Анализ динамических характеристик тремора пользователя

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

2
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ
ТЕХНОЛОГИИ
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРЕМОРА
ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Г. С. Иванов
Дано краткое описание информационно-измерительного комплекса, обеспечивающего регистрацию непроизвольных перемещений конечностей человека (тремора). Показано, что возможно выделение характерных частот в области 0−12 Гц, которые свойственны именно данному человеку, и данная характеристика может быть использована в качестве биометрического параметра для идентификации личности пользователя информационных ресурсов.
Среди методов биометрической идентификации личности особое место занимают динамические методы, основанные на анализе динамических параметров личности. В ряду динамических параметров можно выделить такую малоизученную характеристику, как непроизвольные движения конечностей человека (тремор) [1, 3]. Исследования этой характеристики актуальны с точки зрения ее использования в качестве признака для идентификации личности пользователя той или иной информационной системы. В настоящее время разработаны и широко используются сенсоры движений человека, которые, в основном, регистрируют не абсолютное перемещение, а вторую производную от перемещения, т. е. являются акселерометрами [1]. В результате в таких измерительных комплексах возникает проблема регистрации абсолютных перемещений и низкочастотных сигналов (в герцовом диапазоне). Вместе с тем, как показали исследования, именно низкочастотная область спектральной характеристики треморограмм конечностей несет в себе наибольшую информацию об изменении в регуляции двигательных функций человека. Указанный диапазон частот наиболее подвержен изменениям в показателях в случае изменения состояния человека.
Для регистрации непроизвольных движений конечностей человека целесообразно использовать измерительный комплекс на основе датчиков токовихревого типа. Весь комплекс содержит сенсорный блок, блок обработки сигналов, систему интерпретации данных и принятия решений (рис. 1). Сенсорный блок имеет токовихревой датчик в виде спирали Архимеда, который встроен в качестве индуктивности в колебательный контур на кварцевом резонаторе.
Рис. 1. Структурная схема устройства для регистрации непроизвольных движений конечностей человека: 1 — сенсорный блок, содержащий токовихревой датчик- 2 — блок обработки сигналов (на основе модулятора) — 3 — генератор высокой частоты- 4 — аналого-цифровой преобразователь (звуковая карта персонального компьютера) — 5 — персональный компьютер
Исследования серии токовихревых датчиков позволили построить обобщенную характеристику
и = КХ + В (1)
и выполнить расчет аппроксимирующих функций и их характеристик в области квазилинейного поведения сенсора. Установлено, что линейная аппроксимация функции выхода и от расстояния X между сенсором и ответной токопроводящей пластиной (надевается на палец) с погрешностью, не превышающей 3%, в интервале измерений Х= 0−4 мм удовлетворяет требованиям точности регистрации биологических измерений непроизвольного движения конечностей человека. Исследования показали, что только сильно выраженные патологии двигательных функций человека не укладываются в указанный интервал измерений Х, а среднестатистический человек имеет тремор конечностей с амплитудой, не превышающей 3 мм. Для иллюстрации приведем пример графика, который показывает диапазон линейных и нелинейных характеристик токо-вихревого датчика (рис. 2).
и, В
3 —
7 —
6 —
5 —
4 —
з —
2 ~
1 —
01 234 567 3 9 10
X, ш
Рис. 2. Зависимость функции выхода и от расстояния X между токовихревым датчиком и ответной пластиной: 1 — теоретическая кривая би/6Х=-аХ-
2 — реальная зависимость и=и (х)
Существенно, что данный измерительный комплекс обеспечивает регистрацию абсолютных перемещений конечностей в широком частотном диапазоне, однако информационно-значимый частотный интервал укладывается в интервал 0−25 Гц. Особое внимание следует обратить на низкочастотный диапазон, так как в различных условиях (физиологические нагрузки, прием фармакологических препаратов) именно в диапазоне частот 0−4 Гц и 8−11 Гц происходят изменения в амплитудно-частотных характеристиках треморограмм человека (рис. 3). Следует отметить, что первоначальные измерения треморограмм человека [2, 7] тоже указывали на информативность низкочастотного диапазона, однако в других работах [1, 3] с использованием акселерометров и регистрации амплитудно-частотных характеристик измеряемых ускорений были выведены другие частотные диапазоны в областях, превышающих 10 Гц. Эти авторы уделяли внимание частотному диапазону треморограммы более 10 Гц, однако никаких значимых результатов в данном диапазоне не было получено. Есть попытки сравнения количественных показателей суммарных амплитуд двух областей — низкочастотной и высокочастотной [8]. Действительно, у человека при изменении его физиологического статуса могут наблюдаться различия между этими частотными интервалами, но эти различия связаны в большей степени с изменениями в низкочастотном диапазоне.
Исследования амплитудно-частотных характеристик микроперемещений конечности человека позволяют сделать вывод о существенной значимости анализа треморо-грамм именно в частотном диапазоне 0−15 Гц, тем самым доказывая возможность выделения характерных частот (в области низкочастотного диапазона), которые значимо могут представлять физиологические характеристики конкретного человека и его реакцию на те или иные внешние воздействия. Такой результат находится в некотором противоречии с результатами работ [1, 3, 8], в которых высказываются предположения о статистическом характере возникновения и существования тремора у человека.
Результаты исследований показывают, что тремор по своей природе действительно носит стохастический характер, но суперпозиция нескольких временных отрезков у одного и того же человека (при непрерывной регистрации тремора) и ее амплитудно-частотный анализ позволяет выделить определенные (характерные) частоты, которые свойственны именно данному человеку в данных физиологических условиях.
X
Рис. 3. Треморограмма и спектрограмма испытуемого: а — нативная треморограмма (колебания пальца испытуемого относительно усл овного нуля), по оси абсцисс — время в миллисекундах, по ординате — отклонение пальца испытуемого в условных единицах- б — спектрограмма треморограммы (А — амплитуда колебаний определенной частоты, усл. ед., и — частота тремора, Гц)
Вышеописанные принципы и результаты исследований дают право сделать вывод о возможности использования непроизвольных движений конечностей человека (тре-
мора) в качестве параметра, однозначно характеризующего человека, в системах биометрической идентификации личности пользователя информационных ресурсов. Описанный выше измерительный комплекс может быть использован как самостоятельное устройство для идентификации личности, а также в совокупности с датчиком, основанном на измерении любой другой (статической или динамической) биометрической характеристики. Использование комплексных датчиков, анализирующих статические и динамические биометрические параметры, ведет к повышению надежности устройства, а также определяет устойчивость к муляжам и имитаторам.
Литература
1. Антонец В. А., Ковалева Э. П. // Биофизика. 1996. Т. 41. № 3.
2. Гурфинкель В. С. и др. Анализ физиологического тремора с помощью универсальной вычислительной машины. / Модели структурно-функциональной организации некоторых биологических систем. М.: Наука, 1966.
3. Анохин П. К. Очерки по физиологии функциональных систем. М.: Наука, 1975.
4. Еськов В. М., Папшев В. А., Еськов В. В., Жарков Д. А. Измерение биомеханических параметров тремора конечностей человека. // Измерительная техника. 2003. № 1. С. 61.
5. Еськов В. М., Филатова О. Е., Папшев В. А. Сканирование движущихся поверхностей биологических объектов. // Измерительная техника. 1996. № 5. С. 66.
6. Еськов В. М., Филатова О. Е., Папшев В. А., Козлов А. П. // Измерительная техника. 1996. № 4. С. 58.
7. Шик М. Л., Орловский Г. Н., Северин Ф. В. //Биофизика. 1966. № 11. С. 879.
8. Серебрякова Н. Г. Динамика спектральной структуры микродвижений при кинезоте-рапии начальных стадий искривления позвоночника: Автореферат. М., 1995.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой