CN204293140U - 一种心率变异性生物反馈康复装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种心率变异性生物反馈康复装置，包括穿戴式数据采集单元、处理显示通信单元和电源管理单元，穿戴式数据采集单元，用于输出放大滤波心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号；处理存储通信单元与穿戴式数据采集单元连接，提取瞬时心率和呼吸信号，生成并获得自主神经心肺系统调控状态的和谐度度量，将和谐度度量以图形、语音和音乐的方式反馈给受训者，引导受训者放松心绪；同时寻找最佳呼吸频率，以动画方式引导受训者进行慢呼吸，以便进入自主神经心肺系统调控和谐状态；电源管理单元分别与穿戴式数据采集单元、处理显示通信单元连接，用于为穿戴式数据采集单元、处理显示通信单元提供稳定电源。
Description
技术领域
本实用新型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装置。
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。
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（Autonomic Nervous 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。
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。
现有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。现有技术的方法和设备，使用分析心率变异度的频谱分布来确定人体生物系统节律状态，或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。但是，上述现有技术都没有系统地给出评估自主神经系统的工作状态和节律的度量或指标，也没有给出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步骤。
实用新型内容
（一）要解决的问题
现有心率变异性生物反馈技术都没有系统地给出评估自主神经系统的工作状态和节律的度量或指标，也没有给出如何引导自主神经系统由失调和无规转向有规和和谐的系统结构，为了使心率变异性生物反馈技术更好地为人类健康服务，本实用新型的目的是提供一种心率变异性生物反馈装置。
（二）技术方案
为达成所述目的，本实用新型提供一种心率变异性生物反馈康复装置包括：穿戴式数据采集单元为可穿戴部件、处理显示通信单元和电源管理单元组成手持式部件，其中：穿戴式数据采集单元具有用电输入端、信号采集端和信号输出端，用于采集并输出放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号；处理存储通信单元具有用电输入端、数据采集端和数据输出端，处理存储通信单元的数据采集端与穿戴式数据采集单元的信号输出端连接，用于处理、存储放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号，提取瞬时心率和呼吸信号，并由处理存储通信单元的数据输出端输出自主神经心肺系统调控状态的和谐度度量，将和谐度度量以图形、语音和音乐的方式反馈给受训者，引导受训者放松心绪；同时寻找最佳呼吸频率，以动画方式引导受训者进行慢呼吸，以便进入自主神经心肺系统调控和谐状态；电源管理单元的供电输出端分别与穿戴式数据采集单元的用电输入端、处理显示通信单元的用电输入端连接，用于为穿戴式数据采集单元、处理显示通信单元提供稳定电源。
（三）有益效果
本实用新型心率变异性生物反馈康复装置的特点是：
本实用新型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度量，引导受训者调节心绪和呼吸，进入和谐状态。心率变异性生物反馈康复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，本实用新型对于人们的保健、提高生活质量具有重要意义。
1）实时监测心电信号或光电血管容积图信号、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自主神经心肺系统调控状态和谐度度量。
2）以图形、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。
心率变异性生物反馈康复装置包括：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光电血管容积图信号、呼吸信号、血压信号、血氧饱和度信号，通过有线或无线方式，送到处理显示通信单元。处理显示通信单元从心电信号或光电血管容积图信号中提取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、光电血管容积图信号中提取呼吸信号；从RR间期序列和呼吸信号计算自主神经心肺调控状态和谐度度量。根据这些度量，一方面用图形的方式，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，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。处理显示通信单元在训练结束时生成报告，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是本实用新型心率变异性生物反馈康复装置结构框图；
图2是本实用新型心率变异性生物反馈康复装置穿戴示意图；
图3是本实用新型中穿戴式数据采集单元的电路结构框图；
图4是本实用新型中处理显示通信单元的电路结构框图；
图5是本实用新型中电源管理单元的电路结构框图；
图6a示出疾病状态下的RR间期变化曲线；
图6b示出非和谐状态下RR间期变化曲线；
图6c示出和谐状态下的RR间期变化曲线；
图7a是和谐状态下心率变异曲线；
图7b是和谐状态下心率变异曲线的频谱图。
具体实施方式
下面将结合附图对本实用新型加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本实用新型的理解，而对其不起任何限定作用。
在本实用新型中，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RR间期表示。在很多场合，RR间期又名“NN间期”。本实用新型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，它不影响和限制本实用新型的内容。
如图1示出本发明心率变异性生物反馈康复装置结构框图，图2是图1的佩戴方式之一，由穿戴式数据采集单元100、处理显示通信单元200和电源管理单元300组成。穿戴式数据采集单元100组成穿戴部件，处理显示通信单元200和电源管理单元300共同组成手持部件，其中：可穿戴部件与手持式部件间采用有线连接，可穿戴部件与手持式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。
穿戴式数据采集单元100具有用电输入端、信号采集端和信号输出端，用于采集并输出放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号；
处理存储通信单元200具有用电输入端、数据采集端和数据输出端，处理存储通信单元200的数据采集端与穿戴式数据采集单元100的信号输出端连接，用于处理、存储放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号，提取心电下瞬时心率间期和呼吸信号，并由处理存储通信单元的数据输出端输出自主神经心肺系统调控状态的和谐度度量，将和谐度度量以图形、语音和音乐的方式反馈给受训者，引导受训者放松心绪；同时寻找最佳呼吸频率，以动画方式引导受训者进行慢呼吸，以便进入自主神经心肺系统调控和谐状态；
电源管理单元300的供电输出端分别与穿戴式数据采集单元100的用电输入端、处理显示通信单元200的用电输入端连接，用于为穿戴式数据采集单元100、处理显示通信单元200提供稳定电源。
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3示出穿戴式数据采集单元100包括放大滤波模块110、心电电极120、传感器模块130，心电电极120具有两个接口，用于采集并输出单导联心电信号；传感器模块130具有数据采集端和数据输出端，用于采集并输出光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度信号；放大滤波模块110具有信号输入端和信号输出端，放大滤波模块110的信号输入端分别与心电电极120的两个接口、传感器模块130的数据输出端连接，用于对单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度信号进行放大、滤波、去除干扰，并由放大滤波模块110的信号输出端输出心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度的模拟信号；所述去除干扰是去除50赫兹的干扰。其中：心电电极120用以采集心电模拟信号。原则上心电电极120必须位于心脏附近，并具有足够距离，用以保证心电信号的强度及R波检测的准确性。
所述传感器模块是佩戴在手指的光电血管容积图传感器、专用心电呼吸采集传感器、专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器中的一种或是任意组合。所述传感器模块使用佩戴在手指的光电血管容积图传感器的配置下，处理存储通信单元从光电血管容积图信号中提取心率和呼吸信号。所述传感器模块使用专用心电呼吸采集传感器的配置下，处理存储通信单元从心电、呼吸信号中提取出心率、呼吸随时间变化曲线，所述专用心电呼吸采集传感器是生物电阻抗传感器。所述传感器模块使用专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器的配置下，处理存储通信单元从心电、呼吸、血压、血氧饱和度信号中提取出心率、呼吸、血压、血氧饱和度随时间变化的曲线。
作为一个例子，放大滤波模块110可以用TLC2264芯片来实现。心电电极120使用市场上买到的心电贴片。传感器模块130是血氧饱和度采集传感器、加速度计、光电血管容积图（Photoplethysmogram, PPG）传感器、呼吸采集传感器中的一种或其中几种的组合；
放大滤波模块110由差分放大电路和滤波电平提升电路组成，使获得的模拟信号达到主控制器中模数转换器的要求。所述差分放大电路是AD620芯片，所述滤波电平提升电路是TLC2264芯片。
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120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电极120、传感器模块130和放大滤波模块110集成于一体。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，心电电极的距离必须足够远。
由于光电血管容积图传感器穿戴方便，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电极120，传感器模块130中仅使用光电血管容积图传感器模块并佩戴于手指上。放大滤波模块110采集、放大、滤波，并将到信号送到处理显示通信单元200。
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。
二．处理显示通信单元200
如图4所示，处理显示通信单元200包括主控制模块210、显示模块220、音响模块230、存储报告模块240、通信模块250，其中:
主控制模块210配有模数转换通道，将戴式数据采集单元100中的放大滤波模块110输出的模拟信号转换处理为数字信号，并从心电信号或PPG信号提取R波位置。对采集到的呼吸信号进行预处理提取呼吸信号，或从加速度信号、心电信号、光电血管容积图信号中提取呼吸信号，进而提取心率变异的时域和频域度量，提取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。
显示模块220的输入端与主控制模块210的输出端连接，接收并以图形和数字显示当前的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量呈现给受训者，完成一条反馈通路。另一方面，它根据受训者的和谐节律，以气球等动画画面，引导受训者的呼吸节律；
音响模块230的输入端与主控制模块210的输出端连接，根据受训者的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量的和谐程度，选择播放语音和音乐，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。
存储报告模块240的输入端也与主控制模块210的输出端连接，记录数字信号中整个生物反馈过程中的参数包括：训练呼吸率、RR间期、呼吸波、和谐度度量、达到和谐状态所用时间、和谐状态保持时间，和谐度度量随时间的变化曲线，生成报告，保存到个人档案和历史记录中。
通信模块250的输入端与主控制模块210的输出端相连，将数字信号中生物反馈过程中的参数和数据上传到服务器，也可以选择只上传训练报告。
处理显示通信单元200和电源管理单元300组成一体结构的手持部件。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100，开启手持部件，观看LCD显示器上的呼吸引导动画、心率变异曲线和和谐度量，倾听播出的语音和音乐，端坐、放松心绪、慢呼吸并开始训练。
处理显示通信单元200从穿戴式数据采集单元100的放大滤波器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。其主控制模块210可以使用STM32F103VE芯片，STM32F103VE芯片中配有模数转换通道，将采集的模拟信号转换成数字信号。
处理显示通信单元200中的主控制模块210进一步识别和检测心电信号的QRS结构（QRS Complex）。处理显示通信单元200可以进一步包括选用已经成熟的Neurosky型心电信号处理芯片的产品等。
根据从穿戴式数据采集单元100的放大滤波模块110获得数据的不同，呼吸信号提取方式也不同。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。
主控制模块210获得心率、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，主控制模块210从存储报告模块240中的个人档案和历史记录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，存储报告模块230实时记录所有信息：呼吸频率、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；和谐状态保持时间；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。存储报告模块240使用MicroSD型卡存储数据。
对于集体训练情景，通信模块250实时上传受训者的RR间期和呼吸信号、和谐度度量。通信模块250通过wifi，例如CC3000芯片，与网络连接。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周-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，起始值是每分钟6次；呼气和吸气时间比，等。
三．电源管理单元300
如图5中示出的电源管理单元300包括充电模块310和稳定供电模块320，电源管理单元300使用标准芯片，穿戴部件和手持部件都由充电模块310为可充电电池供电，例如锂电池。为了保证充电和平稳供电，稳定供电模块320选用LTC4054型充电管理芯片来管理充电，稳定供电模块320使用MIC-5205型直流电源稳定电路，来给穿戴式数据采集单元100、处理显示通信单元200提供稳定的直流电源，保证整个系统的正常工作。
四．自主神经心肺系统调控状态度量
图6a、图6b、图6c分别示出疾病、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7b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6a、图6b、图6c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）。中频定义在0.1Hz为中心的一个带宽之内，它表示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为其功率谱密度函数在一中频范围内积分的归一化。中频范围0.08Hz – 0.125Hz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。
如图7a示出和谐状态下心率变异曲线。图7b示出和谐状态下心率变异曲线的频谱图，达到和谐时，其频谱集中分布在0.1Hz左右。因此，这是评估是否达到和谐的主要指标。
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.在屏幕上用吹气球动态图形，引导进行流畅的慢呼吸；
3.在屏幕上显示HRV波形和训练得分，并根据情景，进行语言引导，引导被训练者向正确的方向行进；
4.对每个人，建立个人训练档案，并自动寻找最佳谐振频率。
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，这几个用以评价一次训练的参数；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。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (10)
1.一种心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：包括：穿戴式数据采集单元为可穿戴部件、处理显示通信单元和电源管理单元组成手持式部件，其中：
穿戴式数据采集单元具有用电输入端、信号采集端和信号输出端，用于采集并输出放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度模拟信号；
处理存储通信单元具有用电输入端、数据采集端和数据输出端，处理存储通信单元的数据采集端与穿戴式数据采集单元的信号输出端连接，用于处理、存储放大、滤波、去除干扰后的单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号、以及血压和血氧饱和度信号，提取瞬时心率和呼吸信号，并由处理存储通信单元的数据输出端输出自主神经心肺系统调控状态的和谐度度量，将和谐度度量以图形、语音和音乐的方式反馈给受训者，引导受训者放松心绪；同时寻找最佳呼吸频率，以动画方式引导受训者进行慢呼吸，以便进入自主神经心肺系统调控和谐状态；
电源管理单元的供电输出端分别与穿戴式数据采集单元的用电输入端、处理显示通信单元的用电输入端连接，用于为穿戴式数据采集单元、处理显示通信单元提供稳定电源。
2.根据权利要求1所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述穿戴式数据采集单元包括：放大滤波模块、心电电极、传感器模块，其中：心电电极具有两个接口，用于采集并输出单导联心电信号；传感器模块具有数据采集端和数据输出端，用于采集并输出光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度信号；放大滤波模块具有信号输入端和信号输出端，放大滤波模块信号输入端分别与心电电极的两个接口、传感器模块的数据输出端连接，用于对单导联心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度信号进行放大、滤波、去除干扰，并由放大滤波模块的信号输出端输出心电信号、光电血管容积图信号、呼吸信号以及血压和血氧饱和度 的信号。
3.根据权利要求2所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述心电电极位于心脏附近，并具有一距离，用以保证心电信号的强度及用以保证R波检测的准确性。
4.根据权利要求2所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述传感器模块是佩戴在手指的光电血管容积图传感器、专用心电呼吸采集传感器、专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器中的一种或是任意组合。
5.根据权利要求4所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述传感器模块使用佩戴在手指的光电血管容积图传感器的配置下，处理存储通信单元从光电血管容积图信号中提取心率和呼吸信号。
6.根据权利要求4所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述传感器模块使用专用心电呼吸采集传感器的配置下，处理存储通信单元从心电、呼吸信号中提取出心率、呼吸随时间变化曲线，所述专用心电呼吸采集传感器是生物电阻抗传感器。
7.根据权利要求4所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述传感器模块使用专用心电、呼吸、血压、血氧饱和度采集传感器的配置下，处理存储通信单元从心电、呼吸、血压、血氧饱和度信号中提取出心率、呼吸、血压、血氧饱和度随时间变化的曲线。
8.根据权利要求1所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：所述处理显示通信单元包括主控制模块、显示模块、音响模块、存储报告模块、通信模块，其中：
主控制模块配有模数转换通道，将穿戴式数据采集单元输出的模拟信号转换成数字信号，获得并输出自主神经心肺系统调控状态和谐度度量；
显示模块的输入端与主控制模块的输出端连接，接收并以图形和数字显示当前的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量呈现给受训者即形成一条反馈通路；根据受训者的和谐节律，以气球动画画面引导受训者的呼吸节律；
音响模块的输入端与主控制模块输出端连接，根据受训者的自主神经心肺系统调控状态和谐度度量的和谐程度，选择播放语音和音乐，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；
存储报告模块的输入端与主控制模块的输出端连接，记录整个生物反馈过程中的所有参数包括：训练呼吸率、RR间期、呼吸波、和谐度度量、达到和谐状态所用时间、和谐状态保持时间，和谐度度量随时间的变化曲线，并生成报告，保存到个人档案和历史记录中；
通信模块的输入端与主控制模块的输出端相连，将生物反馈训练过程中的所述参数和数据上传到服务器，或上传训练报告。
9.根据权利要求1所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：可穿戴部件与手持式部件间采用有线连接，可穿戴部件与手持式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。
10.根据权利要求1所述的心率变异性生物反馈康复装置，其特征在于：电源管理单元包括充电模块和稳定供电模块，穿戴部件和手持部件都由充电模块供电。
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