CZ31531U1 - Zařízení pro měření a diagnostiku galvanické reakce pokožky při práci s počítačem - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení spadá do oblasti měření a vyhodnocování fyziologických projevů člověka a týká se konstrukce zařízení pro měření a diagnostiku galvanické reakce pokožky při práci s počítačem.

Dosavadní stav techniky

Galvanická reakce pokožky je jedním ze základních psychofyziologických signálů, jehož snímání a vyhodnocování je v poslední době hojně využíváno v oblasti analýzy psychického stavu člověka, a to i ve specializovaných oborech, jakým je kriminalistika apod. Základní principy a teoretická východiska jsou dobře popsána v literatuře, kupř. Malmuvio, J., Plansey, R., Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University press, New York, 1995, nebo Boucsein, W., Electrodermal aktivity, Springer, 2012. Aplikace měření vodivosti pokožky pro analýzu psychického a fyziologického stavu člověka je popsána v publikacích Ischenko, A. N., Shevev, P. P., Biomedical Engineering, 23, 3, 1989, 113117, Springer, New York, nebo Lustigová, Z., a kol., The New Educational Review, 21, 2, 2010, 97-110. Vlastní metoda je založena na ověřeném předpokladu, že mentální, fyzické nebo emocionální podněty ovlivňují činnost potních žláz v kůži člověka, které se při těchto podnětech plní potem. Ten je slabým elektrolytem a dobrým vodičem, což vede ke zvýšení vodivosti pokožky. Tento jev je popsán jako galvanická reakce kůže (Galvanic Skin Response - GSR) a skládá se obecně ze dvou částí, a to tonické a fázové. Tonická část je nízkofrekvenční základní stupeň kožní vodivosti, která může oscilovat v průběhu dnů, její velikost se nejčastěji pohybuje v rozmezí 2 až 20 pS a je značně individuální. Tonická odpověď kůže se zvyšuje s očekáváním různých úkolů, jako jsou například mentální aritmetika, pozomostní úlohy či probírání sociálních problémů, i během vykonávání činností k jejich plnění. Fázová část je na vrcholu tonické části, má vyšší frekvenci, která se spolu s amplitudou zvyšuje ve chvílích vzrušení člověka. Odráží míru stresu i míru sociální empatie i jiné sociální emoce. Tyto skutečnosti lze aplikovat na diagnostiku a analýzu vodivosti pokožky ruky, na kterou je připevněn snímač ve formě senzoru či elektrody. Údaje o obou základních částech vodivosti jsou získány vyhodnocením signálů ze snímače a jsou dále zpracovávány. U nízkofrekvenční tonické vodivosti, která je charakterizována velmi dlouhou periodou změny a obecně se jen pomalu zvyšuje s mírou vzrušení člověka, je nutno provést kalibraci údajů pro konkrétní osobu vzhledem k významným rozdílům mezi jednotlivci. Signál fázové části je obvykle hodnocen na základě amplitudy a latentní periody. Pro zhodnocení amplitudy fázové reakce v procentech je často používán poměrný tonický stupeň. Signály obou částí nejsou pravidelné, jejich spektra jsou spojitá a překrývají se. Ale oddělení jejich signálů je možné díky skutečnosti, že většina energie tonické části je v rozmezí 0 až 0,05 Hz, zatímco většina energie fázové části je v rozmezí 0,05 až 2 Hz.

Metody a systémy měření GSR sloužící ke sledování psychického a psychofyziologického stavu člověka jsou známy. Ve spise US 8 882 669 je popsána základní metoda analýzy emocí a změny psychického stavu s využitím měření GSR na prstech ruky. Ve spise US 6 167 299 je popsán systém pro klasické měření GSR doplněný speciálním zpracováním signálu pro maximální eliminaci rušivých vlivů, které jsou způsobeny zejména pohybem diagnostikované osoby.

Problém s eliminací a maximální filtrací rušivých signálů je jedním z hlavních problémů při použití metody GSR. Při jejím měření není možné využít speciálních gelů používaných při měření EKG, EEG apod., protože tyto gely snižují přechodové odpory mezi pokožkou a elektrodami, a tím výrazně ovlivňují naměřené hodnoty vodivosti, doslova maskují vlastní užitečný signál, což je nežádoucí. Nedostatečný kontakt elektrod s pokožkou je nutno řešit především způsobem zpracování signálu, zaváděním referenčních elektrod a multikanálovým měřením. Ve spise UA 79 668 je popsáno řešení eliminace rušivých signálů pomocí měření prováděného na levé i pravé ruce současně s následným porovnáním a analýzou obou signálů. Ve spise US 2014 378 859 je popsána metoda vícekanálového měření vodivosti a následné analýzy GSR s využitím zdvojení elektrod, kterým se získá čtyřkanálový systém signálů velmi dobře

CZ 31531 Ul eliminující nežádoucí rušení. Vlastní měření se provádí střídavým sinusovým napětím o frekvenci 200 Hz. Toto řešení však neřeší další potencionální problém, kterým je ztráta kontaktu pokožky s jednou nebo více elektrodami. Tento problém je řešen ve spise CN 203 815 454, kde je popsáno zařízení pro měření GSR, které se nasazuje na zápěstí a obsahuje celou matrici elektrod, kdy měření probíhá v celé řadě kombinací elektrod, tedy multikanálově. V tomto případě však zařízení využívá speciální kapacitní bezdotykový snímač, který vyžaduje specifické podmínky použití a nelze jej obecně uplatnit v zařízeních pro měření GSR.

Počítačová myš je polohovací zařízení dnes nej častěji využívané jako vstupní zařízení pro ovládání počítačových programů, které se objevuje rovněž v řadě různých specializovaných provedení. Např. ve spise US 3 277 245 je popsána ergonomická myš pro snížení únavy, bolesti a nemoci rukou, dalšími provedeními jsou např. myši specializované pro hraní počítačových her. Využití počítačové myši k umístění přítlačných senzorů pro měření GSR při běžné práci s počítačem je známo z řady řešení, která tak umožňují sledování fyziologického stavu člověka v souvislosti s reakcemi na různé typy počítačových aplikací. Ve spise US 2006 135 857 je uvedena možnost využití počítačové myši jako vstupního zařízení pro měření různých fyziologických veličin včetně vodivosti pokožky. Ve spise US 5 741 217 je popsáno využití počítačové myší speciálně pro měření GSR při práci s počítačovými aplikacemi. Spis US 6 190 314 popisuje systém sledování fyziologických veličin včetně GSR k vyhodnocování emocí pomocí senzorů umístěných na těle počítačové myši, jehož součástí je speciální software pro vyhodnocování emocionálních křivek a charakteristik, který umožňuje kalibraci a analýzu biofyzikálních signálů a veličin. Je známo, že při použití počítačové myši ke sledování GSR je nutno řešit problém nestejného úchopu myši a nedostatečného kontaktu přítlačných senzorů s pokožkou. Tento problém je částečně řešen ve spise GB 2 378 762, ve kterém je popsáno odstranění vlivu nestejného přítlaku na senzor použitím korekčního signálu, který je získáván průběžným vyhodnocováním přítlaku na příslušný senzor. Toto řešení ovšem využívá pouze dvou elektrod pro měření vodivosti, které umožňují získávat signál pouze z jednoho kanálu. Jiné řešení nedostatečného kontaktu přítlačných senzorů je uvedeno ve spise CN 106 909 237, kde je problém řešen umístěním dalších přítlačných senzorů na podložku pod myš. Signál měřený na podložce tak doplňuje nedostatečný signál z měření prováděného na počítačové myši.

Cílem předkládaného technického řešení je představit nové zařízení pro měření a diagnostiku galvanické reakce pokožky při práci s počítačem, jehož základem je použití vícekanálového měření s využitím čtyř přítlačných senzorů vhodně rozmístěných na počítačové myši, čímž se dosáhne zpracování dat s minimalizací poruch měření vlivem nedostatečného kontaktu měřících elektrod s pokožkou.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je zařízení pro měření a diagnostiku galvanické reakce pokožky při práci s počítačem ovládaným povrchově upravenou myší vybavenou ovládacím procesorem, jehož podstata spočívá v tom, že na povrchu myši jsou rozmístěny čtyři dotykové senzory tvořené kontaktními elektrodami, jednak rozmístěnými na místech správného úchopu myši rukou, kterými jsou dvě místa dlaně, prsteníčku a palce, a jednak vzájemně propojenými každá s každou za vzniku šesti měřících kanálů, přičemž myš je vybavena signálovým procesorem tvořeným měřící jednotkou rozdělenou na sekce, jejichž počet odpovídá počtu měřících kanálů, kde za měřící jednotkou jsou v sérii připojeny mikroprocesorová jednotka a kanálový přepínač tak, že do každé ze sekcí mikroprocesorové jednotky je napojen jeden měřící kanál a kanálový přepínač je zpětně propojen do měřící jednotky tak, že každá její sekce je napojena samostatným vstupem, přičemž mikroprocesorová jednotka je opatřena výstupem pro napojení k řídícímu počítači.

Ve výhodném provedení je každá sekce měřící jednotky tvořena v sérii zapojenými R/U převodníkem, přístrojovým zesilovačem. A/D převodníkem a galvanickým oddělovačem, přičemž galvanický oddělovač je tvořen optočlenem a ovládací procesor i signálový procesor jsou propojeny s hostitelským řídícím počítačem přes sériovou sběrnici tvořenou USB rozhraním.

CZ 31531 Ul

Novým technickým řešením se dosahuje vyššího účinku v tom, že daný typ zařízení umožňuje získávat kvalitnější výsledky GSR bez ovlivnění vnějších vlivů, především vlivu nesprávného úchopu myši, když šestikanálovým měřením mezi čtyřmi kontaktními body pokožky je umožněno zpracování dat s následným algoritmickým vyhodnocením, prakticky vylučujícím poruchy měření.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 je celkový pohled na počítačovou myš vybavenou senzory, obr. 2 znázorňuje celkové blokové schéma zařízení, obr. 3 znázorňuje vnitřní schéma signálového procesoru GSR, obr. 4 znázorňuje uspořádání měření projeden kanál, obr. 5 znázorňuje schéma propojení jednotlivých kanálů mezi kontaktními elektrodami, a obr. 6 znázorňuje časový průběh měření GSR jednotlivými kanály.

Výkresy, které znázorňují představované technické řešení a následně popsaný příklad konkrétního provedení, v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v definici, ale jen objasňují podstatu technického řešení.

Příklady uskutečnění technického řešení

Zařízení podle technického řešení je tvořeno speciálně upravenou počítačovou myší i, na jejímž povrchu jsou rozmístěny čtyři dotykové senzory tvořené kontaktními elektrodami 21, 22, 22, 24, a to na místech předpokládaného správného úchopu myši i rukou, kterými jsou dvě místa dlaně, prsteníčku a palce, jak je patrné z obr. 1. Myš i je vybavena kromě standardního ovládacího procesoru li dalším signálovým procesorem 3, který je propojen s kontaktními elektrodami 21, 22, 22, 24- Ovládací procesor ld i signálový procesor 3 jsou pak propojeny s hostitelským řídícím počítačem 4 například přes sériovou sběrnici 5 tvořenou USB (Universal Seriál Bus) rozhraním, jak je znázorněno na obr. 2. Kontaktní elektrody 21, 22, 23, 24 jsou vzájemně propojeny každá s každou za vzniku šesti měřících kanálů Kl, K2, K3, K4, K5, K6, jak je naznačeno na obr, 5. Signálový procesor 3 je tvořen měřící jednotkou 31, rozdělenou na sekce, jejichž počet odpovídá počtu měřících kanálů Kl, K2, K3, K4, K5, K6. Za měřící jednotkou 31 jsou v sérii připojeny mikroprocesorová jednotka 32 a kanálový přepínač 33, když do každé ze sekcí mikroprocesorové jednotky 32 je napojen jeden měřící kanál Kl až K6. Kanálový přepínač 33 je zpětně propojen do měřící jednotky 31 tak, že každá její sekce je napojena samostatným vstupem, což je patrné z obr. 3. Mikroprocesorová jednotka 32 je dále opatřena výstupem 321 pro napojení k řídícímu počítači 4. Každá sekce měřící jednotky 31 je v základním provedení podle obr. 4 tvořena v sérii zapojenými R/U převodníkem 311, přístrojovým zesilovačem 312. A/D převodníkem 313 a galvanickým oddělovačem 314 na bázi optočlenu.

Při měření a vyhodnocování fyziologických projevů člověka pomocí analýzy GSR je pomocí signálového procesoru 3 prováděno šest vzájemně nezávislých jednokanálových měření, kdy je s využitím kanálového přepínače 33 postupně přiváděn na přesně definovaný časový okamžik, například 0,15 až 0,20 s, měřící proud mezi dvě vybrané kontaktní elektrody 21 až 24 vytvářející měřící kanály Klaž K6. Tímto měřícím proudem je aktivován R/U převodník 311 příslušné sekce měřící jednotky 31, na jehož výstupu se objeví napětí úměrné velikosti příslušného signálu GSR. Napětí na výstupu R/U převodníku 311 je zesíleno zesilovačem 312, a pak převedeno A/D převodníkem 313 na digitální signál. Přes galvanický oddělovač 314 na bázi optočlenu je digitální signál z měřící jednotky 31 přiveden k vlastnímu vyhodnocení a vstupnímu zpracování do mikroprocesorové jednotky 32, odkud může být signál dále předán ke zpracování řídícímu počítači

4. Tento proces se periodicky opakuje přepínáním kanálového přepínače 33 pro všech šest měříCZ 31531 Ul cích kanálů Kl až K6, což je graficky znázorněno na obr. 6. Daným postupem je prakticky zajištěn téměř kontinuální tok relevantních dat pro následné hodnocení GSR.

Průmyslová využitelnost

Předkládané technické řešení je využitelné pro analýzu emočních a psycho fyziologických cha5 rakteristik člověka při běžné práci s počítačem a umožňuje indikovat vzdáleně jeho případné zdravotní či psychické potíže. Technické řešení lze rovněž využít pro zdokonalení zpětné vazby elektronických vyučovacích programů, počítačových her i dalších interaktivních aplikací.

Claims (4)

NÁROKY NA OCHRANU

1. Zařízení pro měření a diagnostiku galvanické reakce pokožky při práci s počítačem (4) ío ovládaným povrchově upravenou myší (1) vybavenou ovládacím procesorem (11), vyznačující se tím, že na povrchu myši (1) jsou rozmístěny čtyři dotykové senzory tvořené kontaktními elektrodami (21) až (24), jednak rozmístěnými na místech správného úchopu myši (1) rukou, kterými jsou dvě místa dlaně, prsteníčku a palce, a jednak vzájemně propojenými každá s každou za vzniku šesti měřících kanálů (Kl) až (K6), přičemž myš (1) je vybavena sig15 nálovým procesorem (3) tvořeným měřící jednotkou (31) rozdělenou na sekce, jejichž počet odpovídá počtu měřících kanálů (Kl) až (K6), kde za měřící jednotkou (31) jsou v sérii připojeny mikroprocesorová jednotka (32) a kanálový přepínač (33) tak, že do každé ze sekcí mikroprocesorové jednotky (32) je napojen jeden měřící kanál (Kl) až (K6) a kanálový přepínač (33) je zpětně propojen do měřící jednotky (31) tak, že každá její sekce je napojena samostatným vstu20 pem, přičemž mikroprocesorová jednotka (32) je opatřena výstupem (321) pro napojení k řídícímu počítači (4).

2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že každá sekce měřící jednotky (31) je tvořena v sérii zapojenými R/U převodníkem (311), přístrojovým zesilovačem (312), A/D převodníkem (313) a galvanickým oddělovačem (314).

25

3. Zařízení podle nároku 2, vyznačující se tím, že galvanický oddělovač (314) je tvořen optočlenem.

4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že ovládací procesor (11) i signálový procesor (3) jsou propojeny s hostitelským řídícím počítačem (4) přes sériovou sběrnici (5) tvořenou USB rozhraním.