Устройство для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека
APPARATUS FOR CONTINUOUS CONTACT-FREE AUTOMATED MONITORING OF PSYCHOEMOTIONAL STATE OF PERSON

Область техники.
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека.
Уровень техники.
Психоэмоциональное состояние человека может в значительной степени изменяться в течение суток под воздействием внешних факторов. Выход психоэмоционального состояния за пределы адаптационных возможностей организма человека приводит к снижению работоспособности, усталости, повышенной раздражительности и другим негативным изменениям в организме. При длительном пребывании человека в состоянии повышенного психоэмоционального напряжения могут развиваться такие социально значимые заболевания как диабет, ожирение, депрессия, нарушения сна, сердечно-сосудистые заболевания. Таким образом, создание устройств для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека представляет собой актуальную задачу.
Из предшествующего уровня техники известны способы оценки психоэмоционального состояния человека, основанные на использовании информации, полученной по результатам ответов человека на различные вопросы (Патент RU 2567463 С2, 20.06.2015, патент RU 2401463 С2, 20.10.2010, патент RU 2359611 С1, 27.06.2009). Недостатком таких способов является невозможность использования их для длительного мониторинга психоэмоционального состояния испытуемого, кроме того, они требуют активных действий со стороны испытуемого (ответов на вопросы), и таким образом не могут быть применены в автоматизированном режиме без отвлечения внимания испытуемого от его повседневной деятельности.
Также известны системы оценки состояния человека на основе анализа различных параметров сердечного ритма, регистрируемого при помощи электродов (Патент RU 2442531 С2, 20.02.2012; патент RU 45078 U1, 27.04.2005; патент RU 147501 U1, 10.11.2014; патент RU 147501 U1, 10.11.2014). Недостатком таких способов и устройств является необходимость использования контактных датчиков или электродов, которые при длительном использовании могут приводить к возникновению дерматологических проблем, что делает данные методы непригодными для длительного ежедневного использования.
Известны устройства и способы для дистанционного распознавания психоэмоционального состояния человека при помощи мониторинга мимики, движений конечностей и глаз, речи по данным, регистрируемым видеокамерой и/или микрофоном (Патент RU 2711976 С1, 23.01.2020; патент RU 2708807 С2, 11.12.2019; патент RU 179414 U1, 14.05.2018). Недостатком таких систем является применимость только для определенных углов обзора пользователя и при условии равномерности освещенности поля зрения.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является патент RU 2662293 С2 (25.07.2018), описывающий способ и систему непрерывного контроля психофизиологического состояния водителей, перевозящих опасные грузы и пассажиров по дорогам общего пользования, включающий сбор данных о состоянии водителя от датчиков электроэнцефалограммы и видеокамеры, сбор данных о характере движения транспортного средства, обработку и интерпретацию собранных данных. Данное техническое решение обладает следующими недостатками: электроды, используемые для считывания данных об электрической активности головного мозга человека с целью оценки его психоэмоционального состояния, являются контактными, что может приводить к возникновению дерматологических проблем при их непрерывном ежедневном использовании; кроме того, использование видеокамеры, входящей с состав системы, требует точного позиционирования относительно лица пользователя, с целью отслеживания его движений, и равномерности освещенности поля зрения камеры, что приводит к невозможности применения в случае, если ориентация пользователя относительно объектива камеры изменяется во времени, присутствуют неравномерность освещенности области наблюдения и вибрации. Данные недостатки присущи всем способам оценки психофизиологического состояния человека, основанным на анализе видеоданных.
Раскрытие изобретения.
Технической задачей предлагаемого изобретения является расширение потенциальных возможностей и повышение точности непрерывного бесконтактного мониторинга психоэмоционального состояния человека на основе метода биорадиолокации за счет одновременного использования двух биорадиолокационных каналов информации.
Решение технической задачи достигается тем, что устройство для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека объединяет в единую систему два биорадиолокатора, каждый из которых представляет собой радар ближнего радиуса действия с непрерывным сигналом и квадратурным детектором, выход биорадиолокатора №1 подключен ко входу блока первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №1, который соединен с входом блока нормализации сигналов биорадиолокатора №1, выход которого соединен с входом блока извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №1, сигнал с которого поступает на вход блока нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №1, выход которого соединен с входом блока первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1, выход биорадиолокатора №2 подключен ко входу блока первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №2, который соединен с входом блока нормализации сигналов биорадиолокатора №2, выход которого соединен с входом блока извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №2, сигнал с которого поступает на вход блока нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №2, выход которого соединен с входом блока первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №2, выход которого совместно с выходом блока первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1 соединен с входом блока вторичной классификации, сигнал с которого поступает на блок сопряжения с устройством вывода, причем биорадиолокатор №1 располагается фронтально по отношению к человеку и обеспечивает регистрацию колебательных движений и перемещений поверхности тела человека во фронтальном направлении, а биорадиолокатор №2 располагается с левой стороны от испытуемого под углом 90° и обеспечивает регистрацию колебательных движений и перемещений поверхности тела человека в боковом направлении.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является улучшенное качество непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека на основе метода биорадиолокации, за счет одновременного использования двух биорадиолокаторов, в качестве каналов информации.
Перечень фигур чертежей и иных материалов.
Фиг. 1. Блок-схема устройства для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека, где 1 - биорадиолокатор №1; 2 - блок первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №1; 3 - блок нормализации сигналов биорадиолокатора №1; 4 - блок извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №1; 5 - блок нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №1; 6 - блок первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1; 7 - биорадиолокатор №2; 8 - блок первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №2; 9 - блок нормализации сигналов биорадиолокатора №2; 10 - блок извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №2; 11 - блок нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №2; 12 - блок первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №2; 13 - блок вторичной классификации; 14 - блок сопряжения с устройством вывода.
Фиг. 2. Схема проведения непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека с помощью устройства.
Фиг. 3. Фотография проведения непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека с помощью устройства.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.
Вопрос длительного мониторинга психоэмоционального состояния человека с помощью различных контактных методов, видеокамер, а также микрофонов широко изучался в последние десятилетия. При этом, использованию в таких системах биорадиолокаторов до настоящего времени практически не уделялось внимания.
Описаны способы использования систем, основанных на анализе различных физиологических параметров, зарегистрированных при помощи контактных датчиков и электродов, а также видеокамер и аудио-датчиков, с целью оценки психоэмоционального состояния человека, однако они не могут быть использованы на практике для непрерывного ежедневного мониторинга. В первую очередь это связано с некомфортностью длительного использования контактных датчиков и сенсоров регистрации физиологических параметров, а также нестабильностью работы алгоритмов распознания различных психоэмоциональных состояний по данным видеокамер вследствие их чувствительности к углу наблюдения сцены, расстоянию до объекта, вибрациям и условиям освещенности.
Есть также много работ, посвященных распознаванию различных типов движений человека, дыхания и пульса с использованием биорадиолокаторов. Наибольшее внимание в этих работах уделяется непосредственно регистрации данных о двигательной активности, дыхании и пульсе испытуемого, распознаванию соответствующих паттернов в биорадиолокационном сигнале, выявлению эпизодов падений у пожилых людей и автоматизированному определению структуры сна. Возможность непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека с использованием биорадиолокаторов до настоящего времени практически не рассматривалась, хотя бесконтактные системы такого типа могут быть чрезвычайно востребованы на практике, например, для ежедневного мониторинга состояния операторов сложных комплексов, с целью определения наступления переутомления.
Особый интерес представляет объединение нескольких биорадиолокационных каналов информации, позволяющих регистрировать перемещение тела человека, находящегося под различными углами наблюдения, в единый контур, с целью повышения точности бесконтактной автоматизированной оценки психоэмоционального состояния человека за счет снижения влияния ориентации испытуемого относительно устройства по сравнению с одноканальной системой.
Функционирование устройства для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека заключается в следующем (фиг. 1):
Биорадиолокатор №1 (1) и биорадиолокатор №2 (7) представляют собой радары ближнего радиуса действия с непрерывным сигналом и квадратурным детектором. Биорадиолокатор №1 (1) располагается фронтально по отношению к человеку и обеспечивает регистрацию колебательных движений и перемещений поверхности тела человека во фронтальном направлении. Биорадиолокатор №2 (7) располагается с левой стороны от испытуемого под углом 90° и обеспечивает регистрацию колебательных движений и перемещений поверхности тела человека в боковом направлении. Выходами обоих биорадиолокаторов являются по 2 оцифрованных сигнала. Каждый сигнал представляет собой I или Q квадратуру на частоте зондирования биорадиолокатора.
Блок первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №1 (2) обеспечивает полосовую фильтрацию цифровых сигналов, поступающих с радиолокатора, в диапазоне от 0.05 Гц до 3 Гц. Вход блока первичной фильтрации сигналов биорадиолокатора №1 (2) соединен с выходом биорадиолокатора (1), а выход блока соединен с блоком нормализации сигналов биорадиолокатора №1 (3).
Блок нормализации сигналов биорадиолокатора №1 (3) обеспечивает одинаковую среднюю амплитуду биорадиолокационного сигнала в течение одной минуты. Нормализация осуществляется путем вычитания среднего значения сигнала и деления на стандартное отклонение сигнала. Вход блока нормализации сигналов биорадиолокатора №1 (3) соединен с блоком фильтрации сигналов биорадиолокатора №1 (2), а выход блока нормализации сигналов биорадиолокатора №1 (3) соединен с блоком извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №1 (4).
Блок извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №1 (4) обеспечивает извлечение признаков для каждого 30-секундного интервала сигнала. Признаки извлекаются на основе статистического описания параметров биорадиолокационного сигнала (среднее, стандартное отклонение, межквартильный размах, медиана, моменты 3-го и 4-го порядков) и рекуррентного анализа (процент рекуррентных точек, меры детерминизма и ламинарности). Выход блока извлечения признаков из сигналов биорадиолокатора №1 (4) соединен с блоком нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №1 (5). Блок нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №1 (5) обеспечивает нормализацию каждого из извлеченных признаков в течение 30-секундного интервала времени. Нормализация осуществляется путем вычитания среднего значения признака и деления на стандартное отклонение признака. Вход блока соединен с блоком извлечения признаков из сигнала биорадиолокатора №1 (4), а выход блока нормализации признаков сигналов биорадиолокатора №1 (5) соединен с блоком первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1 (6).
Блок первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1 (6) обеспечивает классификацию зарегистрированного биорадиолокационного сигнала, как соответствующего или не соответствующего состоянию умственного напряжения на основе анализа признакового описания. Вход блока первичной классификации (6) соединен с блоком нормализации признаков сигнала биорадиолокатора №1 (5), выход блока соединен с блоком вторичной классификации (13).
Блоки с (8) по (12) обеспечивают преобразование сигнала биорадиолокатора №2 (7) таким же образом, как это делают блоки с (2) по (6) для биорадиолокатора №1 (1).
Блок вторичной классификации (13) обеспечивает классификацию каждого 30-секундного интервала записи как соответствующего или не соответствующего состоянию умственного напряжения на основе анализа совокупности данных, полученных в предыдущих блоках. Вход блока вторичной классификации (13) соединен с блоком первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №1 (6) и блоком первичной классификации психоэмоционального состояния по данным биорадиолокатора №2 (12), выход блока соединен с блоком сопряжения с устройством вывода (14).
Блок сопряжения с устройством вывода (14) обеспечивает передачу информации о психоэмоциональном состоянии испытуемого на устройства вывода с помощью кабеля USB или радиоинтерфейса. В качестве радиоинтерфейса может быть использована технология Bluetooth или Wi-Fi. В качестве устройства вывода может выступать персональный компьютер или смартфон. Вход блока соединен с блоком вторичной классификации (13), выход блока соединен с устройством вывода.
Достигаемый технический результат заключается в повышении качества непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека на основе метода биорадиолокации, за счет одновременного использования двух биорадиолокаторов, в качестве каналов информации, а именно в дополнение к фронтально ориентированному биорадиолокатору №1 биорадиолокатора №2, расположенного с левого бока от испытуемого.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пользователь располагает входящие в состав устройства биорадиолокатор №1 перед собой и биорадиолокатор №2 с левой стороны от себя, так чтобы антенны биорадиолокаторов были направлены на грудную клетку пользователя (фиг. 2). Расстояние от биорадиолокаторов до пользователя во время проведения мониторинга не должно превышать 2 м. В пределах обзора антенн не должно находиться других движущихся объектов кроме пользователя. Пользователь включает устройство и приступает к своей повседневной деятельности. Сигнал каждого из биорадиолокаторов, отражаясь от поверхности тела пользователя, модулируется смещениями поверхности тела, вызванными сердечными сокращениями, дыхательными движениями и двигательной активностью. Отраженный сигнал попадает на приемную антенну биорадиолокатора и оцифровывается им. После чего сигнал проходит предварительную обработку (блоки 2-3, 8-9). Затем каждый 30-секундный интервал описывается вектором признаков извлеченных из предобработанного биорадиолокационного сигнала (блоки 4 и 10). Эти признаки нормализуются (блоки 5 и 11) и используются для первичной классификации (блоки 6 и 12), в ходе которой оцениваются вероятности того, что данный временной интервал принадлежит одному из двух типов психоэмоционального состояния: спокойному состоянию или умственному напряжению. Данные первичной классификации используются для вторичной классификации (блок 13), в ходе которой принимается окончательное решение: к какому из двух типов психоэмоционального состояния принадлежит каждый из 30-секундных интервалов. Информация о принятых решениях с блока сопряжения (14) передается на устройство вывода. В итоге, пользователь может видеть на устройстве вывода динамику своего психоэмоционального состояния в течение дня.
Работоспособность разработанного устройства для непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека оценивалась при проведения верификационных экспериментов в МГТУ им. Н.Э. Баумана. Эксперименты были проведены с привлечением 34 добровольцев (17 из которых мужчины, средний возраст 20±1). Эксперименты показали, что данное устройство позволяет разделять спокойное состояние и состояние умственного напряжения со средней точностью 0,90 и показателем меры межэкспертного согласия каппы Коэна в 0,78. На фиг. 2 и фиг. 3 показаны схема и фотография проведения эксперимента (непрерывного бесконтактного автоматизированного мониторинга психоэмоционального состояния человека).