Hävittäjäohjaajan respiraatiotiheys kognitiivisen kuormituksen mittarina

Abstract

Tiivistelmä

F/A-18 hävittäjäohjaaja toimii kognitiivisesti vaativassa ympäristössä suorittaessaan lentotehtäviä. Kognitiivinen kuormitus saattaa ylittää ajoittain hävittäjäohjaajan kognitiivisen kapasiteetin ja tällöin riskinä on tehtävän epäonnistuminen tai jopa onnettomuus. Hävittäjäohjaajien koulutuksessa kognitiivisen kuormituksen reaaliaikainen mittaaminen ja analysointi mahdollistaisi koulutuksen optimoinnin jokaiselle koulutettavalle yksilölle sopivalle tasolle. Tämä tehostaisi koulutusta ja voisi mahdollistaa hävittäjäohjaajien kognitiivisten ylikuormitustilanteiden ennaltaehkäisemistä.

Sydämen toiminta ja hengitystiheys reagoivat ihmisen kognitiivisen kuormituksen tasoon autonomisen hermoston välityksellä. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia hengitystiheyden eli respiraatiotiheyden soveltuvuutta kognitiivisen kuormituksen mittaamiseen. Tutkimuksessa verrattiin koehenkilöiden respiraatiotiheyttä heidän fysiologisiin ja subjektiivisiin kuormitusarvoihin. Fysiologiset kognitiiviset kuormitusarvot mitattiin sykevälivaihtelulla ja subjektiiviset kognitiiviset kuormitusarvot saatiin NASA-TLX (National Aeronautics and Space Administration Task Load Index) menetelmällä. Vertailun perusteella tehtiin johtopäätökset respiraatiotiheyden soveltuvuudesta kognitiivisen kuormituksen mittaamiseen.

Tutkimusta varten luotiin koeasetelma, jossa 16 koehenkilöä suoritti kaksi kognitiiviselta vaativuudeltaan eri tasoista lentosimulaattoritehtävää. Tehtävien aikana koehenkilöiltä mitattiin sykevälivaihtelua Firstbeat bodyguard 2-laitteella ja respiraatiotiheyttä IPBAM (Insta Pilot’s Breath Air Monitor) -hengitysilmamonitorilla. Lisäksi tehtävien suoritukset arvioitiin ja koehenkilöt vastasivat NASA-TLX kyselyyn. Näistä tuloksista saatiin vertailukohta fysiologisille mittauksille. Sykevälivaihtelumuuttujia, NASA-TLX pisteitä, suoritusarviointia ja respiraatiotiheystietoja verrattiin toistettujen mittausten t-testillä.

Tulosten mukaan respiraatiotiheys reagoi samansuuntaisesti kognitiivisen kuormituksen kasvuun kuin tutkimuksen vertailumittarit sykevälivaihtelu, suoritusarvioinnit ja NASA-TLX pisteet. Tutkimuksen tulosten mukaan respiraatiotiheys korreloi muihin kognitiivisen kuormituksen mittaustietoihin. Täten respiraatiotiheyttä voidaan käyttää luotettavasti kognitiivisen kuormituksen mittaamiseen. Respiraatiotiheys on kuitenkin herkkä tekijöille, jotka eivät suoraan liity kognitiiviseen kuormitukseen, joten respiraatiotiheyden analysoimisessa mahdolliset ulkoiset tekijät tulee pystyä erottelemaan todellisista kuormitustekijöistä. Tämän tutkimuksen johtopäätös on, että respiraatiotiheyttä voidaan harkita tukemaan muita kognitiivisen kuormituksen mittareita. Tämä tutkimus ei täysin tue respiraatiotiheyden käyttämistä yksinään mittaamaan kognitiivista kuormitusta.

The F/A-18 fighter pilot operates in a cognitively demanding environment while performing flight missions. The mental workload may occasionally exceed the fighter pilot's cognitive capacity. In these cases, the mission success is jeopardized or even a fatal accident might occur. Real-time measurement and analysis of the mental workload would enable the training of the fighter pilots to be optimized to the appropriate level for all the student pilots. This would enhance training and could enable the prevention of cognitive overload situations for fighter pilots.

Heart activity and respiration rate react to the level of a person's mental workload via the autonomic nervous system. The aim of this study was to investigate the applicability of respiration rate to measure mental workload. In the study, the subjects' respiration rate was compared with their physiological and subjective mental workload values. Physiological mental workload values were measured by heart rate variability and subjective mental workload values were obtained using the NASA-TLX (National Aeronautics and Space Administration Task Load Index) method. Conclusions were made based on the comparison about the suitability of respiration rate for measuring pilots’ mental workload.

An experimental set-up was created for the research. In the set-up 16 test subjects performed two flight tasks of different mental workload levels in the F/A-18 flight simulator. During the tasks, subjects were measured for heart rate variability with the Firstbeat bodyguard 2 device and respiration rate with the IPBAM (Insta Pilot's Breath Air Monitor). In addition, subjects answered the NASA-TLX questionnaire, which provided a reference point for physiological measurements. Heart rate variability variables, NASA-TLX scores and respiration rate data were compared using a repeated measures t-test.

According to the results, respiration rate responds to the increase in mental workload in the same way as the study's benchmarks heart rate variability and NASA-TLX score. According to the results of the study, respiration rate correlates with the compared cognitive load measurement data, and respiration rate can be reliably used to measure mental workload. However, respiration rate is sensitive to factors that are not directly related to mental workload. Therefore, when analyzing respiration rate, you must be able to distinguish possible external factors from actual mental workload factors. As a conclusion, it is recommended that respiration rate should be considered for use to support other measures of mental workload. This study does not fully support using respiration rate alone to measure mental workload.