DE102006014143B4

DE102006014143B4 - Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen

Info

Publication number: DE102006014143B4
Application number: DE102006014143.1A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-28
Filing date: 2006-03-28
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2026-03-29
Also published as: DE102006014143A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen mit den Komponenten: Parabolspiegel, Infrarot-Detektor, Verstärker, Analog-/Digitalumwandlung, Analyseprogramm und Display, wobei die Komponenten der Messvorrichtung folgende Merkmale aufweisen: der Parabolspiegel reflektiert die durch die Körperwärmeänderungen erzeugte Infrarot-Strahlen, die natürlich durch Körperwärmeänderungen eines Lebewesens entstehen, und fokussiert sie auf den Infrarot-Detektor; der Infrarot-Detektor, der so beschaffen ist, dass er nur Wechselspannungssignale und keine Gleichspannungssignale empfangen kann, wandelt die Infrarot-Strahlen 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 untersuchten Lebewesens und erstellt ein charakteristisches Gefühlsspektrum; im Display kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen mentalen Zuständen des untersuchten Lebewesens sehen und vergleichen, so dass verschiedene Gefühle wie Wut, Freude oder Emotionslosigkeit erkennbar sind.

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 Menschen einschätzen kann ( JP 06339474 A ). Dabei wird das Signal des Detektors durch das Signal eines Sensors, der die Lufttemperatur misst, korrigiert. Die Signalverarbeitung nach dem Infrarot-Detektor besteht aus 7 Komponenten.
Weiter sind aus der WO 96/29 584 A1 und der US 2003/0 142 723 A1 Vorrichtungen und Verfahren zur Temperaturmessung unter Verwendung von Infrarotdetektoren bekannt.
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 5 bis 7 angegeben.
Ein Parabolspiegel ermöglicht größere Abstände des Messobjekts vom Infrarot-Detektor und verringert die durch Bewegungen des Messobjekts resultierenden Messfehler. Dessen Oberfläche kann gemäß Patentanspruch 4 im Infrarotbereich stark reflektierend sein.
Durch den Chopper nach den Patentansprüchen 2 bis 3 lassen sich zusätzliche Messergebnisse gewinnen.
Durch die in den Patentansprüchen 8 bis 9 gemachten Anforderungen an die Analog-Digitalumwandlung lassen sich kleinere Signale im niedrigen Frequenzbereich messen.
Dass die Software des Analyse-Programms nach Patentanspruch 10 auch zum Messen von Erschütterungen geeignet ist, ist vorteilhaft, da der Frequenzbereich der Mentalmessung mit dem der Erschütterungsmessung übereinstimmt.
Die Erfindung lässt Bewegungen unter bestimmten Voraussetzungen während der Mentalmessung zu und gibt im Patentanspruch 11 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 ermöglicht bei Einhaltung der im Patentanspruch 12 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 13 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 werden.
Zusammenfassend kann man sagen, dass die Vorrichtung zur Messung von Körperwärmeänderungen aufgrund der Erfindungsmerkmale der Patentansprüche 1 bis 13 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 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 untersuchten Lebewesens und erstellt ein charakteristisches Gefühlsspektrum; im Display 5 kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen mentalen Zuständen des untersuchten Lebewesens sehen und vergleichen, so dass verschiedene Gefühle wie Wut, Freude oder Emotionslosigkeit erkennbar sind.
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 500 K und Chopper-Frequenz 1 Hz: 900 V/W;
Verstärkerspannung: 3–15 V; Arbeitsspannung: 6 V.

Das Detektorelement ist zusammen mit 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 (1 2-bit-AID-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 abgebildeten 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 wurden in anderen Fällen keine Noten angesehen und es wurde 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; 12,8 s). 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 pyroelektrischen 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 (l) 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: Parabolspiegel, Infrarot-Detektor, Verstärker, Analog-/Digitalumwandlung, Analyseprogramm und Display, wobei die Komponenten der Messvorrichtung folgende Merkmale aufweisen: der Parabolspiegel reflektiert die durch die Körperwärmeänderungen erzeugte Infrarot-Strahlen, die natürlich durch Körperwärmeänderungen eines Lebewesens entstehen, und fokussiert sie auf den Infrarot-Detektor; der Infrarot-Detektor, der so beschaffen ist, dass er nur Wechselspannungssignale und keine Gleichspannungssignale empfangen kann, wandelt die Infrarot-Strahlen 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 untersuchten Lebewesens und erstellt ein charakteristisches Gefühlsspektrum; im Display kann man die Ergebnisse bei den unterschiedlichen mentalen Zuständen des untersuchten Lebewesens sehen und vergleichen, so dass verschiedene Gefühle wie Wut, Freude oder Emotionslosigkeit erkennbar sind.
Messvorrichtung nach Patentanspruch 1, wobei zusätzlich ein Chopper eingesetzt wird, der die Infrarot-Strahlen unterbricht.
Messvorrichtung nach Patentanspruch 2, wobei der Chopper das infrarote Licht im Frequenzbereich < 10 Hz unterbricht.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, wobei die Oberfläche des Parabolspiegels im Infrarotbereich stark reflektierend ist.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, wobei das Material des Infrarot-Detektors pyroelektrisch ist.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, wobei der Infrarot-Detektor ein Fenster mit einem Bandpass-Filter von 8 bis 14 μ hat und in diesem Bereich eine Durchlässigkeit von 80% aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei das kleinste vom Infrarot-Detektor einschließlich Verstärker zu entdeckende Signal höchstens 10^–8 W beträgt.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, wobei die Sampling-Rate der Analog-/Digital-Umwandlung eine untere Frequenz von höchstens 0, 1 Hz aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei die Spannungsauflösung der Analog/Digital-Umwandlung höchstens 2,44 mV beträgt.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, wobei beim Analyseprogramm eine Software für das rechnergestützte Messen und Analysieren von Schwingungen, Lärm und Erschütterungen eingesetzt wird.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, wobei Bewegungen des untersuchten Lebewesens zugelassen werden und 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 einem der Patentansprüche 1 bis 11, wobei zur Erstellung eines charakteristischen Gefühlsspektrums die Messzeiten der digitalen Signalanalyse > 20 s sind und der Frequenzbereich zwischen 0,1 und 1 Hz liegt.
Messvorrichtung nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, wobei auch bei kürzeren Messzeiten oder Teilzeiten Vergleiche des mentalen Zustands des untersuchten Lebewesens 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 werden.