Photoplethysmographie-basierte Messung der Pulswellenlaufzeit für die Emotionserkennung

Beckmann, Nils GND

Das kardiovaskuläre System des Menschen reagiert empfindlich auf emotionale Stimuli. Parameter, aus denen der Zustand des kardiovaskulären Systems abgeleitet werden kann, können deshalb im Kontext der Emotionserkennung genutzt werden. Die Pulswellenlaufzeit (Pulse Transit Time, PTT) ist ein solcher Parameter. Er ist zudem mit nicht-invasiven Messmethoden erfassbar.</br> In dieser Arbeit wurde ein Verfahren zur Erfassung der PTT an einem lokal begrenzten Messort entwickelt. Das entwickelte Verfahren nutzt zwei optische Sensoren, die auf der Methode der Photoplethysmographie (PPG) basieren. Mit dieser Methode lässt sich die Blutvolumenschwankung in den kleinen Arterien der Haut erfassen.</br> Platziert man die PPG-Sensoren in einem definierten Abstand entlang einer Arterie, kann die PTT gemessen werden. Der inhomogene Aufbau der Haut stellt bei diesem Verfahren jedoch eine Herausforderung dar. Liegen bei den beiden PPG-Sensoren Messvolumen mit einem unterschiedlichen Aufbau vor, kann das zu einer fehlerhaften Interpretation der PTT führen.</br> Der Einfluss unterschiedlich aufgebauter Messvolumen wurde anhand eines entwickelten Modells simuliert und in verschiedenen Untersuchungen experimentell validiert. Basierend auf den so erlangten Erkenntnissen wurde ein Verfahren entwickelt, das die Effekte unterschiedlich aufgebauter Messvolumen in Teilen kompensieren kann. Hierdurch wird die Analyse der lokal gemessenen PTT möglich.</br> In einer Studie wurde der Nutzen dieses Verfahrens für den Einsatz in der Emotionserkennung nachgewiesen. Hierfür wurden bei 40 Probanden emotionale Zustände visuell induziert und das Verhalten verschiedener physiologischer Parameter untersucht.</br> Die aus der PTT-Analyse abgeleiteten Parameter zeigten zwischen den emotionalen Zuständen statistisch signifikante Unterschiede, die mit in der Emotionserkennung etablierten Parametern vergleichbar sind. Diese neuartigen PTT-Parameter konnten dazu genutzt werden, die Klassifikationsgüte bei der automatischen Klassifikation der emotionalen Zustände deutlich zu steigern.

The human cardiovascular system is sensitive to emotional stimuli. Therefore, parameters that reflect the state of the cardiovascular system can be used in the context of emotion recognition. The Pulse Transit Time (PTT) is such a parameter. Moreover, the PTT is accessible with noninvasive measuring methods.</br> In this work, a method to acquire the Pulse Transit Time (PTT) at a locally limited measuring location was developed. The developed method is based on two photoplethysmography sensors. The photoplethysmography is an optical sensing method that can be used to measure the blood volume changes in the small arteries of the skin.</br> The PTT can be measured, if two sensors are placed in a known distance along an artery. However, the inhomogeneous structure of the skin is a challenge in this case. The measurement of PTT leads to wrong interpretation, if measuring volumes with a different structure exist at the sensors' locations.</br> A model was developed to simulate the impact of two measuring volumes with different structures. This model was experimentally validated in several investigations. The findings were used to develop a method that compensates for the effect of measuring volumes with different structures. Thereby, analysis of the local PTT becomes possible.</br> The suitability of the method was proven in a study. In this study, 40 participants were exposed to visual emotional stimuli to observe the impact on several physiological parameters. The parameters calculated from the PTT-analysis showed statistically significant differences between emotional states.</br> The impact was comparable to parameters established in emotion recognition. These novel PTT-based parameters could be used to improve the accuracy in the automatic classification of emotional states.

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Beckmann, N., 2020. Photoplethysmographie-basierte Messung der Pulswellenlaufzeit für die Emotionserkennung. https://doi.org/10.17185/duepublico/71314
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