一种心理健康评测和深呼吸调理系统的制作方法

1.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：

2.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。自主神经的平衡主导着人体身心的平衡。自主神经失衡 严重影响人体的心理和生理问题。
3.随着现代人生活压力的增大，具有情绪问题的人群成膨胀趋势。从最初的情 绪低落、多虑、焦虑，进而发展为抑郁症。2018年的调查表明，全球抑郁症患 者达3.5亿人，每年因抑郁症自杀的人数高达100万。而这个数字随着时间的推 移，增长速度正在加快。在疫情世界性蔓延的今天，人们更是感受到前所未有的 生存压力。焦虑正作为一种精神病毒与新冠病毒共同影响着人们的生活。已有大 量研究表明，情绪问题的根本原因是自主神经系统失衡造成的。因此，科学有效 的评估自主神经系统的平衡状态，并通过个性化干预加以调理，将是诊断和治疗 抑郁症和失眠、焦虑等心理问题的有效手段。
4.心率变异性生物反馈技术于上世纪70年代起源于前苏联，后由美国 lehter教授于90年代在美国做了进一步研究和推广。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。
5.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。
6.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 andapparatus for affecting the autonomic nervous 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《methodand apparatus for facilitating physiological coherence and autonomicbalance》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。
7.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。


技术实现要素：

8.心理健康评测和深呼吸训练系统将自主神经评测和调节技术应用于心理疾 病领域，提供了对抑郁症、双向情感障碍等心理疾病进行诊断，并进一步引导自 主神经系统由失调和无规转向有规和和谐的方法，并提供心理健康评测和深呼吸 训练系统和设备的构成。
9.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呼吸 心率谐振值，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“呼吸心率谐振度量度量”，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。
10.为达成所述目的，本发明提供一种心理健康评测和深呼吸训练系统方法，包 括：一套基于心率变异(hrv)曲线和呼吸信号的呼吸心率谐振度量度量，包 括：心率变异性hrv的功率谱密度函数、呼吸中心频率、带宽，以及由它们综 合计算得出的呼吸心率谐振度度量。
11.一套生物反馈炼习的训练程序，包括：一套深呼吸训练程序，包括：
12.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；
13.优选地，一套基于心率变异(hrv)和呼吸信号的呼吸心率谐振度度量， 定义为：
[0014][0015]
其中，psd(k)为心率变异性hrv的功率谱密度函数。kr为呼吸中心频率，kb为带宽。
[0016]
优选地，一套深呼吸训练程序训练程序，包括：对一训练者，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；
[0017]
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分钟深呼吸训练，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，进行深呼吸训练，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。
[0018]
本发明还提供一种心理健康评测和深呼吸训练设备，包括：信号采集模块为 包含心电电极/ppg传感器和呼吸传感器的可穿戴设备，采集心电信号或ppg信 号、呼吸信号，并将信号传输至手机app；手机app进行呼吸心率谐振度度量的 计算，并引导深呼吸训练，管理训练报告。
[0019]
信号采集模块采用是微电子硬件穿戴式设备，其结构和包括的传感器和信号采集 和传输单元，视需求，有如下两种配置：
[0020]
两个心电电极和相应的放大、滤波和a/d转换电路，以及呼吸传感器。采用 这种配置，信号采集和传输单元从心电信号中提取rr间期、心率；呼吸信号从 生物电阻抗技术的呼吸传感器获得；
[0021]
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，以及呼吸传感器。采用这种配置，信号采集和传输单元从ppg信号中 提取心率信号；呼吸信号从生物电阻抗技术的呼吸传感器获得；
[0022]
优选地，信号采集模块包括：获取心电信号并从中检测r波，获取ppg信号 并从中提取心率信号，获取呼吸信号；
[0023]
优选地，手机app，对从信号采集模块的rr间期或心率信号，以及呼吸信 号进行计算，获得呼吸心率谐振度度量。进而依据心率谐振度度量指导受训者训 练；
[0024]
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，找出其个性化最佳呼吸率；根据受训 者当前和谐度度量，选择播放相应的语言和音乐，引导身心放松，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；
[0025]
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、hrv波形、呼吸心率谐振度度量；
[0026]
对每次训练进行总结，生成训练报告，呈现给受训者。
[0027]
本发明提供的一种心理健康评测和深呼吸训练系统方法和设备，其可穿戴设 备与手持终端采用无线蓝牙通讯，产品使用便捷，灵活度高，适应场景广泛。
[0028]
本发明一种心理健康评测和深呼吸训练系统方法和设备的特点是：
[0029]
1)实时监测心电信号或ppg信号、呼吸信号，从心率变异和呼吸两种信号 提取一整套呼吸心率谐振度度量。
[0030]
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， 并将呼吸心率谐振度量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。
[0031]
3)存储和分析受训者的心率变异性功率谱密度、带宽、呼吸中心频率，获 得呼吸心率谐振度度量，并以系统智能的方法，寻找个性化的自主神经和谐调控 最佳个性化训练方法。
[0032]
心理健康评测和深呼吸训练系统包括：穿戴式信号采集模块，通过心电电极 /ppg传感器，呼吸传感器同步实时采集心电信号或ppg信号、呼吸信号，通过 信号采集和传输单元传送到手机app。手机app运用算法获得呼吸心率谐振度度 量，根据度量和训练者训练档案优选最佳呼吸频率，并反馈给深呼吸训练引导单 元。深呼吸训练引导单元以吹气球动画图形引导受训者进行流畅的慢呼吸，并根 据呼吸心率谐振度量所分的和谐等级播放相应引导语言和放松音乐，调整受训者 心绪和呼吸方式，引导其达到或接近和谐状态。训练报告管理单元管理受训者数 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
[0033]
图1是本发明心理健康评测和深呼吸训练系统结构框图；
具体实施方式
[0034]
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。
[0035]
如图1本发明心理健康评测和深呼吸训练系统结构框图所示，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。整个心理健康评测和深呼吸训 练系统由穿戴式信号采集模块100、手机app200组成。信号采集模块由心电电极 或ppg传感器111，和呼吸传感器112构成。佩戴时，心电电极佩戴于心脏附近， 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；ppg 传感器佩戴于指端。信号采集和传输模块110将超级到的信号进行放大、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，通过蓝牙传输至手机 app200。
[0036]
手机app200由呼吸心率谐振度量单元210、深呼吸训练引导单元220和训练报 告管理单元230组成。呼吸心率谐振度量210对从信号采集模块的rr间期或心 率信号，以及呼吸信号进行计算，获得呼吸心率谐振度度量，并将呼吸心率谐振 度度量发送至深呼吸训练引导单元。深呼吸训练引导单元220为人机交互模块， 一方面，它将当前的呼吸心率谐振度量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。训练报告管理单元230 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。
[0037]
下面详细介绍本发明的实施例：
[0038]
(一)信号采集模块100
[0039]
如图1所示，信号采集模块100是微电子硬件穿戴式部件，由固件程序驱动， 通过蓝牙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。
[0040]
呼吸信号通过呼吸信号的传感器采集，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。
[0041]
心电信号采集111的一种实现方案是用两个电极片采集单导联心电信号，另一种 方案是使用光电血管容积图ppg传感器，佩戴于手指上采集脉搏波信号和呼吸 信号。
[0042]
(二)手机app200
[0043]
手机app运行在手机端。由呼吸心率谐振度量单元210、深呼吸训练引导单元220、 训练报告管理单元230组成。
[0044]
当受训者开始深呼吸训练时，他佩戴好信号采集模块，打开手机app200，利 用设备上的显示屏和音响系统，端坐并开始训练。
[0045]
呼吸心率谐振度量单元210从信号采集模块获得心电或ppg信号、呼吸信号， 对这些信号进行算法处理。其心率分析核心算法是高性能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 discretewavelet transform and cubic spline interpolation，journal of telemedicineand 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。对于呼吸信号的处理，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。
[0046]
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，计算一套呼吸心率谐振值，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。
[0047]
对一受训者，深呼吸训练引导模块220从个人档案和历史记录230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。
[0048]
对每一次训练，存储、报告、上传模块230实时记录所有信息：呼吸频率等 参数、rr间期和呼吸信号、呼吸心率谐振度量度量，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。
[0049]
对于集体训练情景，存储、报告、上传模块230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。
[0050]
个性化hrv深呼吸训练方案包括：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。
[0051]
(三)呼吸心率谐振度度量
[0052]
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。
[0053]
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：
[0054]
呼吸心率谐振度度量(respiration-rhythm resonance rrr)。当以某个呼吸 率呼吸时，呼吸率与心率的一致性，或称谐振水平的值。用心率变异性hrv的 功率谱在呼吸频率附近的集中程度来评估：
[0055][0056]
其中，psd(k)为hrv的功率谱密度函数。kr为呼吸中心频率，kb为带宽， 可取kb＝0.4kr。例如呼吸中心频率kr＝0.1hz，则kb＝0.04hz，分母的hrv 功率谱求和在0.06hz和0.14hz之间。上面的数值为实施例之一，仅旨在便于对 本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0057]
(五)hrv深呼吸训练方法
[0058]
采用以下几个措施进行深呼吸训练：
[0059]
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；
[0060]
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；
[0061]
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；
[0062]
4、对每个人，建立个人训练档案，并寻找最佳谐振频率。
[0063]
当一受训者已经注册，开始训练，训练流程如下：
[0064]
a)查询其训练档案，并分别以下三种情况处理：
[0065]
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。
[0066]
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。
[0067]
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。
[0068]
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)。
[0069]
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。
[0070]
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。