Patentanmeldung Patent application
Freie Universität Berlin Kaiserswerther Str. 16-18. 14195 BerlinFree University of Berlin Kaiserswerther Str. 16-18. 14195 Berlin
Pupillometrisches VerfahrenPupillometric method
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung betrifft ein pupillometrisches Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to a pupillometric method according to the preamble of claim 1 and a device according to the preamble of claim 7.
Die Erfindung betrifft weiterhin bestimmte Anwendungen und Verwendungen des Verfahrens bzw. der Vorrichtung.The invention further relates to certain applications and uses of the method and the device.
Insbesondere betrifft die Erfindung das Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotential einer Person.In particular, the invention relates to determining the physiological activation potential of a person.
Das physiologische Aktivierungspotential ("Arousel") einer Person wird als Korrelat der mentalen oder emotionalen Beanspruchung (mental workload) der Person interpretiert und liefert somit wertvolle Informationen über den mentalen Belastungszustand derThe physiological activation potential ("arousel") of a person is interpreted as a correlate of the mental or emotional stress (mental workload) of the person and thus provides valuable information about the mental state of stress
Person. Der mentale Belastungszustand einer Person ist eine Größe, die bei der Beanspruchung der Person hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit eine große Bedeutung hat. Diese Informationen sind für verschiedene Zwecke anwendbar, z.B. in der Diagnostik oder bei Prozesssteuerung mittels Biofeedback-Signalen.Person. The mental stress level of a person is a quantity that is of great importance in terms of the person's performance. This information can be used for various purposes, e.g. in diagnostics or in process control using biofeedback signals.
Zugrundeliegender Stand der TechnikUnderlying state of the art
Es gibt eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials. Einige dieser Verfahren beruhen auf die Messung der Pupillenweite bzw. der Veränderung der Pupillenweite des Auges (Pupillometrie), wobei davon ausgegangen wird, dass sich die Pupillenweite mit zunehmendem physiologischemThere are a variety of different methods for determining the physiological activation potential. Some of these methods are based on the measurement of the pupil width or the change in the pupil width of the eye (pupillometry), it being assumed that the pupil width changes with increasing physiological
Aktivierungspotential vergrößert.
Bei allen pupillometrischen Verfahren findet eine Messung des Durchmessers der Pupille statt, wobei ein tatsächlicher Wert des Pupillendurchmessers ermittelt wird. Hierfür gibt es eine Vielzahl von verschiedenen Messvorrichtung. Bevorzugte solche Messvorrichtungen enthalten eine Kamera oder Videokamera, die entweder im sichtbaren oder im infraroten Spektralbereich arbeitet. Als Beispiel sei hier die Infrarot - Video-Activation potential increased. In all pupillometric methods, the diameter of the pupil is measured, an actual value of the pupil diameter being determined. There are a variety of different measuring devices for this. Preferred such measuring devices contain a camera or video camera that works either in the visible or in the infrared spectral range. As an example here is the infrared video
Pupillograhie erwähnt, bei welcher die Pupille mittels einer im nahen infraroten Spektrum empfindlichen Videokamera gefilmt wird und das Bild computergestützt ausgewertet wird (s. H.Wilhelm, B.Wilhelm, H.Lüdke: "Pupillographie - Prinzipien und Anwendungsmöglichkeiten", Z.prakt. Augenheilkd. (1996) 17:327-336). Eine weitere Vorrichtung zum Messen der Pupillenreaktion eines Auges ist in der DE 44 19 489 AI beschreiben.Pupillography mentioned, in which the pupil is filmed by means of a video camera sensitive in the near infrared spectrum and the image is evaluated with computer support (see H.Wilhelm, B.Wilhelm, H.Lüdke: "Pupillography - Principles and Applications", Z.prakt. Ophthalmology (1996) 17: 327-336). Another device for measuring the pupil reaction of an eye is described in DE 44 19 489 AI.
Da die Pupille jedoch nicht nur auf durch emotionale und mentale Beanspruchung hervorgerufene Veränderungen im autonomen Nervensystem reagiert, sondern auch auf andere Faktoren, muss bei pupillometrischen Verfahren zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials eine Korrektur vorgenommen werden. Der stärkste Faktor zur Beeinflussung der Pupillenweite ist dabei die herrschende Leuchtdichte. Dabei beträgt die aufgrund der Änderung der Leuchtdichte maximal hervorgerufene Änderung des PupiUendurchmessers ca. 8 mm, während die Änderung der mentalen Beanspruchung eine Änderung des Pupillendurchmessers von nur ca. 2 mm hervorruft. Bis heute ist man jedoch davon ausgegangen, dass die Empfindlichkeit des Pupillendurchmessers auf Leuchtdichteveränderungen in der Umgebung einen breiten Einsatz der pupillometrischen Verfahren verhindert.However, since the pupil not only reacts to changes in the autonomic nervous system caused by emotional and mental stress, but also to other factors, a correction must be made in pupillometric methods to determine the physiological activation potential. The strongest factor influencing the pupil size is the prevailing luminance. The maximum change in pupil diameter caused by the change in luminance is approximately 8 mm, while the change in mental stress causes a change in pupil diameter of only approximately 2 mm. To date, however, it has been assumed that the sensitivity of the pupil diameter to changes in luminance in the environment prevents the pupilometric method from being used widely.
In dem Buch von Peter Rößger "Die Entwicklung der Pupillometrie zu einer Methode mentaler Beanspruchung in der Arbeitswissenschaft" (1997, ISBN 3-932490-03-7) wird die Entwicklung der Pupillometrie als ein Verfahren der Messung mentaler Beanspruchung in . arbeitswissenschaftlichen Kontexten dokumentiert. Dabei wird beschrieben, dass es nötig ist, die gemessenen Pupillendurchmesser so vom Helligkeits- einfluss zu befreien, dass die ermittelten Pupillendurchmesserwerte miteinander vergleichbar sind, um die aus der Pupillometrie brauchbare Messwerte für die mentale Beanspruchung zu erhalten. Hierzu werden die gemessenen Pupillenduchmesser in einen
korrigierten Pupillendurchmesser umgerechnet, der der theoretische Wert ist, den der Durchmesser bei einer Leuchtdichte von 0 cd/m2 hätte. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich der Pupillendurchmesser mit steigender Leuchtdichte linear abnimmt, so dass gilt:In the book by Peter Roessger "The Development of Pupillometry to a Method of Mental Stress in Ergonomics" (1997, ISBN 3-932490-03-7) the development of pupillometry as a method of measuring mental stress in. documented work science contexts. It is described that it is necessary to free the measured pupil diameters from the influence of brightness in such a way that the pupil diameter values determined are comparable with one another in order to obtain the measurement values for mental stress that can be used from the pupillometry. For this purpose, the measured pupil diameter is in one corrected pupil diameter converted, which is the theoretical value that the diameter would have with a luminance of 0 cd / m 2 . It is assumed that the pupil diameter decreases linearly with increasing luminance, so that the following applies:
(1) PDmess = PDheι1 + PDk0IT,(1) PD mess = PD he ι 1 + PD k0IT ,
wobeiin which
PDmess der gemessene Pupillendurchmesser,PD m ess the measured pupil diameter,
PD orr der gesuchte korrigierte Pupillendurchmesser bei x = 0 cd/ m2, und PDheιι der durch die Helligkeit hervorgerufene Pupillendurchmesser ("Helligkeits-PD or r the corrected pupil diameter at x = 0 cd / m 2 , and PD he ιι the pupil diameter caused by the brightness ("brightness
Pupillendurchmesserwert") ist, wobeiPupil diameter value "), where
(2) PDhell = A-LD,(2) PD light = A-LD,
wobeiin which
LD die aktuelle Leuchtdichte, und A ein Korrekturfaktor ist.LD is the current luminance, and A is a correction factor.
Daraus ergibt sichThis results in
(3) PDkorr = PDmeSs - A-LD.(3) PD corr = PD meSs - A-LD.
Dabei ist der Korrekturfaktor A die Steigung der Geraden, die sich ergibt, wenn der Pupillendurchmesser über die Helligkeit aufgetragen wird.The correction factor A is the slope of the straight line that results when the pupil diameter is plotted against the brightness.
Der Korrekturfaktor A ist individuell unterschiedlich und muss für jede Versuchsperson neu ermittelt werden. Dazu werden den Versuchspersonen zwei Leuchtdichteniveaus (Eichpunktleuchtdichten) LDdun und LDhei präsentiert und die dabei auftretenden Pupillendurchmesser (PDdun und PDhei) gemessen. Aus der Pupillendurchmesseränderung zwischen den beiden Eichpunktleuchtdichten wird dann der Korrekturfaktor ermittelt:The correction factor A differs individually and must be determined again for each test person. To this end, the test subjects are presented with two luminance levels (calibration point luminances) LD d un and LD he i and the pupil diameters (PDdun and PDh e i) that occur are measured. The correction factor is then determined from the change in pupil diameter between the two calibration point luminances:
(4) A = (PDdun - PDhel)/(LDdun - LDhel)
Es wird erwähnt, dass die Eichpunktleuchtdichten nicht zu weit von den Leuchtdichten entfernt liegen sollten, die während der tatsächlichen Messung auftreten, da die Annahme der Linearität zwischen Pupillendurchmesser und Leuchtdichte nur angenähert und für enge Leuchtdichtebereiche gilt.(4) A = (PD dun - PD hel ) / (LD dun - LD hel ) It is mentioned that the calibration point luminance should not be too far from the luminance that occurs during the actual measurement, since the linearity assumption between pupil diameter and luminance is only approximate and applies to narrow luminance ranges.
Durch die DE 198 03 158 CI ist eine Vorrichtung zur Vigilanzzustandsbestimmung einer Person bekannt. Die Vorrichtung enthält ein Bildaufhahmesystem mit einer CCD- Videokamera und einer Infrarotbeleuchtung zum Aufnehmen von Bildern des Bereichs wenigstens eines Auges der Person und ein Bildauswertesystem, das die vom Bild- aufhahmesystem aufgenommenen Bilder auswertet. Das Bildauswertesystem weist Mittel zur Pupillendurchmesserbestimmung auf. Durch eine Auswerteeinrichtung wird der Vigilanzzustand u.a. in Abhängigkeit von der durch die Pupillendurchmesser- bestimmungsmittel erhaltenen Pupillendurchmesserzustandsinformation bestimmt. Das Bildauswertesystem enthält eine Bildverarbeitungseinheit, der die von der Videokamera aufgenommenen Bilder übermittelt werden. Die Bildverarbeitungseinheit arbeitet mit zwei Betriebszuständen, zwischen denen ständig hin und her geschaltet wird. In einem ersten Betriebszustand wird bei ausgeschalteter Infrarotbeleuchtung die durch das Umgebungslicht, d.h. Fremdlicht, hervorgerufene mittlere Helligkeit gemessen und diese Information als ein Helligkeitssignal abgegeben. In einem zweiten Betriebszustand ist die Infrarotbeleuchtung eingeschaltet, und die Bildverarbeitungseinheit wertet das vom überwachten Auge erhaltene Bild aus. Bei dieser Auswertung wird der Pupillendurchmesser des beobachteten Auges durch die Pupillendurchmesserbestimmungsmittel erfasst. Die Information über den momentanen Pupillendurchmesser gibt die Bildauswerteeinheit in Form eines Pupillendurchmessersignals ab. Weiterhin korreliert eine Korrelationseinheit den zeitlichen Verlauf des kontinuierlich gemessenenA device for determining the vigilance state of a person is known from DE 198 03 158 CI. The device contains an image recording system with a CCD video camera and infrared lighting for recording images of the area of at least one eye of the person and an image evaluation system which evaluates the images recorded by the image recording system. The image evaluation system has means for determining the pupil diameter. The vigilance state is inter alia determined by an evaluation device. depending on the pupil diameter state information obtained by the pupil diameter determining means. The image evaluation system contains an image processing unit, to which the images recorded by the video camera are transmitted. The image processing unit works with two operating states, between which it is constantly switched back and forth. In a first operating state, when the infrared lighting is switched off, the ambient light, i.e. Extraneous light, the average brightness produced are measured and this information is output as a brightness signal. In a second operating state, the infrared lighting is switched on and the image processing unit evaluates the image obtained from the monitored eye. In this evaluation, the pupil diameter of the observed eye is determined by the pupil diameter determination means. The image evaluation unit outputs the information about the current pupil diameter in the form of a pupil diameter signal. Furthermore, a correlation unit correlates the time profile of the continuously measured
Pupillendurchmessers mit der über das Umgebungshelligkeitssignal erhaltenen Information über die Umgebungshelligkeit. Durch diese Korrelation soll die normale Pupillenreaktion auf Schwankungen der Umgebungshelligkeit als Störeinfluss eliminiert werden. Die Korrelationseinheit gibt ein entsprechendes Korrelationssignal ab, das die Information darüber enthält, inwieweit Änderungen des Pupillendurchmessers von einer sich ändernden Umgebungshelligkeit verursacht sind oder nicht. Es wird jedoch nicht angegeben, wie dieses Helligkeitssignal ermittelt wird.
Viele herkömmliche Schnittstellen der Mensch-Maschine-Interaktion (insbesondere Computerschnittstellen) sind so konstruiert, dass eine Handlungsaufforderung der Maschine durch eine Handlung des Menschen beantwortet wird. Bei dieser Form der Interaktion spielen Eingabegeräte, wie Maus und Tastatur, eine übergeordnete Rolle. Eingaben unterliegen somit einer kognitiven Kontrolle des Nutzers und sind in bestimmten Bereichen entsprechend ungenau.Pupil diameter with the information about the ambient brightness obtained via the ambient brightness signal. This correlation is intended to eliminate the normal pupil response to fluctuations in the ambient brightness as a disturbing influence. The correlation unit emits a corresponding correlation signal, which contains information about the extent to which changes in the pupil diameter are caused by a changing ambient brightness or not. However, it is not specified how this brightness signal is determined. Many conventional interfaces for human-machine interaction (in particular computer interfaces) are designed in such a way that a request for action by the machine is answered by a human action. Input devices such as a mouse and keyboard play a major role in this form of interaction. Entries are therefore subject to cognitive control by the user and are accordingly imprecise in certain areas.
Es ist jedoch bekannt, Prozesssteuerungen auf der Grundlage von auf das physiologische Aktivierungspotential einer Person zurückzuführenden Biofeedback-Signalen durchzu- führen. Die US 5,896,164 offenbart ein Bio-Feedback-Steuerung eines Bildausgabegeräts. Dabei wird das Bild des Bildausgabegeräts von einer Signalveränderungseinheit verändert. Die Signalveränderungseinheit wird von einem Steuersignal beaufschlagt, welches aus psychophysiologischen Parameter (z.B. elektrodermale Aktivität) eines Nutzers gewonnen wird.However, it is known to carry out process controls on the basis of biofeedback signals attributable to the physiological activation potential of a person. US 5,896,164 discloses a bio-feedback control of an image output device. The image of the image output device is changed by a signal changing unit. The signal change unit is acted upon by a control signal which is obtained from the psychophysiological parameters (e.g. electrodermal activity) of a user.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches/welche eine zuverlässige Ermittlung eines hinsichtlich der Helligkeit korrigierten Wertes des Pupillendurchmessers einer Person ermöglicht wird, insbesondere bei Personen, die einen Bildschirm betrachten.The invention has for its object to provide a method and an apparatus of the type mentioned by which a reliable determination of a value of the pupil diameter of a person corrected in terms of brightness is made possible, in particular in the case of people viewing a screen.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches/welche der ermittelte Zustand einer Person ein zuverlässiges Maß für das physiologische Aktivierungspotential der Person liefert.The invention is also based on the object of creating a method or a device of the type mentioned at the outset, by means of which the determined state of a person provides a reliable measure of the person's physiological activation potential.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Verfahren nach' Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst.According to the invention these objects are achieved by a method according 'to claim 1 or a device according to claim solved. 7
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren bzw. eine neueThe invention is also based on the object of a new method or a new one
Vorrichtung zur Prozesssteuerung einer Vorrichtung zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst.To provide device for process control of a device. According to the invention, this object is achieved by a method or a device according to claim 9.
Bei der vorliegenden Erfindung ist durch die pupillometrischen Messung der Körperaktivierung eine direkte Verbindung zum autonomen Nervensystem des Nutzers hergestellt. Die körperliche Aktivierung als Indikator mentaler Prozesse unterliegt keiner willkürlichen Kontrolle des kognitiven Apparates und ist deshalb sehr zuverlässig.In the present invention, the pupillometric measurement of the body activation establishes a direct connection to the autonomous nervous system of the user. Physical activation as an indicator of mental processes is not subject to arbitrary control of the cognitive apparatus and is therefore very reliable.
Bisher ist angenommen worden, dass die Problematik der Beseitigung des Helligkeitseinflusses bei pupillometrischen Verfahren dazu führt, dass pupillometrischeSo far it has been assumed that the problem of eliminating the influence of brightness in pupillometric methods leads to pupillometric
Verfahren bei bestimmten Anwendungen, insbesondere bei stark schwankender Umgebungshelligkeit, nicht zum Ermitteln des physiologischen Aktivierungspotentials brauchbar sind. Dies liegt daran, dass man bis heute einen linearen Zusammenhang zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser (PDheii) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte (LD) angenommen hat. Dieses Problem wird umso größer, je größer die Helligkeitsschwankungen in der Umgebung sind, z.B. vor einem Bildschirm oder eines Fernsehers.Methods in certain applications, especially in the case of strongly fluctuating ambient brightness, cannot be used to determine the physiological activation potential. This is due to the fact that a linear relationship between the pupil diameter (PDheii) caused by the brightness and the current ambient luminance (LD) has been assumed to this day. The greater the brightness fluctuations in the environment, the greater the problem, e.g. in front of a screen or a television.
Überraschenderweise hat es sich nun durch experimentellen Untersuchungen gezeigt, dass pupillometrische Verfahren brauchbare Werte des hinsichtlich der Helligkeit korrigierten Pupillendurchmessers bzw. des physiologischen Aktivierungspotentials liefert, wenn man einen exponentiellen Zusammenhang zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser (PDheii) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte (LD) annimmt.Surprisingly, it has now been shown by experimental investigations that pupillometric methods provide usable values for the pupil diameter corrected for the brightness or the physiological activation potential if one exponentially relates the pupil diameter caused by the brightness (PD h eii) and the current ambient luminance ( LD) assumes.
Erfindungsgemäß erfolgt also das Ermitteln des Helligkeits-Pupillendurchmesserwerts PDheii auf der Grundlage einer im wesentlichen exponential verlaufenden Abhängigkeit PDheii = a + b-exp(-k-LD) zwischen dem Helligkeitswert LD und dem Helligkeits- Pupillendurchmesserwert PDheii, wobei a, b und k reelle Zahlen sind (d.h. a, b, k e R), b ungleich Null ist (d.h. b ≠ö) und k größer als Null ist (d.h. k > 0). Dabei können die Parameter a, b und k in der exponential verlaufenden Abhängigkeit PDheii = a + b-exp(-k-LD) im einfachsten Fall aus Schätzwerten gebildet werden. Eine bessere Genauigkeit erreicht
man jedoch, wenn diese Parameter a, b und k aus experimentell ermittelten Werten bestimmt werden. Dabei können die zur Bestimmung der Parameter a, b und k verwendeten Werte experimentell an einem bestimmten Ort (z.B. an einem Arbeitsplatz vor einem Bildschirm) und/oder an einer einzigen Person ermittelt werden. Diese Person ist dann bevorzugt die Person, dessen hinsichtlich der Helligkeit korrigierter Wert desAccording to the invention, the brightness pupil diameter value PD he ii is thus determined on the basis of an essentially exponential dependency PD he ii = a + b-exp (-k-LD) between the brightness value LD and the brightness pupil diameter value PD he ii, where a, b and k are real numbers (ie a, b, ke R), b is non-zero (ie b ≠ ö) and k is greater than zero (ie k> 0). In the simplest case, the parameters a, b and k in the exponential dependence PDheii = a + b-exp (-k-LD) can be formed from estimated values. Achieved better accuracy however, if these parameters a, b and k are determined from experimentally determined values. The values used to determine parameters a, b and k can be determined experimentally at a specific location (for example at a workstation in front of a screen) and / or at a single person. This person is then preferably the person whose value of the corrected for the brightness
Pupillendurchmessers bzw. dessen physiologisches Aktivierungspotential später bei bestimmten Tätigkeiten ermittelt werden soll. Die zur Bestimmung der Parameter a, b und k verwendeten Werte können jedoch auch experimentell an mehreren Personen ermittelt werden, wobei dann Mittelwerte der Parameter a, b und k gebildet werden können.Pupil diameter or its physiological activation potential to be determined later in certain activities. The values used to determine the parameters a, b and k can, however, also be determined experimentally on several persons, in which case mean values of the parameters a, b and k can be formed.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur zum Ermitteln des hinsichtlich der Helligkeit korrigierten Wertes des Pupillendurchmessers oder des physiologischen Aktivierungspotentials zum Einsatz kommen, sondern ebenfalls zur Prozesssteuerung einer Vorrichtung im Sinne einer Schnittstelle Mensch-Maschine ("Bio-Feedback"), insbesondere zur Steuerung multimedialer Lernsysteme. Zu diesem Zweck wird aus dem ermittelten korrigierten Pupillendurchmesserwert PDkorr ein Steuersignal erzeugt und der Vorrichtung aufgeschaltet, wobei eine Prozesssteuerung der Vorrichtung in Abhängigkeit von diesem Steuersignal erfolgt. (Solche Bio-Feedback-Prozesssteuerungen sind an sich bekannt, insbesondere unter Verwendung von anderen Messgrößen (z.B. Hautleitwert) als Grundlage.) Durch die erfindungsgemäße Annahme eines exponentiellen Zusammenhangs zwischen dem durch die Helligkeit hervorgerufenen Pupillendurchmesser (PDheii) und der aktuellen Umgebungsleuchtdichte (LD) stellt die vorliegende Erfindung jedoch eine Mensch-Maschine-Interaktion mit weitreichenden Einsatzgebieten zur Verfügung.The present invention can be used not only for determining the brightness of the pupil diameter corrected for the brightness or the physiological activation potential, but also for process control of a device in the sense of a human-machine interface ("bio-feedback"), in particular for controlling multimedia learning systems , For this purpose, a control signal is generated from the determined corrected pupil diameter value PD corr and applied to the device, with process control of the device taking place as a function of this control signal. (Such bio-feedback process controls are known per se, in particular using other measured variables (for example skin conductance) as a basis.) By the assumption according to the invention of an exponential relationship between the pupil diameter caused by the brightness (PD h eii) and the current ambient luminance ( LD), however, the present invention provides a human-machine interaction with wide-ranging fields of application.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenExemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Brief description of the drawings
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und zeigt einen Nutzer an einem Arbeitsplatz mit einem Arbeitsmoήitor, sowie Teile einer pupillometrischen Vorrichtung.Fig. 1 is a schematic representation and shows a user at a workplace with a Arbeitsmoήitor, as well as parts of a pupillometric device.
Fig. 2 ist eine schematische Blockdarstellung und veranschaulicht ein Ausfülirungsbeispiel einer pupillometrischen Vorrichtung.FIG. 2 is a schematic block diagram and illustrates a sample embodiment of a pupillometric device.
Fig. 3 zeigt eine experimentell aufgenommene Messkurve zum Ermitteln der Parameter a, b und k in der Gleichung PD eii = a + b-exp(-k-LD).3 shows an experimentally recorded measurement curve for determining the parameters a, b and k in the equation PD eii = a + b-exp (-k-LD).
Bevorzugte Ausführung der Erfindung hi dem hier dargestellten Ausfuhrungsbeispiel wird das pupillometrische Verfahren bzw. die pupillometrische Vorrichtung zum Ermitteln des hinsichtlich der Helligkeit korrigierten Wertes des PupiUendurchmessers bzw. des physiologischenA preferred embodiment of the invention in the exemplary embodiment shown here is the pupillometric method or the pupillometric device for determining the value of the pupil diameter or the physiological value corrected for the brightness
Aktivierungspotentials einer Person 10 ("Nutzer") bei einem Arbeitsplatz mit einem (in den Figuren nicht gezeigten) Arbeitsrechner ("Subject-PC") mit Arbeitsmonitor 12 eingesetzt. (In Fig. 1 ist weiterhin die Tastatur 14 des Arbeitsrechners angedeutet.) Der Arbeitsmonitor 12 erzeugt eine stark schwankende Umgebungsleuchtdichte, die durch das pupillometrische Verfahren zu berücksichtigen ist.Activation potential of a person 10 (“user”) is used in a work station with a work computer (“subject PC”) (not shown in the figures) with work monitor 12. (The keyboard 14 of the work computer is also indicated in FIG. 1.) The work monitor 12 generates a strongly fluctuating ambient luminance which has to be taken into account by the pupillometric method.
Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des pupillometrischen Verfahrens bzw. der pupillometrischen Vorrichtung werden zwei handelsübliche Rechner verwendet. Mit dem ersten Rechner 16 ("Control-PC") ist eine handelsübliche Infrarotkamera 18 (REM π der Firma SensoMotoric Instruments GmbH, Teltow) zum Messen derIn the exemplary embodiment of the pupillometric method or the pupillometric device shown here, two commercially available computers are used. The first computer 16 ("control PC") is a commercially available infrared camera 18 (REM π from SensoMotoric Instruments GmbH, Teltow) for measuring the
Pupillenreaktion eines Auges 20 des Nutzers 10 verbunden. Durch die Infrarotkamera 18 wird das Auge 20 des Nutzers 10 gefilmt und die derart gewonnenen Videodaten werden dem ersten Rechner 16 zugeführt, hi dem ersten Rechner 16 werden diese Videodaten mittels einer Videokarte ausgewertet • und den aktuellen tatsächlichen Pupillendurchmesser (PDmess) des Auges 20 bestimmt. Hieraus wir ein entsprechendesPupil reaction of an eye 20 of the user 10 connected. The eye 20 of the user 10 is filmed by the infrared camera 18 and the video data obtained in this way are fed to the first computer 16, in the first computer 16 these video data are evaluated by means of a video card • and the current actual pupil diameter (PD measurement ) of the eye 20 is determined , From this we get a corresponding one
Pupillendurchmessersignal PDmeSs-Signal erzeugt.
Mit dem zweiten Rechner 22 ("Stearing-PC") ist ein handelsübliches Luxmeter 24 (Testo 545 der Firma Testo AG, Lenzkirch) verbunden. Das Luxmeter 24 dient zur Lichtmessung in der Nähe der zu messenden Pupille und liefert Daten über die Umgebungshelligkeit in Form von Helligkeitswerte LD an den zweiten Rechner 22. In diesem Rechner werden diese Helligkeitswerte in Helligkeits-PupillendurchmesserwertePupil diameter signal PD meSs signal generated. A commercially available luxmeter 24 (Testo 545 from Testo AG, Lenzkirch) is connected to the second computer 22 (“stearing PC”). The luxmeter 24 is used for light measurement in the vicinity of the pupil to be measured and supplies data about the ambient brightness in the form of brightness values LD to the second computer 22. In this computer, these brightness values are converted into brightness pupil diameter values
(PDheii) umgerechnet und entsprechende Helligkeits-Pupillendurchmessersignale PDheir Signal werden erzeugt.(PD he ii) converted and corresponding brightness pupil diameter signals PDheir signal are generated.
Dem zweiten Rechner 22 werden ebenfalls die in dem ersten Rechner 16 ermittelten Pupillendurchmesser-Daten in Form von Pupillendurchmessersignale PDmess-Signal zugeführt. In dem zweiten Rechner 22 werden diese Pupillendurchmessersignale PDmeSS-The second computer 22 is also supplied with the pupil diameter data determined in the first computer 16 in the form of pupil diameter signals PD measurement signal. In the second computer 22 these pupil diameter signals PD meSS -
Signal und die Umgebungslichthelligkeits-Daten (LD) mittels eines später näher beschriebenen Analyseprogramms verarbeitet. Aus den Umgebungslichthelligkeits-DatenSignal and the ambient light brightness data (LD) processed by means of an analysis program described later. From the ambient light brightness data
(LD) wird mit einer später näher beschriebenen Funktion die entsprechende Helligkeits- Pupillendurchmesserwerte (PDheii) und entsprechende Helligkeits-Pupillendurch- messersignale PDheii-Signal ermittelt. Aus den Pupillendurchmessersignalen PDraeSs-(LD), the corresponding brightness pupil diameter values (PDheii) and corresponding brightness pupil diameter signals PD he ii signal are determined using a function described in more detail later. From the pupil diameter signals PD raeSs -
Signal und den Helligkeits-Pupillendurchmessersignalen PDheii-Signal werden korrigierteSignal and the brightness pupil diameter signals PD he ii signal are corrected
Pupillendurchmesserwerte (PDkorr) und entsprechende PupillendurchmessersignalePupil diameter values (PD kor r) and corresponding pupil diameter signals
PDkorr-Signal ermittelt, wobei PDkorr = PDmess - PDheii gilt (vgl. Gl. (1)). Dieser korrigierte PupiUendurchmesserwert (PDkorr) kann dann als Korrelat des physiologischenPDkorr signal determined, where PDkorr = PD mess - PDheii applies (see Eq. (1)). This corrected pupil diameter value (PD corr ) can then be used as a correlate of the physiological
Aktivierungspotentials des Nutzers dienen. Hieraus können mentale und emotionaleActivation potential of the user. From this can be mental and emotional
Beanspruchungen abgeleitet werden.Stresses are derived.
Bei dem Analyseprogramm werden die beiden Datensätze (PDmess und LD) als Tabellen eingelesen. Bei der Berechnung der Helligkeits-Pupillendurclimesserwerte (PDheii) wird dabei zugrunde gelegt, dass die Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte (PDheii) exponentiell mit zunehmender Leuchtdichte (LD) abnehmen. Dabei lassen sich die Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte (PDheii) aus den eingelesenen Helligkeitswerten (LD) nach folgender Gleichung berechnen:In the analysis program, the two data records (PD mess and LD) are read in as tables. When calculating the brightness pupil diameter values (PDheii), it is assumed that the brightness pupil diameter values (PD he ii) decrease exponentially with increasing luminance (LD). The brightness pupil diameter values (PD he ii) can be calculated from the read brightness values (LD) according to the following equation:
(5) PDheii = + b-exp(-k-LD),
wobei a, b und k experimentell bestimmte Parameter sind.(5) PD he ii = + b-exp (-k-LD), where a, b and k are experimentally determined parameters.
Dabei entspricht a den Pupillendurchmesser bei extremer Helligkeit (LD = unendlich) und a + b den Pupillendurchmesser bei absoluter Dunkelheit (LD = 0). Der Parameter k beschreibt, wie schnell sich der Pupillendurchmesser bei zunehmender Leuchtdichte demHere a corresponds to the pupil diameter in extreme brightness (LD = infinite) and a + b the pupil diameter in absolute darkness (LD = 0). The parameter k describes how quickly the pupil diameter changes with increasing luminance
Minimalwert a nähert.Minimum value a approaches.
Die experimentelle Bestimmung der Parameter a, b und k in Gleichung (5) erfolgt durch geeignete Messungen der Leuchtdichten (LD) an dem in Fig. 1 dargestellten Arbeitsplatz und der zugehörigen Helligkeits-Pupillendurchmesserwerte (PDheii) von Nutzern. Dabei erfolgt die Kalibrierung zur Ermittlung von a und b mittels eines schwarzen (dunklen) Monitor und eines weißen (hellen) Monitors. Dabei können die Messungen an mehreren Nutzern vorgenommen werden und die Parameter a, b und k aus diesen Messungen als Mittelwerte ermittelt werden. Es ist auch möglich, die Messungen direkt lediglich an dem Nutzer vorzunehmen, dessen physiologisches Aktivierungspotential später ermittelt werden soll. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Parameter a, b und k mit einem nonlinear-least-square-fit mit Daten von mehreren Nutzern berechnet.The parameters a, b and k in equation (5) are determined experimentally by suitable measurements of the luminance (LD) at the workplace shown in FIG. 1 and the associated brightness pupil diameter values (PD he ii) of users. The calibration for determining a and b is carried out using a black (dark) monitor and a white (light) monitor. The measurements can be carried out on several users and the parameters a, b and k can be determined from these measurements as mean values. It is also possible to carry out the measurements directly only on the user whose physiological activation potential is to be determined later. In the exemplary embodiment shown here, the parameters a, b and k are calculated with a nonlinear least-square fit with data from several users.
Das Analyseprogramm ("mental workload analyzer") übernimmt die Messwerte des PupiUendurchmessers und bereinigt diese um eventuell vorhandene Messfehler (wie sie beispielsweise durch Lidschläge verursacht werden kömien) durch die Eliminierung dieser Extremwerte. Hierzu werden ein Mittelwert und die dazugehörige Standardabweichung ermittelt. Sämtliche Werte, die weiter als zwei Standardabweichungen vom Mittelwert entfernt liegen, werden für die weiteren Berechungen ignoriert. Die verbleibenden Werte werden daraufhin um dieThe analysis program ("mental workload analyzer") takes over the measured values of the pupil diameter and cleans them up for any measurement errors (such as those caused by blinking) by eliminating these extreme values. For this purpose, an average and the associated standard deviation are determined. All values that are more than two standard deviations away from the mean are ignored for the further calculations. The remaining values are then around the
Kontamination durch Lichteinflüsse mittels der in Gl. (5) beschriebenen Funktion bereinigt. Die Verbleibenden Nettowerte werden vom Programm gespeichert und können grafisch oder tabellarisch aufgearbeitet werden, sie können jedoch auch direkt zur Prozessteuerung weitergegeben werden.Contamination by light influences using the in Eq. (5) function described cleaned up. The remaining net values are saved by the program and can be processed graphically or in tabular form, but they can also be passed on directly to process control.
Die Werte der Pupillendurchmesser PDmeSs, PDheii und PDkorr sowie die Werte der Parameter a und b werden in geeigneten Längeneinheiten angegeben, die jedoch von dem
Messverfahren abhängen, h dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden diese Werte in Anzahl Pixel des verwendeten Sensors (Kamera) angegeben.The values of the pupil diameters PD meS s, PDheii and PDkorr as well as the values of the parameters a and b are given in suitable units of length, which, however, depend on the Depending on the measurement method, in the exemplary embodiment shown, these values are given in number of pixels of the sensor (camera) used.
Als Bespiel einer Versuchsreihe zur Bestimmung der Parameter a, b und k sind in Fig. 3 die gemessenen Pupillenwerte (Einheit: Anzahl Pixel) über die Leuchtdichte (Einheit: cd/ m2) aufgetragen. Aus 2500 Messungen an 250 Personen an einem typischen Computer- Arbeitsplatz wurde aus der Kurve folgende (abgerundete) Werte ermittelt: a = 623; b = 987 und k = 0,24.As an example of a series of experiments to determine parameters a, b and k, the measured pupil values (unit: number of pixels) are plotted against the luminance (unit: cd / m 2 ) in FIG. 3. From 2500 measurements on 250 people at a typical computer workstation, the following (rounded) values were determined from the curve: a = 623; b = 987 and k = 0.24.
Die Auswertung der Daten kann entweder nach Abschluss der Messungen inThe evaluation of the data can either in
Tabellenform erfolgen oder als Onlineverarbeitung in einer Grafik. Mit der direkten Onlineverarbeitung der Daten kann der mentale Zustand des Nutzers in Echtzeit erfasst werden. Diese Datenbasis kann zur Steuerung adaptiver Computersysteme genutzt werden. So kann beispielsweise eine Lernumgebung genau auf die Leistungsfähigkeit des Nutzers laufend angepasst werden, um einen möglichst optimalen Lernprozess zu gewährleisten. Durch die gezielte Abstimmung von Nutzerfähigkeit und Systemanforderung kann der Lernprozess eine deutliche Effizienzsteigerung erfahren.In table form or as online processing in a graphic. With the direct online processing of the data, the mental state of the user can be recorded in real time. This database can be used to control adaptive computer systems. For example, a learning environment can be continuously adapted to the performance of the user to ensure the best possible learning process. The learning process can experience a significant increase in efficiency through the targeted coordination of user ability and system requirements.
Als erstes Beispiel eines Anwendungsgebietes des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei die Steuerung adaptiver Computersysteme erwähnt. Da die Pupillengröße als physisches Korrelat einer mentalen Beanspruchungssituation dient, ist durch die Vermessung der Pupille das aktuelle Niveau der mentalen Beanspruchung des Nutzers in Echtzeit möglich. Der Arbeitsrechner kann mittels der Daten des pupillometrischen Verfahrens die Schwierigkeit der Anwendung so steuern, dass immer ein möglichst günstiges Belastungsniveau des Nutzers gegeben ist.The control of adaptive computer systems may be mentioned as a first example of an area of application of the method and the device according to the invention. Since the pupil size serves as a physical correlate of a mental stress situation, the current level of the mental stress of the user is possible in real time by measuring the pupil. Using the data from the pupillometric method, the work computer can control the difficulty of the application in such a way that the load level of the user is as favorable as possible.
Durch die Abstimmung zwischen Nutzerfähigkeit und Belastung durch das Programm kann eine gute Lernleistung mittels Flow-Erleben erreicht werden.By coordinating the user ability with the load of the program, a good learning performance can be achieved through flow experience.
Als zweites Beispiel eines Anwendungsgebietes des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sei die Medienanalyse erwähnt. Durch die Messung der mentalen und emotionalen Beanspruchung des Rezipienten können wichtige Analysedaten für die Medienforschung bereitgestellt werden, beispielsweise bei
Werbefilmen, Krimis oder Computeranwendungen. h diesem Bereich kann ein auf das erfindungsgemäße Verfahren beruhende Bio-Feedback-Gerät das bisher gängige Verfahren der Messung des Hautleitwertes vorteilhaft ersetzten, da die Pupille der schnellere und genauere Indikator für die Aktivität des autonomen Nervensystems ist. Weiterhin sind keine störenden Verkabelungen des Nutzers notwendig.
Media analysis may be mentioned as a second example of an area of application of the method and the device according to the invention. By measuring the mental and emotional demands on the recipient, important analysis data can be provided for media research, for example at Commercials, thrillers or computer applications. In this area, a bio-feedback device based on the method according to the invention can advantageously replace the previously used method of measuring the skin conductance, since the pupil is the faster and more accurate indicator of the activity of the autonomic nervous system. Furthermore, no annoying wiring by the user is necessary.