Holger Luczak

An Analysis of Heart Rate Variability

Proceeding from a formal definition of heart rate variability, some mathematical and statistical techniques from sampling statistics and time series analysis for the analytical evaluation of heart rate variability for ergonomics purposes are presented and compared. The concept of sampling statistics gives a measure of heart rate variability, arrived at by combining two measures, which were chosen according to a definite criterion. The applicability of this measure is discussed; especially with respect to serial correlation influences when using statistical tests. The two main methods of spectral analysis—the calculation of the transformed autocovariance function and of harmonic analysis–are presented. The influences of interpolations, algorithms and physiological effects are discussed. A possible measure of heart rate variability, calculated by spectral estimates, is proposed and some results are given.

Heart Rate Variability and Work-Load Measurement

Heart rate variability is a result of the superimposition of different sources of variation which are systemized. Three parameters are used to describe the phenomenon of heart rate variation. The range of variation of these parameters is discussed using examples from both laboratory and field investigations. Analyses demonstrate a correlation between heart rate and their variability. Discussion of of the variation of the chosen parameters suggests that, when heart rate variability is used as a measure of strain in field research, strain might be under-assessed.

Regelungstheoretisches kreislaufmodell zur interpretation arbeitsphysiologischer und rhythmologischer Einflüsse auf die Momentanherzfrequenz: Arrhythmie

A model of the structure and the behaviour of human heart rate control is developed. It is built up by combining the transfer functions of physiological elements, that take part in the control process. The main factors, that influence the attitude of momentary heart rate, are respiration, blood pressure, metabolic effects and parameters of work physiology, like physical and psychical stress. The model especially explains the fluctuations in momentary heart rate, the arrhythmia, and its variations under stress conditions. Simulation runs on an analogue computer show good agreement of experimental and model results.ZusammenfassungEs wurde ein regelungstheoretisches Modell entwickelt, das aus der Zusammenschaltung der am Regelprozeß beteiligten physiologischen Blöcke, deren aus der Literatur bekannten Einzelübertragungsfunktionen und einer Spektralanalyse der Momentanherzfrequenz das Gesamtverhalten kombiniert und erklärt. Das Verhalten der Momentanherzfrequenz, die sich aus einem kurzfristig zeitvariablen Anteil (Arrhythmie, Herzfrequenz Variabilität) und einem eher zeitkonstanten Anteil zusammensetzt, wird sowohl endogen durch physiologische Funktionen, so z.B. Atmung, Blutdruck, metabolische Einflüsse (physiologischer Aspekt) als auch exogen durch verschiedene qualitative und quatitative Belastungen (ergonomischer Aspekt) sowie deren zeitliche Änderungen beeinflußt. Das Modell berücksichtigt unter Ruhebedingungen den Einfluß der Atmung und des Blutdrucks, unter Belastungsbedingungen zusätzlich die vegetative Tonisierung und zentrale Aktivierung. Simulationsläufe am Analogrechner zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen dem Verhalten des Modells und des physiologischen Systems.

Ergonomische Untersuchung von Teilzeit-Schichtsystemen und Pausen bei informatorischer Arbeit

SummaryParameters reflecting the stress to which shift workers are exposed (length of work cycle, mental relative to motor component of cycle, errors) and physiological strain (heart rate, variability of heart rate, horizontal and vertical electro-oculogram, electromyogram of m. extensor digitorum and m. rhomboideus) were measured in 16 female and 2 male subjects working five different shifts split up in three different ways by rest periods.Results: Repetitive mental work is tolerable in all day-time shifts. The optimum length of shift is 4 hrs. During the night shift this type of work is not tolerable with the rest periods allowed.Optimum performance is obtained with short rest periods, but this regimen imposes an incentive effect causing strain on physiological functions to be ignored so that they are taxed beyond the limits of endurance and high degrees of fatigue results.ZusammenfassungAn 16 Frauen und 2 MÄnnern wurden Messungen im Belastungsbereich (Cycluszeiten, deren motorische und informatorische Komponenten, Fehlleistungen) und Beanspruchungsbereich (Herzfrequenz, Arrhythmie, horizontales und vertikales Elektrooculogramm, Elektromyogramm des Musculus extensor digitorum und des Stamm-Muskels Musculus rhomboideus) zur Beurteilung von fünf unterschiedlichen, über den Tag verteilten Teilzeit-Schichten und drei verschiedenen Pausenregimes durchgeführt.Ergebnisse: Die untersuchte informatorische Arbeit ist in allen Tagschichten ertrÄglich. Die optimale Schicht-Arbeitsdauer ist 4 Std. In den Nachtschichten ist die Arbeit bei den verfügbaren Pausenzeiten unertrÄglich.Das untersuchte Kurzpausenregime ist vom Leistungsgesichtspunkt optimal, führt jedoch zu einem Antriebseffekt, der die Beanspruchung physiologischer Funktionen oberhalb der Dauerleistungsgrenze ignoriert und damit hohe Ermüdungsgrade hervorruft.

Ermittlung der Pulsfrequenzarrhythmie bei körperlicher Arbeit

Summary1.Due to the non-normal distribution of the single heart rate values, simple statistic measures of variation are not suitable for description of arrhythmia of heart rate.2.A measure for arrhythmia of heart rate has to consider variations of heart rate either in amplitude and frequency.3.The derived “Quotient of Arrhythmia” (ARQ) decreases with load as well as with heart rate. A stochastic part of the quotient is derived by extrapolation.Zusammenfassung1.Einfache statistische Variabilitätsmaße sind u. a. wegen der nicht normalen Verteilung der Momentanpulsfrequenzwerte zur Beschreibung der Arrhythmie wenig geeignet.2.Ein Arrhythmie-Maß muß sowohl die Schwankung der Pulsfrequenz nach Größe als auch nach Häufigkeit berücksichtigen.3.Der abgeleitete Arrhythmie-Quotient nimmt mit der Arbeitsschwere sowie der Pulsfrequenz ab. Es läßt sieh eine extrapolierte Restarrhythmie angeben, die der stochastischen Komponente der Arrhythmie entspricht.

Ergonomics in the design and evaluation of a system for “postal video letter coding”

In co-operation with the German Central Post Office for Technological Development, the authors designed and investigated the task of and workplace for Postal video-letter-coding. Experiments including measures of performance, errors, heart rate, arrhythmia, EMGs, and EOGs were used to experiment with variations in the design of displays, codes, keyboards, shifts and rest pauses. As a result of this work the following recommendations have been made by the authors and accepted by the authorities: An optimal display configuration has been developed with two vertically arranged tv displays. Coding-rules are to be simplified by modifications of the postcode. The usual flat keyboard has been replaced by an inclined and angular keyboard. Night-shifts must be avoided because of the tedious nature of the task. A work-rest-schedule of 50 min work and 10 min rest is proposed. In 1978 the complete work-system-design will be introduced in the standard postal service.

Ergonomics investigations of work-places in a police command-control centre equipped with TV displays

Ergonomics experiments were performed in a police command-control centre using computer controlled text processing systems with three alternative input devices: function keys, a light pen and a touch panel. A group of 14 operators was examined while using the alternative devices. Significant differences were found between the devices in terms of the following: sensory and motor activities, local muscular strain, transgressions of tolerance limits for 4-hour work sessions, and increases in heart rate. Suggestions for redesigning the control centre are given using anthropometric analysis. The paper also shows the relation between the sub-optimal design of a work system and the resulting strain.

Zur ergonomischen Beurteilung informatorischer Arbeit

Physiological measurements and output registrations (right answers and errors) during a video-coding-task of adresses were performed on 16 female and 2 male subjects, who worked at minimum 2 years at this job and thus were highly exercised. This type of work is defined as informatory work; the syntactic information content and flow is calculated by an analysis of the coding rules and is compared with results of input information flows in literature for the relative assessment of the difficulty of the model task.A scheme for the assessment of 4 hierarchly ordered degrees of fatigue to be applied to informatory work, is developped and is validated by experimental results of strain measurements (heart rate, heart rate variability, horizontal and vertical electrooculogram, electromyogram of musculus extensor digitorum and musculus rhomboideus) and stress measurements (time of performance and its informatory and motory component, errors) in dependance of shift-time. The presented concept of assessment of fatigue for informatory work is discussed especially with respect to fatigue theories and its application as method of evaluation of functional endurance-limits.ZusammenfassungAn 16 Frauen und 2 Männern, die hochgeübt mindestens 2 Jahre als Codierkräfte arbeiteten, wurden physiologische Messungen sowie Leistungs- und Fehlleistungsmessungen bei mehrstündigem Videocodieren von Briefen durchgeführt. Die Tätigkeit der Versuchspersonen wird als informatorische Arbeit definiert, der syntaktische Informationsgehalt aus der Analyse des Codes berechnet und mit anderen Literaturergebnissen zur Beurteilung der Aufgabenschwierigkeit an Hand der Eingangsinformationsflußdichte verglichen.Eine Systematik zur Beurteilung von vier hierarchisch gegliederten Ermüdungsgraden bei informatorischer Arbeit wird abgeleitet und durch experimentelle Befunde der Messungen der Beanspruchungsgrößen (der Herzfrequenz, der Herzfrequenz-Arrhythmie, des horizontalen und vertikalen Elektrooculogramms, des Elektromyogramms des Musculus extensor digitorum und des Musculus rhomboideus) sowie der Belastungsgrößen (der Gesamtcycluszeit mit ihren informatorischen und motorischen Komponenten und der Fehlerhäufigkeit) in Abhängigkeit von der Arbeitsdauer validiert. Das dargestellte Konzept der Ermüdungsbeurteilung bei informatorischer Arbeit wird diskutiert und als Theorie zur Beurteilung funktionsbezogener exakter Erträglichkeitsgrenzen für informatorische Arbeit dargestellt.

Anpassungsreaktionen von Arbeitspersonen bei ergonomischen Feldstudien informatorischer Arbeitsinhalte

Processes of adaption in measurements of performance - cycle-times, variance of cycle-times, informatory component of time and errors - and of physiological strain - electromyograms of musculus extensor digitorum and musculus rhomboideus, horizontal and vertical electrooculogram, heart rate and heart rate variability - are presented and described in type and frequency. Simultaneous reactions and successive reactions of measured variables in dependance of shift-time and of days are described. They are classified according to the causes exercise and emotional habituation and discussed in a model experimenter - experimental situation.Processes of adaption in measurements of performance — cycle-times, variance of cycle-times, informatory component of time and errors — and of physiological strain — electromyograms of musculus extensor digitorum and musculus rhomboideus, horizontal and vertical electrooculogram, heart rate and heart rate variability — are presented and described in type and frequency. Simultaneous reactions and successive reactions of measured variables in dependance of shift-time and of days are described. They are classified according to the causes “exercise” and “emotional habituation” and discussed in a model “experimenter — experimental situation”.ZusammenfassungAnpassungsvorgÄnge bei informatorischen TÄtigkeiten in Megröen der Leistung — Cycluszeiten, deren Streuung, deren informatorische Anteile und Fehler — und der physiologischen Beanspruchung — Elektromyogramme des m. extensor digitorum und m. rhomboideus, horizontales und vertikales Elektrooculogramm, Herzfrequenz und Arrhythmie — werden dargestellt und nach Art und HÄufigkeit beschrieben. Simultanrekationen und Sukzessivreaktionen aller Megröen über die Schichtzeit — und drei aufeinanderfolgende Tage — werden beschrieben, nach den Ursachen „übung“ und „emotionale Gewöhnung“ zusammengefat und im Hinblick auf ein Modell „Experimentator — Experimentalsituationen“ diskutiert.

Electronic Business-Engineering — Potenziale der Informations- und Dienstleistungsgesellschaft nutzen

Die Prognosen aus den funfziger Jahren uber den Wandel zur Dienstleistungsgesellschaft haben sich langst bewahrheitet. Auch der Produktionssektor hat den Schritt in das postindustrielle Zeitalter vollzogen. Doch auch die Dienstleistungsgesellschaft verandert sich. Durch immer schnellere und umfassendere Kommunikationsmoglichkeiten gewinnen Information und Wissen zunehmend an Bedeutung. Allgemein wird vom Ubergang zu einer Informationsgesellschaft gesprochen.