CZ37158U1 - Systém pro měření biometrických parametrů jedince - Google Patents

Description

Technické řešení spadá do oblasti dlouhodobého měření a vyhodnocování fyziologických projevů člověka a týká se nově koncipovaného systému pro měření biometrických parametrů jedince pomocí měření odporu pokožky při sledování galvanické reakce pokožky s využitím nositelného zařízení.

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, např. Malmuvio, J., Plansey, R., Bioelectromagnetism: Principles and Applications of Bioelectric and Biomagnetic Fields, Oxford University press, New York, 1995, nebo Boucsein, W., Electrodermal activity, 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, 113-117, 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 μS (tzn. microsiemens) a je značně individuální. Tonická odpověď kůže se zvyšuje s očekáváním různých úkolů, j ako j sou například mentální aritmetika, pozornostní úlohy či probírání sociálních problémů, i během vykonávání činností k jejich plnění. Fázová část má vyšší frekvenci, která se spolu s amplitudou zvyšuje ve chvílích vzrušení člověka. Odráží míru stresu i míru sociální empatie i jiné sociální emoce.

Metody a systémy měření GSR sloužící ke sledování psychického a psychofyziologického stavu člověka jsou dlouhodobě 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. Pro zlepšení detekce signálu GSR a zvýšení přesnosti měření v případě rušivých vlivů (např. při pohybu měřené osoby) jsou využívány multikanálové systémy měření. Např. ve spise US 2014378 859 je popsána metoda vícekanálového měření vodivosti a následné analýzy GSR s využitím zdvojení elektrod. Vícekanálové měření je také využito při měření GSR signálu pomocí speciálně upravené počítačové myši, jak je detailně popsáno ve spise CZ 31 531 U1.

Výše uvedené metody jsou svým charakterem využitelné pro měření v laboratorních nebo diagnostických systémech, avšak dnes roste poptávka po využití přenositelných zařízení, které umožní dlouhodobé snímání GSR signálu při běžných činnostech člověka a jeho následnou analýzu. Ve spise CN 217 852 993 je popsáno autonomní přenositelné zařízení, které integruje měření GSR signálu se sledováním pohybu. Zařízení je ve tvaru pouzdra, do kterého se vkládá končetina a má integrováno všechny potřebné snímací kontakty. Jiný typ přenosného zařízení pro měření galvanické reakce pokožky je popsán ve spise CN 211 187 541, kde přenosné zařízení sestává ze dvou přítlačných kontaktů propojených drátovou propojkou s měřící jednotkou, která může být umístěná na ruce jako náramek. Zařízení může být propojeno pomocí kontaktů s externím vyhodnocovacím zařízením.

- 1 CZ 37158 U1

Nedostatkem výše uvedených přenosných zařízení je, že pro vyhodnocení a následnou interpretaci měřených signálu nevyužívají bezdrátové propojení s vyhodnocovacím zařízením ve formě PC nebo chytrého mobilního telefonu. Další nevýhodou je nedostatečná korekce rušivých signálů v přenosných měřících zařízeních. Je např. známo řešení korekce na různý přítlak měřícího sensoru, které je popsáno ve spise GB 2 378 762 A, avšak využitím tlakového sensoru je odstraněn pouze jeden z několika možných rušivých prvků při měření GSR.

Cílem předkládaného technického řešení je představit nový systém pro měření odporu pokožky jakožto biometrického parametru při sledování galvanické reakce pokožky (signálu GSR), jehož základem je přenosné měřící zařízení se dvěma přítlačnými kontakty pro umístění na prstech nebo těle sledované osoby a které je spojené bezdrátově s externím vyhodnocovacím počítačovým systémem. Měřící zařízení současně obsahuje inteligentní měřící jednotku, která s využitím algoritmů umělé inteligence přímo v programu měřícího procesoru cíleně koriguje nežádoucí vlivy při měření GSR signálu.

Podstata technického řešení

Stanoveného cíle je dosaženo technickým řešením, kterým je systém pro měření odporu pokožky jakožto biometrického parametru jedince při sledování galvanické reakce pokožky sestávající z měřícího modulu, který je jednak pevně spojen se dvěma externími přítlačnými snímacími kontakty a jednak je bezdrátově propojen přes internet nebo mobilní sítě s externím záznamovým a vyhodnocovacím zařízením. Podstatou řešení je, že měřící modul obsahuje přesný řízený zdroj proudu s konstantním napájecím napětím, k němuž jsou přes sledovací odpor (RS) pokožky paralelně připojeny snímací kontakty, přičemž ke sledovacímu odporu (RS) pokožky je v sérii zapojen měřící odpor (RM) vytvářející odporový napěťový dělič, přes který je ke sledovacímu odporu (RS) pokožky připojen přístrojový operační měřící zesilovač, za který jsou v sérii napojeny A/D převodník a řídící vyhodnocovací jednotka vybavená mikroprocesorem a lokálním paměťovým uložištěm, kde mikroprocesor je přes zpětnovazební člen zpětně propojen jak s A/D převodníkem, tak s přístrojovým operačním měřícím zesilovačem.

Novým systémem se oproti stávajícím známým zařízením dosahuje nového a vyššího účinku v tom, že je konstrukčně poměrně jednoduchý, využívá nejmodernější technologické poznatky a je variabilně použitelný pro snímání odporu pokožky na různých místech těla sledované osoby, přičemž připevnění i sejmutí je velmi snadné bez pomoci další spolupracující osoby nebo lékaře.

Objasnění výkresů

Konkrétní příklady provedení technického řešení jsou schematicky znázorněny na připojeném výkrese, kde obr. 1 znázorňuje celkové uspořádání systému s napojením měřícího modulu na PC a obr. 2 znázorňuje alternativní provedení s napojením měřícího modulu na mobilní telefon.

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

- 2 CZ 37158 U1

Příklady uskutečnění technického řešení

Systém v základním provedení znázorněném na přiloženém výkrese sestává z měřícího modulu 1, který je jednak pevně spojen se dvěma externími přítlačnými snímacími kontakty 2, s výhodou tvořenými vodivými elektrodami upevněnými na neznázorněných upínacích úchytech, například rozepínatelných páskách nebo hrudním pásu, a jednak je bezdrátově přes internet nebo mobilní sítě propojen s externím záznamovým a vyhodnocovacím zařízením 3, tvořeným buď mobilním telefonem nebo PC.

Měřící modul 1 obsahuje přesný řízený zdroj 4 proudu s konstantním napájecím napětím, k němuž jsou přes sledovací odpor RS pokožky paralelně připojeny snímací kontakty 2. Ke sledovacímu odporu RS pokožky je v sérii zapojen měřící odpor RM vytvářející odporový napěťový dělič, přes který je ke sledovacímu odporu RS pokožky připojen přístrojový operační měřící zesilovač 5, sloužící k zesílení měřeného signálu pokožky pro další zpracování. Za přístrojový operační měřící zesilovač 5 jsou v sérii napojeny analogově/digitální (A/D) převodník 6 a řídící vyhodnocovací jednotka 7 vybavená mikroprocesorem 71 a lokálním paměťovým uložištěm 72. Tento mikroprocesor 71 je přes zpětnovazební člen 8 zpětně propojen jak s A/D převodníkem 6, tak s přístrojovým operačním měřícím zesilovačem 5.

Při monitorování jedince je sledovaný odpor RS pokožky v sériovém zapojení s měřícím odporem RM a vytváří odporový napěťový dělič při konstantním napájecím napětí. Při nízké úrovni stresu nebo emocí je sledovací odpor RS pokožky vysoký a při konstantním napětí prochází obvodem menší proud. Při zvýšení stresové zátěže se sledovací odpor pokožky RS sníží a napěťovým děličem prochází proud větší, tedy je detekován větší signál na měřícím odporu RM. Změny napětí na měřícím odporu RM snímá přístrojový operační měřící zesilovač 5, který zesiluje měřený signál pro další zpracování v analogově/digitálním převodníku 6. Ten zajišťuje dostatečně rychlý převod analogových změn na digitální signál, který je zpracován mikroprocesorem 71 a využívá k tomu lokální paměťové úložiště 72 pro dočasný záznam primárních dat. Mikroprocesor 71 data zpracuje v reálném čase, provede jejich vyčištění, analýzu a na základě vestavěných algoritmů umělé inteligence provede prostřednictvím zpětnovazebního členu 8 korekce vstupních parametrů měřícího modulu 1, tj. optimalizaci měřené periody, rozlišení A/D převodníku 6 apod. Zároveň je měření optimalizováno podle individuálních fyziologických parametrů měřené osoby.

Digitální výstup z vyhodnocovací jednotky 7 je vysílán okamžitě bezdrátovým přenosem do vyhodnocovacího zařízení 3, tj. do mobilního telefonu nebo počítače (PC), kde je možné GSR signál dále interpretovat a vyhodnotit sledovaný psychický stav jedince. V případě potřeby mohou být kratší intervaly měření zaznamenány v vnitřní paměti paměťového uložiště 72 vyhodnocovací jednotky 7 a odeslány k dalšímu zpracování dávkově.

Průmyslová využitelnost

Systém pro sledování biometrických parametrů jedince je využitelný pro dlouhodobé sledování emočních a psychofyziologických charakteristik člověka při různých typech činností a aktivit. Technické řešení umožňuje trvalé monitorování při psychicky náročných činnostech (profesionální řidiči a operátoři velkých strojů) a získávání zpětné vazby při různých typech zátěžových a psychodiagnostických testů, hraní počítačových her, případně obsluze interaktivních SW aplikací.

Claims (1)

1. Systém pro měření odporu pokožky jakožto biometrického parametru jedince při sledování galvanické reakce pokožky sestávající z měřícího modulu, který je jednak pevně spojen se dvěma 5 externími přítlačnými snímacími kontakty a jednak je bezdrátově propojen přes internet nebo mobilní sítě s externím záznamovým a vyhodnocovacím zařízením, vyznačující se tím, že měřící modul (1) obsahuje přesný řízený zdroj (4) proudu s konstantním napájecím napětím, k němuž jsou přes sledovací odpor (RS) pokožky paralelně připojeny snímací kontakty (2), přičemž ke sledovacímu odporu (RS) pokožky je v sérii zapojen měřící odpor (RM) vytvářející odporový 10 napěťový dělič, přes který je ke sledovacímu odporu (RS) pokožky připojen přístrojový operační měřící zesilovač (5), za který jsou v sérii napojeny A/D převodník (6) a řídící vyhodnocovací jednotka (7) vybavená mikroprocesorem (71) a lokálním paměťovým uložištěm (72), kde mikroprocesor (71) je přes zpětnovazební člen (8) zpětně propojen jak s A/D převodníkem (6), tak s přístrojovým operačním měřícím zesilovačem (5).