Engineering Psychophysiology: Issues and Applications

382 Pages·2000·6.615 MB·English

by  Wolf Boucsein

Page iii
Engineering Psychophysiology
Issues and Applications
Edited by
Richard W. Backs
Central Michigan University
Wolfram Boucsein
University of Wuppertal, Germany
Page iv
Copyright © 2000 by Lawrence Erlbaum Associates, Inc.
All rights reserved. No part of this book may be reproduced in any form, by photostat, microfilm, retrieval system, or any other means, without the prior written 
permission of the publisher.
Lawrence Erlbaum Associates, Inc., Publishers
10 Industrial Avenue
Mahwah, New Jersey 07430­2262
Cover design by Kathryn Houghtaling Lacey
Library of Congress Cataloging­in­Publication Data
Engineering psychophysiology: issues and applications / edited by
Richard W. Backs, Wolfram Boucsein.
p. cm.
Includes bibliographical references and index.
ISBN 0­8058­2452­9 (alk. paper). —ISBN  0­8058­2453­7 
(pbk.: alk. paper)
1. Human engineering. 2. Psychophysiology. I. Backs, Richard W.
II. Boucsein, Wolfram.
TA166.E556 1999
620.8—dc21                                                                  99­14047
                                                                                           CIP
Books published by Lawrence Erlbaum Associates are printed on acid­free paper, and their bindings are chosen for strength and durability.
Printed in the United States of America
10  9  8  7  6  5  4  3  2  1
Page v
CONTENTS
Preface ix

Part I: Issues
Chapter 1 3
Engineering Psychophysiology as a Discipline: Historical and Theoretical 
Aspects
Wolfram Boucsein and Richard W. Backs
Chapter 2 31
Theoretical and Methodological Issues in Psychophysiological Research
Anthony W K. Gaillard and Arthur F. Kramer
Chapter 3 59
The Design and Analysis of Experiments in Engineering Psychophysiology
Julian F. Thayer and Bruce H. Friedman
Chapter 4 79
Signal Processing and Analysis in Application
Holger Luczak and Matthias Göbel
Chapter 5 111
Recording Methods in Applied Environments
Jochen Fahrenberg and Cornelis J. E. Wientjes
Page vi

Part II: Applications
Chapter 6 139
A Psychophysiological Approach to Working Conditions
Gijsbertus Mulder, Lambertus J. M. Mulder, Theo F. Meijman, Johannes 
B. P. Veldman, and Arie M. Van Roon
Chapter 7 161
The Validity of Factor Analytically Derived Cardiac Autonomic Components for 
Mental Workload Assessment
John K. Lenneman and Richard W Backs
Chapter 8 177
Alertness in Airline Pilots During Night Flights: Assessment of Alertness Using 
EEG Measures
Alexander Gundel, Jürgen Drescher, and Jacqueline Turowski
Chapter 9 189
The Effect of Naps and Caffeine on Alertness During Sleep Loss and Nocturnal 
Work Periods
Michael H. Bonnet and Donna L. Arand
Chapter 10 203
Studying Pharmacological Performance Enhancement With Behavioral, 
Subjective, and Electroencephalographic Measures
John A. Caldwell, Jr. and J. Lynn Caldwell
Chapter 11 241
A Biocybernetic System for Adaptive Automation
Mark W. Scerbo, Frederick G. Freeman, and Peter J. Mikulka
Chapter 12 255
Slow Brain Potentials as a Measure of Effort? Applications in Mental Workload 
Studies in Laboratory Settings
Gabriele Freude and Peter Ullsperger
Chapter 13 269
Ocular Measures of Fatigue and Cognitive Factors
Erik J. Sirevaag and John A. Stern
Chapter 14 289
The Use of Psychophysiology for Evaluating Stress–Strain Processes in Human–
Computer Interaction
Wolfram Boucsein
Page vii
Chapter 15 311
Psychophysiological Analysis of Design Work: Ergonomic Improvements 
Derived From Stress–Strain Research
Holger Luczak and Johannes Springer
Chapter 16 339
Stress and Health Risks in Repetitive Work and Supervisory Monitoring Work
Ulf Lundberg and Gunn Johansson
Chapter 17 361
Engineering Psychophysiology in Japan
Akihiro Yagi
Author Index 369
Subject Index 381
Page ix
PREFACE
The purpose of this volume is to promote engineering psychophysiology as a discipline and to demonstrate its value to a new audience who, we hope, will consist of 
ergonomists, human factors psychologists, and engineers. We use a rather broad definition of what constitutes engineering, including all aspects of the fields known as 
human engineering, industrial engineering, and safety and systems engineering. We had two goals for this volume that are reflected in its subtitle: Issues and 
Applications.
The goal for the Issues section is to introduce the components critical for the successful application of psychophysiological methods to problems in engineering. In 
particular, these chapters are intended to provide an introduction for the reader who is unfamiliar with psychophysiology. They are not comprehensive reviews, nor are 
they tutorials. Instead, their purpose is to provide the newcomer to the discipline with an overview of the basic theoretical, measurement, instrumentation, and 
experimental design questions inherent in the use of psychophysiological methods. Chapter 1 provides a very brief historical context of engineering psychophysiology 
as a discipline, introduces some theoretical constructs (e.g., arousal and stress–strain) and provides a taxonomic bibliography of recent research using the predominant 
measurement techniques in the field. Chapter 2 reviews the major theoretical approaches (i.e., mental workload and stress–strain) that form the foundation for much of 
the research of the discipline. Chapter 3 critiques the classical approach to experimental design in psychophysiology and suggests ways in which research in 
engineering psychophysiology can and should move beyond the classical approach. Chapter 4 reviews bioelectrical signal processing and illustrates how 
psychophysiological
Page x
research in complex tasks differs from typical laboratory psychophysiology. Finally, chapter 5 reviews advantages and disadvantages of ambulatory assessment of 
psychophysiological measures. The newcomer is intended to use these chapters as guides to the more in­depth treatments of each issue that can be found in the 
chapter references.
The primary goal for the Applications section is to illustrate the many ways that psychophysiological methods are already being used in engineering applications. We 
also use a broad definition of application, one that includes laboratory and simulation research as well as field studies. However, what all the chapters have in 
common is that they address questions that are relevant for applying psychophysiological methods in the field. Our intent is to stimulate investigators to use these 
methods in new problem areas; therefore, the content of these chapters varies widely. Some chapters review specific psychophysiological measures (e.g., chap. 13). 
Other chapters review work performed on specific engineering problems (e.g., chaps. 11, 14, and 15), including problems in industrial and safety and systems 
engineering (e.g., chaps. 6,8,9, 10, and 16). Several chapters focus on the use of psychophysiological measures to assess mental workload (e.g., chaps. 7 and 12). 
Finally, there is a report on the status of the discipline in Japan (chap. 17).
The secondary goal for the Applications section is to have a broad sampling of measures and measurement techniques that have been used in engineering 
psychophysiology. In addition to the more typical psychophysiological measures of the central, autonomic, and peripheral nervous systems (i.e., 
electroencephalographic, cardiovascular, respiratory, electrodermal, oculomotor, and electromyographic), we also have included research using endocrine measures. 
Some chapters focus on a single response or response system, whereas others use multiple measures. The latter approach is increasingly common in 
psychophysiological research and has much to recommend it (see chap. 3).
We believe that the timing is right for this volume. The cost of instrumentation needed for psychophysiological research continues to fall. Simultaneously, the capability 
of the instruments continues to increase. Another important development is the rapid advancement of ambulatory technology enabling the transition of 
psychophysiological methods from the laboratory to the natural environment (see chap. 5). As a result, the interest in psychophysiological methods has never been 
greater.
An indication of this increased interest is the recent founding of the Psychophysiology in Ergonomics (PIE) society that is also a technical group of the International 
Ergonomics Association and an interest group of the Society for Psychophysiological Research. This group has more than 180 members representing 15 countries. 
PIE has sponsored two international conferences and several special issues of major journals such as Ergonomics and Biological Psychology (more information on 
PIE can be obtained at: http://www.uni­wuppertal.de/FB3/psychologie/physio/pie.htm).
Page xi
ACKNOWLEDGMENTS
We recognize and thank some of the many people who made this project possible. First, of course, are the contributors; the volume would not have been possible 
without their good will throughout the revision process. Second, we thank the reviewers, especially those contributors who also volunteered as reviewers: Mike 
Bonnet, Alex Gundel, Rob Henning, Dick Jennings, Art Kramer, Petra Netter, Raja Parasuraman, Bill Ray, John Stern, and Larry Walrath.
—RICHARD W. BACKS 
—WOLFRAM BOUCSEIN
Page 1
I— 
ISSUES