CN105496377B - 一种心率变异生物反馈锻炼系统方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种心率变异生物反馈锻炼系统方法，包括一整套自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，和引导受训者进入和谐状态的方法。本发明的一种心率变异生物反馈锻炼设备，实时采集受训者的心率和呼吸信号，分析和计算其自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，引导受训者调节心绪和呼吸，进入和谐状态。心率变异生物反馈锻炼能有效地调节自主神经调控状态，降低心肺系统危险系数；能有效缓解竞技心理压力，提高成绩。因此，本发明对于人们的保健、提高生活质量具有重要意义。

Description

一种心率变异生物反馈锻炼系统方法和设备

技术领域

本发明属于生物反馈康复技术领域，特别是涉及一种穿戴式自主神经调控状态监测和生物反馈康复系统。

背景技术

自主神经系统有其自主运行的节律。它控制着人们的心肺系统、消化系统和泌尿系统三大系统活动的运行与协调。如果自主神经系统发生功能失调，则容易导致相关的调节系统的功能失衡。中国传统的坐禅、气功、打太极等，也都想通过自我调节，达到内在的平衡，改善人体三大系统的运行状态。虽然这已经被证明是行之有效的养生方法，但是，坐禅、气功和打太极所达到的内在平衡状态，无从客观评价；各人各自努力，其方向是否正确、方法是否有效，也只能见仁见智，“修行在个人”了。

自主神经调控着人们的心肺系统、消化系统和泌尿系统三大系统。从系统辨识的角度出发，我们可以从这三大系统的运行状态来推断自主神经系统的状态。在这三个系统中，心肺系统有其独特的运行规律。其运行节律易于测量，呼吸节律可以控制。这就为我们治疗和预防心血管疾病提供了一个思路：既然自主神经主导着心肺系统的活动，通过监测和评估心肺系统的节律可以推断自主神经调控状态，那么我们可以通过调节呼吸，把自主神经的调控节律往规律的方向上引导，从而从根本上改善和治疗因自主神经失调所引起的心肺疾病和其它相关病。

根据中国心血管疾病中心发布的《2012中国心血管病报告》，我国心血管病患者人数2.9亿，每10秒就有1人死于心血管病。调查发现，心血管疾病和自主神经系统（AutonomicNervous System, ANS）功能失调和异常有关。自主神经心血管系统的调控保证了心脏输出和血液循环，以及代谢的最佳状态。心脏和血管分布的交感神经是激励性的，它的活动使血管收缩、心率增加、心脏收缩增强。反之，副交感神经是抑制性的，它的活动导致心率降低和心脏收缩变缓。交感神经必须充分激励以便应对紧急事件。当神经紧张血压升高时，副交感神经应该活动起来，使心脏平静。这种一张一弛，形成了心血管系统的平衡。如果交感和副交感神经的平衡被打破，交感神经持续活跃，而副交感神经处于抑制状态，心血管系统则处于严重失调的病态，住院率和死亡率上升。

心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）是指连续心搏间瞬时心率的涨落，是一项定量评价心脏自主神经调控功能的无创性检测手段。当心房没有有效地收缩时会导致血液瘀滞和凝聚，临床上经常用HRV作为脑卒中和冠心病等高致死率心脑血管病的早起预警指标。相当多的研究证明，心率变异性与冠心病等疾病有紧密联系。研究表明，产生心率波动的因素包括脑的神经活动、呼吸活动以及由压力、化学感受器传入的心血管反向活动等，这些因素最终通过交感神经和副交感神经的调节作用表现出来。因此，HRV信号中包含了大量与心血管调节作用有关的信息，对这些信息的提取和分析可以定量评估心脏交感神经和副交感神经活动的均衡性、紧张性，评估两者对心血管系统的影响。

生物反馈的研究，既有理论意义又有实用价值：它打破了传统的学习理论认为植物性神经系统所支配的器官不能进行学习、不能随意控制的限制，开辟了“内脏学习”的新领域；它综合了心理学、生理学、临床医学与现代电子学等诸多学科，突破了传统治疗学的局限。它最大的特点就是针对性强，在心身疾病的致病原因的层次上进行治疗。此外，生物反馈以其无损伤、无痛苦、无药物副作用的特点而广受关注，成为治疗许多疾病提供了新的手段和方法。HRV生物反馈1975年由俄国Vaschillo创立，后由美国Lehrer教授在美国和欧洲发扬光大。美国NIH、加拿大多伦多大学、意大利Pavia大学、日本帝京大学、我国中山大学等的研究都证明，心率变异性生物反馈能对哮喘、高血压、心衰、冠心病、病人情绪低落等有明显疗效，对竞技心理压力，有缓解和提高成绩的效果。

但是，自主神经系统有其复杂性和不可控制性。从系统科学的角度来说，自主神经系统对心肺系统的控制是一个典型的闭环自动控制系统。如何从系统的测量参数中估计自主神经系统的工作状态和节律，如何引导自主神经系统由失调和无规转向有规和协调，这是具有挑战性的课题。

中国专利200410039589.2《反馈型腹式呼吸训练仪》由心电和呼吸波计算呼吸性窦性心律不齐定量表达值，连同心率、血压、血氧饱和度作为反馈参数，以视觉或听觉方式显示给受训者，使马上知道呼吸模式是否正确。然而，其给出的窦性心律不齐定量表达值并不十分有效。美国专利8,442,632《Method and apparatus for affecting the autonomicnervous system》声明使用呼吸和心率可以影响自主神经节律，但没有给出实现细节。美国专利8,066,637《Method and apparatus for facilitating physiological coherenceand autonomic balance》所发明的方法和设备，使用分析心率变异度的频谱发布可以确定人体生物系统节律状态。美国专利8,428,702《Methods and devices for relievingstress》提供了一种使用方便的设备，通过实时测量呼吸性窦性心律不齐来评估人的压力，并帮助缓解压力。

诚然，上述专利都提出了使用心率变异性来评估和调节自主神经节律，但都没有系统地给出由哪些测量参数来评估自主神经系统的工作状态和节律，如何引导自主神经系统由失调和无规转向有规和和谐的方法和设备。

发明内容

为了使心率变异性生物反馈技术更好地为人类健康服务，本发明将系统地提出自主神经系统状态和节律的监测和评估方法，以及引导自主神经系统由失调和无规转向有规和和谐的方法，并提供心率变异性生物反馈系统和设备的构成。

在本发明中，为叙述的准确，现就两个概念和术语说明如下：“心率变异”是指瞬时心率随时间的变化。在由心电信号获得瞬时心率时，往往从心电信号中提取R波，以相邻两个R波的间期，即RR间期的倒数表示。在很多场合，我们用RR间期来替代瞬时心率，RR间期又名“NN间期”。本发明的重点是提出一整套自主神经心肺系统调控状态度量，以此来定量度量自主神经心肺系统调控状态，从无规到和谐之间的程度。因此，我们也把它称为“自主神经心肺系统调控状态和谐度度量”，简称“和谐度度量”。在下面的叙述中，在不同的情况下，会用不同的概念和术语，它不影响和限制本发明的内容。

为达成所述目的，本发明提供一种心率变异生物反馈锻炼系统方法，包括：一套基于心率变异（HRV）曲线和呼吸信号的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，包括：RR间期标准差（SDNN）、相邻RR间期差的标准差（SDSD）、HRV中频功率谱指数（Coh）、HRV曲线与呼吸波的同步指数（Synch），以及由它们的加权和综合出的总体和谐程度度量；

一套生物反馈炼习的训练程序，包括：在显示屏上用吹气球动画，引导受训者按照给定频率进行流畅的慢呼吸；根据受训者当前和谐度度量，选择播放相应的语言和音乐，引导放松身体和情绪、控制意念、减少焦虑和负面想法；在显示屏上显示HRV波形和训练得分，引导受训者向正确的方向行进；利用受训者的训练历史档案，寻找个性化达到和谐的最佳呼吸率。

优选地，一套基于心率变异（HRV）曲线和呼吸信号的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，简称“和谐度度量”，从心率变异和呼吸信号出发，从不同侧面描述了自主神经心肺调控状态，其中

RR间期标准差（SDNN）反映呼吸周期内心率波动的幅度，心率和呼吸达到和谐时，心率被呼吸调制，达到最大振幅，SDNN也达到最大值；

相邻RR间期差的标准差（SDSD），描述心率的短期变化，由相邻两个心搏时长的变化来反映；

HRV中频功率谱指数（Coh），表示HRV的频谱在0.1Hz附近的集中程度，达到和谐时，HRV曲线近似余弦波，其频谱集中分布在主频0.1Hz左右，这是评估自主神经心肺调控状态是否达到和谐的主要指标；

HRV曲线与呼吸波的同步指数（Synch）定义为HRV波与呼吸波的相位差的变化标准差的负值的归一化，达到和谐时，心率完全被呼吸所调制，因此HRV波与呼吸波的同步程度很高；

总体和谐度度量定义为上述4种度量的全部或部分的加权和。

优选地，一套生物反馈炼习的训练程序，包括：对一训练者，根据其训练档案，选择一呼吸频率，在显示屏上用吹气球动画图形，引导其进行流畅的慢呼吸；利用和谐度度量将自主神经心肺系统调控状态和谐度分为2-5个等级，为每个等级设计相应的引导语音和音乐，根据当前的和谐等级，选择播放相应的引导语言和音乐的，引导受训者放松身体和情绪、控制意念、减少焦虑和负面想法；在屏幕上显示HRV波形、和谐度度量、训练得分，引导被受训者向正确的方向行进。

优选地，一套生物反馈炼习的训练程序，还包括：对每一受训者，寻找最佳呼吸谐振频率：对初始训练者，令每分钟呼吸次数为6，即呼吸周期为10秒，进行一次20-30分钟生物反馈训练，记下总体和谐度度量，和各和谐度度量；向上、向下微调呼吸周期，如：11秒、9秒，等，进行生物反馈训练，记下总体和谐程度度量，和各和谐度度量；分析不同呼吸周期下的和谐度度量，找出最佳呼吸率，或最佳趋势；根据历史记录和分析结果，确定当前训练参数。

本发明还提供一种心率变异生物反馈锻炼设备，包括：穿戴式数据采集单元为可穿戴部件，采集心电信号或PPG信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号；信号处理和分析单元和反馈控制单元组成手持式或台式监控部件，信号处理和分析单元从采集的信号中提取心率和呼吸信号；反馈控制单元根据心率和呼吸信号，计算自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，引导受训者调整心绪和呼吸，进入自主神经心肺系统调控和谐状态；对每次训练进行总结评估、生成报告；存储和上传训练数据、建立受训者训练档案。

优选地，穿戴式数据采集单元，是微电子硬件穿戴式部件，其结构和包括的传感器和信号采集和预处理电路，视需求从简单到复杂，有如下几种配置：

两个心电电极和相应的放大、滤波和A/D转换电路，或加入数字加速度计，采用这种配置，信号处理和分析单元从心电信号中提取RR间期，呼吸信号则从心电信号或加速度信号中分离出来；

使用佩戴在手指的光电血管容积图PPG传感器和相应的放大、滤波和A/D转换电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从PPG信号中提取心率和呼吸信号；

专用心电、呼吸采集传感器和放大滤波电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从心电信号中提取RR间期，专用呼吸信号采集传感器和电路之一，是生物电阻抗技术；

专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器和电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从这些信号中提取出心率、呼吸、血压、血氧饱和度随时间变化的曲线。

优选地，信号处理和分析单元，包括：从心电信号中检测R波或通过检测QRS结构来更好地检测R波，从PPG信号中提取心率，从专用呼吸信号采集装置采集的信号，或从心电信号、PPG信号、加速度信号等中提取呼吸信号，处理和分析血压和血氧饱和度信号，获得心率、呼吸、血压和血氧饱和度随时间变化的特征信息。

优选地，反馈控制单元，对从信号处理和分析单元获得的RR间期和呼吸信号，对RR间期序列进行插值，并将这两个信号重采样到相同的时间间隔，进而计算一套自主神经心肺系统调控状态度量，也即和谐度度量；

对一受训者，从个人档案和历史记录中调出其个人资料和历史训练记录、训练方案及其执行情况，根据历史训练记录，找出其最佳呼吸率，或根据和谐度度量对呼吸率变化趋势，预测最佳呼吸率，根据训练方案及执行情况，设定当前训练的时间、呼吸率等参数，启动训练；

对每一次训练，实时记录、分析、保存、上传所有信息，包括：呼吸频率、RR间期和呼吸信号、和谐度度量，达到和谐的时间点、和谐保持时间，和谐度度量随时间的变化曲线，不同呼吸率下最佳和谐状态下的RR间期和呼吸信号、和谐度度量；

对每次训练进行总结，生成训练报告，呈现给受训者，上传给服务器。

优选地，反馈控制单元，对于集体训练情景，实时上传受训者的RR间期和呼吸信号、和谐度度量，中心服务器存储有每一个受训者的个人档案和历史记录。训练主教练/康复师/医生在客户端，选择显示和观看各受训者的实时训练情况。对特定的受训者，调出其历史记录，分析其训练趋势，找出训练规律，制定训练方案。

本发明提供的一种心率变异生物反馈锻炼设备，其可穿戴部件与手持式或台式监控部件间采用有线USB通信、或无线蓝牙通信，嵌入式可穿戴部件中使用加密芯片，嵌入式可穿戴部件与手持式或台式监控部件间采用共用密钥加密通信方式互相确认身份、传输数据，保证嵌入式可穿戴部件与手持式或台式监控部件间配对工作的唯一性，防止攻击和复制。

本发明一种心率变异生物反馈锻炼系统方法和设备的特点是：

1）实时监测心电信号或PPG信号、呼吸信号，以及血压等相关信号，从心率变异和呼吸两种信号提取一整套自主神经心肺系统调控状态和谐度度量。

2）以动画、图形、语言和音乐等多媒体方式，引导受训者调节心绪和呼吸，并将自主神经心肺系统调控状态和谐度度量以图形和数字方式，反馈给受训者，指引受训者向正确的方向调控。

3）存储和分析受训者的心肺系统数据、节律和和谐度度量，并以系统智能的方法，寻找个性化的心肺系统调控最佳和谐点，以及规划达到最佳和谐点的最优途径。

心率变异生物反馈锻炼系统包括：穿戴式微型传感器数据采集单元，同步实时采集心电信号或PPG信号、呼吸信号、血压信号、血氧饱和度信号，通过有线或无线方式，送到信号处理和分析单元。信号处理和分析单元从心电信号或PPG信号中提取R波位置，获得RR间期序列；预处理呼吸信号，或从心电信号、加速度信号、PPG信号中提取呼吸信号；把RR间期序列和呼吸信号送到反馈控制单元。反馈控制单元中的调控状态评估模块计算自主神经心肺调控状态和谐度度量。根据这些度量，反馈引导模块一方面用动画和图形的方式，引导受训者的呼吸节奏，另一方面，使用语音、音乐、和谐度度量的数值和图形表示的反馈，来调整受训者的心绪和呼吸方式，使之接近或达到和谐状态。同时，反馈引导模块也利用受训者的历史数据，寻找个性化的最佳呼吸频率等参数。存储、报告、上传模块生成报告，管理受训者数据，维护受训者档案，协助其坚持训练，保持好的自主神经调控状态，有一个健康的生活质量。

附图说明

图1是本发明心率变异生物反馈锻炼系统结构框图；

图2是本发明心率变异生物反馈锻炼设备穿戴示意图；

图3是疾病、非和谐与和谐三种状态下瞬时心率（RR间期）变化曲线；

图4是和谐状态下心率变异曲线（左）的频谱图（右）。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1本发明心率变异生物反馈锻炼系统结构框图所示，本发明是一种穿戴式实时生理监测、分析和反馈系统硬件和软件。整个心率变异生物反馈锻炼系统由穿戴式数据采集单元100、信号处理和分析单元200和反馈控制单元300组成。穿戴式数据采集单元100中的心电数据采集模块120有两个心电电极用以采集心电信号。图2所示为佩戴方式之一。原则上两个心电电极必须在心脏附近，并保持一定的距离，以保证心电信号的强度，以及以后R波检测的准确性。传感器模块130采集呼吸信号、加速度信号、血压信号、血氧饱和度信号。控制和数据传输模块110控制和同步心电数据采集模块120和传感器模块130，并将采集到的模拟信号进行放大、滤波、模数转换后，按照数据传输协议将所有采集到的信号打包，通过有线或无线方式送往信号处理和分析单元200。心率分析模块210的核心是对采集到的心电信号或PPG信号进行R波检测。呼吸信号提取模块220对采集到的呼吸信号进行预处理，或从加速度信号、心电信号、光电血管容积图PPG等信号中提取呼吸信号。

调控状态评估模块310从心率分析模块210中获得R波位置，从呼吸信号提取模块220中获得呼吸信号，从而计算心率变异的时域和频域度量，计算心率变异的呼吸窦性心率不齐（Respiratory sinus arrhythmia RSA）中的呼吸相位与采集到的呼吸信号的相位差，作为自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，送到反馈引导模块320。反馈控制模块320是本发明的人机交互模块。一方面，它将当前的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量以图形和数字度量的形式呈现给受训者，完成一条反馈通路；另一方面，它推理出受训者的和谐节律，以气球等动画画面，引导受训者的呼吸节律；同时用语音和音乐，提示受训者放松心绪，进行慢节奏深呼吸，进入自主神经心肺系统调节的和谐状态。存储、报告、上传模块330记录整个生物反馈过程中的各种参数，生成报告，保存到个人档案和历史记录340，并上传到服务器。

下面详细介绍本发明的实施例：

（一）穿戴式数据采集单元100

如图2所示，穿戴式数据采集单元100是微电子硬件穿戴式部件，由固件程序驱动，通过有线（USB）或无线（蓝牙）方式将采集的信号送往信号处理和分析单元200，并与信号处理和分析单元200交互，完成认证和管理任务。

呼吸信号的采集有两大类方法，一是使用专门测量呼吸信号的传感器，如，但不限于，生物电阻抗技术（Electrical Bio impedance, EIP）。它利用生物组织与器官的电特性（阻抗、导纳、介电常数等）及其变化与呼吸相关的原理，借助于心电电极向胸部两点送入微小的交流，检测相应的电阻抗及其变化获得呼吸信号。另一类方法是从心电图、加速度、光电血管容积图（Photoplethysmogram, PPG）获取呼吸信号。这些信号中都包含呼吸信号成分，且其频率特性有别于其它信号，因此，可以使用带通滤波等方法提取呼吸信号。

穿戴式数据采集单元100的一种实现方案是：心电数据采集模块120用两个电极片采集单导联心电信号，传感器模块130只采集加速度信号，它们和控制和数据传输模块110集成于一个小型嵌入式系统。由于其体积小，重量轻，其穿戴方式可以直接借用心电电极片的粘胶，或医用胶布贴在胸部，或使用专用腰带佩戴在胸前。这里，使用加速度计来采集呼吸信号。当呼吸使胸腔收缩和扩张时，加速度计测量到垂直于胸腔的加速度分量。另一种选择是，传感器模块130只采用生物电阻抗技术直接测量呼吸信号。此时，借助于心电电极向胸部两点送入微小的交流，为了使检测到的电阻抗变化足以获得呼吸信号，两个心电电极的距离必须足够远。

由于光电血管容积图（Photoplethysmogram, PPG）穿戴方便，其中含有脉搏波信号和呼吸信号，因此，穿戴式数据采集单元100的另一种实现方案是舍弃心电数据采集模块120，传感器模块130中仅使用光电血管容积图PPG传感器，佩戴于手指上。控制和数据传输模块110控制PPG信号的采集、放大、滤波和模数转换，并通过USB或蓝牙送到信号处理和分析单元。

对于专业应用，在获得心电和呼吸信号的同时，需要分析血压和血氧饱和度的变化。这时，传感器模块130中，要加入连续血压测量和血氧饱和度的测量传感器和电路。连续血压测量方法见中国专利《一种无创动脉血压连续测量方法和设备》，专利号201310172583.1。血氧饱和度的测量方法见《血氧饱和度的测量方法》，《医疗卫生装备》1995年第1期，汪家旺。

（二） 信号处理和分析单元200

信号处理和分析单元200和反馈控制单元300是运行在计算机上的软件系统。为了方便，通常运行在平板电脑、台式计算机、或智能手机上。即，当受训者开始生物反馈训练时，他佩戴好穿戴式数据采集单元，打开安装在电脑上的信号处理和分析单元200和反馈控制单元300的软件系统，利用设备上的显示屏和音响系统，端坐并开始训练。

信号处理和分析单元200从穿戴式数据采集单元100的控制和数据传输模块110获得心电或PPG信号、呼吸信号或加速度信号、血压和血氧信号，交由心率分析模块210和呼吸信号提取模块220进行处理和分析。

信号处理和分析单元200中的心率分析模块210中的核心算法是高性能R波检测算法。为了降低误判，它识别和检测QRS结构（QRS Complex）。这已经有成熟的算法，例如：Huabin Zheng, Jiankang Wu，A Real-Time QRS Detector Based on Discrete WaveletTransform and Cubic Spline Interpolation，Journal of Telemedicine and e-Health, Vol. 14, ISS. 8, 2008, pp. 809-815。从PPG信号中获得心率的方法与心电图信号分析方法类似。

根据从穿戴式数据采集单元100的控制和数据传输模块110获得数据的不同，呼吸信号提取模块220的处理方式也不同。如果从心电图、加速度、光电血管容积图（Photoplethysmogram, PPG）获取呼吸信号。利用其频率特性有别于其它信号，使用带通滤波等方法提取呼吸信号。如果使用加速度信号，三轴加速度计佩戴于胸前，呼吸导致胸部扩张和收缩，使加速度计测到垂直于胸腔的前向加速度，将前向加速度信号进行带通滤波，就可以获得呼吸信号了。

（三） 反馈控制单元300

调控状态评估模块310从信号处理和分析单元200中的心率分析模块210获得心率，从呼吸信号提取模块220获得呼吸信号。由于心率信息是以RR波间期序列形式提供的非等采样间隔时间序列信号，呼吸信号是等采样间隔时间序列信号。为了将它们统一到具有相同取样率的离散时间序列，必须对RR间期序列进行插值，并将这两个信号重采样到相同的时间间隔。然后，使用RR间期和呼吸信号，计算一套自主神经心肺系统调控状态度量，包括：RR间期的标准差（SDNN）、相邻RR间期差的标准差（SDSD）、HRV中频功率谱指数（Coh）、HRV曲线与呼吸波的同步指数（Synch），以及由它们综合出的总体和谐程度度量。

对一受训者，反馈引导模块320从个人档案和历史记录 340中调出该受训者的个人资料和历史训练记录、训练方案及其执行情况，设定当前训练的时间、呼吸率等参数，启动训练。

对每一次训练，存储、报告、上传模块330实时记录所有信息：呼吸频率等参数、RR间期和呼吸信号、自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，简称和谐度度量。存储和报告内容包括：训练开始时的RR间期和呼吸信号、和谐度度量；达到和谐的时间点，和RR间期和呼吸信号、和谐度度量；和谐保持时间；和谐度度量随时间的变化曲线；不同呼吸率下最佳和谐状态下的RR间期和呼吸信号、和谐度度量。

对于集体训练情景，存储、报告、上传模块330实时上传受训者的RR间期和呼吸信号、和谐度度量。中心服务器存储有每一个受训者的个人档案和历史记录。训练主教练/康复师/医生在客户端，选择显示和观看各受训者的实时训练情况。对特定的受训者，调出其历史记录，分析其训练趋势，找出训练规律，制定训练方案。

个性化HRV生物反馈训练方案包括：训练疗程，常为2-4周；每天训练次数，常为1-2次；每次训练时间，常为20-30分钟；训练中的呼吸频率，常为每分钟6次；呼气和吸气时间比，等。

（四）自主神经心肺系统调控状态度量

图3中的三个图从上到下分别是疾病、非和谐与和谐状态下的RR间期变化曲线。在非和谐状态，HRV反应了个人受压力、不良情绪的影响；通过生物反馈训练可以将我们的身体调整到一个理想状态，即我们刚才所说的自主神经系统和谐状态。在和谐状态下，心情放松，HRV与呼吸共振，表现出典型的呼吸窦性心率不齐，瞬时心率曲线在波形显示上形成一条类似正弦波的平滑曲线，称之为节律性窦性心律不齐曲线（Rhythm Sinus Arrhythmia，RSA）。在RSA状态下，HRV的值一般都会达到个体最大值，而且此时HRV在频域上表现为功率谱集中，在0.1Hz附近形成了一个尖峰，如图4所示。

实验研究表明，呼吸节律控制在每分钟6次左右，最能达到和谐状态。为评估心肺系统调控状态，我们在心率信号和呼吸信号上，移动宽度为10-30秒，即一到三个呼吸周期的滑动窗口，在窗口内计算如下度量：

1、RR间期的标准差（SDNN），RR间期是瞬时心率的倒数，其标准差反映呼吸周期内瞬时心率波动的幅度。心率和呼吸达到和谐时，心率被呼吸调制，达到最大振幅，SDNN也达到最大值。如图3所示，在一个呼吸周期内，RR间期的变化幅度，疾病情况最小，非和谐状态中等，和谐状态达到最大。

2、相邻RR间期差的标准差（SDSD）。描述心率的短期变化，由相邻两个心搏时长的变化来反映。虽然这三种情况，相邻RR间期差的标准差，在和谐状态下平均值增加，但非和谐状态和疾病状态下，其无规变化也有一定的幅度。

3、HRV中频功率谱指数（Coh）。一般情况下，达到和谐时的呼吸频率为每分钟6次，即0.1Hz。此时，HRV曲线近似余弦。如图4所示，此时HRV的富氏变换域的功率谱集中在0.1Hz为中心的一个带宽之内。HRV中频功率谱指数（Coh）表示HRV的频谱在0.1Hz附近的集中程度，来评估受训者是否达到了自主神经系统和谐，或HRV与呼吸的谐振。定义HRV中频功率谱和谐指数：

其中，为HRV的功率谱密度函数。F为频率，带宽在0.08 – 0.125之间，为实施例之一，仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

4、HRV曲线与呼吸波的同步指数（Synch）。定义为HRV波与呼吸波的相位差的变化标准差的负值的归一化。达到和谐时，该相位差变化很小。和谐状态下，心率完全被呼吸所调制，因此HRV波与呼吸波的同步程度很高。否则，他们的同步程度很差，或完全不同步。HRV波与呼吸波的同步程度，用它们相邻波峰的距离变化标准差来表示。

上述度量从不同的侧面，不同的程度描述了心率变异通过生物反馈训练而达到和谐状态的程度。总体和谐程度度量定义为上述4种度量的全部或部分的加权和。

（五）HRV生物反馈训练方法

采用以下几个措施进行生物反馈训练：

1、采用语言引导、播放音乐的方式，引导放松身体和情绪、控制意念、减少焦虑和负面想法；

2、对于选定呼吸频率，在屏幕上用吹气球动画，引导进行流畅的慢呼吸；

3、在屏幕上显示HRV波形、和谐度度量、训练得分，引导被训者向正确的方向行进；

4、对每个人，建立个人训练档案，并寻找最佳谐振频率。

当一受训者已经注册，开始训练，训练流程如下：

A）查询其训练档案，并分别以下三种情况处理：

a)对训练档案为空的初始训练者，令每分钟呼吸次数为6，也即周期为10秒。

b)对已有训练档案，但训练次数少于5次的受训者，根据其以往呼吸周期，向上、向下微调呼吸周期，如：10.5秒、9秒、11秒、8秒、…，等，来选定训练呼吸周期。

c)对于训练次数超过5次的受训者，作出不同呼吸周期下的和谐度度量曲线。如果曲线中出现和谐度量最大值，则以相应的呼吸周期作为本次训练呼吸周期。如果曲线没有和谐度量最大值，则找到最佳趋势，使用预测方法确定本次训练呼吸周期。

B）根据选定呼吸周期进行训练，对每一呼吸周期，计算、显示、存储其总体和谐程度度量，和其它各和谐度量，即：RR间期的标准差（SDNN）、相邻RR间期差的标准差（SDSD）、HRV中频功率谱指数（Coh）、和HRV波与呼吸波的同步指数（Synch）。

C）根据和谐度量，将训练状态分为不同的几个等级。例如三个等级：和谐、准和谐、无规，并对不同的和谐等级配置不同的气球显示颜色、引导提示解说词、音乐。根据当时和谐等级，播放相应的引导解说词、音乐，使用相应颜色的图形。

D）达到训练时间，提示结束训练。总结本次训练、并与历次训练比较，生成报告。报告以数字和图形的形式，给出本次训练中RR间期、和谐度量曲线；计算进入和谐时间、和谐状态保持时间、保持5分钟以上的最大和谐度量，这几个用以评价本次训练的参数；作出这三个参数在历次训练中使用不同呼吸周期的变化曲线。

Claims (9)

1.一种心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于：所述系统包括一种心率变异生物反馈锻炼设备和一套生物反馈训练程序；

所述一种心率变异生物反馈锻炼设备，包括：穿戴式数据采集单元、信号处理和分析单元以及反馈控制单元，其中所述信号处理和分析单元从穿戴式数据采集单元获得信号并进行处理和分析，所述反馈控制单元从信号处理和分析单元中获得心率和呼吸信号，然后，使用RR间期和呼吸信号，计算一套自主神经心肺系统调控状态度量；所述一套自主神经心肺系统调控状态度量简称“和谐度度量”，其包括：RR间期的标准差(SDNN)、相邻RR间期差的标准差(SDSD)、HRV中频功率谱指数(Coh)、HRV曲线与呼吸波的同步指数以及总体和谐程度度量；

所述RR间期标准差(SDNN)，反映呼吸周期内心率波动的幅度，心率和呼吸达到和谐时，心率被呼吸调制，达到最大振幅，SDNN也达到最大值；

所述相邻RR间期差值的标准差(SDSD)，描述心率的短期变化，由相邻两个心搏时长的变化来反映；所述HRV中频功率谱指数(Coh)，定义为在呼吸频率为中心的带宽之内的HRV功率谱与整个频率范围功率谱的比值，Coh是评估自主神经心肺调控状态是否达到和谐的主要指标；

所述HRV曲线与呼吸波的同步指数，定义为HRV波与呼吸波的相位差的变化标准差的负值的归一化，达到和谐时，心率完全被呼吸所调制，因此HRV波与呼吸波的同步程度很高；

所述总体和谐度度量定义为RR间期的标准差、相邻RR间期差的标准差、HRV中频功率谱指数、HRV曲线与呼吸波的同步指数的加权和；

所述一套生物反馈训练程序，包括：

在显示屏上用吹气球动画和语音引导受训者按照给定频率进行流畅的慢呼吸；

根据受训者当前和谐度度量，选择播放相应的语言和音乐，引导放松身体和情绪、控制意念、减少焦虑和负面想法；

在显示屏上显示HRV波形和训练得分，引导受训者向正确的方向行进；

利用受训者的训练历史档案，寻找个性化达到和谐的最佳呼吸率。

2.根据权利要求1所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述一套生物反馈训练程序，包括：对一训练者，根据其训练档案，选择一呼吸频率，在显示屏上用吹气球动画图形，引导其进行流畅的慢呼吸；

利用和谐度度量将自主神经心肺系统调控状态和谐度分为2-5个等级，为每个等级设计相应的引导语音和音乐，根据当前的和谐等级，选择播放相应的引导语言和音乐，引导受训者放松身体和情绪、控制意念、减少焦虑和负面想法；

在屏幕上显示HRV波形、和谐度度量、训练得分，引导被受训者向正确的方向行进。

3.根据权利要求1所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述一套生物反馈训练程序，还包括，对每一受训者，寻找最佳呼吸谐振频率：

对初始训练者，令每分钟呼吸次数为6，即呼吸周期为10秒，进行一次20-30分钟生物反馈训练，记下总体和谐度度量，和各和谐度度量参数；

向上、向下微调呼吸周期，进行生物反馈训练，记下和谐度度量；

分析不同呼吸周期下的和谐度度量的变化，找出最佳呼吸频率；

根据历史记录和分析结果，确定当前训练参数。

4.根据权利要求1所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述心率变异生物反馈锻炼设备，包括：

穿戴式数据采集单元为可穿戴部件，采集心电信号或PPG信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号；信号处理和分析单元和反馈控制单元组成手持式或台式监控部件，信号处理和分析单元从采集的信号中提取心率和呼吸信号；

反馈控制单元根据心率和呼吸信号，计算自主神经心肺系统调控状态和谐度度量，引导受训者调整心绪和呼吸，进入自主神经心肺系统调控和谐状态；

对每次训练进行总结评估、生成报告；

存储和上传训练数据、建立受训者档案。

5.根据权利要求4所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述穿戴式数据采集单元是微电子硬件穿戴式部件，其包括的传感器和信号采集和预处理电路，有如下几种配置：

两个心电电极和相应的放大、滤波和A/D转换电路，或加入数字加速度计，采用这种配置，信号处理和分析单元从心电信号中提取RR间期，呼吸信号则从心电信号或加速度信号中分离出来；

使用佩戴在手指的光电血管容积图PPG传感器和相应的放大、滤波和A/D转换电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从PPG信号中提取心率和呼吸信号；

专用心电、呼吸采集传感器和放大滤波电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从心电信号中提取RR间期；

专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器和电路，采用这种配置，信号处理和分析单元从这些信号中提取出心率、呼吸、血压、血氧饱和度随时间变化的曲线。

6.根据权利要求4所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述信号处理和分析单元，处理和分析从穿戴式数据采集单元来的信号，获得RR间期、呼吸、血压和血氧饱和度随时间变化的特征信息。

7.根据权利要求4所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述反馈控制单元，对从信号处理和分析单元获得的RR间期和呼吸信号，对RR间期序列进行插值，并将这两个信号重采样到相同的时间间隔，进而计算和谐度度量；

对一受训者，从个人档案和历史记录中调出其个人资料和历史训练记录、训练方案及其执行情况，根据历史训练记录，找出其最佳呼吸率，根据训练方案及执行情况，设定当前训练的时间、呼吸率，启动训练；

对每一次训练，实时记录、分析、保存、上传所有信息，包括：呼吸频率、RR间期和呼吸信号、和谐度度量，达到和谐的时间点、和谐保持时间，和谐度度量随时间的变化曲线，不同呼吸频率下最佳和谐状态的RR间期和呼吸信号、和谐度度量；

对每次训练进行总结，生成训练报告，呈现给受训者，上传给服务器。

8.根据权利要求4所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，所述反馈控制单元，对于集体训练情景，实时上传受训者的RR间期和呼吸信号、和谐度度量，中心服务器存储有每一个受训者的个人档案和历史记录；训练主教练/康复师/医生在客户端，选择显示和观看各受训者的实时训练情况；对特定的受训者，调出其历史记录，分析其训练趋势，找出训练规律，制定训练方案。

9.根据权利要求4所述的心率变异生物反馈锻炼系统，其特征在于，穿戴式数据采集单元与信号处理和分析单元之间采用有线USB通信、或无线蓝牙通信，所述穿戴式数据采集单元中使用加密芯片，并与所述手持式或台式监控部件间采用共用密钥加密通信方式互相确认身份、传输数据，保证穿戴式数据采集单元与手持式或台式监控部件间配对工作的唯一性，防止攻击和复制。

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