定量式心率變異性信號處理儀的研制

湯黎明，鐘添萍，朱興喜，林燕，徐靜怡，樊偉

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002 ；2.南京軍區(qū)衛(wèi)生部，江蘇 南京 210016

定量式心率變異性信號處理儀的研制

湯黎明1，鐘添萍1，朱興喜1，林燕1，徐靜怡1，樊偉2

1.南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 醫(yī)學(xué)工程科，江蘇 南京 210002 ；2.南京軍區(qū)衛(wèi)生部，江蘇 南京 210016

目的 為克服以往利用作業(yè)法、投射法和量表法對心理狀態(tài)的定性評價(jià)模式，易受評價(jià)者的主觀影響，研制了一種定量式心率變異性信號處理儀。方法 根據(jù)最新理論研究，人的情緒狀態(tài)是交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩個分支共同作用的結(jié)果，因此，利用該理論分析心率變異性（HRV）是評價(jià)人的自主神經(jīng)系統(tǒng)的一種最具信賴的方法。該信號儀由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組。結(jié)果 經(jīng)過測試，該儀器可對被測者的情緒心理狀態(tài)數(shù)據(jù)成功地采集和接收，且數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，被檢測者的評價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)告即顯示在終端顯示器上，同時(shí)心率變異性的大小也反饋到頭帶的指示燈上，以反應(yīng)心理狀態(tài)的好、中、差。結(jié)論 利用人的心率變異性差異的定量分析，實(shí)時(shí)反映個體心理狀態(tài)情緒，較之以往以人為主的評價(jià)有了進(jìn)步。

心率變異性信號處理儀；心率變異性；發(fā)射系統(tǒng)；接收系統(tǒng)

0 前言

以往對心理狀態(tài)評價(jià)采用作業(yè)法、投射法和量表法，其定性評價(jià)模式易受評價(jià)者經(jīng)歷、學(xué)識、心情狀態(tài)等主觀因素及被檢測者抽樣數(shù)據(jù)的局限性影響。為此，我們利用心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)生理指標(biāo)，如自主神經(jīng)系統(tǒng)活性和平衡程度、血壓狀況和心血管系統(tǒng)功能的量化等參數(shù)，研制出一種定量式心率變異性信號處理儀，用于客觀有效地評價(jià)個體的情緒心理狀態(tài)。其工作原理介紹如下。

1 工作原理

人的自主神經(jīng)體統(tǒng)是外周傳出神經(jīng)系統(tǒng)的一部分，分布于內(nèi)臟，能調(diào)節(jié)內(nèi)臟和血管平滑肌、心肌以及腺體等活動。自主神經(jīng)系統(tǒng)可分為交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩部分，具有調(diào)節(jié)機(jī)體不平衡狀態(tài)、維持相對動態(tài)平衡的作用。根據(jù)最新理論研究，個體的情緒狀態(tài)是交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩個分支共同作用的結(jié)果。其中，交感神經(jīng)過于興奮使個體容易亢奮和焦慮，而副交感神經(jīng)系統(tǒng)過于興奮使個體容易抑郁和消極，兩者的平衡有助于使個體達(dá)到良好的情緒狀態(tài)，而任何一方的過度興奮都會打破系統(tǒng)平衡，帶來情緒的負(fù)面體驗(yàn)。因此，可通過評價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能來分析個體的情緒狀態(tài)和心理狀況。利用該理論，分析心率變異性（HRV）是評價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)的一種最具信賴的方法。心率變異性的大小實(shí)質(zhì)上是反映神經(jīng)體液因素對竇房結(jié)的調(diào)節(jié)作用，即反映自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)活性與迷走神經(jīng)活性及其平衡協(xié)調(diào)的關(guān)系。在迷走神經(jīng)活性增高或交感神經(jīng)活性見底時(shí)，心率變異性增高，反之，則相反。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)框圖

該信號儀由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖，見圖1。

圖1 心率變異性信號處理儀結(jié)構(gòu)框圖

發(fā)射系統(tǒng)負(fù)責(zé)對人體心率脈搏信號的采集、調(diào)制處理和發(fā)射。接收系統(tǒng)負(fù)責(zé)對接收到的信號調(diào)制、解調(diào)，進(jìn)行分析處理，從中甄選出有用的心率信號，送至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并將結(jié)果以圖表、文字和信號指示方式提供給醫(yī)護(hù)人員，達(dá)到量化評價(jià)的目標(biāo)。

2.2 發(fā)射器

考慮到進(jìn)行心率脈搏信號采集過程中，被檢測者的流動性和隨意范圍較大，若通過有線方式進(jìn)行信號檢測采集，極大地限制了信號采集的方便性和隨意性，所以我們采用了被檢測者佩戴發(fā)射器設(shè)計(jì)，使檢測者可以不受地點(diǎn)、時(shí)間的影響，隨時(shí)隨地都可進(jìn)行信號采集。其原理是，將發(fā)射系統(tǒng)集成在一個頭帶結(jié)構(gòu)內(nèi)，通過頭帶戴在頭部的耳夾夾住右側(cè)耳垂，與頭帶額部、皮膚接觸電極形成脈搏信號采集回路。耳夾上的脈搏傳感器，采集脈搏波信號，送到調(diào)制器，在調(diào)制過程中，電路將較低頻率的心率脈搏信號，調(diào)制到能夠用于發(fā)射的較強(qiáng)的調(diào)制信號，通過無線電的方式發(fā)送出去。為了保持耳夾夾點(diǎn)與頭帶額部及皮膚接觸電極的接觸狀態(tài)良好，設(shè)計(jì)了阻抗匹配檢測回路，以保證信號采集的可靠性。為了讓被檢測者及時(shí)了解到檢測過程中的心理狀態(tài)和定量式心率變異性信號處理儀的工作狀態(tài)，在發(fā)射系統(tǒng)部位還安排了指示接收電路和心理狀態(tài)顯示指示燈，將經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后反饋回來的心率變異性狀態(tài)參數(shù)的數(shù)值大小顯示出來，以提醒被檢測者及時(shí)調(diào)整心理狀態(tài)。

2.3 接收系統(tǒng)

首先，將接收到的各種信號進(jìn)行甄別、篩選，選出由心率檢測發(fā)射器發(fā)出的信號，并對信號進(jìn)行解調(diào)；再將解調(diào)后的心率信號，通過解碼器，得到被檢測者的心率信號，經(jīng)B/A轉(zhuǎn)換還原成用來進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理的數(shù)字信號。計(jì)算機(jī)處理軟件通過對接收到的心率脈搏信號進(jìn)行運(yùn)算、比較、分析、處理，得到被檢測者的情緒心理狀態(tài)評價(jià)數(shù)據(jù)，并在終端顯示器上顯示出個體評價(jià)數(shù)據(jù)報(bào)告（圖2）。同時(shí)把心率變異性的大小反饋到頭帶的指示燈上，指示燈的綠、藍(lán)、紅3種顏色分別代表心理狀態(tài)的好、中、差。

圖2 個體評估數(shù)據(jù)報(bào)告

2.4 發(fā)射接收波段設(shè)計(jì)

定量式心率變異性信號處理儀，由于利用無線發(fā)射器設(shè)計(jì)，極大地方便被測者的使用，被檢測者只要在頭上戴一個靈巧的頭帶就可以展開信號采集，并且不影響被測者的學(xué)習(xí)、運(yùn)動等正常活動。在計(jì)算機(jī)處理過程中，我們采用并聯(lián)、同步方式，將被檢測者的信號發(fā)射分別設(shè)為不同的頻率波段，接收器也與其對應(yīng)的設(shè)置不同的接收波段，目前可同時(shí)對20路接受信號進(jìn)行同步處理，且一個處理周期僅為5~10 min。

3 結(jié)果

定量式心率變異性信號處理儀利用短期測量方式，可有效地對自主神經(jīng)功能水平進(jìn)行分析。通過本儀器對個體的心率變異性生理指標(biāo)處理發(fā)現(xiàn)，心率變異性越低，個體的情緒心理狀態(tài)越差，其個體的心理素質(zhì)也就越低；相反，心率變異性越高，心理素質(zhì)也就越好。但由于個體的狀態(tài)影響因素較多，心率變異反映的只是自主神經(jīng)作用的一個部分。因此，在這一領(lǐng)域?qū)⑿枰钊氲难芯刻接懀褂酶嗟纳碇笜?biāo)來反映心理狀態(tài)，能夠更加準(zhǔn)確地評估心理素質(zhì)。

4 討論

利用心率變異性差異的定量分析能夠較好地、實(shí)時(shí)反映個體心理狀態(tài)情緒，較之以往以人為主的評價(jià)有了進(jìn)步，然而僅憑這一項(xiàng)定量指標(biāo)評價(jià)具有較大的偶然性。除心率變異性外還有表面肌電信號定量指標(biāo)，人體脈氧定量指標(biāo)，胃電信號定量指標(biāo)等，都可反映個體心理狀態(tài)情緒。人體電生理參數(shù)定量指標(biāo)獲得越多，越能接近真實(shí)反映個體心理狀態(tài)情緒，有待臨床工程人員進(jìn)一步研究探索。

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Research on Quantitative Signal Processing Instrument of Heart Rate Variability

TANG Li-ming1, ZHONG Tian-ping1,ZHU Xing-xi1, LIN Yan1,XU Jing-yi1, FAN Wei2
1. Medical Engineering Department,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2. Health Department of Nanjing Military Area Command, Nanjing Jiangsu 210016,China

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.07.009

1674-1633(2012)07-0038-02

2012-02-06

國家自然科學(xué)基金天元基金資助項(xiàng)目（10926193）。本文作者：湯黎明，醫(yī)學(xué)工程科主任，高級工程師，教授，博士生導(dǎo)師。

作者郵箱：njzywm@163.com

Abstract: Objective In order to overcome the influence of estimator’s subjectivity on qualitative evaluation of mental state using methods of operation, casting and scale, we have developed a qualitative signal processing instrument for heart rate variability. Methods According to recent studies, people’s mental state is result of combined function of sympathetic nerve and parasympathetic nerve. As a result,it is a reliable method of evaluating people’s autonomic nervous system. The instrument consists of emission system and receiving system. Results The instrument can provide quantitative parameters of activity and balance of the autonomic nervous system, blood pressure status and the function of the cardiovascular system, thus to ref l ect the individual's mental state. Conclusion Qualitative signal processing of heart rate variability can reflect individual’s mental state, and has made some progress compared with previous evaluation methods.

Key words: signal processing instrument of heart rate variability; heart rate variability; emission system;receiving system