DE102006014143A1

DE102006014143A1 - Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen

Info

Publication number: DE102006014143A1
Application number: DE102006014143A
Authority: DE
Inventors: Horst-W Spechtmeyer
Original assignee: Spechtmeyer Horst-W Dipl-Phys
Current assignee: Spechtmeyer Horst-W Dipl-Phys
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2007-10-18
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: DE102006014143B4

Abstract

Fig. 1 zeigt die Komponenten der Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen in der Reihenfolge der Meßwertaufbereitung. Der Infarot-Detektor 1, der so beschaffen ist, dass er nur Wechselspannungssignale und keine Gleichspannungssignale empfangen kann, wandelt die Infrarot-Strahlen, die natürlich durch Körperwärmeänderungen von Lebewesen oder durch künstliche Wärmeänderungen entstehen, in elektrische Signale um; der Verstärker 2 verstärkt diese Signale; bei der Analog-/Digital-Umwandlung 3 werden die Signale digitalisiert; das Analyseprogramm 4 erstellt Zeitsignale, Betragsspektren und Differenzspektren für die gesamte Meßzeit oder für Teilzeiten bei verschiedenen mentalen Zuständen des Meßobjekts; im Display 5 kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen Gemütszuständen des Meßobjekts sehen und vergleichen. Die Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen ist aufgrund der Erfindungsmerkmale eine einfache Lösung, Mentalzustände von Lebewesen festzustellen. Zudem werden die Meßmöglichkeiten erweitert (bewegtes Meßobjekt, kurze Meßzeiten, Messung kleiner Signale im niedrigen Frequenzbereich) und durch die Tatsache, dass ein charakteristisches Gefühlsspektrum aufgenommen werden kann, wird die Anwendung vertieft.

Description

Es ist bekannt, dass man z. B. mittels eines Thermopile Detektors schwache Infrarot-Strahlung < 10 Hz, die von einem menschlichen Körper emittiert wird, messen und aufgrund der Frequenzanalyse den mentalen Zustand des Menschens einschätzen kann ( JP06339474 ). Dabei wird das Signal des Detektors durch das Signal eines Sensors, der die Lufttemperatur mißt, korrigiert.
Die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung dagegen sieht einen Infrarot-Detektor vor, der nur durch Wechselspannungssignale aktiviert werden kann, und benötigt nur 5 Schritte für die Signalverarbeitung. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Infrarot-Detektors ist in den Patentansprüchen 6 bis 8 angegeben.
Ein in den Patentansprüchen 4 bis 5 vorgesehener Parabolspiegel ermöglicht größere Abstände des Meßobjekts vom Infrarot-Detektor und verringert die durch Bewegungen des Meßobjekts resultierenden Meßfehler. Durch den Chopper nach den Patentansprüchen 2 bis 3 lassen sich zusätzliche Meßergebnisse gewinnen.
Durch die in den Patentansprüchen 9 bis 10 gemachten Anforderungen an die Analog-/Digitalumwandlung lassen sich kleinere Signale im niedrigen Frequenzbereich messen. Dass die Software des Analyse-Programms nach Patentanspruch 11 auch zum Messen von Erschütterungen geeignet ist, ist vorteilhaft, da der Frequenzbereich der Mentalmessung mit dem der Erschütterungsmessung übereinstimmt.
Die Erfindung nach Patentanspruch 1 läßt Bewegungen unter bestimmten Voraussetzungen während der Mentalmessung zu und gibt im Patentanspruch 12 eine vorteilhafte Lösung an. Das kann u. U. wichtig sein: z. B. möchte ein Musiker wissen, wie stark seine Vorstellungskraft ist, um den Klang seines Instrumentes optimal zu formen, und zwar vor und während des Spielens eines Tones.
Die Erfindung nach Patentanspruch 1 ermöglicht bei Einhaltung der im Patentanspruch 13 aufgeführten Bereiche für die Meßzeiten und Frequenzen, ein charakteristisches Gefühlsspektrum des betrachteten Individuums zu ermitteln. Auch bei kürzeren Meßzeiten oder Teilzeiten können Vergleiche des mentalen Zustands eines unbewegten Objekts nach Patentanspruch 1 durchgeführt werden, wenn z. B. nach Patentanspruch 14 bei einer Meßzeit von 10 s der Frequenzbereich 1 bis 10 Hz und bei einer Meßzeit von 1,5 s der Frequenzbereich 10 bis 100 Hz verglichen wird.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen aufgrund der Erfindungsmerkmale der Patentansprüche 1 bis 14 eine einfache Lösung darstellt, Mentalzustände von Lebewesen festzustellen. Zudem werden die Meßmöglichkeiten erweitert (bewegtes Meßobjekt, kurze Meßzeiten, Messung kleiner Signale im niedrigen Frequenzbereich) und durch die Tatsache, dass ein charakteristisches Gefühlsspektrum aufgenommen werden kann, wird die Anwendung vertieft.
Im folgenden sind Erfindungsbeispiele aufgeführt.
1 zeigt die Gesamtvorrichtung. 2, 3 und 4 zeigen Versuchsergebnisse ohne Bewegung mit einer Meßdauer von 10 s. In 5 ist das Versuchsergebnis mit Bewegung und einer Meßdauer von 12,8 s zu sehen. 6 zeigt das Versuchsergebnis ohne Bewegung mit einer Meßdauer von 256 s.
1 zeigt die Komponenten der Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen in der Reihenfolge der Meßwertaufbereitung. Der Infrarot-Detektor 1, der so beschaffen ist, dass er nur Wechselspannungssignale und keine Gleichspannungssignale empfangen kann, wandelt die Infrarot-Strahlen, die natürlich durch Körperwärmeänderungen von Lebewesen oder durch künstliche Wärmeänderungen entstehen, in elektrische Signale um; der Verstärker 2 verstärkt diese Signale; bei der Analog-/Digital-Umwandlung 3 werden die Signale digitalisiert; das Analyseprogramm 4 erstellt Zeitsignale, Betragsspektren und Differenzspektren für die gesamte Meßzeit oder für Teilzeiten bei verschiedenen mentalen Zuständen des Meßobjekts; im Display 5 kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen Gemütszuständen des Meßobjekts sehen und vergleichen.
Bei den 3 Versuchen haben die Komponenten der Vorrichtung die im folgenden beschriebenen speziellen Eigenschaften.
Der Infrarot-Detektor 1 ist pyroelektrisch (PED).
Technische Daten des PED-Detektors

Bandpass-Filter: 8 bis 14 μ; Durchmesser der Aktivfläche: 2 mm; Detektormaterial: Lithium Tantalat; Empfindlichkeit bei Körpertemperatur 500K und Chopper-Frequenz 1 Hz: 900 V/W; Verstärker-Spannung: 3-15 V; Arbeitsspannung: 6V.

Das Detektorelement ist zusammen dem Verstärker 2 (60 dB bei 1 bis 1000 Hz) in einem Metallzylinder (⌀ 30 mm; Länge 90 mm) montiert.
Die verstärkten Signale (1 oder 2 Kanäle) gelangen mit geschirmten Leitungen, an deren Enden sich Klinkenstecker befinden, in einen Anschlusskasten aus Aluminium. Die Verbindungsleitung zwischen Anschlusskasten und Laptop ist mit einem 37-Pin-Stecker und einer Analog-/Digitalumwandlung 3 (12-bit-A/D-Karte) abgeschlossen.
Die Sampling Rate der Karte beträgt 0,006 Hz-100 kHz. Der Eingangsspannungsbereich beträgt ± 10 V.
Es wird mit Software für das rechnergestützte Messen und Analysieren von Schwingungen, Lärm und Erschütterungen gearbeitet. Mit Hilfe der digitalen Signalanalyse (DAS) werden Diagramme von Zeitsignalen, Betragsspektren und Differenzspektren erstellt (Analyseprogramm 4).
Im Display 5 kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen Gemütszuständen des Meßobjekts sehen und vergleichen.
Bei den 3 Versuchen wird zusätzlich zu den beschriebenen Komponenten ein Parabolspiegel eingesetzt. Die vom Gesicht ausgestrahlte Wärme trifft auf einen mit Aluminium-Folie bedeckten Parabolspiegel PAR (810/730 mm), der sie auf den pyroelektrischen Infrarot-Detektor PED fokussiert.
Versuch 1
Ohne Geige zu spielen, wurde in der Fantasie angenommen, man würde eine Dolce/Amoroso-Stelle auf der Geige spielen. Zur Unterstützung der Vorstellungskraft wurde manchmal das Capriccio Nr. 21 von Paganini mit der Bezeichnung „Amoroso" auf den Notenständer gelegt und in Gedanken gespielt. Dabei wurden durch Gedanken an bestimmte Dinge starke Gefühle erzeugt.
Zum Vergleich dazu wurde in anderen Fällen keine Noten angesehen und an nichts gedacht. Dabei wurde eine schläfrige, gelangweilte Einstellung eingenommen, so dass keine Emotionen geweckt wurden. Diese Einstellung wird im folgenden auch „nichts" genannt.
Das Gesicht, der Körper und die Arme wurden in allen Fällen bewegungslos gehalten.
Das menschliche Gesicht befand sich in einem Abstand von etwa 1,5 m zum Parabolspiegel. Die vom PAR reflektierte Wärmestrahlung wurde mit dem PED gemessen. Der Abstand vom PAR zum PED betrug 1,2 m. Als Meßparameter wurden ein Frequenzbereich von 10 Hz und eine Meßdauer von 10 s eingestellt. 2 zeigt den Zeitverlauf von 4 Versuchen (2×nichts und 2×Amoroso). Es ist zu sehen, dass die Amoroso-Kurven (a) welliger sind als die Nichts-Kurven (n).
In 3 sind die zugehörigen Frequenzspektren zu sehen. Man erkennt, dass im Frequenzbereich 1-10 Hz die Amplituden der Amoroso-Versuche (a) größer sind als die der Nichts-Versuche (n). Die Änderung der Wärmestrahlung ist im Frequenzbereich 1-10 Hz bei der Amoroso-Vorstellung größer als bei Emotionslosigkeit. Bildet man die Differenz der Spektren „Amoroso – Nichts", so erhält man 4, welche die durch die Amoroso-Einstellung zusätzlich erzeugte Änderung der Wärmestrahlung zeigt. Es sind Peaks in der Größenordnung von 1-3 mV.
Versuch 2
Der Pyrodetektor hat die Eigenschaft, sowohl körperliche Bewegungen als auch Wärmeänderungen anzuzeigen. Um Verfälschungen der Messungen durch Bewegungen auszuschalten, wurde darauf geachtet, dass die Bogenbewegungen des Geigers bei jedem Versuch gleich durchgeführt wurden. Weiterhin wurden die Einschaltphase und Anfangsphase des Geigespielens durch einen geeigneten Blockcursor eliminiert.
Es wurde 2-kanalig das optische Signal des PED und das Signal eines auf den Geigensteg geklebten Piezo-Detektors gemessen.
Es wurden die ersten 6 Töne vom Andantino der Schubert-Fantasie gespielt (Meßparameter 8 kHz; 12,8s). Dabei wurde im Sitzen mit freiem Oberkörper entweder emotionslos oder mit „Amoroso"-Gefühl gespielt.
5 zeigt die Frequenzspektren des PED- und des Piezo-Sensors von jeweils 1 „Amoroso"- und 1 „Nichts"-Versuch im Frequenzbereich 0,1 Hz bis 8 kHz. Im niedrigen Frequenzbereich liegen sowohl die Werte des Pyro- als auch die des Piezo-Sensors bei „Amoroso" (a1, a2) größtenteils höher als bei „Nichts" (n1, n2); außerdem ist beim Piezo-Sensor bei „Amoroso" (a2) ein stärkeres Vibrato festzustellen. Beide Effekte zusammen erhöhen bei „Amoroso" die Amplituden im akustischen Frequenzbereich und verbreitern sie.
Versuch 3
Um die Meßwerte von Wärmeänderungen durch Gefühle zu erhöhen, wurde die Meßzeit auf 256 s (Frequenzbereich 100 Hz) verlängert. Dabei wurden, ohne Geige zu spielen, innerlich die Gefühle Emotionslosigkeit, Freude, Wut und Amoroso aufgebaut. Die Wärmeänderungen, die bei den entsprechenden Gefühlen vom Gesicht ausgehen, wurden vom Parabolspiegel PAR reflektiert und mit dem Pyro-Detektor PED gemessen.
In 6 sind die Spektren von „Emotionslosigkeit" (n), von „Wut" (w), von „Freude" (f) und von „Amoroso" (a) zu sehen. Allen 4 Spektren ist gemeinsam, dass sie zwischen 0,2 und 0,4 Hz einen auffallend hohen Peak haben.
Der höchste Peak für „Emotionslosigkeit" liegt bei 0,246 Hz, für „Wut" bei 0,297 Hz, für „Freude" bei 0,312 Hz und für „Amoroso" bei 0,375 Hz.
Außerdem ist in diesen Diagrammen noch ein weiteres Spektrum (I) zu sehen, welches keinen Peak in diesem Frequenzbereich aufweist. Das ist das Spektrum ohne Gesicht.
Es ist auch zu erkennen, dass die Amplitude des höchsten Peaks von 1,9 mV bei „Emotionslosigkeit" über 2,5 mV bei „Freude" auf 3,6 mV bei „Amoroso" ansteigt.
Es könnte aufgrund der Gefühlsspektren sein, dass für ein Gefühl nicht nur die Höhe der Wärmeänderung, sondern auch die Frequenz des höchsten Peaks charakteristisch ist.
Vielleicht hat jeder Mensch bzw. jedes Lebewesen ein anderes charakteristisches Gefühlsspektrum.
Ein Künstler könnte u. U. bei seinen Zuhörern gut ankommen, wenn die Gefühlsspektren übereinstimmen und wenn er durch Imagination optimal seine Musikalität auf das Instrument bringen kann.
Die Tatsache, dass ein an nichts denkendes Gesicht eine ständige Wärmeänderung verursacht, könnte einen dazu bringen, das falsche Wort „Emotionslosigkeit" durch das Wort „Grundlebendigkeit" zu ersetzen.

Claims

Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen mit den Komponenten: Infrarot-Detektor, Verstärker, Analog-/Digitalumwandlung, Analyseprogramm und Display, wobei die Komponenten der Meßvorrichtung folgende Merkmale aufweisen: der Infrarot-Detektor, der so beschaffen ist, dass er nur Wechselspannungssignale und keine Gleichspannungssignale empfangen kann, wandelt die Infrarot-Strahlen, die natürlich durch Körperwärmeänderungen von Lebewesen oder durch künstliche Wärmeänderungen entstehen, in elektrische Signale um; der Verstärker verstärkt diese Signale; bei der Analog-/Digital-Umwandlung werden die Signale digitalisiert; das Analyseprogramm erstellt Zeitsignale, Betragsspektren und Differenzspektren für die gesamte Meßzeit oder für Teilzeiten bei verschiedenen mentalen Zuständen des Meßobjekts; im Display kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen Gemütszuständen des Meßobjekts sehen und vergleichen.
Meßvorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei zusätzlich ein Chopper eingesetzt wird, der das infrarote Licht unterbricht.
Chopper nach Patentanspruch 2, wobei das infrarote Licht im Frequenzbereich < 10 Hz unterbrochen wird.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei zusätzlich ein Parabolspiegel im Strahlengang zwischen dem Meßobjekt und dem Infrarot-Detektor eingesetzt wird.
Parabolspiegel nach Patentanspruch 4, wobei die Oberfläche des Parabolspiegels im Infrarotbereich starkreflektierend ist.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei das Material des Infrarot-Detektors pyroelektrisch ist.
Infrarot-Detektor nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das Fenster ein Bandpass-Filter von 8 bis 14 μ hat und in diesem Bereich eine Durchlässigkeit von 80 % aufweist.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei das kleinste vom Infrarot-Detektor einschließlich Verstärker zu entdeckende Signal höchstens 10^–8 W beträgt.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei die Sampling Rate der Analog-/Digital-Umwandlung eine untere Frequenz von höchstens 0,1 Hz aufweist.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei die Spannungsauflösung der Analog/Digital-Umwandlung höchstens 2,44 mV beträgt.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei beim Analyseprogramm eine Software für das rechnergestützte Messen und Analysieren von Schwingungen, Lärm und Erschütterungen eingesetzt wird.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei Bewegungen des Meßobjekts zugelassen werden, deren störender Einfluß auf die Wärmemessung dadurch vermindert wird, dass gleiche oder periodische Bewegungen auftreten, dass unterschiedliche Bewegungen bei den Vergleichsmessungen herausgeschnitten werden und dass Differenzspektren betrachtet werden.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 12, wobei ein charakteristisches Gefühlsspektrum des betrachteten Individuums ermittelt werden kann, wenn die Meßzeiten der digitalen Signalanalyse > 20 s sind und der Frequenzbereich zwischen 0,1 und 1 Hz liegt.
Meßvorrichtung nach mindestens einem der Patentansprüche 1 bis 13, wobei auch bei kürzeren Meßzeiten oder Teilzeiten Vergleiche des mentalen Zustands eines Meßobjekts durchgeführt werden können, wenn z. B. bei einer Meßzeit von 10 s der Frequenzbereich 1 bis 10 Hz und bei einer Meßzeit von 1,5 s der Frequenzbereich 10 bis 100 Hz verglichen wird.