CN114053550A - 一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其中耳机式高频心电信号采集单元采集用户的心电信号、皮肤交感神经活性信号，并且将采集到的信号进行预处理，情绪评估单元分别提取用户心电信号的时域、频域和非线性指标以及皮肤交感神经活性信号的特征，得到用户的情绪状态标签；情绪改善单元分为两个模块，音乐反馈模块基于Hevner模型选择相应标签的乐曲、电刺激模块则对用户耳部进行相应无创电刺激进行情绪调节，选择单元选择使用单独使用音乐或是经皮电刺激，或是同时使用两种功能进行情绪干预。本发明能够自主播放对应缓解情绪的音乐、不同电刺激模式改善情绪，有效缓解患者情绪激动以及压力过大等状态。
Description
技术领域
本发明属于情绪健康智能检测技术领域，涉及高频心电信号采集、情绪分析以及情绪压力调节技术，特别是面向便携式、穿戴式、日常工作场景的情绪压力状态监测与干预，具体涉及一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置。
背景技术
随着社会不断发展，人们对身体健康的关注越来越多。过大的精神压力以及频繁波动的情绪对人造成很多不好的影响，严重困扰生活和工作。持续的精神压力也是各种疾病的诱因，导致多种生理或精神方面的疾病，如抑郁症、焦虑症等。精神压力不仅是心理学问题也是社会问题，不但使人们的生活质量降低，也制约了经济的发展，进而影响社会发展的进程因此。因此，情绪的即时检测与即时干预的研究意义重大。
耳机式高频心电采集设备通过实时监测受试者头部高频心电信号，便于在携带耳机的同时对高频心电信号进行长时间监测，而且由于耳机设计不易滑落，又无需双手参与高频心电采集，真正实现高频心电长时间无扰稳定监测模式。现尚未有高频心电采集设备，还是基于单一心电采集设备。高频心电包含心电信号和皮肤交感神经活性信号，蕴含丰富的生理意义，在情绪方面具有更广泛的应用价值。因此，本专利首先创新一种新型的耳机式高频心电采集装置，实现高频心电长时间无扰稳定信号采集。
基于现有研究及相关专利，耳机式心电采集器应用较多，可用于睡眠监护、情绪评估等，多集中于胸部采集、手臂采集，但存在检测精度不足、采集时间较短、检测过程麻烦、运动出汗状态下易脱落等问题。
皮肤交感神经活性信号于2016年被首次提出并广泛应用于交感神经活性评估。相较于传统评估交感神经活性方法微神经造影、心率变异性分析的有创性和仅窦律下可用等问题，皮肤交感神经活性的采集无创，且非窦律下可用等特点更加适合交感神经活性评估。皮肤交感神经活性信号具有高频、低辐的特性，频率分布在500-1000Hz，幅值从0.5-80
不等，蕴含着丰富的生理信息。但目前该方法缺少专用设备与配套算法，且尚未应用至情绪评估中。
目前对压力/情绪的评估大多采用心理学上的诊断方法，受主观因素影响大。客观评定法有血液生化评定、影像学评定、生理学指标评定等方法。其中血液生化与影像学评定操作复杂、成本高，不利于情绪评估的普及和推广此外，针对情绪的检测与干预没有形成反馈机制，存在时间滞后性，无法形成感知-评估-反馈的情绪的实时反映，对情绪的实际应用效果有限。但基于心电信号的可穿戴情绪评估装置存在湿电极导致操作繁琐、无情绪调节环节等问题。
研究显示，情绪可以唤醒自主神经系统，因此可以通过评估自主神经系统评估情绪。自主神经系统由交感神经系统和副交感神经系统构成，两者相互拮抗均衡，前者在情绪激动时兴奋，后者在情绪平静时被激活。目前，有一种通过监测皮肤交感神经活性信号（SKNA）实现评估交感神经活性，由此可实现情绪评估。目前尚未有研究基于SKNA信号进行情绪评估。
根据部分文献报道，音乐能够对情绪起到明显的影响作用，尚未有专利对该内容进行完善补充。具体情绪状态主要涉及到的情形有：压力、焦虑、悲伤、低落、疲劳、浮躁等。音乐可以有效进行调节的情绪状态主要是压力状态，也是音乐调节适用性最强的一种情绪状态。具有情绪调节作用的音乐主要为三大类：舒缓类、欢快类、悲情类。
研究显示，迷走神经可通过复杂的神经内分泌免疫网络来调节器官功能，并广泛参与人类炎症、情绪和疼痛的调节。根据神经系统遵循“自下而上”的信号传递加工机制，刺激外周神经可调节中枢神经系统的功能。耳甲区是人类体表唯一具有迷走神经传入纤维分布的区域。因此，刺激迷走神经耳支这一外周通路可以调节脑干、丘脑、大脑皮层等相关区域的活动，从而达到干预情绪的目的。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于高频心电设计的耳机式情绪压力调节装置，通过实时监测患者高频心电来判断其情绪状况，针对每种不同情绪状况，能够自主播放对应缓解情绪的音乐、不同电刺激模式改善情绪，有效缓解患者情绪激动以及压力过大等状态。
为实现本发明的目的，提供一种基于高频心电设计的耳机式情绪压力调节装置，包括耳机式高频心电信号采集单元，情绪评估单元，干预选择单元，情绪改善单元，其中情绪改善单元包含音乐反馈模块和电刺激模块；所述耳机式高频心电信号采集单元的信号输出端连接所述情绪评估单元的输入端，所述情绪评估单元的输出端连接所述情绪改善单元的输入端，所述音乐反馈模块的输入端连接所述耳机式高频心电信号采集单元的音乐输出端，所述音乐反馈模块、电刺激模块的输入端连接干预选择单元的输出端，干预选择单元的输入端连接高频心电信号采集单元的按钮输出端。
具体地，所述耳机式高频心电信号采集单元挂在用户颈部，用于采集用户的心电信号、皮肤交感神经活性信号，预处理后传输至情绪评估单元；在音乐反馈模块输出所选择的乐曲后，用于在用户耳部播放乐曲；在电刺激模块选择所需要的电刺激模式，在用户耳部实现无创迷走神经刺激。
具体地，所述情绪评估单元提取所述心电信号的时域、频域和非线性指标以及皮肤交感神经活性信号的特征，利用支持向量机方法获得用户当前的情绪状态，获取用户的情绪标签。
具体地，所述情绪改善单元包含音乐反馈模块和电刺激模块：音乐反馈模块包含一个带标签的情绪音乐库，以根据反馈的用户不同的情绪播放不同标签的音乐；所述电刺激单元包含电极、放电模块以及带有标签的干预模式库，可根据反馈的用户不同的情绪实现不同的电刺激方式。
具体地，在所述耳机式高频心电信号采集单元的两侧至少包含两个电极触点，用于拾取身体颈部表面高频心电信号。
具体地，所述耳机式高频心电信号采集单元包括心电处理电路和高频心电处理电路，所述心电处理电路包括放大电路、滤波电路和MCU；所述高频心电处理电路包括低噪声模拟前端电路和MCU。
具体地，所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的心电信号，将所述心电信号传输至所述放大电路，所述放大电路将心电信号放大50倍，所述滤波电路采用预设的0.05-150 Hz带通滤波功能，对放大后心电信号进行滤波，将滤波后的心电信号发送至MCU，所述MCU将滤波后的心电信号传输至情绪评估单元。
具体地，所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的高频心电信号，将所述高频心电信号传输至低噪声模拟前端电路可实现高频心电信号20倍放大、去干扰，将处理后的高频心电信号发送至MCU，所述MCU将处理后的心电信号传输至情绪评估单元。
具体地，所述情绪评估单元对RR间期，进行心率变异性分析，得到时域、频域和非线性指标，对以及皮肤交感神经活性信号进行处理得到eSKNA指标；所述情绪评估单元利用支持向量机（SVM）作为分类器进行情绪分类，得到用户的情绪标签。所述情绪标签包括六个，压力、焦虑、悲伤、低落、疲劳和浮躁。
具体地，所述干预选择模块输出结果基于用户的按钮选择，并将结果输出至情绪改善单元选择调节情绪的途径。
具体地，所述情绪改善单元包括音乐反馈模块和电刺激模块种实现情绪改善的方法。
具体地，所述音乐反馈模块包含一个收集300首及以上的音乐库，乐曲包含多类音乐类型；所述音乐反馈模块利用Hevner模型，并对音乐库中的音乐标注标签；
具体地，所述音乐反馈模块根据所述情绪评估单元得出的情绪标签，通过耳机向用户播放缓解相应标签的音乐；对于压力情绪标签，播放舒缓、轻松欢快、节奏感强标签的音乐；对于焦虑情绪标签，播放安静、舒缓、叙述性标签的音乐；对于悲伤情绪标签，播放积极、阳光、悲情标签的音乐；对于低落情绪标签，播放欢快、愉悦标签的音乐；对于疲劳情绪标签，播放节奏舒缓、简洁标签的音乐；对于浮躁情绪标签，播放沉重标签的音乐。
具体地，所述的电刺激模块针对耳廓部位进行经皮点刺激迷走神经，通过调整电刺激的频率、强度来干预不同情绪。所述的电刺激模块基于5Hz-20Hz、不同电压的疏密方波根据所述情绪评估单元得出的情绪标签进行不同的方案选择。
与现有技术相比，本发明提供的基于心电的耳机式情绪管理装置的有益效果包括：
（1）采用本发明进行用户的高频心电信号全面分析后得到的情绪指标，能够确定用户的情绪状态，并且能够实时对负面情绪及压力状态进行音乐反馈，实时管理用户的情绪状态，对管理用户的生理及心理健康提供支撑；
（2）本发明的基于高频心电的耳机式情绪管理装置采用了运动耳机式的心电采集单元，能够实现多场景下的信号动态采集，而且不需要用户进行额外的信号采集操作即可完成心电信号的采集，能够对用户的情绪状态进行高效准确识别。
（3）本发明的基于高频心电的耳机式情绪管理装置首次应用高频新店进行情绪评估，相较于单一的心电信号设备，本发明采集信号更多，蕴含生理信号更丰富，完善了情绪的评估体系，使得情绪评估结果更加可靠。
（4）本发明可实现通过音乐、电刺激两种无创无害的方法实现情绪改善，通过精神、物理的双重干预对情绪评估结果进行反馈，构成了完成的感知-评估-反馈的闭环情绪调控，也是首次通过电刺激迷走神经干预情绪的耳机式应用实例。
附图说明
图1系统结构图。
图2高频心电采集系统架构图。
图3情绪评估流程图。
图4音乐反馈标签图。
图5设备外观图。
具体实施方法
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。
参考图1所示，图1为本实施例一的基于高频心电的耳机式情绪管理装置结构示意图，包括耳机式高频心电信号采集单元，情绪评估单元，干预选择单元，情绪改善单元，其中情绪改善单元包含音乐反馈模块和电刺激模块；所述耳机式高频心电信号采集单元的信号输出端连接所述情绪评估单元的输入端，所述情绪评估单元的输出端连接所述情绪改善单元的输入端，所述音乐反馈模块的输入端连接所述耳机式高频心电信号采集单元的音乐输出端，所述音乐反馈模块、电刺激模块的输入端连接干预选择单元的输出端，干预选择单元的输入端连接高频心电信号采集单元的按钮输出端。
如图2及图5所示，所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的心电信号，将所述心电信号传输至所述放大电路，所述放大电路将心电信号放大50倍，所述滤波电路采用预设的0.05-150 Hz带通滤波功能，对放大后心电信号进行滤波，将滤波后的心电信号通过蓝牙发送至MCU，所述MCU将滤波后的心电信号传输至情绪评估单元；
如图2及图5所示，所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的SKNA信号，将所述SKNA信号传输至以ADS 1299生物电位芯片为核心的低噪声模拟前端电路。通过低噪声放大电路实现高频心电信号20倍放大，右腿驱动电路去除工频干扰、共模噪声干扰，将处理后的高频心电信号通过蓝牙发送至MCU，所述MCU将处理后的心电信号传输至情绪评估单元。
所述耳机式高频心电信号采集单元佩戴在用户的颈部，用于采集用户的高频心电信号，将所述高频心电信号传输至所述情绪评估单元；
如图4所示，所述情绪评估单元使用Symlet系以及二次样条小波基对心电信号进行小波阈值去噪，选取5层sym8小波基函数进行信号的分解与重构，从而滤除基线漂移、肌电干扰等噪声；
所述情绪评估单元对于去噪后的心电信号选取一定长度的心电信号初始化阈值；然后比较计算得到的差分值与阈值，确定R波的位置并且计算RR间期，以及根据得到的R波更新阈值；最后判断RR间期是否满足设定的条件，检查漏检；
所述情绪评估单元对RR间期数据进行进一步处理，非生理性数据进行剔除，当RR间期大于2s或者小于0.375s时已超出生理可能的范围可视为存在问题的数据。随后，对RR间期序列进行均匀重采样。本方案采用三次样条插值法对RR间期进行均匀重采样。最后，对RR间期序列信号进行平滑处理，本方案采用基于平滑先验因子法去除序列的非平稳趋势；
所述情绪评估单元对RR间期进行心率变异性分析，分别进行时域、频域和非线性分析，得到系列指标：MEAN、SDNN、RMSSD、PNN50、LF、HF、LF/HF、SampEn、FuzzyMEn等；
如图3示，所属情绪评估单元输入为采样频率为8kHz的SKNA信号，主要通过对特定窗口求均值及降采样后的前后比值得到了eSKNA指标。
所述情绪评估单元采用支持向量机（SVM）作为分类器进行情绪识别，考虑到SVM的性能主要受到误差惩罚因子和核函数中参数的影响，因此选用网格搜索算法（GSA）对参数进行智能优化。使用 SVM 训练得到一系列二分类器，将得到的二分类器组合解决多分类问题。最终使用训练得到的模型进行情绪识别；
所述音乐反馈模块利用Hevner模型，并对音乐库中音乐标注标签；
所述音乐反馈模块得到所述情绪评估单元识别的情绪标签后，根据图4所示的情绪音乐对应标签，对于压力情绪标签，播放舒缓、轻松欢快、节奏感强标签的音乐；对于焦虑情绪标签，播放安静、舒缓、叙述性标签的音乐；对于悲伤情绪标签，播放积极、阳光、悲情标签的音乐；对于低落情绪标签，播放欢快、愉悦标签的音乐；对于疲劳情绪标签，播放节奏舒缓、简洁标签的音乐；对于浮躁情绪标签，播放沉重标签的音乐；
如图1及图5，所述的电刺激模块针对耳廓部位进行经皮点刺激迷走神经，通过调整电刺激的频率、强度来干预不同情绪。所述的电刺激模块基于5Hz-20Hz、不同电压的疏密方波根据所述情绪评估单元得出的情绪标签进行不同的方案选择。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
需要说明的是，本发明实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
本发明实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (9)
1.一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，包括耳机式高频心电信号采集单元、情绪评估单元、干预选择单元和情绪改善单元，其中情绪改善单元包含音乐反馈模块和电刺激模块；所述耳机式高频心电信号采集单元的信号输出端连接所述情绪评估单元的输入端，所述情绪评估单元的输出端连接所述情绪改善单元的输入端，所述音乐反馈模块的输入端连接所述耳机式高频心电信号采集单元的音乐输出端，所述音乐反馈模块、电刺激模块的输入端连接干预选择单元的输出端，干预选择单元的输入端连接高频心电信号采集单元的按钮输出端；
所述耳机式高频心电信号采集单元挂在用户颈部，用于采集用户的心电信号、皮肤交感神经活性信号，预处理后传输至情绪评估单元；在音乐反馈模块输出所选择的乐曲后，用于在用户耳部播放乐曲；在电刺激模块选择所需要的电刺激模式，在用户耳部实现无创迷走神经刺激；
所述情绪评估单元提取所述心电信号的时域、频域和非线性指标以及皮肤交感神经活性信号的特征，利用支持向量机方法获得用户当前的情绪状态，获取用户的情绪标签；
所述干预选择单元根据用户的按钮结果获取用户选择进行情绪干预的方式；
所述情绪改善单元包含音乐反馈模块和电刺激模块：音乐反馈模块包含一个带标签的情绪音乐库，以根据反馈的用户不同的情绪播放不同标签的音乐；所述电刺激单元包含电极、放电模块以及带有标签的干预模式库，可根据反馈的用户不同的情绪实现不同的电刺激方式。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，在所述耳机式高频心电信号采集单元的两侧至少包含两个电极触点，用于拾取身体颈部表面心电信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述耳机式高频心电信号采集单元包括心电处理电路和高频心电处理电路，所述心电处理电路包括放大电路、滤波电路和MCU；所述高频心电处理电路包括低噪声模拟前端电路和MCU；
所述放大电路的输入端分别连接所述RA电极片、LA电极片和RL电极片，所述放大电路的输出端通过滤波电路连接MCU；
所述噪声模拟前端电路的输入端分别连接所述RA电极片、LA电极片和RL电极片，所述噪声模拟前端电路的输出端连接MCU；
所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的心电信号，将所述心电信号传输至所述放大电路，所述放大电路将心电信号放大50倍，所述滤波电路采用预设的0.05-150 Hz带通滤波功能，对放大后心电信号进行滤波，将滤波后的心电信号发送至MCU，所述MCU将滤波后的心电信号传输至情绪评估单元；
所述RA电极片、LA电极片和RL电极片构成差分回路，采集用户的高频心电信号，将所述高频心电信号传输至低噪声模拟前端电路可实现高频心电信号20倍放大、去干扰，将处理后的高频心电信号发送至MCU，所述MCU将处理后的心电信号传输至情绪评估单元。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述情绪评估单元对RR间期进行心率变异性分析，得到时域、频域和非线性指标，对以及皮肤交感神经活性信号进行处理，得到eSKNA指标；所述情绪评估单元利用支持向量机作为分类器进行情绪分类，得到用户的情绪标签。
5.根据权利要求4所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述情绪标签包括六个，压力、焦虑、悲伤、低落、疲劳和浮躁。
6.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述干预选择单元的输出结果基于用户的按钮选择，并将结果输出至情绪改善单元选择调节情绪的途径。
7.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述音乐反馈模块包含一个收集300首及以上的音乐库，乐曲包含多类音乐类型；所述音乐反馈模块利用Hevner模型，并对音乐库中的音乐标注标签。
8.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，根据所述音乐反馈模块单元得出的情绪标签，通过耳机向用户播放相应标签的音乐。
9.根据权利要求1所述的一种基于高频心电的耳机式情绪压力调节装置，其特征在于，所述电刺激模块针对耳廓部位进行经皮点刺激迷走神经，通过调整电刺激的频率、强度来干预不同情绪，所述电刺激模块基于5Hz-20Hz、不同电压的疏密方波根据所述情绪评估单元得出的情绪标签进行不同的方案选择。
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