一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法及系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法及系統，本發明方法包括以下步驟：參數初始化、采集人體電阻數據、數據分析、將情緒狀態值反饋給用戶；所述數據分析包括預處理及閾值分析，斜率分析，斜率和持續時間配合分析，斜率、持續時間和閾值配合分析。本發明的系統包括依次連接的醫療極片、橋式電阻/電導測量電路、放大電路、A/D轉換電路、CPU和人機交互界面。本發明采用自適應的算法，利用電阻的大小、斜率以及狀態持續時間變化來反映情緒，能克服個體差異問題，更加精細反應測試者興奮程度。
【專利說明】一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法及系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法。
【背景技術】
[0002]生物在感受到外界刺激以及情緒激動時，其皮膚電阻由于兩點之間的電位差增大，導致其皮膚兩點間的電阻變小，這種現象稱之為生理電反射。人們對此現象產生的研究并不是很深入，目前較為權威的解釋是人體皮膚電阻發生變化是與汗腺活動有關。情緒激動時，汗水分泌較多，而汗水中存在大量電解質，導致人體皮膚表面電阻發生變化。
[0003]許多研究者對于情緒和電阻之間的關系也曾有過分析，但是卻致力于為何情緒波動會影響人體皮膚電阻的變化，他們僅僅以電阻大小的變化來區分測試者是處在平靜還是興奮狀態。這樣不僅不能夠反映測試者興奮程度，而且對于不同的測試者，其個體差異性較大，存在許多不確定因素(比如有的人激動時愛出汗，其電阻變化很明顯，有的人則不然；不同體重的人，在同樣的測試條件下，也會有不同的電阻變化)，其電阻變化范圍往往差距較大，因此不能直接以電阻大小的變化來確定其處在平靜或興奮狀態，本發明旨在補充這一方面的缺陷。
【發明內容】
[0004]為了克服以往研究中只對情緒狀態進行平靜和興奮兩個狀態的劃分，且沒有考慮個體差異的問題，本發明公開了一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，利用情緒波動過程中皮膚電阻變化這一現象來定性定量地分析出人體情緒變化的程度，從而加以利用。
[0005]本發明的技術方案為:
[0006]一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0007]步驟一:參數初始化；
[0008]步驟二:采集人體電阻數據；
[0009]步驟三:數據分析；
[0010]步驟四:將情緒狀態值反饋給用戶；
[0011]所述參數初始化包括:設置情緒狀態值初始值、情緒狀態的最小值和最大值；設置第一電阻閾值1wThresh和第二電阻閾值highThresh,當所采集的人體皮膚電阻值小于1wThresh時，人體處于興奮狀態；當所采集的人體皮膚電阻值大于highThresh時，人體處于平靜狀態；
[0012]所述數據分析包括數據預處理及閾值分析、斜率分析、斜率和持續時間配合分析、斜率、持續時間和閾值配合分析。
[0013]所述閾值分析具體包括以下步驟:
[0014]若當前窗口的電阻平均值小于1wThresh，則情緒狀態值增加ZZZ ;否則
[0015]若當前窗口的電阻平均值大于highThresh，則情緒狀態值減小ZZZ ;否則[0016]若當前窗口的電阻平均值大于β fMinHistory，則其情緒狀態減小XXX ;否則
[0017]若當前窗口的電阻平均值小于a fMaxHistory，則情緒狀態值增加XXX ;否則情緒狀態值保持不變；
[0018]其中當前窗口的電阻平均值是指長度為StepSize的窗口內采集到的電阻數據的平均值；MaxHistory和MinHistory分別為當前窗口前面的maxHistoryLen個窗口內電阻的平均值的最大值和最小值，maxHistoryLen取值范圍為(3，20)，Q1, ^分別表示檢測電阻下降和上升變化靈敏度系數，α I取值范圍為(0，1)，β !取值范圍為(1，5)，ZZZ,XXX表示情緒狀態變化步長，取值范圍為為(1，5)，且ΖΖΖ>ΧΧΧ。
[0019]所述情緒狀態值初始值設置為1，情緒狀態的最小值設置為1，情緒狀態的最大值設置為20,所述電阻閾值根據手指采樣數據，1wThresh設置為50ΚΩ，highThresh設置為800K Ω，窗口的長度stepSize設置為80，maxHistoryLen設置為5，ZZZ設置為2，XXX設置為1，a P β I分別設置為0.8和1.2。
[0020]所述斜率分析具體包括以下步驟:
[0021]I)檢測電阻變化，如果有連續SlopesLen個窗口電阻的平均值小于a 2*MaxHistory或大于β 2*MinHistory時,其中α 2、β 2分別表示檢測電阻下降和上升變化靈敏度系數，％取值范圍為(0，1)，β2取值范圍為(1，5)，計算并記錄這SlopesLen個窗口的斜率:
[0022]Slopes= (aveValue2 - aveValuel) / (SlopesLen*stepSize),其中 aveValuel 表不第一個窗口的平均值，aveValue2表示最后一個窗口的平均值；
[0023]2)若Slopes大于O,且Slopes〉ξ *MeanUpSlopes,貝U當前情緒狀態減小DDD ;否則若η *MeanUpSlopes〈Slopes < ξ *MeanUpSlopes,貝U當前情緒狀態減小ZZZ ;否則當前情緒減小XXX ；
[0024]若Slopes 小于 O,且 | Slopes | > ξ *MeanDownSlopes,則當前情緒狀態增加 DDD ;否則若 η *MeanDownSlopes〈 I Slopes I ^ ξ *MeanDownSlopes,則當前情緒狀態增加 ZZZ ;否則當前情緒狀態增加XXX ;
[0025]其中，MeanUpSlopes、MeanDownSlopes分別表不前面N次檢測到的上升斜率和下降斜率絕對值的平均值【上升斜率是指斜率大于O的斜率，下降斜率是指斜率小于O的斜率】，ξ，η為斜率分析參數，取值范圍為(0，I )，且ξ>η。DDD表示情緒狀態變化步長，取值范圍為(I, 5)，且 DDD>ZZZ>XXX。
[0026]所述α 2、β 2分別設置為0.98和1.02, ξ設置為0.85, η設置為0.5, DDD設置
為3, N設置為5。
[0027]所述斜率和持續時間配合分析具體包括以下步驟:
[0028]獲取持續時間參數:
[0029]如果Slopes大于O,當前窗口內電阻平均值大于β 2^MinHistory,則對恢復持續時間UpDuration增加采集一個窗口電阻需要的時間；
[0030]如果Slopes小于O,且當前窗口內電阻均值小于a 2*MaxHistory,則興奮持續時間DownDuration增加一個窗口對應的時間； [0031]根據持續時間參數更新情緒狀態值:
[0032]若Slopes大于O,且UpDuration大于RecoverTime,則情緒狀態值減小XXX ；[0033]若Slopes小于O,且DownDuration大于ExcitTime,則情緒狀態值增加XXX ；
[0034]其中RecoverTime表示恢復時間，ExcitTime表示興奮時間，取值范圍均為(O,200s)
[0035]所述RecoverTime 設置為 8s, ExcitTime 設置為 5s。
[0036]所述斜率、持續時間和閾值配合分析具體包括以下步驟:
[0037]若Slopes大于O,且UpDuration小于時間長度RecoverTime,則情緒狀態值保持；否則若UpDuration大于時間長度RecoverTime,且當前電阻值大于β ^MinHistory,則情緒狀態值減小ΖΖΖ，否則情緒狀態值減小XXX ；
[0038]若Slopes小于O,且DownDuration小于時間長度ExcitTime,則情緒狀態值保持；若DownDuration超過時間長度ExcitTime,且當前電阻值小于a fMaxHistory,則情緒狀態值增加ZZZ，否則情緒狀態值增加XXX。
[0039]所述電阻閾值根據手指采樣數據，1wThresh設置為50ΚΩ，highThresh設置為800ΚΩ。
[0040]因為電導是電阻的倒數，所以以上分析方法同樣適用于基于電導變化來分析情緒
變化。
[0041]一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測系統，其特征在于，包括依次連接的醫療極片、橋式電阻/電導測量電路、放大電路、Α/D轉換電路、CPU和人機交互界面。
[0042]有益效果
[0043]本發明結合了人體電阻的閾值分析，電阻變化斜率分析以及興奮、平靜持續時間分析，對于個性問題，采用自適應的算法，能更加精細地劃分平靜和興奮狀態。利用情緒狀態這一變量把測試者的興奮狀態分成了不同檔位，通過情緒狀態值的不同來反應多級興奮程度。并且利用采集、計算、反饋式的研究模式，可以在以后的可穿戴設備等中加以利用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0044]圖1為本發明基本框架
[0045]圖2為本發明整體流程圖
[0046]圖3為本發明閾值分析流程圖
[0047]圖4為本發明斜率分析流程圖
[0048]圖5為本發明持續時間變化示意圖
[0049]圖6為本發明斜率和持續時間配合分析流程圖
[0050]圖7為本發明斜率、持續時間和閾值配合分析流程圖
[0051]圖8為本發明窗口劃分示意圖
[0052]圖9為本發明的系統原理圖
[0053]圖10為人體深呼吸頻率為2秒一次,時間為20s,檢測到的電阻/情緒狀態值一時間曲線圖；
[0054]圖11為人體深呼吸頻率為2秒一次,時間為60s,檢測到的電阻/情緒狀態值一時間曲線圖；
[0055]圖12為人體深呼吸頻率為2秒一次,時間為60s,檢測到的電阻/情緒狀態值一時間曲線圖；[0056]圖13為人體深呼吸頻率為10秒一次，時間為60s，檢測到的電阻/情緒狀態值一時間曲線圖；
【具體實施方式】
[0057]以下結合附圖對本發明進行進一步說明，
[0058]本發明主要思路框架如圖1所示，采集用戶的皮膚電阻，等接收到電阻后進行分析處理，然后將分析得到的情緒狀態值通過燈光閃爍頻率或者具體數值顯示反饋給用戶。其中的數據分析過程包括預處理和參數分析。其中參數分析包括通過電阻閾值分析、電阻變化斜率分析以及閾值、斜率、興奮平靜持續時間三個參數的配合使用分析，見附圖2。
[0059]1、預處理。
[0060]由于皮膚電阻采集儀器有規定的量程，其采集的電阻值在超出量程范圍后，便會出現電阻為O的值，因此需要對采集的電阻數據進行預處理，將電阻為O的值用前一時刻的電阻代替；其次由于測試者的電阻波動較大，需要選用一定的窗口 StepSize進行平均以減小波動便于分析。如圖7所示。每個窗口的長度stepSize設置為80，即采集80個電阻值，其中電阻采樣頻率為50Hz，即1.6秒內的電阻分布。
[0061]2、參數分析
[0062]1)、閾值分析，具體流程見附圖3。
[0063]①共性分析。從所有采樣到的手指電阻數據可以看到，所有數據中電阻小于50ΚΩ時，90%左右都是處于興奮狀態；同樣大于800ΚΩ時，80%處于平靜狀態，因此將1wThresh設置為 50ΚΩ，highThresh 設置為 800ΚΩ。
[0064]檢測測試者的情緒狀態時，首先進行共性分析。當其當前電阻值小于50ΚΩ時，其情緒狀態(CurrES)增加ZZZ(設為2 )，當其當前電阻值大于800K Ω時，其情緒狀態(CurrES)減小ZZZ。
[0065]lowThresh、highThresh能很好的反映所有測試者共有的性質。
[0066]②閾值參數學習。在這里另外設置了四個變量:MaxHistory、MinHistory、Ct1,β 10這里Ct1, β丨分別設置為0.8和1.2。MaxHistory、MinHistory為當前窗口前面maxHistoryLen (設為4)個窗口內電阻數據平均值的最大值和最小值。如果當前窗口的電阻均值大于β fMinHistory，說明測試者電阻從小到大變化，測試者從興奮向平靜恢復，其情緒狀態減小XXX。在情緒狀態減小過程中注意，情緒狀態最小值MINSTATE (設為I)。如果當前窗口的電阻均值小于a fMaxHistory，說明電阻從大到小變化，測試者從平靜到興奮轉變，其情緒狀態值增加XXX (設為I)。在增加過程須注意，情緒狀態最大值設置為MAXSTATE (設為 20)。
[0067]采用閾值自適應的算法，能夠更加準確地劃分測試者所處的狀態。閾值自適應是指每次在判斷電阻變化時，都用前面窗口內的電阻均值，窗口依次向前移動的時候，前面保留的均值也是向前移動。自適應就是說每次比較的對象不同，都是和前一段時間內的均值比較，而不是固定的。
[0068]2)、斜率分析，具體流程見附圖4。
[0069]①斜率采集。
[0070]首先檢測電阻變化，如果有連續SlopesLen (設為5)個窗口(窗口大小為80)電阻小于a 2*MaxHistory或大于β 2*MinHistory時,α 2、β 2分別設置為0.98和1.02。記錄此SlopesLen個窗口的電阻均值,并計算斜率
[0071]Slopes= (aveValue2 - aveValuel) / (SlopesLen*stepSize),其中 aveValue2 表不SlopesLen個窗口測得的最后一個電阻值,aveValuel表示SlopesLen個窗口測得的第一個電阻值；
[0072]②不同斜率分級。
[0073]如果當前斜率值大于0，且大于€*MeanUpSl0peS，說明測試者由興奮到平靜恢復地較快，那么當前情緒狀態減小DDD (設為3);如果當前斜率小于0，其絕對值大于ξ *MeanDownS I op e s，說明測試者由平靜到興奮轉變的很快，那么當前情緒狀態增加DDD。
(MeanUpSlopes^MeanDownSlopes分別表示檢測到的上升和下降斜率絕對值的平均值。(^j-
設置為0.85)
[0074]如果當前斜率值大于O,且大于η *MeanUpSlopes,小于ξ *MeanUpSlopes,說明測試者由興奮到平靜恢復地較慢，那么當前情緒狀態減小ZZZ(設為2)，如果當前斜率小于0，其絕對值大于η *MeanDownSlopes、小于ξ *MeanDownSlopes,說明測試者由平靜到興奮轉變的較慢，那么當前情緒狀態增加ZZZ。( n在這里設置為0.5)
[0075]如果檢測到斜率大于0，且小于n*MeanUpSlopes，則當前情緒減小XXX (設為I);斜率小于0，且絕對值小于n*MeanDownSlopes，則那么當前情緒狀態增加XXX。
[0076]增加過程須注意，不能超過最大狀態MAXSTATE (I);減小過程須注意，不能低于最小狀態 MINSTATE (20)。
[0077]3)、閾值、斜率、持續時間配合分析，具體見圖5、圖6、圖7。
[0078]①獲取持續時間參數
[0079]如圖5所示，在判定興奮、平靜持續時間時需要用到先前采集到的斜率值及閾值分析數據。如果斜率大于O,且當前窗口內電阻均值大于β 2*MinHistory,則恢復持續時間UpDuration增加采集一個窗口 stepsize個電阻需要的時間。反之,若斜率小于O,且當前窗口內電阻均值小于α 2*MaxHistory,則興奮持續時間DownDuration增加stepSize。UpDuration 和 DownDuration 的初始值為 O。
[0080]②斜率、持續時間參數配合分析
[0081]如圖6所示。若斜率大于O,且恢復持續時間UpDuration超過時間長度RecoverTime (如8s),則情緒狀態值減小XXX。若斜率小于O,且DownDuration超過某個時間長度ExcitTime (如5s)，則情緒狀態值增加XXX。
[0082]DDD、ZZZ、XXX分別可以取值3、2、1。表示增加的幅度不同。
[0083]③閾值、斜率、持續時間參數配合分析
[0084]為了能更加準確的分析測試者的興奮程度，用斜率、閾值、持續時間三個參數配合學習分析測試者的情緒狀態。如圖7所示。首先判斷當前斜率值是否為正，如果大于0，說明從興奮到平靜轉變。當恢復持續時間超過RecoverTime (設為8s)時,若當前電阻大于β ^MinHistory,則情緒狀態減小ZZZ，否則情緒狀態減小XXX。如果斜率小于0，說明從平靜轉變為興奮狀態，當興奮持續時間超過ExcitTime (設為5s)，若當前窗口內電阻均值小于a ^MaxHistor y,則情緒狀態值增加ΖΖΖ，否則增加XXX。[0085]圖9為本發明一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測系統原理圖，包括依次連接的醫療極片、橋式電阻/電導測量電路、放大電路、Α/D轉換電路、CPU和人機交互界面，用來采集人體皮膚電阻(電導)數據，進而基于人體皮膚電阻(電導)變化檢測情緒變化。實現本發明的方法。
[0086]圖10——圖13為實驗得到的電阻/情緒狀態值——時間曲線圖，圖中inputData是經過預處理后用戶的皮膚電阻值，EstimateState即為閾值、斜率和持續時間配合分析方法到的情緒狀態值。
[0087]實施例1:
[0088]圖10為人體深呼吸頻率為2秒一次,時間為20s,檢測到的電阻/情緒狀態值-
時間曲線圖；圖11為人體深呼吸頻率為2秒一次，時間為60s,檢測到的電阻/情緒狀態值——時間 曲線圖；對比發現深呼吸時間越久，表示興奮持續時間越長，檢測到的情緒狀態
值越高。
[0089]實施例2:
[0090]圖12為人體深呼吸頻率為2秒一次,時間為60s,檢測到的電阻/情緒狀態值-
時間曲線圖；圖13為人體深呼吸頻率為10秒一次，時間為60s，檢測到的電阻/情緒狀態值——時間曲線圖；對比發現，深呼吸頻率越快，情緒狀態值越高。
[0091]實驗數據表明，通過本發明的方法可以能更加精細地劃分平靜和興奮狀態，表現人體不同的興奮程度。
【權利要求】
1.一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟一:參數初始化； 步驟二:采集人體電阻數據； 步驟三:數據分析； 步驟四:將情緒狀態值反饋給用戶； 所述參數初始化包括:設置情緒狀態值初始值、情緒狀態的最小值和最大值；設置第一電阻閾值1wThresh和第二電阻閾值highThresh,當所采集的人體皮膚電阻值小于1wThresh時，人體處于興奮狀態；當所采集的人體皮膚電阻值大于highThresh時，人體處于平靜狀態； 所述數據分析包括數據預處理及閾值分析、斜率分析、斜率和持續時間配合分析、斜率、持續時間和閾值配合分析。
2.根據權利要求1所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述閾值分析具體包括以下步驟: 若當前窗口的電阻平均值小于1wThresh，則情緒狀態值增加ZZZ ;否則若當前窗口的電阻平均值大于highThresh，則情緒狀態值減小ZZZ ;否則若當前窗口的電阻平均值大于β ^MinHistory，則其情緒狀態減小XXX ;否則若當前窗口的電阻平均值小于a i*MaXHistory，則情緒狀態值增加XXX ;否則情緒狀態值保持不變； 其中當前窗口的電阻平均值是指長度為StepSize的窗口內采集到的電阻數據的平均值；MaxHistory和MinHistory分別為當前窗口前面的maxHistoryLen個窗口內電阻的平均值的最大值和最小值，1^1把8如^1^11取值范圍為(3，20)，Ci1, P1分別表示檢測電阻下降和上升變化靈敏度系數，^取值范圍為⑶^)，01取值范圍為(1，5)，2223乂乂表示情緒狀態變化步長，取值范圍為為(1，5)，且ZZZ>XXX。
3.根據權利要求2所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述情緒狀態值初始值設置為1，情緒狀態的最小值設置為1，情緒狀態的最大值設置為20，所述電阻閾值根據手指米樣數據，1wThresh設置為50K Ω , highThresh設置為800K Ω ,窗口的長度St印Size設置為80，maxHistoryLen設置為5，ZZZ設置為2，XXX設置為1，α π β ^分別設置為0.8和1.2。
4.根據權利要求2所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述斜率分析具體包括以下步驟: O實時檢測電阻變化，如果有連續SlopesLen個窗口電阻的平均值小于a 2*MaxHistory或大于β 2*MinHistory時,其中α 2、β 2分別表示檢測電阻下降和上升變化靈敏度系數，％取值范圍為(0，1)，β2取值范圍為(1，5)，計算并記錄這SlopesLen個窗口的斜率:
Slopes= (aveValue2 - aveValuel) / (SlopesLen^stepSize)，其中 aveValuel 表不第一個窗口的平均值，aveValue2表示最后一個窗口的平均值； 2)若Slopes大于O,且Slopes〉ξ *MeanUpSlopes,則當前情緒狀態減小DDD ;否則若η*MeanUpSlopes〈Slopes ^ ξ *MeanUpSlopes,則當前情緒狀態減小ZZZ ;否則當前情緒減小XXX ；若Slopes小于O,且| Slopes | > ξ *MeanDownSlopes,則當前情緒狀態增加DDD ;否則若η *MeanDownSlopes〈 | Slopes |≤ ξ *MeanDownSlopes,則當前情緒狀態增加 ZZZ ;否則當前情緒狀態增加XXX ; 其中，MeanUpSlopes、MeanDownSlopes分別表示前面N次檢測到的上升斜率和下降斜率絕對值的平均值【上升斜率是指斜率大于O的斜率，下降斜率是指斜率小于O的斜率】，ζ , η為斜率分析參數，取值范圍為(0，1)，且ξ>η。DDD表示情緒狀態變化步長，取值范圍為(1，5)，且 DDD>ZZZ>XXX。
5.根據權利要求4所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述α 2、β 2分別設置為0.98和1.02, ξ設置為0.85, η設置為0.5, DDD設置為3, N設置為5。
6.根據權利要求4所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述斜率和持續時間配合分析具體包括以下步驟: 獲取持續時間參數: 如果Slopes大于O,當前窗口內電阻平均值大于β 2*MinHistory,則對恢復持續時間UpDuration增加采集一個窗口電阻需要的時間； 如果Slopes小于O,且當前窗口內電阻均值小于a 2*MaxHi story,則興奮持續時間DownDuration增加一個窗口對應的時間； 根據持續時間參數更新情緒狀態值: 若Slopes大于O,且UpDuration大于RecoverTime,則情緒狀態值減小XXX ； 若Slopes小于O,且DownDuration大于ExcitTime,則情緒狀態值增加XXX ； 其中RecoverTime表示恢復時間，ExcitTime表示興奮時間，取值范圍均為(O, 200s)
7.根據權利要求6所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述RecoverTime 設置為 8s, ExcitTime 設置為 5s。
8.根據權利要求6所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述斜率、持續時間和閾值配合分析具體包括以下步驟: 若Slopes大于O,且UpDuration小于時間長度RecoverTime,則情緒狀態值保持；否則若UpDuration大于時間長度RecoverTime,且當前電阻值大于β 1*MinHistory,則情緒狀態值減小ZZZ，否則情緒狀態值減小XXX ； 若Slopes小于O,且DownDuration小于時間長度ExcitTime,則情緒狀態值保持；若DownDuration超過時間長度ExcitTime,且當前電阻值小于a1*MaxHistory,則情緒狀態值增加ΖΖΖ，否則情緒狀態值增加XXX。
9.根據權利要求1-8中任一項所述的基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測方法，其特征在于，所述電阻為電導的倒數，通過人體皮膚電導變化檢測情緒。
10.一種基于人體皮膚電阻變化的情緒檢測系統，其特征在于，包括依次連接的醫療極片、橋式電阻/電導測量電路、放大電路、A/D轉換電路、CPU和人機交互界面。
【文檔編號】A61B5/053GK103892830SQ201410128494
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月1日 優先權日:2014年4月1日
【發明者】姚健欣, 張昊 申請人:新加坡情橋私人有限公司