1.一種人體精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,包括傳感器模塊、生理信號采集模塊、嵌入式系統平臺和無線通訊模塊;其特征是:
傳感器模塊,包括右心電采集電極、左心電采集電極和脈搏波傳感器,均與生理信號采集模塊連接,用于采集人體的心電信號和手指端的光電容積脈搏波信號,并將信號傳輸至生 理信號采集模塊;
生理信號采集模塊,與嵌入式系統平臺連接,包括心電檢測電路和脈搏波檢測電路,心電檢測電路與傳感器模塊中的心電采集電極連接,脈搏波檢測電路與傳感器模塊中的脈搏波 傳感器連接;對檢測電路產生的模擬生理信號進行模擬-數字轉換,并傳輸至嵌入式系統平臺 進行處理;
無線通訊模塊與嵌入式系統平臺連接,并以無線方式在嵌入式系統平臺與個人手持終端之間傳輸數據;
嵌入式系統平臺,與無線通訊模塊連接,用于分析生理信號采集模塊輸入的數據,還原心電和脈搏波信號,進行
精神壓力分析儀分析儀分析,完成以下操作:
(1)解析由生理信號采集模塊傳輸的數據,還原心電信號和脈搏波信號,對信號進行濾波和放大,得到人體心電圖波形序列X(K)和脈搏波波形序列Y(k);
(2)分析脈搏波波形序列Y(K),利用該波形上的各特征點(如升支起點、峰值點或切跡)計算出脈率PR;
(3)分析心電波形序列X(K),識別心電波形中的R波,得到心率和心電信號的RR間期, 對RR間期進行分析,得到心率變異性相關時域指標、頻域指標和非線性分析指標;其中:
、贂r域指標包括:R-R間期標準差、相鄰R-R間期差值均方根值和相鄰正常R-R間期超過50ms的百分比;
、陬l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;
、鄯蔷性指標包括:向量長度指數VLI和向量角度指數VAI;
(4)分析心率變異性指標R-R間期標準差、相鄰R-R間期差值均方根值以及高頻成分HF評估人體自主神經系統活性ANSA,根據低頻/高頻比例評估自主神經系統平衡性ANSE;
(5)分析受試者的
精神壓力分析儀分析儀狀態,包括以下四個指標:情緒狀態指數、抗壓能力指數、 身體疲勞指數和壓力狀態指數;
(6)根據得到的
精神壓力分析儀分析儀相關指數,對被測者的精神狀態進行評估;
(7)根據測定的脈率和心率給出被測者是否患有房顫或頻發期前收縮提示。
2.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是:所述R-R間期標準差 (SDNN)的計算公式為:
其中N為全程記錄中正常心搏的總數,RRi是第i個R-R間期,meanRR是N個心搏的R-R間期 的平均值。
3.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是:所述相鄰R-R間期差 值均方根值(RMSSD)的計算公式為:
其中N為全程記錄中正常心搏的總數,RRi+1,RRi為相鄰兩個竇性心動周期的長度。
4.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是:所述相鄰正常R-R間期 超過50ms的百分比(pNN50)的計算公式為:
<math> <mrow> <msub> <mi>pNN</mi> <mn>50</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>NN</mi> <mn>50</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>×</mo> <mn>100</mn> <mo>,</mo> </mrow> </math>
其中NN50全程記錄中相鄰R-R間期差值大于50ms的個數,NN為R-R間期總數。
5.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是:所述頻域指標的計算 過程為:
對RR間期序列譜分析,定量描述HRV信號的能量分布情況,得到AR模型的功率譜密度 曲線;
低頻成分LF是功率譜密度曲線在0.04-0.15Hz頻帶內的積分值;
高頻成分HF是功率譜密度曲線在0.15-0.4Hz頻帶內的積分值;
總能量TP:功率譜密度曲線在0.04-0.4Hz頻帶內的積分值,等于低頻成分LF和高頻成分 HF的總和;
低頻/高頻比例:低頻成分LF與高頻成分HF的比值。
6.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是:所述非線性指標的計 算過程如下:
以相鄰兩個竇性心動周期的前一個R-R間期長度RRi為橫坐標,以后一個R-R間期RRi+1為 縱坐標繪制一點,如此繼續,在一定的時間段內,繪制成由各散點組成的分布圖,根據該分 布圖得到:
向量角度指數:其中N為散點的個數,a(i)為散點圖中散點的向量角 度值;
向量長度指數:其中N為散點的個數,b(i)和b(j)為散點圖中 散點的向量長度值。
7.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是,所述步驟(4)中ANSA 和ANSE的計算公式為:
各指數中的每個權層系數由臨床試驗確定,取值0-1,各指數中的所有權層系數之和為1。
8.根據權利要求1所述的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,其特征是,所述步驟(5)中四個 指標的計算公式如下:
抗壓能力指數:RPAI=k1*TP+k2*RMSSD+k3*pNN50+k4,其中ki為權層系數;
身體疲勞指數:BFI=k1*VLI+k2*LF+k3,其中ki為權層系數;
壓力狀態指數:PSI=k1*VAI+k2*HF+k3,其中ki為權層系數;
各指數中的每個權層系數由臨床試驗確定,取值0-1,各指數中的所有權層系數之和為1。
說明書
一種人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置
技術領域
本發明涉及一種用于人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析的裝置,屬于人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析技術領 域。
背景技術
現代社會的常見病是心理疾病,心理壓力即
精神壓力分析儀分析儀,高度發達的工業體系給人們帶來 了豐富的物質,創造了巨大的財富。但是我們每個人從中獲益的同時,不快樂的情緒也如泛 濫的洪水伴隨著財富的創造,向我們席卷而來。壓力幾乎籠罩在所有人身上,
精神壓力分析儀分析儀在現 代生活中每個人都有所體驗。根據2013年衛生部門調查表明,我國現有1億多各類精神障礙 者,其中重度精神病人大約有1600萬人。中科院心理研究所根據對31875名不同職業人士的 調查數據統計分析,二三十歲的年輕人是當前中國各年齡段中感受壓力最大的人群。
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, 其中最常見的疾病很多,如壓力會導致不孕,導致很多人長期失眠,導致很多年輕人患胃病 等,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,自己默默忍受。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。中國人的傳統性格比較隱忍,習慣把事情壓抑在內 心,人們對心理專家還是有顧慮,即使知道和人溝通是最有效的方法,他也不愿意去解決。
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
精神壓力分析儀分析儀進行檢測,使醫生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
本發明針對當前形勢,提供一種測量過程無創無損、能夠方便地對人體精神狀態進行評 估的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置。
本發明的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置,采用以下技術方案:
該裝置包括傳感器模塊、生理信號采集模塊、嵌入式系統平臺和無線通訊模塊;
傳感器模塊,包括右心電采集電極、左心電采集電極和脈搏波傳感器,均與生理信號采 集模塊連接,用于采集人體的心電信號和手指端的光電容積脈搏波信號,并將信號傳輸至生 理信號采集模塊;
生理信號采集模塊,與嵌入式系統平臺連接,包括心電檢測電路和脈搏波檢測電路,心 電檢測電路與傳感器模塊中的心電采集電極連接,脈搏波檢測電路與傳感器模塊中的脈搏波 傳感器連接;對檢測電路產生的模擬生理信號進行模擬-數字轉換,并傳輸至嵌入式系統平臺 進行處理;
無線通訊模塊與嵌入式系統平臺連接,并以無線方式在嵌入式系統平臺與個人手持終端 (手機、平板電腦、PDA等)之間傳輸數據;
嵌入式系統平臺,與無線通訊模塊連接,用于分析生理信號采集模塊輸入的數據,還原 心電和脈搏波信號,進行
精神壓力分析儀分析儀分析,完成以下操作:
(1)解析由生理信號采集模塊傳輸的數據,還原心電信號和脈搏波信號,對信號進行濾 波和放大,得到人體心電圖波形序列X(K)和脈搏波波形序列Y(k);
(2)分析脈搏波波形序列Y(K),利用該波形上的各特征點(如升支起點、峰值點或切跡) 計算出脈率PR;
(3)分析心電波形序列X(K),識別心電波形中的R波,得到心率和心電信號的RR間期, 對RR間期進行分析,得到心率變異性相關時域指標、頻域指標和非線性分析指標;其中:
、贂r域指標包括:R-R間期標準差(SDNN)、相鄰R-R間期差值均方根值(RMSSD)和相鄰正 常R-R間期超過50ms的百分比(pNN50);
頻域指標的計算過程為:
對RR間期序列譜分析,定量描述HRV信號(心率變異性信號)的能量分布情況,得到AR 模型(一種線性預測)的功率譜密度曲線;
低頻成分LF是功率譜密度曲線在0.04-0.15Hz頻帶內的積分值;
高頻成分HF是功率譜密度曲線在0.15-0.4Hz頻帶內的積分值;
總能量TP:功率譜密度曲線在0.04-0.4Hz頻帶內的積分值,等于低頻成分LF和高頻成分 HF的總和;
低頻/高頻比例(LF/HFration):低頻成分LF與高頻成分HF的比值。
對RR間期序列譜分析的方法是自回歸AR模型的現代譜估計或者是用古典譜估計方法(如 周期圖法和快速傅立葉變換法(FFT)。
AR模型的功率譜密度曲線功率譜密度曲線可以通過Burg算法、Marple算法或Levinson Dubin算法計算得到。
、鄯蔷性指標包括:向量長度指數VLI和向量角度指數VAI;
非線性指標的計算過程如下:
以相鄰兩個竇性心動周期的前一個R-R間期長度RRi為橫坐標,以后一個R-R間期RRi+1為 縱坐標繪制一點,如此繼續,在一定的時間段內,繪制成由各散點組成的分布圖,根據該分 布圖得到:
向量角度指數:其中N為散點的個數,a(i)為散點圖中散點的向量角 度值;
向量長度指數:其中N為散點的個數,b(i)和b(j)為散點圖中 散點的向量長度值。
(4)分析心率變異性指標R-R間期標準差(SDNN)、相鄰R-R間期差值均方根值(RMSSD) 以及高頻成分HF評估人體自主神經系統活性ANSA,根據低頻/高頻比例(LF/HFration)評 估自主神經系統平衡性ANSE; 各指數中的每個權層系數由臨床試驗確定,取值0-1,各指數中的所有權層系數之和為1。
(5)分析受試者的
精神壓力分析儀分析儀狀態,包括以下四個指標:情緒狀態指數、抗壓能力指數、 身體疲勞指數和壓力狀態指數;
四個指數的計算公式如下:
各指數中的每個權層系數由臨床試驗確定,取值0-1,各指數中的所有權層系數之和為1。
其中指標意義如下:
情緒狀態指數,是指的當前受試者的精神情緒是否焦慮、消極或者正常;
抗壓能力指數,是指的受試者的抗壓能力(比如現在這個受試者壓力比較大,但是如果 他的抗壓能力比較強的話,也就是身體耐壓能力比較強,這樣身體短時間內不會被壓力拖垮, 反之身體容易出現問題);
身體疲勞指數,是指非精神上的壓力,指的是身體上的疲勞程度(比如司機長時間駕駛 產生的這種疲勞)。
壓力狀態指數,是當前所處的
精神壓力分析儀分析儀狀態,一般有三種狀態:壓力小,無壓力(正常), 壓力大;
(6)根據得到的
精神壓力分析儀分析儀相關指數,對被測者的精神狀態進行評估;
(7)根據測定的脈率和心率給出被測者是否患有房顫或頻發期前收縮提示。
需要特別說明的是,上面所有的指標的計算都是通過心電信號RR間期序列得到,本發明 并不局限于此,亦可用脈搏波的各特征點形成的間期序列進行分析,如起始點間期序列、峰 值點間期序列和切跡點間期序列。
嵌入式系統平臺上還連接有顯示屏,以對數據實時顯示。
本發明通過檢測心電信號和脈搏信號,分析被測者精神狀態,測量過程無創無損、能夠 方便地對人體精神狀態進行評估,保證了測量對人體的安全性,可以避免工頻干擾給信號采 集帶來的不利影響,通過無線通訊的數據交換方式保證了裝置的便攜性。
附圖說明
圖1是本發明人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置的結構示意圖。
圖2是本發明人體
精神壓力分析儀分析儀狀況分析裝置所測量的人體信號(包括心電信號和光電容積 脈搏波信號)示意圖。
圖3是本發明人體
精神壓力分析儀分析儀狀況分析裝置的檢測流程圖。
圖4是AR功率譜密度曲線圖。
圖5是由散點組成的分布圖。
圖中:1、右側心電采集電極,2、左側心電采集電極,3、脈搏波傳感器,4、生理信號 采集模塊,5、觸摸顯示屏,6、嵌入式系統平臺,7、無線通訊模塊,8、人體
精神壓力分析儀分析儀狀況 分析裝置,9、手持終端。
具體實施方式
如圖1所示,本發明的人體
精神壓力分析儀分析儀狀態分析裝置8,包括右心電采集電極1、左心電采 集電極2、脈搏波傳感器3、生理信號采集模塊4、觸摸顯示屏5、嵌入式系統平臺6和無線 通訊模塊7。右心電采集電極1、左心電采集電極2和脈搏波傳感器3均與生理信號采集模塊 4的輸入端連接。生理信號采集模塊4的輸出端連接嵌入式系統平臺6,生理信號采集模塊4 包括連接心電采集電極(右心電采集電極1和左心電采集電極2)的心電檢測電路和連接脈 搏波傳感器的脈搏波檢測電路,并對檢測電路產生的模擬信號進行模擬-數字轉換,并傳輸至 嵌入式系統平臺6進行處理。觸摸顯示屏5與嵌入式系統平臺6連接,嵌入式系統平臺6與 無線通訊模塊7連接。無線通訊模塊7通過無線方式與手持終端9連接,在嵌入式系統平臺 與個人手持終端(手機、平板電腦、PDA等個)之間傳輸數據,在個人手持終端上控制測量 進程和顯示測量結果,并可以通過網絡分享測量結果。
將右心電采集電極1、左心電采集電極2和脈搏波傳感器3分別貼于人體的右手和左手 的腕部內側,采集人體的I導聯心電信號。脈搏波傳感器3從人體的左手或右手的食指指端 采集光電容積脈搏波信號。生理信號采集模塊4接收右心電采集電極1、左心電采集電極2 和脈搏波傳感器3的信號并對測量得到的信號進行放大和濾波,兩種信號經模擬-數字轉換后 傳送至嵌入式系統平臺6。測量的人體心電信號和光電容積脈搏波信號如圖2所示。
嵌入式系統平臺6分析生理信號采集模塊4傳入的數據,進行
精神壓力分析儀分析儀分析,分析結果 通過無線通訊模塊7傳輸至個人手持終端9。無線通訊模塊7與個人手持終端9進行通訊, 將數據傳輸至個人手持終端9,并接收控制命令。
嵌入式系統平臺6的主要功能是分析生理信號采集模塊傳入的數據,還原心電和脈搏波 信號,進行
精神壓力分析儀分析儀分析,如圖3所示,具體過程如下所述。
(1)解析由測量終端傳輸至軟件的數據,還原心電信號和脈搏波信號,對信號進行軟件 濾波和放大,得到人體心電圖波形序列X(K)和脈搏波波形序列Y(k),并將兩種波形進行實時 顯示。
(2)分析脈搏波波形序列Y(K),利用該波形上的各特征點(如升支起點、峰值點或切跡) 計算出脈率PR。按現有常規方法計算。
(3)分析心電波形序列X(K),識別心電波形中的R波,得到心率和心電信號的RR間期, 對RR間期進行分析,得到心率變異性相關時域指標、頻域指標和非線性分析指標;其中:
、贂r域指標包括:R-R間期標準差(SDNN)、相鄰R-R間期差值均方根值(RMSSD)和相鄰正 常R-R間期超過50ms的百分比(pNN50);
R-R間期標準差(SDNN)的計算公式為:
<math> <mrow> <mi>S</mi> <mi>D</mi> <mi>N</mi> <mi>N</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>Σ</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>RR</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <mi>m</mi> <mi>e</mi> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>R</mi> <mi>R</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow> </math>
其中N為全程記錄中正常心搏的總數,RRi是第i個R-R間期,meanRR是N個心搏的R-R間期 的平均值。
相鄰R-R間期差值均方根值(RMSSD)的計算公式為:
<math> <mrow> <mi>R</mi> <mi>M</mi> <mi>S</mi> <mi>S</mi> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mo>Σ</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </msubsup> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>RR</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>RR</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <mi>N</mi> </mfrac> </msqrt> <mo>,</mo> </mrow> </math>
其中N為全程記錄中正常心搏的總數,RRi+1,RRi為相鄰兩個竇性心動周期的長度。
相鄰正常R-R間期超過50ms的百分比(pNN50)的計算公式為:
<math> <mrow> <msub> <mi>pNN</mi> <mn>50</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>NN</mi> <mn>50</mn> </msub> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mi>N</mi> </mrow> </mfrac> <mo>×</mo> <mn>100</mn> </mrow> </math>
其中NN50全程記錄中相鄰R-R間期差值大于50ms的個數,NN為R-R間期總數。
、陬l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(LF/HFration)、 其計算公式為:
對RR間期序列進行自回歸AR模型的現代譜估計,定量描述HRV信號(心率變異性信號) 的能量分布情況。通過Burg算法得到AR功率譜密度曲線f(x),如圖4所示:
低頻成分LF:功率譜密度曲線在0.04-0.15Hz頻帶內的積分值;
高頻成分HF:功率譜密度曲線在0.15-0.4Hz頻帶內的積分值;
總能量TP:功率譜密度曲線在0.04-0.40Hz頻帶內的積分值,等于低頻成分LF和高頻成分 HF的總和;
低頻/高頻比例(LF/HFration):低頻成分LF與高頻成分HF的比值。
需要特別說明的是,對RR間期序列的譜分析方法并不局限于自回歸AR模型的現代譜估 計,還可以用古典譜估計方法,如周期圖法和快速傅立葉變換法(FFT),其中AR模型的功率 譜密度曲線計算并不局限于Burg算法,亦可以用Marple算法和LevinsonDubin算法計算得 到。
、鄯蔷性指標包括:向量長度指數VLI和向量角度指數VAI,其計算公式如下:
以相鄰兩個竇性心動周期的前一個R-R間期長度RRi為橫坐標,以后一個R-R間期RRi+1為 縱坐標繪制一點,如此繼續,在一定的時間段內,繪制成由散點組成的分布圖,并因RR間期 的差異表現出一定的形態特征,如圖5所示:
向量角度指數:其中N為散點的個數,a(i)為散點圖中散點的向量角 度值;
向量長度指數:其中N為散點的個數,b(i)和b(j)為散點圖中 散點的向量長度值。
(4)分析心率變異性指標R-R間期標準差(SDNN)、相鄰R-R間期差值均方根值(RMSSD) 以及高頻成分HF評估人體自主神經系統活性ANSA,根據低頻/高頻比例(LF/HFration)評 估自主神經系統平衡性ANSE,其計算公式為:
ANSA=k1*SDNN+k2*RMSSD+k3*HF+k4,其中ki為權層系數,四個權層系數由臨床 試驗確定,取值在0-1之間,四個權層系數之和為1。
其中ki為權層系數,兩個權層系數由臨床試驗確定,取值在0-1之間, 兩個權層系數之和為1。
(5)分析受試者的
精神壓力分析儀分析儀狀態,包括以下四個指標:情緒狀態指數、抗壓能力指數、 身體疲勞指數和壓力狀態指數;其計算公式如下:
情緒狀態指數:其中ki為權層系數,四個權層系數由 臨床試驗確定,取值在0-1之間,四個權層系數之和為1。
抗壓能力指數:RPAI=k1*TP+k2*RMSSD+k3*pNN50+k4,其中ki為權層系數,四個權 層系數由臨床試驗確定,取值在0-1之間,四個權層系數之和為1。
身體疲勞指數:BFI=k1*VLI+k2*LF+k3,其中ki為權層系數,三個權層系數由臨床試 驗確定,取值在0-1之間,三個權層系數之和為1。
壓力狀態指數:PSI=k1*VAI+k2*HF+k3,其中ki為權層系數,三個權層系數由臨床試 驗確定,取值在0-1之間,三個權層系數之和為1。
壓力狀態指數,是當前所處的
精神壓力分析儀分析儀狀態,一般有三種狀態:壓力小,無壓力(正常), 壓力大;
情緒狀態指數,是指的當前受試者的精神情緒是否焦慮、消極或者正常。
抗壓能力指數,是指的受試者的抗壓能力,比如現在這個受試者壓力比較大,但是如果 他的抗壓能力比較強的話,也就是身體耐壓能力比較強,這樣身體短時間內不會被壓力拖垮, 反之身體容易出現問題;
身體疲勞指數,是指非精神上的壓力,指的是身體上的疲勞程度,比如司機長時間駕駛 產生的這種疲勞。
(6)根據得到的精神壓力分析儀分析儀相關指數,對被測者的精神狀態進行評估。由臨床對照試驗標 定情緒狀態指數、抗壓能力指數、身體疲勞指數和壓力狀態指數中各種狀態的取值范圍,同 時給出相應的建議。如由臨床對照試驗標定焦慮、消極和正常三種狀態的取值。
(7)根據測定的脈率和心率給出被測者是否患有房顫或頻發期前收縮提示。
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