Within neurophysiology, there is need for improvements to functional brain imaging devices. Neural processing within the brain occurs on milli-second through to second timescales. Currently there are no systems with the sufficient temporal resolution and depth sensitivity. Electrical impedance tomography (EIT) is a technique that offers milli-second imaging, depth sensitivity, portability and low cost. It is already applied routinely in other medical applications such as lung function monitoring and breast imaging. The research presented in this thesis has contributed to the design and development of a 32-electrode EIT system, known as fEITER (functional Electrical Impedance Tomography of Evoked Responses). fEITER has been designed to be a brain imaging device that has a temporal resolution of 100 fps with an overall SNR of greater than 70 dB operating at 10 kHz. In order to carry out human tests using fEITER, the system required applications to the local and national ethics (NRES) as well as safety standards regulation (MHRA). These processes were successfully completed, receiving a 'notice of no objection' for a clinical trial using fEITER at The University of Manchester and Manchester Royal Infirmary. A series of tank tests were analysed as a method of understanding the system performance. The data obtained from human tests showed unique results. The reference data showed a repeating 'saw tooth' that is time-locked to the heart beat of the volunteer, which is a novel observation in medical EIT. Furthermore, the auditory stimuli data showed topographical differences across the scalp with respect to the startle and controlled auditory stimuli. These observations are based on single-event evoked responses, which is unique within the field of evoked potential studies. From the observations reported in this thesis it is plausible that fEITER is measuring voltages changes that are due to the neural processing.

The purpose of this study is to determine under what conditions multiple minimally intrusive physiological sensors can be used together and validly applied for use in areas which rely on adaptive systems including adaptive automation and augmented cognition. Specifically, this dissertation investigated the physiological transitions of operator state caused by changes in the level of taskload. Three questions were evaluated including (1) Do differences exist between physiological indicators when examined between levels of difficulty? (2) Are differences of physiological indicators (which may exist) between difficulty levels affected by spatial ability? (3) Which physiological indicators (if any) account for variation in performance on a spatial task with varying difficulty levels? The Modular Cognitive State Gauge model was presented and used to determine which basic physiological sensors (EEG, ECG, EDR and eye-tracking) could validly assess changes in the utilization of two-dimensional spatial resources required to perform a spatial ability dependent task. Thirty-six volunteers (20 female, 16 male) wore minimally invasive physiological sensing devices while executing a challenging computer based puzzle task. Specifically, participants were tested with two measures of spatial ability, received training, a practice session, an experimental trial and completed a subjective workload survey. The results of this experiment confirmed that participants with low spatial ability reported higher subjective workload and performed poorer when compared to those with high spatial ability. Additionally, there were significant changes for a majority of the physiological indicators between two difficulty levels and most importantly three measures (EEG, ECG and eye-tracking) were shown to account for variability in performance on the spatial task.

La théorie de la charge cognitive (CLT) permet de décrire l’investissement des ressources cognitives lors d’apprentissages scolaires. Cependant, elle présente deux limites, théorique et méthodologique. D’un point de vue théorique, la CLT utilise des modèles de la mémoire de travail (MdT), pour décrire les ressources cognitives utilisées lors des apprentissages, qui ne prennent pas en compte les variations de l’utilisation des ressources cognitives au cours du temps. L’autre limite est méthodologique : non seulement elle ne propose pas de mesure de la charge cognitive qui soit fiable ou dynamique.Pour répondre à ces limites, nous proposons d’utiliser des mesures physiologiques et un nouveau modèle de la MdT, le modèle TBRS (Time Based Resource Sharing). Les mesures physiologiques permettent d’analyser les variations temporelles de la charge cognitive. Le modèle TBRS prend en compte l’allocation dynamique du focus attentionnel. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier l’apport des mesures physiologiques et du modèle TBRS à la CLT.Pour répondre à la question méthodologique, une première expérimentation a utilisé une épreuve du concours de l’École Nationale d’Aviation Civile, en enregistrant des mesures physiologiques. Ensuite, quatre expérimentations ont tenté de répondre à la question théorique, portant sur l’utilisation du modèle TBRS dans le cadre de la CLT. Elles ont commencé par deux réplications d’une étude princeps du modèle TBRS, utilisant des items pouvant être regroupés en chunks. Les deux expérimentations suivantes ont étendu ces résultats. Enfin, une sixième expérimentation a utilisé des mesures physiologiques pour étudier les variations de charge cognitive des participants lors d’un protocole similaire à celui des quatre expérimentations précédentes.Les résultats de ces six expérimentations montrent que le modèle TBRS et les mesures physiologiques sont non seulement compatibles avec la CLT mais qu’elles l’enrichissent. / Learning allows you to gain the necessary knowledge to adapt to the world. Cognitive load theory takes into consideration cognitive resources invested during school learning. However, two main limitations can be identified: a theoretical one and a methodological one. From a theoretical perspective, CLT invoke working memory (WM) to describe the cognitive resources used during learning and these models do not take time into account. The other limit is related to methodology: CLT doesn’t offer measures of cognitive load either reliable or dynamic.Taking into consideration these limitations, we suggest the use of physiological measurement and a new WM model: the TBRS (Time Based Resource Sharing). Physiological measurement is a mean to analyze the temporal variations implied by the cognitive load while TBRS model takes the temporal variation of the attentional focus allocation into account. However, the TBRS has not yet been used with meaningful items, which could be gathered into chunks. Thus, the aim of the present work is to study the benefits of using physiological measurement and the TBRS model with CLT.To address the question of cognitive load measurement, a first experiment used a task included in the ENAC’s (École Nationale d’Aviation Civile) recruitment selection process. During the experiment, cerebral activity (EEG) and eye movements (Eye-tracking) were recorded. Another series of four experiments stressed the question of the use of the TBRS model in CLT. They began by replicating a previous study using the TBRS model (exp. 2 & 3), replacing items to be held in memory by items which could be chunked. The other two experiments extended these results. Finally a sixth experiment used physiological measures to assess cognitive load variations while participants performed a protocol similar to the previous experiments.Results from these six experiments show that TBRS model and physiological measurement are consistent with CLT and also complete its findings.

Seismocardiography (SCG) is the low frequency chest surface vibration generated by the mechanical activities of the heart. SCG has been found to have clinical utilities in diagnosis of different cardiac diseases. The first part of this study focused on the application of SCG signal in predicting hospital readmissions of the heart failure (HF) patients. Conventional machine learning and deep learning models have been developed using SCG signal acquired from the HF patients. Early HF readmissions was predicted with decent accuracies with these models. This may potentially help the clinicians to identify the patients who need special care and treatment and make timely targeted interventions. This will ensure better management of HF patients and reduce the mortality rate. One of the limitations of using SCG signal in clinical settings is its variability. To investigate SCG variability, an exercise protocol has been developed. SCG signal was acquired from the healthy subjects when they underwent the protocol. It was found that cardiopulmonary interactions may contribute to the variability in SCG signal. The study results help to better understand the source of variability which eventually may increase the clinical utility of SCG signal. Another limitation of SCG signal is that it is highly sensitive to the ambient and locomotion-induced noises. This can distort the SCG signal. Hence, removal of noises is a necessary step to use SCG in ambulatory assessment of HF patients. To encounter this problem, a healthy subject performed different maneuvers to induce few common types of noises in the SCG signal. Different signal processing techniques have been employed to remove the noises from the signal. A comparison among different techniques has been provided which may lead to developing an algorithm in the future that is capable of autodetecting noises and suppress them.

This doctoral thesis focuses on the modification of ACC to include actual driver workload in the context of automatic headway change. ACC is a driver assistance system that automatically maintains a preliminary defined speed and permits a driver to perform manual headway changes. As drivers show worse (brake) reaction times under high workload situations, the system increases headway accordingly. Driver workload is estimated based on physiological data. Here, we investigate the possibilities of such a system, assuming that physiological sensors can be implemented in future vehicles. The thesis consists of three parts: In the first part, the theoretical background is described and a suitable theoretical model is developed; in the second part, experiments are described, and in the last part, results are discussed. Altogether four experiments support this thesis: 1. The first experiment investigates the foundational relationships between physiology, brake reaction time and workload level. The study employs a simulator setting and results show that physiological data, such as heart rate and skin conductance, permit the identification of different workload levels. These findings validate the results of other studies showing that workload leads to an increase in reaction time. These results could only be validated between the extremes “no-workload” and “high workload” situations. 2. The second experiment simulates an ideal workload-adaptive cruise control (WACC) system. In a simulator setting, system acceptance and awareness are studied, with a view toward future implementation in a real car. The results show better acceptance of WACC in comparison with ACC when subjects receive additional information about the new system. This is because subjects do not perceive changes in distance under high workload conditions. 3. The third experiment focuses on acceptance of the simulated system in on-road conditions. In this study, WACC is integrated in the car and is operated using a MATLAB model. The experiment shows that more subjects notice changes in distance in the on-road condition. In general WACC is preferred over ACC; it is especially these subjects who do not notice changes in distance, who value WACC more than ACC. With the aim of implementing an operational WACC that is capable of adjusting distance according to changes in physiological data, a workload algorithm is developed. 4. The fourth experiment validates the workload algorithm. Results of the algorithm are compared with recordings of the activated workload task and detection rate is calculated. The detection of workload periods was feasible in nearly every case and detection rate was favorable, especially if one considers lags due to design-related latency periods. The experiments presented here indicate that workload is detectable in physiological data and that it influences brake reaction time. Further, we provide evidence pointing to the technical possibility of implementing WACC as well as positive acceptance. The results have been published as an article and are part of this thesis. Also, some parts of the thesis are published as a book chapter (see footnotes). Another publication is in preparation, coauthored by diploma thesis students, who are supervised by the author (consult footnotes). This dissertation is composed, in part, of these publications. References to page numbers of the diploma theses are given to ensure correspondence. The author escorted the topic WACC from the beginning to the end. Sometimes students were involved and intensively supervised, from a thematic as well as a personnel guidance perspective. The author planned the whole project and executed studies and calculations. His psychology insights were not only limited to the discipline of psychology but were furthermore, with the help of students, interdisciplinarily expanded to the subject of informatics. Every study and every result which is presented within this work, was conducted or achieved by the author or (if students supported him) was discussed with the author in weekly discussions (and often several times a day). In these discussions the author provided new ideas and corrections if necessary. Apart from that, the author looked after the fulfillment of the central theme, implemented his psychological knowledge on a daily basis and provided his expertise to complement interdisciplinary point of views. He discussed the central theme as well as details with external partners like the MIT AgeLab as well as professors of the European Union from the adaption project (a project aimed at educating future researchers which includes involvement of highly important commercial and educational partners) and beyond. In this time he also visited conferences and accumulated knowledge which led to the successful achievements of the main objective and he was relevant in reaching the common goals of the adaption project. Furthermore he presented the results of the scientific work on a conference, workshops and in written publications. Within BMW Group Research and Technology, he identified important department- and project- partners and combined the knowledge to a result which benefits science and economy. / In dieser Dissertation wird eine Abwandlung des Active Cruise Control (ACC) untersucht, das zusätzlich die Belastung (Workload) des Fahrers als Parameter betrachtet, um den Abstand zum Vordermann automatisiert zu verändern. Bei diesem ACC handelt es sich um ein Fahrerassistenzsystem, das automatisiert die eingestellte Geschwindigkeit hält und eine manuelle (durch den Nutzer ausgelöste) Abstandsveränderung zum Vordermann ermöglicht. Da sich die Bremsreaktionszeit von Fahrern in hohen Belastungssituationen verschlechtert, soll das entwickelte Workload-adaptive Cruise Control (WACC) in Situationen hoher Belastung den Abstand zum Vordermann automatisiert erhöhen. Die Belastung des Fahrers soll durch physiologische Daten ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit eines solchen Systems unter der Annahme, dass in Zukunft geeignete physiologische Sensoren ins Auto eingebaut werden können. Die Arbeit besteht aus drei Teilen: • Im ersten Teil wird der theoretische Hintergrund beschrieben und ein passendes theoretisches Modell entwickelt. • Im zweiten Teil werden die durchgeführten Experimente beschrieben. • Im dritten Teil werden die Ergebnisse diskutiert. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit vier Experimente durchgeführt: Das erste Experiment beschäftigte sich mit den grundlegenden Zusammenhängen zwischen Physiologie, Bremsreaktionszeit und Belastungslevel. Wie die Ergebnisse der im Simulator durchgeführten Studie zeigen, können mit physiologischen Daten wie Herzrate, Herzratenvariabilität und Hautleitfähigkeit unterschiedliche Workloadlevel identifiziert werden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse anderer Studien bestätigt, die belegen, dass Workload die Bremsreaktionszeit erhöht, wobei dies nur im Kontrast zwischen den Extrembereichen „kein Workload“ und „hoher Workload“ nachweisbar ist. Das zweite Experiment diente der Simulierung eines perfekten WACC. Im Simulator wurden Akzeptanz und Systemwahrnehmung getestet, um vor der Implementierung in ein Realfahrzeug weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Im Vergleich zum ACC wurde das WACC von den Probanden besser akzeptiert, nachdem sie zusätzliche Informationen zum neuen System erhalten hatten. Der wesentliche Grund dafür ist, dass die Probanden ohne Informationen die Abstandsveränderung bei hohem Workload nicht realisieren. Das dritte Experiment fokussierte auf die Akzeptanz des simulierten Systems unter Realbedingungen. Das WACC wurde in das Auto integriert und durch ein MATLAB Modell gesteuert. Als Ergebnis zeigte sich, dass unter Realbedingungen mehr Probanden die Abstandsveränderung realisieren als im Simulator. Generell wird das WACC präferiert – vor allem jene Probanden, die die Abstandsveränderung nicht realisieren, bewerten das WACC besser als das ACC. Mit den in diesem Teilexperiment erhobenen Daten wurde ein Algorithmus zur Workloaderkennung entwickelt. Auf dieser Basis konnte im letzten Experiment ein Realsystem implementiert werden, das aufgrund physiologischer Daten den Abstand verändert. Das vierte Experiment beschäftigte sich mit der Validierung des Algorithmus zur Workloaderkennung. Die Ergebnisse des Algorithmus wurden mit der aufgezeichneten Aktivierung des Workloadtasks verglichen und eine Detektionsrate ermittelt. Die Detektion der Workloadperioden gelingt in fast allen Fällen und die Detektionsrate ist vielversprechend, gerade wenn man Verzögerungen berücksichtigt, die wegen der Latenzzeit körperlicher Reaktionen nicht verbesserungsfähig sind. In den vorliegenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass Workload über die Physiologie messbar ist und sich auf die Bremsreaktionszeit auswirkt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein WACC technisch machbar ist und die Ergebnisse lassen außerdem auf eine hohe Akzeptanz schließen. Die Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel publiziert, der auch in dieser Dissertation zu finden ist. Teile der vorliegenden Arbeit wurden außerdem als Buchkapitel veröffentlicht (siehe Fußnoten), eine weitere Publikation mit den vom Autor umfassend betreuten Diplomanden ist in Ausarbeitung. Um die Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten, wurde auf die Seitenzahlen der entsprechenden Diplomarbeiten verwiesen. Als Autor dieser Dissertation habe ich das Thema WACC von Anfang bis Ende selbst erarbeitet bzw. wurden Studenten eingesetzt und angeleitet, wo es sinnvoll erschien. Neben der fachlichen wie personellen Führung der Studenten umfassten meine Aufgaben die Planung des Gesamtprojekts, das Durchführen der Studien und die Berechnung von Kennzahlen – sowohl in meinem eigenen psychologischen Fachgebiet als auch interdisziplinär mit Hilfe von Experten aus der Informatik. Jedes Ergebnis, das in dieser Arbeit präsentiert wird, wurde entweder von mir selbst erzielt oder – sofern ich dabei von Studenten unterstützt wurde – mit mir in wöchentlichen (oft auch mehrmals täglich stattfindenden Meetings) besprochen. Wichtig war mir als Autor, einen durchgängigen Weg zur Entwicklung eines WACC zu wahren, mein psychologisches Fachwissen täglich anzuwenden und in interdisziplinären Aufgaben und Diskussionen meine Perspektive einzubringen. Besonders wichtig war dabei die Diskussion des Gesamtprojekts und der Details mit externen Partnern wie dem MIT AgeLab oder Professoren aus der Europäischen Union im Rahmen des Adaptation Projekts (ein von der EU gefördertes Projekt zur Ausbildung von Forschern, unter Einbindung wirtschaftlich und wissenschaftlich hochrangiger Partner). Durch die Präsentation der Ergebnisse auf Konferenzen, in Workshops und Publikationen konnte ich einen Beitrag dazu leisten, um die Adaptation-Ziele zu erreichen. Innerhalb der BMW Group Forschung und Technik habe ich darauf geachtet, relevante Schnittstellen- und Projektpartner zu identifizieren und das erlangte Wissen zu einem Ergebnis zu verbinden, das Wissenschaft und Wirtschaft gleichermaßen nützt.

Selective mutism(SM) is a !disorder in which children capable of speech do not speak in certain situations. SM is often related to social phobia (SP); however, the exact relationship between the two conditions is unclear. To obtain a better understanding of the relationship of SM and SP, 8 children with SM, 8 with SP, and 7 typically developing children (ranging in age from 7-13) were compared on measures of physiology(heart rate, skin temperature, and skin conductance responses), and self-report and parent-report measures. The physiological measures were recorded during two social interaction tasks (a role-play task and a reading aloud task). Despite our expectation that children with SM should show higher physiological arousal during these tasks, the results revealed no conclusive physiological differences between the two groups. These finding suggest that the current conceptualization of selective mutism simply as an extreme form of social phobia may be incorrect.

Mechanomyography (MMG) has been proposed as a control modality for alternative access technologies for individuals with disabilities. However, MMG recordings are highly susceptible to contamination from limb movements. Pressure-based transducers are touted to be the most robust to external movement although there is some debate about their optimal chamber geometry, in terms of low frequency gain and spectral flatness. To investigate the question of preferred geometry, transducers with varying chamber shapes were designed, manufactured and tested. The best performance was achieved with a transducer consisting of a low-frequency MEMS microphone, a 4 micron thick aluminized mylar membrane and a rigid conical chamber 7 mm in diameter and 5 mm in height. Furthermore, microphone-derived MMG spectra were found to be less influenced by motion artifact than corresponding accelerometer-derived spectra. However, artifact harmonics were present in both spectra, suggesting that bandpass filtering may not remove artifact influences permeating into MMG frequency bands.

Mechanomyography (MMG) has been proposed as a control modality for alternative access technologies for individuals with disabilities. However, MMG recordings are highly susceptible to contamination from limb movements. Pressure-based transducers are touted to be the most robust to external movement although there is some debate about their optimal chamber geometry, in terms of low frequency gain and spectral flatness. To investigate the question of preferred geometry, transducers with varying chamber shapes were designed, manufactured and tested. The best performance was achieved with a transducer consisting of a low-frequency MEMS microphone, a 4 micron thick aluminized mylar membrane and a rigid conical chamber 7 mm in diameter and 5 mm in height. Furthermore, microphone-derived MMG spectra were found to be less influenced by motion artifact than corresponding accelerometer-derived spectra. However, artifact harmonics were present in both spectra, suggesting that bandpass filtering may not remove artifact influences permeating into MMG frequency bands.

This doctoral thesis focuses on the modification of ACC to include actual driver workload in the context of automatic headway change. ACC is a driver assistance system that automatically maintains a preliminary defined speed and permits a driver to perform manual headway changes. As drivers show worse (brake) reaction times under high workload situations, the system increases headway accordingly. Driver workload is estimated based on physiological data. Here, we investigate the possibilities of such a system, assuming that physiological sensors can be implemented in future vehicles. The thesis consists of three parts: In the first part, the theoretical background is described and a suitable theoretical model is developed; in the second part, experiments are described, and in the last part, results are discussed. Altogether four experiments support this thesis: 1. The first experiment investigates the foundational relationships between physiology, brake reaction time and workload level. The study employs a simulator setting and results show that physiological data, such as heart rate and skin conductance, permit the identification of different workload levels. These findings validate the results of other studies showing that workload leads to an increase in reaction time. These results could only be validated between the extremes “no-workload” and “high workload” situations. 2. The second experiment simulates an ideal workload-adaptive cruise control (WACC) system. In a simulator setting, system acceptance and awareness are studied, with a view toward future implementation in a real car. The results show better acceptance of WACC in comparison with ACC when subjects receive additional information about the new system. This is because subjects do not perceive changes in distance under high workload conditions. 3. The third experiment focuses on acceptance of the simulated system in on-road conditions. In this study, WACC is integrated in the car and is operated using a MATLAB model. The experiment shows that more subjects notice changes in distance in the on-road condition. In general WACC is preferred over ACC; it is especially these subjects who do not notice changes in distance, who value WACC more than ACC. With the aim of implementing an operational WACC that is capable of adjusting distance according to changes in physiological data, a workload algorithm is developed. 4. The fourth experiment validates the workload algorithm. Results of the algorithm are compared with recordings of the activated workload task and detection rate is calculated. The detection of workload periods was feasible in nearly every case and detection rate was favorable, especially if one considers lags due to design-related latency periods. The experiments presented here indicate that workload is detectable in physiological data and that it influences brake reaction time. Further, we provide evidence pointing to the technical possibility of implementing WACC as well as positive acceptance. The results have been published as an article and are part of this thesis. Also, some parts of the thesis are published as a book chapter (see footnotes). Another publication is in preparation, coauthored by diploma thesis students, who are supervised by the author (consult footnotes). This dissertation is composed, in part, of these publications. References to page numbers of the diploma theses are given to ensure correspondence. The author escorted the topic WACC from the beginning to the end. Sometimes students were involved and intensively supervised, from a thematic as well as a personnel guidance perspective. The author planned the whole project and executed studies and calculations. His psychology insights were not only limited to the discipline of psychology but were furthermore, with the help of students, interdisciplinarily expanded to the subject of informatics. Every study and every result which is presented within this work, was conducted or achieved by the author or (if students supported him) was discussed with the author in weekly discussions (and often several times a day). In these discussions the author provided new ideas and corrections if necessary. Apart from that, the author looked after the fulfillment of the central theme, implemented his psychological knowledge on a daily basis and provided his expertise to complement interdisciplinary point of views. He discussed the central theme as well as details with external partners like the MIT AgeLab as well as professors of the European Union from the adaption project (a project aimed at educating future researchers which includes involvement of highly important commercial and educational partners) and beyond. In this time he also visited conferences and accumulated knowledge which led to the successful achievements of the main objective and he was relevant in reaching the common goals of the adaption project. Furthermore he presented the results of the scientific work on a conference, workshops and in written publications. Within BMW Group Research and Technology, he identified important department- and project- partners and combined the knowledge to a result which benefits science and economy.:1 Introduction 2 Goal And Research Questions 3 Theoretical And Empirical Background 3.1 Theoretical Model 3.2 Workload Measurement over Physiology 3.3 Secondary Task: The N-Back Task 4 Forward Collision Warning Experiment 4.1 Introduction and Objectives 4.2 Method 4.3 Procedure 4.4 Results 4.5 Discussion and Conclusion 5 Workload-adaptive cruise control - A new generation of advanced driver assistance systems 5.1 Introduction 5.2 Material 5.3 Measurements 5.4 The Secondary Task: N-Back Task 5.5 WACC system 5.6 Procedure 5.7 Results 5.8 Discussion and conclusion 6 On-Road Study Of The Simulated WACC 6.1 Introduction and Objectives 6.2 Method 6.3 Results 6.4 Discussion and conclusion 7 Online detection of workload in an on-road setting 7.1 Introduction and objectives 7.2 Method 7.3 Results 7.4 Discussion and conclusion 8 General discussion 8.1 Background and chosen approach 8.2 Summary of findings 8.3 Discussion and conclusion 9 References / In dieser Dissertation wird eine Abwandlung des Active Cruise Control (ACC) untersucht, das zusätzlich die Belastung (Workload) des Fahrers als Parameter betrachtet, um den Abstand zum Vordermann automatisiert zu verändern. Bei diesem ACC handelt es sich um ein Fahrerassistenzsystem, das automatisiert die eingestellte Geschwindigkeit hält und eine manuelle (durch den Nutzer ausgelöste) Abstandsveränderung zum Vordermann ermöglicht. Da sich die Bremsreaktionszeit von Fahrern in hohen Belastungssituationen verschlechtert, soll das entwickelte Workload-adaptive Cruise Control (WACC) in Situationen hoher Belastung den Abstand zum Vordermann automatisiert erhöhen. Die Belastung des Fahrers soll durch physiologische Daten ermittelt werden. Die vorliegende Arbeit untersucht die Möglichkeit eines solchen Systems unter der Annahme, dass in Zukunft geeignete physiologische Sensoren ins Auto eingebaut werden können. Die Arbeit besteht aus drei Teilen: • Im ersten Teil wird der theoretische Hintergrund beschrieben und ein passendes theoretisches Modell entwickelt. • Im zweiten Teil werden die durchgeführten Experimente beschrieben. • Im dritten Teil werden die Ergebnisse diskutiert. Insgesamt wurden im Rahmen dieser Arbeit vier Experimente durchgeführt: Das erste Experiment beschäftigte sich mit den grundlegenden Zusammenhängen zwischen Physiologie, Bremsreaktionszeit und Belastungslevel. Wie die Ergebnisse der im Simulator durchgeführten Studie zeigen, können mit physiologischen Daten wie Herzrate, Herzratenvariabilität und Hautleitfähigkeit unterschiedliche Workloadlevel identifiziert werden. Darüber hinaus wurden die Ergebnisse anderer Studien bestätigt, die belegen, dass Workload die Bremsreaktionszeit erhöht, wobei dies nur im Kontrast zwischen den Extrembereichen „kein Workload“ und „hoher Workload“ nachweisbar ist. Das zweite Experiment diente der Simulierung eines perfekten WACC. Im Simulator wurden Akzeptanz und Systemwahrnehmung getestet, um vor der Implementierung in ein Realfahrzeug weitere Erkenntnisse zu gewinnen. Im Vergleich zum ACC wurde das WACC von den Probanden besser akzeptiert, nachdem sie zusätzliche Informationen zum neuen System erhalten hatten. Der wesentliche Grund dafür ist, dass die Probanden ohne Informationen die Abstandsveränderung bei hohem Workload nicht realisieren. Das dritte Experiment fokussierte auf die Akzeptanz des simulierten Systems unter Realbedingungen. Das WACC wurde in das Auto integriert und durch ein MATLAB Modell gesteuert. Als Ergebnis zeigte sich, dass unter Realbedingungen mehr Probanden die Abstandsveränderung realisieren als im Simulator. Generell wird das WACC präferiert – vor allem jene Probanden, die die Abstandsveränderung nicht realisieren, bewerten das WACC besser als das ACC. Mit den in diesem Teilexperiment erhobenen Daten wurde ein Algorithmus zur Workloaderkennung entwickelt. Auf dieser Basis konnte im letzten Experiment ein Realsystem implementiert werden, das aufgrund physiologischer Daten den Abstand verändert. Das vierte Experiment beschäftigte sich mit der Validierung des Algorithmus zur Workloaderkennung. Die Ergebnisse des Algorithmus wurden mit der aufgezeichneten Aktivierung des Workloadtasks verglichen und eine Detektionsrate ermittelt. Die Detektion der Workloadperioden gelingt in fast allen Fällen und die Detektionsrate ist vielversprechend, gerade wenn man Verzögerungen berücksichtigt, die wegen der Latenzzeit körperlicher Reaktionen nicht verbesserungsfähig sind. In den vorliegenden Experimenten konnte gezeigt werden, dass Workload über die Physiologie messbar ist und sich auf die Bremsreaktionszeit auswirkt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass ein WACC technisch machbar ist und die Ergebnisse lassen außerdem auf eine hohe Akzeptanz schließen. Die Forschungsergebnisse wurden in einem Artikel publiziert, der auch in dieser Dissertation zu finden ist. Teile der vorliegenden Arbeit wurden außerdem als Buchkapitel veröffentlicht (siehe Fußnoten), eine weitere Publikation mit den vom Autor umfassend betreuten Diplomanden ist in Ausarbeitung. Um die Nachvollziehbarkeit zu gewährleisten, wurde auf die Seitenzahlen der entsprechenden Diplomarbeiten verwiesen. Als Autor dieser Dissertation habe ich das Thema WACC von Anfang bis Ende selbst erarbeitet bzw. wurden Studenten eingesetzt und angeleitet, wo es sinnvoll erschien. Neben der fachlichen wie personellen Führung der Studenten umfassten meine Aufgaben die Planung des Gesamtprojekts, das Durchführen der Studien und die Berechnung von Kennzahlen – sowohl in meinem eigenen psychologischen Fachgebiet als auch interdisziplinär mit Hilfe von Experten aus der Informatik. Jedes Ergebnis, das in dieser Arbeit präsentiert wird, wurde entweder von mir selbst erzielt oder – sofern ich dabei von Studenten unterstützt wurde – mit mir in wöchentlichen (oft auch mehrmals täglich stattfindenden Meetings) besprochen. Wichtig war mir als Autor, einen durchgängigen Weg zur Entwicklung eines WACC zu wahren, mein psychologisches Fachwissen täglich anzuwenden und in interdisziplinären Aufgaben und Diskussionen meine Perspektive einzubringen. Besonders wichtig war dabei die Diskussion des Gesamtprojekts und der Details mit externen Partnern wie dem MIT AgeLab oder Professoren aus der Europäischen Union im Rahmen des Adaptation Projekts (ein von der EU gefördertes Projekt zur Ausbildung von Forschern, unter Einbindung wirtschaftlich und wissenschaftlich hochrangiger Partner). Durch die Präsentation der Ergebnisse auf Konferenzen, in Workshops und Publikationen konnte ich einen Beitrag dazu leisten, um die Adaptation-Ziele zu erreichen. Innerhalb der BMW Group Forschung und Technik habe ich darauf geachtet, relevante Schnittstellen- und Projektpartner zu identifizieren und das erlangte Wissen zu einem Ergebnis zu verbinden, das Wissenschaft und Wirtschaft gleichermaßen nützt.:1 Introduction 2 Goal And Research Questions 3 Theoretical And Empirical Background 3.1 Theoretical Model 3.2 Workload Measurement over Physiology 3.3 Secondary Task: The N-Back Task 4 Forward Collision Warning Experiment 4.1 Introduction and Objectives 4.2 Method 4.3 Procedure 4.4 Results 4.5 Discussion and Conclusion 5 Workload-adaptive cruise control - A new generation of advanced driver assistance systems 5.1 Introduction 5.2 Material 5.3 Measurements 5.4 The Secondary Task: N-Back Task 5.5 WACC system 5.6 Procedure 5.7 Results 5.8 Discussion and conclusion 6 On-Road Study Of The Simulated WACC 6.1 Introduction and Objectives 6.2 Method 6.3 Results 6.4 Discussion and conclusion 7 Online detection of workload in an on-road setting 7.1 Introduction and objectives 7.2 Method 7.3 Results 7.4 Discussion and conclusion 8 General discussion 8.1 Background and chosen approach 8.2 Summary of findings 8.3 Discussion and conclusion 9 References