一種心率變異性生物反饋康復裝置制造方法

專利名稱:一種心率變異性生物反饋康復裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種心率變異性生物反饋康復裝置，包括穿戴式數據采集單元、處理顯示通信單元和電源管理單元，穿戴式數據采集單元，用于輸出放大濾波心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號；處理存儲通信單元與穿戴式數據采集單元連接，提取瞬時心率和呼吸信號，生成并獲得自主神經心肺系統調控狀態的和諧度度量，將和諧度度量以圖形、語音和音樂的方式反饋給受訓者，引導受訓者放松心緒；同時尋找最佳呼吸頻率，以動畫方式引導受訓者進行慢呼吸，以便進入自主神經心肺系統調控和諧狀態；電源管理單元分別與穿戴式數據采集單元、處理顯示通信單元連接，用于為穿戴式數據采集單元、處理顯示通信單元提供穩定電源。
【專利說明】一種心率變異性生物反饋康復裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型屬于生物反饋康復【技術領域】，特別是涉及一種穿戴式自主神經調控狀態監測和生物反饋康復裝置。

【背景技術】
[0002]自主神經系統有其自主運行的節律。它控制著人們的心肺系統、消化系統和泌尿系統三大系統活動的運行與協調。如果自主神經系統發生功能失調，則容易導致相關的調節系統的功能失衡。中國傳統的坐禪、氣功、打太極等，也都想通過自我調節，達到內在的平衡，改善人體三大系統的運行狀態。雖然這已經被證明是行之有效的養生方法，但是，坐禪、氣功和打太極所達到的內在平衡狀態，無從客觀評價；各人各自努力，其方向是否正確、方法是否有效，也只能見仁見智，“修行在個人” 了。
[0003]自主神經調控著人們的心肺系統、消化系統和泌尿系統三大系統。從系統辨識的角度出發，我們可以從這三大系統的運行狀態來推斷自主神經系統的狀態。在這三個系統中，心肺系統有其獨特的運行規律。其運行節律易于測量，呼吸節律可以控制。這就為我們治療和預防心血管疾病提供了一個思路:既然自主神經主導著心肺系統的活動，通過監測和評估心肺系統的節律可以推斷自主神經調控狀態，那么我們可以通過調節呼吸，把自主神經的調控節律往規律的方向上引導，從而從根本上改善和治療因自主神經失調所引起的心肺疾病和其它相關病。
[0004]據中國心血管疾病中心發布的《2012中國心血管病報告》，我國心血管病患者人數2.9億，每10秒就有I人死于心血管病。調查發現，心血管疾病和自主神經系統(Autonomic Nervous System, ANS)功能失調和異常有關。自主神經心血管系統的調控保證了心臟輸出和血液循環，以及代謝的最佳狀態。心臟和血管分布的交感神經是激勵性的，它的活動使血管收縮、心率增加、心臟收縮增強。反之，副交感神經是抑制性的，它的活動導致心率降低和心臟收縮變緩。交感神經必須充分激勵以便應對緊急事件。當神經緊張血壓升高時，副交感神經應該活動起來，使心臟平靜。這種一張一弛，形成了心血管系統的平衡。如果交感和副交感神經的平衡被打破，交感神經持續活躍，而副交感神經處于抑制狀態，心血管系統則處于嚴重失調的病態，住院率和死亡率上升。
[0005]心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)是指連續心搏間瞬時心率的漲落，是一項定量評價心臟自主神經調控功能的無創性檢測手段。當心房沒有有效地收縮時會導致血液瘀滯和凝聚，臨床上經常用HRV作為腦卒中和冠心病等高致死率心腦血管病的早起預警指標。相當多的研究證明，心率變異性與冠心病等疾病有緊密聯系。研究表明，產生心率波動的因素包括腦的神經活動、呼吸活動以及由壓力、化學感受器傳入的心血管反向活動等，這些因素最終通過交感神經和副交感神經的調節作用表現出來。因此，HRV信號中包含了大量與心血管調節作用有關的信息，對這些信息的提取和分析可以定量評估心臟交感神經和副交感神經活動的均衡性、緊張性，評估兩者對心血管系統的影響。
[0006]物反饋的研究，既有理論意義又有實用價值:它打破了傳統的學習理論認為植物性神經系統所支配的器官不能進行學習、不能隨意控制的限制，開辟了 “內臟學習”的新領域；它綜合了心理學、生理學、臨床醫學與現代電子學等諸多學科，突破了傳統治療學的局限。它最大的特點就是針對性強，在心身疾病的致病原因的層次上進行治療。此外，生物反饋以其無損傷、無痛苦、無藥物副作用的特點而廣受關注，成為治療許多疾病提供了新的手段和方法。HRV生物反饋1975年由俄國Vaschillo創立，后由美國Lehrer教授在美國和歐洲發揚光大。美國NIH、加拿大多倫多大學、意大利Pavia大學、日本帝京大學、我國中山大學等的研究都證明，心率變異性生物反饋能對哮喘、高血壓、心衰、冠心病、病人情緒低落等有明顯療效，對競技心理壓力，有緩解和提高成績的效果。
[0007]但是，自主神經系統有其復雜性和不可控制性。從系統科學的角度來說，自主神經系統對心肺系統的控制是一個典型的閉環自動控制系統。如何從系統的測量參數中估計自主神經系統的工作狀態和節律，如何引導自主神經系統由失調和無規轉向有規和協調，這是具有挑戰性的課題。
[0008]現有呼吸訓練儀由心電和呼吸波計算呼吸性竇性心律不齊定量表達值，連同心率、血壓、血氧飽和度作為反饋參數，以視覺或聽覺方式顯示給受訓者，使馬上知道呼吸模式是否正確。然而，其給出的竇性心律不齊定量表達值并不十分有效。現有技術的方法和設備，使用分析心率變異度的頻譜分布來確定人體生物系統節律狀態，或通過實時測量呼吸性竇性心律不齊來評估人的壓力，并幫助緩解壓力。但是，上述現有技術都沒有系統地給出評估自主神經系統的工作狀態和節律的度量或指標，也沒有給出如何引導自主神經系統由失調和無規轉向有規和和諧的方法和步驟。
實用新型內容
[0009](一)要解決的問題
[0010]現有心率變異性生物反饋技術都沒有系統地給出評估自主神經系統的工作狀態和節律的度量或指標，也沒有給出如何引導自主神經系統由失調和無規轉向有規和和諧的系統結構，為了使心率變異性生物反饋技術更好地為人類健康服務，本實用新型的目的是提供一種心率變異性生物反饋裝置。
[0011](二)技術方案
[0012]為達成所述目的，本實用新型提供一種心率變異性生物反饋康復裝置包括:穿戴式數據采集單元為可穿戴部件、處理顯示通信單元和電源管理單元組成手持式部件，其中:穿戴式數據采集單元具有用電輸入端、信號采集端和信號輸出端，用于采集并輸出放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號；處理存儲通信單元具有用電輸入端、數據采集端和數據輸出端，處理存儲通信單元的數據采集端與穿戴式數據采集單元的信號輸出端連接，用于處理、存儲放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號，提取瞬時心率和呼吸信號，并由處理存儲通信單元的數據輸出端輸出自主神經心肺系統調控狀態的和諧度度量，將和諧度度量以圖形、語音和音樂的方式反饋給受訓者，引導受訓者放松心緒；同時尋找最佳呼吸頻率，以動畫方式引導受訓者進行慢呼吸，以便進入自主神經心肺系統調控和諧狀態；電源管理單元的供電輸出端分別與穿戴式數據采集單元的用電輸入端、處理顯示通信單元的用電輸入端連接，用于為穿戴式數據采集單元、處理顯示通信單元提供穩定電源。
[0013](三)有益效果
[0014]本實用新型心率變異性生物反饋康復裝置的特點是:
[0015]本實用新型實時采集受訓者的心率和呼吸信號，分析和計算其自主神經心肺系統調控狀態度量，引導受訓者調節心緒和呼吸，進入和諧狀態。心率變異性生物反饋康復能有效地調節自主神經調控狀態，降低心肺系統危險系數；能有效緩解競技心理壓力，提高成績。因此，本實用新型對于人們的保健、提高生活質量具有重要意義。
[0016]I)實時監測心電信號或光電血管容積圖信號、呼吸信號，以及血壓等相關信號，從心率變異和呼吸兩種信號提取自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量。
[0017]2)以圖形、語言和音樂等多媒體方式，引導受訓者調節心緒和呼吸，并將自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量以圖形和數字方式，反饋給受訓者，指引受訓者向正確的方向調控。
[0018]3)存儲和分析受訓者的心肺系統數據、節律和和諧度度量，并以系統智能的方法，尋找個性化的心肺系統調控最佳和諧點，以及規劃達到最佳和諧點的最優途徑。
[0019]心率變異性生物反饋康復裝置包括:穿戴式微型傳感器數據采集單元，同步實時采集心電信號或光電血管容積圖信號、呼吸信號、血壓信號、血氧飽和度信號，通過有線或無線方式，送到處理顯示通信單元。處理顯示通信單元從心電信號或光電血管容積圖信號中提取R波位置，獲得RR間期序列；預處理呼吸信號，或從心電信號、加速度信號、光電血管容積圖信號中提取呼吸信號；從RR間期序列和呼吸信號計算自主神經心肺調控狀態和諧度度量。根據這些度量，一方面用圖形的方式，引導受訓者的呼吸節奏，另一方面，使用語音、音樂、和諧度度量的數值和圖形表示的反饋，來調整受訓者的心緒和呼吸方式，使之接近或達到和諧狀態。同時，也利用受訓者的歷史數據，尋找個性化的最佳呼吸頻率等參數。處理顯示通信單元在訓練結束時生成報告，管理受訓者數據，維護受訓者檔案，協助其堅持訓練，保持好的自主神經調控狀態，有一個健康的生活質量。

【附圖說明】

[0020]圖1是本實用新型心率變異性生物反饋康復裝置結構框圖；
[0021]圖2是本實用新型心率變異性生物反饋康復裝置穿戴示意圖；
[0022]圖3是本實用新型中穿戴式數據采集單元的電路結構框圖；
[0023]圖4是本實用新型中處理顯示通信單元的電路結構框圖；
[0024]圖5是本實用新型中電源管理單元的電路結構框圖；
[0025]圖6a示出疾病狀態下的RR間期變化曲線；
[0026]圖6b示出非和諧狀態下RR間期變化曲線；
[0027]圖6c示出和諧狀態下的RR間期變化曲線；
[0028]圖7a是和諧狀態下心率變異曲線；
[0029]圖7b是和諧狀態下心率變異曲線的頻譜圖。

【具體實施方式】
[0030]下面將結合附圖對本實用新型加以詳細說明，應指出的是，所描述的實施例僅旨在便于對本實用新型的理解，而對其不起任何限定作用。
[0031]在本實用新型中，為敘述的準確，現就兩個概念和術語說明如下:“心率變異”是指瞬時心率隨時間的變化。在由心電信號獲得瞬時心率時，往往從心電信號中提取R波，以RR間期表示。在很多場合，RR間期又名“NN間期”。本實用新型的重點是提出一整套自主神經心肺系統調控狀態度量，以此來定量度量自主神經心肺系統調控狀態，從無規到和諧之間的程度。因此，我們也把它稱為“自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量”，簡稱“和諧度度量”。在下面的敘述中，在不同的情況下，會用不同的概念和術語，它不影響和限制本實用新型的內容。
[0032]如圖1示出本發明心率變異性生物反饋康復裝置結構框圖，圖2是圖1的佩戴方式之一，由穿戴式數據采集單元100、處理顯示通信單元200和電源管理單元300組成。穿戴式數據采集單元100組成穿戴部件，處理顯示通信單元200和電源管理單元300共同組成手持部件，其中:可穿戴部件與手持式部件間采用有線連接，可穿戴部件與手持式部件間采用共用密鑰加密通信方式互相確認身份、傳輸數據，保證嵌入式可穿戴部件與手持式或臺式監控部件間配對工作的唯一性，防止攻擊和復制。
[0033]穿戴式數據采集單元100具有用電輸入端、信號采集端和信號輸出端，用于采集并輸出放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號；
[0034]處理存儲通信單元200具有用電輸入端、數據采集端和數據輸出端，處理存儲通信單元200的數據采集端與穿戴式數據采集單元100的信號輸出端連接，用于處理、存儲放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號，提取心電下瞬時心率間期和呼吸信號，并由處理存儲通信單元的數據輸出端輸出自主神經心肺系統調控狀態的和諧度度量，將和諧度度量以圖形、語音和音樂的方式反饋給受訓者，引導受訓者放松心緒；同時尋找最佳呼吸頻率，以動畫方式引導受訓者進行慢呼吸，以便進入自主神經心肺系統調控和諧狀態；
[0035]電源管理單元300的供電輸出端分別與穿戴式數據采集單元100的用電輸入端、處理顯示通信單元200的用電輸入端連接，用于為穿戴式數據采集單元100、處理顯示通信單元200提供穩定電源。
[0036]下面詳細介紹本發明的實施例:
[0037]一.穿戴式數據采集單元100
[0038]如圖3示出穿戴式數據采集單元100包括放大濾波模塊110、心電電極120、傳感器模塊130，心電電極120具有兩個接口，用于采集并輸出單導聯心電信號；傳感器模塊130具有數據采集端和數據輸出端，用于采集并輸出光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度信號；放大濾波模塊I1具有信號輸入端和信號輸出端,放大濾波模塊110的信號輸入端分別與心電電極120的兩個接口、傳感器模塊130的數據輸出端連接，用于對單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度信號進行放大、濾波、去除干擾，并由放大濾波模塊110的信號輸出端輸出心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度的模擬信號；所述去除干擾是去除50赫茲的干擾。其中:心電電極120用以采集心電模擬信號。原則上心電電極120必須位于心臟附近，并具有足夠距離，用以保證心電信號的強度及R波檢測的準確性。
[0039]所述傳感器模塊是佩戴在手指的光電血管容積圖傳感器、專用心電呼吸采集傳感器、專用心電、呼吸、血壓、血氧飽和度采集傳感器中的一種或是任意組合。所述傳感器模塊使用佩戴在手指的光電血管容積圖傳感器的配置下，處理存儲通信單元從光電血管容積圖信號中提取心率和呼吸信號。所述傳感器模塊使用專用心電呼吸采集傳感器的配置下，處理存儲通信單元從心電、呼吸信號中提取出心率、呼吸隨時間變化曲線，所述專用心電呼吸采集傳感器是生物電阻抗傳感器。所述傳感器模塊使用專用心電、呼吸、血壓、血氧飽和度采集傳感器的配置下，處理存儲通信單元從心電、呼吸、血壓、血氧飽和度信號中提取出心率、呼吸、血壓、血氧飽和度隨時間變化的曲線。
[0040]作為一個例子，放大濾波模塊110可以用TLC2264芯片來實現。心電電極120使用市場上買到的心電貼片。傳感器模塊130是血氧飽和度采集傳感器、加速度計、光電血管容積圖(Photoplethysmogram, PPG)傳感器、呼吸采集傳感器中的一種或其中幾種的組合；
[0041]放大濾波模塊110由差分放大電路和濾波電平提升電路組成，使獲得的模擬信號達到主控制器中模數轉換器的要求。所述差分放大電路是AD620芯片，所述濾波電平提升電路是TLC2264芯片。
[0042]呼吸信號的采集有兩大類方法，一是使用專門測量呼吸信號的傳感器，如，但不限于，生物電阻抗技術(Electrical B1 impedance, EIP)。它利用生物組織與器官的電特性(阻抗、導納、介電常數等)及其變化與呼吸相關的原理，借助于心電電極120向胸部兩點送入微小的交流，檢測相應的電阻抗及其變化獲得呼吸信號。另一類方法是從心電圖、加速度、光電血管容積圖獲取呼吸信號。這些信號中都包含呼吸信號成分，且其頻率特性有別于其它信號，因此，可以使用帶通濾波等方法提取呼吸信號。
[0043]穿戴式數據采集單元100的一種實現方案是心電電極120、傳感器模塊130和放大濾波模塊110集成于一體。由于其體積小，重量輕，其穿戴方式可以直接借用心電電極片的粘膠，或醫用膠布貼在胸部，或使用專用腰帶佩戴在胸前。這里，使用加速度計來采集呼吸信號。當呼吸使胸腔收縮和擴張時，加速度計測量到垂直于胸腔的加速度分量。另一種選擇是，傳感器模塊130只采用生物電阻抗技術直接測量呼吸信號。此時，借助于心電電極向胸部兩點送入微小的交流，為了使檢測到的電阻抗變化足以獲得呼吸信號，心電電極的距離必須足夠遠。
[0044]由于光電血管容積圖傳感器穿戴方便，其中含有脈搏波信號和呼吸信號，因此，穿戴式數據采集單元100的另一種實現方案是舍棄心電電極120，傳感器模塊130中僅使用光電血管容積圖傳感器模塊并佩戴于手指上。放大濾波模塊110采集、放大、濾波，并將到信號送到處理顯示通信單元200。
[0045]對于專業應用，在獲得心電和呼吸信號的同時，需要分析血壓和血氧飽和度的變化。這時，傳感器模塊130中，要加入連續血壓測量和血氧飽和度的測量傳感器。
[0046]二.處理顯示通信單元200
[0047]如圖4所示,處理顯示通信單元200包括主控制模塊210、顯示模塊220、音響模塊230、存儲報告模塊240、通信模塊250，其中:
[0048]主控制模塊210配有模數轉換通道，將戴式數據采集單元100中的放大濾波模塊110輸出的模擬信號轉換處理為數字信號，并從心電信號或PPG信號提取R波位置。對采集到的呼吸信號進行預處理提取呼吸信號，或從加速度信號、心電信號、光電血管容積圖信號中提取呼吸信號，進而提取心率變異的時域和頻域度量，提取心率變異的呼吸竇性心率不齊(Respiratory sinus arrhythmia RSA)中的呼吸相位與采集到的呼吸信號的相位差,作為自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量。
[0049]顯示模塊220的輸入端與主控制模塊210的輸出端連接，接收并以圖形和數字顯示當前的自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量呈現給受訓者，完成一條反饋通路。另一方面，它根據受訓者的和諧節律，以氣球等動畫畫面，引導受訓者的呼吸節律；
[0050]音響模塊230的輸入端與主控制模塊210的輸出端連接，根據受訓者的自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量的和諧程度，選擇播放語音和音樂，提示受訓者放松心緒，進行慢節奏深呼吸，進入自主神經心肺系統調節的和諧狀態。
[0051]存儲報告模塊240的輸入端也與主控制模塊210的輸出端連接，記錄數字信號中整個生物反饋過程中的參數包括:訓練呼吸率、RR間期、呼吸波、和諧度度量、達到和諧狀態所用時間、和諧狀態保持時間，和諧度度量隨時間的變化曲線，生成報告，保存到個人檔案和歷史記錄中。
[0052]通信模塊250的輸入端與主控制模塊210的輸出端相連，將數字信號中生物反饋過程中的參數和數據上傳到服務器，也可以選擇只上傳訓練報告。
[0053]處理顯示通信單元200和電源管理單元300組成一體結構的手持部件。當受訓者開始生物反饋訓練時，他佩戴好穿戴式數據采集單元100，開啟手持部件，觀看LCD顯示器上的呼吸引導動畫、心率變異曲線和和諧度量，傾聽播出的語音和音樂，端坐、放松心緒、慢呼吸并開始訓練。
[0054]處理顯示通信單元200從穿戴式數據采集單元100的放大濾波器110獲得心電或PPG信號、呼吸信號或加速度信號、血壓和血氧信號。其主控制模塊210可以使用STM32F103VE芯片，STM32F103VE芯片中配有模數轉換通道，將采集的模擬信號轉換成數字信號。
[0055]處理顯示通信單元200中的主控制模塊210進一步識別和檢測心電信號的QRS結構(QRS Complex)。處理顯示通信單元200可以進一步包括選用已經成熟的Neurosky型心電信號處理芯片的產品等。
[0056]根據從穿戴式數據采集單元100的放大濾波模塊110獲得數據的不同，呼吸信號提取方式也不同。如果從心電圖、加速度、光電血管容積圖(Photoplethysmogram, PPG)獲取呼吸信號。利用其頻率特性有別于其它信號，使用帶通濾波等方法提取呼吸信號。如果使用加速度信號，三軸加速度計佩戴于胸前，呼吸導致胸部擴張和收縮，使加速度計測到垂直于胸腔的前向加速度，將前向加速度信號進行帶通濾波，就可以獲得呼吸信號了。
[0057]主控制模塊210獲得心率、呼吸信號。由于心率信息是以RR波間期序列形式提供的非等采樣間隔時間序列信號，呼吸信號是等采樣間隔時間序列信號。為了將它們統一到具有相同取樣率的離散時間序列，必須對RR間期序列進行插值，并將這兩個信號重采樣到相同的時間間隔。然后，使用RR間期和呼吸信號，計算一套自主神經心肺系統調控狀態度量，包括:RR間期的標準差(SDNN)、相鄰RR間期差的標準差(SDSD)、HRV中頻功率譜指數(Coh )、HRV曲線與呼吸波的同步指數(Synch )，以及由它們綜合出的總體和諧程度度量。
[0058]對一受訓者，主控制模塊210從存儲報告模塊240中的個人檔案和歷史記錄中調出該受訓者的個人資料和歷史訓練記錄、訓練方案及其執行情況，設定當前訓練的時間、呼吸率等參數，啟動訓練。
[0059]對每一次訓練，存儲報告模塊230實時記錄所有信息:呼吸頻率、RR間期和呼吸信號、自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量，簡稱和諧度度量。存儲和報告內容包括:訓練開始時的RR間期和呼吸信號、和諧度度量；達到和諧的時間點，和RR間期和呼吸信號、和諧度度量；和諧狀態保持時間；和諧度度量隨時間的變化曲線；不同呼吸率下最佳和諧狀態下的RR間期和呼吸信號、和諧度度量。存儲報告模塊240使用Mic1SD型卡存儲數據。
[0060]對于集體訓練情景，通信模塊250實時上傳受訓者的RR間期和呼吸信號、和諧度度量。通信模塊250通過wifi，例如CC3000芯片，與網絡連接。中心服務器存儲有每一個受訓者的個人檔案和歷史記錄。訓練主教練/康復師/醫生在客戶端，選擇顯示和觀看各受訓者的實時訓練情況。對特定的受訓者，調出其歷史記錄，分析其訓練趨勢，找出訓練規律，制定訓練方案。
[0061]個性化HRV生物反饋訓練方案包括:訓練療程，常為2周-4周；每天訓練次數，常為1-2次；每次訓練時間，常為20-30分鐘；訓練中的呼吸頻率，起始值是每分鐘6次；呼氣和吸氣時間比，等。
[0062]三.電源管理單元300
[0063]如圖5中示出的電源管理單元300包括充電模塊310和穩定供電模塊320，電源管理單元300使用標準芯片，穿戴部件和手持部件都由充電模塊310為可充電電池供電，例如鋰電池。為了保證充電和平穩供電，穩定供電模塊320選用LTC4054型充電管理芯片來管理充電，穩定供電模塊320使用MIC-5205型直流電源穩定電路，來給穿戴式數據采集單元100、處理顯示通信單元200提供穩定的直流電源，保證整個系統的正常工作。
[0064]四.自主神經心肺系統調控狀態度量
[0065]圖6a、圖6b、圖6c分別示出疾病、非和諧與和諧狀態下的RR間期變化曲線。在非和諧狀態，HRV反應了個人受壓力、不良情緒的影響；通過生物反饋訓練可以將我們的身體調整到一個理想狀態，即我們剛才所說的自主神經系統和諧狀態。在和諧狀態下，心情放松，HRV與呼吸共振，表現出典型的呼吸竇性心率不齊，瞬時心率曲線在波形顯示上形成一條類似正弦波的平滑曲線，稱之為節律性竇性心律不齊曲線(Rhythm Sinus Arrhythmia,RSA)ο在RSA狀態下，HRV的值一般都會達到個體最大值，而且此時HRV在頻域上表現為功率譜集中，在0.1Hz附近形成了一個尖峰，如圖7b所示。
[0066]實驗研究表明，呼吸節律控制在每分鐘6次左右，最能達到和諧狀態。為評估心肺系統調控狀態，我們在心率信號和呼吸信號上，移動寬度為10-30秒，即一到三個呼吸周期的滑動窗口，在窗口內計算如下度量:
[0067]1.RR間期的標準差(SDNN)，RR間期是瞬時心率的倒數，其標準差反映呼吸周期內瞬時心率波動的幅度。心率和呼吸達到和諧時，心率被呼吸調制達到最大振幅，SDNN也達到最大值。如圖6a、圖6b、圖6c所示，在一個呼吸周期內，RR間期的變化幅度，疾病情況最小，非和諧狀態中等，和諧狀態達到最大。
[0068]2..相鄰RR間期差的標準差(SDSD)。描述心率的短期變化，由相鄰兩個心搏時長的變化來反映。雖然這三種情況，相鄰RR間期差的標準差，在和諧狀態下平均值增加，但非和諧狀態和疾病狀態下，其無規變化也有一定的幅度。
[0069]3.HRV中頻功率譜指數(Coh)。中頻定義在0.1Hz為中心的一個帶寬之內，它表示HRV的頻譜在0.1Hz附近的集中程度，來評估受訓者是否達到了自主神經系統和諧，或HRV與呼吸的諧振。定義HRV中頻功率譜和諧指數為其功率譜密度函數在一中頻范圍內積分的歸一化。中頻范圍0.08Hz - 0.125Hz為實施例之一，僅旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0070]如圖7a示出和諧狀態下心率變異曲線。圖7b示出和諧狀態下心率變異曲線的頻譜圖，達到和諧時，其頻譜集中分布在0.1Hz左右。因此，這是評估是否達到和諧的主要指標。
[0071]4.HRV曲線與呼吸波的同步指數(Synch)。定義為HRV波與呼吸波的相位差的變化標準差的負值的歸一化。達到和諧時，該相位差變化很小。和諧狀態下，心率完全被呼吸所調制，因此HRV波與呼吸波的同步程度很高。否則，他們的同步程度很差，或完全不同步。HRV波與呼吸波的同步程度，用它們相鄰波峰的距離變化標準差來表示。
[0072]上述度量從不同的側面，不同的程度描述了心率變異通過生物反饋訓練而達到和諧狀態的程度。總體和諧程度度量定義為上述4種度量的全部或部分的加權和。
[0073]五.HRV生物反饋訓練方法
[0074]采用以下幾個措施進行生物反饋訓練:
[0075]1.采用語言引導、播放音樂的方式，引導放松身體和情緒、控制意念、減少焦慮和負面想法；
[0076]2.在屏幕上用吹氣球動態圖形，引導進行流暢的慢呼吸；
[0077]3.在屏幕上顯示HRV波形和訓練得分，并根據情景，進行語言引導，引導被訓練者向正確的方向行進；
[0078]4.對每個人，建立個人訓練檔案，并自動尋找最佳諧振頻率。
[0079]當一受訓者已經注冊，開始訓練，訓練流程如下:
[0080]A.查詢其訓練檔案，并分別以下三種情況處理:
[0081]a.對訓練檔案為空的初始訓練者，令每分鐘呼吸次數為6，也即周期為10秒。
[0082]b.對已有訓練檔案，但訓練次數少于5次的受訓者，根據其以往呼吸周期，向上、向下微調呼吸周期，如:10.5秒、9秒、11秒、8秒、....等,來選定訓練呼吸周期。
[0083]c.對于訓練次數超過5次的受訓者，作出不同呼吸周期下的和諧度量曲線。如果曲線中出現和諧度量最大值，則以相應的呼吸周期作為本次訓練呼吸周期。如果曲線沒有和諧度量最大值，則找到最佳趨勢，使用預測方法確定本次訓練呼吸周期。
[0084]B.根據選定呼吸周期進行訓練，對每一呼吸周期，計算、顯示、存儲其總體和諧程度度量，和其它各和諧度量，即:RR間期的標準差(SDNN)、相鄰RR間期差的標準差(SDSD)、HRV中頻功率譜指數(Coh)、和HRV波與呼吸波的同步指數(Synch)。
[0085]C.根據和諧度量，將訓練狀態分為不同的幾個等級。例如三個等級:和諧、準和諧、無規，并對不同的和諧等級配置不同的氣球顯示顏色、引導提示解說詞、音樂。根據當時和諧等級，播放相應的引導解說詞、音樂，使用相應顏色的圖形。
[0086]D.達到訓練時間，提示結束訓練。總結本次訓練、并與歷次訓練比較，生成報告。報告以數字和圖形的形式，給出本次訓練中RR間期、和諧度量曲線；計算進入和諧時間、和諧狀態保持時間、保持5分鐘以上的最大和諧度量，這幾個用以評價一次訓練的參數；作出這三個參數在歷次訓練中使用不同呼吸周期的變化曲線。
[0087]以上所述，僅為本發明中的【具體實施方式】，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉該技術的人在本發明所揭露的技術范圍內，可理解想到的變換或替換，都應涵蓋在本發明的包含范圍之內。
【權利要求】
1.一種心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:包括:穿戴式數據采集單元為可穿戴部件、處理顯示通信單元和電源管理單元組成手持式部件，其中: 穿戴式數據采集單元具有用電輸入端、信號采集端和信號輸出端，用于采集并輸出放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度模擬信號； 處理存儲通信單元具有用電輸入端、數據采集端和數據輸出端，處理存儲通信單元的數據采集端與穿戴式數據采集單元的信號輸出端連接，用于處理、存儲放大、濾波、去除干擾后的單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號、以及血壓和血氧飽和度信號，提取瞬時心率和呼吸信號，并由處理存儲通信單元的數據輸出端輸出自主神經心肺系統調控狀態的和諧度度量，將和諧度度量以圖形、語音和音樂的方式反饋給受訓者，引導受訓者放松心緒；同時尋找最佳呼吸頻率，以動畫方式引導受訓者進行慢呼吸，以便進入自主神經心肺系統調控和諧狀態； 電源管理單元的供電輸出端分別與穿戴式數據采集單元的用電輸入端、處理顯示通信單元的用電輸入端連接，用于為穿戴式數據采集單元、處理顯示通信單元提供穩定電源。2.根據權利要求1所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述穿戴式數據采集單元包括:放大濾波模塊、心電電極、傳感器模塊，其中:心電電極具有兩個接口，用于采集并輸出單導聯心電信號；傳感器模塊具有數據采集端和數據輸出端，用于采集并輸出光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度信號；放大濾波模塊具有信號輸入端和信號輸出端，放大濾波模塊信號輸入端分別與心電電極的兩個接口、傳感器模塊的數據輸出端連接，用于對單導聯心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度信號進行放大、濾波、去除干擾，并由放大濾波模塊的信號輸出端輸出心電信號、光電血管容積圖信號、呼吸信號以及血壓和血氧飽和度的信號。3.根據權利要求2所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述心電電極位于心臟附近，并具有一距離，用以保證心電信號的強度及用以保證R波檢測的準確性。4.根據權利要求2所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述傳感器模塊是佩戴在手指的光電血管容積圖傳感器、專用心電呼吸采集傳感器、專用心電、呼吸、血壓、血氧飽和度采集傳感器中的一種或是任意組合。5.根據權利要求4所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述傳感器模塊使用佩戴在手指的光電血管容積圖傳感器的配置下，處理存儲通信單元從光電血管容積圖信號中提取心率和呼吸信號。6.根據權利要求4所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述傳感器模塊使用專用心電呼吸采集傳感器的配置下，處理存儲通信單元從心電、呼吸信號中提取出心率、呼吸隨時間變化曲線，所述專用心電呼吸采集傳感器是生物電阻抗傳感器。7.根據權利要求4所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述傳感器模塊使用專用心電、呼吸、血壓、血氧飽和度采集傳感器的配置下，處理存儲通信單元從心電、呼吸、血壓、血氧飽和度信號中提取出心率、呼吸、血壓、血氧飽和度隨時間變化的曲線。8.根據權利要求1所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:所述處理顯示通信單元包括主控制模塊、顯示模塊、音響模塊、存儲報告模塊、通信模塊，其中: 主控制模塊配有模數轉換通道，將穿戴式數據采集單元輸出的模擬信號轉換成數字信號，獲得并輸出自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量； 顯示模塊的輸入端與主控制模塊的輸出端連接，接收并以圖形和數字顯示當前的自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量呈現給受訓者即形成一條反饋通路；根據受訓者的和諧節律，以氣球動畫畫面引導受訓者的呼吸節律； 音響模塊的輸入端與主控制模塊輸出端連接，根據受訓者的自主神經心肺系統調控狀態和諧度度量的和諧程度，選擇播放語音和音樂，提示受訓者放松心緒，進行慢節奏深呼吸，進入自主神經心肺系統調節的和諧狀態； 存儲報告模塊的輸入端與主控制模塊的輸出端連接，記錄整個生物反饋過程中的所有參數包括:訓練呼吸率、RR間期、呼吸波、和諧度度量、達到和諧狀態所用時間、和諧狀態保持時間，和諧度度量隨時間的變化曲線，并生成報告，保存到個人檔案和歷史記錄中； 通信模塊的輸入端與主控制模塊的輸出端相連，將生物反饋訓練過程中的所述參數和數據上傳到服務器，或上傳訓練報告。9.根據權利要求1所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:可穿戴部件與手持式部件間采用有線連接，可穿戴部件與手持式部件間采用共用密鑰加密通信方式互相確認身份、傳輸數據，保證嵌入式可穿戴部件與手持式或臺式監控部件間配對工作的唯一性，防止攻擊和復制。10.根據權利要求1所述的心率變異性生物反饋康復裝置，其特征在于:電源管理單元包括充電模塊和穩定供電模塊，穿戴部件和手持部件都由充電模塊供電。
【文檔編號】A61B5-0205GK204293140SQ201420588134
【發明者】吳健康 [申請人]吳健康