RU2699929C1

RU2699929C1 - Method of measuring stress level

Info

Publication number: RU2699929C1
Application number: RU2018144920A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Игоревич Ростковский; Александр Юрьевич Щербаков; Иннокентий Дмитриевич Ростковский
Original assignee: Дмитрий Игоревич Ростковский
Priority date: 2018-12-18
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-09-11

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: invention relates to physics and can be used in physiology and medicine to determine a person's psychophysical state on the basis of measuring activity of sweat glands on a finger pad, in particular to measurement of stress level. When calibrating the device for measuring the level of stress, the moistened finger pad is pressed against the capacitive sensor with a strain gage and the maximum intensity of the pixels is determined. Finger pad and the capacitive sensor are wiped. Pin cushion is pressed to capacitive sensor with strain gage. Pressing force is measured by means of strain gage. Fingerprint image is captured from capacitance sensor when pressing force is 0.25–0.35 kgf. Image is transmitted to a control unit to select an image section for analysis in form of a circle, square or oval. Pixels are separated with intensity of not more than 5 % of maximum image intensity for analysis and excluded from further analysis. Linked areas are selected, in which intensity of adjacent pixels differs from maximum possible pixel intensity by not more than 15 %. Calculating total area of bound areas S_ba in relation to area of analyzed section S. Data are processed from strain gage for determination of tremor at measurement moment. Stress level is calculated on the basis of calculated values.

EFFECT: providing simplicity and efficiency of obtaining results with high accuracy of readings, as well as ranking results by degree of intensity of psychological excitement, stress.

4 cl, 5 dwg, 2 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к области физики и может быть использовано в физиологии и медицине для определения психофизического состояния человека на основании измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца, в частности к измерению уровня стресса.The invention relates to the field of physics and can be used in physiology and medicine to determine the psychophysical state of a person based on measuring the activity of sweat glands on the fingertip, in particular to measuring the level of stress.

Человек в современном мегаполисе практически постоянно находится в состоянии стресса, что крайне негативно сказывается на его физиологии и приводит ко многим заболеваниям. В то же время известна реакция потовых желез на стресс. Потоотделение является составной частью реакции организма на повышение температуры и другие, внешние и внутренние, включая психологические, факторы и раздражители. Каждая потовая железа имеет мышечные и нервные волокна, обеспечивающие ее работу и контролирующие активность. Работа и активность потовой железы управляется нервной и эндокринной системами. Определенная зона гипоталамуса контролирует температуру тела, регулируя потоотделение. Этот центр реагирует не только на изменение температуры, но и на физическую и эмоциональную активность человека. Таким образом, потоотделение вызывается не только повышением температуры тела, но и другими факторами, среди которых эмоциональное состояние играет главную роль. Потовые железы на кистях рук и ступнях в основном реагируют на эмоциональные стимулы. Есть определенный центр в гипоталамусе, который управляет этими железами. Считается, что этот центр, отличный от центров, регулирующих потоотделение на других частях тела, управляется корой головного мозга и не реагирует на изменения температуры. Эмоциональное напряжение, стресс, практически мгновенно изменяет характер работы потовых желез особенно на ступнях, ладонях и подмышках, приводя к повышенному потоотделению. Неконтролируемое потоотделение является симптомом беспокойства, напряжения, эмоциональной перегрузки, страха. Большинство городских жителей знают, что такое стресс и его негативное влияние на повседневную жизнедеятельность, но не знают, как его измерить. В связи с этим возникает необходимость в методах и устройствах для измерения стресса.A person in a modern metropolis is almost always in a state of stress, which negatively affects his physiology and leads to many diseases. At the same time, the reaction of sweat glands to stress is known. Sweating is an integral part of the body's reaction to fever and other, external and internal, including psychological, factors and irritants. Each sweat gland has muscle and nerve fibers that provide its work and control activity. The work and activity of the sweat gland is controlled by the nervous and endocrine systems. A specific area of the hypothalamus controls body temperature by regulating sweating. This center reacts not only to changes in temperature, but also to the physical and emotional activity of a person. Thus, sweating is caused not only by an increase in body temperature, but also by other factors, among which the emotional state plays a major role. The sweat glands on the hands and feet mostly respond to emotional stimuli. There is a specific center in the hypothalamus that controls these glands. It is believed that this center, different from the centers that regulate sweating in other parts of the body, is controlled by the cerebral cortex and does not respond to temperature changes. Emotional stress, stress, almost instantly changes the nature of the sweat glands, especially on the feet, palms and armpits, leading to increased sweating. Uncontrolled sweating is a symptom of anxiety, tension, emotional overload, and fear. Most city dwellers know what stress is and its negative impact on daily life, but they don’t know how to measure it. In this regard, there is a need for methods and devices for measuring stress.

Так, из уровня техники известен способ мониторинга уровня стресса у пациента, включающий регистрацию, измерение и анализ показателей кожной проводимости, при этом по показателям кожной проводимости в динамике определяют: интенсивность стресс-реакции, кумулятивный эффект стресса и степень стрессовой напряженности организма за период непрерывного мониторирования (РФ №2622607, А61В 5/00, А61В 5/05, А61В 5/053, 04.05.2017). Основным недостатком известного способа является сложность и длительность получения результатов.Thus, from the prior art, a method for monitoring a patient’s stress level is known, including recording, measuring and analyzing skin conductivity indicators, and the skin conductivity indicators in dynamics determine: stress response intensity, cumulative stress effect and the degree of stress of the body over a period of continuous monitoring (RF No. 2622607, А61В 5/00, А61В 5/05, А61В 5/053, 04/04/2017). The main disadvantage of this method is the complexity and duration of obtaining results.

Кроме того, из уровня техники известен способ анализа отпечатка пальца, который включает получение изображения отпечатка пальца с помощью емкостного сенсора, передачу данных с сенсора на компьютер, обработку полученного изображения, при этом на отпечатке пальца анализируется деятельность потовых желез, отмеченных на изображении белым пикселем, оценка потоотделения осуществляется в зависимости от количества и цвета пикселей и расстояния между порами (США №9818020, G06K 9/00, 14.11.2017).In addition, there is known from the prior art a method for analyzing a fingerprint, which includes obtaining a fingerprint image using a capacitive sensor, transmitting data from the sensor to a computer, processing the obtained image, while the fingerprint analyzes the activity of sweat glands marked on the image with a white pixel, sweating is assessed based on the number and color of pixels and the distance between pores (US No. 9818020, G06K 9/00, 11/14/2017).

Недостатком указанного способа является недостаточная достоверность показаний устройства, обусловленная способом обработки полученных изображений, отсутствием контроля силы нажима пальца и равномерности расположения подушечки пальца.The disadvantage of this method is the lack of reliability of the readings of the device due to the method of processing the obtained images, the lack of control of the force of finger pressure and the uniformity of the location of the finger pads.

В качестве наиболее близкого аналога принят способ определения уровня стресса на основе данных полученных при измерении частоты сердечных сокращений, пульсового артериального давления и массы тела, при этом уровень стресса определяют по формуле S=f ⋅ ПАД ⋅ М1/3 ⋅ К, где S - уровень испытываемого стресса, усл. ед.; f -частота сердечных сокращений, мин-1; ПАД - пульсовое артериальное давление, мм рт. ст.; М - масса тела, кг; К - нормирующий коэффициент, составляющий для мужчин и женщин соответственно 0,8244⋅10-4 и 0,9357⋅10-4, причем значения S<1,12 усл. ед. соответствуют нормальному уровню стресса в состоянии покоя, а значения S>1,12 усл. ед. отражают соответствующее увеличение уровня стресса (РФ №2147831, А61В 5/02, 27.04.2000).As the closest analogue, a method for determining the stress level based on the data obtained when measuring heart rate, pulse blood pressure and body weight was adopted, while the stress level is determined by the formula S = f ⋅ PAD ⋅ M1 / 3 ⋅ K, where S is the level experiencing stress, srvc. units; f is the heart rate, min-1; PAD - pulse blood pressure, mm RT. st .; M - body weight, kg; K is the normalizing coefficient, which is 0.82442410-4 and 0.9357⋅10-4 for men and women, respectively, with S <1.12 srvc. units correspond to a normal level of stress at rest, and values S> 1.12 srvc. units reflect a corresponding increase in the level of stress (RF №2147831, АВВ 5/02, 04/27/2000).

Недостатком наиболее близкого аналога является сложность и длительность получения результатов, необходимость проведения расчетов и снятия всех показаний, необходимых для расчета, а также отсутствие ранжирования результатов по степени увеличения (усиления, интенсивности) психологического возбуждения, стресса.The disadvantage of the closest analogue is the complexity and duration of obtaining results, the need for calculations and taking all the indications necessary for the calculation, as well as the lack of ranking the results by the degree of increase (gain, intensity) of psychological excitement, stress.

Проблемой, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанных недостатков, быстрое получение результатов измерений, повышение достоверности, точности показаний за счет последовательности операций по обработке полученных изображений, контроля силы нажима пальца и равномерности расположения подушечки пальца, простота осуществления способа и увеличение функциональных возможностей способа.The problem the invention seeks to solve is to eliminate these drawbacks, quickly obtain measurement results, increase the reliability, accuracy of readings due to the sequence of operations on processing the obtained images, control the force of finger pressure and the uniformity of the location of the fingertip, ease of implementation of the method and increase the functionality of the method .

Техническим результатом патентуемого решения является простота и оперативность получения результатов с повышением точности показаний, а также ранжирование результатов по степени интенсивности психологического возбуждения, стресса.The technical result of the patented solution is the simplicity and speed of obtaining results with increased accuracy of the testimony, as well as ranking the results according to the degree of intensity of psychological arousal, stress.

Заявленный технический результат достигается в способе измерения уровня стресса, включающем калибровку устройства для измерения уровня стресса путем прижатия смоченной подушечки пальца к емкостному сенсору с тензодатчиком упомянутого устройства для определения максимальной интенсивности пикселей,The claimed technical result is achieved in a method for measuring the level of stress, including calibrating the device for measuring the level of stress by pressing the wetted finger pad to the capacitive sensor with the strain gauge of the said device to determine the maximum pixel intensity,

протирку подушечки пальца и емкостного сенсора,wiping the finger pads and capacitive sensor,

прижатие подушечки пальца к емкостному сенсору с тензодатчиком,pressing the fingertip to the capacitive sensor with a load cell,

измерение силы прижатия с помощью тензодатчика,measurement of the pressing force using a strain gauge,

снятие изображения отпечатка пальца с емкостного сенсора при достижении заданного значения силы прижатия подушечки пальца,taking a fingerprint image from a capacitive sensor when a predetermined value of the pressing force of the fingertip is reached,

передачу изображения на блок управления для его обработки, при которойimage transmission to the control unit for processing, in which

выделяют участок изображения для анализа;allocate a portion of the image for analysis;

выделяют пиксели, интенсивность которых не превышает 5% от максимального значения интенсивности участка изображения для анализа, и исключают их из дальнейшего анализа;select pixels whose intensity does not exceed 5% of the maximum value of the intensity of the image for analysis, and exclude them from further analysis;

выделяют связанные области - области, в которых соседние пиксели имеют интенсивность, отличающуюся от интенсивности пикселей, имеющих максимальную интенсивность, не более чем на 15%, и вычисляют общую площадь связанных областей S_c.o. в отношении к площади анализируемого участка S;related areas are selected - areas in which neighboring pixels have an intensity different from the intensity of pixels having a maximum intensity of not more than 15%, and the total area of the connected areas S _co is calculated in relation to the area of the analyzed area S;

обрабатывают данные с тензодатчика, показывающие тремор в момент измерения;process data from a strain gauge showing tremor at the time of measurement;

на основе рассчитанных значений определяют уровень стресса.based on the calculated values determine the level of stress.

Благодаря способу измерения уровня стресса, включающему калибровку устройства для измерения уровня стресса путем прижатия смоченной подушечки пальца к емкостному сенсору с тензодатчиком упомянутого устройства, протирку подушечки пальца и емкостного сенсора, прижатие подушечки пальца к емкостному сенсору с тензодатчиком, измерение силы прижатия с помощью тензодатчика, снятие изображения отпечатка пальца с емкостного сенсора при достижении заданного значения силы прижатия подушечки пальца, передачу изображения на блок управления для его обработки, при которой выделяют участок изображения для анализа; выделяют пиксели, интенсивность которых не превышает 5% от максимального значения интенсивности участка изображения для анализа, и исключают их из дальнейшего анализа; выделяют связанные области - области, в которых соседние пиксели имеют интенсивность, отличающуюся от интенсивности пикселей, имеющих максимальную интенсивность, не более чем на 15%, и вычисляют общую площадь связанных областей S_c.o. в отношении к площади анализируемого участка S; обрабатывают данные с тензодатчика, показывающие тремор в момент измерения; на основе рассчитанных значений определяют уровень стресса, обеспечивается простота и оперативность получения результатов с повышением точности показаний, а также ранжирование результатов по степени интенсивности психологического возбуждения, стресса.Thanks to the method of measuring the stress level, including calibrating the device for measuring the stress level by pressing the wetted finger pad to the capacitive sensor with the load cell of the said device, wiping the finger pad and the capacitive sensor, pressing the finger pad to the capacitive sensor with the load cell, measuring the pressure force by removing the load cell images of a fingerprint from a capacitive sensor when a specified value of the pressing force of the fingertip is reached, image transmission to the control unit for I process it, in which a portion of the image is allocated for analysis; select pixels whose intensity does not exceed 5% of the maximum value of the intensity of the image for analysis, and exclude them from further analysis; related areas are selected - areas in which neighboring pixels have an intensity different from the intensity of pixels having a maximum intensity of not more than 15%, and the total area of the connected areas S _co is calculated in relation to the area of the analyzed area S; process data from a strain gauge showing tremor at the time of measurement; Based on the calculated values, the level of stress is determined, the simplicity and speed of obtaining results with increased accuracy of the testimony, as well as the ranking of results by the degree of intensity of psychological arousal, stress are ensured.

В частности, участок изображения для анализа выделяют с центром в центре матрицы сенсора, чтобы исключить «краевые» эффекты, например, в виде круга, квадрата или овала, тем самым повышая точность показаний.In particular, a section of the image for analysis is isolated with a center in the center of the sensor matrix in order to eliminate “edge” effects, for example, in the form of a circle, square or oval, thereby increasing the accuracy of the readings.

В частности, сила прижатия подушечки пальца составляет 0,25-0,35 кгс, при котором осуществляют снятие изображения отпечатка пальца.In particular, the pressing force of the fingertip is 0.25-0.35 kgf, at which the fingerprint image is taken.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фигуре 1 представлена фотография подушечки пальца с каплями пота под микроскопом.The figure 1 presents a photograph of a fingertip with drops of sweat under a microscope.

На фигуре 2 - устройство, реализующее заявленный способ.In figure 2 - a device that implements the claimed method.

На фигуре 3 - слева направо отпечаток пальца пользователя в состоянии стресса с шумами, отпечаток пальца без шумов и усредненные графики (гистограммы), отражающие количество пикселей определенной интенсивности: черный - по отпечатку пальца с шумами, красный - по отпечатку пальца без шумов.In figure 3, from left to right, a fingerprint of a user in a stress state with noise, a fingerprint without noise and average graphs (histograms) showing the number of pixels of a certain intensity: black - by fingerprint with noise, red - by fingerprint without noise.

На фигуре 4 - слева направо отпечаток пальца пользователя в спокойном состоянии с шумами, отпечаток пальца без шумов и усредненные графики, отражающие количество пикселей определенной интенсивности: черный - по отпечатку пальца с шумами, красный - по отпечатку пальца без шумов.In figure 4 - from left to right, the user's fingerprint in a calm state with noise, a fingerprint without noise and averaged graphs that reflect the number of pixels of a certain intensity: black - according to the fingerprint with noise, red - according to the fingerprint without noise.

На фигуре 5 - слева направо отпечаток пальца пользователя в состоянии после физической активности, отпечаток пальца без шумов и усредненные графики, отражающие количество пикселей определенной интенсивности: черный - по отпечатку пальца с шумами, красный - по отпечатку пальца без шумов.In figure 5 - from left to right, the user's fingerprint in the state after physical activity, the fingerprint without noise and averaged graphs that reflect the number of pixels of a certain intensity: black - according to the fingerprint with noise, red - according to the fingerprint without noise.

Известно, что на поверхности кожи человека имеется большое количество пор -отверстий выводных протоков потовых желез на поверхности кожи (см. фиг. 1). Количество потовых желез в коже лица, ладоней - 400-500 желез на 1 см². Потовая железа состоит из секреторного клубочка (концевого отдела) и более узкого выводного протока, которые соединяют секреторные клубочки с поверхностью кожи. Выводные протоки заполнены жидкостью - потом, проводящей электрический ток. Выделение пота железами осуществляется постоянно. Количество пота в протоках и на поверхности кожи зависит от активности потовых желез.It is known that on the surface of human skin there is a large number of pores — openings of the excretory ducts of the sweat glands on the surface of the skin (see Fig. 1). The number of sweat glands in the skin of the face, palms - 400-500 glands per 1 cm ² . The sweat gland consists of a secretory glomerulus (end section) and a narrower excretory duct that connect the secretory glomeruli to the skin surface. The excretory ducts are filled with liquid - then, conducting an electric current. Sweat glands are released continuously. The amount of sweat in the ducts and on the surface of the skin depends on the activity of the sweat glands.

Основным фактором, определяющим электрические свойства кожи, является потоотделение. Внешний слой кожи - эпидермис - это хороший нейтральный диэлектрик, в то время как пот - хороший электролитический проводник с малым омическим сопротивлением, электрически связывающий поверхность кожи с внутренностями тела. Суммарное электрическое сопротивление кожи в целом определяется интенсивностью потоотделения, вследствие чего измерение электрических свойств кожи есть метод оценки активности потовых желез.The main factor determining the electrical properties of the skin is sweating. The outer layer of the skin - the epidermis - is a good neutral dielectric, while sweat is a good electrolytic conductor with low ohmic resistance, electrically connecting the surface of the skin with the insides of the body. The total electrical resistance of the skin as a whole is determined by the intensity of perspiration, as a result of which the measurement of the electrical properties of the skin is a method for assessing the activity of sweat glands.

У человека в спокойном состоянии потовые протоки заполнены до некоторого среднего уровня, обеспечивающего нормальное увлажнение кожи и охлаждение тела. В состоянии беспокойства, возбуждения, стресса дополнительные объемы потовой жидкости постоянно вырабатываются и выбрасываются на поверхность кожи, изменяя электрические свойства и топологию последней.In a person in a calm state, the sweat ducts are filled to a certain average level, providing normal skin hydration and body cooling. In a state of anxiety, excitement, stress, additional volumes of sweat fluid are constantly produced and released to the surface of the skin, changing the electrical properties and topology of the latter.

Отношение активности потовых желез к психофизиологии человека с одной стороны и к электрическим свойствам кожи - с другой, дает возможность с помощью измерения электрических характеристик кожи оценивать (измерять) психофизиологическое состояние человека: при изменении эмоционального состояния человека изменяются электрические свойства кожи.The ratio of the activity of sweat glands to the psychophysiology of man, on the one hand, and the electrical properties of the skin, on the other hand, makes it possible to evaluate (measure) the psychophysiological state of a person by measuring the electrical characteristics of the skin: when the emotional state of a person changes, the electrical properties of the skin change.

Такие изменения проводимости кожи происходят не на всей поверхности, а в основном на коже лица, ладоней, ступней и подмышками, где расположены специальные железы с определенной иннервацией, чувствительные к изменениям психологического состояния. При наступлении эмоциональных состояний (страх, беспокойство, тревога, волнение, смятение, возбуждение, нервозность, раздражительность и пр.) вначале меняется, чаще всего, усиливается, потоотделение на ладонях и ступнях, а особенно на подушечках пальцев. Зоны потоотделения соответствуют чувствительным рецепторам, плотно расположенным на подушечках пальцев.Such changes in skin conduction do not occur on the entire surface, but mainly on the skin of the face, hands, feet and armpits, where special glands with a certain innervation are located, sensitive to changes in the psychological state. When the onset of emotional states (fear, anxiety, anxiety, excitement, confusion, agitation, nervousness, irritability, etc.) initially changes, most often, increases, sweating on the palms and feet, and especially on the fingertips. Sweating zones correspond to sensitive receptors tightly located on the fingertips.

Для осуществления способа используют устройство для измерения/определения уровня стресса, которое в частном случае реализации согласно фигуре 2 содержит корпус 1, емкостной сенсор отпечатков пальцев (CMOS матрица с 256-ю оттенками серого, 256 оттенков, значения от 0 до 255) 3, расположенный под ним тензодатчик веса (не показан) для измерения силы нажима пальца и равномерности прижатия подушечки пальца в момент снятия изображения подушечки пальца, блок управления (микроконтроллер) с программой для расчета по данным с полученного изображения подушечки пальца и показаниям тензодатчика уровня стрессового состояния человека, блок питания и экран для отображения результатов 3.To implement the method, a device is used to measure / determine the level of stress, which in the particular case of implementation according to figure 2 contains a housing 1, a capacitive fingerprint sensor (CMOS matrix with 256 shades of gray, 256 shades, values from 0 to 255) 3, located beneath it is a weight strain gauge (not shown) for measuring finger pressure and uniformity of the pressure of the finger pad at the time of taking the image of the finger pad, a control unit (microcontroller) with a program for calculating data from the received image of the pad finger points and strain gauge readings of a person’s stress state, power supply and a screen to display the results 3.

Способ в частном случае его реализации осуществляют следующим образом.The method in the particular case of its implementation is as follows.

1. Поскольку у каждого человека разный уровень проводимости и состояния и чувствительности кожи, то при первом использовании устройства, пользователь должен откалибровать его под себя, тем самым увеличив точность получаемых результатов. Для этого необходимо сымитировать максимальный уровень стресса у пользователя, предварительно смочив палец. Затем зажать мультифункциональную кнопку на 2 секунды. Устройство включится (пробежит волна на светодиодном индикаторе) и войдет в настроечный режим. Далее приложить смоченный палец к поверхности емкостного сенсора устройства. Устройство зафиксирует, сохранит результат и будет считать его максимально возможным значением для данного пользователя.1. Since each person has a different level of conductivity and skin condition and sensitivity, the first time you use the device, the user must calibrate it for themselves, thereby increasing the accuracy of the results. To do this, it is necessary to simulate the maximum level of stress in the user, after wetting the finger. Then hold down the multifunction button for 2 seconds. The device will turn on (a wave will run through the LED indicator) and enter the tuning mode. Next, apply a dampened finger to the surface of the capacitive sensor of the device. The device will record, save the result and will consider it the maximum possible value for this user.

Суть этой настройки заключается в том, чтобы получить максимальное значение интенсивности (яркости) пикселя из изображения подушечки пальца для конкретного пользователя. Максимальное значение интенсивности (яркости) пикселя - 255, 255 - это абстрактная величина, которую выдает сам сенсор отпечатков пальца: 0 - белый, 255 черный, 255 у.ед. - это максимальное значение, которое влезает в байт. От максимального значения интенсивности (яркости) пикселя будет строиться шкала определения уровня стресса согласно изобретению (это значение возьмется за максимально возможное для этого пользователя).The essence of this setting is to get the maximum value of the intensity (brightness) of the pixel from the image of the fingerprint for a specific user. The maximum value of the intensity (brightness) of a pixel - 255, 255 - is an abstract value that the fingerprint sensor gives out: 0 - white, 255 black, 255 units - This is the maximum value that breaks into bytes. From the maximum value of the intensity (brightness) of the pixel, a scale for determining the stress level according to the invention will be built (this value will be taken as the maximum possible for this user).

2. Далее протирают (удаляют влагу, осушают) подушечку пальца и емкостной сенсор отпечатков пальцев салфеткой или любым другим материалом, нажимают кнопку (короткое нажатие) и прижимают палец к поверхности емкостного сенсора устройства для измерения активности работы потовых желез на подушечке пальца. На светодиодной шкале будет отображаться сила прижатия пальца к сенсору. Необходимо зафиксировать палец так, чтобы на светодиодной шкале горел 5-й светодиод, что соответствует силе прижатия 0,25-0,35 кгс. Установлено, что наиболее точные показания получают при снятии изображения при величине силы прижатия 0,25-0,35 кгс. Силу прижатия подушечки пальца к емкостному сенсору контролируют с помощью тензодатчика.2. Next, wipe (remove moisture, dry) the fingertip and the capacitive fingerprint sensor with a napkin or any other material, press the button (short press) and press a finger to the surface of the capacitive sensor of the device to measure the activity of sweat glands on the fingertip. On the LED scale, the force of pressing the finger to the sensor will be displayed. It is necessary to fix the finger so that the 5th LED is lit on the LED scale, which corresponds to a pressing force of 0.25-0.35 kgf. It was found that the most accurate readings are obtained when taking an image with a pressing force of 0.25-0.35 kgf. The force of pressing the finger pads to the capacitive sensor is controlled using a strain gauge.

В это время происходит сбор информации уровня тремора - в течении 1 секунды. Как только палец будет зафиксирован, прозвучит короткий звуковой сигнал. Это значит, что изображение получено и началась обработка.At this time, tremor level information is collected - within 1 second. As soon as the finger is locked, a short beep will sound. This means that the image is received and processing has begun.

Для увеличения точности получаемого результата все отклонения нужно свести к минимуму. При разной силе прижатия подушечки пальца к матрице получается разная площадь выделенных капелек пота (при слишком сильном прижатии площадь увеличивается, при недостаточном прижатии неправильно отображаются папиллярные линии на подушечки пальца). Для стандартизации этого показателя служит тензодатчика. И измерение производится только в том случае, если палец зафиксирован с правильной силой нажатия. Установлено, что наиболее точные показания получают при снятии изображения при величине силы прижатия 0,25-0,35 кгс.To increase the accuracy of the result, all deviations must be minimized. With different strengths of pressing the fingertip to the matrix, a different area of the selected sweat droplets is obtained (if the pressure is too strong, the area increases, with insufficient pressing the papillary lines on the fingertips are not displayed correctly). A strain gauge serves to standardize this indicator. And the measurement is made only if the finger is locked with the correct pressure. It was found that the most accurate readings are obtained when taking an image with a pressing force of 0.25-0.35 kgf.

Благодаря протирке - удалению пота с подушечки пальца перед прижатием ее к поверхности емкостного сенсора и емкостного сенсора, обеспечивается удаление лишнего пота. При состоянии физической активности лишний пот, который скапливается и заливает всю подушечку пальца удаляется, образуется картина оставшегося пота, равномерно распределенного по подушечке пальце, при этом дальше пот не выделяется, т.к. физическая нагрузка отсутствует. В состоянии увеличенного стресса пот продолжает неравномерно выделяться и после протирки.Thanks to wiping - removing sweat from the fingertip before pressing it to the surface of the capacitive sensor and capacitive sensor, the removal of excess sweat is ensured. In a state of physical activity, excess sweat that accumulates and fills the entire fingertip is removed, a picture of the remaining sweat is formed, evenly distributed over the fingertip, while no further sweat is released, because physical activity is absent. In a state of increased stress, sweat continues to be unevenly released even after wiping.

Снятие изображения осуществляют путем измерения емкости каждой ячейки специальной матрицы. Каждая ячейка матрицы представляет собой одну из обкладок конденсатора, второй обкладкой которого является поверхность пальца, прижатого к поверхности матрицы. Из данных снятых с матрицы формируется изображение для дальнейшего анализа. На емкость каждой ячейки непосредственно влияет проводимость (электрическое сопротивление) участка кожи подушечки пальца, приходящегося на место расположения этой ячейки. Чем проводимость больше, тем больше емкость, а проводимость кожи человека в основном определяется ее влажностью, т.е. активностью потовых желез.Image capture is carried out by measuring the capacitance of each cell of a special matrix. Each cell of the matrix is one of the plates of the capacitor, the second plate of which is the surface of the finger pressed to the surface of the matrix. From the data taken from the matrix, an image is formed for further analysis. The capacitance of each cell is directly affected by the conductivity (electrical resistance) of the skin area of the finger pads located at the location of this cell. The greater the conductivity, the greater the capacity, and the conductivity of human skin is mainly determined by its moisture content, i.e. sweat gland activity.

3. Получают изображение и осуществляют его обработку на блоке управления.3. Get the image and carry out its processing on the control unit.

В блок хранения данных блока управления с емкостного сенсора поступает двухмерное изображение подушечки пальца, выделяется участок изображения для анализа с центром в центре матрицы сенсора, чтобы исключить «краевые» эффекты, например, в виде круга, квадрата или овала. Затем данный участок изображения обрабатывается в блоке сравнения и анализа изображения следующим образом.From the capacitive sensor, a two-dimensional image of the fingertip is sent to the data storage unit of the control unit, a portion of the image is selected for analysis with a center in the center of the sensor matrix to eliminate “edge” effects, for example, in the form of a circle, square or oval. Then, this image section is processed in the image comparison and analysis unit as follows.

Выделяются пиксели, интенсивность (яркость) которых не превышает заданный уровень (из максимального значения интенсивности (яркости) пикселя 255 у.ед. определяется заданный уровень 5%, что соответствует 13 у.ед.). В последующем анализе эти пиксели участвовать не будут. Т.е. все значения интенсивности (яркости) пикселей ниже 13 у.ед. (включительно) преобразуются в значение 0 (абсолютно белый). Это требуется для удаления шумов сенсора отпечатков пальца и приведения всех датчиков к единому уровню белого. В результате убирается погрешность устройства и увеличивается точность последующей обработки и конечного результата. Алгоритмически это показано на фигурах 3, 4, 5. Левое изображение и черный график это реальное изображение, полученное с сенсора отпечатков пальца, а правое изображение и красный график это масштабированное изображение с убранной погрешностью.Pixels are distinguished whose intensity (brightness) does not exceed a predetermined level (from the maximum value of the intensity (brightness) of a pixel 255 units, a predetermined level of 5% is determined, which corresponds to 13 units). In the subsequent analysis, these pixels will not participate. Those. all values of intensity (brightness) of pixels below 13 units (inclusive) are converted to 0 (completely white). This is required to remove fingerprint sensor noise and bring all sensors to a single white level. As a result, the error of the device is removed and the accuracy of the subsequent processing and the final result is increased. Algorithmically, this is shown in figures 3, 4, 5. The left image and the black graph are the real image obtained from the fingerprint sensor, and the right image and the red graph are the scaled image with the error removed.

Далее определяется правильно ли получено изображение. Для наглядности представлено описание анализа полученных данных с помощью графиков. Если на одной из линий графика присутствуют два ярко выраженных пика, то изображение получено правильно: палец и емкостной сенсор отпечатков пальцев были предварительно протерты и пользователь правильно приложил палец к емкостному сенсору отпечатков пальцев, в этом случае оценивается уровень стресса (см. фиг. 3 и фиг. 4). Если на одной из линий графика присутствует только один пик (см. фиг. 5), устройство предложит сделать повторное измерение с помощью световой и звуковой индикации, предварительно протерев палец.Next, it is determined whether the image is received correctly. For clarity, a description of the analysis of the obtained data using graphs is presented. If two distinct peaks are present on one of the graph lines, then the image is received correctly: the finger and the capacitive fingerprint sensor were previously wiped and the user correctly applied the finger to the capacitive fingerprint sensor, in this case the stress level is estimated (see Fig. 3 and Fig. 4). If only one peak is present on one of the graph lines (see Fig. 5), the device will suggest making a second measurement using light and sound indications, having previously wiped a finger.

Фигура 5 иллюстрирует отпечаток пальца пользователя в состоянии физической активности в случае, когда он не протер палец или емкостной сенсор. В состоянии физической активности у человека усиленно работают потовые железы. Но капельки пота, выделяемые при физической активности, появляются медленнее чем, капельки пота, зависящие от состояния стресса. Поэтому после протирки пальца у пользователя в состоянии физической активности остаются только те капельки пота, которые выделяются из-за стрессового состояния. На этом принципе и основано отличие физической активности от стресса.Figure 5 illustrates a fingerprint of a user in a state of physical activity in the case when he did not wipe his finger or capacitive sensor. In a state of physical activity in a person, sweat glands work intensely. But sweat droplets released during physical activity appear slower than sweat droplets, depending on the state of stress. Therefore, after wiping the finger, the user in a state of physical activity remains only those droplets of sweat that are released due to the stress state. The difference between physical activity and stress is based on this principle.

Пик в левой части графика (фиг. 3 и 4) показывает наличие промежутков между папиллярными линиями (светлые области), а в правой части графика папиллярных линий (темные области с высокой интенсивностью). Блок сравнения и анализа изображения определяет и анализирует соотношение папиллярных линий - связанных областей пикселей и промежутков между ними, что для наглядности отражено на графиках. Пик только в левой части графика быть не может, а только в правой может, это объясняется тем, что изображение залито потом (на изображении черный цвет) и устройство не может посчитать отношение площадей для определения уровня стресса.The peak on the left side of the graph (Fig. 3 and 4) shows the presence of gaps between the papillary lines (light areas), and on the right side of the graph papillary lines (dark areas with high intensity). The image comparison and analysis unit determines and analyzes the ratio of papillary lines - connected areas of pixels and spaces between them, which is shown in the graphs for clarity. The peak only in the left part of the graph cannot be, but only in the right part, this can be explained by the fact that the image is flooded later (the image is black) and the device cannot calculate the ratio of the areas for determining the stress level.

Обычно папиллярные линии имеют значение интенсивности от максимального (полученного в п. 1 при калибровке устройства) минус 15%. А промежутки между ними от 13 у.ед до 30-35 у.ед. На графиках это можно рассмотреть. Исходя из этих цифр устройство строит матрицу и анализирует количество пикселей с указанной интенсивностью (яркостью).Typically, papillary lines have a value of intensity from the maximum (obtained in step 1 when calibrating the device) minus 15%. And the gaps between them are from 13 units to 30-35 units. On the graphs, this can be considered. Based on these numbers, the device builds a matrix and analyzes the number of pixels with the specified intensity (brightness).

Если изображение отпечатка пальца получено правильно (фиг. 3 и 4) - оправляется уровень стресса по следующим критериям:If the image of the fingerprint is received correctly (Fig. 3 and 4), the stress level is adjusted according to the following criteria:

а) выделяются связанные области - области, в которых соседние пиксели имеют интенсивность (яркость), отличающуюся от интенсивности пикселей, имеющих максимальную интенсивность, определенную при калибровке, не более чем на заданную величину (15%). Далее вычисляется общая площадь всех связанных областей S_c.o. в отношении к площади анализируемого участка S с точностью до второго знака и выбирается значение из таблицы 1.a) related areas are highlighted - areas in which neighboring pixels have an intensity (brightness) that differs from the intensity of pixels having a maximum intensity determined during calibration by no more than a predetermined value (15%). Next, the total area of all related areas S _co is calculated with respect to the area of the analyzed area S accurate to the second sign and a value is selected from table 1.

б) обрабатывается информация с тензодатчика (скалярная величина, по которой рассчитывается, насколько сильно проявляется тремор в момент измерения). Продолжительность измерения составляет 1 секунду с дискретом 1 мсек. Тем самым строится график из 1000 значений. Высчитывается среднее величина отклонение от 0,3 кгс±10% и скорость дрожания пальца, и по линейной шкале (0,3 кгс - минус 10% это 0 баллов, 0,3 гкс плюс 10% это 10 баллов) вычисляется насколько сильно проявляется тремор в момент измерения.b) information from the strain gauge is processed (a scalar value by which it is calculated how much tremor appears at the time of measurement). The duration of the measurement is 1 second with a discretion of 1 ms. Thus, a graph of 1000 values is constructed. The average deviation from 0.3 kgf ± 10% and the rate of trembling of the finger are calculated, and on a linear scale (0.3 kgf - minus 10% is 0 points, 0.3 gks plus 10% is 10 points) how much tremor is manifested at the time of measurement.

в) выбирается среднее значение величин, полученное из пунктов а) и б) и отображается на шкале индикатора.c) the average value of the values obtained from points a) and b) is selected and displayed on the indicator scale.

4. После обработки осуществляют выдачу результатов на экран для отображения результатов. Экран для отображения результатов имеет 10 делений, если на экране не отображаются ни одно деление, это значит, что никаких измерений не проводилось или к емкостному сенсору был приложен другой объект. Шкала оценки интенсивности стресса относительно количеству индицируемых делений представлена в таблице 2.4. After processing, the results are displayed on the screen to display the results. The screen for displaying the results has 10 divisions, if not a single division is displayed on the screen, this means that no measurements were performed or another object was attached to the capacitive sensor. The scale for assessing stress intensity relative to the number of indicated divisions is presented in table 2.

Приведем пример расчета полученных при измерении данных по указанному выше способу. На первом этапе при калибровке устройства было получено максимальное значение интенсивности (яркости) пикселей 230 у.ед. Диапазон значений после устранения шумов составил 13 у.ед. до 230 у.ед. Если изображение получено правильно, происходит расчет площади связанных областей - областей, в которых соседние пиксели имеют интенсивность, отличающуюся от интенсивности пикселей, имеющих максимальную интенсивность, определенную при калибровке, не более чем на 15%. Интенсивность пикселей, входящих в связанные зоны, в данном случае от 230 у.ед. до 195 у.ед. (230-230*15%).Here is an example of calculating the data obtained during the measurement using the above method. At the first stage, when calibrating the device, the maximum value of the intensity (brightness) of the pixels was 230 units. The range of values after eliminating noise was 13 units up to 230 units If the image is received correctly, the area of the connected areas is calculated - areas in which neighboring pixels have an intensity that differs from the intensity of pixels having a maximum intensity determined during calibration by no more than 15%. The intensity of the pixels included in the associated areas, in this case, from 230 units until 195 (230-230 * 15%).

Далее изобретения поясняются с помощью примеров.The invention is further illustrated by way of examples.

Пример 1. Проводили измерения уровня психологического возбуждения, стресса пользователя. Пользователь находился в спокойном состоянии. Устройство показало 3 деления. Аналогичные измерения проводились в течении 10 дней у одного и того-же пользователя в спокойном состоянии. Параллельно пользователь проходил ЭКГ, измерял пульс, кровяное давление, частоту и глубину дыхания. Все полученные данные соответствовали нормальным показателям здорового человека. Эти данные показали правильность определения устройством состояния покоя человека. Также тот же самый пользователь прошел измерение по способу наиболее близкого аналога, которое также подтвердило состояние покоя.Example 1. Measurements of the level of psychological arousal, stress of the user. The user was in a calm state. The device showed 3 divisions. Similar measurements were carried out for 10 days at the same user in a calm state. In parallel, the user passed an ECG, measured the pulse, blood pressure, frequency and depth of breathing. All obtained data corresponded to normal indicators of a healthy person. These data showed the correctness of the device to determine the state of human rest. Also, the same user passed the measurement by the method of the closest analogue, which also confirmed the state of rest.

Пример 2. Проводили измерения уровня психологического возбуждения, стресса того же самого пользователя, что и в примере 1, только после выполнения им ряда физических упражнений в течении 20-40 минут. Аналогичные измерения проводились в течении 10 дней у одного и того-же пользователя. Когда пользователь забывал протереть палец или емкостной сенсор, устройство издавало звуковой сигнал, означающий что измерения нужно снять повторно, предварительно протерев палец и емкостной сенсор. После протирки пальца и емкостного сенсора устройство показало 3 деления, которые соответствует нормальному состоянию человека (см. табл. 2). Параллельно пользователь проходил ЭКГ, измерял пульс, кровяное давление, частоту и глубину дыхания. Эти данные имели повышенное значение, характерное для человека после физической активности. Дело в том, что после физических упражнений все физические показатели сильно выше показателей в состоянии покоя. Также тот же самый пользователь прошел измерение по способу наиболее близкого аналога, которое показало значение, соответствующее увеличенному уровню стресса. Таким образом, заявленный способ максимально точно определил уровень стресса пользователя, позволил в отличие от аналога отличить пользователя в состоянии физической активности от пользователя в состоянии покоя, поскольку потоотделение на подушечки пальца при физической активности проявляется не так, как в состоянии стресса и заявленный способ это учитывает.Example 2. We measured the level of psychological arousal, stress of the same user as in example 1, only after he completed a series of physical exercises for 20-40 minutes. Similar measurements were carried out for 10 days at the same user. When the user forgot to wipe his finger or capacitive sensor, the device emitted a sound signal, meaning that the measurements need to be taken again, having previously wiped the finger and the capacitive sensor. After wiping the finger and the capacitive sensor, the device showed 3 divisions that correspond to the normal state of a person (see table. 2). In parallel, the user passed an ECG, measured the pulse, blood pressure, frequency and depth of breathing. These data were of increased importance, characteristic of a person after physical activity. The fact is that after physical exercises all physical indicators are much higher than those at rest. Also, the same user was measured by the method of the closest analogue, which showed a value corresponding to an increased level of stress. Thus, the claimed method as accurately as possible determined the level of stress of the user, made it possible, in contrast to the analogue, to distinguish between a user in a state of physical activity and a user at rest, since sweating on the fingertips during physical activity does not appear as in a state of stress and the claimed method takes this into account .

Пример 3. Проводили измерения уровня психологического возбуждения, стресса пользователя. Пользователь находился в состоянии сильного психологического возбуждения, стресса. Устройство показало 9 делений. Аналогичные измерения проводились в течении 10 дней у одного и того-же пользователя в аналогичном состоянии психологического возбуждения. Параллельно пользователь проходил ЭКГ, измерял пульс, кровяное давление, частоту и глубину дыхания. Все полученные данные были сильно выше относительно нормальных показателей здорового человека. Эти данные показали правильность определения устройством сильного психологического возбуждения, стресса пользователя. Также тот же самый пользователь прошел измерение по способу наиболее близкого аналога, которое также показало значение, соответствующее увеличенному уровню стресса.Example 3. Measurements of the level of psychological arousal, stress of the user. The user was in a state of intense psychological arousal, stress. The device showed 9 divisions. Similar measurements were carried out for 10 days in the same user in a similar state of psychological arousal. In parallel, the user passed an ECG, measured the pulse, blood pressure, frequency and depth of breathing. All the data obtained were much higher relative to normal indicators of a healthy person. These data showed the correctness of the device's determination of strong psychological arousal, user stress. Also, the same user passed the measurement by the method of the closest analogue, which also showed a value corresponding to an increased level of stress.

Пример 4. Проводили измерения уровня психологического возбуждения, стресса пользователя. Пользователь находился в состоянии психологического возбуждения, стресса. Устройство показало 7 делений, что соответствует среднему уровню стресса. Аналогичные измерения проводились в течении 10 дней у одного и того-же пользователя в аналогичном состоянии психологического возбуждения. Параллельно пользователь проходил ЭКГ, измерял пульс, кровяное давление, частоту и глубину дыхания. Все полученные данные были завышены относительно нормальных показателей здорового человека, но ниже данных из предыдущего примера. Эти данные показали правильность определения устройством среднего психологического возбуждения. Также тот же самый пользователь прошел измерение по способу наиболее близкого аналога, в результате получил значение, соответствующее увеличенному уровню стресса. Таким образом, заявленный способ позволяет точнее определить ранжировать уровень стресса у человека, для того чтобы он мог принять соответствующие меры.Example 4. Measured the level of psychological arousal, stress of the user. The user was in a state of psychological arousal, stress. The device showed 7 divisions, which corresponds to an average level of stress. Similar measurements were carried out for 10 days in the same user in a similar state of psychological arousal. In parallel, the user passed an ECG, measured the pulse, blood pressure, frequency and depth of breathing. All data obtained were overestimated relative to normal indicators of a healthy person, but lower than the data from the previous example. These data showed the correctness of the device to determine the average psychological arousal. Also, the same user passed the measurement by the method of the closest analogue, as a result received a value corresponding to an increased level of stress. Thus, the claimed method allows you to more accurately determine the ranking of the level of stress in a person so that he can take appropriate measures.

Пример 5. Проводили измерения уровня психологического возбуждения, стресса того же самого пользователя, что и в примере 4, только после выполнения им ряда физических упражнений в течении 20-40 минут. Аналогичные измерения проводились в течении 10 дней у одного и того-же пользователя. Когда пользователь забывал протереть палец или емкостной сенсор, устройство издавало звуковой сигнал, означающий что измерения нужно снять повторно, предварительно протерев палец и емкостной сенсор. После протирки пальца и емкостного сенсора устройство показало 7 делений, что соответствует среднему уровню стресса (см. табл. 2). Параллельно пользователь проходил ЭКГ, измерял пульс, кровяное давление, частоту и глубину дыхания. Эти данные имели повышенное значение, характерное для человека после физической активности. Также тот же самый пользователь прошел измерение по способу наиболее близкого аналога, которое показало значение, соответствующее высокому уровню стресса. Таким образом, заявленный способ максимально точно определил уровень стресса пользователя, даже после выполнения пользователем физических упражнений.Example 5. Measurements were taken of the level of psychological arousal, stress of the same user as in example 4, only after he completed a series of physical exercises for 20-40 minutes. Similar measurements were carried out for 10 days at the same user. When the user forgot to wipe his finger or capacitive sensor, the device emitted a sound signal, meaning that the measurements need to be taken again, having previously wiped the finger and the capacitive sensor. After wiping a finger and a capacitive sensor, the device showed 7 divisions, which corresponds to an average level of stress (see Table 2). In parallel, the user passed an ECG, measured the pulse, blood pressure, frequency and depth of breathing. These data were of increased importance, characteristic of a person after physical activity. Also, the same user was measured by the method of the closest analogue, which showed a value corresponding to a high level of stress. Thus, the claimed method as accurately as possible determined the level of stress of the user, even after the user performs physical exercises.

Таким образом, заявленный способ позволяет отличить состояние психологического возбуждения, стресса у пользователя от состояния покоя или состояния физической активности, в отличии от наиболее близкого аналога. Кроме того, заявленный способ позволяет быстро, легко и удобно получить точные результаты уровня (интенсивности) стресса у пользователя, в отличие от традиционных исследований и наиболее близкого аналога.Thus, the claimed method allows to distinguish the state of psychological arousal, stress in the user from a state of rest or a state of physical activity, in contrast to the closest analogue. In addition, the claimed method allows you to quickly, easily and conveniently get accurate results of the level (intensity) of stress in the user, in contrast to traditional research and the closest analogue.

Данные исследования проводились на группе лиц, указанные выше результаты были подтверждены.These studies were conducted on a group of individuals, the above results were confirmed.

Для более точного получение результатов, выявления длительного стресса депрессии, измерения можно проводить несколько раз в день, каждый день в течение недели, месяца, нескольких месяцев.To more accurately obtain results, identify long-term stress of depression, measurements can be performed several times a day, every day for a week, month, several months.

Таким образом, заявленный способ для измерения уровня психологического возбуждения, стресса обеспечивает простоту и оперативность получения результата с повышением точности показаний, благодаря ранжированию результатов по степени увеличения (усиления, интенсивности).Thus, the claimed method for measuring the level of psychological arousal, stress provides the simplicity and speed of obtaining a result with increased accuracy of the testimony, thanks to the ranking of the results by the degree of increase (gain, intensity).

Claims

1. A method of measuring stress levels, including

calibration of the device for measuring the level of stress by pressing the moistened finger pad to the capacitive sensor with the strain gauge of the said device to determine the maximum pixel intensity,

wiping the finger pads and capacitive sensor,

pressing the fingertip to the capacitive sensor with a load cell,

measurement of the pressing force using a strain gauge,

taking a fingerprint image from a capacitive sensor when a predetermined value of the pressing force of the fingertip is reached,

image transmission to the control unit for processing, in which

allocate a portion of the image for analysis;

select pixels whose intensity does not exceed a predetermined level - 5% of the maximum value of the intensity of the image area for analysis, and exclude them from further analysis;

related areas are selected - areas in which neighboring pixels have an intensity different from the intensity of pixels having a maximum intensity of not more than 15%, and the total area of the connected areas S _co is calculated in relation to the area of the analyzed area S;

process data from a strain gauge showing tremor at the time of measurement;

based on the calculated values determine the level of stress.

2. The method of measuring the level of stress according to claim 1, characterized in that the image for analysis is isolated with a center in the center of the capacitive sensor matrix.

3. The method of measuring the level of stress according to claim 1, characterized in that the portion of the image for analysis is isolated in the form of a circle, square or oval.

4. The method of measuring the stress level according to claim 1, characterized in that the pressing force of the fingertip is 0.25-0.35 kgf, at which the fingerprint image is taken.