УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПСИХОЭМОЦИОНАЛЬНОГО СОСТОЯНИЯ ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ И СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛУЧАЕМЫХ ДАННЫХ Российский патент 2025 года по МПК A61B5/16 A61B5/295 A61B5/533 A61B5/11 

Область техники

[0001] Заявленное изобретение относится к электронным устройствам, обеспечивающим сбор и обработку данных пользователя с целью мониторинга психоэмоционального состояния.

Уровень техники

[0002] Получение информации о состоянии человека, в частности на основании объективных физиологических показателей, коррелирующих с психоэмоциональным состоянием человека, представляет интерес во многих сферах жизнедеятельности и промышленности, включая медицину, социальные сервисы, системы обеспечения безопасности и многие другие. При этом одной из наиболее критичных для решения задач мониторинга является выявление стрессового состояния.

[0003] Некоторые известные из уровня техники устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя и их компоненты основаны преимущественно на датчиках пульсоксиметрии, что не дает полной картины по эмоциональному возбуждению и уровню стресса, так как показатели пульсоксиметрии являются чувствительными не только к изменению эмоционального фона, но и к физической нагрузке.

[0004] Для решения этой проблемы такие устройства могут быть дополнены другими данными, такими как данные об электрической активности кожи, данные о движении человека, данные о сердцебиении и другие.

[0005] Электродермальная активность (ЭДА) объединяет ряд показателей, таких как кожногальваническая реакция (КГР), уровень потенциала кожи УПК, реакция потенциала кожи РПК, спонтанная реакция потенциала кожи СРПК, уровень сопротивления кожи УСК или уровень проводимости кожи УПрК, реакция сопротивления кожи РСК или реакция проводимости кожи РПрК, спонтанная реакция сопротивления кожи СРСК или спонтанная реакция проводимости кожи СРПрК. устройствах. Существует ряд способов и устройств, которые могут снимать данные о уровне и изменении потенциала, сопротивления и проводимости кожи. Большинство таких устройств содержит электроды, которые находятся в контакте или на небольшом расстоянии от тела, для создания проводимости или разности потенциалов между ними, что и обеспечивает возможность создания сигналов, основанных на перечисленных выше показателях. Данные с об электрической активности кожи возможно получать с помощью датчиков кожно-гальванической реакции (КГР), которые имеют ряд недостатков таких как поляризация контактов, привыкание кожи к постоянному течению тока, необходимость размещения на определенных участках тела, возможная аллергическая реакция на химический состав электродов. Также КГР не покрывает весь набор данных электродермальной активности (ЭДА).

[0006] Известно изобретение (US 20220304603 А1; опубл. 29.09.2016 г.; МПК: А61В 5/16; А61В 5/00; А61В 5/0205; А61В 5/024; А61В 5/0533; А61В 5/08; А61В 5/33; G16H 20/70; G16H 50/20), раскрывающее: один или более физиологических датчиков, выполненных с возможностью взаимодействия с телом пользователя, и передатчик, способный передавать и принимать данные, полученные одним или более физиологическими датчиками, один или несколько процессоров, соединенных с возможностью обмена данными с устройством мониторинга эмоционального состояния и выполненных с возможностью приема данных от передатчика, при этом один или несколько процессоров имеют память, в которой хранятся инструкции, которые при выполнении заставляют один или несколько процессоров: получить с помощью одного или нескольких физиологических датчиков, данные, соответствующие одному или нескольким физиологическим параметрам пользователя; обнаруживать, по меньшей мере, один из одного или более физиологических датчиков, изменение по меньшей мере одного из одного или более физиологических параметров; запросить через устройство мониторинга эмоционального состояния идентификатор эмоционального состояния, соответствующий изменению; и предоставлять, через устройство мониторинга эмоционального состояния, предлагаемый ответ на основе идентификатора эмоционального состояния.

[0007] К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что в нем не предоставляют конкретных вариантов реализации упомянутых датчиков или их комбинаций в виде, подходящем для реализации в компактном носимом устройстве и обеспечивающем соответствие ряду требований, связанных с удобством для пользователя, отсутствием существенных инструментальных погрешностей, возможностью работы от компактного источника питания и предоставления возможностей для определения психоэмоционального напряжения пользователя.

[0008] Из уровня техники также известны датчики электродермальной активности (ЭДА), например, в заявке (RU 2022110240 А; опубл. 16.10.2023 г.; МПК: А61В 5/16; А61В 5/053) раскрыт датчик, раскрывающий одноэлектродный датчик электрической активности поверхностного слоя тела пользователя, содержащий: один электрод, содержащий совокупность проводников и выполненный с возможностью размещения на теле пользователя или на расстоянии от него, обеспечивающем емкостную и/или индуктивную связь «электрод-тело»; аналитический блок, выполненный с возможностью определения одного или более показателей электрической активности поверхностного слоя тела на основании по меньшей мере одного из следующих сигналов: ток утечки конденсатора «электродтело», емкость конденсатора «электрод-тело», индуктивность системы «электрод-тело», сигнал, сформированный внешним электромагнитным полем и проходящий через указанный конденсатор, модуляция фазы, частоты и/или амплитуды этого сигнала. Предложенный датчик основан на считывании потенциала уединенного проводника, которое производят посредством подстройки генератора импульсного сигнала.

[0009] К недостаткам данного изобретения можно отнести то, что такой датчик малоотзывчивый, то есть дает сравнительно малое изменение частоты при сравнительно малом изменении емкости, что уменьшает точность измерений.

[0010] Известно также изобретение (US 2016262690 А1; опубл. 15.09.2016 г.; МПК: А61В 5/00; А61В 5/0205), раскрывающее устройство управления качеством сна, включающее в себя сенсорный модуль и блок обработки. Сенсорный модуль выполнен с возможностью выдачи сигнала частоты сердечных сокращений и сигнала проводимости кожи. Блок обработки соединен с сенсорным модулем. Блок обработки выполнен с возможностью определения стадии сна и уровня стресса в соответствии с сигналом частоты сердечных сокращений и сигналом проводимости кожи, чтобы идентифицировать появление стрессового сна. Возникновение стрессового сновидения идентифицируется, когда стадия сна соответствует стадии быстрого движения глаз (REM), а уровень стресса соответствует стрессовому состоянию.

[0011] Недостатком данного изобретения является также то, что в нем не описана возможность выполнения устройства в носимом виде. Также работа устройства описана только для пользователя, находящегося в состоянии сна, и не описана его возможность работать в случае активности пользователя.

[0012] Недостатками всех вышеупомянутых изобретений является недостаточная точность измерений или невозможность выполнить устройство в компактном виде, для возможности осуществления устройства носимым.

Сущность изобретения

[0013] Задачей настоящего изобретения является создание носимого компактного устройства, способного регистрировать физиологические показатели пользователя с высокой точностью, и передавать эти данные по беспроводной связи. Конкретными физиологическими показателями, считываемыми устройством по меньшей мере, являются ЭДА, ЭКГ или плетизмограмма и изменения положения тела, на основе которых может происходить оценка психоэмоционального состояния пользователя.

[0014] Данная задача решается за счет достижения настоящим изобретением технического результата, заключающегося в расширении возможностей устройства для мониторинга показателей состояния пользователя. Расширение возможностей обеспечивается за счет применения одновременно нескольких датчиков физиологических показателей пользователя, данные которых анализируются и корректируются, что позволяет оценивать состояние пользователя даже в периоды активности, а также за счет использования компактных и не энергозатратных датчиков и иных частей устройства, позволяющее выполнить устройство носимым.

[0015] Согласно одному аспекту изобретения предлагается носимое устройство для мониторинга состояния пользователя, содержащее микроконтроллер, датчик фотоплетизмограммы, акселерометр, датчик электрической активности кожи, аналитический блок, выполненный с возможностью выработки данных об оценке состояния пользователя на основании сигналов указанных датчиков, причем аналитический блок выполнен с возможностью осуществлять предварительный анализ данных с акселерометра и датчика фотоплетизмограммы для определения периодов и уровней физической активности пользователя при выработке данных об оценке психоэмоционального состояния пользователя, что позволяет повысить точность определения не только периодов физической активности и данных о вариабельности сердечного ритма, но и вырабатываемых данных оценки, что напрямую влияет на достижение поставленного технического результата.

[0016] Устройство может дополнительно содержать датчик мышечной активности, датчик освещенности, датчик температуры, датчик влажности, устройство записи звука, причем аналитический блок выполнен с возможностью учитывать данные с указанных датчиков для корректировки результатов оценки психоэмоционального состояния.

[0017] Эти и другие аспекты изобретения будут понятны и объяснены со ссылкой на варианты осуществления изобретения, описанные далее в настоящей заявке.

Описание чертежей

[0018] Объект притязаний по настоящей заявке описан по пунктам и четко заявлен в формуле изобретения. Упомянутые выше задачи, признаки и преимущества изобретения очевидны из нижеследующего подробного описания, в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых показано:

[0019] На Фиг. 1 показана принципиальна схема реализации устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, согласно настоящему изобретению.

[0020] На Фиг. 2 показана принципиальна схема реализации устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя с использованием датчика температуры и датчика мышечной активности, согласно настоящему изобретению.

[0021] На Фиг. 3 показан вариант реализации датчика ЭДА с двумя электродами основанный на считывании времени заряда образованного электродами, согласно настоящему изобретению.

[0022] На Фиг. 4 показан вариант реализации датчика ЭДА с двумя электродами основанный на считывании среднего тока разряда электродов, согласно настоящему изобретению.

[0023] На Фиг. 5 показан вариант выполнения электродов встречно-штыревого типа.

[0024] На Фиг. 6 показана функциональная схема устройства с беспроводной передачей данных, согласно настоящему изобретению.

[0025] На Фиг. 7 показан пример расчетных данных ускорения, изображенных на графике в зависимости от времени, полученных за тридцатиминутный промежуток, на основе данных акселерометра.

[0026] На Фиг. 8 показан пример данных устройства, изображенных на графике в зависимости от времени, полученных за тридцатиминутный промежуток, включающего датчик ЭДА, датчик фотоплетизмограммы и акселерометр.

[0027] Указанные чертежи поясняются следующими позициями: Микроконтроллер (MCU) - 1; Датчик фотоплетизмограммы (PPG Sensor) - 2; Акселерометр (МТ) - 3; Датчик ЭДА - 4; Аккумулятор - 5; Ззапоминающее устройство - 6; Зарядная схема - 7; Датчик температуры - 8; Датчик мышечной активности - 9; Обвязка - 10; Электрод - 11; Усилитель - 12; Фильтр - 13; Мобильное приложение - 14; Аналитический блок - 15; Уровень стресса - 16.

Подробное описание изобретения

[0028] В приведенном ниже подробном описании реализации изобретения приведены многочисленные детали реализации, призванные обеспечить отчетливое понимание настоящего изобретения. Однако, квалифицированному в предметной области специалисту очевидно, каким образом можно использовать настоящее изобретение, как с данными деталями реализации, так и без них. В других случаях, хорошо известные методы, процедуры и компоненты не описаны подробно, чтобы не затруднять излишнее понимание особенностей настоящего изобретения.

[0029] Кроме того, из приведенного изложения ясно, что изобретение не ограничивается приведенной реализацией. Многочисленные возможные модификации, изменения, вариации и замены, сохраняющие суть и форму настоящего изобретения, очевидны для квалифицированных в предметной области специалистов.

[0030] Здесь и далее под «датчиком» подразумевается совокупность сенсоров (устройств для считывания показаний с человека) и компонентов, которые преобразуют данные от сенсоров.

[0031] Обеспечение адекватной реакции на стресс является основой поддержания гомеостаза в организме человека. Основными регулирующими системами, принимающими участие в формировании реакции на стресс, являются гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковая ось (ГГН), вегетативная нервная система (ВНС), и центральная нервная система (ЦНС). Частота сердечных сокращений (ЧСС) и ритм в значительной степени находятся под контролем ВНС, хотя сердечная мышца обладает и способностью к самостоятельному контролю своих сокращений - автоматизмом. ЧСС контролируется совместным сбалансированным влиянием симпатической (СНС) и парасимпатической (ПНС) нервной системы. Парасимпатическое влияние на ЧСС опосредовано высвобождением ацетилхолина из блуждающего нерва. Мускариновые рецепторы ацетилхолина реагируют на это высвобождение повышением проницаемости для иона К+ клеточной мембраны. Симпатическое влияние на ЧСС опосредовано высвобождением адреналина и норадреналина. β-адренергические рецепторы активируются высвобождением этих гормонов, что приводит к цАМФ-опосредованному фосфорилированию мембранных белков. Увеличение активности СНС или снижение активности ПНС приводит к увеличению ЧСС, тогда как снижение активности СНС или повышение активности ПНС вызывает снижение ЧСС.СНС в основном действует на мышцы желудочков сердца и увеличивает их сократительную способность. Кроме того, СНС повышает частоту возбуждения, скорость проведения возбуждения и возбудимость синоатриального (СА) узла. При максимальной стимуляции СНС величина ЧСС и сократимость могут утроиться и удвоиться соответственно. ПНС в первую очередь действует на синоатриальный и атриовентрикулярный (АВ) узлы, снижая ЧСС. Вагусная и симпатическая активность находятся в постоянном взаимодействии. Вегетативная активность модулирует ЧСС, поэтому степень вариабельности ЧСС дает информацию о состоянии и функционировании нервной регуляции и способности сердца реагировать на данные стимулы. Поскольку сердце не метроном и его удары нерегулярны, вариабельность сердечного ритма (ВСР) нормальна и ожидаема. Кроме того, ВСР указывает на способность сердца реагировать на множественные события, происходящие с организмом (например, дыхание, физические упражнения, умственный стресс, гемодинамические и метаболические изменения, сон и ортостатизм) и компенсировать их.

[0032] Таким образом, вариабельность сердечного ритма (ВСР) может использоваться как ценный инструмент для измерения симпатической и парасимпатической активности ВНС, которая, в свою очередь, напрямую участвует в формировании стрессовой реакции.

[0033] В рамках предлагаемого устройства данные ВСР возможно получить из ЭКГ или плетизмограммы, в частности, путем вычисления интервалов между пиками Р-Р.

[0034] При этом, согласно предлагаемому изобретению, также подразумевается учет показателей акселерометра, находящегося в предлагаемом устройстве, что позволяет не только повысить точность определения сердечных сокращений, но и определить периоды физической активности и, в свою очередь, сделать более точным определение эмоционального состояния за счет возможности учитывать указанные данные. Кроме того, на основании показаний акселерометра возможно определить и изменение характера движений, в частности, распознать изменения, которые в совокупности с показаниями датчика электродермальной активности и данными ЭКГ с высокой вероятностью указывают на повторяющиеся движения, характерные для ощущения беспокойства, или на снижение активности, связанное с усталостью и апатией, что напрямую влияет на достижение указанного технического результата.

[0035] Для осуществления мониторинга устройство может быть выполнено в виде самых разных носимых аксессуаров или элементов одежды, например, в виде браслета, кольца, пластыря, интегрированного в одежду или обувь устройства и других подобных элементов.

[0036] Согласно предпочтительному варианту реализации, предлагаемое устройство представляет носимое устройство, состоящее из блока электроники и блока датчиков. Блок электроники включает в себя процессор, выполненный с возможностью перезарядки источник питания, антенны и их обвязки, запоминающее устройство, устройство беспроводной связи и другие, не ограничиваясь названными компонентами.

[0037] Блок датчиков содержит по крайней мере один датчик ЭДА, датчик фотоплетизмограммы,, акселерометр, а также, согласно некоторым вариантам реализации, по меньшей мере некоторые из таких компонентов, как датчик температуры, датчик мышечной активности (электромиограф), звукозаписывающие устройства, датчики освещенности: датчик света спектров UVA/UVB, RGB-IR и других, датчик температуры окружающей среды, датчик влажности и другие.

[0038] Согласно одному из вариантов минимальной реализации предлагаемого носимого устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, устройство содержит датчик фотоплетизмограммы,, акселерометр и датчик ЭДА.

[0039] На Фиг. 1 показана структурная схема одного из вариантов реализации устройства, включающий в себя минимальную комплектацию. Согласно данному варианту реализации, устройство содержит датчик фотоплетизмограммы, акселерометр, датчик ЭДА, микроконтроллер и аналитический блок. На Фиг. 1 также показаны такие элементы, как аккумулятор, запоминающее устройство и зарядная схема специалисту в области техники будет понятно, что данные элементы не являются предметом настоящего изобретения и могут быть выполнены различным образом, не оказывая существенное влияние на решение вышеперечисленных задач. За некоторый заданный промежуток времени в устройстве микроконтроллером считываются данные с датчика фотоплетизмограммы, акселерометра и датчика ЭДА, после чего они отправляются в аналитический блок, где производится их предобработка, которая зависит от движения пользователя. Согласно наиболее общему варианту, чем более активное движение пользователя зарегистрировано, тем более сильная обработка требуется для получения данных о психоэмоциональном состоянии пользователя на основании указанных данных с компонентов устройства. Если пользователь активно двигается, показатели с датчиков становятся более зашумленными, и в этом случае необходимы более ресурсозатратные, так называемые сильные алгоритмы фильтрации данных, например, применение фильтра Хампеля, однако допустимы и иные сильные алгоритмы фильтрации данных, которые очевидны для специалистов данной области техники. Далее происходит обработка сигнала во времени и определяются показатели психоэмоционального состояния пользователя, например, уровня стресса, такая реализация напрямую влияет на достижение поставленного технического результата. Здесь необходимо отметить, что конструктивно аналитический блок может быть расположен как в корпусе устройства, так и быть распределенным, то есть иметь некоторые удаленные вычислительные мощности, связь с которыми может осуществляться беспроводным образом. Согласно некоторым вариантам реализации, изобретение также может быть использовано совместно со сторонним мобильным приложением - то есть данные с аналитического блока могут поступать также и на некоторое удаленное устройство, на котором установлено такое приложение, выполненное с возможностью принимать данные от аналитического блока.

[0040] На Фиг. 2 приведена схема варианта реализации, содержащего дополнительно датчик температуры и датчик мышечной активности. Хотя в силу наличия дополнительных датчиков этот вариант реализации может иметь более высокое энергопотребление и большие габариты по сравнению с минимальной комплектацией, описанной выше, с другой стороны, дополнительные датчики позволяют лучше фильтровать выходные данные от влияния температуры внешней среды и мышечной активности, которые затрудняют получение объективных данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя и выступают в качестве источника шума при считывании данных. При работе устройства, согласно данному варианту реализации, данные с датчика температуры, окружающей сред и датчика мышечной активности (миограммы) учитываются аналитическим блоком по меньшей мере на стадии предобработки, в результате чего обеспечивается возможность компенсации вносимых температурой и движением искажений и шумов, что также улучшает поставленный технический результат.

[0041] Приведенный на Фиг. 3 один из вариантов реализации датчика ЭДА основан на считывании времени заряда образованного электродами конденсатора с помощью ограничивающей ток заряда обвязки, для этого варианта используется двухэлектродный датчик. Для считывания данных датчик необходимо зарядить до настраиваемого в микроконтроллере уровня напряжения. В микроконтроллере, в свою очередь, расположен компаратор, который при превышении уровня создает программное прерывание. Считывание данных, по существу, заключается в считывании времени заряда образующегося конденсатора с 0 до определенного уровня. В данном варианте реализации датчика ЭДА обвязка состоит из 1 элемента на плате, что делает данную схему сравнительно простой для исполнения. Однако если зарядка происходит низкими токами, на измерительный сигнал могут оказывать существенное влияние шумовые наведенные токи - в таком случае в устройство целесообразно дополнительно предусмотреть средства экранирования.

[0042] Если емкость описанного выше датчика маленькая (порядка единиц пФ) и/или зарядка образованного в устройстве конденсатора происходит маленькими токами, предложенный выше датчик имеет низкое разрешение считывания. У микроконтроллера есть единица измерения времени таймера, которая достаточно велика для метода, основанного на измерении скорости заряда, поэтому для уменьшения скорости заряда конденсатора в данном варианте реализации используется резистор (обвязка). В общем случае чем больше сопротивление резистора, тем медленнее происходит зарядка конденсатора, и в то же время тем большему влиянию шумов будет подвержен измерительный сигнал согласно данному варианту реализации.

[0043] Второй вариант реализации датчика ЭДА, приведенный на Фиг. 4 основан на считывании среднего тока разряда конденсатора. Для этого на датчик подается прямоугольный сигнал, ограниченный по току с помощью обвязки, во время положительного фронта сигнала происходит зарядка конденсатора, далее на низком фронте происходит разряд конденсатора. Во время разряда ток разряда усредняется, усиливается и трансформируется с помощью усилителя в напряжение, после этого сигнал фильтруется и поступает на АЦП микроконтроллера.

[0044] Также существуют и одноэлектродные бесконтактные датчики, контактные датчики, в том числе кожно-гальванические датчики, и другие, которые могут считывать и передавать информацию электродермальной активности. К примеру, существуют контактные датчики, которые на основе данных об изменении удельного сопротивления или проводимости поверхностного слоя кожи, определяют количественные характеристики потоотделения в области расположения датчика. Известны и бесконтактные датчики, измеряющие изменения потенциалов электродов. Настоящее изобретение не ограничивается приведенными примерами реализации датчиков электродермальной активности и может включать в себя и другие варианты их реализации, согласно данной области техники и применение которых в настоящем изобретении очевидно для специалистов. Однако необходимо учитывать вес, габариты и энергопотребление таких датчиков ЭДА, для возможности выполнения устройства носимым, а также, что в случае использования контактных датчиков ЭДА, необходимо обеспечить контакт между носимым устройством и телом пользователя.

[0045] С точки зрения достижения большей отзывчивости датчика к изменениям показателей ЭДА (малым изменениям) предпочтительно использование двух электродов. При этом также предпочтительна форма электродов встречно-штыревого типа (один из возможных вариантов исполнения такого типа электрода приведен на Фиг. 5), так как такие электроды обеспечивают равномерную напряженность электромагнитного поля на некотором расстоянии от электродов даже при наличии обильного потоотделения, попавшего на электрод, тогда как при использовании других типов электродов есть более высокая вероятность неравномерного и сильного проникания электромагнитного поля вглубь кожи, что также влияет на поставленный технический результат. Потоотделение влияет на емкость конденсатора за счет того, что меняет электрическую проницаемость кожи.

[0046] Согласно одному из вариантов реализации устройство может быть представлено в виде браслета, закрепляемого на запястье пользователя и содержащего блок электроники (процессор, зарядное устройство, антенна и их обвязка) и блок датчиков, датчик ЭДА (примеры реализации которого приведены выше), датчик фотоплетизмограммы и акселерометр. В предлагаемом носимом устройстве обеспечена беспроводная передача данных, например, в данном варианте реализации она реализована по протоколу BLE (Bluetooth Low Energy) (функциональная схема приведена на Фиг. 6).

[0047] Согласно некоторым вариантам реализации, обеспечена возможность передачи физиологических показателей пользователя, таких как ЭДА, плетизмограмма и данные акселерометра, на мобильное приложение, после чего происходит обработка этих данных и в режиме реального времени результаты отображаются пользователю через мобильное приложение. Согласно такому варианту реализации, полный цикл работы предлагаемого устройства включает следующие этапы: данные с датчиков попадают на микроконтроллер, и далее отправляются по беспроводной связи на мобильное приложение; с мобильного приложения данные отправляются в аналитический блок (который согласно различным вариантам реализации может быть расположен как непосредственно вблизи корпуса с датчиками, так и на удаленном сервере); в аналитическом блоке производится предобработка и обработка имеющихся данных с определением оценки психоэмоционального состояния пользователя (согласно некоторым вариантам реализации это, например, уровень стресса по некоторой универсальной шкале (например, низкий-средний-высокий), которая может быть подстроена в течение использования устройства одним пользователем под его уровни стресса); затем и полученная оценка отправляется пользователю на мобильное приложение.

[0048] Следует отметить, что используемое здесь понятие «мобильное приложение» означает некоторое средство отображения или индикации оценки психоэмоционального состояния пользователя и может быть выполнено в виде программы на мобильном устройстве, компьютере или ином устройстве, способное получать и отображать данные от устройства оценки психоэмоционального состояния пользователя, и очевидно для специалистов данной области техники.

[0049] Первым этапом анализа данных согласно одному из предпочтительных вариантов реализации является предварительная обработка, которая играет важную роль в анализе и моделировании биомаркеров, связанных со психоэмоциональным напряжением и включает в себя ряд шагов, например:

[0050] Понижающую дискретизацию для совпадения временных меток в данных с различной частотой дискретизации;

[0051] Случайное уменьшение выборки или отбрасывание выборок для несбалансированных выборок (где не стрессовые выборки преобладают над стрессовыми);

[0052] Стандартизацию и нормализацию;

[0053] Очистку данных от выбросов и аномалий.

[0054] Процесс разработки признаков включает в себя извлечение полезной информации из обработанных данных, которые можно использовать в качестве входных признаков для аналитических моделей и моделей машинного обучения (Feature extraction). Так, в некоторых вариантах реализации для данных ЭДА используется разложение на фазовые и тонические компоненты, используя подход выпуклой оптимизации со скользящими окнами в диапазоне от 10 до 20 минут. В еще одном варианте реализации для расчета параметров временного (такие как SDNN, RMS-SD) и частотного (Total Power, Low/High Frequency) анализа ВСР дополнительно используют ВСР, рассчитанную по Р-Р интервалам фотоплетизмограммы. Согласно еще одному варианту реализации, для данных акселерометра дополнительно рассчитывается вектор усредненных ускорений в рамках наблюдаемого временного окна или отклонение векторов ускорений друг относительно друга.

[0055] Модель Машиного обучения или аналитическая модель принимает на вход обработанные и отобранные признаки с предыдущих этапов. В результате работы получается классификация психоэмоционального напряжения на основе физиологических параметров (Arousal Detection). Важной частью решения задачи определения и прогнозирования психоэмоционального состояния, а также качественного обучения модели (в вариантах реализации, где оно применяется) является сбор релевантных данных, а также их разметка. Наборы данных могут быть размечены по крайней мере одним из следующих методов:

[0056] За счет периодической разметки, когда конкретные кадры помечены как стрессовые или нестрессовые, в то время как испытуемый находился в соответствующем состоянии (например, расслабление, физиологический стресс, эмоциональный стресс, расслабление);

[0057] За счет заполнения пользователем анкеты самооценки;

[0058] За счет оценки наблюдателем уровня стресса и/или эмоционального состояния в течение периода сбора данных.

[0059] Перечисленные методы могут использоваться как в задачах бинарной (наличие/отсутствие стресса) или многоклассовой классификации (например, классификация эмоций), так и в задачах регрессии (например, определения уровня стресса по некоторой заданной шкале).

[0060] Также зачастую важное значение имеет общий уровень тревожности и напряженности на момент начала эксперимента (сбора данных), для оценки которого могут использоваться различные методики, например, такие как диагностика Спилбергера-Ханина или определение индивидуальной минуты.

[0061] Далее приведен пример обработки совокупности данных устройства, включающего датчик электродермальной активности, датчик фотоплетизмограммы и акселерометр, полученных за 30-минутный промежуток времени со следующий последовательностью активности пользователя:

[0062] Сначала 6 минут медленной ходьбы (2 минуты медленной ходьбы+2 минуты с тестом Струпа + 2 минуты медленной ходьбы); [0063] Затем 5 минут в спокойном состоянии;

[0064] Потом 6 минут быстрой ходьбы (2 минуты быстрой ходьбы+2 минуты с тестом Струпа + 2 минуты быстрой ходьбы);

[0065] Затем опять 5 минут в спокойном состоянии;

[0066] Далее 6 минут стоя (2 минуты стоя + 2 минуты с тестом Струпа + 2 минуты стоя);

[0067] И затем 2 минуты в спокойном состоянии.

[0068] Согласно одному из предпочтительных вариантов реализации изобретения, первым этапом работы с данными будет их предварительная обработка (Pre-processing). В базовом варианте реализации этого этапа он включает в себя отчистку от шумов, выбросов и аномалий.

[0069] Следующим, вторым, этапом обработки данных аналитическим блоком является извлечение признаков (Feature extraction). В рассматриваемом примере на этом этапе для данных акселерометра производится расчет параметров ускорений σ_k (см. Фиг. 7); для данных ФПГ производят расчет следующих параметров на каждом 5-минутном окне: подсчет Р-Р интервалов, затем применение фильтра Калмана, затем получают параметры (см. Фиг. 8); для данных датчика электродермальной активности применяют разложение на фазовые/частотные компоненты на 5-минутнном окне с получением графика ϕ_k (см. Фиг. 8).

[0070] Затем на третьем этапе, этапе определения движений (Motion Detection), вычисляют показатель Motion Indication - (см. Фиг. 8) на основе полученных параметров ускорений σ_k. В случае обнаружения периодов физической активности необходимо провести вычисления на первом этапе заново для данных фотоплетизмограммы и датчика электродермальной активности на временных отрезках, соответствующих периодам активности, используя более сильные алгоритмы фильтрации данных (это позволяет минимизировать ошибку при вычислении признаков на втором этапе), после чего повторяют вычисление признаков на втором этапе и переходят к третьему этапу.

[0071] После проведения вышеуказанной обработки согласно рассматриваемому варианту реализации, переходят к этапу определения уровня эмоционального возбуждения (Arousal Detection). Далее выбирают пороговое значение т, на основе классификации, основанной на модели машинного обучения или аналитической модели, превышение которого графиками говорит об эмоциональном возбуждении, и получают в результате график Фиг. 8.

[0072] Ссылочные позиции, заключенные в скобки и используемые в настоящем описании и формуле изобретения, не должны рассматриваться как ограничивающие формулу изобретения. Слово "содержащий" не исключает наличия элементов или этапов, отличных от перечисленных в пункте формулы изобретения. Элемент в единственном числе не исключает наличия множества таких элементов. Изобретение может быть реализовано при помощи аппаратных средств, содержащих несколько отдельных элементов, и/или при помощи соответствующим образом запрограммированного процессора. В пункте формулы изобретения, перечисляющем несколько устройств, некоторые из этих устройств могут быть реализованы одним и тем же элементом оборудования. Меры, изложенные в отличающихся друг от друга зависимых пунктах формулы изобретения, могут быть предпочтительно использованы в комбинации, при этом специалисту в области техники понятно, что принцип, положенный в основу достижения заявленных технических преимуществ и решения упомянутых здесь технических сложностей, остается актуальным при комбинировании раскрытых в настоящем описании технических признаков заявленного изобретения.

[0073] Таким образом, упомянутые элементы напрямую влияют на технический результат, заключающийся в расширении возможностей устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя.

[0074] В настоящих материалах заявки представлено предпочтительное раскрытие осуществления заявленного технического решения, которое не должно использоваться как ограничивающее иные, частные воплощения его реализации, которые не выходят за рамки запрашиваемого объема правовой охраны и являются очевидными для специалистов соответствующей области техники.

Группа изобретений относится к медицине, а именно к носимому устройству для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, и способу анализа, обработки и корректировки указанных данных. Устройство содержит датчик фотоплетизмограммы, микроконтроллер, акселерометр, датчик электродермальной активности и аналитический блок. Аналитический блок выполнен с возможностью выработки данных оценки психоэмоционального состояния пользователя на основании сигналов датчиков, с возможностью предварительного анализа данных от датчиков с определением периодов и уровней физической активности пользователя и проведения повторной обработки данных в этих периодах при выработке данных оценки психоэмоционального состояния пользователя, а также с возможностью понижающей дискретизации полученных сигналов. При этом проводят предварительную обработку данных. Проводят извлечение полезной информации из необработанных данных. Определяют периоды движения пользователя. В периодах движения пользователя повторно производят предварительную обработку с дополнительными алгоритмами фильтрации данных. Повторно извлекают полезную информацию из необработанных данных в периодах движения пользователя. Передают извлеченную информацию на модель машинного обучения или аналитическую модель. Проводят классификацию психоэмоционального состояния на основе извлеченной информации при помощи модели машинного обучения или аналитической модели. Получают график психоэмоционального состояния пользователя. Достигается расширение возможностей устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя как за счет совместного анализа данных с акселерометра и датчика фотоплетизмограммы для последующей выработки данных оценки психоэмоционального состояния пользователя, так и за счет проведения предварительного анализа для выявления физической активности пользователя, указывающей на зашумленность данных, для дополнительной их обработки. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, включающее

- датчик фотоплетизмограммы;

- микроконтроллер;

- акселерометр;

- датчик электродермальной активности (ЭДА);

- аналитический блок, выполненный с возможностью выработки данных оценки психоэмоционального состояния пользователя на основании сигналов указанных датчиков;

причем аналитический блок выполнен с возможностью осуществлять предварительный анализ данных с акселерометра и датчика фотоплетизмограммы с обеспечением определения периодов и уровней физической активности пользователя и проведения повторной обработки данных с датчиков в этих периодах при указанной выработке данных оценки психоэмоционального состояния пользователя, с возможностью обеспечения понижающей дискретизации полученных сигналов.

2. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что содержит по меньшей мере один из следующих датчиков: ЭКГ, датчик мышечной активности, датчик освещенности, датчик температуры, датчик влажности, устройство записи звука, причем аналитический блок выполнен с возможностью учитывать данные, полученные с указанных датчиков, при указанном предварительном анализе.

3. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что аналитический блок выполнен с возможностью его расположения отдельно от носимого устройства, причем аналитический блок выполнен с возможностью обеспечения связи с носимым устройством беспроводным образом.

4. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что аналитический блок выполнен с возможностью осуществлять по меньшей мере одно из следующего: понижающую дискретизацию с обеспечением совпадения временных меток данных, случайное уменьшение или отбрасывание выборок для несбалансированных выборок, очистку данных от выбросов и аномалий.

5. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что аналитический блок выполнен с возможностью осуществлять разработку признаков, включающую по меньшей мере следующее:

- разложение на фазовые/частотные компоненты на 5-минутном окне для данных датчика электродермальной активности;

- расчет вариабельности сердечного ритма (ВСР) по Р-Р-интервалам фотоплетизмограммы и ее использование для расчета параметров временного и частотного анализа ВСР;

- расчет вектора усредненных ускорений в рамках наблюдаемого временного окна или отклонения векторов ускорений друг от друга.

6. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что аналитический блок содержит обученную на релевантных размеченных данных модель.

7. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что датчик ЭДА является двухэлектродным, причем электроды имеют форму встречно-штыревого типа.

8. Носимое устройство для мониторинга данных, указывающих на психоэмоциональное состояние пользователя, по п. 1, отличающееся тем, что содержит модуль передачи данных.

9. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 1, при котором:

- проводят предварительную обработку данных (Pre-processing) с помощью аналитического блока;

- проводят извлечение полезной информации из необработанных данных (Feature extraction) с помощью аналитического блока;

- определяют периоды движения пользователя (Motion Detection) с помощью аналитического блока;

- в периодах движения пользователя повторно производят предварительную обработку с дополнительными алгоритмами фильтрации данных с помощью аналитического блока;

- повторно извлекают полезную информацию из необработанных данных в периодах движения пользователя с помощью аналитического блока;

- передают извлеченную информацию на модель машинного обучения или аналитическую модель с помощью аналитического блока;

- проводят классификацию психоэмоционального состояния на основе извлеченной информации при помощи модели машинного обучения или аналитической модели (Arousal Detection);

- получают график психоэмоционального состояния пользователя.

10. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 9, отличающийся тем, что на этапе предварительной обработки данных осуществляют по меньшей мере одно из следующего:

- понижающую дискретизацию с обеспечением совпадения временных меток данных;

- случайное уменьшение или отбрасывание выборок для несбалансированных выборок;

- очистку данных от выбросов и аномалий.

11. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 9, отличающийся тем, что на этапе извлечения полезной информации выполняют разработку признаков, включающую по меньшей мере следующее:

- разложение на фазовые/частотные компоненты на 5-минутном окне для данных датчика электродермальной активности;

- расчет вариабельности сердечного ритма (ВСР) по Р-Р-интервалам фотоплетизмограммы и ее использование для расчета параметров временного и частотного анализа ВСР;

- расчет вектора усредненных ускорений в рамках наблюдаемого временного окна или отклонения векторов ускорений друг от друга.

12. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 9, отличающийся тем, что для предварительной обработки с дополнительными алгоритмами фильтрации данных применяют метод фильтра Хампеля.

13. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 9, отличающийся тем, что дополнительно передают график психоэмоционального состояния пользователя на мобильное приложение при помощи модуля передачи данных.

14. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 9, отличающийся тем, что для классификации психоэмоционального состояния пользователя выполняется сбор и разметка релевантных данных.

15. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 14, отличающийся тем, что для разметки релевантных данных используют по меньшей мере один из методов:

- периодическая разметка;

- заполнение пользователем анкеты самооценки;

- оценка наблюдателем уровня стресса и/или эмоционального состояния в течение периода сбора данных.

16. Способ анализа, обработки и корректировки данных, получаемых с устройства для мониторинга психоэмоционального состояния пользователя, по п. 14, отличающийся тем, что дополнительно определяют общий уровень тревожности и напряженности на момент начала сбора данных, по меньшей мере одним из методов:

- методом диагностики Спилбергера-Ханина;

- методом определения индивидуальной минуты.