Progettazione e sviluppo di un algoritmo in grado di rilevare uno stato di alterazione causato da un tasso alcolemico elevato mediante la misura della variazione del diametro della pupilla ricavato da immagini acquisite tramite smartphone

The purpose of this work is to develop a system, based on an algorithm that will adapt to a smartphone application, able to detect a state of alteration caused by high alcohol consumption starting from the variation in the diameter of the pupil of an individual as a result of alcohol intake. To evaluate the blood alcohol content of an individual, there are various commercially available systems: the more accurate and precise (as in blood samples) are invasive and need time to obtain a result. On the other hand the faster and non-invasive tests (breathalysers chemical or electronic) are susceptible to systemic errors due to indirect measures. This work has the objective to develop a new method to evaluate high alcohol consumption through new methods that do not involve taking blood samples, exhaled breath analysis or evaluation of the urine sample but can unite the various advantages of the previous methods. Exploiting the morphological change of the pupil diameter due to consumption of alcohol, an algorithm has been developed, on MATLAB platform, which, by comparing images of the pupil and the iris taken respectively before and after the consumption of alcohol, is able to detect the change in the pupil diameter. The data of pupillary changes can be related to the blood-alcohol level on the basis of experimental tests carried out in this work. By using a smartphone to take photographs, the algorithm implemented will adapt to a specific application, installed on the phones, will allow users to keep check of their alcohol level with an accurate method, non-invasive and non expensive. The principal data that the algorithm gives is the pupillary variation between one photo and the next calculated as the proportion between the two dimensions of the pupil obtained respectively in the two compared images. Once completed the part related to the algorithm, a series of tests on five volunteers were carried out in order to evaluate the change in the pupil diameter as a result of alcohol intake. The experimental procedure was divided into two main parts: in the first phase ten photographs of various subjects in different moments of the day were taken, without any alcohol intake, in order to define how the variability of different environmental conditions could affect definition of pupil diameters. For each of the ten photos the change in the pupil was compared with a reference photo and the absolute error was obtained, calculated as the absolute value of the difference between the perfect condition (ratio = 1, no difference between the two pupils captured by the photo ) and real data obtained. During the second phase, following a defined protocol and through a series of tests for each of the subjects included in the study, a photo before and after the intake of alcohol was taken, correlating data of pupillary change with the blood alcohol concentration value given by a portable breathalyser. The data related to the change in pupil were divided into two groups based on the registered BAC: the first cluster groups all those data items whose corresponding value of BAC appear to be less than or equal to 0.5 ‰ BAC, the second group on the other hand includes all reports in which the value of BAC is greater than 0.5 ‰. The results obtained in the first stage of the experimental protocol, without the intake of alcohol and with the dominant light of the camera flash, show that the variations of the pupil result to be minimum for all the subjects included in the study; the different environmental conditions minimally affected the variation of pupil diameter. The average absolute errors of the various parties do not exceed the value of 0.005 (average percentage error <0.50%). Comparing the data obtained with those obtained later in the second part, we can consider non significant the pupillary changes obtained during the first phase: the absolute error averaged over the five subjects is equal to 0.00446 with standard deviation of 0.00032. The subjects presented an average absolute error very similar ranging from a low of 0.0040 (subject 5) to a maximum equal to 0.0048 (subjects 3 and 4). The results obtained in the second step of the experimental protocol by comparing data in the two classes (within and beyond the threshold of 0.5 ‰ BAC), show a significant difference: the greatest variation between one class and the other was obtained from subject number 1 and is equal to 0.2163 while the smallest variation was observed for subject 4 (equal to 0.1412). The average variation between the two classes, obtained by comparison of the five subjects is equal to 0.1636 with a standard deviation of 0.0286. Pupil dilation was observed in all five subjects comparing the picture taken as a reference before the intake of alcohol. Our study shows that, above the threshold of 0.5 ‰ BAC, the size of the pupil tends to increase consequently to the increase of the consumption of alcohol. For modest consumption of alcohol there is no significant variation in the pupil diameter. The results obtained in this study confirm a natural variation in the size of the pupil as a result of alcohol consumption; in order to better assess the effects of alcohol on the mechanisms of miosis and mydriasis it would be appropriate to recruit a greater number of subjects with different physical characteristics. In addition to the number of subjects to be included in a new study, it is necessary to increase the consumption of alcohol in a single test and the number of tests: studying the data of a greater number of subjects with high blood alcohol concentration would give the opportunity to draw some laws and trends common to the class, giving even more sense to intersubjective comparison carried out. As future development of our work, we believe it interesting to analyse the behavior of different subjects to different alcoholic drinks taken; comparing different alcohol consumption may lead to different results, even in relation to the time of intake of the same.

Lo scopo di questo lavoro si propone di sviluppare un sistema, basato su un algoritmo che si adatterà ad un’applicazione per smartphone, in grado di rilevare uno stato di alterazione causato da un tasso alcolemico elevato a partire dalla variazione del diametro della pupilla di un individuo a seguito dell’assunzione di alcolici. Per valutare il tasso alcolemico di un individuo sono disponibili in commercio diversi sistemi: gli strumenti più accurati e precisi (come il prelievo sanguineo) risultano invasivi e necessitano di tempo per ottenere un risultato; al contrario i test più rapidi e non invasivi (etilometri chimici o elettronici) sono suscettibili ad errori sistemici e dovuti a misure indirette. Questo lavoro si pone l’obiettivo di sviluppare una nuova metodica per valutare lo stato alcolemico di una persona mediante metodi nuovi che non prevedano il prelievo sanguineo, l’analisi dell’aria alveolare espirata o la valutazione del campione di urina ma che possano unire tutti i vari vantaggi dei metodi precedenti. Sfruttando il cambiamento morfologico del diametro pupillare dovuto al consumo di alcol, è stato sviluppato, su piattaforma MATLAB, un algoritmo che, mettendo a confronto immagini della pupilla e dell’iride scattate rispettivamente prima e dopo il consumo di alcolici, sia in grado di rilevare la variazione del diametro pupillare. Il dato di variazione pupillare potrà essere correlato al tasso alcolemico sulla base delle prove sperimentali effettuate in questo lavoro. Grazie all’utilizzo di uno smartphone per scattare le fotografie, l’algoritmo implementato potrà adattarsi ad una specifica applicazione che, installata sui propri cellulari, permetterà agli utenti di tenere sempre sotto controllo il proprio tasso alcolico con una metodica accurata, non invasiva e poco costosa. Il dato principale che l’algoritmo restituisce è la variazione pupillare tra una foto e la successiva calcolata come rapporto tra le due dimensioni della pupilla ottenute rispettivamente nelle due immagini confrontate. Una volta conclusa la parte relativa all’algoritmo si è proseguito con una serie di prove su cinque soggetti volontari al fine di valutare la variazione del diametro pupillare a seguito dell’assunzione di alcol. Il protocollo sperimentale delle prove è stato suddiviso in due parti principali: nella prima fase sono state scattate dieci fotografie dei vari soggetti in diversi istanti della giornata, senza l’assunzione di alcol, per poter definire quanto la variabilità delle differenti condizioni ambientali potesse influire sulla definizione dei diametri pupillari. Per ognuna delle dieci foto è stata calcolata la variazione pupillare rispetto ad una foto di riferimento ed è stato ricavato l’errore assoluto, calcolato come valore assoluto della differenza tra la condizione perfetta (rapporto = 1, nessuna differenza tra le due pupille catturate dalla foto) e dato reale ottenuto. Durante la seconda fase, seguendo un definito protocollo e mediante una serie di prove, ad ognuno dei soggetti inclusi nello studio è stata scattata una foto prima e dopo l’assunzione di alcolici, correlando il dato di variazione pupillare con il valore di alcolemia dato da un etilometro portatile. I dati relativi alla variazione pupillare sono stati divisi in due gruppi in base al tasso alcolemico registrato: il primo cluster raggruppa tutti quei dati il cui corrispondente valore di tasso alcolemico risulti essere inferiore o uguale a 0.5 ‰ BAC, il secondo gruppo, invece, comprende tutti i rapporti il cui valore di tasso alcolemico sia superiore a 0.5 ‰ BAC. I risultati ottenuti nella prima fase del protocollo sperimentale, senza l’assunzione di alcolici e con la luce dominante del flash della telecamera, evidenziano che le variazioni della pupilla risultano essere minime per tutti i soggetti inclusi nello studio; le differenti condizioni ambientali incidono minimamente sulla variazione del diametro pupillare. Gli errori assoluti medi dei diversi soggetti non superano il valore di 0.005 (errore relativo percentuale medio < 0.50 %). Paragonando i dati ottenuti con quelli ricavati successivamente durante la seconda parte, possiamo considerare non significative le variazioni pupillari ottenute durante la prima fase: l’errore assoluto mediato sui cinque soggetti risulta essere pari a 0.00446 con deviazione standard uguale a 0.00032. I soggetti presentato un errore assoluto medio molto simile che varia da un minimo pari a 0.0040 (soggetto 5) ad un massimo uguale a 0.0048 (soggetti 3 e 4). I risultati ottenuti nella seconda fase del protocollo sperimentale confrontando i dati nelle due classi (entro ed oltre la soglia di 0.5 ‰ BAC), evidenziano una differenza significativa: la variazione maggiore tra una classe e l’altra è stata ottenuta per il soggetto numero 1 ed è pari a 0.2163 mentre la più piccola variazione è stata riscontrata per il soggetto 4 (uguale a 0.1412). La variazione media tra le due classi ottenuta tramite confronto dei cinque soggetti è uguale a 0.1636 con deviazione standard pari a 0.0286. In tutti i cinque soggetti viene osservata una dilatazione della pupilla rispetto alla foto presa come riferimento prima dell’assunzione di alcolici. Il nostro studio dimostra che, sopra la soglia di 0.5 ‰ BAC, la dimensione della pupilla tende ad aumentare conseguentemente al crescere del consumo alcolico. Per consumi di alcol modesti non vi è una significativa variazione del diametro pupillare. I risultati ottenuti in questo studio confermano una variazione naturale della dimensione pupillare a seguito del consumo di alcolici; per poter meglio valutare gli effetti dell’alcol sui meccanismi di miosi e midriasi sarebbe opportuno reclutare un numero maggiore di soggetti con caratteristiche fisiche diverse. Oltre al numero di soggetti da includere in un nuovo studio, è necessario aumentare anche il consumo alcolico in una singola prova ed il numero di prove: studiare i dati di un numero maggiore di soggetti con tasso alcolemico elevato darebbe la possibilità di trarre alcune leggi ed andamenti comuni alla classe, dando più senso anche alla comparazione intra soggettiva effettuata. Come sviluppo futuro del nostro lavoro, si ritiene interessante analizzare anche il comportamento di diversi soggetti al variare della bevanda alcolica assunta; confrontare diversi consumi alcolici potrebbe portare a differenti risultati, anche in relazione al tempo di assunzione degli stessi.