CN117205428A - 可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统，具体包括以下步骤：首先，通过可穿戴PPG、呼吸传感器采集孕妇的心率、呼吸数据，并用算法处理实时采集到的原始数据，通过处理后的心率变异性时域参数(SDNN)判断孕妇生理压力大小，通过呼吸传感器记录静息状态下孕妇呼吸频率；然后，结合生物反馈技术、自然声音、镇静音乐和环境光，创造了一种身临其境的空间交互体验，帮助孕妇进行深呼吸放松练习，以促进孕妇放松和减轻压力。本发明精准地构建了孕妇人群的压力模型，并将这种生理信息以令人愉悦的交互形式呈现给孕妇群体，指导其深呼吸训练，实验数据证明可在心理、生理层面有效降低孕妇人群的压力，为孕妇人群提供了有效的放松干预形式。
Description
技术领域
本申请涉及人机交互技术领域，尤其涉及一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统。
背景技术
孕期压力已成为社会日益关注的问题，不容忽视。母亲的产前情绪会对孩子的心理健康产生持久的影响。对新身体感觉的意识导致与妊娠相关的生理性换气过度。呼吸不适的感觉与呼吸困难有关，70％的健康孕妇在日常生活活动中常见呼吸困难，现有技术难以监测到这些信号，且缺乏易于在家庭等非专业环境下使用的监测和干预设备。怀孕期间的这些生理和心理变化也使孕妇更容易受到各种压力源的影响。因此，保持放松和保持情绪健康对孕妇的健康和分娩结果至关重要，而针对孕妇群体的计算机辅助放松技术干预研发不足。
尽管生物反馈有可能使个人在管理压力方面受益，但目前的系统主要仍然是在临床环境中，需要医生和非常专业、昂贵的医疗传感器的支持。通常只为治疗师和临床用户设计，日用场景下的可用性，用户体验和参与度，往往被忽视。这种缺乏阻碍了生物反馈在日常使用中成为放松练习的实用工具，且很少有生物反馈系统能够满足孕妇人群的特定需求。
发明内容
本申请实施例的目的是提供一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统，有效的生物反馈干预，以支持孕妇放松练习，以解决相关技术中存在的对于孕妇群体妊娠压力关注不足反馈方式不够直观形象的技术问题。
根据本申请实施例，提供一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统，包括：
数据采集模块，包括无扰的可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器，所述可穿戴PPG传感器固定于被检测者的非惯用手指指腹处，用于采集孕妇的心率数据；所述呼吸带传感器捆绑于孕妇胸部以下、腹部以上位置，以监测呼吸频率和呼吸深度；
数据处理模块，分别与可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器相连，用于根据采集到的孕妇心率数据，计算被检测孕妇的IBIavg值，进而得出心率变异性时域指标SDNN值，进而反应孕妇的生理压力值，其中IBIavg值是两次心跳之间的平均时间间隔，SDNN值是心跳间期的标准差；用于读取呼吸带传感器采集的呼吸频率和呼吸深度；
压力反馈调节模块，用于通过在用户界面中结合自然音、镇静音乐和环境照明来提供生物前反馈或生物后反馈信息，以帮助通过深呼吸进行放松；所述压力反馈调节模块包括声音播放器、可调亮度和颜色的灯，均与所述数据处理模块相连，所述反馈调节模块受控于所述数据处理模块，其中：
对于自然音的触发由心率变异性时域指标SDNN值设定：如果所述群体的SDNN值大于提前设定的阈值，表明生理压力的降低，则控制声音播放器触发自然音的叠加以反馈给孕妇，当前正处于平静的阶段，深呼吸训练降低生理压力指标；
对于照明颜色由心率变异性时域指标SDNN值设定：SDNN值越大，代表生理压力越小，灯光颜色的浓度会越高；
对于照明亮度由呼吸传感器监测到的当下呼吸状态设定：吸气状态下胸腔扩大，灯的亮度随孕妇吸气逐渐变亮；呼气状态下胸腔缩小，灯的亮度随孕妇吐气逐渐变暗；
对于孕妇压力的反馈：将自然音有无、环境照明的颜色浓度和亮度与孕妇心率变异性值和吸气吐气状态进行匹配，通过深呼吸训练使得生理压力降低的孕妇将得到高浓度蓝绿色彩灯光的反馈激励，以及听到自然音；还未达到深呼吸放松状态的孕妇会看到低浓度的灯光颜色反馈以及普通的镇静音乐；
对于压力的调节：系统开始采集工作后，孕妇先静息若干分钟；然后进入生物前反馈阶段，孕妇跟随着音乐和灯光深呼吸调节若干分钟；后进入生物后反馈阶段，孕妇的生理信号反应在音乐、灯光的变化上，音乐灯光随着孕妇的生理信号变化若干分钟；在整个三个阶段中，PPG传感器、呼吸传感器持续采集数据，以便后续比较压力状态的变化。
可选的，所述IBIavg和SDNN值的计算方法如下：
其中，w为选取的窗口大小，以n+1次心跳的移动窗口作为时域心率变异性指数。
可选的，孕妇的放松表现状态的判定方式为：
若SDNN值小于第一阈值，则判定为不放松状态；若大于第一阈值且小于第二阈值，则判定为中等放松状态；若大于第二阈值，则处于非常放松状态，其中第一阈值小于第二阈值。
可选的，所述可穿戴传感器包括：可穿戴心率传感手套、可穿戴呼吸传感带，通过蓝牙连接，可实现无扰、无感地佩戴于孕妇手部、腹部，以实现生理信号的采集和处理。
可选的，所述自然音的叠加包括鸟鸣、瀑布声、风声、流水声中的多种声音叠加，且声音的丰富性触发基于孕妇的生理放松指数。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，它使用不显眼的可穿戴设备测量用户的生理压力相关数据，并结合自然声音、镇静音乐和环境照明，呈现生物反馈或生物前馈信息，帮助用户通过深呼吸放松。它利用生物反馈技术与环境音频和灯光刺激相结合，营造出身临其境的放松体验。通过我们的研究，我们能够开发出专门为孕妇量身定制的放松技巧，这些技巧已经经过了实地测试。我们与医疗保健专业人员密切合作，对孕妇面临的挑战获得了宝贵的见解，目的是促进更多的自然分娩体验。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1是根据一示例性实施例示出的一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统的结构框图。
图2是根据一示例性实施例示出的一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统的测试实验流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
参考图1，本发明实施例提供的一种对可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统，该系统可以包括：
数据采集模块，包括无扰的可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器，所述可穿戴PPG传感器固定于被检测者的非惯用手指指腹处，用于采集孕妇的心率数据；所述呼吸带传感器捆绑于孕妇胸部以下、腹部以上位置，以监测呼吸频率和呼吸深度；
数据处理模块，分别与可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器相连，用于根据采集到的孕妇心率数据，计算被检测孕妇的IBIavg值，进而得出心率变异性时域指标SDNN值，进而反应孕妇的生理压力值，其中IBIavg值是两次心跳之间的平均时间间隔，SDNN值是心跳间期的标准差；用于读取呼吸带传感器采集的呼吸频率和呼吸深度；
压力反馈调节模块，用于通过在用户界面中结合自然音、镇静音乐和环境照明来提供生物前反馈或生物后反馈信息，以帮助通过深呼吸进行放松；所述压力反馈调节模块包括声音播放器、可调亮度和颜色的灯，均与所述数据处理模块相连，所述反馈调节模块受控于所述数据处理模块，其中：
对于自然音的触发由心率变异性时域指标SDNN值设定：如果所述群体的SDNN值大于提前设定的阈值，表明生理压力的降低，则控制声音播放器触发自然音的叠加以反馈给孕妇，当前正处于平静的阶段，深呼吸训练降低生理压力指标；
对于照明颜色由心率变异性时域指标SDNN值设定：SDNN值越大，代表生理压力越小，灯光颜色的浓度会越高；
对于照明亮度由呼吸传感器监测到的当下呼吸状态设定：吸气状态下胸腔扩大，灯的亮度随孕妇吸气逐渐变亮；呼气状态下胸腔缩小，灯的亮度随孕妇吐气逐渐变暗；
对于孕妇压力的反馈：将自然音有无、环境照明的颜色浓度和亮度与孕妇心率变异性值和吸气吐气状态进行匹配，通过深呼吸训练使得生理压力降低的孕妇将得到高浓度蓝绿色彩灯光的反馈激励，以及听到自然音；还未达到深呼吸放松状态的孕妇会看到低浓度的灯光颜色反馈以及普通的镇静音乐；
对于压力的调节：系统开始采集工作后，孕妇先静息若干分钟；然后进入生物前反馈阶段，孕妇跟随着音乐和灯光深呼吸调节若干分钟；后进入生物后反馈阶段，孕妇的生理信号反应在音乐、灯光的变化上，音乐灯光随着孕妇的生理信号变化若干分钟；在整个三个阶段中，PPG传感器、呼吸传感器持续采集数据，以便后续比较压力状态的变化。
由上述实施例可知，本申请本发明开发了一种创新的环境生物反馈系统。它使用不显眼的可穿戴设备测量用户的生理压力相关数据，并在用户界面中结合自然声音、镇静音乐和环境照明，呈现生物反馈或生物前馈信息，帮助用户通过深呼吸放松。它利用生物反馈技术与环境音频和灯光刺激相结合，营造出身临其境的放松体验。通过用户实验发现，我们设计的生物前反馈、后反馈方式，有效克服了反馈方式不直观形象的问题，提高了孕妇群体对其压力和放松状态的感知体验；并且借助与灯光、音乐、自然音交互的方式，设计了新颖有趣的深呼吸放松干预过程，进而达到了缓解压力的技术效果。
所述IBIavg和SDNN值的计算方法如下：
其中，w为选取的窗口大小，以n+1次心跳的移动窗口作为时域心率变异性指数，计算IBI的标准差(SDNN)，一般n取15，这个时间窗(w＝n+1)足够大，足以包括至少一个完整的呼吸循环，也足够小，足以对呼吸方式的变化敏感，SDNN值越小，代表被检测者压力越大。
这里的孕妇的放松表现状态的判定方式可以为：
若SDNN值小于第一阈值，则判定为不放松状态；若大于第一阈值且小于第二阈值，则判定为中等放松状态；若大于第二阈值，则处于非常放松状态，其中第一阈值小于第二阈值。
所述数据处理模块可以是均有运算能力的设备即可，可以是PC机。
所述可穿戴传感器包括：可穿戴心率传感手套、可穿戴呼吸传感带，采用蓝牙连接方式，可实现无扰、无感地佩戴于孕妇手部、腹部，以实现生理信号的采集和处理。
所述自然音的叠加包括：鸟鸣、瀑布声、风声、流水声中的多种声音叠加，且声音的丰富性触发基于孕妇的生理放松指数。
实施例：
首先，我们从当地一家医院的产前诊所招募了孕妇群体参与本次试验。那些在怀孕期间有并发症，如妊娠高血压、妊娠糖尿病、心脏或精神疾病以及其他高危妊娠情况的妇女被排除在本研究之外。此外，参与者之前均没有接受过任何医疗心率变异性或呼吸生物反馈训练。系统部署在产前诊所旁边的哺乳室。其中一部分空间用于操作系统，而另一部分空间指定给参与者进行放松训练。沙发被放置在这个空间的中间，周围有四盏灯。沙发旁边的地上放着两只飞利浦Hue。沙发前面的桌子上放着一盏球灯。一盏立灯被用来从顶部提供顶光源。不同光源的光构成放松训练的环境照明环境(图1)。
实验分为四个阶段:(1)介绍，(2)基线测量，(3)生物反馈和(4)生物前馈深呼吸放松训练。
首先，参与者被告知实验的程序，并被要求签署一份同意书。在此之后，他们坐在沙发上，安装了可穿戴PPG传感器和腹部呼吸传感器。
然后，参与者以规律的呼吸模式放松3分钟，在此期间，我们收集了他们的心率变异性和呼吸数据的基线，以供后期数据分析。在放松3分钟后，参与者还完成了测量主观压力基线的问卷。此外，计算HRV和呼吸振幅的范围，初始化生物反馈程序。
接下来，孕妇用生物反馈模式进行深呼吸放松。
最后，孕妇用生物前馈模式进行深呼吸放松。
在每个阶段，我们通过问卷收集参与者的生理数据和压力和放松的自我报告。在实验结束时，我们进行了后续访谈，收集定性数据，帮助我们了解系统的用户体验。
上述实施例流程可以参考图2，在两个深呼吸放松阶段中，参与者暴露在相同的照明环境和自然声景中。他们被建议用深呼吸来放松。在前反馈模式下，我们建议参与者按照变化的光和风声所代表的指导进行深呼吸。当他们对引导感到疲劳时，他们可以使用遥控器调整引导的长度，以舒适地呼吸。在生物反馈模式下，参与者被告知，风声的音量和光的亮度会随着呼吸的增加而增加和减少，当他们在放松练习中表现良好时，声景会变得安静和简单，灯光会变成深蓝绿色。
在这项研究中，我们收集了心理和生理数据来评估此生物前、后反馈交互空间设计在促进孕妇放松方面的有效性。为了测量参与者自我报告的放松和焦虑水平，我们采用了状态-特质焦虑量表(STAI)和放松评定量表(RRS)。此外，生理应激参数如心率(HR)、正常到正常R-R间隔的标准差(SDNN)、低频到高频心率变异性比(LF/HF)和呼吸速率分别使用嵌入式光电容积脉搏波(PPG)传感器和呼吸传感器测量。我们在实验结束后对参与者进行了半结构化访谈，以收集他们对系统的生物反馈和生物前馈模式的体验信息。所有参与者都同意将他们的访谈记录下来，并将收集到的数据进行转录以供分析。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围和精神由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (5)
1.一种可穿戴孕妇压力缓解的生物反馈交互系统，其特征在于，包括：
数据采集模块，包括无扰的可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器，所述可穿戴PPG传感器固定于被检测者的非惯用手指指腹处，用于采集孕妇的心率数据；所述呼吸带传感器捆绑于孕妇胸部以下、腹部以上位置，以监测呼吸频率和呼吸深度；
数据处理模块，分别与可穿戴PPG传感器和呼吸带传感器相连，用于根据采集到的孕妇心率数据，计算被检测孕妇的IBIavg值，进而得出心率变异性时域指标SDNN值，进而反应孕妇的生理压力值，其中IBIavg值是两次心跳之间的平均时间间隔，SDNN值是心跳间期的标准差；用于读取呼吸带传感器采集的呼吸频率和呼吸深度；
压力反馈调节模块，用于通过在用户界面中结合自然音、镇静音乐和环境照明来提供生物前反馈或生物后反馈信息，以帮助通过深呼吸进行放松；所述压力反馈调节模块包括声音播放器、可调亮度和颜色的灯，均与所述数据处理模块相连，所述反馈调节模块受控于所述数据处理模块，其中：
对于自然音的触发由心率变异性时域指标SDNN值设定：如果所述群体的SDNN值大于提前设定的阈值，表明生理压力的降低，则控制声音播放器触发自然音的叠加以反馈给孕妇，当前正处于平静的阶段，深呼吸训练降低生理压力指标；
对于照明颜色由心率变异性时域指标SDNN值设定：SDNN值越大，代表生理压力越小，灯光颜色的浓度会越高；
对于照明亮度由呼吸传感器监测到的当下呼吸状态设定：吸气状态下胸腔扩大，灯的亮度随孕妇吸气逐渐变亮；呼气状态下胸腔缩小，灯的亮度随孕妇吐气逐渐变暗；
对于孕妇压力的反馈：将自然音有无、环境照明的颜色浓度和亮度与孕妇心率变异性值和吸气吐气状态进行匹配，通过深呼吸训练使得生理压力降低的孕妇将得到高浓度蓝绿色彩灯光的反馈激励，以及听到自然音；还未达到深呼吸放松状态的孕妇会看到低浓度的灯光颜色反馈以及普通的镇静音乐；
对于压力的调节：系统开始采集工作后，孕妇先静息若干分钟；然后进入生物前反馈阶段，孕妇跟随着音乐和灯光深呼吸调节若干分钟；后进入生物后反馈阶段，孕妇的生理信号反应在音乐、灯光的变化上，音乐灯光随着孕妇的生理信号变化若干分钟；在整个三个阶段中，PPG传感器、呼吸传感器持续采集数据，以便后续比较压力状态的变化。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述IBIavg和SDNN值的计算方法如下：
其中，w为选取的窗口大小，以n+1次心跳的移动窗口作为时域心率变异性指数。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，孕妇的放松表现状态的判定方式为：
若SDNN值小于第一阈值，则判定为不放松状态；若大于第一阈值且小于第二阈值，则判定为中等放松状态；若大于第二阈值，则处于非常放松状态，其中第一阈值小于第二阈值。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可穿戴传感器包括：可穿戴心率传感手套、可穿戴呼吸传感带，采用蓝牙连接。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述自然音的叠加包括鸟鸣、瀑布声、风声、流水声中的多种声音叠加，且声音的丰富性触发基于孕妇的生理放松指数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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