СПОСОБ СНЯТИЯ СИГНАЛОВ ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭМОЦИОНАЛЬНОЙ РЕАКЦИИ ЧЕЛОВЕКА ПРИ ПОМОЩИ НАУШНИКОВ
METHOD FOR TAKING SIGNALS FOR ASSESSMENT OF PERSON'S EMOTIONAL REACTION USING HEADPHONES

Изобретение относится к области медицины, а именно к области проведения психофизиологических исследований, например, анализа психофизиологических реакций человека, и может быть использовано в нейромаркетинге, в рекламном деле, функциональной диагностике, педагогике, психологии, судебной практике и криминалистике, в компьютерных играх, педагогике, психологии, и в медицинских целях.
Известен способ, расширяющий арсенал средств для оценки деятельности и функциональных состояний человека [1- Патент RU 2414845 Способ оценки деятельности и функционального состояния человека // Костин А.Н., Голиков Ю.Я., Бедзюк С. В. Опубл. 27.03.2011 Бюл. № 9, МПК A61B 3/113, A61B 5/0452, A61B 5/053], в соответствии с которым осуществляют регистрацию движений глаз, измеряют межсаккадические интервалы (МСИ). Также регистрируют и измеряют длительности реакций активации кожно-гальванического рефлекса. Дополнительно определяют Р-Р интервалы электрокардиограммы (СПИ ЭКГ).
Реализация способа требует проведения достаточно большого числа измерений на профессиональном медицинском оборудовании, сопоставления большого объема данных измерений и может быть осуществлена только в клинических условиях, что ограничивает область практического применения данного способа только медициной.
Более широкий спектр применения достигается в способе [2 – Патент RU 2529482 Способ оценки восприятия информации / Огнев А.С., Глазков А.А., Венерина О.Г., Опубл. 27.09.2014 Бюл. № 27, МПКA61B 5/16]. В соответствии с патентом предварительно снимают текущее нормальное фоновое состояние физиологических параметров испытуемого с помощью полиграфа. Затем предъявляют испытуемому на демонстрационном экране визуальную информацию, регистрируют движение глаз для оценки субъективной значимости визуальной информации. С помощью полиграфа производят синхронные измерения физиологических параметров состояния организма испытуемого посредством контактных датчиков артериального давления, фотоплетизмограммы, кожно-гальванической реакции, пневмодатчиков верхнего и нижнего дыхания, сенсорных датчиков тремора.
Недостатком способа является сложность процедуры измерений и анализа данных, которая не может быть применена одновременно к большой группе испытуемых, и влияние дискомфорта испытуемого на объективность получаемых данных в связи с применением нескольких устройств регистрации параметров.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является способ [3 – Патент RU № 2565652, Способ снятия аналоговых сигналов для определения функционального состояния слушающего при помощи наушников / Журавлёв И.В., Опубл. 20.10.2015 Бюл. № 29, МПК A61B 5/053], который состоит в том, что используют не менее чем два контактных электрода, выполненные в форме электропроводящих участков корпуса наушников. Электроды размещают в наружных слуховых проходах, при этом электропроводящими участками могут быть выполнены полностью или частично амбушюры наушников или поверхность тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека. Производят измерение кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего, исходя из того, что не менее чем один электрод контактирует с кожей одного уха и не менее чем один электрод контактирует с кожей другого уха.
Недостаток способа состоит в том, что функциональное состояние слушающего при помощи наушников оценивают только путем измерения кожно-гальванической реакции кожи посредством двух электродов, которые контактируют с кожей человека в области левого и правого уха соответственно. Также способ требует измерения проводимости, что приводит к необходимости пропускать через голову человека импульсные микротоки, которые при определенной регулярности могут оказаться небезопасными для здоровья слушающего.
Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в расширении функциональных возможностей наушников при проведении измерений эмоциональной реакции человека при сохранении их портативности и удобства для прослушивания аудио-, видеоматериалов.
Для решения указанной технической проблемы предлагается способ снятия сигналов для оценки эмоциональной реакции человека при помощи наушников, при котором используют не менее чем два контактных электрода, выполненных полностью или частично в форме электропроводящих участков корпуса наушников, например, амбушюр или поверхностей тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека, обеспечивают контакт не менее одного электрода с кожей одного уха и не менее одного электрода с кожей другого уха.
Согласно изобретению на шее человека неподвижно закрепляют подковообразный корпус наушников, используют дополнительный электрод, который выполнен в виде электропроводящего участка подковообразного шейного фиксатора наушников, обеспечивают контакт дополнительного электрода с кожей человека в области шеи, на внутренней поверхности подковообразного шейного фиксатора наушников размещают фотоэлектрические датчики таким образом, чтобы участки кожи человека, находящиеся в зоне их действия, имели стабильные условия внешней освещенности, для измерения электрической активности кожи снимают сигналы, соответствующие изменению разности потенциалов между кожей одного уха и кожей шеи человека и между кожей другого уха и шеей человека, для оценки активности сердечной деятельности и дыхания методом фотоплетизмографии снимают отраженные от тела сигналы с фотоэлектрических датчиков.
Техническим результатом заявленного изобретения является измерение изменений разности потенциалов на двух участках кожи человека и интенсивности оптических сигналов, отраженных от участков кожи человека при сохранении портативности и удобства наушников для прослушивания аудио-и видеоматериалов. Результаты измерений можно использовать при проведении исследований реакции группы людей на прослушиваемые материалы.
Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки и последовательность его реализации от способа-прототипа, которые приведены в таблице 1.
Таблица 1
<b>Способ-прототип</b>
<b>Предлагаемый способ</b>
1. Используют не менее чем два контактных электрода, выполненных полностью или частично в форме электропроводящих участков корпуса наушников, например, амбушюр или поверхностей тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека.
1. Используют не менее чем два контактных электрода, выполненных полностью или частично в форме электропроводящих участков корпуса наушников, например, амбушюр или поверхностей тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека.
2. Обеспечивают контакт не менее одного электрода с кожей одного уха и не менее одного электрода с кожей другого уха.
2. Обеспечивают контакт не менее одного электрода с кожей одного уха и не менее одного электрода с кожей другого уха.
3. Производят измерение кожно-гальванической реакции кожи на ушах слушающего.
3. На шее человека неподвижно закрепляют подковообразный корпус наушников.
4. Используют дополнительный электрод, который выполнен в виде электропроводящего участка подковообразного шейного фиксатора наушников.
5. Обеспечивают контакт дополнительного электрода с кожей человека в области шеи
6. На внутренней поверхности подковообразного шейного фиксатора наушников размещают фотоэлектрические датчики таким образом, чтобы участки кожи человека, находящиеся в зоне их действия, имели стабильные условия внешней освещенности.
7. Для измерения электрической активности кожи снимают сигналы, соответствующие изменению разности потенциалов между кожей одного уха и кожей шеи человека и между кожей другого уха и шеей человека.
8. Для оценки активности сердечной деятельности и дыхания методом фотоплетизмографии снимают отраженные от тела сигналы с фотоэлектрических датчиков.
Из представленной таблицы 1 сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, чтов предлагаемом способе введены шесть операций:
− на шее человека неподвижно закрепляют подковообразный корпус наушников;
− используют дополнительный электрод, который выполнен в виде электропроводящего участка подковообразного шейного фиксатора наушников;
− обеспечивают контакт дополнительного электрода с кожей человека в области шеи;
− на внутренней поверхности подковообразного шейного фиксатора наушников размещают фотоэлектрические датчики таким образом, чтобы участки кожи человека, находящиеся в зоне их действия, имели стабильные условия внешней освещенности;
− для измерения электрической активности кожи снимают сигналы, соответствующие изменению разности потенциалов между кожей одного уха и кожей шеи человека и между кожей другого уха и шеей человека;
− для оценки активности сердечной деятельности и дыхания методом фотоплетизмографии снимают отраженные от тела сигналы с фотоэлектрических датчиков.
Введение шести операций позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить достижение технического результата, состоящего в измерениях разности потенциалов на двух участках кожи и интенсивности оптических сигналов, отраженных от участков кожи человека при сохранении портативности и удобства наушников для прослушивания аудио-и видеоматериалов, а также исключении возможного вредного воздействия импульсных микротоков на голову человека.
Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известныхисточниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата.  Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Сущность предлагаемого способа раскрывается фигурами 1 и 2.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 2 приведен возможный внешний вид наушников, а также подковообразного шейного фиксатора наушников и его возможное размещение на теле человека.
При реализации предложенного способа снятия сигналов для оценки эмоциональной реакции человека при помощи наушников выполняется следующая последовательность действий:
− используют не менее чем два контактных электрода, выполненных полностью или частично в форме электропроводящих участков корпуса наушников, например, амбушюр или поверхностей тех частей наушников, которые контактируют с ухом человека − 1;
− обеспечивают контакт не менее одного электрода с кожей одного уха и не менее одного электрода с кожей другого уха − 2;
− на шее человека неподвижно закрепляют подковообразный корпус наушников − 3;
− используют дополнительный электрод, который выполнен в виде электропроводящего участка подковообразного шейного фиксатора наушников − 4;
− обеспечивают контакт дополнительного электрода с кожей человека в области шеи − 5;
− на внутренней поверхности подковообразного шейного фиксатора наушников размещают фотоэлектрические датчики таким образом, чтобы участки кожи человека, находящиеся в зоне их действия, имели стабильные условия внешней освещенности − 6;
− для измерения электрической активности кожи снимают сигналы, соответствующие изменению разности потенциалов между кожей одного уха и кожей шеи человека и между кожей другого уха и шеей человека − 7;
− для оценки активности сердечной деятельности и дыхания методом фотоплетизмографии снимают отраженные от тела сигналы с фотоэлектрических датчиков − 8.
Устройство, предназначенное для реализации предлагаемого способа (фиг. 1), включает: правый и левый головные телефоны (ГТ) 1 с электродами (Э) 2, подковообразный корпус (ПК) 3, дополнительный электрод (ДЭ) 4, источник питания (ИП) 5, ключ (К) 6, микрогальванометр (МкГ) 7, фотоэлектрические датчики (ФД) 8, микроконтроллер (МК) 9.
Перед использованием наушников, реализующих предлагаемый способ, закрепляют правый и левый ГТ 1 таким образом, чтобы обеспечить надежный электрический контакт Э 2 с кожей человека в области каждого уха человека, неподвижно закрепляют ПК 3 таким образом, чтобы обеспечить контакт ДЭ 4 с телом человека, при этом МкГ 6, подключают при помощи К 6 и посредством пары электродов между одним из ЭПА 2 и ДЭ 4 к участкам тела человека для измерения электрической активности кожи, ФД 8 располагают на внутренней поверхности ПК 3 таким образом, чтобы обеспечить работу фотоплетизмографа по отражательной схеме и стабильные условия освещенности участков кожи в зоне действия ФД 8, а выходные сигналы, снимаемые с МкГ 7 и ФД 8 направляют по проводам или по беспроводным линиям связи в МК 9, который реализует заданные алгоритмы оценки эмоциональной реакции человека или передает данные на удаленный компьютер для обработки, ИП 5 может быть размещен внутри ПК 3 и обеспечивает энергией все активные устройства, к которым, в частности, относятся ГИТ 5 и ФД 8.
Осуществление изобретения.
Для объективной оценки эмоциональной реакции человека необходимо измерять следующие показатели [4 − Анисимов В.Н., Колкова К.М., Психофизиологические методы в маркетинге: возможности и ограничения, Международный научно-исследовательский журнал № 5 (47) Часть 1, 2016, с.18 -19]:
- активность сердечно-сосудистой системы;
- активность дыхательной системы;
- электрическая активность кожи.
Активность сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека может быть оценена по результатам анализа фотоплетизмограммы [5 − Алдонин Г.М., Желудько С.П. Системы и устройства в кардиологии. – Красноярск: Сиб. Федер. Ун-т, 2014, 181с, с. 67]. Возможность получения приемлемых для практического использования фотоплетизмограмм при размещении датчиков в районе шеи подтверждается соответствующими специальными исследованиями [6 - Characterization Study of Neck Photoplethysmography - 40th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2018].
Для оценки электрической активности кожи измеряют временную зависимость разности потенциалов на различных участках кожи. Измерения на одном участке тела не всегда объективны в силу индивидуальных особенностей организма испытуемого. В связи с этим стремятся использовать возможно больший объем измерений. В простейшем случае при релизации измерений электрической активности кожи по методу Тарханова [7 − Дж. Хэссет Введение в психофизиологию, 1981, М. с. 53-55] необходимо не два, как в прототипе, а три электрода.
Все перечисленные устройства для снятия сигналов с тела человека могут быть выполнены компактными, что позволяет совместить все необходимые датчики с наушниками, а обработка данных может быть выполнена на компьютере. Преобразование аналоговых сигналов в цифровую форму для последующей цифровой обработки может быть выполнена при помощи АЦП, которые могут быть интегрированы в современные микровольтметры и фотоприемники фотоэлектрических датчиков.
Как следует из прототипа, амбушюры наушников могут содержать электропроводящие поверхности, которые можно использовать в качестве двух электродов для измерения электрической активности кожи.
Третий электрод может быть неподвижно зафиксирован на шее человека, если наушники содержат подковообразный корпус, закрепляемый неподвижно на шее человека. Подобный фиксатор известен и используется на некоторых моделях наушников [8 − https://www.sony.ru/electronics/in-ear-headphones/wi-1000x]. Вариант его реализации представлен на фиг. 2.
В классической фотоплетизмографии, как правило, используют ближнее инфракрасное излучение, которое меньше всего поглощается биологическими тканями и кровью [5, с. 66]. Оптическая схема, которая может быть использована при реализации предлагаемого способа соответствует отражательной фотоплетизмографии. Схема измерений содержит фотодиод, фокусирующую линзу, собирающую линзу и фотоприемник. Качество измерений определяется стабильностью внешних условий, к которым относятся неподвижность датчика и постоянство освещенности участка кожи человека, на котором осуществляют измерения. Для надежного и неподвижного крепления фотодатчика может также использоваться подковообразный корпус наушников, закрепляемый на шее человека. Удобство такого фиксатора в данном случае подтверждается тем, что область шеи содержит большое число кровеносных сосудов. Кроме того, фотоэлектрические датчики могут использовать и другую длину волну (обычно, красная или зеленая часть видимого излучения) [5, 7, 9 − How to Design Peripheral Oxygen Saturation (SpO2) and Optical Heart Rate Monitoring (OHRM) Systems, Application Report SLAA655–March 2015].
В качестве микроконтроллера может быть использовано цифровое устройство для передачи результатов измерений в устройство цифровой обработки, включая смартфон или настольный компьютер. Данные устройства известны и широко используются.
Для обеспечения передачи результатов в устройство окончательной обработки (смартфон, планшет, ноутбук или настольный компьютер) в качестве микроконтроллера может быть использовано стандартная микросхема процессора с интегрированным беспроводным (например – по стандарту серии Bluetooth Low Energy) и/или проводным (например – по стандарту серии USB) интерфейсами.
Таким образом, реализация устройства не вызывает трудностей, датчики для измерения частоты пульса и давления широко используются в медицинских и бытовых портативных приборах, например фитнес-браслетах, а датчики для измерения электрической активности кожи широко применяются в медицинских приборах для измерения электрокардиограмм, электроэнцефалограмм.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что предлагаемый способ соответствует критерию «промышленная применимость» для изобретения.