Die Informations- und Kommunikationstechnologien haben die Arbeitswelt grundlegend verändert. Durch den Einsatz komplexer, hochautomatisierter Systeme werden an die kognitive Leistungsfähigkeit und Belastbarkeit von Arbeitnehmern hohe Anforderungen gestellt. Über die Ermittlung der psychischen Beanspruchung des Menschen an Arbeitsplätzen mit hohen kognitiven Anforderungen wird es möglich, eine Über- oder Unterbeanspruchung zu vermeiden. Gegenstand der Dissertation ist deshalb die Entwicklung, Implementierung und der Test eines neuen Systems zur kontinuierlichen Bewertung psychischer Beanspruchung an informationsintensiven Arbeitsplätzen auf Basis des Elektroenzephalogramms. Im theoretischen Teil der Arbeit werden die Konzepte zur Definition der psychischen Beanspruchung und Modelle zur Beschreibung der menschlichen Informationsverarbeitung zusammengestellt. Die Auswertung einer Reihe von Experimenten ist die Basis für die Konzeption und den Test des neuen Systems zur Indexierung der psychischen Beanspruchung. Die Aufgabenbatterie, die Stichprobenbeschreibung, der Versuchsaufbau und -ablauf sind Bestandteil des experimentellen Teils der Arbeit. Während der Aufgabenlösung wird von den Probanden das Elektroenzephalogramm mit 25 Kanälen abgeleitet. Es folgt eine Artefakteliminierung, für die ein neues automatisch und in Echtzeit arbeitendes Verfahren entwickelt wurde. Die Klassifikation und damit die Indexierung von Segmenten des Elektroenzephalogramms in die Klassen niedriger, mittlerer oder hoher Beanspruchung erfolgt auf Basis einer ebenfalls neu entwickelten Methode, deren Grundlage Dual Frequency Head Maps sind. Damit ist ein vollständiges System entstanden, das die einzelnen Verfahrensschritte integriert und die Aufgabenstellung der Arbeit erfüllt: Es kann an informationsintensiven Arbeitsplätzen eingesetzt werden, um kontinuierlich die Bewertung der psychischen Beanspruchung auf Basis des Elektroenzephalogramms vorzunehmen. / Advanced information and communication technology has fundamentally changed the working environment. Complex and highly automated systems impose high demands on employees with respect to cognitive capacity and the ability to cope with workload. The registration of mental workload of employees on-site at workplaces with high cognitive demands enables preventing over- or underload. The subject of this dissertation is therefore the development, implementation and testing of a novel system for continuous assessment of mental workload at information intensive workplaces on the basis of the electroencephalogram. In the theoretical section of the thesis concepts for defining mental workload are given; furthermore, models for describing human information processing are introduced and the relevant terminology such as strain, workload, and performance is clarified. Evaluation of an array of experiments with cognitive tasks forms the basis for the conceptual design and testing of the novel system for indexing mental workload. Descriptions of these tasks, the sample, the experimental set-up and procedure are included in the experimental section. The electroencephalogram with 25 channels was recorded from the subjects while performing the tasks. Subsequently, an artifact elimination was carried out, for which a new, automated, and real-time capable procedure has been developed. Segments from the electroencephalogram are classified and thusly indexed into classes of low, medium, and high workload on the basis of a likewise newly developed method, whose central element are Dual Frequency Head Maps. Hence, a complete system emerges that integrates the single processing steps and satisfies the scope of this thesis: It can be applied on-site at information intensive workplaces for continuous assessment of mental workload on the basis of the electroencephalogram.

Während seiner normalen Funktion generiert das Gehirn starke elektrische Signale, die technisch gemessen werden können. Das schon seit über einem Jahrhundert bekannte Phänomen ermöglicht es die Signalverarbeitung im Gehirn räumlich und zeitlich zu beobachten. Heute versteht man die zellulären Prozesse die zur Generierung der elektrischen Signale in einzelnen Neuronen führen. Jedoch rekrutieren die meisten neuronalen Ereignisse große Populationen von Zellen, dessen Aktivität zeitlich und räumlich koordiniert ist. Diese Koordinierung führt dazu, dass ihre elektrische Aktivität auch weit von den Quellen gemessen werden kann, sodass die Beobachtung des Gehirns auch nicht invasiv auf der Schädeloberfläche mittels dem sogenannten Elektroenzephalogramm (EEG) möglich ist. Der zeitliche Verlauf des Signals hängt nicht nur von den Eigenschaften einzelner Zellen ab sondern auch von ihrer Wechselwirkung mit anderen Neuronen, die oft komplex oder gar nicht bekannt ist. Diese Komplexität verhindert die Auswertung der gemessen Signale im Bezug auf die Anzahl von aktiven Neuronen, die Art der Antwort (Inhibition, Exzitation), die Synchronisationsstärke und den Einfluss anderer aktiver Prozesse (wie zum Beispiel: Lernen, Aufmerksamkeit usw.). In dieser Arbeit werden die Zusammenhänge zwischen diesen mikroskopischen Parametern (einzelne Neurone) und ihrer makroskopischen Wirkung (EEG) experimentell, datenanalytisch und theoretisch untersucht. / During its normal function the brain generates strong and measurable electric signals. This phenomenon, which has been known for more than a century, makes it possible to investigate the signal processing in the brain. Nowadays the cellular processes taking part in the generation of the electric signals are well understood. However, most of the neuronal events recruit large populations of cells, whose activities are coordinated spatially and temporally. This coordination allows for summation of activities generated by many neurons leading to extracellular electric signals that can be recorded non-invasively from the scalp by means of electroencephalography (EEG). The temporal structure of the EEG signal does not depend only on the properties of single neurons, but also on their interactions that may be very complex. The complexity hinders the evaluation of the recoded signal with respect to the number of active neurons, the type of response, the degree of synchronisation and the contribution of other processes (such as, learning and attention). In the thesis, the relations between the microscopic (single-neuron) and their macroscopic (EEG) properties will be investigated by means of experimental, data-analytic and theoretical approaches.

In einer Pilotstudie sollten deutschsprachigen Probanden (n=28) in zwei Versuchsabschnitten kurze Sätze sprechen, die das Homonym "Leiter" im Sinne von "Steiggerät" bzw. "Teamchef" näher definieren. Das Homonym sollte am Satzanfang ohne Artikel genannt werden. Das Breitband-EEG (bis 2000 Hz, Zeitkonstante 1,5 s) wurde über F3, F4, C3 und C4 (Intern. 10-20-System) vor und kurz nach Sprachbeginn abgeleitet. Signalepochen des EEG- und Mikrophonsignals von 6 s Dauer wurden gespeichert. Off-line erfolgte die Auswertung der auf Sprachbeginn zentrierten und auf 1 Sekunde gekürzten EEG-Episoden. Es wurden vor Vokalisation motorische Bereitschaftspotentiale gefunden, die im gesamten Zeitbereich (750 ms prä- und 250 ms perireaktiv) wenig strukturiert sind und sich an den vier Ableitorten weder in ihrer Amplitude noch in ihrer Amplituden-Zeit-Struktur unterscheiden. Die Spektralanalyse der EEG-Signalstrecke zeigt unter beiden Versuchsbedingungen eine überproportional hohe Amplitude im [delta]-Band. Mit Hilfe der von Bartsch und Krüger entwickelten Subpotentialanalyse, die im Hochfrequenzbereich des EEG (10-400 Hz) dem "local field potential" ähnliche Phänomene nachweist, konnten in der Signalperiode des Bereitschaftspotentials positive und negative Subpotentiale ermittelt werden. Die Amplitude dieser Subpotentiale liegt zwischen 6 und 12[mycro]V. Der Zeitpunkt des Erscheinens der Subpotentiale wurde als Subpotentialevent (SPe) bezeichnet. Die SPe treten teils gruppiert und teils kohärent auf. Die Intervalle zwischen den SPe wurden histographisch aufgetragen, sie reichen vom 4 bis 15 ms. Auffallendstes Ergebnis war die unterschiedliche Struktur der SPe-Intervallhistogramme, die sich in den linksseitigen Ableitungen anders verhielten als in den rechtsseitigen. Möglicherweise sind diese Differenzen typisch für den eloquenten Unterschied. / During a pilot study, 28 german speeking subjects were supposed in two trial parts to speak in short sentences in order to define the german homonyme "Leiter" with the meaning "leader" respectively "manager". The homonyme should be used without any article at the beginning of the sentence. The EEG-activity (0-2000 Hz, time constant 1,5 sec) was recorded from F3, F4, C3 and C4 (international 10-20-system) before and after starting speech. Signalepochs of EEG-activity and microphone signals of 6 seconds were stored. The offline-evaluation was based on the centered and to the one second shortened EEG-episodes. Before staring speech there had been found a movement-related readines-potential (motor. Bereitschaftspotential), which had been less structured during the whole period of time (750ms pre- and 250 ms perireactive). Neither in their amplitude nor in their amplitude-time-structure distinctions were observed. The spectral analysis of EEG showed an overpropotional high amplitude in [delta]-band under both conditions of the trial. The subpotential-analysis developed by Bartsch and Krüger, which shows similar phenomenons as the "local field potentials" in the high frequency-EEG (10-400 Hz), could show positve and negative subpotentials during the period of the readiness-potential. The amplitudes of those subpotentials lay between 6 and 12[mycro]V. The point of time, when the subpotentials showed up, is called the subpotential-event (SPe). The SPe showed up partly in groups and partly coherent. The intervals between the SPe were put on histographically with a reach from 4 to 25 ms. The most striking result was the varying structure of the histography of the SPe-intervalls. The left-sided histography was conducted differently to the right-sided. May be that these distinctions are typical for the eloquent difference.

Durch Kreuzkorrelation von ECoG- und EEG-Signalen hoher Bandbreite (10 - 400 Hz) mit dem Muster eines Amplituden - Zeit - Templates von 10 ms Dauer können Subpotentiale (SP) selektiert werden, die dem sogenannten ?local field potential? ähnlich sind.Diese Ähnlichkeit ergibt sich i. durch den Vergleich mit dem ermittelten Amplituden - Zeit - Template des SP. ii. durch den Vergleich mit der Lage der Quellstrukturen zur ableitenden Elektrode. Die SP - Modulanalyse liefert Potentialverteilung für jede untersuchte Elektrode. Diese ist stets in ein Nahfeld und Fernfelder organisiert, wobei die Polarität des Nahfeld der Polarität des Trigger- SP entspricht und das Fernfeld von entgegengesetzter Polarität ist. Diese Quellstrukturen sind um so kleiner, je geringer der Elektrodenabstand ist. iii. aus der Kohärenz von SP, die im Ableitfeld auftreten. Dafür wurde die SP- Zweikanalkopplungsanalyse entwickelt.Die einzelnen Schritte dieser SP - Methode, die sich aus der SP - event-, SP - Modul- und SP - Zweikanalkopplungsanalyse zusammensetzt, werden beschrieben und an einem Beispiel einer 30 kanaligen subduralen interiktalen ECoG - Ableitung eines Patienten mit fokaler Epilepsie unter drei verschiedenen Bedingungen (normales ECoG, ECoG mit spikes bzw. ECoG mit slow waves) sowie am Beispiel einer 30 kanaligen EEG-Ableitung eines Probanden unter drei verschiedenen kognitiven Anforderungen (relaxierte Wachheit, Kopfrechnen, beim Anhören eines Hörspiels) vergleichend demonstriert. Beide Beispiele sind repräsentativ für zwei größere Untersuchungsreihen. / We obtained subpotentials (SP), similar to so called ?local field potentials? by application of cross - correlation on ECoG- and EEG- Signals with large band width (10 - 400 Hz) with the pattern of an amplitude-time-template with a duration of 10ms. This similarity is given by i. the comparison with obtained amplitude-time-template of the SP ii. the comparison with the position of source- structures to the deriving electrode. The potential distribution is given by the SP - moduleanalysis for each investigated electrode. This SP - module - analysis is always organised in a near- and in a far-field. The polarity of the near-field corresponds to the trigger-SP and the far-field to the opposite. The smaller the source-structure, the lower the distance of the electrodes iii.the coherence of SP in the deriving array The SP - method, consisting of SP - event, SP - module and SP ?two-channel-coupling -analysis? is described. The comparison between an example of an 30 channel subdural interictal derived ECoG of a patient, who was suffering from focal epilepsy, under three conditions (normal ECoG, ECoG with spikes and ECoG with slow-waves) and one of an 30 channel derived EEG of a candidate under three different cognitive demands (relaxed vigilance, doing mental arithmetic, listening to a radio serial) is demonstrated an discussed. Both examples are representatives for two extensive serials.