[논문 리뷰] Individual performance calibration using physiological stress signals

Francisco Hernando-Gallego, Antonio Artés-Rodrı́guez|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 13.

Heart Rate Variability and Autonomic Control참고 문헌 7인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 점차 복잡해지는 주의력 및 추론 과제 동안 반응을 측정함으로써 생리신호—특히 GSR과 HR—를 사용하여 개인의 성과 곡선을 校정하는 방법을 제안한다. 성과 저하가 시작되기 직전의 신호 수준을 최적의 성과 지점으로 식별하였으며, GSR과 HR이 스트레스와 안정 상태를 신뢰성 있게 구분하고 과제 복잡도와 정확히 상관관계가 있음을 검증하였다.

ABSTRACT

The relation between performance and stress is described by the Yerkes-Dodson Law but varies significantly between individuals. This paper describes a method for determining the individual optimal performance as a function of physiological signals. The method is based on attention and reasoning tests of increasing complexity under monitoring of three physiological signals: Galvanic Skin Response (GSR), Heart Rate (HR), and Electromyogram (EMG). Based on the test results with 15 different individuals, we first show that two of the signals, GSR and HR, have enough discriminative power to distinguish between relax and stress periods. We then show a positive correlation between the complexity level of the tests and the GSR and HR signals, and we finally determine the optimal performance point as the signal level just before a performance decrease. We also discuss the differences among signals depending on the type of test.

연구 동기 및 목표

• 생리적 스트레스 신호를 기반으로 개인 맞춤형 최적 성과 수준을 결정하는 방법을 개발하는 것.
• 실시간 생리 모니터링을 통해 개인 수준에서 Yerkes-Dodson 법칙을 검증하는 것.
• 스트레스와 성과 변화를 가장 잘 구분할 수 있는 생리신호(GSR, HR, EMG, ECG)를 특정하는 것.
• 성과 저하가 시작되기 직전의 신호 임계치를 탐지하여 개인의 성과 곡선을 校정하는 것.
• 신체 센서 네트워크를 활용한 비침습적, 웨어러블 기반 실시간 스트레스 및 성과 모니터링을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 시각적 주의력 과제(Stroop 유사)와 논리적 추론 과제를 단계적으로 복잡도를 높여가며 시행한 두 가지 통제된 실험을 수행하였다.
• GSR, HR(BVP를 통한), ECG, EMG 신호를 수집하기 위해 3대의 무선 Shimmer 센서를 사용하였다.
• 정확한 응답 수를 측정하여 성과 지표로 삼아 성과 저하를 탐지하였다.
• 이 경우에서의 중복성과 낮은 분류 능력으로 인해 BVP 및 EMG 신호는 기각하였다.
• 성과 저하 임계점을 핵심 校정 지점으로 식별하였으며, 이는 정답률이 감소하기 시작하기 이전의 신호 수준으로 정의되었다.
• 시험 시작부터 성과 저하 시점까지의 HR 증가량과 GSR 피크 수를 분석하여 개인별로 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인지 과제 중에 GSR과 HR 신호가 안정 상태와 스트레스 상태를 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?
• RQ2 과제 복잡도가 증가함에 따라 생리적 스트레스 반응(GSR 및 HR)도 정확히 증가하는가?
• RQ3 개인의 성과가 저하되기 시작하는 생리신호 수준은 어느 정도이며, 이를 최적 성과의 校정에 활용할 수 있는가?
• RQ4 색상 명명 과제와 추론 과제와 같은 다른 과제 유형은 생리적 스트레스 반응의 시기와 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비침습적 웨어러블 센서가 개인 성과 校정에 필요한 생리적 지표를 정확하게 캡처할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 15명의 피험자에게서 GSR과 HR 신호가 안정 상태와 스트레스 상태를 강력하게 구분하는 데 효과적이었다.
• 과제 복잡도가 증가함에 따라 GSR과 HR 수치도 상승하는 양의 상관관계가 관찰되었다.
• 최적의 성과 지점은 정답 수가 감소하기 시작하기 이전의 생리신호 수준으로 일관되게 식별되었다.
• 색상 명명 과제에서 성과 저하는 추론 과제보다 일찍 발생하였으며, 이 과제에서 HR 증가 폭이 더 컸다.
• GSR 피크 수와 HR 증가량은 개인 간에 상당한 차이를 보였으며, 이는 개인별 校정의 필요성을 확인하였다.
• BVP 및 EMG 신호는 ECG와의 중복성과 운동 아티팩트로 인해 낮은 관련성으로 기각되었다.