专利名称：反馈型腹式呼吸训练仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及医疗器械领域，更具体地，涉及带生物反馈效果的反馈型腹式呼吸训练仪。
背景技术：
呼吸是维持机体新陈代谢和其它功能活动所必需的基本生理过程之一，进行呼吸的器官是肺脏，肺脏受迷走神经和交感神经支配。肺扩张时，冲动从肺泡感受器开始，通过迷走神经向心纤维传至呼吸中枢而抑制呼气；肺缩小时，传感的冲动又能引起吸气。这一反射称牵张反射，机械的牵张肺或肺内加压所引起肺牵张反射可使血压降低。这一作用也是通过迷走神经实现的。另外，在一些心血管疾病中常表现为自主神经失调，迷走功能受损。通过呼吸锻炼可能增强迷走功能，使自主神经恢复平衡。此外，只有足够的深呼吸才能驱除由于肺的不停气体交换所积累在肺泡中的毒素。减缓和加深我们的呼吸可以使人由压抑向放松转换。可以减缓心跳，使血压趋于正常，增加消化系统的血流量，改善睡眠，提高精力、注意力和记忆力。研究表明，人体的中枢神经系统参与了呼吸过程，呼吸可以通过交感和副交感神经对心血管系统起调节作用，其主要表现为呼吸性窦性心律不齐(RSA)。交感神经过度紧张是某些病症的发病因素，如高血压或心律失常等。交感神经和副交感神经正常时相对平衡，副交感张力不足时表现为交感相对过强，会使心率加快，血压增高，肠胃蠕动减弱等。据研究报告介绍副交感神经兴奋相对增强时可以使血压下降，不易下降的舒张压出现比较大的下降幅度。它的降压作用在某些情况下可与降压药媲美，比单纯休息和睡眠效果显著。
通常大多数人习惯于胸式呼吸。它使呼吸过程缺乏效率，呼吸的时候不使用横隔膜肌肉而是借助于胸部肌肉，肺叶的下部分比其中部和上部分布着更多的血液，胸式呼吸不能把肺叶下部的残留气体排除干净，不能使肺叶的下部得到更多的血液交换。这样不但不能充分利用肺的功能，而且呼吸也达不到放松的效果，会使人感到懒散，没有活力。
腹式呼吸可最大限度地利用肺组织，充分进行气体交换，使肺组织得到健康的锻炼。进行腹式呼吸时胸腔容积扩大能使心脏得到充分舒张，有利于心肌的供血供氧。由于隔肌腹壁肌肉的运动及腹腔内压力的变化，使腹腔内脏器得到自然按摩，胃肠道蠕动力增加，加速了胃的排空功能和小肠的吸收功能。腹式呼吸还使大肠的功能增加，促使机体内的废物及肠内毒素的排除。
腹式呼吸训练的目的一方面是为了强化呼吸肌肉，改善肺功能；另一方面是可以调节人体自主神经，从而达到养生和治疗心血管疾病的目的。
由上述可知，进行腹式呼吸训练具有改善和增强肌体付交感张力功能。呼吸性窦性心率不齐(RSA)是窥视肌体付交感张力便利的窗口。呼吸性窦性心率不齐(RSA)可解释为吸气时心率加快，呼气时心率减慢。在正常情况下，心脏搏动受迷走神经的调控，心脏迷走神经原的活性主要依赖于压力感受器的传入活动，后者又依赖于平均动脉压和脉压的高度。正常情况下，此种稳定的传入活动时相性地受到吸气中枢活性的阻抑。呼吸中枢与血管运动中枢都在脑干网状结构中，解剖部位比较接近，因而一些呼吸反射可与心血管反射同时出现，进行了正确的腹式呼吸训练后血压会下降。因此心电信号、血压变化等也是腹式呼吸训练重要的参考因素。
以往有关腹式呼吸训练的方法很多，一般都是以文字教学指导的方式出现的，所见的腹式呼吸训练仪，也只是对腹式呼吸振幅、频率等和呼吸直接相关的参数进行检测，以及包含同步引导信号等，而没有对影响肌体付交感张力的呼吸性窦性心率不齐(RSA)的监视，也没有对心电图、心率、血氧饱和度、无创血压等的检测功能。可以说以往的腹式呼吸训练仪不能更多、更全面地反映腹式呼吸训练的信息和效果。
生物反馈疗法是一种有意识的放松疗法，它利用仪器提取与病人心理生理过程有关的体内某些生物学信息(如肌电、皮温、心率、呼吸、血压、脑电等)，然后以视觉或听觉的方式显示给病人(即信息反馈)，病人通过对这些信息的认知，学会有意识地控制自身的心理生理活动，使全身放松。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种腹式呼吸训练仪，在作腹式呼吸训练时，实时地检测出RSA状态，连同和呼吸反射同时出现的心血管反射，包括心电、血压变化信号等其它相关生理信号反馈给被训练者本人，能增强被训练者对腹式呼吸训练的信心，从而进一步提高腹式呼吸训练的效果。这是一种将生物反馈训练和腹式呼吸训练结合在一起的一种新的训练模式和体现此模式的装置。
本发明中反馈型腹式呼吸训练仪的技术方案是包括由接口、存储器、时序排列电路、信号采集电路、总线、电源及主板组成的微计算机，按键电路，显示器及传感器，所述传感器通过信号采集电路接入所述主板，其特征是所述传感器为心电传感器和呼吸传感器；利用从所述心电和呼吸传感器获得的心电波和呼吸波信号，由所述微计算机计算呼吸性窦性心律不齐定量表达值，在所述显示器上显示，供反馈给受训者使其能根据反馈信息不断体会、修正腹式呼吸动作要领，达到事半功倍的效果。
本发明中的使用于反馈型腹式呼吸训练仪中的反馈方法技术方案是其特征是包括如下步骤(1)、从心电、呼吸、无创血压、血氧饱和度传感器获得心电波、呼吸波、血压及血氧饱和度信号；(2)、从心电波及呼吸波中提取窦性心律不齐定量表达值；(3)、显示包括心率、血压、血氧饱和度、窦性心律不齐定量表达值在内的多参数生理信号，作为反馈参数以视觉和/或听觉方式显示给受训者，供受训者得知和/或调整腹式呼吸规律。
本发明的腹式呼吸训练仪训练效果可以分为短期效果和长期效果两种。对于高血压患者，通过每次训练当中所反映出来的血压、心率降低，RSA增强就是短期的效果。通过长期、反复训练可以逐步提高自主神经的协调作用，使大脑皮层的兴奋和抑制趋于平衡状态。因此从长远的角度来看，腹式呼吸训练可以达到非药物治疗原发性高血压等心身性疾病的效果。
本发明的腹式呼吸训练仪也提供了一个有效的工具来进行制定腹式呼吸训练的正确模式的研究。能够在了解腹式呼吸训练与人体器官、自主神经系统、新陈代谢过程、免疫系统、能力储备以及耐受极限等等的内在关系方面起到一定的作用。
图1.腹式呼吸训练仪实施例的构成方框图。
图2.腹式呼吸训练仪实施例的显示屏幕示例图。
图3.腹式呼吸示意图。
图4.腹式呼吸基本方法。
图5.腹式呼吸高级模式。
图6.说明提取RR间期数量的心电波示意图。
图7.RSA的变化示意图。
图8.腹式呼吸训练仪实施例整机工作流程图示例。
图9.腹式呼吸训练仪实施例引导模式工作流程图示例。
具体实施例方式
以下将结合附图描述本发明的实施例。
图1是本发明腹式呼吸训练仪实施例的构成方框图。图2.腹式呼吸训练仪实施例的显示屏幕示例图。
图3、图4、图5.表示腹式呼吸示意图和腹式呼吸基本方法的图。
反馈型腹式呼吸训练仪兼备生物信号反馈和呼吸训练的特点，在呼吸训练的同时及时将训练的效果反馈给受训者，使受训者能够马上知道自己呼吸模式的正确与否，增强训练的信心和效果。本实施例的采集的信号包括血压、腹部吸和呼气状态、心电、血氧等，分别由血压袖带、充气腹带、心电电极、血氧指夹组成输入传感器部分1获得；除该输入传感器部分1外，本实施例训练仪的构成还包括由血压模块2；由信号采集电路3、计算机接口4、时序排列电路5、嵌入式计算机主板6、总线、电源10及未图示的存储器组成的微计算机作为信号处理部分；由液晶显示器7组成信号输出部分；作为输入部分的连接到所述主板6的按键电路9等部分，输出部分中可以包括打印机8。还设置有未图示的由所述主板6控制的为血压袖带鼓和放气的装置及为充气腹带充/放气的装置。
以下详细叙述本实施例腹式呼吸训练仪的工作。
首先将作为产生腹部吸气及呼气状态信号的带压力/电量传感元件的充气腹带系在腹部，在主板6控制下充/放气装置会自动将其充气到一定压力，腹部呼吸导致腹部起伏，使充气腹带压力变化，转换为电信号表示呼吸率和其对时间变化曲线，在显示器上显示出来。作为呼/吸气状态的传感器的带压力/电量传感元件的充气腹带只是一个示例，它的形式并不限于此，任何其它适合的呼吸传感器也是可用的。在显示器上显示的还有心率、血压、血氧饱和度的数据和它对时间的变化趋势图曲线，以及每次呼气和吸气导致的窦性心率不齐(RSA)。有关血压模块和信号采集电路中包括的通过心电电极、血氧饱和度电极等将生理信号变成电信号并放大处理的硬件构成已是当前的已知技术，无需赘述。
由心电信号获取RSA的方法有多种一般来说，一个正常的心电(ECG)信号由一系列的波形组成，这些波形是通过兴奋的零电位来区分的。在正常情况下，这些波按照窦房结产生的兴奋周期性地重复着。简单地说，一个正常的心电波形，由P波、QRS波群、T波等组成。对于具体每个波，都对应着心脏活动与电生理的特定阶段。与心电中其他波形相比，R波具有较高的幅值。
另外由频谱分析可知，QRS波群的中心频带在17Hz左右(该频率也被称为QRS波群的特征频率)，带宽约为10Hz，而T波、P波、基线漂移等的频率都是在此频率的低端以外。以上两点是QRS波群区别于其它波形的最显著特点，各种检测QRS波群的算法大都是利用其不同于其它波形及噪声的特点来实现检测的。
心电QRS波群检测具体方法主要有下面几个方面滤波器法、模板匹配法、小波分析法、滤波器组法、神经网络法等。作为示例，本实施例采用的是幅值判别和频率判别相结合的模板匹配法，在检出的心电QRS波群中，分析出逐拍RR间期，又从逐拍RR间期和呼吸波中分析出RSA定量值。
现在具体说明关于上述取得RSA的过程。
首先，说明关于RR间期数N的提取，它这样进行对呼吸传感器检测出的呼吸波每次通过时间轴呼吸波振幅M为0时的时间差作为取样时间T，然后对在这期间的心电波形RR间期数量进行计数，其数值即为N值。由此可知，N值是随着吸气时间和呼气时间交替出现而变化的数值。见图6。这是基于每半个呼吸周期为取样时间内来计N的数量，本例中拟取此设定进行叙述。当然也可以用一个呼吸周期作为取样时间T来计数N值。
以下将讨论一个量相邻RR间期差值均方根(RMSSD)并计算它，因为RMSSD反映了RR间期的快速变化，与频域分析中的高频成分相关，其算式如以下(1)式RMSSD=Σi=1N-1(RRi-RRi+1)2N(ms)---(1)]]>式中N为每次吸气或呼气时RR间期总数(已如上述，N也可以为每次呼气加吸气的周期内的总数)，RRi和RRi+1分别代表相邻两个RR间期的前1个和后1个的时间长度，单位为ms。那么，此时的RMSSD反映的是一个呼吸波吸气或呼气RR间期变化的平均水平。当然，如上述，当取一个呼吸周期内计算N数时，它反映一个呼吸周期内RR间期变化的平均水平。
呼吸性窦性心律不齐与呼吸周期有关，吸气时心率加快，呼气时心率减慢，其快慢周期恰等于一个呼吸周期。根据上述对(1)式中N的选取方法与呼吸周期有关，则计算出相邻RR间期差值均方根(RMSSD)可作为呼吸性窦性心律不齐(RSA)的定量评价指标。由此可见，RSA是随吸气阶段和呼气阶段不断变化的数值。当腹呼吸训练有成效时，RSA波形的上下变化范围变大。见图7，此曲线是按以上(1)式计算所得值表示的随训练时间的变化。RSA数据在本例中用作腹式呼吸训练成效的判据之一。
应该指出，以上示例的RSA检测步骤为本实施例设计方案中的一种，实际上心率变异性的分析在理论上有很多方法可以选择，例如在图2右侧趋势曲线中最下面一条RSA曲线有逐渐上升的趋势，可在一定训练时间后，观察训练效果，此趋势曲线是在N为每次吸气加呼气时RR间期总数的基础上取得的。这就是说，本训练仪N值的两种选择都是可用的。本训练仪只要求检出与呼吸有关的呼吸性窦性心率不齐，因此，在设计时有必要考虑与呼吸及呼吸训练有关的参数。下面例举几种因为目前国际上对RSA的定义不限制为一个绝对的数学公式，我们可用统计学中常用的方法，如RR间期平均值RRAVE和RR间期标准差(SDNN，SD)。在选取RR间期统计时间范围时要与腹呼吸训练时间和重点关注内容相符。
RSA中RR间期的变化也可用分析几何图形的方法来表达。一般来说几何学方法更适合于中长期(如24小时)的观察，将该方法应用于反馈型腹呼吸训练仪中为一创新，原因是用该方法通过回放功能可对心率变异性的类型进行鉴定，更直观地观察训练效果，观察时间可选2小时至24小时不等，可进行定期分析训练效果，便于相互比较和自身比较。可使用①测量特定水平密度直方图的宽度方法，变为对心率变异性的测量；②使用有数学定义的形状来拟合几何图形，例如用三角形近似密度直方图，用指数曲线近似差值直方图，然后用这些数学图形的参数评价心率变异性。还有用频谱分析的方法也可以。
综上，利用RSA变化来标记腹式呼吸训练的成效时，使用的是心电波和呼吸波。在计算机中用于以上从心电波中提取R波及计取N值的程序已是常规技术，不用赘述。
鉴于血压和血氧饱和度也是腹式呼吸训练的直接成效的判据，在心电、呼吸传感信号之外还可以检测血氧饱和度和血压以及心率信号，并作显示，以反馈给受训者。
血压的输入信号，包括收缩压和舒张压，由血压袖带通过血压模块获得，输入主板。
血氧饱和度的输入信号由血氧指夹经信号采集电路及接口输入主板。
上述心率、呼吸率、RSA、血压、和血氧饱和度被显示出来，都可以是属于训练效果的反馈参数。
根据腹式呼吸训练方法的要求，本发明的实施例中可以进一步在微计算机的存储器中设定腹式呼吸引导模式，它是一种设定的呼气和吸气对时间的关系，可以有多种，它可供训练者选择后通过总线显示在显示器上。
现在示例说明训练方法、要求和引导模式腹式呼吸的基本要求是运用腹部肌肉进行呼吸，其目的是使横隔膜运动。吸气时用鼻气道进气，同时腹部鼓起，使横隔膜提升；呼气时用口腔出气，使横隔膜下降。如图3所示。
呼吸的模式以吸气—呼气为一个周期。基本方法是吸气短，一般不超过3秒；呼气长，以呼到极限为好。如图4所示。
对于初次接受呼吸训练的人来讲，按照固定模式呼吸可能不适应，所以训练应该循序渐进。本实施例引入的呼吸训练引导模式有三种，分别为初级、中级、高级三档，当然还可以设定更多种，或通过输入部分键入设定引导模式。受训者可以通过按键选择适合自己的模式。
表1.为本实施例给出的三种引导模式，其中高级模式的呼气为间歇式，第一次呼气5秒，停顿1秒；再继续呼气5秒，停顿1秒；最后呼气6秒。见图5。
表1.呼吸引导模式
图2是本实施例显示器屏幕的一个示例图。在那里除了显示选定的引导模式图(参见图2左上侧)外，还显示(见图2引导模式图右面)受训者腹呼吸指示图和误差标尺(用引导模式减去受训者呼吸信号差值百分比表示)，让受训者可以定量地观察到自己的呼吸压力和误差大小，便于随时调整呼吸状态，准确跟踪“引导模式”，力求误差为零。训练可以设定一个时间长度，例如20或30分钟，作为训练时长。此外，每隔一段时间，比如说5分钟，仪器自动测量训练者的血压，并可以将心率、呼吸、血氧饱和度和RSA等数据一起作为反馈的生物信号显示给训练者。如果训练者的呼吸模式跟随引导正确，训练10分钟后血压一般会下降10-20mmHg，RSA会增强。训练过程中的心率、呼吸率、血压、血氧饱和度、RSA的变化过程可以打印输出，供训练者或医生事后分析参考。图2下部还滚动显示心电波形。
本实施例训练仪的工作流程可以用图8表示，该图容易读懂，不用详细解释。所谓学习状态，指本仪器具有的学习功能，可将受训者的呼吸特点、规律输入仪器，记录保存并报告，可为选择适合的训练模式提供参考。
图9是本例三种引导模式工作流程及其转换的过程。
上面所说的反馈，是用视觉的方式为例的，但它也可以是听觉的，例如，用语音对训练者进行提示。
将多个本实施例仪器联网，可以由中央机统一显示多个分机的工作模式，便于开展多人多床位腹式呼吸训练。
从以上实施例可以归纳出使用于反馈型腹式呼吸训练仪中的反馈方法，其特征是包括如下步骤(1)、从心电、呼吸、无创血压、血氧饱和度传感器获得心电波、呼吸波、血压及血氧饱和度信号；(2)、从心电波及呼吸波中提取窦性心律不齐定量表达值；(3)、显示包括心率、血压、血氧饱和度、窦性心律不齐状态在内的多参数生理信号，作为反馈参数以视觉和/或听觉方式显示给受训者，供受训者得知和/或调整腹式呼吸规律。
同样，可以按实施例中的RMSSD来标记窦性心律不齐定量表达值，和设置初、中、高级等三种引导模式中至少一种供受训者学习、跟随。
作为反馈的显示，还可以包括引导模式及误差标尺，所述误差标尺以引导模式和受训者的呼吸规律之差来表示。
本训练仪具有学习功能，可将受训者的呼吸特点、规律输入仪器，记录保存并报告，可为选择适合的训练模式提供参考。
权利要求
1.反馈型腹式呼吸训练仪，包括由接口、存储器、时序排列电路、信号采集电路、总线、电源及主板组成的微计算机，按键电路，显示器及传感器，所述传感器通过信号采集电路接入所述主板，其特征是所述传感器为心电传感器和呼吸传感器；利用从所述心电和呼吸传感器获得的心电波和呼吸波信号，由所述微计算机计算呼吸性窦性心律不齐定量表达值，在所述显示器上显示，供反馈给受训者使其能得知。
2.根据权利要求1所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述传感器还有血压和/或血氧饱和度传感器；所述反馈为还有包括收缩压和舒张压的血压、血氧饱和度、心率在内的多参数。
3.据权利要求1所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述呼吸性窦性心律不齐定量表达值用均方根值RMSSD表示，算式为RMSSD=Σi=1N-1(RRi-RRi+1)2N]]>其中N为每次吸气或呼气时间内RR间期总数，或N为每次吸气加呼气时间内RR间期总数，RRi和RRi+1分别代表相邻两个RR间期的前1个和后1个的时间长度，单位为ms。
4.根据权利要求1-3中任一个所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述反馈是所述参数实时数值显示和在一定时间中存储回放的趋势图显示。
5.根据权利要求1-3中任一个所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述呼吸传感器是带压力/电量传感元件的充气腰带。
6.根据权利要求1-3任一个所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是设置有至少一种预定的呼吸对时间变化的引导模式，供受训者选择在训练中跟随；所述受训者的呼吸参数和所选定的引导模式参数之差显示在显示器上作为反馈图象之一。
7.根据权利要求6中所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述引导模式可以是如下初级、中级、高级三种模式中的至少一种
8.根据权利要求1-3中任一个所述反馈型腹式呼吸训练仪，其特征是所述显示器上显示各种反馈参数的方式是视觉的和/或听觉的。
9.使用于反馈型腹式呼吸训练仪中的反馈方法，其特征是包括如下步骤(1)、从心电、呼吸、无创血压、血氧饱和度传感器获得心率和心电波、呼吸率和呼吸波、包括收缩压和舒张压的血压及血氧饱和度信号；(2)、从心电波及呼吸波中提取、计算窦性心律不齐的定量表达值；(3)、显示包括心率、呼吸率、血压的收缩压和舒张压、血氧饱和度的测量值、窦性心律不齐的定量表达计算值在内的多参数生理信号的实时值和在一定时间范围内的趋势图，作为反馈参数以视觉和/或听觉方式显示给受训者，供受训者得知和用以调整腹式呼吸规律。
10.根据权利要求9所述使用于反馈型腹式呼吸训练仪中的反馈方法，其特征是所述窦性心律不齐定量表达值以每次吸气或呼气时间，或每次吸气加呼气时间内心电波相邻RR间期差值的均方根值RMSSD来表示，其算式为RMSSD=Σi=1N-1(RRi-RRi+1)2N]]>其中N为每次吸气或呼气时RR间期总数，或N为每次吸气加呼气时RR间期总数，RRi和RRi+1分别代表相邻两个RR间期的前1个和后1个的时间长度，单位为ms。
11.根据权利要求9或10所述使用于反馈型腹式呼吸训练仪中的反馈方法，其特征是在上述步骤(1)、(2)之间增加如下步骤(1a)，“(1a)、预设呼吸对时间变化规律的呼吸引导模式供受训者选择来学习、跟随；”在步骤(3)后增加如下步骤(4)、(5)，“(4)、显示还包括引导模式以及误差标尺，反馈给受训者供学习、调整训练腹式呼吸规律，所述误差标尺以引导模式和受训者的呼吸规律之差值来表示；(5)、本仪器具有学习功能，可将受训者的呼吸特点、规律输入仪器，记录保存并报告，可为选择适合的训练模式提供参考。”
全文摘要
提供一种反馈型腹式呼吸训练仪，是结合生物反馈训练和腹式呼吸训练的新式训练仪，其构成包括微计算机，心电、呼吸、血压、血氧饱和度等传感器和显示器。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和/或听觉方式显示给受训者，使马上知道呼吸模式是否正确，增强训练的信心和效果。由于腹式呼吸的养生健身功能，降低血压和治疗心血管疾病的效果，借本发明训练仪锻炼使用腹式呼吸方式将带来良好结果。
文档编号A61B5/0205GK1559342SQ200410039589
公开日2005年1月5日 申请日期2004年2月18日 优先权日2004年2月18日
发明者吕沙里, 杨雪琴, 俞梦孙, 张宏金, 章明福, 张力军, 王玲 申请人:中国人民解放军空军第四研究所, 北京泰达新兴医学工程技术有限公司