CN101378696A - 注意广度或其下降的评估 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于监测和/或评估对象的注意力变化或下降的方法和装置。本发明的装置和方法分析对象心动周期时间段的规律性来检测注意力下降或变化。当对象将精力集中在特定任务或物品上时，心动周期显示强烈的规律性。但当对任务或物品的注意力被打断或者对象的注意力下降时，心动周期的规律周期性下降。在优选实现方式中，心动周期通过监测对象的ECG波形并进行ECG数据的倒谱处理来检测，以确定R波规律性的度量。
Description
本发明涉及人的生理状态分析，并且尤其涉及人对任务或对象的注意状态的评估。
有许多由人执行的任务，它们要求对正在完成的任务严格注意。一种所述任务是飞机飞行。飞行员的注意力应当集中在飞机的仪表盘上和飞机前面的空域中。飞行员注意力的丧失或者注意力分散(drift off)开始幻想可能具有潜在的有害结果。类似地，长途卡车司机需要将精力集中交通上并警戒可能的道路危险。在驾驶过程中睡着的卡车司机可同样对他自己和其他人造成危险。连接移植器官的血管的移植外科医生同样需要将他的全部注意力集中于外科手术。因此，需要在如这些情况下监测人对正在完成的任务的注意力。
已经进行了许多尝试来感测注意力下降。一种直截了当的方法是光学观察对象的眼皮。当眼皮被检测到闭合的时间比正常眨眼的时间长时，则发出警报，警告对象该状态，并希望将对象的注意力拉回到正在完成的任务上来。这种方法可应用于上述长途卡车司机，当他们在驾驶时睡着而可能有害的时候。但是，虽然这种方法可检测睡着的人，但其不能检测注意力分散诸如做白日梦，在这种情况下司机对高速公路的注意力分散而司机仍然保持清醒。
还对与对任务的注意力有关的其他心理生理学变化进行了研究。在International Journal of Psychophysiology第56卷(2005)的第171-84页出版的由Stephen H.Fairclough等人完成的“The influence of task demand andlearning on the psychophysiological response”一文中描述的研究中，作者在超过64分钟的学习阶段中对三十个对象的EEG、ECG、EOG和呼吸进行了监测。多个回归分析揭示了特定的心理生理学变化预示了有关学习曲线的不同时间段的学习。有关选择性注意力任务的两组孩子的表现在Journalof Psychophysiological第19(1)卷(2005)第35-49页中出版的由MonikaAlthaus等人完成的“Cortical and Autonomic Correlates of Visual SelectiveAttention in Introverted and Extraverted Children”一文中描述。在这些任务期间连续记录EEG和心脏活动。发现心率变化的特定波谱的减少与外向性的程度和任务表现以及儿童的温度有关。但这些研究的结果仅仅在大量生理学数据的收集和收集后分析之后得到。能够产生实时注意力变化的指示并具有最小的分析复杂性将是合乎需要的。
根据本发明的原理，描述了一种方法，其通过仅仅分析生理学特性(对象的心率)来感测对象的变化和/或注意力或者兴趣的下降。在优选实现方式中，通过ECG数据采集来采集心率数据。对ECG数据进行处理以产生心率短期规律性的度量。在优选实现方式中，这通过简化ECG R波数据并对样本进行倒谱分析来完成。具有高度心率规律性的5-8秒间隔与注意力或兴趣的连续水平有关，相反，明显的短期心率变化与注意力下降有关。本发明的方法在实际的任何人类活动中可应用于监测或检测注意力或兴趣的变化和/或下降。
在附图中：
图1示出了用于解释本发明原理的ECG波形；
图2示出了用于图1的事件定时的事件检测概率曲线；
图3以框图形式示出了根据本发明原理构造的注意力变化/下降检测装置；
图4是本发明的方法流程图；
图5a、5b、6a和6b是本发明的例子的典型波形；
图7示出了用于注意力下降的时间段的本发明的例子的典型波形；
图8示出了用于恒定注意力的时间段的本发明的例子的典型波形。
首先参见图1，显示了由本发明的实现方式监测的对象的ECG波形。本发明的发明人已经观察到当个人将他或者她的注意力连续集中在给定对象上时，个人的短期心率稳定并且恒定。本发明的发明人进一步观察到，当个人对对象的注意力被外部事件打断或者甚至是个人对不同对象的注意力分散时，在短期心率间隔中存在变化。假定这些变化是由于交感神经和副交感神经系统对心脏的相对作用(involvement)的变化。已知交感神经系统使心率增加，而副交感神经系统则使心率降低。例如当人受到惊吓时，常常被称为这个人的“心脏略去了一次跳动”。这不是仅仅在语言意义上的描述，也是在临床上得到验证的事实。个人的心率确实随着心搏间隔的延长或缩短而变化，并且心脏实际上也真正地略去了心搏。本发明的发明人已经将这些观察应用到他们发明的下列方法和系统中，这些方法和系统能够监测并检测人对任务或活动的注意力或注意力下降的变化。
图1示出了这些原理在本发明中的应用。ECG波形10被观察到具有以规律的心搏间隔t1、t2、t3…重复出现的R波12。如由行14中的采样时间箭头表示的那样，对ECG波形10采样。如将在下面详细解释的那样，处理这些样本以推断心搏的规律性或者不规律性。在该例子中，直到在事件箭头E的时刻事件发生，都继续心搏的有规律重复出现。这引起有规律的心搏重复出现的中断，在该例子中，预期的下一有规律的R波16的略去应当在时刻tn发生。在时刻tm+2的R波之后心搏然后继续两个心动周期。在时刻tm发生的R波之后不能检测到该缺失的心搏，直到在预期的下一R波发生的时刻tn处或之后获得样本，并且发现预期的R波缺失为止才能检测到。在时刻tn或刚好在其之前采样箭头的时刻处取得的样本是检测到缺失的R波16的第一时刻。当在时刻tn之后取得越来越多的样本时，R波16检测为缺失的概率增加。这种概率由图2中的概率曲线18示出，其中显示了直到预期的缺失心搏HBm的时刻或以后，实际上在心搏HBm之后的心搏HBn处没有检测到R波缺失的可能性。如概率曲线18所指示的，在该时刻之后将检测到预期心搏缺少的概率迅速增加，到时刻tm+2时的下一实际心搏HBm+2的时刻接近近似确定。因此观察到ECG波形的采样可以导致对缺失心搏的检测。相同技术还可以导致对在与前一心搏相同的规律间隔中没有发生的心搏的检测，如下面描述的。这是为本发明的下列例子做出铺垫的理解，下面的例子中注意力的下降或变化可以实时地快速检测到。
图3示出了根据本发明的原理构造的注意力变化/下降检测装置。电极20设置有接收人ECG信号的导电层22。电极20与对ECG信号进行放大的放大器24连接，然后由模数转换器26进行数字采样。ECG信号的数字样本存在在存储器28中。ECG信号样本与处理器30耦合，在该例子中处理器被显示为数字信号处理器，其通过执行用于确定ECG信号的心动周期的短期规律性的算法来处理样本组，如将在下面更全面描述的。指示注意力变化或下降的输出信号与产生所确定的注意力变化或下降的视觉或听觉或触觉指示的输出装置32耦合。例如，该输出装置可以产生连续的视觉显示，诸如发光指示器，只要使用该装置的对象持续集中于对象上。如果对象的注意力开始分散或者转变到另一对象上，如果这种变化引起对象或者其他个人的注意，则听觉指示器可以发出声音或者产生振动。该装置的主动元件由控制器40控制，其可控制影响该过程的变量，诸如采样时间、算法处理变量、显示参数以及类似变量。控制器40进而由用户通过用户界面42来控制，用户可通过用户界面控制该过程，例如通过确定时间常数和/或其他过程变量。
图4是本发明方法的一个例子。在步骤52中接收对象的ECG信号并在步骤54中对其进行采样。在步骤56中，从信号样本序列中选择样本窗口或组用于处理。然后处理每组样本以确定R到R间隔的规律性，在优选实施例中，这由倒谱处理来完成。倒谱分析是一种在1963年的论文中由Bogert，Healy和Tukey引入的数学同形变换(homomorphic transformation)。其对于确定自谱(autospectrum)的周期性，多个瞬时谱的平均振幅是有用的。倒谱可以看作提供了有关不同谱带中变化的速率的信息。倒谱处理产生了信号的功率谱的对数的逆傅立叶变换。在信号处理中，倒谱通常被视为获取分贝(对数)波谱的傅立叶变换的结果，如同其为信号一样。倒谱处理已经应用于各种领域，包括音频处理，语音处理、地球物理学，雷达、医学成像以及其他领域。在语音处理中，倒谱已经用于分离来自包含声音质量的传递函数的声音信号的单词和音调。在地球物理学中，倒谱已经用于描述由地震和爆炸产生的地震回声的特征。对ECG波形执行倒谱分析的称为Heart Tuner的装置已经由Mr.Dan Winter开发出来，以分析并显示人的情感。与Heart Tuner连接的人观察产生的图形显示并观察他或她的ECG波形的谐波含量。当人的情感积极的时候，观察到第一倒谱相干峰升高。通过思考可共享的积极的想法以增加Heart Tuner的倒谱相干峰来教导人变得入神。倒谱处理也已经用于分析雷达返回数据。
在图4的方法中，如步骤62-66中所示，倒谱处理用于检测心动周期的周期性的变化，如R到R波间隔所示。虽然可以通过对R波的峰值检测和对R波间隔的测量和比较来得到相同的信息，但是在图示的方法中使用了倒谱处理，这是因为其鲁棒性，其对采样数据信号的容易适应性以及其对心率细小变化的灵敏性。
在步骤62中，对步骤56中选择的样本窗进行傅立叶变换。在步骤64中对这种结果取log10。在步骤66中，对对数结果进行逆傅立叶变换。这在时间轴上产生一系列的值，其显示了与在步骤56的窗口的采样间隔中被采样的ECG波形的重复出现间隔相对应的峰值。图5和6的图线以图形的方式示出了该倒谱处理的结果。图5a示出了通过对心搏序列的ECG波形样本进行傅立叶变换产生的ECG信号的波谱82(步骤62)，其中横坐标为频率(赫兹)。在该例子中可以看出，信号的能量几乎随机分布在宽范围的频率上。在通过倒谱处理对该结果(步骤64和66)进行log10和逆傅立叶变换时，该结果为如图5b中所示的时间轴(赫兹-1或秒)上的图形84。该图形84的峰值在步骤72中通过许多标准或者复杂峰值检测技术中的任何一个来标识。在图5b的例子中，可以观察到一些峰值，包括那些在86和88处标识的峰值。在心搏间隔处预期心率的主峰值，诸如在R到R波间隔。当对这些峰值86和88进行分析以寻找心率间隔时(步骤74)，0.65秒处的峰值86被辨别为每分钟91次跳动(bpm)的心搏。大约在1.3秒处的峰值88是91bpm的基础心搏速率的分谐波。在该例子中可以看出，心率峰值86的振幅相对较低。根据本发明的原理，相对较低的心率峰值表明对象注意力集中程度的水平低，这是因为心脏不是以连续恒定的速率跳动的。在通过产生这种结果的DSP 30进行倒谱处理之后，将该结果传送到图3的装置中的输出装置32中。
图6a示出了不同的ECG信号样本序列的傅立叶波谱92。在该例子中，看到波谱能量在一系列良好定义的峰值周围合并。在对该数据进行log10和逆傅立叶变换之后，得到图6b的时间图形94，其显示了两个急剧上升的定义的峰值96和98。大约0.73秒处的主峰值被标识为由82bpm的基础心率产生的峰值，而峰值98为大约1.46秒处的分谐波。可以看到，峰值96的振幅是比图5b的对应峰值还要高得多的振幅，这表明心率非常一致。根据本发明，这种高振幅峰值96表明产生这种数据的ECG波形的对象的高注意力水平。图5和6的数据取自相同的对象，显示了在采集用于图6a和6b的窗口数据的时刻，对象将注意力集中在特定对象或者任务上，而在采集用于图5a和5b的窗口数据的时刻，对象的注意力发生转移或者对象表现出对先前对象或任务的注意力下降。
在本发明的实施例中，优选通过倒谱处理分析心率的短期规律性以标识集中于对象或任务的个体注意力的变化或下降。这方面的例子在图7和8中显示，其中，对基础倒谱峰值中的趋势进行分析，以便不仅确定注意力变化或下降，而且确定注意力水平的趋势。倒谱图线相对于时间的变化率可用作例如警告注意力变化或下降的标准。图7顶部的图线102示出了对象的ECG波形。在该例子中ECG波形以500Hz的速率被数字化(采样)。在采集了八秒的样本之后，对这些初始的4000个样本取数据窗。该数据窗然后经过上述倒谱处理。该过程通过每半秒滑动该窗口，以取得用于倒谱处理的4000个样本的不同窗口而重复。图7中的5个图形104示出了4000个样本的5个连续重叠窗口的傅立叶变换处理的结果。在该例子中可以看到，能量被相当均匀地分布在所示的波谱上。在106显示了这些数据窗的5个倒谱处理结果。可以看出，这些结果在72bpm处显示了几乎不可分辨的峰值。
5个图形106的倒谱峰值作为图7底部的粗实线图线108上的数据点被平均并作图。该图线通过每次计算的新倒谱峰值平均延伸，对于不同组的5个倒谱峰值，对新的数据窗进行倒谱处理。而且，以细线110作图的是大多数最近计算的倒谱峰值的图线。因此，可以看出，图7中的图线显示了具有长和短时间常数两者的倒谱处理的趋势。这些线108和110提供了对象的注意力集中程度是增加、降低还是保持稳定的指示。在图7中可以看出，对于对象的注意力程度没有可分辨的趋势，因为表明注意力变化或下降的图线108和110相当低，并且几乎随机地上下移动。
图8显示了不同数据的相同处理结果。可以看出，对象的ECG波形202大体上与图7的ECG波形相同。但是，所处理的四个最近的样本窗的傅立叶波谱204显示出有规律的重复出现的波谱峰值。这些波谱的倒谱处理结果在倒谱时间图线206中的78bpm处产生一系列高的、急剧上升的定义的基础倒谱峰值207。这些高倒谱峰值在附图的底部处最近的趋势线208和210中表明了它们本身，从这些图中看出在趋势线图线的右侧的最近时间间隔中有非常强的向上趋势。因此，输出装置32在其输出信号或显示器中指示注意力的恒定水平。
本发明的方法和装置的许多应用对本领域技术人员来说是显而易见的。心率信号可以以许多方式采集，诸如直接与人的皮肤连接的电极或者在人的衣服或座位或椅子扶手中的电极。夹式耳环或者手指传感器也可用于采集心脏信号。可以采用各种数据窗尺寸，诸如从5到11秒的范围的窗口，优选在5.5到8秒的范围内。对于具有长注意广度的人来说，更长的窗口可能是理想的。短期心搏规律性一般可以以上述技术在8到10次心搏中确定，与进行更多体力活动的个体相比，休息的人将需要更长的时间来采集。也可使用不同于500Hz的采样速率。输出信号可以指示瞬时倒谱峰值的振幅或多个倒谱峰值的平均振幅，或者是倒谱信号的趋势(增加或降低)。各种时间常数可用于产生更长期的平均值。可以将倒谱峰值与阈值水平进行比较，或者可以对多个峰值进行积分或微分以产生注意力集中程度水平的长期指示。也可以使用不同于倒谱处理的其他技术，诸如分析人的中值心率的变化。如图1和2所示，可以迅速且实时地检测注意力变化或者注意力下降，通常在两秒内或更短。本发明的实施例不仅在该专利的开始所描述的主要关注安全的活动中具有应用，而且对于评估多种娱乐质量的活动也具有应用。例如，在观看电影或做运动事件时椅子中的电容ECG传感器可用于不唐突地监测观看者对电影或事件的兴趣。类似实施例可用于评价电视节目，其中观看者的兴趣水平以实时或者时间戳(time-stamped)的方式被监测并记录用于以后与观看时间进行比较。对于读者来说其他应用是很容易想到的，例如人的压力水平的监测，其长时间地监测人注意力集中的水平，并且如果记录显示过长的时间段内对任务过高的注意力水平就警告过少的放松(太多压力)。本发明的实施例可以用于教导或监测学生学习无力以帮助形成对学习活动的注意。
Claims (20)
1、一种用于监测对象的兴趣水平变化的装置，包括：
心脏信号传感器；
电路，其对所述心脏信号采样以产生心脏信号样本；
处理器，其响应于心脏信号样本组，以产生指示产生所述心脏信号的心搏的短期规律性的输出信号；和
输出装置，其响应于所述处理器输出信号，产生指示所述对象的兴趣水平变化的视觉或听觉输出。
2、如权利要求1所述的监测装置，其中，所述心脏信号传感器用于感测ECG波形。
3、如权利要求2所述的监测装置，其中，所述电路用于产生ECG信号样本。
4、如权利要求3所述的监测装置，其中，所述处理器包括数字信号处理器。
5、如权利要求4所述的监测装置，其中，所述输出装置产生指示兴趣水平变化的视觉或听觉输出。
6、如权利要求4所述的监测装置，还包括与用于采样的电路和数字信号处理器耦合的存储器，其用于存储ECG信号样本。
7、如权利要求1所述的监测装置，其中，所述处理器通过对心脏信号样本组进行的倒谱处理产生输出信号。
8、如权利要求7所述的监测装置，其中，所述处理器产生指示所述对象的心率下的倒谱峰值的输出信号。
9、如权利要求7所述的监测装置，其中，所述处理器产生指示多个心脏信号样本组的倒谱峰值的趋势的输出信号。
10、如权利要求9所述的监测装置，其中，所述输出装置在所述对象的兴趣水平变化的两秒内产生指示兴趣水平变化的视觉或听觉输出。
11、一种用于检测对象的注意力变化的方法，包括：
检测所述对象的心率信号；
对所述心率信号采样；
选择心率信号样本组；
对所述心率信号样本组进行倒谱处理以产生倒谱数据；
在所述倒谱数据中标识峰值；和
根据所述倒谱数据峰值检测注意力变化。
12、如权利要求11所述的方法，其中，检测注意力变化的步骤还包括将倒谱数据峰值与阈值进行比较。
13、如权利要求11所述的方法，其中，检测注意力变化的步骤还包括对倒谱数据峰值进行积分。
14、如权利要求11所述的方法，其中，检测注意力变化的步骤还包括对倒谱数据峰值进行微分。
15、如权利要求11所述的方法，还包括响应于注意力变化的检测致动输出装置。
16、一种用于检测对象注意力变化的方法，包括：
采集所述对象的ECG信号；
分析所述ECG信号的心搏规律性；和
通过所述心搏规律性的降低检测注意力变化。
17、如权利要求16所述的方法，其中，分析步骤还包括通过倒谱处理分析所述ECG信号。
18、如权利要求17所述的方法，其中，所述倒谱处理用于产生所述心搏速率下的一连串倒谱峰值；
其中，检测步骤还包括通过标识所述倒谱峰值水平的变化来检测注意力变化。
19、如权利要求17所述的方法，其中，所述倒谱处理用于产生所述心搏速率下的一连串倒谱峰值；
其中，检测步骤还包括通过标识所述倒谱峰值水平的降低来检测注意力下降。
20、如权利要求17所述的方法，其中，所述倒谱处理用于产生所述心搏速率下的一连串倒谱峰值；
其中，检测步骤还包括通过标识所述倒谱峰值的高水平来检测注意力集中程度的高水平。
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