精神壓力分析儀基于心音HRV理論

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　　1.一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：所述系統由心音信號采集模塊、無線通信模塊和PC端系統平臺組成；

精神壓力分析儀基于心音HRV理論

　　心音信號采集模塊與PC端系統平臺連接，利用電式傳感器將使用者的胸壁傳出來的心音波動信號直接通過壓敏元件傳遞到換能元件上，然后對采集到的心音信號進行模擬-數字轉換，并傳輸至PC端系統平臺，進行處理；

　　無線通信模塊與PC端系統平臺相連接，并以無線方式在心音采集模塊和PC端系統平臺之間傳輸數據；

　　PC端系統平臺用于分析心音采集模塊輸入的數據，還原心音信號，利用心音提取HRV的自適應算法得到HRV，并對HRV采用多種算法進行處理，同時在頻域和時域進行分析，獲取精神壓力的主要指標。

　　2.根據權利要求1所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于，所述利用心音提取HRV的自適應算法得到HRV，包含以下步驟：

　�、賹π囊粜盘栠M行重采樣，每隔一定的點數取一個點，在保證不混疊的情況下，降低了數據量，有利于后續的處理；

　�、谑褂们斜妊┓颌裥偷屯V波器，濾除低頻分量，設置截止頻率；

　�、凼褂酶咄V波器消除由低通濾波器帶來的基漂，設置在截止頻率；

　�、軐ι鲜鲂盘栠M行微分操作，使得正負半軸的幅值近乎相等；

　　式中，N為定位的峰值總數；

　�、喔鶕罱K確定的S1峰值，確定心動周期，繪制為IBI文件，存放測試者心動周期序列。

　　3.根據權利要求2所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：步驟①中所述一定的點數為15。

　　4.根據權利要求2所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：步驟②中的截止頻率為150Hz。

　　5.根據權利要求2所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：步驟③中的截止頻率為630Hz。

　　6.根據權利要求1所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：采集心音的時間持續3-5分鐘。

　　7.根據權利要求1所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：所述精神壓力的主要指標包含時域指標和頻域指標，時域指標包括心動周期，總體標準偏差，平均心率，心率標準差以及連續間隔標準差；頻域指標包括總能量TP、低頻成分LF、高頻成分HF和低頻/高頻比例、低頻功率與高頻功率之比LF/HF，高頻能量密度值以及低頻能量密度值。

　　8.根據權利要求7所述的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，其特征在于：根據所述時域指標和頻域指標，從自主神經系統的穩定性、自主神經系統的活性、抗壓能力、壓力指數、疲勞指數5個方面分析用戶的精神壓力狀態，生成最終的分析報告。

　　說明書

　　基于心音HRV理論的精神壓力分析儀

　　技術領域

　　本發明屬于心理疾病的診斷領域，具體涉及一種基于心音HRV理論的精神壓力分析方法。

　　背景技術

　　現代社會，隨著工作、生活節奏越來越快，現代人所面臨的心理壓力也越來越大。據國家衛計委統計報告，截止2015年年底，中國患精神疾病的人數已超過心血管病，躍居我國疾病患者的首位。

　　心理壓力是造成亞健康的主要原因。壓力過大、過多會損害身體健康。心理壓力不能及時釋放，就會造成精神疾患。壓力過大會導致身體亞健康，嚴重情況下會導致直接的發病，壓力是我們身邊最大的健康殺手。

　　然而在調查中超過40％的人不采取任何措施。社會學家指出現在人們壓力都很大，很多人都不知道怎么排解。對于現在這種情況，急需一種能夠直觀檢測和分析人體精神狀態和疲勞程度的儀器，可以對受試者的精神壓力進行檢測，使用戶能夠對患者的精神狀態有一個深入和明確的了解，并根據患者精神狀態給與相應建議。

　　發明內容

　　本發明的目的是提出了一種能夠直觀檢測和分析人體精神狀態和疲勞程度的設備，可以對受試者的精神壓力進行檢測，使用戶能夠對患者的精神狀態有一個深入和明確的了解基于心音HRV理論的精神壓力分析儀。

　　為此，本發明一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀，系統由心音信號采集模塊，無線通信模塊以及PC端系統平臺組成。

　　心音信號采集模塊與PC端系統平臺連接，利用電式傳感器將使用者的胸壁傳出來的心音波動信號直接通過壓敏元件傳遞到換能元件上，然后對采集到的心音信號進行模擬-數字轉換，并傳輸至PC端系統平臺，進行處理；

　　無線通信模塊與PC端系統平臺相連接，并以無線方式在心音采集模塊和PC端系統平臺之間傳輸數據；

　　PC端系統平臺用于分析心音采集模塊輸入的數據，還原心音信號，利用心音提取HRV的自適應算法得到HRV，并對HRV采用多種算法進行處理，同時在頻域和時域進行分析，獲取精神壓力的主要指標。

　　上述利用心音提取HRV的自適應算法得到HRV，具體包含以下步驟

　�、賹π囊粜盘栠M行重采樣，每隔一定的點數取一個點，在保證不混疊的情況下，降低了數據量，有利于后續的處理；

　�、谑褂们斜妊┓颌裥偷屯V波器，濾除低頻分量，設置截止頻率；

　�、凼褂酶咄V波器消除由低通濾波器帶來的基漂，設置在截止頻率；

　�、軐ι鲜鲂盘栠M行微分操作，使得正負半軸的幅值近乎相等；

　�、輰π盘栠M行平方及加窗取平均操作，平方旨在將幅值為負的信號變為幅值為正的信號，加窗取平均旨在對平方后的信號進行平滑處理，其傳遞函數為：

　　式中32為加窗的點數；

　�、薅ㄎ籗1波峰，心音信號有2個明顯的峰值分別為S1峰值和S2峰值，由于S1峰值幅度更高，將S1峰作為要檢測的峰值，并將S1峰值的定位繪制成圖；

　�、唛撝翟O定及判定，閾值設定根據當前檢測到的峰值屬性，采用自適應迭代法，當前檢測到峰值定位為peak(i)時，更新T(i):

　　式中，N為定位的峰值總數；

　�、喔鶕罱K確定的S1峰值，確定心動周期，繪制為IBI(Inter-Beat Interval)文件，存放測試者心動周期序列。

　　進一步，上述步驟①中所述一定的點數優選為15。

　　進一步，步驟②中的截止頻率為150Hz，步驟③中的截止頻率為630Hz。

　　為確保采集的效果，采集心音的時間持續3-5分鐘。

　　上述精神壓力的主要指標包含時域指標和頻域指標，時域指標包括心動周期，總體標準偏差，平均心率，心率標準差以及連續間隔標準差；頻域指標包括總能量TP、低頻成分LF、高頻成分HF和低頻/高頻比例、低頻功率與高頻功率之比LF/HF，高頻能量密度值以及低頻能量密度值。

　　根據所述時域指標和頻域指標，從自主神經系統的穩定性、自主神經系統的活性、抗壓能力、壓力指數、疲勞指數5個方面分析用戶的精神壓力狀態，生成最終的分析報告。

　　與現有技術相比，本發明的有益效果在于：

　�、倌壳皼]有從心音信號中提取心率變異性的算法，本發明提出了一種從心音提取HRV的自適應算法，該算法計算精度高、魯棒性好，實際使用效果達到預期要求。

　�、诒景l明與專業檢測設備的結果基本一致，成本僅有國外同類產品的百分之一，使用簡單，操作方便，功能齊全具備大規模推廣的可能性。相比于心電精神壓力分析儀、本發明使用方便、操作簡單、功能齊全，特別是成本低，適合在基層醫療單位、家庭、學校和個人中推廣使用。

　　附圖說明

　　圖1為系統框圖。

　　圖2為心音提取HRV的自適應算法流程圖。

　　圖3為微分后的心音信號。

　　圖4為平方及加窗取平均后的心音信號。

　　圖5為S1峰值定位。

　　圖6為取閾值后的S1峰值定位。

　　圖7為HRV能量頻譜圖。

　　具體實施方式

　　現結合附圖對本發明的具體實施方式做進一步詳盡的說明。

　　本發明提出的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析儀主要由心音信號采集模塊，無線通信模塊以及PC端系統平臺組成。系統框圖如附圖1所示

　　心音信號采集模塊，采用的是一款肩戴式無線心音采集器，與pc端系統平臺連接。利用電式傳感器將胸壁傳出來的心音波動信號直接通過壓敏元件傳遞到換能元件上，然后對采集到的心音信號進行模擬-數字轉換，并傳輸至PC端系統平臺，進行處理。信號采集的時間為3分鐘。

　　無線通信模塊與PC端相連接，并以無線方式在心音采集模塊和PC端系統平臺之間傳輸數據。

　　PC端系統平臺，與無線通訊模塊連接，用于分析心音采集模塊輸入的數據，還原心音信號，并從心音信號中提取HRV，并對HRV采用多種算法進行處理，同時在頻域和時域進行分析，獲取11項主要指標對其中8個主要特征指標進行圖形化表示，從自主神經系統的穩定性、自主神經系統的活性、抗壓能力、壓力指數、疲勞指數這5個方面分析用戶的精神壓力狀態，得到最終的分析報告。

精神壓力分析儀基于心音HRV理論

　　基于心音HRV理論的精神壓力分析方法如下：

　　(1)解析心音采集器傳輸的數據，還原出心音信號，對信號進行濾波和放大，得到心音信號。

　　(2)利用心音提取HRV的自適應算法得到HRV，算法流程圖如附圖2如附圖2所示，算法包含以下步驟

　�、賹π囊粜盘栠M行重采樣，每隔15個點取一個點，在保證不混疊的情況下，降低了數據量，有利于后續的處理；

　�、谑褂们斜妊┓颌裥偷屯V波器，濾除低頻分量，截止頻率設置在150Hz

　�、凼褂酶咄V波器消除由低通濾波器帶來的基漂，截止頻率設置在630Hz

　�、軐π盘栠M行微分操作，使得正負半軸的幅值近乎相等，得到的心音處理后的信號如附圖3所示。

　�、輰π盘栠M行平方及加窗取平均操作。平方旨在將幅值為負的信號變為幅值為正的信號。加窗取平均旨在對平方后的信號進行平滑處理，處理后的心音信號如如圖4所以，其傳遞函數為：

　　式中32為加窗的點數；

　�、薅ㄎ籗1波峰。心音信號有2個明顯的峰值分別為S1峰值和S2峰值。由于S1峰值幅度更高，這里將S1峰作為要檢測的峰值。并將S1峰值的定位繪制成如附圖5所示。

　�、唛撝翟O定及判定。閾值設定采用自適應迭代法，根據當前檢測到的峰值屬性。當前檢測到峰值定位為peak(i)時，更新T(i):

　　式中，N為定位的峰值總數，更新后的峰值定位為附圖6中紅線以上部分；

　�、喔鶕罱K確定的S1峰值，確定心動周期，繪制為IBI文件，存放的是測試者心動周期序列。

　　(3)對HRV進行頻域和時域分析，得到時域指標和頻域指標。

　�、偻ㄟ^統計學的方法分析心率變異性的變化趨勢，得到時域指標，可以概括性的評估自主神經系統對心率的調控作用。時域指標包括心動周期，總體標準偏差SDNN，平均心率，心率標準差以及連續間隔標準差RMSSD。

　　平均心動周期計算公式為

　　標準偏差SDNN計算公式為

　　平均心率計算公式為HR＝60*1000/meanSS

　　心率標準差計算公式為

　　連續間隔標準差RMSSD計算公式為

　　其中，N為心搏總數；SSi為第i個S1峰值間期；meanSS為N個S1峰值間期的平均值

　�、陬l域分析法是采用一種經典的功率譜估計理論--Welch周期圖法，得到頻域指標。包括總能量TP、低頻成分LF、高頻成分HF和超低頻成分VLF、低頻功率與高頻功率之比LF/HF，高頻能量密度值HF(n.u.)以及低頻能量密度值LF(n.u.)。

　　對HRV的SS間期序列進行自回歸AR模型的現代譜估計，定量描述HRV的能量分布情況。通過Welch算法得到AR功率譜密度曲線，如附圖7所示。

　　總功率TP：指所有頻率范圍內各個功率分量的總和是自主神經系統的整體活性狀態，表示自主神經對機體的調節能力。其計算表達式為：

　　高頻功率HF：主要體現迷走神經的活性，與呼吸運動相關，一般在呼吸緩慢或深呼吸時有過度升高的現象。其計算表達式為：

　　低頻功率LF：自主神經系統的傳出神經，受交感神經和迷走神經的雙重影響，主要體現交感神經的活性。其計算表達式為：

　　超低頻功率VLF：主要代表交感神經張力，與體溫調節系統密切相關，與血管運動、激素相關的心肺功能也有關聯。其計算表達式為：

　　低頻功率與高頻功率之比LF/HF：反映自主神經系統交感神經和迷走神經的復雜度

　　高頻能量密度值HF(n.u.)：代表自主神經系統的交感神經系統，其計算表達式為LF(n.u.)＝LF/(LF+HF)×100％

　　低頻能量密度值HF(n.u.)：代表自主神經系統的副交感神經系統，其計算表達式為HF(n.u.)＝HF/(LF+HF)×100％

　　(4)分析測試者的精神壓力狀態。包括以下5個指標：自主神經系統的穩定性、自主神經系統的活性、抗壓能力、壓力指數、疲勞指數。

　　自主神經系統的穩定性由交感神經和副交感神經的比值確定，交感和副交感比例失衡時，自主神經系統的平衡性暫時破壞，會帶來一系列精神問題。

　　自主神經系統的活性由低頻能量LF和高頻能量HF確定，是指測試者當前機體調節能力的高低。

　　抗壓能力是指機體能否適應環境變化或各種壓力的刺激，維持其內環境穩定的能力。HRV減少的意義是，心率能動性變異的復雜性減少，說明機體對環境變化的適應能力減少，也就是機體抗壓能力減少。

　　壓力指數由心動周期和心率的偏差確定，是指當前測試者所處的精神壓力狀態。

　　疲勞指數由自主神經系統的活性確定，自主神經活性低下，承受壓力越重，疲勞指數越高，而導致身體上、精神上的疲勞。

精神壓力分析儀基于心音HRV理論

　　(5)根據分析得出的測試者精神壓力狀態，得出最終的分析報告。并具備打印功能，測試者可以將分析報告打印出來。壓力分析報告與測試者信息以及包含測試者心動周期序列的IBI文件都會保存在數據庫中，方便隨時查看。

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