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用于自动识别压力的计算机外围设备和使用该设备确定压力的系统

基本信息

  • 申请号 CN00810371.2 
  • 公开号 CN1361895A 
  • 申请日 2000/09/28 
  • 公开日 2002/07/31 
  • 申请人 金玄  
  • 优先权日期  
  • 发明人 金玄  
  • 主分类号  
  • 申请人地址 韩国全罗北道 
  • 分类号  
  • 专利代理机构 北京康信知识产权代理有限责任公司 
  • 当前专利状态 发明专利申请公布 
  • 代理人 刘国平 
  • 有效性 发明公开 
  • 法律状态
  •  

摘要

本发明涉及用于自动识别压力的计算机外围设备和使用该设备确定压力的系统。
属于本发明的该系统通过外围设备(300)中的测量工具(500,600,700)和处理设备(400)测量和处理人体信息,如计算机使用者的脉搏,皮肤温度、皮肤传导性和/或肌肉传导性,通过计算机(200)中的压力识别程序从所处理的信息中产生一个压力指数,并将产生的压力指数在显示器上显示。
依据本发明,使用者的压力指数被自动地测量,然后被显示。
因此,使用者在工作期间可以活动以松弛或消除压力。
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权利要求书

1、一种使用计算机的压力测量系统,包括:可测量计算机使用 者的人体信息的人体信息测量部件的计算机外围设备(300),一用于 处理上述测得的人体信息的设备(400),一种用于发送上述处理过的 人体信息信号至计算机主机的设备(800);以及配备压力识别程序的 计算机主机(200),从上述发送的人体信息信号计算人体信息变化系 数并通过分别对上述的系数和计算值设定加权值来计算压力指数。
2、权利要求1所述的压力测量系统,其中上述的人体信息测量部 件包括至少一个皮肤传导性测量部件和一个脉搏测量部件。
3、权利要求2所述的压力测量系统,其中所述的人体信息测量部 件还包括一个体温测量部件和一个肌肉传导性测量部件。
4、权利要求1所述的压力测量系统,其中所述信号处理设备包括 一个用于A/D转换所检测的人体信号的设备(420),和一个用于暂 时存储所检测的人体信号信息的设备(430),和一个控制器(410)。
5、权利要求1所述的压力测量系统,其中所述的压力识别程序还 包括一个压力指数指示部件,可以显示所计算的压力指数。
6、权利要求1所述的压力测量系统,其中:所述的计算机主机除 了具有处理通用计算机的输入/输出的窗口程序处理器(250)外,还 包括一个压力识别程序处理器(260),所述的计算机主机还配备一个 设备驱动器(240),当数据从外围设备输入时,倘若输入数据是人体 信息数据,将输入数据转换至压力识别程序处理器(260)。
7、权利要求1所述的压力测量系统,其中所述的计算机外围设备 是计算机使用的鼠标。
8、一种计算机外围设备(300),包括:用于测量计算机使用者的 人体信息的人体信息测量部件,用于信号处理上述所测量到的人体信 息的设备(400),和一个用于发送上述信号处理过的人体信息信号至 计算机主机的设备(800),其中:所述的人体信息测量部件包括一个 皮肤传导性测量部件(500;500’)和一个脉搏测量部件(700;700’); 所述的皮肤传导性测量部件包括用于授权测试信号至皮肤的第一电 极(501),用于从皮肤上感应人体信息信号的第二电极(502),用于 输出从第二电极感应到的信号至信号处理器(400)的输出器(570; 570’);所述的脉搏测量部件包括一光发射器和接收器(710),用于 放大和输出检测到的信号至信号处理器的放大部件,用于将参考电压 (Vref)与所述的放大信号进行比较并将信号数字化用其计数的比较 器部件(790)。
9、权利要求8所述的计算机外围设备,其中所述的计算机外围设 备具有一个点击功能,是一个X-Y轴方向移动的检测设备。
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说明书

背景技术 本发明涉及用于自动识别计算机使用者的压力的计算机外围设备 以及压力确定系统。
特别涉及用于自动识别压力的计算机外围设备和压 力测定系统,该系统通过计算机外围设备如鼠标来测定使用者的脉搏、 温度、皮肤传导速率和/或肌肉传导速率,并将这些信息输入计算机并根 据测量值判断信息连同所确定的压力总量一起,随后显示在监视器上。
最近,随着计算机使用者的骤增,使用计算机的时间也以同样大的 比例在增长,由于使用时间的骤增,压力和可能由计算机引起的VDT (显示器)综合病症成为严重的问题。
另外,当今人们的生活也面临着不可避免的压力。
这些压力正引起 更多的疾病和使人类遭受痛苦,这必然使人们以为大多数不明原因的疾 病都源于压力。
因此,压力已成为许多疾病的原因,并且在世界范围许 多的研究课题是关于压力和疾病之间的联系的。
通常,压力与所有的愤怒有关,它打破了人体的平衡,包括从身体 到生理上的转变。
当承受压力时,控制人体内动态平衡的大脑丘脑的较 低部位首先识别压力。
然后丘脑的较低部位立即刺激交感神经,诱发应 激激素(儿茶酚胺)的分泌而引起体内血管收缩,瞳孔扩张,心跳加快, 呼吸加快,胃的蠕动暂停。
同样,丘脑的较低部位刺激分泌肾上腺皮质 激素的脑下垂体,促进皮质醇激素的分泌而增加了肝脏中葡萄糖的产 生。
所增加的葡萄糖和氧通过血管的收缩加速流动并浓缩于大脑和肌肉 中并充分地适应外部的愤怒,但不能到达血管末梢,因此会出现手脚骤 冷的现象。
脑下垂体也增强了将肾上腺素排入血液的功能。
肾上腺素与 由肾上腺皮质分泌的类固醇一起提高了刺激级。
所有这些与化学物质有 关的应激反应,刺激了神经系统、心脏脉管和肌肉组织。
由暂时的压力 引起的上述反应是正常的,但是,如果压力尤其是精神压力持续出现, 将对人体产生致命的伤害。
为了解决上述问题,本发明者开发了Stress Resolvable Computer System(可分辨压力的计算机系统),在1999年9月9日的韩国专利申 请99-38330中公开,这里包含了上述的专利申请并作为本发明的一部 分。
如图1所示,依据本发明者的上述韩国专利申请,执行或控制程序 是一个用于消除压力的应用程序,通过程序传输介质或远程控制设备安 装在计算机上,在网站上准备的程序通过网络下载,形成一个完整的应 用程序,其执行和控制程序存储在主机(200)内存储器(210)中,数 据程序存储在数据程序存储器部件(220)中,压力识别程序存储在压 力识别程序存储器部件(230)中,在计算机使用者工作期间使用的计 算机外围设备(300)如鼠标或键盘上放置一个设备,通过该设备,压 力可以通过压力识别传感器(320)和传感器转换器(310)被识别,并 依据使用者的压力指数来执行减缓压力的程序,因此,当压力识别信号 通过外围设备(300)如鼠标或键盘被输入时,来自微处理器的信号被 转换成适当的数据并通过输出器(100)的转换器(110)来控制信号, 声音的处理是通过扬声器(130)被输出的,颜色的处理是通过监视器 (120)被输出的,气味的处理是通过喷雾设备(140)喷射的香味来实 施的,因此压力可以被缓解或消除。
扬声器和监视器大概是众所周知的 设备,而喷雾设备,例如,可利用本发明者的2000年5月23日的专利 申请00-27636中的设备。
同样地,在能够自动识别压力的可减缓压力的计算机系统中,能够 感应使用者压力的压力识别传感器(320)被附着在使用者工作中使用 的外围设备(300)上,如键盘或鼠标,而依照压力的总量被识别的人 体状态如脉搏速率、体温或皮肤传导性通过传感器转换器(310)被传 输至计算机或微处理器中,减缓压力的程序开始操作,因此计算机使用 者可以在计算机的使用过程中处理压力并反过来提高工作效率。
另外,虽然每个人承受的压力不同,都可能有如下的症状,如注意 力下降,很难作出简单的判定,失去信心,容易发怒或频繁地生气,焦 虑和不安,食欲增加或减少,非理性恐惧或突然痉挛,动脉硬化,不育 症。
同样,神经系统和内分泌系统与应激反应的应对是密切相关的,这 可以通过不同的生理信号被发现。
再者,有许多的方法可以确定人体的信息,也有许多的设备和仪器 来测定该信息。
然而,这些简单测定的信息不能有效地被利用。
一方面,生产的许多便携式的设备人们用起来很舒适,但是人们实 际上进行如脉搏速率这样的测量后,在查看结果时,只是简单地作出一 个随意的判断,因为一般人很难确定所承受的压力的总量。
同样地,某 些测量设备在简单测量一个人的脉搏速率时产生误差,并将脉搏速率的 这一变化量转换成压力指数。
另一方面,某些设备采集了几种人体相关 的信息,但是却相当复杂并且设备价格高,因此他们所开发的设备对于 普通人,尤其是计算机使用者,不可能真正地被利用。
发明内容 本发明的目的是提供一种用来自动识别压力的计算机外围设备(特 别是鼠标)用于上述的减缓压力的计算机系统或自动识别使用者目前压 力指数并对使用者提出警告的计算机中,这涉及了一个在计算机使用过 程中一直保持与鼠标接触并内置于鼠标中的系统,体温、脉搏、皮肤传 导性和/或肌肉传导性直接由鼠标测定,各种大量的信息值被送往CPU, 其中,信息被测量、判断和存储,而测得的数据最终被接收在计算机的 主机中,表示压力或疲劳总量的各种信息连同所作出的综合分析结果一 起被显示在监视器上。
在使用计算机的过程中,当手与鼠标接触时,本发明通过安置在鼠 标表面上的传感器感应人体的信息,即体温、脉搏速率、皮肤传导性以 及排汗量、肌肉传导性、血流量、血压、PO2,并将这些信息显示在监 视器上,同时对人体的相关信息进行分析以检测压力和疲劳的总量。
总之,本发明的首要目的是测量人体的信息及检测压力或疲劳的总 量。
本系统的设计可允许普通人在使用计算机时简单和方便地测量,能 够得到人体的各种信息及通过这些信息得出综合判断的数据,以确定压 力是否存在。
本发明的第二个目的是利用像鼠标这样的外围设备的功能从根本 上检测压力或疲劳的总量。
当花费大量时间在计算机上的商人或学生在 使用计算机时可以随时检测到他们的身体状态。
本发明的另一个目的是通过添加一个简单的设备,提供一个可以测 量出最令人信服的压力的鼠标。
为达到上述目的,作为本发明的一个方面的计算机压力测量系统, 包括了计算机外围设备(300),该外围设备包括测量计算机使用者人体 信息的人体信息测量部件,用于处理上述所测量的人体信息的设备 (400),及发送上述信号处理过的人体信息信号到计算机主机上的设备 (800);而所提供的带有一个压力识别程序的计算机主机(200)可用 来由上述发送的人体信息信号计算出人体信息变化系数,并为各个系数 分配加权值并计算,以确定压力指数。
优选的是所述的人体信息测量部件包括至少一个皮肤传导性测量 部件和脉搏测量部件,更优选的是,所述的人体信息测量部件还包括体 温测量部件和肌肉传导性测量部件。
另外,所述的信号处理设备优先包括一个用于对检测到的人体信号 进行A/D(模/数)转换的转换设备(420),一个用于暂时存储检测到的 人体信号信息的设备(430),和一个控制器(410),所述的压力识别程 序更优先地包括一个可使压力指数显示在监视器上的压力指数指示器。
另外,所述的计算机主机除了用于处理通用计算机的输入/输出的窗 口程序处理器(250)外,还包括一个压力识别程序处理器(260),还 可进一步配备一个设备驱动器(240),如果从外围设备输入的是人体信 息,那么它将输入数据进行转换至压力识别程序。
为达到上述目的,作为本发明的另一个方面的计算机外围设备包括 含有测量计算机使用者人体信息的人体信息测量部件的计算机外围设 备,一个用于信号处理所述的测量到的人体信息的设备(400),和一个 发送所述的信号处理过的人体信息信号至计算机主机的设备(800),所 述的人体信息测量部件包括皮肤传导性测量部件(500;500’)和一个脉 搏测量部件(700,700’),所述的皮肤传导性测量部件包括一个用于授 权检测信号到皮肤上的第一电极(501),一个用于从皮肤上感应人体信 息信号的第二电极(502)和用于输出从第二电极感应到的信号到信号 处理设备(400)的输出器(570;570’),所述的脉搏测量部件包括光的 发射器和接收器(710),一个用于放大和输出从所述的光接收器检测到 的信号的放大器和一个用于将所述的放大信号与参考电压(Vref)进行 比较并将信号数字化和计数的比较器(790)。
优选的是,所述的外围设备是具有点击功能的设备如鼠标。
附图说明 图1所示的是与本发明有关的压力识别产生气味的计算机系统的方 框图, 图2是依据本发明的一个优选实施例的自动识别压力的鼠标的结 构图, 图3是依据本发明的一个优选实施例的自动识别压力的鼠标的电路 方框图, 图4是图3中的信号处理器和发送器的详细电路图, 图5a至图5d是图3中的皮肤传导性/肌肉传导性测量部件的详细电 路图, 图5e是图5a至图5d的等效电路图, 图6是图3中的体温测量部件的详细电路图, 图7a至图7d是图3中的脉搏测量部件的详细电路图, 图8是图1中的压力识别程序的结构图, 图9是显示由本发明确定的压力信息的计算机监视器的实例图, 图10至图12是与本发明有关的压力测量鼠标的另一个实施例的电 路图,图10是一个传统鼠标的点击功能和控制部件,图11是皮肤传导 性的测量部件,图12是脉搏测量部件, 图13是比较器输入/输出信号的波图, 图14所示的是鼠标信号处理的示意图, 图15a和图15b是图14中的鼠标信号数据的结构图,其中图15a 是表示鼠标点击信号数据的实例,图15b是表示人体测量信号数据的实 例, 图16是图12至图14的优选实施例的鼠标操作的流程图, 图17所示的是图16中的人体信息信号的翻译和发送活动的子程序 图, 图18是依据本发明的压力测量鼠标的整体实验测试的方块图, 图19显示的是图18实验中所用的计算测试刺激程序的计算机屏 幕, 图20a和20b分别表示了计算测试实验和CPT(连续作业测验)实 验的处理过程, 图21描述的是由实验采集的生理信号, 图22a和图22b是用于图20a和20b的调查表的例子,分别为精神 压力和身体压力的个人评价表, 图23a和图23b分别为心跳次数和GSR(皮肤电反应)分析程序的 实例, 图24a至图24c所示的是依据计算和CPT测试时间的心跳次数、 GSR和皮肤温度的变化量。
<图中标号的说明> 100:输出设备                      10:转换器 120:监视器                        130:扬声器 140:喷雾设备                      150:触觉刺激设备 200:计算机主机 210:执行和控制程序存储器 220:数据程序存储器 230:压力识别程序存储器 231:人体信号变化系数的计算部件 236:计算器                        237:压力指数指示器 240:设备驱动器                    250:窗口程序处理器 260:压力识别程序处理器 300:计算机外围设备                310:传感器转换器 320:压力识别传感器 330:X-Y轴向移动检测器 340:转换开关部件 350:Z-轴向移动检波器 360:操作指示器                    370:发送器 400:信号处理器                    410:控制器 420:A/D转换器                     430:电可擦除只读存储器 500,500’:皮肤传导性/肌肉传导性测量部件 510:D/A转换器                     520:计时器 530,530’:第一放大部件 540:第二放大部件                  550:偏压器部件 560:肌肉传导性信号输出设备 570,570’:皮肤传导性信号输出设备 580:缓冲器                        590,590’:继电器 600:体温测量部件 610:基座信号发生器                620:比较器 630:偏移量调节器                  640:放大部件 700:脉搏测量部件 710:光发射器和光接收器 720,720’:第一放大部件 730:第一滤波器                    740:第二滤波器 750,750’:第二放大部件 760:触发电路                      770:第三放大部件 780:警告部件                      790:比较器 800:发送器 910:计算机监视器                  920:BIOPAC 930:MP100WS程序                   940:分析设备 具体实施方式 参考图2至图9,下面描述本发明的一个优选实施例。
图2和图3是依据本发明的一个优选实施例的自动压力识别鼠标的 结构图。
根据图2,当手握鼠标(320)时能够检测人体各部位的各种人体信 息的传感器被安装在鼠标上。
例如,用在拇指末端接触部位的脉搏测量 传感器(322),用在手掌中间接触部位的体温传感器(323),以及测量 使用者的皮肤传导性和/或肌肉传导性的含有第一和第二电极的皮肤传 导性/肌肉传导性测量传感器(321)被安装在敲击鼠标按键的食指或中 指(或无名指)末端接触的部位。
除了安装具有通常外围设备(这里指 鼠标)功能的电路外,鼠标内部还安装了一个关于本发明的能够识别人 体信息和信号处理人体信息信号的电路(311)。
图3是依据本发明的一个优选实施例的自动压力识别鼠标的电路方 框图。
来自脉搏测量部件(700)、体温测量部件(600)和皮肤传导性/ 肌肉传导性部件(500)的电子信号分别与所述的鼠标的脉搏测量传感 器、体温测量传感器和皮肤传导性/肌肉传导性测量传感器相连接,并被 输入至信号处理器(400)的A/D转换器(420)中,被转换为数字信号, 并在信号处理和控制器(410)中适当地被处理,然后通过发送器(800) 被输入至计算机主机中的微处理器上,并输出至监视器上,告知使用者 当前的压力状态。
因此让使用者休息一会儿或者给出适当的画面或者声 音或者产生气味或者刺激使用者的触觉以缓解压力,从而最大程度地降 低压力。
这里,所述的A/D转换器(420)的输出被暂时存储在EEPROM (电可擦除只读存储器)(430)中,并且在需要时或出现电源故障后可 以再使用。
同样,在所述的脉搏测量部件(700)的输出中的不进行数 字化转换的计时器的值(随后被描述)被直接发送至控制器(410)的 信号处理器和控制芯片(ICI)的端子(INTO)上(参见图4)。
图4是图3中的信号处理器(400)和发送器(800)的详细电路图。
脉搏测量部件(700)和体温测量部件(600)所测得的输出与随后描述 的皮肤传导性/肌肉传导性测量部件(500)的输出通过A/D转换器(如 使用的MAX186(AD1))(420)转换成控制器(410)能够处理的数字 信号,将转换成的数字信号通过第一输入/输出端子(P1.0至P1.7)输 入至信号处理和控制器(如使用的89C52(IC1))中并处理信号,随后 通过发送端子(TXD)(801)由发送器(如使用的MAX232C(U1))(80) 发送至计算机的主机中。
同时,来自计算机主机的控制信号通过上述接 收端子(RXD)(802)经上述的发送器(800)输入至上述的处理器(IC1) 中。
另一方面,A/D转换器的数字信号被暂时存储在暂时存储器(430) 的EEPROM(如使用的93C46(U2))中,当想要使用过去的数据或在 电源故障期间可通过控制器(410)再使用。
为了描述方便,上述处理 器附有的时钟信号发生器(Y1)和复位信号发生器(U1)以及在上述 各自芯片中使用的电路元件(C1-C10,R1)和额定电压的描述被省略。
图5a至图5d是图3中的皮肤传导性/肌肉传导性测量部件(500) 的详细电路图。
如图5a中描述的,所述的控制器(410)的控制处理器的第二个输 入/输出端子(P0.0至P0.7)与充当计时器(520)的Darlington(达林 顿)驱动器(如使用的ULN2803(U3))相连,所述的芯片的输出端子 与继电器端子RY1至RY7相连,例如,为了每5秒钟测量一次皮肤传 导性,继电器(RLY-1至RYL-7)每5秒钟被转换一次。
在上述Darlington 驱动器的各个输出端子与继电器二极管(D1-D7)之间采用并联接法连 接以达到稳定控制的目的。
同时,上述控制处理器(IC1)的第三个输入/输出端子(P0.0至P0.7) 通过并联连接阵列电阻(AR1)与D/A转换器(如使用的DAC0808 (DA1))的输入端子连接,例如,输出的数字信号由D/A转换器(510) 转换成正弦波模拟信号,然后被授权至第二和第三继电器(RLY-2和 RLY-3)(参考图5b)作为测试信号。
然而如图5b所示,上述D/A转换 器(510)的输出模拟信号被第一和第二放大部件(530,540)放大, 在被偏压器(550)调整为合适的操作偏压后被授权。
为了方便描述, 省略了D/A转换器芯片中附有的电路元件(R2,VR1,C11)及推荐的 激发的描述。
第一和第二放大部件(530,540)可以用已知的使用运算 放大器(OP1,OP2)的放大电路进行实施,电阻器和电容器元件(R3-R5, C12-C14)以及偏压部件(550)也可以使用已知的偏压电阻器(R6, R7)实施,因此省略了这部分的详细描述。
无论如何,偏压电阻器都是 优选的,其操作偏压为1.2V。
输出的模拟信号(Vout)被授权至第二和第三继电器(RLY-2,RLY-3) 的输入(COM-2),上述第二继电器的输出(NO-2)再连接到第七继电 器(RLY-7)的输入(COM-1)和第一电极(501)上,上述第三继电器 的输出(COM-2)再连接到第六继电器(RLY-6)的输入(NO-1)和第 二电极(502)上。
同时,第一和第二电极(501,502)被连接到第一 继电器(RLY-1)的第一和第二输入端子(COM-1,COM-2)上,相应 于各输入端子的第一和第二输出端子(NO-1,NO-2)被连接到肌肉传 导性信号输出(560)的输入(D,E)上。
同样,上述第一和第二电极 (501,502)分别连接到第四和第五继电器(RLY-4,RLY-5)的输入端 子(COM-1)上,上述第四继电器的输出(NO-1)和第五继电器的反 相输出(N.C.)被连接到皮肤传导性信号的输出(570)的输入(F,G) 上。
图5c描述的是肌肉传导性信号输出设备(560)的详细电路图,它 包括一个放大部件(R8-R18,C15-18,OP3-OP5),滤波器部件(R19-R24, C19-C26,OP6-OP7)和放大部件(R26-R28,C27-C28),最终探测到 的信号通过端子(MUSCLE)(503)被连接到A/D转换器(AD1)上。
图5d描述的是皮肤传导性信号输出设备(570)的详细电路图,在第一 和第二电极中流动的电流(i1,-i2)分别从输入(F,G)处流入,两个电 流的差信号(i1-i2)从接触点被输入。
上述输入信号被输入至由二极 管限幅器(D9,D10),电位电阻器(R29,R30)和电压输出器(OP9) 组成的缓冲器(580)中,而缓冲器再与放大器电路(R31-R33,C91, OP10)连接。
被放大的最终检测到的信号通过端子(SKIN)(504)连 接到A/D转换器上。
仅作为参考,具有来自上述放大器电路反馈的RC 并联电路(R33,C91)中的电容器不是必须的,但是在RC并联结构中 优选电容器以防止高频噪音和振荡。
图5e描述的是上述图5b至图5d的等效电路。
参见图5e,描述 了上述皮肤传导性/肌肉传导性测量部件(500)的操作。
为了测试,从 D/A转换器(510)输入的模拟信号被放大和进行偏压校正(530-550), 放大和校正信号(Vout)根据其是否在第二和第三继电器(RLY-2,RLY-3) 中被转换而被授权进入第一或第二电极(501,502)。
倘若第一继电器 (RLY-1)断开,来自各个电极的电流只被授权通过第四和第五继电器 (RLY-4,RLY-5)进入皮肤传导性信号的输出设备(570),从两个电极 测定的电流信号的差值(i1-i2)被放大,并被授权通过皮肤传导性测 量端子(504)进入A/D转换器(420),倘若第一继电器(RLY-1)是接 通的而第四和第五继电器(RLY-4,RLY-5)是断开的,那么由两个电极 测得的信号只被授权进入肌肉传导性信号输出设备(560),并经放大和 过滤,被授权通过肌肉传导性测量端子(503)进入A/D转换器(420)。
更确切地说,经放大和偏压校正的信号被输入至第二继电器芯片 (RLY-2),所述的继电器芯片的输出再被输入至第七继电器芯片 (RLY-7),所述的第二和第七继电器芯片根据第二继电器端子(RL2) 和第七继电器端子(RL7)的切换信号间歇地切换被输入的模拟信号, 并检测第一电极的电阻信号。
同时,在所述的转换的模拟信号被放大和 偏压校正后,也被输入至第三继电器芯片(RLY-3),而所述的第三继电 器芯片的输出再被输入至第六继电器芯片(RLY-6),所述的第三和第六 继电器芯片根据第三继电器端子(RL3)和第六继电器端子(RL6)的 切换信号间歇地切换被输入的模拟信号,并检测第二电极的电阻信号。
由于被检测到的所述的第一电极和第二电极的信号,通过第一继电器芯 片被桥接,并依照第一继电器运行,被检测到的所述的第一电极和第二 电极的信号与第五和第四继电器芯片接通,并依据第五和第四继电器的 电极信号运行,因此,在所述的第五继电器芯片的输出端子(N.C.)和 所述的第四继电器芯片的输出端子(NO-1)相连接的接触点处,所述的 第一电极和第二电极的差信号被授权。
上述差信号通过缓冲器被连接至 另一个放大器上,被上述放大器放大的信号对皮肤传导性的特性进行了 检测,并输入至上述A-D转换器。
最后,上述信号被暂时储存在EEPROM(420)中,同时由信号处 理和控制器(410)进行信号处理,并由发送器发送至计算机主机,从 而能够对人体指数进行定期检测,进而能够检测到计算机使用者的压力 状态并通过监视器对其进行显示。
图6是图3中的体温测量部件(600)的详细电路图。
如图6中所 描述的,体温测量部件(600)是由体温测量传感器(THERMIST)(601) 测量的信号与比较器(620)中的基信号发生器(610)生成的基信号相 比较并进行放大而具体化的。
基信号发生器(610)包括一个与电阻器 (R34)串联和与电容器(C29)并联的齐纳二极管(ZD1),一个与电 阻(R35)和另一个电阻(R36)相接的可变电阻器(VR2),一个由运 算放大器(OP11)组成的比较器(620),一个连接至基信号发生器(610) 和运算放大器反向端输入端子的电阻(R37)、一个连接至体温测量传感 器(601)和非反向端输入端子的电阻(R38)、一个电容器(C30)、和 组成反馈回路的电阻(R39)。
放大的信号是由包括可变电阻器(VR3)和电阻器(R41,R42)的 偏移量调整器进行偏移量调整的,并由包括一个运算放大器(OP12)、 输入端电阻器(R40)和一个反馈RC并联电路(R43,C92)的通用放 大器(640)进行放大,然后通过体温测量端子(TEMP)(602)输入至 信号处理器(400)的A/D转换器(420)中,经处理作为皮肤传导性的 测量信号。
图7a至图7d是脉搏测量部件(700)的详细电路图。
如图7a中所 描述的,脉搏测量部件(700)包括一个光发射器和接收器(710)、第 一放大部件(720)、在图7b中描述的第一和第二过滤器(730、740) 连接至所述的第一放大部件的输出端(A)、在图7c中所描述的第二放 大器(750)连接至上述第二个过滤器的输出端(B)、在图7d中描述的 触发电路(760)连接至所述的第二放大部件的终端C、和第三放大部 件(770)。
更详细地,如图7a所示,一个固定能级的光从光发射器和接收器 的LED(发光二极管)(701)发射,从所述的LED发射的光被图象晶 体管(PHOTO TR)(702)接收。
这里,接收的光的亮度随着与鼠标接 触的手指的表面积或压力而变化,压力是随着手指的脉搏而变化的。
因 此,所读取的从LED发射的光与通过光接收元件的光是不同的。
所以, 通过读取上述的变化能够方便地探测脉搏。
电阻器R44和R45是偏压电 阻器。
从接收元件(702)接收的信号是由第一放大器(720)放大的,第 一放大器包括一个运算放大器(OP13),该放大器的输入端一侧通过耦 合的电容器(C31)、偏压电阻器(R46至R48)、一个反馈电容器(C32) 与接收元件(702)相联。
所述的放大部件(720)是由终端A连接至第一和第二个过滤器 (730、740),而放大后的测量信号,通过终端A,由与第一个过滤器 (730)和耦合电阻(R55)相联的第二个过滤器(740)过滤,又立刻 被通过终端B(参考图7c)连接的第二放大部件(750)放大。
然后通 过耦合电容器(C25)和脉搏测量传感器(PULSE)(703)输入至下一 个端点的信号处理器(400)的A/D转换器(420)上。
所述的第二放大 部件(750)一侧的输入优选由可变电阻器(VR4)进行偏移量调整。
同时,上述过滤的原因是要对计算机监视器或荧光灯(例如,60Hz彩 灯)的光进行过滤,以便只对所述的来自LED(701)的特有波长的光 响应。
与第一放大部件(720)一样,所述的第二放大部件(750)还包括 通过耦合电容器(C33)连接至终端B运算放大器(OP14),偏压电阻 器(R49-R50),RC并联电路(R48和C32,R51和C34),它们组成了 一个反馈回路。
然而,正如上面提到的,第二放大部件一侧的输入端是 与偏移量调节电路(VR4)相连接。
同样,上述的第一和第二过滤电路 (730、740)可以包括电阻(R52-R54,R56-R58)、电容器(C36-C39、 C40-C43)、和方法已知的放大器(OP15、OP16)。
同时如图7d所示,在上述第二放大部件(750)的输出端子(C) 上,提供了一个施密特(Schmidt)触发电路(760),以使上述接收的光 可以在固定时间周期内被选择性地测量,因此,在所测得的脉搏测量信 号中,限定超出预定峰值的波,然后在预定时间(例如,1分钟)内对 上述波的数量进行计数,就可以计算脉搏次数了。
如图7d所示,施密 特触发电路(760)有将接线端子C的脉搏测量信号放大作为输入的放 大器电路(C44、R59、Q1)的信号,包括电阻器(R60-R61、C45)与 产生限定信号输出的定时器(例如所用的HAI7555(U5))相连接,而 输出本身再由包括电阻器(R63-R64)、电容器(C46)和晶体管(Q2) 的放大器电路(770)放大,然后不通过A/D转换器而直接输入至信号 处理和控制器(410)的输入端子(INTO)上。
为了在计算脉搏次数时 提醒计算机使用者,在施密特触发电路上并联报警元件(LED、R62) (780)。
上述提及的压力测量装置的操作参照图1至图4和图8至图9在下 文中进行描述。
图8是一个涉及本发明的压力识别程序的结构图,而图 9是计算机监视屏显示依据本发明测量的压力信息的实施例。
首先,当计算机使用者用人体接触该外围设备时(例如,用右手握 着鼠标并分别接触图2中的人体信号测量传感器时),计算机使用者的 脉搏、体温、皮肤传导性值/肌肉传导性值采用脉搏、体温、皮肤传导性 /肌肉传导性测量部件在固定时间间隔内(例如5秒间隔)进行测量,而 所测得的脉搏、体温、皮肤传导性/肌肉传导性值等人体信号,如图3 和图4所示,通过输入端子(CH0-CH3)被输入至A/D转换器(AD1) 上,并被转换成数字值,然后通过输出端子(Dout)输入至控制器(410) 的处理器(IC1)中,同时被暂时存储在EEPROM(U2)中,然后通过 发送器(800)发送至计算机主机(200)中。
在上述发送的信号中,为 每个人体信号分配4位,也可能包含16位。
但是,由于皮肤传导性与 肌肉传导性相比更好地反映了压力状态,因此肌肉传导性测量和肌肉传 导性变化系数的计算可以跳过,在此情况下,发送的信号包括12位的 数据。
所测得的计算机使用者的脉搏、体温和皮肤传导性是在一周或一个 月间隔内连续地被测量的,并产生了使用者的标准压力值。
因此,这个 标准值可以因使用者或年龄的不同而不同。
发送至计算机主机(200)的数据由压力识别程序存储器(230)(参 考图1)中的压力识别程序进行分析,图8是压力识别程序的一个结构 图,依据本发明,压力识别程序包括数据处理部件(231):脉搏变化系 数(α)数据处理部件(232)、体温变化系数(β)数据处理部件(233)、 皮肤传导性变化系数(γ)数据处理部件(234)和肌肉传导性变化系数 (γ)数据处理部件(235),和计算部件(236)及压力指数指示器(237)。
在人体信号变化系数数据处理部件(231)中的脉搏变化系数(α) 数据处理部件(232)、体温变化系数(β)数据处理部件(233)、皮肤 传导性变化系数(γ)数据处理部件(234)和肌肉传导性变化系数(γ) 数据处理部件(235)中的脉搏变化系数(α)、体温变化系数(β)、皮 肤传导性变化系数(γ)和肌肉传导性变化系数(γ)分别通过传送的4 位人体信号数据进行计算,例如,用于计算特定人的标准值的公式如下: (式中,P是4位的脉搏测量值) (式中,T是4位的温度值) 同样,皮肤传导性和肌肉传导性值(γ、δ)是在0-4095范 围内的值,可以按程序人工选取。
下一步,在计算部件(236)中,对用上述公式和计算方法计算 得到的人体变化系数进行组合,最后对压力指数(ST)进行计算,为了 反映各个变化系数对实际压力的重要性,将加权值乘以各自的系数然后 再按公式2组合。
[公式3] ST=aα+bβ+cγ+dδ(式中,a、b、c和d是加权值) 以上计算的人体变化系数的实施例,如图9所示,就是脉搏变化系数(α: Pulse)、体温变化系数(β:Temp)、皮肤传导性变化系数(γ:GSR)和 压力指数(ST:Stress)通过压力指数指示器(237)显示在监视器上。
在图9中的优选实施例中,因为上述提及的理由,肌肉传导性值没有予 以考虑。
在压力图中,上面计算的压力指数(ST)显示了过去一周时间 内的压力指数和过去一个月内的压力指数,可以让使用者检查当前的压 力状态的改变。
因此,倘若判断出计算机使用者所面临的压力,对使用者施加一 个适当的刺激或在监视器上显示一个警告,以便让使用者停止工作和引 起使用者的注意,最终减轻或消除使用者的压力。
例如,对最近一周或一个月的压力进行比较,为了方便起见,状 态分为A状态:正常状态、B状态:有一点压力的状态、C状态:更多 的压力状态和必需长期休息。
在状态B和C的情况下,香味喷射装置 (140)被自动激活,但激活过程可以按程序进行,以使对状态B喷射 量为0.2,而对于状态C喷射量为0.4。
另一方面,图10至图17显示了另外一个将本发明的自动压力识 别装置应用到计算机鼠标上的优选实施例。
图10是一个传统鼠标的点 击功能和控制器的电路图,图11是一个皮肤传导性测量部件的电路图, 而图12是脉搏测量部件的电路图。
如图10所描述的,具有三维点击功能的传统光电鼠标,包括一 个具有光电发射器/接收器(R101、D101、Q101)和移动检测信号处理 器(U101、XT101、C101-C103、Q102)的X-Y轴方向移动检测器(330), 一个具有三维转换输入(SW1-SW3)的转换开关部件(340),一个具有 编码器(ENC1)的检测轮子旋转的Z轴方向移动检测器(350),一个 具有光发射二极管(D102、D103)的通知鼠标是否操作的操作指示器 (360),一个与计算机主机之间发送和接收数据的发送器(370),一个 控制上述的和附属电路元件(R102-R110、C104-C105、D104、XT102) 的处理器芯片(IC2)。
这里,上述的处理器芯片(IC2)是将图4中的 一个信号处理器(400)的电路做成一个芯片,并包括A/D转换器和控 制器等等,而除了X-Y轴方向和Z轴方向移动和点击控制功能外,它 还具有检测皮肤传导性和脉搏速率的功能。
上述的光电鼠标是服从例如 IBM协议(P/S2)的。
对于以上所述,处理器芯片(IC2)发送一个测试信号到皮肤传导 性测量部件(500’)的输入端(R112)上并通过处理器芯片(IC2)的 A/D转换器从上述皮肤传导性测量部件(570’)的输出端(OP10)接收 测量信号(参见图11)。
同样,它通过处理器芯片(IC2)内的A/D转 换器从端子C接收脉搏检测器(700’)的检测信号,并通过处理器芯片 (IC2)中的定时器接收测得的脉搏信号的比较信号(下面所述的)(参 考图11)。
依据本发明的第二个实施例中的皮肤传导性测量部件(500’),在下 文中参考图11进行描述。
如图11所示,从信号处理器的处理器芯片产 生的开/关信号通过电阻(R111)连接至开关晶体管(Q103)的基端, 并控制继电器(590)的启动。
同时,来自上述处理器芯片的信号被包括放大器(OP1)和电阻器 (R112、R114)的放大部件放大,然后通过输出电阻器(R114)输入至继 电器(RLY_1)的一个端子(NO_1)上。
另一个与上述的端子(NO_1)匹 配的端子(COM_1)连接至第一电极(GSR1)(501)上。
另一方面, 在与端子(NO_1,COM_1)相匹配的第二输入/输出端子(NO_2,COM_2) 上,第二电极(GSR2)(502)和输出(570’)相连。
因此,倘若来自处理器芯片的开/关信号是接通的,起输入作用的 放大部件(530’)与第一电极(501)相连,并且许多电压表的电压值施加到 人体上,引起一个电流流动,电流量对应于计算机使用者的皮肤传导性, 同时第二个电极(502)与输出(570’)连接,因此检测到的皮肤传导性输出 信号通过包括缓冲器(580’)和放大部件的输出设备(570’)发送至信 号处理器芯片(IC2)的A/D转换器中。
上述的第二个优选实施例中的 输出设备(570’)和缓冲器(580’)与图5d所描述第一个优选实施例中的 皮肤传导性信号输出设备(570)和缓冲器(580)几乎是相同的,电路元件的 构成也是相同的,所以具有同样功能的电路元件由同样的参考数字表 示。
然而,在第一个优选实施例中的放大器电路转换的输入端是接地的, 但本优选实施例与其仅有的区别是,它是连接至一个2.5V的低压上。
下一步,依据本发明的第二个优选实施例中的脉搏测量部件(700’) 参考图12在下文中描述。
如图12所示,依据本发明第二个优选实施例 中的脉搏测量部件(700’)也包括一个光发射器和接收器(710’),第一放 大部件(720’),连接至上述第一放大部件输出端(A)的第二放大部件 (750’),连接至上述第二放大部件输出端子的比较器(790)。
也就是, 与第一个优选实施例中的脉搏测量部件(700)相比,第二个优选实施 例中的脉搏测量部件(700’)没有使用过滤器(730、740),第一放大部 件(720’)简单直接地连接至第二放大部件(750’)上。
第二个优选实施例中的脉搏测量部件(700’)中的光发射器和接收 器(710’)、第一放大部件(720’)和第二放大部件(750’)也与第一个优选实 施例中的(710、720、750)相同,并且电路元件的构成也是相同的,因此, 对于同样功能的电路元件也用同样的标号表示。
然而,在第一个优选实 施例中第一和第二放大部件转换的输入端子是接地的,但本优选实施例 与其仅有的区别是,它们连接至一个2.5V的低压上,并且在第二个优 选实施例中第二放大器电路转换的输入端子上,没有使用用于偏移量调 整的可变电阻器(VR4)。
上述的第二放大器(750’)的输出端(C)的输出信号也发送至信 号处理器芯片(IC2)的A/D转换器中。
本发明的第二个优选实施例的操作参照图14至17进行描述。
图13 是图12中的比较器的一个输入/输出信号波图,图14是鼠标信号处理的 示意图,图15a和图15b是图14中的鼠标信号数据的结构图,其中图 15a是显示鼠标点击信号数据的例子,而图15b是显示人体测量信号数 据的例子。
同时,同通过检测到的脉搏信号测量脉搏变化的方法一样,有一种 在短时间间隔内接收人体信息的方法(例如,1/100-1/200秒)以及确定 在最大值和下一个最大值之间的时间间隔作为一个周期,但是如图13 (a)所示,可能由于噪音对波产生了扰乱。
因此,如图12所示,比较 部件(790)中的比较器(OP101)和位差电阻器(R115、R116)多半 是兼有的,这样,如果检测到的信号高于参考电压(Vref),“高”信号被 输出,如果检测到的信号低于上述的参考电压,“低”信号输出,因此, 在图12(b)中所示的数字处理方法是可行的,在这种情况下,即使产 生噪音,脉搏计数也不会受到影响,就可以得到准确的系数。
这种数字 信号不需要A/D转换,并且可被授权直接发送至处理器芯片(IC2)内 的定时器上。
在图14中,描述了关于处理从鼠标发送至计算机主机的信号的硬 件框图。
一个4位信号从鼠标(300)发送至计算机主机内的设备驱动 器(240)上(参见图15)。
有两种类型的4位信号被发送至设备驱动器 (240)上,这种数据格式的类型由设备驱动器根据其最高位是“0”或“1” 进行翻译。
例如,如图15a中所描述的,如果最高位是“0”,那么设备驱 动器(240)识别所发送的数据作为鼠标的一般点击数据,并转换成使 其可以在窗口程序处理器(250)进行处理的数据,并且窗口程序处理 器(250)可以设定余下的7位作为鼠标键状态,每个后续的8位作为X、 Y、Z轴方向的移动值。
倘若最高位是“1”,那么设备驱动器翻译所发送 的信号作为人体信息并且转换成数据,以便可以在压力识别程序处理部 件(260)中进行处理,压力识别程序处理部件(260)是一种应用程序, 它可以被置位,以便可以翻译余下的7位和后续的8位(15位)分别作 为脉搏定时器测量值,每个后续的8位作为第二电极的电流和皮肤传导 性值(参照图15a中的(a))。
然而,作为本发明的第一个优选实施例, 倘若打算测量体温和肌肉传导性值,并打算通过综合4个参数对压力进 行测量,那么在最高位后余下的7位可以设定为体温,而每个后续的8 位作为肌肉传导性、第二电极电流和皮肤传导性值,如图15中的b所 示。
另外,在压力识别程序处理部件(260)中的人体信息处理方法是 与第一个优选实施例中的相同。
也就是说,首先脉搏变化系数(α)是 依据脉搏计时器值进行计算的,然后皮肤传导性变化系数(γ)是依据 皮肤传导性值进行计算的,这些数据组合起来,通过公式4确定压力指 数。
[公式4] ST=aα+cγ(其中,a和c是加权值) 在此情况下,由于皮肤传导性变化系数更好地反映了压力,最好取 a<c。
并且,上述计算的人体变化系数,即脉搏变化系数(α:Pulse), 皮肤传导性变化系数(γ:GSR)和压力指数(ST:Stress)通过压力指 数指示器(237)显示在监视器上。
下面参见图16和17的流程图描述了第二个优选实施例的操作。
图 16所示的是图12至图14中的鼠标操作的流程图,图17所示的是人体 信息翻译、传递子程序的流程图。
首先,如图16所述,当鼠标操作开始时(S1),处理器芯片(IC1) 进行初始化(S2),如设定鼠标定时器和变量。
然后,复原X-Y轴方向 移动检测器(330)(S3),然后通过X-Y轴方向移动检测器的2个脉冲 混合的4相信号检测X-Y轴方向的移动,然后根据轮子的旋转通过编码 器(ENC1)的输出检测Z轴方向的移动(S4)。
同时,除了鼠标通常的操作外,本发明的鼠标还可以在固定时间间 隔内检查与计算机的通讯(S5),如果没有来自计算机主机的命令输入, 那么发送鼠标数据至计算机(S6),因为发送器可以在输出模式下操作。
然而,如果输入了命令数据,与上述情况不同,进行数据处理(S7), 并且执行图17中的翻译和发送计算机使用者人体信息的子程序(S8)。
翻译和发送计算机使用者人体信息的子程序参照图17进行描述。
当人体信息翻译开始时(S11),鼠标的处理器在预定的时间间隔内(例 如,1/100至1/200秒)发送继电器“on”信号至皮肤传导性测量部件(500’), 启动继电器(RLY1),并给第一电极(501)授权一个1.2V电压,并 通过第二个电极(502)接收一个电流信号,从而测量人体皮肤的传导 性,同样,通过脉搏测量部件(700’)在上述预定的时间间隔内通过光 发射器和接收器(710)接收一个检测到的信号。
另一方面,这些信号 被接收后进入A/D转换器并进行数字化处理,控制器翻译这些数字值, 并且暂时存储在缓冲区(S12、S13)中。
另外,在一定长的时间内重复 这些翻译和暂时存储阶段(S14)。
同时,脉搏检测信号由图13中的比 较器部件(790)处理成数字值,然后直接输入定时器,因此,脉搏可 以在鼠标的处理器中直接被计数,而定时器值也被翻译(S15)。
因此, 如图15b所示,这种人体信息形成了一种结构,并发送至计算机主机 (S16)。
随后的处理是返回至S4,以便鼠标可以恢复原始的点击功能 (S17)。
在图17的过程中,一旦缓冲区被占满,鼠标自动发送人体信 息至计算机主机,但是当服从计算机主机的发送命令时发送人体信息也 是可行的。
图18至24c中所示的是关于使用本发明的压力测量设备的压力测 量实验方法和结果数据,以证实依据本发明的压力测量设备方法的压力 测量值是充分可信的。
图18是本发明的压力测量鼠标的整体实验测试方块图,图19是图 18实验中所用的计算测试刺激程序的例子的屏幕,而图20a和图20b 分别显示的是计算测试实验和CPT实验过程的流程图,图21显示了从 实验中收集的生理信号,图22a和图22b是在图20中所用的调查表的 例子,分别是个人的心理和身体压力的评估表格,图23a和23b分别是 心跳次数和GSR分析程序的例子,而图24a至图24c分别表示了根据计 算和CPT实验时间的变化而引起心跳、GSR和皮肤温度变化的例子。
如图18所示,首先本发明的一个敏感性鼠标(300)和一个与本发 明无关的biopac(920)设备连接至计算机主机(200)上,对各种人体信 息如PPG、RSP、GSR、ECG、EEG和SKT进行计算。
在实验的同时, 通过用一个单独的计算机监视器(910)刺激实验的志愿者,导致他们 的压力,在一台分析设备(930)上依据MP100WS程序对实验志愿者 的人体信息进行分析(930)。
上述实验的志愿者是20至25岁的男女大学生各10人,给出并引 导了计算测试和CPT(连续作业测验)实验作为压力刺激物。
所测的生 理信号中,PPG、RSP、EEG、ECG是用一个与本发明无关的biopac设 备测量,同时GSR、脉搏信号通过本发明的自动识别鼠标测量,体温通 过温度计测量。
为了找出实验志愿者的实际精神状态,对心理和身体进行了一项个 人调查。
关于数据分析,对每个测量的生理信号采用合适的分析工具提 取参数,分析后得到了压力指数。
计算测试方法,作为一种压力刺激方法之一,是一种反映了ISO 10075-2标准的方法,并且是一种由JUN-BUK大学电子工程学院用 Visual Basic开发的程序,利用该程序,志愿者只需简单地把显示在屏幕 上的数字加起来,如果结果与显示在屏幕上的数字相同,他们要按脚踏 开关遥控按钮1,如果结果不同,他们要按脚踏按扭2,时间是在3秒 以内。
另外是十五分钟的三位数字,十五分钟的四位数字总共三十分钟 的压力刺激。
一个计算测试刺激的例子显示在图19中。
CPT(连续作业测验),作为压力刺激的另外一种方法,是由 “Rosvold”在1956年提出的,用于检测患有较小癫痫症患者的注意力损 失,在本研究得到利用,因为在实验中持续注意力的要求会导致精神紧 张。
每秒钟内从“0”至“9”的一个数字随机地显示在屏幕上,数字中的“0” 一旦出现在屏幕上,志愿者必须按脚踏按扭并继续计数。
在计算机的行 频为70HZ的情况下,数字显示的时间设定为29毫秒。
“0”显示的次数 是在四百八十次的显示总数中的一百二十次。
测试结果按当前刺激与志 愿者感觉到的刺激的比率(%)进行计算。
在此情况下,对参加者进行 比较,如果注意力集中较差,则正确答案的比率就很低,所以在CPT±10% 的误差范围内的数据被识别为有效的注意力,并且用于分析之中。
在心理和身体方面的压力的个人调查表中是按7点数的尺度分析系 统准备的,参考现有的理论和由高丽大学的行为科学研究中心(Behavior Science Research Center)编纂的“心理尺度手册”,如图22a和22b所示。
通过Biopac设备检测的生理信号取样频率已经设定为512Hz。
并且 通过自动压力识别鼠标的生理信号每1秒钟存储一次。
依据温度计的读 数,温度每分钟记录一次。
生理信号是从20个实验志愿者中检测到的,相同的志愿者在第一 天用计算测试进行刺激,第二天用CPT进行刺激。
生理信号检测时间和实验步骤是按图20a和图20b进行的。
如图20a 所示,首先,解释了实验目的和计算测试实验的步骤(S21),粘附并调 节电极(S22),检测稳定状态下的生理信号(S23),要求书面回答稳定 状态下的调查表(S24)。
下一步,进行施加压力的任务练习及反应(S25), 休息一会儿(S26),5分钟后进行实际作业(S27),然后要求填写压力 状态的调查表(S28)。
同时,如图20b所示,在CPT实验中,首先,解释实验目的和计算 测试实验的步骤(S31),粘附并调整电极(S32),检测稳定状态下的生 理信号(S33),要求书面回答稳定状态下的调查表(S34)。
下一步,进 行施加压力的任务练习及反应(S35),休息一会儿(S36),五分钟后, 进行实际作业(S37),然后要求书面回答压力状态的调查表(S38)。
图21中的(a)至(e)描述了具有代表性的生理信号,按照顺序 分别为PPG、RSP、GSR、EEG、ECG信号。
考虑到整个实验时间,关于压力刺激时间,计算刺激的方法是三十 分钟,CPT方法是八分钟,所以在以时间的流逝作为一个压力因素和影 响生理信号的假设下,收集了30分钟的计算测试刺激数据,按每3分 钟一段分成10个数据段,并且进行分析,收集了8分钟的CPT数据, 按每1分钟一段被分成8个数据段,并且进行分析。
因此,在依据流逝 的时间计算测试刺激数据中,能够观察到每3分钟的生理信号的变化, 而在CPT刺激数据中可以观察到每1分钟的生理信号的变化。
这里,计 算测试刺激数据和CPT刺激数据之间的区别是,在计算测试中,刺激时 间是30分钟,时间较长,而在CPT中,时间较短,为8分钟,并且计 算测试是一个简单的心算测试,因此志愿者在一定长的时间后会适应刺 激,但在CPT中,刺激的等级更高,眼睛的疲劳会随着时间的过去而增 加。
在本实验中,使用用于数据分析的“Labview”程序。
该程序的数据 处理和数据库结构是很容易的,并且所有的过程都可以包括图形程序, 所以,它不仅用于生理信号处理分析的领域,而且也广泛应用于其它领 域。
在ECG中,将心跳作为一个变量进行分析,心跳的变化用一个相 对于稳定状态的百分比来表示。
这是因为标准状态因人而变,所以不可 能用一个简单的绝对数值来比较几个人的数据。
图23a描述了心跳计算 程序。
GSR显示了皮肤电反应的总体变化趋势,作为一种指数来说明交感 神经系统的等级,可以通过观察一个时间范围内的总体趋势进行分析。
在本研究中,找到了GSR的平均幅度值,并以相对于稳定状态的百分 数来表示。
图23b描述了在实验中所使用的GSR程序。
通过频率分析来分析EEG,频率范围被分成δ波(4Hz以下)、θ 波(4~8Hz)、α波(8~13Hz),β波(大于13Hz),然后找到了每个范 围内的功率值,并计算α/(α+β),以相对于每个时间域中稳定状态的百 分数来表示。
使用RSP测量呼吸,当呼吸时胸肌收缩和扩张,通过检测随着胸部 肌肉变化而产生的电阻变化来进行呼吸的测量,通过分析在吸入和呼出 期间波峰值或呼吸的次数来观察由于压力而导致的呼吸上升。
在本实验 中,找出了呼吸次数并以相对于稳定状态的百分数来表示。
当交感神经活跃时,皮肤温度由于血管的收缩具有下降的趋势。
皮 肤温度数据也是以相对于稳定状态的百分数来表示。
关于从个人调查得到的数据,对每个志愿者所选择的点数进行平 均,并对稳定状态和刺激状态进行比较。
对调查结果进行分析,以检查本实验的刺激方法是否在适合诱导压 力,在计算测试中关于精神压力的12个问题中,除了“头脑感觉轻松” 和“感到厌烦”外,其余的问题在刺激后比刺激前变化更急剧,在关于身 体压力的13个问题中,除了“眼皮痉挛”、“觉得困倦”、和“眼睛疲劳” 外,其余的问题在刺激后比刺激前变化更急剧。
在计算测试的情况下, 检测稳定状态生理信号所用的时间是10分钟,在此时间内,一个人盯 着一个地方,这样他或她在接收刺激之前会感到厌烦。
同样,在30分 钟的计算测试中,一个人不断地凝视屏幕上的4位数字并进行心算,所 以会有一些眼睛的运动,可以看出为什么眼睛会少一些疲劳。
另外,应该特别注意到这样的事实,在精神压力方面,“感到不安”、 “感到激怒”、“变得愤怒”有很大的变化,在身体压力方面,“肩疼”、 “感到口干”、“胳膊和腿疼”有很大的变化。
这表明计算测试确实使实 验志愿者产生了压力,这意味着如果找到了依据时间流逝的生理信号的 变化,那么它们就会被用作压力级别的一个指数。
在CPT测试中,对于精神压力,除了“感到厌烦”外,其余的问题在 刺激后比刺激前变化更急剧。
对于身体压力,除了“感到困倦”外,其余 的问题在刺激后比刺激前变化更急剧。
在“感到厌烦”和“感到困倦”项背 后的原因可以用与计算测试中同样的理由来解释。
但是,“眼睛感受疲 劳”一项在刺激前后的结果,在计算测试和CPT刺激中是不同的,其原 因是计算测试的30分钟内,志愿者观看屏幕并心算3位、4位数字,眼 睛的疲劳较少,但是在CPT的情况下,刺激本身是立即在较短时间内分 辨闪烁的数字,使眼睛产生了较多的疲劳,这就是为什么CPT刺激会比 稳定状态更加重眼睛疲劳的原因。
对于计算和CPT测试的心跳次数的平均百分数变化率图形显示在 图24a中。
图形中的每个值表示以刺激前的稳定状态的心跳次数作为参 照的百分数增加量,它可以看出在刺激期间心跳次数与稳定状态相比的 总的提高量。
在计算测试情况下,在18分钟标记处,当第一级(3位) 刺激结束,而第二级(4位)刺激开始时,测试的困难增加,可以看出 心跳次数有增加到最大的趋势。
同样,在CPT测试刺激中,初始阶段有 一些增加,而最大变化显示在6分钟标记处。
这可以说明在刺激开始时, 由于紧张而比稳定状态有一些增加,在经过一段时间之后,人适应了刺 激,然后随着更多时间的流逝而感到更大的心理负担。
所以,根据心率的变化,压力分成了1、2、3三段。
首先,在计算 测试的情况下,将作为第二级(4位)开始点的第18分钟标记处的最大 压力设定为第3阶段压力,第2阶段和第1阶段压力值分别设为第3阶 段压力值的50%和25%。
在CPT测试的情况下,将第6分钟标记处的 最大压力设定为第3阶段压力,而第2阶段和第1阶段压力值的设定与 计算测试设定的相同。
就是说,将稳定状态设定为参考值,当心跳增加 时,同表1一样,压力分别分成不同的阶段。
下一步,在GSR测量实验中进行分析,尽管计算测试进行了一段 时间,由于刺激的特性,很难想象压力是连续的,随着时间的过去,实 验志愿者表现出了适应刺激的特性。
所以,GSR的推断显示出了下降而 不是增加。
如同CPT刺激一样,尽管时间很短,由于重复给出同样的刺 激,眼睛会变得疲劳,但显示的紧张趋势会下降。
两种刺激的平均GSR 反应显示在图24b中。
然而,总的观察可以说GSR(皮肤传导性)的变 化反映了志愿者承受压力要比其它身体变化好。
在计算测试刺激中,最大变化出现在第一级刺激开始时,当在第18 分钟标记处,级别的难度增加时,变化又增加了很大部分,这是对第二 级(4位)刺激的反应。
同样,在CPT测试情况下,最大变化出现在刺 激开始时,随着时间的流逝而下降。
因此,在GSR的情况下,用计算 测试作为参考,将第3分钟标记处设定为第3阶段,而将第18分钟标 记处设定为第2阶段。
阶段1设定为阶段2的50%。
对于CPT,第一 个1分钟设定为阶段3,而将第3阶段值的50%和25%的值设定为第2 阶段和第1阶段,结果的汇总显示在表2中。
尽管这些作为心跳次数变 化的变量值不是在相同点发现的,但也可以说明对相同刺激的不同的反 应。
已经知道,在压力状态下皮肤温度下降,并且由于刺激而引起皮肤 温度下降的事实上已经在本研究中得到验证,其平均值的总体变化显示 在图24c中。
在计算测试刺激的情况下,由于刺激不是突然的,皮肤温 度随着时间的过去显示了缓慢下降的趋势,而在CPT测试刺激的情况 下,由于数据收集的时间较短,下降的趋势没有较大地显示出来。
但是, 比较各个志愿者,在各个人之间的变化是非常大的。
这是因为皮肤温度 会依据环境温度和个人皮肤温度变化的敏感性而变化,在人们之间的变 化非常大。
在EEG的情况下,由于注意力下降和紧张增加,在脑电波的α波 和β波中,α波由于这种影响按比例下降,这证实了通过计算和CPT刺 激已经施加了心理和身体压力,但是随着时间的过去,在变量的变化上 没有有意义的区别。
在测试呼吸的情况下,当由于压力或紧张产生的刺激施加于交感神 经系统时,可以看到呼吸增加的现象,在本研究中观察到了呼吸的增加, 但是,在变化的形状上没有发现有意义的区别。
通过本研究,已经证实了当压力被施加时,生理信号的变量值的变 化显示如下,已经找到了在心跳次数和变化中的GSR变化的基础上表 示压力级别的指数。
首先,分析了调查结果,观察了在本研究中所使用的刺激方法是否 适合于产生压力。
关于用在计算测试刺激和CPT刺激中的心理和身体压 力调查表,其中的级别在刺激后比刺激前有很大的变化。
也就是说,已 经证实了如果能够找到随着时间的过去的生理信号的变化,那么它们可 以用作表示压力级别的指数。
第二,不仅各人的皮肤温度变化大,而且也由于环境温度和各人皮 肤温度变化的敏感性而有较大比例的变化。
因此,参考值的设定相对较 困难,尽管通过对大脑的α波和呼吸次数的观察证实了志愿者是在压力 状态下,但是仍没有一个随着时间的变化而一贯变化的趋势。
第三,通过分析心跳次数和GSR数,可以找出由于计算测试刺激 和CPT刺激的压力指数值,当压力级别被分成三个阶段时,通过公式5 可以计算出代表各自阶段的生理信号变量相对于参考值的百分数变化 率。
[公式5] 压力级别1:HR=103×HRref    或    GSR=127×GSRref压力级别2:HR=105×HRref    或    GSR=154×GSRref压力级别3:HR=109×HRref    或    GSR=183×GSRref式中,HR设定了计算测试刺激的参考值,用通过计算和CPT刺激得到 的指数平均值找到了GSR。
同样,ref是志愿者进入刺激状态的初始值, 对于各人在绝对值上有显著的区别,所以用作设定各人的参考值,并由 该值测量变化。
[表2] 步骤1
步骤2
步骤3
计算测试刺激
102.43%
104.86%
109.72%
CPT刺激
101.96%
103.92%
107.84%
[表2] 步骤1
步骤2
步骤3
计算测试刺激
132%
164%
178%
CPT刺激
122%
144%
188%
[工业应用性] 按照此前描述的,依据本发明的自动压力识别外围设备和使用计算 机的压力测量系统,通过在已经有的外围设备中插入一个简单的电路, 使该外围设备可以自动地测量多种人体信息和检测压力或疲劳的级别, 从而能够提供给计算机使用者用来减轻或消除压力的数据。
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