Analyse von Hautleitwertdaten als Ma

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Analyse von Hautleitwertdatenals Maß für
emotionale Reaktionen

• Christian Kaernbach
• Institut für Psychologiederzeit Universität
  Bonneigentlich Universität Leipzigdemnächst
  Karl-Franzens-Universität Graz

• Einführung in die bioelektrischen Phänomene der
  Haut
• Messung und Auswertung
• template matching
• erste Versuchsergebnisse
• ein Softwarepaket zur Auswertung
• derzeitiger Stand und Fragen

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EDA - Definition

• EDA Elektrodermale Aktivität
• Sammelbegriff für die elektrischen Phänomene der
  Haut (Johnson und Lubin, 1966)
• umfaßt aktive und passive bioelektrische
  Phänomene
• Beschreibungsgrößen
• aktive Phänomene
• Hautpotential
• passive Phänomene
• Hautwiderstand
• Hautleitfähigkeit

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EDA - Terminologie
Deutsch
English
Elektrodermale Aktivität
EDA
Electrodermal Activity
Hautleitfähigkeitsniveau
SCL
Skin Conductance Level
Hautleitwertsniveau
Hautleitfähigkeitsreaktion
SCR
Skin Conductance Response
exosomatisch
Hautleitswertsreaktion
Hautwiderstandsniveau
SRL
Skin Resistance Level
Hautwiderstandsreaktion
SRR
Skin Resistance Response
Hautpotentialniveau
SPL
Skin Potential Level
endosomatisch
Hautpotentialreaktion
SPR
Skin Potential Response
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Aufbau der Haut
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Hautleitwert

• Subcutis und Dermis sind gute und stabile Leiter.
• Epidermis fungiert als Barriere.
• Schweißdrüsenaktivität verändert Hautleitwert
• Schweiß NaCl-Lösung ? besonders leitfähig
• Die Leitfähigkeit ist dort am größten, wo die
  meisten Schweißdrüsen sind.
• Durchtrennung der Innervationswege oder
  medikamentöse Blockade (Atropin) eliminiert
  Hautleitwertsreaktion.

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Schweißdrüsen

• Schweißdrüsen sind exokrine Drüsen.
• Innervation autonomes Nervensystem
• ekkrine vs. apokrine Drüsen
• ekkrin Ausscheidung mittels Vesiklen. Ekkrine
  Schweißdrüsen dienen der Thermoregulation.
• apokrin Abstoßen eines Teils des Somas. Apokrine
  Schweißdrüsen befinden sich an behaarten Stellen
  und dienen der Ausscheidung von Duftstoffen.
• vermehrte Dichte ekkriner Schweißdrüsen auf Hand-
  und Fußflächen
• abweichende Innervation

• Vermutung palmare Schweißdrüsen stehen unter
  zentraler Kontrolle (emotionales Schwitzen)

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Zentrale Innervation

• Vermutung palmare Schweißdrüsen stehen unter
  zentraler Kontrolle (emotionales Schwitzen)

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Gerät

• Leybold Didactic netto brutto
• Pocket Cassy (11 Bit) 195,00 226,20
• Hautwiderstandsbox 270,90 314,24
• CassyLab Software (einmalig) 355,00 411,80
• 820,90 952,24

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Die Messung
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Die Messung
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Setup ist
MatlabCassyLab
Stimulus
VGA Tastatur Maus
USB
Hintergrundmusik
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Setup soll
Matlab
Stimulus
VGA Tastatur Maus
CassyLab
LPT
USB
Hintergrundmusik
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CassyLab

• Events werden in Systemzeit gespeichert und
  nachträglich integriert

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Analyse von EDA Daten

• mitteln (EEG Tradition)
• Minima/Maxima (Boucsein)
• template matching

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Analyse von EDA Daten

• Wolfram Boucsein (1992), Electrodermal Activity,
  New York Plenum Press, p. 132.
• The evaluation of phasic changes mainly focuses
  on irregularly appearing single events rather
  than on patterns that may be characterized by
  changes in frequency and/or amplitude. Hence,
  common procedures like power spectrum or Fourier
  analyses cannot be used in obtaining parameters
  from electrodermal recordings.
• ... most phasic changes of EDA show a rather
  characteristic course or Gestalt, which enables
  the experimenter to separate them from artifacts
  with sufficient reliability. Unfortunately,
  algorithms for the detection of an EDR Gestalt
  are not yet available for computer analysis, and
  therefore it has to be obtained with the visual
  aid of an experimenter.

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Die ideale EDR Gestalt

• Parameter, die von einer idealen einzelnen EDR
  (Typ 1 nach Boucsein) abgeleitet werden können
• Latenz, Amplitude
• Anstiegszeit, Halbwerts/Abklingzeit

EDA
Stimulus
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Überlappende EDRs

• Typ 2 nach Boucsein die erste EDR ist
  separierbar
• Minimum zu Maximum
• Abziehen der extrapolierten EDR

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Überlappende EDRs

• Typ 3 nach Boucsein kein Maximum der ersten EDR
• Extrapolation nicht mehr möglich
• Wendepunkt versus Summe

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suppose we knew the Gestalt

• template matching
• Zerlegen einer engenÜberlagerung von EDRs in
  ihre Bestandteile
• EDA Summe aus Basis (hier linear) und einer
  kleinen Anzahl separater EDRs
• Minimieren des Fehlerquadrates (?²)

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Eine Gestalt für die EDR

• Zwei-Kompartiment-Modell
• Ein Agens wird schlagartig in Kompartiment A
  freigesetzt.
• Es diffundiert mit Zeitkonstante k1 ins
  Kompartiment B.
• Von dort wird es mit Zeitkonstante k2 eliminiert.
• Es gibt keine Rückdiffusion von B nach A, z.B.
  Kompartiment B ist sehr viel größer als
  Kompartiment A.

Bateman Funktion
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Minimieren des Fehlerquadrates

• Gradientenverfahren (gradient descent)

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Minimieren des Fehlerquadrates

• Gradientenverfahren (gradient descent)

• Problem lokale Minima

• Evolution

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Explicit and implicit responses to environmental
sounds

• Alex Ronald López Rolón
• Christian Kaernbach
• Ronny WernerInstitut für Allgemeine
  PsychologieUniversität Leipzig

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Method, Context

• 3x2x2 Design
• sound sound without with context context conte
  xt alone
• Explicit ratings
• Implicit physiological response
• N15 N15 N15

dimension pleasure arousal pleasure arousal
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Stimuli

• 7 sounds from IADS sound database (Bradley
  Lang)
• International Affective Digitized Sound System
• in total 111 sounds
• in analogy to IAPS International Affective
  Picture System
• IADS sounds are 6 s long
• some sounds in IADS are not well prepared
• IADS sounds come with valence and arousal ratings
• choose 7 sounds such as to cover the ground
• 3 sounds from Peter Bailey, University of York
• chalk on blackboard, grinding engine, dropping
  spade
• 2 musical instrument sounds
• all sounds cut to 2 s length, and leveled in rms
  power

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Stimuli
context

• gähnende Frau
• Babylachen
• Babyschrei
• lachende Menschen
• Schrei einer Frau
• Gesang
• Schweinegrunzen
• große Maschine
• Kreidequietschen
• fallender Spaten
• tiefer Celloton
• Klarinette

yawning women laughing baby crying baby laughing
people cry of a woman chant grunting pig big
engine squeaking chalk dropping a spade bass note
on cello clarinet
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Explicit ratings

• Self Assessment Manikin, SAM (Bradley Lang)
• pleasure scale
• arousal scale

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Explicit ratings
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Implicit responses

• Motivation
• It is often difficult to verbalize ones feelings
• It might not be politically correct to state
  explicitly ones emotional reaction to certain
  stimuli
• Emotion systems are different from cognitive
  systems
• Intact emotional memory in amnesic patient
  (Claparède, 1911)
• Emotional memory closely linked to implicit
  memory
• Methods
• physiological responses
• arousal EDA
• pleasure facial EMG

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EDA analysis

• Fit of appropriate templatePharmacokinetics
  suggest Bateman function
• diffusion from compartment A into B with time
  constant k1
• elimination from compartment B with time
  constant k2

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Event-related EDA (ER-EDA)

• visible increase of activity after event

(N.B EEhaah! Mamma, we got Event-Related EDA!)
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Korrelation zu Ratings Wohlgefallen

• ER-EDA ist nicht korreliert zu Wohlgefallen

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Korrelation zu Ratings Erregung

• ER-EDA ist korreliert zu Erregung in der
  Bedingung Geräusch

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Discussion

• Explicit ratings correlate with IADS ratings
• pleasure good correlation even for description
  only
• arousal correlation is best for sound only
• Event-related EDA correlates with arousal
  ratings for condition sound only
• simultaneous visual cue lessens arousal
• context (if given) should be non-predictive

• Ansätze für weitere Forschung
• Optimierung der Zeitabstände
• nichtprädikativer Kontext
• Vergleich verschiedener Auswertemethoden

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Ein Programmpaket

• ein Satz von Matlab Routinen
• zunächst entwickelt für den Eigenbedarf
• wuchs sich aus zu eigenständigem Projekt

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Ledalab
Leipzig electrodermal activity laboratory
Paul Prosper Tillier (1834-1915), Öl auf
Leinwand, Privatsammlung

• ein Softwarepaket zur Analyse von elektrodermaler
  Aktivität
• von Christian Kaernbach

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Leda und der Schwan

• Leda Königin der Spartaner, Frau von Tyndareos,
  Geliebte des Zeus (der ihr als Schwan erschien),
  Mutter von Castor, Pollux, Helena und
  Klytemnestra

Keramik aus Kreta, ca. 1000 v. Chr.
Leonardo da Vinci, ca. 1505 n. Chr.
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(No Transcript)
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Der Parameterraum

• Template
• zwei Zeitkonstanten
• Hintergrund
• Polynom 1. Ordnung
• evtl. Exponential
• Peaks
• Amplitude
• Zeitpunkt

2 2 1 N N 2N5
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Der Parameterraum

• Template
• zwei Zeitkonstanten
• Hintergrund
• Polynom 1. Ordnung
• evtl. Exponential
• Peaks
• Amplitude
• Zeitpunkt

2 2 1 N N 2N5N2
Vandermonde Matrix für Polynom und (Peak- und
Exponential-) Amplituden
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Ledalab
for me
for you

• implementiert als Satz von Matlab Routinen
• template Bateman Funktion
• stochastisches Abstiegsverfahren, Evolution
• line search (Parabelfit) in stochastische Richtung

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Ledalab
for me
for you

• implementiert als Satz von Matlab Routinen
• template Bateman Funktion, evtl. weitere
  templates
• konjugiertes Gradientenverfahren, verbesserte
  Evolution

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Ledalab
for you

• implementiert als Satz von Matlab Routinen
• template Bateman Funktion, evtl. weitere
  templates
• konjugiertes Gradientenverfahren, verbesserte
  Evolution

• 50 Seiten Dokumentation mit Index
• Programmierer
• objektorientierte Programmierung
• neue Features nach Nutzeranregungen
• Wartung, Fehlerbehebung,bedienerfreundliche
  Meldungen
• web www.ledalab.de
• groups.yahoo.com/group/ledalab/ledalab-subscribe_at_
  yahoogroups.de
• FAQ, Analyse-Bibliothek

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Fragen
? 0.1 s? bestimme mit ? den konjugierten
Gradienten Betrag des Gradienten kleiner als
Limit Abbruch gehe ? in ermittelte
Abstiegsrichtung ?² wird größer ?
halbieren, go to ? ?² wird kleiner Leiter
0, ?, 2?, 4?, 8?, 16?.. bis nonmonoton (evtl.
Abbruch, Minimalforderung konvex) Parabelfit
auf letzte drei Punkte, go to ?

• Gradientenverfahren
• optimale Formel für konjugierten Gradienten
• Steuerung des ? für den Gradienten, line search
• Evolution
• 1 intelligentes Kind, viele dumme Kinder?
• Ähnlichkeitsmaß für vorzeitigen Exitus
• vergleichende Bewertung
• jeder Peak erniedrigt df (nur) um 2
• evtl. ist die Zahl der Meßpunkte N (600) zu hoch
  angesetzt
• Abhängigkeit x(n1) von x(n) überprüfen, N
  reduzieren
• Analytisches Verfahren statt Optimierung?
• Benchmarking

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Danke für die Aufmerksamkeit