Сравнительный анализ контактных и бесконтактных технических решений мониторинга физиологических сигналов человека

УДК 57.04, 612, 519.2, 004.6

В. В. Савченко, научный сотрудник, Д. А. Суздальцев, научный сотрудник, В. А. Королев, научный сотрудник, Д. Ю. Комраков, инженер-программист,

ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ГосНИИПП), Санкт-Петербург

Сравнительный анализ контактных и бесконтактных технических решений мониторинга физиологических сигналов человека

Ключевые слова: диаметр зрачка, RR-интервал, фотоплетизмограмма, интервалы дыхания, эмоции, физиологическая реакция.

Keywords: pupillary diameter, RR-interval, photoplethysmography, respiration rate, emotions, physiological response.

В данной статье проанализированы существующие в настоящее время системы мониторинга физиологических сигналов человека. Показана возможность применения съема физиологических сигналов для отслеживания физиологических реакций не только в лабораторных условиях, но и в повседневной жизни человека. Предлагается метод исследования взаимосвязей физиологических реакций человека в условиях восприятия эмоционально значимой информации. Установлена достоверная взаимосвязь изменений физиологических сигналов, зарегистрированных контактными и бесконтактными методами. Обоснована возможность использования бесконтактных методов регистрации физиологических сигналов в качестве аналога традиционных контактных технических решений мониторинга физиологического состояния человека.

Введение

Появление технических возможностей множественной регистрации физиологических параметров [электрокардиограмма (ЭКГ), электромиограмма (ЭМГ), электроэнцефалограмма (ЭЭГ), артериальное давление, периферическое давление кровеносных сосудов (ФПГ), температура тела, кожно-гальвани-ческая реакция (КГР), насыщение крови кислородом (SpO2), частота дыхания (ЧД), частота сердцебиения] является основанием для разработки и создания систем мониторинга функциональных состояний, сопровождающих различные аспекты человеческой деятельности.

Существуют два основных типа систем получения физиологических параметров — на основе контактных и бесконтактных датчиков регистрации физиологических сигналов. Контактные системы основаны на съеме информации о физиологических процессах, происходящих на контакте тело—датчик. В качестве примера классических контактных систем анализа можно привести инструментарий для про ведения полиграфических исследований («детектор лжи») [1, 2].

В настоящее время все более широкое применение получают мобильные средства съема физиологических сигналов, позволяющие отслеживать физиологические реакции не только в лабораторных условиях, но и в повседневной жизни человека. Основу составляет распространенная система беспроводной передачи биологических сигналов микроэлектромеханических датчиков, устанавливаемых на различных участках тела, на станцию дистанционного мониторинга [3].

Однако преимущество перед контактными методами регистрации физиологических сигналов имеют полностью бесконтактные методы мониторинга, основанные на дистанционной регистрации и оценке различных характеристик. Этот принцип используется для определения характеристик движения глаз (iTracker) [4], в системах распознавания мимики и жестов (FaceReader) [5], для съемки открытых частей тела с помощью тепловизора [6] и др.

Таким образом, в настоящий момент существует множество технических решений регистрации различных физиологических сигналов. Наблюдается тенденция к миниатюризации физиологических датчиков и разработке методов съема физиологических сигналов без крепления датчиков на теле человека.

Однако в литературе мало данных о характере взаимосвязей физиологических сигналов, регистрируемых как контактно, так и бесконтактно.

Для сравнительного анализа функционирования контактных и бесконтактных датчиков в качестве фактора, провоцирующего физиологические реакции, в работе используются сильные эмоции. Согласно существующим научным исследованиям, каждому эмоциональному состоянию присущ свой физиологический синдром. Например, при гневе происходит повышение артериального давления и частоты сердечных сокращений [7], при страхе температура кожных покровов понижается [8], при радости уменьшается частота сердечных сокращений [8]. В целом возрастание эмоционального напряжения увеличивает частоту сердечных сокращений, а снижение — уменьшает. Это утверждение справедливо и в отношении направленности эмоционального воздействия. Отрицательные эмоции вызывают более сильные физиологические реакции, чем положительные [9].

Рабочая гипотеза исследования состоит в том, что использование бесконтактных систем мониторинга психоэмоционального состояния человека возможно при наличии взаимосвязей между физиологическими показателями, регистрируемыми контактными и бесконтактными методами.

Методика

В качестве стимулов, методом экспертной оценки, были отобраны шесть видеороликов, оказывающих сильное эмоциональное воздействие. Каждый ролик демонстрировался несколько раз. Для демонстрации видеороликов использовался телевизор с диагональю экрана 55 дюймов. Во время проведения эксперимента испытуемый находится в кресле на расстоянии 170 см от экрана.

В качестве контактных методов регистрации физиологических сигналов использовали показатели ЭКГ, ФПГ и брюшного дыхания. Для записи ЭКГ применяли первую стандартную позицию электродов — первое отведение. Измеряли разность потенциалов между правой и левой рукой. Одноразовые холтеровские электроды крепили к запястьям левой и правой руки (по одному электроду). Через кабели с кнопкой коннектор — Touch Proof — электроды подключали к разъему усилителя AUX энцефалографа NVX 36.

Для записи ФПГ использовали пальцевую фотоплетизмографию. Средний палец правой руки помещался в зажим (клипсу) многоразового датчика закрытого типа FpSens таким образом, чтобы провод располагался со стороны ногтя. В результате дистальная фаланга среднего пальца располагалась между источником излучения и фотоприемником датчика, который через адаптер FpSens подключали к разъему усилителя AUX энцефалографа NVX 36.

Для регистрации брюшного дыхания использовали датчик натяжения диафрагмального (нижнего) дыхания, который включал резистентный элемент с возвратной пружиной, связанной тросом с ремнем для фиксации на животе испытуемого. Процесс дыхания вызывал перемещение ремня и резистентного элемента. Датчик через адаптер RespSens подключали к разъему усилителя AUX энцефалографа NVX 36.

В качестве бесконтактных методов использовали следующие показатели: движение глаз, изменение диаметра зрачка, временные интервалы между морганиями, мимику испытуемого. Для регистрации указанных параметров использовали айтре-кер iViewXRED 250 (частота регистрации сигнала 250 Гц), фотоаппарат Casio с частотой 300 кадров в секунду. Айтрекер крепился на подставку перед испытуемым на расстоянии 0,6—0,8 м. Диапазон перемещения головы — 40/40 см. Диапазон трекинга взгляда — 30° по горизонтали и 24° по вертикали.

Для статистической обработки данных использовали пакет программного обеспечения SPSS Statistics 20 (2011). Физиологические данные, полученные при первых предъявлениях видеороликов, исключали из дальнейшего анализа вследствие сильного отличия от физиологических данных, полученных при повторных предъявлениях видеороликов.

В связи с тем что большинство физиологических сигналов, регистрируемых в эксперименте, по своей природе имеют разную дискретизацию и не могут быть получены в один момент времени, все данные усреднялись скользящим фильтром с размером окна 10 с и интерполировались с частотой дискретизации 8 отсчетов в секунду.

Анализ полученных данных проводили в два этапа. На первом этапе для каждого испытуемого отбирали один-два стимула, вызывающих сильные эмоциональные реакции. Отбор производился на основании наличия выраженных однотипных физиологических реакций и сильных положительных корреляций между ними при каждом просмотре видеоролика для большинства регистрируемых физиологических каналов.

На втором этапе анализировали взаимосвязи между контактными и бесконтактными физиологическими сигналами при просмотре стимульного материала сильной эмоциональной направленности. Взаимосвязи между различными физиологическими сигналами оценивали на основе коэффициента корреляции Пирсона.

Необходимо отметить, что наличие корреляций в физиологических сигналах не обязательно отражает некоторый физиологический процесс, так как подобные сигналы подвержены постоянным изменениям и возможны случаи, когда разные сигналы изменяются в некотором направлении совместно, но эти изменения не связаны с сильными эмоциями. Поэтому были проанализированы не просто достоверные высокие корреляции между физиологиче-

скими сигналами, а совпадения их направленности при всех предъявлениях тестовых стимулов. При этом учитывали статистически достоверные корреляции одного знака. Наличие таких корреляций подтверждает тот факт, что физиологические сигналы, регистрируемые при каждом показе ролика, имеют характерный паттерн.

Результаты

В ходе экспериментальных исследований было выявлено, что при каждом просмотре эмоционально значимого ролика регистрировалось однотипное волнообразное изменение RR-интервалов (учащение или замедление сердцебиения). Изменения RR-интервалов при просмотре эмоционально значимых роликов имеют положительные корреляции (г в пределах от 0,43 до 0,82). При просмотре нейтральных роликов однотипных выраженных реакций не регистрируется. Можно отметить только частичную положительную корреляцию между отдельными изменениями RR-интервалов.

На рис. 1, а представлен пример динамики RR-интервалов в условиях просмотра эмоционально значимого ролика, на рис. 1, б — нейтрального, который не вызывал у испытуемого сильные эмоции. Кривые отображают три повтора одного и того же ролика для одного испытуемого.

Аналогичные тенденции наблюдались и при анализе сигналов других контактных датчиков.

Изменения интервалов дыхательных волн (учащение или замедление дыхания) при каждом просмотре эмоционально значимого ролика имеют положительную корреляцию (г в пределах от 0,35 до 0,75). На рис. 2, а представлен пример динамики интервалов дыхательных волн в условиях просмотра эмоционально значимого ролика, на рис. 2, б — нейтрального.

Изменения амплитуды волн ФПГ при каждом просмотре эмоционально значимого ролика имеют положительную корреляцию (г в пределах от 0,72 до 0,94). На рис. 3, а представлен пример динамики амплитуды волн ФПГ в условиях просмотра эмоционально значимого ролика, на рис. 3, б — нейтрального.

При просмотре эмоциональных роликов в бесконтактных датчиках также регистрировались однотипные выраженные изменения физиологических сигналов.

На рис. 4 представлен пример регистрации изменений диаметра зрачка бесконтактным методом.

Как показывает график (рис. 4, а), при каждом просмотре эмоционально значимого ролика наблюдалось однотипное волнообразное увеличение диаметра зрачка. При просмотре нейтрального ролика (рис. 4, б) однотипных выраженных реакций не зарегистрировано.

а)

К о

К I

Ч N

900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

б)

К о

К I

ее тт

Э 8

ли

900 880 860 840 820 800 780 760 740 720 700

10

20

30

40

50

Время от начала эксперимента, с

0

0

Рис. 2

Динамика интервалов дыхательных волн при просмотре эмоционально значимого

а) ~ 4000

М

* 3500

3000

1-н

к

101 2500

§ 2000

а 1500

500

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

б)

4000 мВ 3500 3000 © 2500

олн 2000

а 1500 £ 1000 лит 500

п м

0

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

Рис. 3

Динамика амплитуды волн ФПГ при просмотре эмоционально значимого

а) 5,0 4,9

б)

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

^ 1000

0

0

0

Рис. 4 Динамика диаметра зрачка при просмотре эмоционально значимого

а) б)

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

10 20 30 40

Время от начала эксперимента, с

50

Рис. 5

Динамика интервалов между морганиями при просмотре эмоционально значимого

Кроме этого, было зафиксировано уменьшение интервалов между морганиями. На рис. 5 приведен пример динамики изменения интервалов между морганиями: при каждом просмотре эмоционально значимого ролика (рис. 5, а) и нейтрального (рис. 5, б).

По аналогии с контактными методами можно говорить о наличии однотипных выраженных реакций с высоким уровнем положительной корреляции между собой (для показателей диаметра зрачка г — от 0,2 до 0,5; для интервалов между морганиями г — от 0,2 до 0,9).

Наряду с изменениями физиологических реакций при анализе кадров микросъемки лиц испытуемых были выявлены изменения мимических реак-

ций. На рис. 6 представлены примеры однотипной отрицательной эмоциональной реакции испытуемого при многократном просмотре эмоционально значимого ролика.

У всех испытуемых, принявших участие в эксперименте, выраженные реакции по физиологическим каналам обязательно сопровождались изменениями лицевой мимики.

Все описанные выше физиологические показатели при показе эмоционально значимого ролика имеют устойчивый характер, что было подтверждено высокими коэффициентами корреляции. При этом необходимо отметить, что изменения сигналов при разных условиях (различия стимулов, индивидуальная реакция на эмоциональный стимул, психофи-

Рис. 6

Однотипные мимические реакции испытуемого при повторных просмотрах эмоционально значимого ролика

а)

§

а

й

К §

а

§

а н

700 750 800 850 900 950 Длительность ИИ-интервалов, мс

1000

б)

§ а

а,

к

г

р

м а

и Д

500 1000 1500 2000 2500 Амплитуда волн ФПГ, мВ

3000 3500

0

Рис. 7

Графическое представление корреляционных связей физиологических сигналов: а — между изменениями диаметра зрачка и ВВ-интервалов; б — между изменениями диаметра зрачка и амплитудой волн ФПГ

зиологические особенности испытуемого и т. п.) могут иметь различную направленность. Поэтому для выявления взаимосвязей между сигналами, фиксируемыми контактным и бесконтактным методами, необходимо учитывать критерии силы, достоверности, однонаправленности и повторяемости корреляционных связей.

Выявлены значимые корреляции показателей изменения диаметра зрачка (бесконтактный датчик) с изменениями КК-интервалов и амплитуды волны ФПГ, фиксируемых контактными датчиками, г в интервале от —0,43 до —0,51 и от —0,24 до —0,43 соответственно. При просмотрах нейтральных ро-

2 3 4 5 6

Длительность интервалов волн дыхания, с

Рис. 8

Графическое представление корреляционных связей между интервалами морганий и дыхательных волн

ликов подобных однонаправленных корреляций не регистрируется.

Графическое представление корреляционных связей физиологических сигналов, полученных контактным и бесконтактным методами, приведено на рис. 7.

Характер рассеивания точек на графиках подтверждает силу, направленность и знак полученных корреляционных взаимосвязей между рассматриваемыми параметрами.

Также изменение интервала между морганиями (рис. 8) достоверно положительно коррелирует с изменением интервалов дыхательных волн, коэффициенты корреляции — в пределах от 0,42 до 0,78. При просмотрах нейтральных видеороликов подобных однонаправленных корреляций не регистрируется.

Заключение

В ходе проведенных экспериментальных исследований разработан и апробирован метод исследования взаимосвязей физиологических реакций человека в условиях восприятия эмоционально значимой информации.

Выявлена достоверная взаимосвязь изменений интервалов дыхательных волн с изменениями интервалов между морганиями, изменений диаметра зрачка с изменениями КК-интервалов и амплитуды волн фотоплетизмограммы (ФПГ). Установлено, что лицевая мимика достоверно отражает изменения

1

7

в физиологических сигналах, связанных с эмоциональным состоянием человека в условиях многократного повторения стимулов.

Показана возможность использования бесконтактных методов регистрации физиологических сигналов в качестве аналога традиционных контактных технических решений мониторинга физиологического состояния человека.

Литература

1. Князев В., Варламов Г. Полиграф и его практическое применение: Учеб. пособие М.: Принт-Центр, 2012. 859 с.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Варламов В. А., Варламов Г. В. Компьютерная детекция лжи. М.: Илигар, Орисет, 2010. 928 с.

Wireless Sensor Network for Wearable Physiological Monitoring / P. S. Pandian [et al.] // Journal of network. 2008. Vol. 3. N 5. P. 21-29.

URL:. http: / / neurobotics.ru / products / eye_tracking / URL:. http: //www.noldus.com/human-behavior-research/ products/facereader

Imaging facial physiology for the detection of deceit / P. Tsia-myrtzis [et al.] // Department of Computer Science. University of Houston, 2005. P. 1-24.

Данилова Н. Н. Психофизиология: Учеб. для вузов. М.: Аспект Пресс, 2004. 368 с.

Ильин Е. П. Эмоции и чувства. СПб.: Питер, 2007. 783 с. Изард К. Э. Психология эмоций. СПб.: Питер, 2003. 464 с.

УДК 621.36, 615.8

С. А. Егоров, начальник Центра, С. В. Кротов, лаборант-исследователь, Н. И. Кузнецов, инженер-конструктор, С. П. Устинов, начальник участка,

ФГУП «Государственный научно-исследовательсткий институт прикладных проблем» (ГосНИИПП), Санкт-Петербург

Метод локального

измерения температуры

при электромагнитной гипертермии

Ключевые слова: измерение температуры, гипертермия, термопара. Keywords: temperature measurements, hyperthermia, thermocouple.

Описан метод локального измерения температуры с помощью оригинальной конструкции чувствительного элемента на основе термопары, встроенной в стандартную медицинскую иглу. Основной сферой применения данного метода является методика лечения онкологических заболеваний путем электромагнитной гипертермии.

В настоящее время электромагнитная гипертермия (ГТ) рассматривается как общепризнанный и наиболее мощный модификатор радио- и химиотерапии злокачественных опухолей, значительно повышающий эффективность лечения. Это связано с тем, что при ГТ в основном повреждаются опухолевые клетки, находящиеся в состоянии гипоксии и в Б-фазе миотического цикла. Именно такие опухолевые клетки являются наиболее устойчивыми к действию ионизирующего излучения и, следова-

тельно, основным лимитирующим фактором радиотерапии. При этом ГТ препятствует процессам репарации опухолевых клеток после лучевого воздействия и введения химиопрепаратов, что также улучшает результаты лечения. В этой связи существуют все предпосылки того, что уже в ближайшие годы ГТ станет четвертым базовым методом лечения рака, наряду с хирургией, химио- и радиотерапией.

Результаты клинико-экспериментальных исследований показали, что гипертермия при любой последовательности применения ее и лучевой терапии не повышает частоту и интенсивность метастази-рования опухолей.

Показаниями к использованию ГТ являются:

• опухоли в области головы и шеи;

• опухоли головного мозга;

• опухоли, метастазы легких и печени;

• опухоль желудочно-кишечного тракта и поджелудочной железы;