Understanding and Enhancing Physiological Input With Multimodal Biofeedback

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-774602
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.77460

Sehrt, Jessica

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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 03 Sep 2025 08:04

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

In the rapidly evolving field of human-computer interaction, the integration of input from physiological signals of the human body presents an innovative way to interact with computing systems. In situations where traditional interaction methods face challenges due to the need for more intuitive control mechanisms, physiological signals can enable alternative interaction methods when computational systems integrate them as user responses. Physiological input has the potential to enable more seamless and direct control within computer interfaces, particularly in systems for sedentary hands-free interaction because it requires minimal movement. To enhance the interaction with physiological input assistive techniques known from health and sports contexts can be adapted. The technique of biofeedback involves simultaneously reflecting the body’s physiological signals to the user. It enhances interactions by enabling users to learn to control their physiological signals as input and fostering self-regulation. Biofeedback systems require proper preparation to ensure that individuals consciously process the provided information and accurately associate it with their physiological input. This process can be facilitated by promoting appropriate awareness of the users of their biofeedback and incorporating muscle priming, signals provided before reaction, to help users to cognitively anticipate their physiological responses. This thesis investigates the enhanced interaction with physiological input by these assistive techniques. The five studies presented in this thesis provide deeper insights into interaction with physiological input from various body locations to enhance performance, effectiveness, and physical responses while reducing cognitive workload. We found that multimodal biofeedback from visual and tactile modalities can enhance the interaction in a muscle-based interface. Physiological input is comparable amongst the muscle locations tested, emphasizing the flexibility of muscle-based interactive systems. We investigate the role of biofeedback awareness of users as a means to optimize physiological self-regulation. Results point towards an important role of biofeedback awareness to impact and foster active control of physiological input. The observation that touching the muscle site during
the experimental preparation phases helped participants localize their muscles inspired further exploration into how user preparation could refine physiological responses. Building on these findings, we investigated the concept of prior stimulation feedback at muscles, acting as muscle priming before the interaction, using both visual and tactile modalities. To further explore the effects of tactile feedback, we separated the tactile modalities into vibrotactile and electrotactile prior stimulation feedback and examined their influence at different muscle locations. We found evidence that prior stimulation feedback from all modalities can enhance the interaction with muscle-based input, highlighting that the calf muscles showed the fastest response in our system. This thesis concludes with implications for physiological input in assistive systems and enhancing them with multimodal biofeedback and prior stimulation feedback for human-computer interaction.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

In der dynamisch wachsenden Mensch-Computer Interaktion bietet die Integration physiologischer Körpersignale eine innovative Möglichkeit zur Systemsteuerung. In Situationen, in denen herkömmliche Interaktionsmethoden aufgrund des Bedarfs an intuitiveren Kontrollmechanismen vor Herausforderungen stehen, können physiologische Signale alternative Methoden der Interaktion bieten, wenn sie von Computersystemen als Benutzerreaktionen integriert werden. Physiologische Eingaben haben das Potenzial, eine nahtlosere und direktere Steuerung innerhalb von Computerschnittstellen zu ermöglichen, insbesondere in Systemen für sitzende, freihändige Interaktion, da sie nur minimale Bewegungen erfordern. Um die Interaktion mit physiologischen Eingaben zu verbessern, können assistive Techniken aus dem Gesundheits- und Sportkontext entlehnt werden. Bei der Technik des Biofeedback werden die physiologischen Signale des Körpers an die Benutzenden reflektiert. Es verbessert die Interaktion, indem es den Benutzenden ermöglicht, zu lernen, ihre physiologischen Signale als Input zu kontrollieren und die Selbstregulierung fördert. Biofeedbacksysteme erfordern eine angemessene Vorbereitung, um sicherzustellen, dass die Personen die bereitgestellten Informationen bewusst verarbeiten und sie mit ihren physiologischen Eingaben in Verbindung bringen. Dieser Prozess kann durch die Unterstützung eines angemessenen Bewusstseins der Benutzenden über ihr Biofeedback erleichtert werden und durch die Einbeziehung von Muskel Priming, d.h. von Signalen vor einer Aktion oder einem Ereignis, den Benutzenden dabei helfen ihre physiologischen Antworten kognitiv
zu antizipieren. In dieser Dissertation wird die verbesserte Interaktion mit
physiologischen Eingaben durch diese assistiven Techniken untersucht.
Die fünf in dieser Dissertation vorgestellten Studien bieten tiefere Einblicke
in die Interaktion mit physiologischem Input von verschiedenen Körperstellen,
um Leistung, Effektivität und physische Reaktionen zu verbessern und gleichzeitig die kognitive Arbeitsbelastung zu reduzieren. Wir haben herausgefunden, dass das multimodale Biofeedback von visuellen und taktilen Modalitäten die Interaktion in einer muskelbasierten Schnittstelle verbessern kann. Der physiologische Input ist bei den getesteten Muskelstellen vergleichbar, was die Flexibilität muskelbasierter interaktiver Systeme unterstreicht. Wir untersuchen die Rolle des Biofeedback-Bewusstseins der Benutzenden als Mittel zur Optimierung physiologischer
Selbstregulierung. Die Ergebnisse deuten auf eine wichtige Rolle
des Biofeedback-Bewusstseins hin, um die aktive Kontrolle des physiologischen Inputs zu beeinflussen und zu fördern. Die Beobachtung, dass das Berühren der Muskelstellen während der experimentellen Vorbereitungsphasen den Teilnehmern half, ihre Muskeln zu lokalisieren, regte zu weiteren Untersuchungen darüber an, wie die Vorbereitung des Benutzers physiologische Reaktionen verfeinern könnte. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen untersuchten wir das Konzept des Vorstimulationsfeedbacks, das als Muskel Priming vor der Interaktion auf
die Muskeln wirkt und sowohl visuelle als auch taktile Modalitäten verwendet.
Um die Auswirkungen des taktilen Feedbacks weiter zu erforschen, trennten wir die taktilen Modalitäten in vibrotaktiles und elektrotaktiles Vortimulationsfeedback und untersuchten ihren Einfluss an verschiedenen Muskelstellen. Bei der Untersuchung des Konzepts der vorbereitenden Hinweise fanden wir Evidenz dafür, dass Vorstimulationsfeedback von allen Modalitäten die Interaktion mit muskelbasiertem Input verbessern kann, wobei die Wadenmuskelatur in unserem System am schnellsten reagierte. Diese Dissertation schließt mit Implikationen für physiologischen Input in Assistenzsystemen und deren Verbesserung mit multimodalem
Biofeedback und Vortimulationsfeedback für die Mensch-Computer
Interaktion.

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