방법 논문

심전도측정을 이용한 인지 부하 추정: 인간-AI 협력 과제

DOI:

10.3791/69621

⸱

2025년 12월 5일

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1School of Economics and Management, Jiangsu University of Science and Technology, 2Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd., 3School of Management, Shanghai University, 4School of Business, The University of Queensland, 5School of Artificial Intelligence, Xi'an Jiaotong University

이 논문에서

요약

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

이 프로토콜은 인간-AI 협력 과제에서 다양한 과제 난이도 수준에 따른 인지 부하 변동을 측정하기 위해 생리학적 지표를 사용하는 방법을 설명합니다. 연구 결과는 사람들이 과제의 난이도에 따라 의사결정 과정을 조정하여 서로 다른 인지 부하 수준을 반영함을 시사합니다.

초록

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직장 환경에서는 개인의 인지 부하가 성과 안전 모두와 밀접하게 연관되어 있습니다. 인간과 인공지능(AI) 간의 협업이 점점 더 큰 트렌드가 되면서, 협업 과정에서 인지 부하 역학을 실시간으로 객관적으로 포착하는 능력이 점점 더 중요해지고 있습니다. 전통적으로 인지 부하는 설문지를 통해 평가되어 왔으며; 그러나 이러한 회고적 방법들은 작업 수행 전반에 걸친 인지적 부하의 순간순간 변동을 정확히 포착하는 데는 한계가 있습니다. 반면, 생리적 신호는 개인의 실시간 상태를 지속적으로 모니터링할 수 있게 하여 인지 부하를 보다 객관적으로 측정할 수 있게 합니다. 과제 난이도는 참가자의 기대에 영향을 미칠 수 있으며, 이는 이후 행동을 형성하고 궁극적으로 인지 부하에 영향을 미칩니다. 이 연구는 여러 난이도를 포함하는 일반화 가능한 인간-AI 협력 과제를 구현합니다. AI 시스템의 평균 정확도는 과제 시작 전에 참가자들에게 공개되었습니다. 각 시험에서 참가자들은 직접 과제를 완료하거나 AI에게 위임할 수 있는 선택권을 받았습니다. 이 프로토콜의 목적은 심전도(ECG) 데이터를 생리학적 지표로 사용하여 개인이 다양한 난이도 수준에서 과제를 할당하고 AI와 협력할 권한이 있을 때 인지 부하가 어떻게 변하는지 조사하는 것입니다. 본 연구는 인간-AI 협력 과정에서 생리학적 데이터가 드러낸 내부 상태 역학을 더욱 탐구합니다. 이 연구 결과는 협업 모델 개선, 효율성 향상, 인간과 AI의 상호 보완적 강점을 활용해 복잡한 작업에서 자원 통합을 개선하는 데 과학적 근거를 제공합니다.

서론

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인지 부하란 특정과제 수행 기간 동안 개인의 인지 시스템에 가해진 총 정신 활동량을 의미합니다. 인지적 부하 증가는 인간의 수행 능력을 저해할 수 있으며, 이는 직장 내 사고의 주요 원인 중하나입니다. 높은 인지 부하 상태는 교감신경계를 활성화하고 부교감신경계를 억제하여 심박수(HR)를 증가시키고 심박수 변동성(HRV)을 감소시켜 심장 활동에 영향을 미칩니다. 기대 신념은 개인이 특정 과제나 활동을 성공적으로 수행할 수 있다고 믿는 정도를 의미합니다. 과제 난이도는 개인의 기대 신념에 영향을 미치며, 이는 행동 참여와 인지 자원 배분을 조절하여 궁극적으로 서로 다른 인지 부하 수준으로 나타납니다.

심전도(ECG)는 심장의 전기 활동을 고시간 해상도로 기록합니다. 심전도 신호에서 도출된 HR 및 HRV 지수는 심장 리듬의 다양한 측면을 포착하며 개인의 신체적·정신적 스트레스를 심리생리학적 지표로 활용합니다5. 심박수는 심장 수축의 전체 빈도를 반영하며, 심혈관계의 기본 상태를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. HRV는 연속된 심장 박....

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프로토콜

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이 연구는 헬싱키 선언 원칙에 따라 수행되었으며, 장쑤 과학기술대학교 기관심사위원회의 승인을 받았습니다. 모든 참가자로부터 사전 동의를 받았으며, 참가자들은 자신의 데이터 사용 및 출판에 동의했습니다. 이 프로토콜에는 온도에 민감한 또는 위험한 절차는 포함되지 않습니다.

1. 준비

  1. 실험 절차를 참가자에게 소개하고, 연구를 완전히 알게 된 후 서면 동의서를 받으십시오.
  2. ECG 데이터 획득 시스템과 송신기, 수신기, 신축성 있는 벨크로 스트랩, 전극 리드 세트, 전원 케이블, M/F 리본 케이블, 이더넷 케이블, 알코올 물티슈, 의료용 테이프( 재료표 참조)를 포함한 모든 필요한 재료를 준비하세요.
    1. 미리 젤이 처리된 일회용 심전도 전극을 충분히 준비하세요.
    2. 데이터 수집 시스템을 ECG 데이터 수신 모듈에 연결하세요. 그 다음 안정적인 전원 공급에 연결하세요.
    3. M/F 리본 케이블을 사용하여 데이터 수집 시스템과 자극 제시에 사용되는 컴퓨터 간의 연결을 설정합니다.
    4. 이더넷 케이블을 사용해 데이터 수집 컴퓨터를 데이터....

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결과

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생리학적 측정에서는 시간과 주파수 영역 모두에서 심박수와 심박성 측정 지수에 집중했습니다. 시간 영역에서는 연속 차분의 평균근(RMSSD)을 선택했으며, 이는 강건한 측정값22, 23, 24로 간주됩니다. 주파수 영역에서는 저주파/고주파 비율(LF/HF)이 교감 신경과 부교감신경 활동의 균형을 반영하는 것으로 해석되지만, 이 해석은 여전히 논쟁 중이다. 따라서 우리는 주파수 영역 지수로 LF와 HF를 선택했습니다. 정규성 검정 결과, 어느 지수도 정규분포 가정을 충족하지 못했다. 따라서 윌콕슨 부호 순위 검정을 적용하여 쉬운 이미지와 어려운 이미지 간의 지수를 비교했다. 결과는 그림 3에 제시되어 있습니다. 평균 심박수(Z = -2.525, p = 0.012), 좌심수.......

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토론

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본 연구에서 ECG 신호 획득의 질은 이후 분석에 매우 중요했습니다. 실험 과정에서 올바른 전극 배치와 리드와의 적절한 연결이 정확한 신호 기록을 위한 필수 조건이었습니다. 모든 전극은 지정된 위치에 배치되었고, 임피던스를 최소화하기 위해 피부 접촉이 잘 되도록 했습니다. 또한, 외부 요인이 생리적 신호에 미치는 영향을 줄이기 위해 참가자들은 실험 전 카페인을 자제하고, 실험 전날에는 심혈관 관련 약물 사용을 피하도록 지시받았습니다. 이전 연구들은 카페인 섭취가 교감신경 활동을 증가시키고 HF 변동에 영향을 미쳐 HRV에 영향을 줄 수 있음을 보여주었으며, 약물은 교감신경과 부교감신경 활동의 균형을 변화시킬 수 있다24. 따라서 이러한 통제 조치는 데이터의 신뢰성을 보장하기 위해 필요했다.

데이터 수집 중 휴대용 ECG 기기 사용은 전.......

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공개 사항

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저자들은 공개할 것이 없습니다.

감사의 글

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이 연구는 장쑤성 대학원 연구 및 실천 혁신 프로그램(KYCX25_4311), 중국 국가자연과학기금(72374088, 72471105, 72472094, 72001096), 2024년 중국 고등교육협회 고등교육 과학 연구 계획 중점 프로젝트(24XX0205, 학습 성과 향상을 위한 인간-AI 협력 전략 메커니즘), 2024년 장쑤성 교육과학기획 중점프로젝트(B-b/2024/01/162, 교육 신경과학 관점에서 본 다중 모달 학습 모델 구축 및 실증 연구) 및 중국 교육부 인문사회과학기금(24YJCZH445)에서 활동했습니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
알코올 물티슈--이 도구는 피부를 청소하고 소독하는 데 사용됩니다.
Acqknowledge 5.0바이오팩이 소프트웨어는 신호 데이터 수집 및 데이터 분석을 위한 소프트웨어입니다.
데스크톱 컴퓨터델옵티플렉스이 데스크톱은 ECG 획득 및 분석을 위한 소프트웨어를 실행하는 데 사용됩니다.
심전도 데이터 수집 장치바이오팩MP160이 장치는 심전도 데이터를 기록하는 데 사용됩니다.
심전도 전극셴펑S 시리즈이것은 ECG 신호를 수집하는 데 사용되는 액세서리입니다.
전극 리드 세트바이오팩BN-EL45-LEAD3이 장치는 송신기와 함께 데이터 로깅에 사용됩니다.
이더넷 케이블바이오팩-이는 MP160 시스템과 데이터 수집 및 분석 소프트웨어를 연결하는 데 사용됩니다.
실험용 소프트웨어심리학 소프트웨어 도구E-prime3.0 빌드 3.0.3.31이것이 실험 프로그램을 만드는 데 사용된 소프트웨어입니다.
노트북델E5470이 노트북은 실험 프로그램을 실행하고 자극을 제시하는 데 사용됩니다.
M/F 리본 케이블바이오팩CBL110C이는 특정 신호를 전송하는 데 사용됩니다.
의료용 테이프--이것은 긴 전선을 고정하는 데 사용됩니다.
전원 케이블바이오팩-이 장치는 장치에 전력을 공급하는 데 사용됩니다.
수신기바이오팩BN-RSPEC-R이건 심전도 수신기야.
신축성 있는 벨크로 스트랩바이오팩BN-스트랩-137 이 장치는 ECG 송신기를 수리하는 데 사용됩니다.
송신기바이오팩BN-RSPEC-T이건 무선 심전도 송신기야.

참고문헌

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Sweller, J. Cognitive load during problem solving: Effects on learning. Cogn Sci. 12 (2), 257-285 (1988).
  2. Matthews, G., Reinerman-Jones, L. E., Barber, D. J., Abich, J. The psychometrics of mental workload: Multiple measures are sensitive but divergent. Hum Factors

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재인쇄 및 허가

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Cognitive LoadElectrocardiogram DataHuman AI CollaborationHeart Rate VariabilityTask DelegationPhysiological SignalsReal Time MonitoringData Acquisition SystemHRV AnalysisExperimental Task Design

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