnisse
Die Ergebnisse der Untersuchung werden im Folgenden zunächst deskriptiv ausgewertet.
Dabei werden sowohl die aufgezeichneten physiologischen Parameter als auch die Fahrzeug-
daten und die Müdigkeitseinschätzungen betrachtet.
Zusätzlich werden die Situationen gesondert betrachtet, bei denen Objekte auf der Fahrbahn
platziert wurden. Interessante Ergebnisse lassen sich auch für die Probanden finden, die die
Untersuchung wegen des Auftretens von Simulatorübelkeit abbrechen mussten. Hier wurden
die physiologischen Daten bis zum Ende der Aufzeichnung analysiert.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
141
Ziel der Studie war herauszufinden, ob die verwendeten physiologischen Parameter der Bean-
spruchungsmessung in der Lage sind, eine Abschätzung des aktuellen Müdigkeitsniveaus
eines Fahrzeugführers zu ermöglichen. Für den Fall einer Eignung sollten entsprechende
Änderungen im Signalverlauf erkennbar sein. Erwartet werden eine Abnahme von Blutdruck
und Herzfrequenz und eine Zunahme der Herzratenvariabilität. Diese sollten synchron mit der
Verschlechterung der Spurhaltung und einem höheren Wert der Müdigkeitseinschätzung
einhergehen.
Die Abbildung 5.26 zeigt von oben nach unten betrachtet die zeitlichen Verläufe von Herzra-
tenvariabilität, systolischem Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und das ermittelte
Beanspruchungsmaß. Außerdem sind die zum Vergleich aufgezeichneten Parameter Lenk-
radwinkel, Querabweichung, Fahrgeschwindigkeit und die Werte der Müdigkeitseinschätzung
vom Fahrer selbst und vom Versuchsleiter zu sehen. Ein weiteres Beispiel ist im Anhang
dargestellt.
Es sind nur geringe Änderungen im Verlauf der physiologischen Parameter zu erkennen.
Auch die überlagerten Schwankungen scheinen keinen Anhaltspunkt für einen Anstieg des
Müdigkeitsniveaus zu zeigen, das in den Werten der Einschätzung von Fahrer und Versuchs-
leiter eindeutig zu sehen ist. In dieser Untersuchung lassen sich aus Spurhaltung, Fahrge-
schwindigkeit und Lenkbewegung keine Rückschlüsse auf eine Veränderung des
Müdigkeitszustandes des Fahrers ziehen. Die Signale spiegeln aber den sich periodisch wie-
derholenden Streckenverlauf wieder. Dabei handelt es sich um Parameter, die beispielsweise
im Attention-Assist-System von Daimler [Bä07, Da09] verwendet werden und nach Aussage
der Autoren zuverlässige Schätzungen für Veränderungen im Müdigkeitsniveau liefern. Im
Unterschied zu dem genannten System wurde in dieser Untersuchung allerdings keine speziel-
le Lenkwinkelsensorik verwendet. Weiter muss beachtet werden, dass der Fahrsimulator
keine Darstellung der Fahrdynamik ermöglicht und somit die Interpretation der Querabwei-
chung und des Lenkverhaltens problematisch sind.
142
Abb. 5.26: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP9): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung), sowie Fahrzeugdaten und Müdigkeitseinschätzung von Versuchsleiter (□) und Fahrer (◊)
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
143
Im Folgenden soll exemplarisch die Reaktion des Fahrers auf ein plötzlich und unerwartet
auftauchendes Objekt auf der eigenen Fahrspur unmittelbar vor dem Fahrzeug betrachtet
werden. Dazu wurde vom Versuchsleiter auf Knopfdruck ein Reh statisch in die Simulation
integriert. Es wurde darauf geachtet, dass sich die Versuchsperson auf einem geraden Stre-
ckenabschnitt befand, mit normaler Geschwindigkeit fuhr und die Augen nicht geschlossen
hatte. Das Hindernis wurde ausschließlich am Ende der Untersuchung präsentiert, um nicht
die Erwartung zu wecken, dass weitere Objekte auftauchen und so das Eintreten der Müdig-
keit zu verzögern. Ein weiterer Grund war, dass das Objekt für die Probanden völlig unerwar-
tet auftauchen sollte, was durch die lange und monotone Fahrt ohne Hindernisse vorher
unterstützt wird. Nach einer kurzen Pause wurde das Reh erneut platziert, um die Verände-
rungen der Reaktionen zu beobachten, wenn das Objekt nicht mehr völlig unerwartet auf-
taucht.
Abb. 5.27: Reh am Straßenrand
Abbildung 5.28 zeigt die Änderungen der Parameter Herzratenvariabilität, systolischer Blut-
druck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und des Beanspruchungsmaßes für eine ausgewähl-
te Versuchsperson. Es ist zu erkennen, dass der Blutdruck steil ansteigt und erst nach ein bis
zwei Minuten wieder in die Nähe der Werte vor der Reaktion gelangt. Eine Restaktivierung
bleibt auch darüber hinaus erhalten. Bei der zweiten Präsentation des Rehs ist der Anstieg der
Parameter ähnlich, wenn auch nicht ganz so groß und gründet sich auf ein höheres Basisni-
veau, so dass die Signaländerung deutlich kleiner ausfällt. Für die Herzratenvariabilität erge-
ben sich große Werte während der Anzeige des Rehs, im ersten Fall noch deutlich größer als
beim zweiten Mal. Dies wiederspricht zunächst der Annahme, dass während einer beanspru-
chenden Situation die Regelgenauigkeit des Herzens zunimmt und die Variabilität sinkt.
Aufgrund des unerwarteten Ereignisses und der damit sprunghaften Aktivierung des Orga-
nismus für eine schnelle Reaktion auf die Veränderungen der Umgebung, steigt auch die
Herzfrequenz in kürzester Zeit stark an und fällt anschließend auch stark ab. Diese Änderun-
gen führen zwangsläufig zu einer Zunahme des Variabilitätsmaßes und sind in der Art seiner
Definition begründet. Ein Unterschied des Signalverlaufes vor und zwischen dem Auftauchen
der Hindernisse ist nicht erkennbar.
144
Es zeigt sich somit, dass eine Schreckreaktion auch nach Passieren der Ursache nachwirkt und
eine erhöhte Beanspruchung zur Folge hat. Im Anhang werden die Signalverläufe einer zwei-
ten Versuchsperson vorgestellt.
Abb. 5.28: Messdaten einer Versuchsperson (VP12) bei plötzlichem Auftauchen eines Rehs (senkrechte Markie-
rungen): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Bean-
spruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Aus wissenschaftlicher Sicht besonders interessant sind die Probanden, die während des
Versuches unter Schwindel und Übelkeit litten. Trotz vorausgehendem Test bezüglich Kame-
ra- und Simulatortauglichkeit waren mehrere Ausfälle zu verzeichnen. Zunächst fuhren die
Personen ganz normal, um dann plötzlich mitzuteilen, dass eine Weiterfahrt nicht möglich sei.
Bei einigen Versuchspersonen war schon einige Minuten vorher eine gewisse Nervosität
verbunden mit leichten Schweißausbrüchen auf der Stirn zu beobachten. Die Probanden wur-
den sofort nach ihrer Meldung angewiesen, anzuhalten und abzuwarten bis die Sensorik zur
Erfassung der physiologischen Parameter entfernt wurde. Danach konnten sie den Simulator
direkt verlassen und sich erholen.
Abbildung 5.29 zeigt die physiologischen Signale eines Probanden bis zu dem Moment, an
dem die Sensorik entfernt wurde. Es fällt auf, dass bis fast zum Ende der Messung keine
bedeutsamen Schwankungen der Signale auftreten. Erst circa eine Minute vor Abbruch zeigt
sich ein steiler Blutdruckanstieg von etwa 120 auf 140 mmHg. Der Anstieg des Blutdrucks
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
145
findet dabei etwas früher statt. Das Abklingen der physiologischen Reaktion konnte aufgrund
der Umstände des Zustandekommens leider nicht vollständig beobachtet werden. Es scheint
sich aber um eine kurzzeitige Reaktion zu handeln, die mit dem Anhalten des Fahrzeugs
zurückgeht. Weitere Beispiele zu diesen Reaktionen befinden sich im Anhang.
Abb. 5.29: Messdaten einer Versuchsperson (VP11) bei Eintritt von Schwindel und Übelkeit: Herzratenvariabili-
tät, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0:
geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Weitere Ergebnisse und Schlussfolgerungen
Während der Simulatorfahrt wurde der Befindlichkeitsfragebogen (SOFI) verwendet. Ausge-
wertet wurden von den insgesamt 32 Fragen nur die drei Kategorien Müdigkeit, Antriebslo-
sigkeit sowie mentale Leistungskraft, um die Selbsteinschätzung der SSS-Skala zu validieren.
In Abbildung 5.30 ist zu sehen, dass nach der Versuchsfahrt deutlich höhere Werte der ersten
beiden Kategorien zu finden sind, was eine gesteigerte Müdigkeit aufzeigt. Bei den Fragen
zur mentalen Leistungskraft sieht man, dass diese vom Anfang zum Ende der Fahrt abnimmt.
Das unterstreicht noch einmal die Vigilanzminderung der Probanden.
146
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
pre post
Mittelwert Fragebogenscore
Müdigkeit
Antriebslosigkeit
mentale Leistungskraft
Abb. 5.30: Auswertung SOFI-Kategorien Müdigkeit, Antriebslosigkeit und mentale Leistungskraft
Außerdem wurde die Selbsteinschätzung der Fahrer alle 10 Minuten mit der Beurteilung des
Versuchsleiters verglichen. Dies ergab eine Übereinstimmung von im Mittel 86 Prozent.
Aufgrund der Ähnlichkeit der Bewertung wurde in den folgenden Vergleichen die Fahrer-
selbsteinschätzung als Referenz herangezogen, da der Versuchsleiter den Müdigkeitszustand
von außen tendenziell schlechter feststellen kann.
Aus den Videos des Müdigkeitserkennungssystems wurden Lidschlagsignale, wie Lid-
schlussdauer, Augenöffnungsdauer (die Zeit zwischen zwei Lidschlägen) und Lidschlagfre-
quenz, extrahiert. Ziel war es, einen Vergleichsparameter zu erhalten, mit dem eine objektive
Abschätzung des Müdigkeitsniveaus der Probanden möglich ist.
Die allgemeine Annahme, dass mit steigender Müdigkeit eine zunehmende Lidschlussdauer
und eine abnehmende Augenöffnungsdauer einhergehen, konnte auch hier nachgewiesen
werden, wie in Abbildung 5.31 zu erkennen ist. Aufgetragen sind dort die Mittelwerte von
Lidschlussdauer und Augenöffnungsdauer in Bezug auf die Müdigkeitseinschätzung der
Probanden.
Es muss allerdings erwähnt werden, dass sich die Lidschlagparameter für jede Person indivi-
duell darstellen und ein generalisierter Wert unzureichend für eine Müdigkeitsbestimmung
des Einzelnen ist. Die Müdigkeitseinschätzung wird hier von sieben auf vier Stufen herunter-
skaliert, weil die meisten Algorithmen zur Müdigkeitsberechnung eine vierstufige Müdig-
keitseinschätzung vorsehen.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
147
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
Müdigkeitsstufe
____ Augenöffnungsdauer [ms]
150
170
190
210
230
250
270
290
310
330
350
- - - - Lidschlussdauer [ms]
Abb. 5.31: Median der Augenöffnungsdauer und der Lidschlussdauer [We08]
148
5.6 Studie 5: Felduntersuchung zum Einfluss der Scheinwerfer-
lichtverteilung auf die Fahrerbeanspruchung
In dieser Untersuchung wird der Einfluss des Scheinwerferlichtes eines Kraftfahrzeuges auf
die Beanspruchung des Fahrers untersucht.
Das Fahren bei Dunkelheit findet aufgrund der ungünstigen Sichtverhältnisse unter besonde-
ren Belastungsbedingungen statt. Diese stellen auch den entscheidenden Faktor dafür dar,
dass nachts mehr und schwerere Unfälle auftreten als bei Tag [Su01]. Die Physiologie des
menschlichen Sehens schränkt bei Dunkelheit die visuellen Fähigkeiten ein und äußert sich
beispielsweise in einer verminderten Sehschärfe, Kontrastunterscheidung und Tiefenwahr-
nehmung [Bi06]. Daher ist der Fahrer bei Nachtfahrten abhängig von den Scheinwerfern
seines Fahrzeugs, die abseits beleuchteter Straßen die einzige Lichtquelle und damit Sichtun-
terstützung darstellen.
Die heute im Automobilbereich eingesetzten Systeme, fast ausschließlich Xenon- und Halo-
genscheinwerfer, unterscheiden sich deutlich hinsichtlich der erzeugten Sichtbedingungen,
wobei erstere eine weitere und hellere Ausleuchtung der Fahrbahn und damit auch eine ver-
besserte Erkennbarkeit gewährleisten. Dies ist ein Sicherheitsvorteil, der häufig durch das
Empfinden des Fahrers unterstützt wird, sich auch sicherer zu fühlen. Zu Werbezwecken wird
daher von einem „entspannteren Fahren“ mit Xenonlicht gesprochen, obwohl dies keine
gesicherte Erkenntnis darstellt und Anstoß für diese Untersuchung gibt: treten bei nächtlichen
Fahrten mit Xenonscheinwerfern geringere Beanspruchungen des Fahrers auf als bei Fahrten
mit Halogenscheinwerfern?
Die Untersuchung wurde als Feldversuch angelegt, um möglichst realistische Bedingungen,
insbesondere für die Beleuchtung auf der Fahrbahn und in deren Randbereichen, zu erzielen.
Die Probanden mussten in den Abendstunden zweimal mit jeweils einer Leuchtmittelvariante
eine festgelegte Versuchsstrecke befahren.
Untersuchungen im Feld bringen allerdings den Nachteil mit sich, dass die Kontrolle von
Störeinflüssen, wie z. B. Witterungsbedingungen und Verkehrsaufkommen auf der Versuchs-
strecke, erschwert ist. Dies muss in die Versuchsplanung einbezogen werden, insbesondere
weil davon auszugehen ist, dass der Einfluss der Scheinwerferlichtverteilung auf die Gesamt-
beanspruchung beim Autofahren eher gering ist.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
149
5.6.1 Untersuchungsdesign
5.6.1.1 Versuchsinstrumentarium
Für diese Untersuchung wurde ein Volvo 850 verwendet. Die serienmäßig verbauten Schein-
werferkomponenten für Abblend- und Fernlicht wurden entfernt und jeweils durch ein Xenon-
und ein Halogenscheinwerfermodul, beides Projektionssysteme, ersetzt. Dafür wurden Hella-
Handelsmodule mit 45-mm-Linse verwendet. Die Nutzung von Fernlicht war anschließend
nicht mehr möglich. Abbildung 5.32 zeigt die Front des Versuchsfahrzeugs mit den eingebau-
ten Modulen.
Abb. 5.32: Versuchsfahrzeug mit eingebauten Scheinwerfermodulen
Dieser Umbau ermöglichte es, die Wirkung beider Leuchtmittel mit demselben Fahrzeug zu
untersuchen, so dass eine Beeinflussung der Probanden durch unterschiedliche Fahrzeuge
ausgeschlossen ist.
5.6.1.2 Stichprobe
Die Stichprobe bestand aufgrund der aufwändigen Versuchsdurchführung aus 10 Probanden.
Es wurde eine bezüglich Alter und Kenntnisstand über Xenonscheinwerfer homogene Stich-
probe herangezogen. Versuchsteilnehmer waren junge Frauen zwischen 20 und 23 Jahren, die
mindestens zwei Jahre im Besitz eines Führerscheins waren [Ba95, Li06].
150
5.6.1.3 Durchführung
Jeder Proband absolvierte zwei Versuchsfahrten, je eine mit Halogenscheinwerfern und eine
mit Xenonscheinwerfern, im Abstand von circa drei Wochen. Die Fahrten fanden nach Ein-
bruch der Dunkelheit und nur bei geeigneten Witterungsbedingungen statt.
Die Versuchsstrecke war etwa 50 Kilometer lang und führte im Wesentlichen über Landstra-
ßen, wobei auch einige Ortschaften durchfahren wurden. Teilweise kann der Rundkurs als
sehr anspruchsvoll beschrieben werden – mit scharfen Kurven, enger Fahrbahn und unüber-
sichtlichen Stellen. Die Versuchsfahrt begann an einer ausgewählten Stelle nach etwa 6 Kilo-
metern der Strecke, damit der Proband sich ausreichend an das Versuchsfahrzeug gewöhnen
konnte. Durchschnittlich benötigten die Probanden 50 Minuten zum Abfahren der kompletten
Versuchsstrecke, die in Abbildung 5.33 dargestellt ist.
Abb. 5.33: Versuchsstrecke
Vor dem jeweils ersten Versuchsdurchgang wurden die Probanden über Ablauf und Dauer des
Versuchs informiert und füllten den Fragebogen zu ihren soziographischen Daten aus. Zur
Fragestellung der Untersuchung wurde mitgeteilt, dass die Beanspruchung des Fahrers bei
Fahrten mit verschiedenen Scheinwerfersystemen bewertet werden soll. Welche Scheinwerfer
dies genau sind, wurde erst nach Versuchsabschluss mitgeteilt, damit sich Kenntnisse oder
Einstellungen zu Xenon- und Halogenscheinwerfern in der Untersuchung nicht auswirken.
Daraufhin wurden der Brustgurt für die kontinuierliche Blutdruckmessung und die Elektroden
für die Hautleitwertmessung angelegt. Abbildung 5.34 zeigt eine Probandin im Versuchsfahr-
zeug.
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
151
Abb. 5.34: Probandin mit Messgeräten im Versuchsfahrzeug
Nachdem der Proband eine Einweisung in das Versuchsfahrzeug und eine mündliche Instruk-
tion zur Versuchsfahrt erhalten hatte, bestand seine Aufgabe im zügigen Fahren entlang der
Versuchsstrecke, wobei er den Richtungsansagen der Versuchsleitung folgen musste.
Nach Beendigung der Versuchsfahrt wurden im Fahrzeug Ruhewerte für Blutdruck und Herz-
frequenz über fünf Minuten erhoben. Insgesamt dauerte ein Durchgang etwa zwei Stunden.
5.6.2 Ergebnisse
Es wurden drei physiologische Maße während der Versuchsfahrten kontinuierlich aufgezeich-
net: die Herzfrequenz, der systolische Blutdruck und der Hautleitwert.
Zunächst wurden die Werte der Ruhephase betrachtet. Über alle Fahrten und Probandinnen
hinweg zeigte sich für die Herzfrequenz ein durchschnittlicher Wert von 70,7 bpm und für
den systolischen Blutdruck ein Wert von 117,8 mmHg. Damit entsprechen die Ruhewerte
etwa den Standardwerten für Ruhesituationen. Die während der Versuchsfahrten erhobenen
Messwerte lagen mit durchschnittlich 80,8 bpm bzw. 124,6 mmHg deutlich über den Ruhe-
werten; Herzfrequenz und Blutdruck vermögen also zwischen Ruhe und Fahrt zu differenzie-
ren. Für den Parameter Hautleitwert ergaben sich über alle Fahrten und Probandinnen hinweg
betrachtet durchschnittlich 4,7 Spontanreaktionen pro Minute. Bei allen physiologischen
Parametern zeigten sich starke interindividuelle Unterschiede.
Zudem fällt bei Sichtprüfung der Daten ein überraschender Effekt auf: die fünf Probandinnen
der Reihenfolge-Gruppe, die zuerst die Xenonfahrt absolvierte, weisen insgesamt deutlich
niedrigere Werte für die kardiovaskulären Maße auf als die Probandinnen, die zuerst die
Halogenfahrt absolvierten: Die Differenz zwischen beiden Gruppen beträgt 12,7 bpm für die
Herzfrequenz bzw. 6,3 mmHg für den systolischen Blutdruck und diese zeigt sich in gleicher
Deutlichkeit bei den ersten und den zweiten Fahrten. Da die Probandinnen zufällig auf die
beiden Reihenfolge-Gruppen aufgeteilt wurden, kann diese Differenz nur Produkt des Zufalls
152
sein. Für die Frequenz spontaner Hautleitwertreaktionen zeigte sich ein solches Phänomen
nicht.
Um Aussagen zum Einfluss des Leuchtmittels auf das durchschnittliche Niveau der physiolo-
gischen Parameter treffen zu können, wurde dieses zwischen den beiden Versuchsbedingun-
gen verglichen, wobei kein Gesamtniveau, sondern die Werte der einzelnen
Streckenabschnitte betrachtet wurden.
In Abbildung 5.35 sind die Mittelwerte und Standardabweichungen für den Parameter Herz-
frequenz dargestellt. Mit Ausnahme des fünften Streckenabschnitts lagen die Mittelwerte der
Xenon-Bedingung durchweg höher, wobei diese Unterschiede von maximal 1,1 Schlägen pro
Minute in Anbetracht der großen Standardabweichungen als gering anzusehen sind. Ein ähn-
liches Bild ergab sich für den Parameter systolischer Blutdruck, dessen mittlere Werte in
Abbildung 5.36 dargestellt sind. Mit Ausnahme des ersten wiesen alle Abschnitte bei den
Fahrten mit Xenonlicht höhere Werte auf als bei den Fahrten mit Halogenlicht.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
12345678910
Streckenabschnitt
ΔHerzfrequenz(bpm)
Xenon
Halogen
Abb. 5.35: Mittelwerte und Standardabweichungen der um die Ruhewerte korrigierten Herzfrequenz für beide
Versuchsbedingungen
Empirische Untersuchungen zur Beanspruchungserfassung
153
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
12345678910
Streckenabschnitt
ΔBlutdruck(mmHg)
Xenon
Halogen
Abb. 5.36: Mittelwerte und Standardabweichungen des um die Ruhewerte korrigierten systolischen Blutdrucks
für beide Versuchsbedingungen
Die, wenn auch geringen, Mittelwertunterschiede von Herzfrequenz und Blutdruck wider-
sprechen der Vermutung eines entspannteren Fahrens mit Xenon-Scheinwerfern.
Bei dem Parameter Hautleitwert wurde die mittlere Anzahl von Spontanreaktionen pro Minu-
te für die beiden Versuchsbedingungen betrachtet, die in Abbildung 5.37 dargestellt sind. Für
sieben der zehn Abschnitte lagen diese über den Werten der Xenon-Bedingung, wobei die
Differenzen in Anbetracht der großen Standardabweichungen als gering zu bewerten sind.
0
2
4
6
8
10
12
12345678910
Streckenabschnitte
NS.SCR/min
Xenon
Halogen
Abb. 5.37: Mittelwerte und Standardabweichungen der Anzahl spontaner Hautleitwertreaktionen pro Minute für
beide Versuchsbedingungen
154
Insgesamt betrachtet liefern die physiologischen Parameter keine Hinweise auf eine höhere
Beanspruchung der Probandinnen bei den Fahrten mit Halogenlicht gegenüber den Fahrten
mit Xenonlicht.
Im Folgenden werden die kurzfristigen Veränderungen der physiologischen Parameter in
Abhängigkeit von bestimmten Verkehrssituationen betrachtet. Es wurden drei Situationen
innerhalb der Versuchsfahrten ausgewählt und die Amplituden der damit einhergehenden
Anstiege für die beiden Versuchsbedingungen verglichen. Diese sind in Abbildung 5.38
dargestellt.
Für den systolischen Blutdruck zeigen sich für alle drei Situationen stärkere Anstiege für die
Halogen-Bedingung, die jedoch bei der Betrachtung der Standardabweichungen als sehr
gering zu bewerten ist.
Für die Herzfrequenz ergibt sich ein ähnliches Bild: in den Situationen 1 und 2 sind größere
Amplituden für die Halogen-Bedingung zu beobachten, in Situation 3 ist es umgekehrt.
Abb. 5.38: Mittelwerte und Standardabweichungen der Amplituden des Blutdruck- und Herzfrequenzanstiegs in
drei Situationen (Situation 1: scharfe Linkskurve, 2: Linksabbiegemanöver, 3: Rechtsabbiegemanöver an un-
übersichtlicher Stelle)
Insgesamt betrachtet, zeigt sich somit eine recht einheitliche Tendenz zu stärkeren Herzfre-
quenz- und Blutdruckanstiegen bei den Fahrten mit Halogenlicht. Die Größe der Effekte ist
jedoch für beide Parameter als gering zu bewerten.
Zusammenfassung
155
6 Zusammenfassung
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit einem neuartigen System zur Beobachtung und
Überwachung von Fahrzeugführern, einem Beanspruchungssensor. Es stellt sich die Frage,
warum ein derartiges System wichtig für die Unterstützung des Fahrers bei der Bewältigung
der Fahraufgabe ist. Hierfür sind mehrere Gründe zu nennen, die miteinander verkoppelt sind.
Zum einen nimmt die Komplexität der Fahraufgabe seit einiger Zeit durch mehr und mehr
technisierte Fahrzeugcockpits stark zu und zum anderen ist die Zahl der sich auf den Straßen
bewegenden Fahrzeuge stark angestiegen. Beides führt zu einer erhöhten Beanspruchung des
Fahrzeugführers und damit zu einem erhöhten Unfallrisiko. Andere Ursachen wie z. B. Mü-
digkeit und Fahrerfehlverhalten sind nach wie vor Grund für eine Vielzahl von Unfällen. Ziel
des Einsatzes von Systemen zur Beanspruchungsmessung ist, das Unfallrisiko zu minimieren,
indem neue Fahrzeug- und Fahrerassistenzsysteme im Vorfeld hinsichtlich ihrer Wirkung auf
den Fahrer getestet werden oder aber der Fahrer kontinuierlich während der Fahraufgabe
beobachtet wird und kritische Veränderungen des Beanspruchungszustandes zurückgemeldet
werden.
Die Beanspruchungsanalyse soll also die Frage beantworten, ob sich die Fahrerbeanspruchung
durch die Nutzung eines Assistenzsystems verändert und wenn dies der Fall ist, ob sie ansteigt
oder absinkt. So könnte auf das Sicherheitsrisiko bei der Nutzung des Systems geschlossen
werden. Dies ermöglicht eine umfassendere Bewertung von Fahrerassistenzsystemen und die
Absicherung der Entscheidung einer Markteinführung.
Die Erweiterung eines Systems zur Beanspruchungsanalyse als eigenständiges Fahrer-
assistenzsystem würde weit darüber hinausgehen. Verkehrssituationen und deren Wirkung auf
den Fahrer könnten das Fahrzeug und dessen Verhalten beeinflussen. Im Gegensatz zu bishe-
rigen Fahrerassistenzsystemen stünde der Fahrer direkt im Mittelpunkt des Regelkreises
Mensch, Fahrzeug und Umwelt. Heutige Systeme beziehen den Fahrer höchstens indirekt
über dessen Reaktionen und Fahrmanöver ein.
Die Hauptforschungsfragen, die bei der Gestaltung eines solchen neuen Systems zur Bean-
spruchungsmessung für den Automobilbereich beantwortet werden müssen, sind:
1. Wie kann man Beanspruchung operationalisieren?
2. Welche Parameter sind als Indikatoren für Beanspruchung und Fahrerzustand
geeignet?
3. Wie kann man diese Indikatoren zuverlässig und für den Fahrer nicht störend
erfassen?
4. Wie kann man aus den Indikatoren ein Beanspruchungsmaß ableiten?
156
Die Ergebnisse und Schlussfolgerungen der Untersuchungen dieser Arbeit werden in den
folgenden Abschnitten erörtert.
Wie kann man Beanspruchung operationalisieren?
Bei dem Begriff Beanspruchung handelt es sich zunächst um ein theoretisches Konzept. Sie
kann nicht direkt gemessen werden, so dass Indikatoren festgelegt werden müssen, die den
Beanspruchungszustand charakterisieren. Grundsätzlich werden physiologische, leistungsbe-
zogene und subjektive Parameter unterschieden. Es gibt aber keinen verlässlichen Standardin-
dikator, der ausnahmslos verwendet werden könnte. Für eine Erfassung der Beanspruchung
eines Kraftfahrers sind subjektive Methoden nur im Forschungsumfeld sinnvoll einsetzbar, da
sie eine Rückmeldung der Person erfordern. Für eine mehr unabhängige und objektivere
Erhebung eignen sich die beiden anderen Ansätze besser. Leistungsbezogene Parameter, also
Maße der Fahrleistung, haben allerdings den Nachteil, dass sie nur vom Fahrer ausgeführte
Aktionen und Manöver bewerten können. Die Person selber und deren innerer Zustand wer-
den nur durch physiologische Indikatoren gut erfasst. Daher wird dieser Ansatz als Grundlage
für die vorliegende Arbeit verwendet.
Welche Parameter sind als Indikatoren für Beanspruchung und Fahrerzustand geeig-
net?
Die physiologischen Parameter Herzfrequenz, Herzratenvariabilität, Hautleitwert und Blut-
druck sind sehr gut geeignete, sensitive Beanspruchungsindikatoren, die trotz interindividuel-
ler Unterschiede insgesamt ein einheitliches Bild über den Fahrerzustand liefern. Die
Ergebnisse zeigen vor allem erstmals die Zuverlässigkeit des systolischen Blutdrucks als
einen solchen Indikator. Dabei ist darauf zu achten, dass nicht alle physiologischen Größen,
die als Indikatoren dienen könnten, unter bestimmten Untersuchungsbedingungen gemessen
werden können. Dies liegt am hohen apparativen Aufwand oder der unzureichenden Genau-
igkeit der Messtechnik, speziell unter Bedingungen wie sie bei Feldanwendungen auftreten.
Außerdem muss beachtet werden, dass die Person durch die Messung nicht gestört werden
darf.
Die kontinuierliche Blutdruckmessung bietet Potential, das über die Anwendung in der Ergo-
metrie und zur Überwachung des Herz-Kreislaufsystems hinausgeht. Im Bereich der psycho-
physiologischen Forschung kann der Blutdruck als zusätzlicher Indikator bei der Erfassung
des Beanspruchungsniveaus eines Probanden eingesetzt werden. Die Aussagekraft einer
Untersuchung kann dadurch gegenüber der alleinigen Verwendung üblicherweise eingesetzter
Maße wie z. B. Herzfrequenz und Hautleitwert gesteigert werden.
Zusammenfassung
157
Die Eignung des Systems zur kontinuierlichen Blutdruckmessung bei derartigen Untersu-
chungen konnte bereits unter Beweis gestellt werden. Stressuntersuchungen am Wiener Test-
system haben die Bedeutung des Blutdrucks als Beanspruchungsindikator aufgezeigt.
Messungen beim Autofahren im Simulator und in der Realität lassen erkennen, dass sich
belastende Fahrsituationen und Streckenabschnitte im aufgezeichneten Signalverlauf wieder-
finden.
Die grundlegenden Untersuchungen, die im Rahmen der Entwicklung des Blutdruckmessver-
fahrens durchgeführt wurden, zeigen aber auch, dass sich eine klassische Belastungs-EKG-
Messung sehr einfach durch eine kontinuierliche nicht-invasive Erfassung des Blutdrucks
erweitern lässt. Dies hat Vorteile bei der Beurteilung der Regeleigenschaften des Herz-
Kreislaufsystems, da insbesondere schnelle Blutdruckvariationen erkannt werden können, die
bisher beim Einsatz manschettenbasierter Messverfahren unentdeckt bleiben. Darüber hinaus
kann das System vornehmlich an den Belastungsenden auftretende Spitzendrücke zuverlässi-
ger bestimmen. Gegenüber fehlerhaften Messwerten, wie sie bei der oszillometrischen Mes-
sung aber auch der auskultatorischen Messung des Blutdrucks auftreten, wenn sich der
Proband bewegt, ist das System robust.
Andere physiologische Parameter haben den Nachteil, dass sie im Kraftfahrzeug nur unter
hohem Aufwand oder mit unzureichender Genauigkeit erfasst werden können.
In den in Kapitel 5 beschriebenen Untersuchungen wurde neben physiologischen Messmetho-
den zum Vergleich auch die subjektive Beanspruchung der Probanden mittels Fragebogen
erfasst. Sowohl die physiologischen Parameter als auch die Ratingskalen waren geeignet,
Beanspruchungsunterschiede des Fahrers zu erheben und verfügen somit über eine ausrei-
chend hohe Sensitivität. Nach BUBB [Bu02] werden aber mit den beiden Verfahren die unter-
schiedlichen Konzepte Komfort und Diskomfort erfasst. Für eine Bestimmung des
Diskomforts ist eine Beanspruchungserhebung mit den objektiven Messmethoden nicht durch
Methoden des Selbstreports ersetzbar. Bei der Bewertung von neuen Fahrerassistenzsystemen
für Kraftfahrzeuge ist die Erfassung von Diskomfort aber unabdingbar, da hoher Diskomfort
zu einer Sicherheitsgefährdung führen kann.
Wie kann man diese Indikatoren zuverlässig und für den Fahrer nicht störend erfassen?
Die Sensorik beruht auf ausgereiften Komponenten aus dem Fitnessbereich und kommt durch
die Funkübertragung des Brustgurtes ohne direkte elektrische Verbindung des Patienten und
der Elektronik zur Datenerfassung aus. Sie ist sehr einfach zu verwenden und dank der Blue-
tooth-Übertragungstechnik flexibel einsetzbar. Das Verfahren liefert neben dem Blutdruck
auch den zeitlichen Verlauf der Herzfrequenz, was bei vielen Untersuchungen ausreichend ist.
Denkbar wäre auch die Erweiterung des Systems, so dass der Brustgurt zusätzlich eine voll-
158
ständige einkanalige EKG-Ableitung überträgt. Kann zur Diagnose nicht auf eine vollständige
Brustwandableitung verzichtet werden, so entfällt der Brustgurt und die R-Zacken-
Berechnung stützt sich auf die vorhandene EKG-Ableitung.
Der Blutdruck kann dabei mit hoher zeitlicher Auflösung ermittelt werden, so dass sich auch
kurzzeitige Schwankungen detektieren lassen, die bei klassischen manschettenbasierten
Messverfahren unentdeckt bleiben würden.
Für die genannten Untersuchungen ist eine Eigenschaft der Sensorik besonders wichtig: sie ist
für die Versuchsperson nicht störend und zieht nicht, wie z. B. das Aufpumpen der Blut-
druckmanschette, die Aufmerksamkeit auf sich und damit weg von der eigentlichen Testauf-
gabe. Damit werden Artefakte in den Messungen vermieden. Bei der Beanspru-
chungserfassung treten häufig nur kleine Veränderungen der analysierten Signale auf, die
durch die modellbasierte personalisierte Methode problemlos dargestellt werden.
Die Verwendung von personalisierten Be- und Entlastungsmodellen bzw. gemittelten Modell-
funktionen ermöglicht die kontinuierliche und nicht-invasive Bestimmung des systolischen
Blutdrucks mit hoher zeitlicher Auflösung. Ebenso kann der diastolische Druck mit Hilfe des
auf einem einfachen Arterienmodell basierenden Ansatzes zuverlässig ermittelt werden. Da-
durch werden auch kleinste Schwankungen sichtbar, die bei der Verwendung der auskultatori-
schen oder der oszillometrischen Methode unerkannt bleiben würden. Außerdem ist es mit
dem modellbasierten Ansatz ohne weiteres möglich, den Blutdruckverlauf auch während
Belastungsphasen darzustellen. Das Messsystem muss dazu allerdings für jede Person indivi-
duell kalibriert werden, wobei Ergometer oder Schellong Stufentest eingesetzt werden kön-
nen. Diese Kalibrierung erfolgt einmalig, da die Modellparameter über mehrere Wochen
unverändert bleiben, wenn keine gravierenden Kreislaufveränderungen auftreten oder blut-
druckregulierende Medikamente eingenommen werden.
Da die Referenzwerte des Blutdrucks zur Modellkalibrierung mittels der auskultatorischen
oder der oszillometrischen Methode bestimmt werden, kann mit dem modellbasierten Verfah-
ren eine vergleichbare Genauigkeit von ± 3 mmHg erreicht werden. Für eine detaillierte Feh-
leranalyse wäre eine gleichzeitige invasive Druckmessung wünschenswert, allerdings sind
derartige Messungen nach Aussagen von Medizinern aufgrund der Risiken für die Patienten
nicht möglich.
Die Praxistauglichkeit des Gesamtsystems nach Abbildung 4.33 konnte in den Untersuchun-
gen am Wiener Testsystem und bei Versuchen zur Müdigkeitserkennung während monotoner
Nachtfahrten im Fahrsimulator sowie zur Beanspruchungserkennung bei Fahrten im Straßen-
verkehr nachgewiesen werden.
Darüber hinaus wurde untersucht, ob die Messung von mehreren Beanspruchungsindikatoren
vereinfacht werden kann. Dazu wurde ein Konzept für ein einzelnes Sensormodul entwickelt,
das gleichzeitig verschiedene aussagekräftige Messgrößen erfasst. Das aufgebaute Testmuster
Zusammenfassung
159
kann ohne nennenswerten Aufwand angelegt werden und ist direkt einsatzbereit. Als mögli-
cher Bestandteil der Sicherheitseinrichtung eines Fahrzeugs müsste das System bei jeder Fahrt
verwendet werden, um so die Fahrsicherheit deutlich zu erhöhen. Es könnte ebenfalls genutzt
werden, um den Einfluss von Fahrerassistenzsystemen auf den Fahrzeugführer im Bereich der
Mensch-Maschine-Schnittstelle zu erforschen. Der vorgestellte Ansatz muss allerdings noch
weiter untersucht und bewertet werden.
Wie kann man aus den Indikatoren ein Beanspruchungsmaß ableiten?
Um den aktuellen Fahrerzustand zu beschreiben und ggf. zur Beeinflussung von anderen
Fahrzeugsystemen verwenden zu können, wird eine Kenngröße benötigt, die Beanspruchun-
gen quantitativ darstellt. So können auch Verkehrssituationen analysiert und deren Einfluss
auf den Fahrer beurteilt werden.
Der Einsatz von Verfahren der Mustererkennung und Klassifikation ermöglicht die zuverläs-
sige Bestimmung des Fahrerzustandes aus den erfassten Indikatoren. Dazu wird ein Neurona-
ler Netzklassifikator eingesetzt, der individuell trainiert wird. Auf diese Weise wird eine gute
Anpassung an neue Randbedingungen erreicht.
Als Eingangsmuster für das verwendete Netz werden die Amplitudenänderungen der physio-
logischen Parameter Herzratenvariabilität und systolischer Blutdruck sowie die Anzahl der
Hautleitwertreaktionen pro Minute ausgewählt. Diese haben sich in den Untersuchungen als
am besten geeignet erwiesen. Die Eingangsgrößen werden vor der Analyse normiert. Die
Ausgangsgröße, das aktuelle Beanspruchungsniveau, wird ebenfalls normiert angegeben, zum
einen als wertekontinuierliche Ausgabe und zum anderen als 3-stufige Darstellung.
Die Untersuchungen zeigen, dass der Beanspruchungskennwert sehr gut mit den unterschied-
lichen Belastungssituationen korreliert. Dies gilt sowohl für die Untersuchung am Wiener
Testsystem, als auch für die Fahrversuche im Simulator und im Versuchsfahrzeug.
160
Ausblick
161
7 Ausblick
Die Untersuchungen zeigen ein positives Bild für den Einsatz von physiologischen Indikato-
ren und speziell des Blutdrucks für die Fahrerüberwachung. Aber bis zu einer Markteinfüh-
rung als eigenständiges System sind noch einige Arbeiten nötig.
Das System muss ins Fahrzeug integriert werden. Dazu gehört, die Hardware so zu verklei-
nern, dass sie vollständig im Head-Set Platz findet und ausreichend energieeffizient arbeitet,
um mehrere Stunden Arbeitsbereitschaft bei kleiner Akkugröße zu garantieren. Gegebenen-
falls kann eine Verknüpfung mit anderen Parametern, wie z. B. Lidschlagdaten eines Kamera-
systems oder Spurhaltedaten erfolgen, um das System robuster zu gestalten.
Ebenso ist eine Möglichkeit zu suchen, wie die Kalibrierung des Blutdruckmessverfahrens
realisiert werden kann, ohne dass der Fahrer einen Stufentest absolvieren muss. Dazu gehört
auch die personenbezogene Speicherung der Kalibrierungsdaten. In diesem Zusammenhang
ist auch eine adaptive Anpassung an den Fahrer zu überdenken. Beispielsweise könnten Refe-
renzwerte für den Fahrerzustand zu Beginn der Fahrt gesammelt werden und zum Abgleich
mit den aktuellen Daten dienen, um das System der Tagesform des Fahrers anzupassen und
Fehlklassifikationen zu verringern.
Darüber hinaus sind Untersuchungen nötig, die klären wie ein solches System vom Fahrer
akzeptiert wird und wie seine Nutzungsbereitschaft aussieht. Denn der Fahrer ist selber dafür
verantwortlich, den Sensor anzulegen. Dies tut er aber nur, wenn er sich dadurch einen Vorteil
verspricht und ihn das Gerät nicht stört oder behindert. Außerdem ist zu untersuchen, in wel-
cher Form der Beanspruchungskennwert dazu verwendet wird, Warnungen für den Fahrer zu
generieren oder Fahrzeugparameter zu beeinflussen. Auch hier sind Akzeptanz- und Sicher-
heitsuntersuchungen von größter Wichtigkeit, denn jeder Fahrer reagiert anders auf eine
„Bevormundung“ von außen. Dies kann zur Missachtung der Warnung oder zum Abschalten
des Gerätes führen. Im schlimmsten Fall wird ein Fahrzeug mit derartigem Gerät nicht wieder
gekauft. Die Erweiterung um eine Telefonfunktion würde das System aufwerten und die
Nutzungsbereitschaft sicher erhöhen. Die Auslegung der Mensch-Maschine-Schnittstelle
spielt also auch hier eine große Rolle.
162
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Anhang
175
Anhang
A.1 Fragebögen
A.1.1 Beanspruchungsskala „NASA-Task Load Index“
176
Anhang
177
178
Anhang
179
180
Anhang
181
A.1.2 Beanspruchungsskala „Rating Scale of Mental Effort“
182
A.1.3 Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung
Anhang
183
A.1.4 Befindlichkeitsfragebogen „Swedish Occupational Fatigue Inventory“
184
A.1.5 Müdigkeitsfragebogen „Stanfort Sleepiness Scale“
Anhang
185
A.2 Kontinuierliche nicht-invasive Blutdruckmessverfahren
Im Folgenden sollen einige kontinuierlich arbeitende Blutdruckmesssysteme vorgestellt wer-
den, die auf einer nicht-invasiven Methode beruhen. Es handelt sich dabei um Verfahren, die
externen Druck – z. B. mittels einer Manschette – auf eine Körperstelle ausüben. Die meisten
Systeme konnten sich allerdings auf dem Markt noch nicht in größerem Umfang etablieren.
A.2.1 Volumenkompensationsmethode, Peñáz-Verfahren
Die Methode, die 1967 von Peñáz patentiert wurde, ermöglicht es, die vollständige Wellen-
form des arteriellen Blutdrucks am Finger mittels Volumen-Abklemmtechnik zu messen. Aus
diesem Prinzip sind die Systeme Finapres und Portapres [Fi02] entstanden, die noch heute
kommerziell verfügbar sind.
Abb. A.1: Finapres- und Portapres-Blutdruckmesssystem [Fi02]
Für die Messung wird eine Fingermanschette mit eingebautem Transmissions-Photoplethys-
mographen verwendet. Dieser registriert kontinuierlich die Blutvolumenschwankungen im
Finger und regelt über ein schnelles elektropneumatisches Servoventil den Manschettendruck,
so dass das vom Sensor gemessene Blutvolumen konstant gehalten wird und die Schwankun-
gen verschwinden [Je01]. Ist die Differenz zwischen dem Manschettendruck und dem Druck
im Innern der Arterie Null, dann ist die Arterienwand entlastet und der in der Manschette
messbare Druck entspricht dem Blutdruck. Eine entscheidende Schwierigkeit des Peñáz-
Verfahrens ist die Ermittlung des – aufgrund physiologischer Faktoren variierenden – Soll-
wertes für die Volumenabklemmung, bei der die Fingerarterien unbelastet sind. Eine befriedi-
gende Lösung dieses Problems gelang erst mit der Einführung einer Mikroprozessorsteuerung
des Gerätes.
186
Abb. A.2: Messprinzip der Volumenkompensationsmethode [El01]
Nach einem Kalibrierungsvorgang können absolute Werte des Blutdrucks registriert werden.
Nachteil des Verfahrens ist die eingeschränkte Anwendbarkeit bei Probanden mit reduzierter
Durchblutung der Finger und die nicht immer gewährleistete Korrelation zwischen dem Blut-
druck im Finger und dem Druck im zentralen Kreislaufsystem. Darüber hinaus kann das
Abdrücken durch die Manschette zu Schmerzen und Taubheit in der Fingerkuppe führen,
weshalb beim Portapres-Gerät abwechselnd mit je einer Manschette an zwei Fingern gemes-
sen wird.
A.2.2 Arterielle Applanationstonometrie
Bei dieser Methode wird nicht mit einer Manschette externer Druck auf den gesamten Um-
fang eines Extremitätenabschnitts ausgeübt, sondern es wird eine oberflächlich gelegene
Arterie lokal auf einen darunter liegenden Knochen gedrückt. Das Sensorgehäuse enthält
piezoelektrische Druckaufnehmer, die über der Arterie an der Hautoberfläche platziert wer-
den. Das mikroprozessorgesteuerte Servosystem des Tonometers übt dann einen derartigen
Druck auf das Gewebe aus, dass die Arterienwand vollständig entlastet wird, ohne dass das
Blutgefäß abgeschnürt wird. Die Druckschwankungen in der Arterie werden so auf die
Drucksensoren übertragen. Der gemessene Druck kann dann als proportional zum interarte-
riellen Blutdruck angenommen werden.
Anhang
187
Abb. A.3: Prinzip der arteriellen Applanationstonometrie [El01]
Diese Methode liefert im Vergleich zur direkten Messung gute Ergebnisse, muss aber mit
Hilfe der oszillometrischen Methode regelmäßig etwa alle fünf Minuten individuell kalibriert
werden. Der Einsatz wird allerdings nur empfohlen, wenn sich der Proband nicht bewegt, da
das System sonst rekalibriert werden muss.
Eine Weiterentwicklung des Mess-Systems (Vasotrac der Firma Medwave [Me05, Th02])
liefert keine kontinuierliche Druckkurve mehr, sondern ca. vier Mal in der Minute neue Werte
für den systolischen und diastolischen Druck. Diese Werte werden mit Hilfe einer empiri-
schen Formel gewonnen und können bei extremen Kreislaufzuständen fehlerhaft sein. Bei
diesem neuen System ist nur noch eine Kalibrierung notwendig, aber die Bewegungsartefakt-
anfälligkeit bleibt bestehen.
A.2.3 Kontaktdruckmethode
Für die Kontaktdruckmethode wird ähnlich der oszillometrischen Messung eine aufblasbare
Oberarmmanschette verwendet. Im Kalibrierungsschritt werden die arteriellen Blutvolumina
bestimmt, die mit dem systolischen, diastolischen und mittleren Blutdruck korrelieren. Für
Blutdruck und -volumen wird dann ein quadratischer Zusammenhang ermittelt. Für die ei-
gentliche Messung wird die Manschette auf einen Druck deutlich unterhalb des diastolischen
Drucks aufgepumpt, der dann konstant gehalten wird. Volumenänderungen in der Arterie
während des Herzzyklus erzeugen Druckschwankungen in der Manschette, aus denen dann
der Blutdruckverlauf rekonstruiert wird.
Die Messgenauigkeit, insbesondere bei kurzzeitigen und ausgeprägten Blutdruckschwan-
kungen, ist nicht zufrieden stellend. Weiterhin muss häufig eine Neukalibrierung durchgeführt
werden, wenn sich der Blutdruck stark ändert.
188
A.3 Abschätzung des systolischen Blutdrucks aus der Pulswellen-
steigung
A.3.1 Formaler Zusammenhang
Die im Folgenden dargestellten Zusammenhänge greifen auf Beiträge der Autoren BUSSE
[Bu82], SCHMIDT ET AL. [Schm05] und TIPLER ET AL. [Ti09] zurück.
Der kontinuierliche Blutdruckverlauf im arteriellen System entspricht einer pulsierenden
Strömung in einer elastischen Röhre, wie in Abbildung A.4 zu sehen ist.
Abb. A.4: Elastisches Schlauchelement [Bu82]
Hierfür kann die Wellengleichung angegeben werden, wenn man einen verlustfreien, elasti-
schen Schlauch annimmt. Verlustfrei heißt in diesem Zusammenhang, dass Druck-, Strom-
und Querschnittspuls bei nur einer Wellenlaufrichtung den gleichen Kurvenverlauf besitzen.
2
2
2
2
2
z
V
c
t
V
∂
∂
=
∂
∂ Gl. A-1
Die Gleichung A-1 beschreibt das momentane zeitliche Verhalten des Volumens, wobei c die
Pulswellengeschwindigkeit ist. Der folgende Ansatz stellt eine Lösung der Wellengleichung
dar:
)()(),( 21 ctzfctzftzV
+
+
−
=
Gl. A-2
Die Parameter f1 und f2 sind reelle Funktionen, die zweimal differenzierbar sein müssen und
den Wellen in positiver bzw. negativer Laufrichtung entsprechen. Eine Schwierigkeit stellt die
Einbeziehung von Dämpfung der Pulswelle durch innere Flüssigkeitsreibung, innere Wand-
reibung und seitlichen Abfluss dar. Daher beschränken wir uns auf eine sinusförmige Zeitab-
hängigkeit der Veränderungen des Volumens unter der Voraussetzung eines linearen
Verhaltens der Schlauchwand. Auf diese Weise lässt sich die komplexe Amplitude V(z)
einführen:
)exp()(),( tjzVtzV
ω
⋅
=
Gl. A-3
Anhang
189
Abb. A.5: Differentielles Element der Wellenleitung
Fasst man alle Längswiderstände im Schlauch, wie den Trägheits- und den Reibungswider-
stand der Flüssigkeit zu einem Längswiderstand pro Längeneinheit zl und alle Querwider-
stände des Schlauches, wie den inneren Wandreibungswiderstand und den Widerstand der
Compliance der Gefäßwand zu einem Querwiderstand pro Längeneinheit zq zusammen, so
erhält man durch Differentiation der Kontinuitäts- und der Bewegungsgleichung das folgende
Ergebnis:
VV
z
z
z
V
q
l2
2
2
γ
==
∂
∂ Gl. A-4
Die Lösung dieser Differentialgleichung lautet für das Volumen V(z) mit
q
l
z
z
=
2
γ
(
γ
: Übertragungskonstante):
)exp()exp()( 21 zVzVzV
γ
γ
⋅
+
−
⋅
=
Gl. A-5
Die Übertragungskonstante lässt sich mit der Dämpfungskonstante
α
und der Phasenkonstante
β
als
β
α
γ
j+= schreiben. Einsetzen in Gleichung A-5 und Gleichung A-3 liefert für V(z,t):
12
( , ) exp( ) exp( ( )) exp( ) exp( ( ))Vzt V z j t z V z j t z
α
ωβ α ωβ
=⋅ − ⋅ − + ⋅ ⋅ + Gl. A-6
Der erste Summand beschreibt die hinlaufende Welle und der zweite Summand die rücklau-
fende Welle. Der jeweils zeitabhängige Faktor der beiden Produkte beschreibt den Phasenzu-
stand des Volumens. Eine bestimmte Phase (ωt-βz=const) wandert mit der Zeit zu größeren
Werten von z. Die Geschwindigkeit der Fortpflanzung erhält man durch Differentiation der
Phase nach der Zeit: ()0
dtz
dt
ωβ
−=. Die Phasengeschwindigkeit ergibt sich also nach:
P
h
dz c
dt
ω
β
== Gl. A-7
Diese ist im Allgemeinen frequenzabhängig, was zu Dispersion führt.
190
Das Gesamtvolumen des Schlauches besteht aus einem konstanten Volumenanteil und einem
zeitlich variablen Anteil.
0
(,) (,)
ges
VztVVzt
=
+ Gl. A-8
Betrachtet man ausschließlich die hinlaufende Welle, ergibt sich für die zeitliche Volumenän-
derung:
1
( , ) ( ) exp( ) exp( ( ))
ges
VztVj z jt z
ωα ωβ
=⋅ ⋅ − ⋅ −
& Gl. A-9
Bei einem zylindrischen Volumen des Schlauchabschnitts 2
0
VRl
π
=
⋅ ergibt sich bei einer
Amplitude der Volumenänderung von 12VRdRl
π
=
⋅⋅ (vgl. Kap. 4.3.1):
( , ) 2 ( ) exp( ) exp( ( ))
ges
Vzt RdRlj z jt z
π
ωα ωβ
=⋅⋅⋅⋅−⋅ −
& Gl. A-10
Einsetzen von Gleichung 4-10 liefert:
2
( , ) 2 ( ) exp( ) exp( ( ))
ges
pR
Vzt R lj z jt z
hE
π
ωα ωβ
⋅
=⋅ ⋅⋅⋅−⋅ −
⋅
& Gl. A-11
Betrachtet man ausschließlich den Realteil, erhält man das folgende Ergebnis:
3
( , ) 2 exp( ) sin( )
ges
pR
Vzt l z t z
hE
π
ωαωβ
⋅
=− ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅ −
⋅
& Gl. A-12
Für die Fragestellung ist nicht der zeitliche Verlauf der Volumenänderung, sondern nur deren
Maximalwert interessant. Ersetzt man gleichzeitig 2
f
ω
π
=
, so erhält man:
3
2
( ) 4 exp( )
ges
pR
Vz f l z
hE
π
α
⋅
=− ⋅ ⋅ ⋅ −
⋅
& Gl. A-13
Der Parameter f kann hier als Herzfrequenz (in Hz) aufgefasst werden. Das Maximum der
Volumenänderung ist also vom Blutdruck p abhängig. Letzterer lässt sich daher aus der Stei-
gung der Volumenpulswelle abschätzen, wenn man die synchron stattfindende Änderung der
Herzfrequenz berücksichtigt. Die anderen Parameter in Gleichung A-13 sind konstant. Abbil-
dung A.6 zeigt den Zusammenhang noch einmal grafisch.
Anhang
191
Abb. A.6: Zusammenhang zwischen Volumenänderung und Blutdruck
A.3.2 Ergebnisse
Die Abbildung A.7 zeigt oben den aus der Pulstransitzeit berechneten Verlauf des systoli-
schen Blutdrucks für eine Versuchsperson. Unten dagegen ist eine Näherung des Blutdruck-
verlaufs aus der Steigung der Pulskurve ermittelt. Dazu wurde für jede Herzaktion der
Maximalwert der Steigung der Volumenpulswelle bestimmt.
192
Abb. A.7: Oben: Pulstransitzeit zur Modellbildung verwendet. Unten: Steigung der Pulskurve zur Modellbildung
verwendet (VP1)
Charakteristische Schwankungen im Druckverlauf werden in beiden Fällen gleichermaßen gut
abgebildet. Allerdings wird bei der Bewertung der Pulskurve ein höherer Maximaldruck
erreicht. Der Abfall des Blutdrucks nach der Belastung erfolgt bei der Ermittlung aus der
Steigung schneller und steiler. Der Druckverlauf sieht somit eher dem Signalverlauf der Herz-
frequenz ähnlich. Dennoch scheint die Steigung der Volumenpulskurve eine gute Möglichkeit
zu sein, den Blutdruckverlauf ohne simultane Registrierung einer EKG-Ableitung zu schät-
zen. Dies vereinfacht die Messung erheblich, allerdings muss die vorgestellte Methode im
Einzelnen noch weiter untersucht werden.
Maximaldruck: 163 mmHg
Maximaldruck: 186 mmHg
Anhang
193
A.4 Erweiterung der Sensorik zu einem Head-Set
Im Folgenden wird ein Konzept beschrieben, bei dem gleichzeitig mehrere relevante physio-
logische Messgrößen mit nur einem Sensorelement registriert werden können.
Tabelle A.1 zeigt die wichtigsten physiologischen Parameter, die als Beanspruchungsindika-
tor herangezogen werden können. Fahrzeugdaten wie Lenkradbewegung oder Spurhaltung
sollen in dieser Arbeit keine Rolle spielen, könnten aber in zukünftigen Systemen als weitere
Parameter integriert werden.
Tab. A.1: Mögliche physiologische Beanspruchungsindikatoren
Phys. Signal Sensor Vor-/Nachteil
Herzfrequenz, Herzraten-
variabilität, Pulswelle, Blut-
druck, Sauerstoffsättigung
IR-Sensor ist integriert
EKG, Herzfrequenz, Herzra-
tenvariabilität
Brustgurt, Elektroden teilweise redundant (s. IR-
Sensor)
Hautleitwert Elektroden Kabel, Messorte (Handflä-
che/ Fußunterseite)
Körpertemperatur Temperatursensor ist integriert
Kopfbeschleunigung Beschleunigungssensor ist integriert
Atemfrequenz Mikrofon, Atemgurt störempfindlich, willentlich
steuerbar
EEG Elektrodenhaube zu aufwändig
Lidschlagfrequenz Kamera, Elektroden zu aufwändig
Die Verwendung eines Infrarotsensors erscheint vielversprechend zu sein, da sich so eine
ganze Reihe von Parametern erfassen lassen. Wie schon in den vorangehenden Abschnitten
gezeigt, dient er zur Registrierung der peripheren Pulswelle, aus der sich der kontinuierliche
Blutdruckverlauf ermitteln lässt. Aus der Pulswelle lassen sich aber auch die Herzfrequenz
und deren Variabilität bestimmen und mit einer Erweiterung der Hardware kann zusätzlich
auch die Sauerstoffsättigung des Blutes erfasst werden. Dazu werden statt einer zwei Sende-
dioden mit unterschiedlichen Wellenlängen eingesetzt, die abwechselnd rotes und infrarotes
Licht in das darunterliegende Gewebe abstrahlen. Bedingt durch die unterschiedlichen Ab-
sorptionskoeffizienten von Hämoglobin und oxigeniertem Hämoglobin ergeben sich ver-
schiedene Intensitäten am Empfänger, aus denen sich der Blutsauerstoffgehalt berechnen
lässt.
194
Auf einen Brustgurt kann verzichtet werden, wenn der systolische Blutdruck, wie im voran-
gehenden Kapitel A.3.1 gezeigt, über die Steigung der Pulswelle abgeschätzt und die Herzfre-
quenz ebenfalls aus der Pulswelle abgeleitet wird. Die Erfassung eines EKGs über Elektroden
im Lenkrad ist denkbar, aber durch die variablen und nicht kontrollierbaren Handpositionen
artefaktbehaftet. Ansätze zur kapazitiven EKG-Messung mit Elektroden im Sitz und Dach-
himmel des Fahrzeugs sind durch die Verwendung des Infrarotsensors nicht nötig.
Die Erfassung des Hautleitwertes ist mit Schwierigkeiten verbunden, die sich aus den weni-
gen geeigneten Ableitungsorten ergeben. Der Einsatz von manuell zu befestigenden Elektro-
den scheidet wegen des hohen Aufwandes und der Kabelführung aus. Es bleibt nur die
Messung an den Handinnenflächen mit Hilfe von Elektroden im Lenkrad, die aber aus den
oben genannten Gründen schwierig ist. Daher wird bei diesem Sensorkonzept auf die Erfas-
sung des Hautleitwertes verzichtet.
Körpertemperatur und Kopfbeschleunigung lassen sich leicht mit einfachen Sensoren bestim-
men. Sie dienen vor allem zur Erkennung von Müdigkeit und von Einschlafereignissen, bei
denen z. B. der Kopf nach vorne sackt oder leichte Pendelbewegungen ausführt.
Auf die Erfassung der Atemfrequenz wurde verzichtet, da sie teilweise willentlich steuerbar
und über einen weiten Bereich manipulierbar ist [Scha81]. Dies schränkt die Aussagekraft für
die Beanspruchungsmessung ein. Beim Eintritt von Müdigkeit allerdings wird die Atmung
flacher und ist nicht mehr bewusst steuerbar, so dass eine Verwendung als Parameter zur
Vorhersage von Einschlafereignissen denkbar ist [Schl10]. Eine Bestimmung aus dem Verlauf
der Pulswelle müsste ggf. untersucht werden, so dass auf weitere Sensorelemente wie Atem-
gurt oder Mikrofon verzichtet werden könnte.
Auf die Registrierung von EEG-Ableitungen und Lidschlagparametern wurde ebenfalls ver-
zichtet, da sie im Rahmen dieses Konzeptes als zu aufwändig erscheinen. Die Auswertung
von EEG-Daten befindet sich ohnehin derzeit erst im Forschungsstadium und die Verwen-
dung von Kamerasystemen zur Lidschlagüberwachung hat zwar den Vorteil, dass sie kontakt-
los arbeitet, die Qualität der Aufnahme ist aber auch stark von der Sitzposition des Fahrers
und der zuverlässigen Detektion der Augen abhängig. Grundsätzlich könnten diese Daten aber
mit der hier entwickelten Sensorik kombiniert werden, um den Fahrerzustand noch besser
beurteilen zu können.
Die verwendete Hardware basiert auf dem in Kapitel 4.8.2 beschriebenen Aufbau. Brustgurt
und Ohrsensor wurden durch ein Head-Set ersetzt, in dem alle verwendeten Sensorelemente
integriert wurden, siehe Abbildung A.8. Die Komponenten zu Filterung und Verstärkung
sowie der Microcontroller und der Bluetoothsender zur Messdatenübertragung wurden zu-
nächst in eine externe Box ausgegliedert. Sie können aber durch entsprechend hohe Integrati-
on der Bauteile ebenfalls im Head-Set untergebracht werden.
Das Head-Set-Modul wurde bei einzelnen Versuchen eingesetzt. Auf eine Wiedergabe der
Messkurven wurde aber verzichtet, da die Signalverläufe vom Transmissionssensor des Ohr-
clips und vom Reflexionssensor des Head-Sets im Wesentlichen übereinstimmen.
Anhang
195
Abb. A.8: Prototyp des entwickelten Head-Sets
196
A.5 Programmstruktur zur Datenerfassung und -auswertung
Abb. A.9: Komponenten und Aufbau der Datenerfassung und -auswertung mit Matlab
Anhang
197
A.6 Trainingsdatensätze
Tab. A.2: Verwendete Datensätze zum Training des Neuronalen Netzes
VP
Trainierter Beanspruch-
ungskennwert: 0
Trainierter Beanspruch-
ungskennwert: 1
Messbereich in sek Messbereich in sek
von bis von bis
1 5 198 1760 1999
2 5 351 1759 2011
3 5 283 1603 1856
4 5 251 1630 1856
5 5 207 1504 1758
6 5 239 1597 1841
7 5 176 1495 1747
8 5 205 1526 1777
9 5 177 1622 1890
10 5 207 1550 1809
11 5 296 1799 2055
12 5 198 1544 1778
13 5 178 1583 1835
14 5 151 1563 1788
15 5 163 1426 1682
198
A.7 Versuchsergebnisse Studie 1: Wiener Testsystem
Tab. A.3: Daten der Versuchspersonen aus Studie 1
VP Geschlecht Alter Gewicht Sport Alkohol Rauchen Medikamente
1 w 24 58 n j n n
2 m 26 75 n j n n
3 w 27 63 j n n n
4 m 25 79 j j j n
5 m 21 64 j j n n
6 w 25 87 n n n n
7 m 25 67 n j n n
8 m 35 80 j j n n
9 m 23 97 n j j n
10 m 24 81 n j n n
11 w 27 75 j j n n
12 m 25 69 j n n n
13 m 24 74 j n n n
14 m 41 77 j j n n
15 m 31 90 n j j n
Tab. A.4: Zusammenfassung der Ergebnisse aus Studie 1
VP Ruhewerte Maximalwerte
Mittelwert
HRV
[sec^2]
Mittelwert
Psys
[mmHg]
Anzahl
SCR-
Reaktionen
[1/min]
HRV
[sec^2]
Psys
[mmHg]
Anzahl
SCR-
Reaktionen
[1/min]
1 0,0058 111,9 7 0,0018 126,9 24
2 0,0076 113,8 5 0,0022 130,0 20
3 0,0144 113,4 5 0,0003 167,5 27
4 0,0056 162,8 5 0,0009 170,5 30
5 0,0046 105,1 11 0,0016 113,1 41
6 0,0106 114,1 7 0,0028 122,7 35
7 0,0161 125,8 4 0,0013 137,5 25
8 0,0097 122,1 7 0,0021 134,7 34
9 0,0033 132,1 12 0,0012 135,3 31
10 0,0147 106,7 9 0,0051 134,5 36
11 0,0122 80,2 0 0,0027 100,6 22
12 0,0052 117,7 9 0,0006 141,3 33
13 0,0115 107,5 6 0,0024 113,4 23
14 0,0063 126,4 5 0,0019 138,2 35
15 0,0054 114,4 5 0,0005 140,6 37
Farblich markiert sind: jüngster Versuchsteilnehmer , Versuchsteilnehmer mittleren
Alters und ältester Versuchsteilnehmer
Anhang
199
A.8 Versuchsergebnisse Studie 3: Straßenverkehr
Tab. A.5: Daten der Versuchspersonen aus Studie 3
VP Geschlecht Alter Gewicht Sport Alkohol Rauchen Medikamente
1 w 25 87 n n n n
2 m 26 75 j j j n
3 w 24 53 j n j n
4 w 27 75 j j n n
5 m 29 93 n j n n
6 m 50 94 n j n n
7 m 30 90 n j j n
8 m 26 73 j j n n
9 m 58 95 n j n n
10 w 56 68 n n j n
200
Abb. A.10: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP6): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung), sowie Fahrgeschwindigkeit
Anhang
201
Abb. A.11: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP8): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung), sowie Fahrgeschwindigkeit
202
A.9 Versuchsergebnisse Studie 4: Müdigkeit
Tab. A.6: Daten der Versuchspersonen aus Studie 4
VP Geschlecht Alter Gewicht Sport Alkohol Rauchen Medikamente
1 m 26 75 j j j n
2 w 25 87 n n n n
3 m 29 71 j j j n
4 w 25 70 n j n n
5 m 25 84 j j n n
6 m 29 93 n j n n
7 m 50 94 n j n n
8 w 27 75 j j n n
9 m 41 77 n n n n
10 w 59 67 j j n n
11 m 39 97 j n n n
12 m 57 100 n j n n
13 m 57 75 n j j n
14 m 73 85 j n n n
15 w 43 61 n j j n
16 m 29 71 j j j n
17 m 29 93 n j n n
18 m 25 83 j n n n
19 w 57 79 n j n n
20 w 48 50 j j n n
21 w 54 73 j j n n
22 w 56 68 n n j n
Anhang
203
Abb. A.12: Messdaten einer Versuchsfahrt (VP12): Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der
Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Bean-
spruchung), sowie Fahrzeugdaten und Müdigkeitseinschätzung von Versuchsleiter (□) und Fahrer (◊)
204
Abb. A.13: Messdaten einer Versuchsperson (VP8) bei plötzlichem Auftauchen eines Rehs (senkrechte Markie-
rungen: Herzratenvariabilität, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Bean-
spruchungskenngröße (0: geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Anhang
205
Abb. A.14: Messdaten einer Versuchsperson (VP19) bei Eintritt von Schwindel und Übelkeit: Herzratenvariabi-
lität, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0:
geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
206
Abb. A.15: Messdaten einer Versuchsperson (VP21) bei Eintritt von Schwindel und Übelkeit: Herzratenvariabi-
lität, systolischer Blutdruck, Anzahl der Hautleitwertreaktionen und berechnete Beanspruchungskenngröße (0:
geringe Beanspruchung, 1: hohe Beanspruchung)
Anhang
207
A.10 Abkürzungsverzeichnis
2D 2-Dimensional
ABS Antiblockiersystem
ACC Fahrgeschwindigkeitsregelung (Adaptive Cruise Control)
ANS Autonomes Nervensystem
Art Arterie
ASR Antischlupfregelung
BAS Bremsassistent
bel Belastung
Bit Binary Digit
CAN Controle Area Network
COG Cognitrone (Wiener Testsystem)
dias diastolisch
DT Determinationstest (Wiener Testsystem)
EDA Elektrodermale Aktivität (Electrodermal Activity)
EDR Electrodermal Response
EDR amp. EDR - Amplitude
EDR lat. EDR - Latenz
EDR rec.t. EDR - Erholungszeit
EDR ris.t. EDR - Anstiegszeit
EEG Elektroenzephalogramm
EKG Elektrokardiogramm
ent Entlastung
EOG Elektrookulogramm
ESP Elektronisches Stabilitätsprogramm
EU Europäische Union
f Funktion
FAS Fahrerassistenzsysteme
Gew Gewebe
HF Herzfrequenz
HMI Mensch-Maschine-Schnittstelle (Human-Machine-Interface)
Hz Hertz
KAB Kurzfragebogen zur aktuellen Beanspruchung
LDW Spurhalteassistent (Lane-Departure-Warning)
L-Lab Lichtlabor L-LAB, Paderborn/ Lippstadt
max Maximum
min Minimum
min Minute
mmHg Millimeter Quecksilbersäule
NASA North Atlantic Treaty Organisation
NASA-TLX NASA-Task Load Index
NS.SCR NonSpecific Skin Conduktance Response
PC Personalcomputer
PDA Personal Digital Assistant
PEP Pre-ejection Periode
PTT Pulstransitzeit (Pules Wave Transit Time)
RF Radio Frequenz
RSME Rating Scale of Mental Effort
208
RT Reaktionstest (Wiener Testsystem)
S Siemens
SCL Skin Conductance Level
SCR Skin Conductance Response
Sek Sekunde
SOFI Swedish Occupational Fatigue Inventory
SSS Stanford Sleepiness Scale
sys systolisch
USB Universal Serial Bus
V Volt
VP Versuchsperson
WTS Wiener Testsystem
Anhang
209
A.11 Verwendete Formelzeichen
a, b, c Konstanten
a1,a2,a3 Modellkoeffizienten
c Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, Pulswellengeschwindigkeit
cph Phasengeschwindigkeit
c Konzentration
cArt Konzentration der absorbierenden Substanz im Blut
cGew Konzentration der absorbierenden Substanz im Gewebe
C1, C2 Konstanten
E (Youngscher) Elastizitätsmodul
E0, Ep Empirische Elastizitätsmodulkonstanten
Et Tangentialer Elastizitätsmodul
F Kraft
Fσ Spannungskraft
fHF Herzfrequenz
fkorr Korrekturfaktor
Fp Druckkraft
h Dicke eines Körpers; Wanddicke eines Schlauches
I0 Eingangsstrahlungsintensität
Imax Maximalwert der Ausgangsstrahlungsintensität
Imin Minimalwert der Ausgangsstrahlungsintensität
j imaginäre Einheit
K Kompressionsmodul
l Länge eines Körpers bzw. eines Schlauchsegments
lArt Arterienlänge
lGew Gewebelänge
lmax maximale Länge
lmin minimale Länge
mbel,0/0 Anfangssteigung der Belastungskennlinie im Ursprung
p Druck
pcuff Manschettendruck
Pdias diastolischer Blutdruck
Psys systolischer Blutdruck
Psys,max Maximalwert des systolischen Blutdrucks am Belastungsende
Psys,Ruhe Ruhewert des systolischen Blutdrucks
R Innenradius eines Schlauches
r Radialkomponente des Zylinderkoordinatensystems (z, r, t)
t Tangentialkomponente des Zylinderkoordinatensystems (z, r, t)
t Zeit
tA Belastungsbeginn
tE Belastungsende
tPdias Zeitpunkt der diastolischen Blutdruckmessung
tPsys Zeitpunkt der systolischen Blutdruckmessung
TR_P Pulstransitzeit
TR_P,max Maximalwert der Pulstransitzeit am Belastungsende
TR_P,Ruhe Ruhewert der Pulstransitzeit
TRR Dauer eines RR-Intervalls
V Volumen; komplexe Geschwindigkeitsamplitude
V0 Ruhevolumen
210
V1, V2 hin-, rücklaufendes Volumen
Vges Gesamtvolumen
V
& Volumenänderung
z Longitudinalkomponente des Zylinderkoordinatensystems (z, r, t)
zl Längswiderstand pro Längeneinheit eines Schlauches
zq Querwiderstand pro Längeneinheit eines Schlauches
α Dämpfungskonstante
β Phasenkonstante
γ Übertragungskonstante
Δl Längendifferenz
ΔlArt Arterienlängendifferenz
Δp Druckdifferenz
Δpcuff Manschettendruckoszillation
ΔPdias normierter diastolischer Blutdruck
ΔPsys normierter systolischer Blutdruck
ΔTR_P normierte Pulstransitzeit
ε Dehnung bzw. Stauchung
ε Extinktionskoeffizient
εArt Extinktionskoeffizient von Blut
εGew Extinktionskoeffizient von Gewebe
ω Kreisfrequenz
σ Wandspannung
σt Tangentiale Wandspannung
