本发明属于术前麻醉技术领域，具体涉及一种音乐电刺激镇痛方法，用于指导实时调整镇痛方案。
背景技术：
疼痛是一种广泛存在于我们生活中的复杂主观感受，国际疼痛研究协会将其定义为“与组织损伤或潜在组织损伤相关的不愉快的主观感觉和情感体验”。疼痛不仅会引起躯体的不适，而且可能会引发一系列情绪问题导致人们认知功能的下降，严重影响着人们的生活质量。而音乐作为人类的共同语言，在沟通交流、情感表达、情绪调节以及凝聚力增强等方面有着重要的作用。优美悦耳的音乐常常被认为可以改善神经系统、心血管系统、内分泌系统和消化系统功能，调节血流量，增强神经系统活性；提高大脑皮层的兴奋性，改善人们的情绪、激发感情、振奋精神；有助于消除心理、社会因素所造成的紧张、焦虑、忧郁、恐怖等不良心理状态，提高应激能力。
近年来，已有大量临床研究证实，音乐可以降低疼痛强度、不愉悦度，并提高其疼痛耐受性。此外，音乐也被证实可以提高病人的催产素水平，从而降低被试的痛苦水平和焦虑水平。然而，meeuse等人2010年的研究指出聆听音乐并不能有效降低病人在肠镜检查中感受到的疼痛，表明音乐的临床镇痛效果是否具有普遍性仍有待进一步验证。一方面，音乐镇痛效果可能受到疼痛强度的调节，如伴随某些特定疾病或者检查的疼痛可能过于强烈，以至于被试无法加工音乐信息，从而无法实现音乐镇痛；另一方面，由于临床实践中音乐通常只作为辅助药物治疗的镇痛手段实施，目前无法确定音乐镇痛效果是否和器质性病变、联合用药等存在交互作用。
目前的音乐电刺激方式，通常采用的方法是：直接将音乐的波动信号转换为电刺激的波形，然后作用于人体，并没有先对音乐内容进行解析和处理，导致人体根本无法从这样的电刺激信号中感受到音乐的节奏与律动。
技术实现要素：
因此，本发明为了解决现有音乐电刺激技术在镇痛领域所存在的电刺激没有节奏感和乐律感的技术问题，提供了一种音乐电刺激镇痛方法。
所采用的技术方案如下：
一种音乐电刺激镇痛方法，选取被试喜欢的音乐，按照音乐的播放时间顺序至少提取音乐的音高、音长和响度三种特征；将所提取音乐的音高、音长和响度特征转化为分别对应电刺激的刺激频率、刺激持续时间和刺激强度参数，形成具有音乐节奏感和乐律感的音乐电刺激；将音乐电刺激作用于被试的皮肤表面为其镇痛。
所述的提取音乐的音高、音长和响度特征的具体方法是：
步骤一、将音乐播放时所产生的音频信息转换为时频信息；
步骤二、将时频信息按照时间顺序，依次提取每个时间点上能量最强的频率值，并且记录相应的频率能量值；
步骤三、根据预先建立的音高与频率之间的对应关系，得到音乐中每个播放时间点的时间-音高数据；
步骤四、将音乐播放时间点中连续相同的音高数据合并为一个音，并按播放时间顺序计算出每个音的时长，得到时间-音高-音长的数据；
步骤五、根据步骤四中所得到的每个音的长度，将步骤三中各频率的能量值按照音的长度取平均值，得到每个音的响度特征。
所述步骤一中采用连续小波变换(cwt)或短时傅里叶变换(stft)方法将音乐的音频信息转换成时频信息。
所述步骤三中预先建立的音高与频率之间的对应关系是按照音高的递增或递减顺序与所设定的每个电刺激频率的上、下限值区间形成一一对应关系。
将音乐电刺激作用于被试的皮肤表面为其镇痛的同时，向被试播放与音乐电刺激相对应的音乐。
将音乐电刺激作用于被试的皮肤表面的同时，未向被试播放音乐。
将提取到的音乐特征发送至电刺激器的同时，将“音高”和“响度”参数进行调整以匹配不同电刺激器。
本发明技术方案，具有如下优点：
a.本发明选取被试喜欢的音乐，并对音乐进行分析处理，提取出代表音乐旋律的音高、音长和响度数据信息，再将提取得到的旋律信息转化为电刺激信号作用在电刺激器上，电刺激器作用在被试的皮肤表面，使得被试感受到的电刺激是同音乐的节奏、旋律、强弱相匹配的信号，提高了镇痛效果。
b.本发明在提取音乐的音高、音长和响度特征时，在保证提取音高准确的情况下，采用了连续小波变换(cwt)或短时傅里叶变换(stft)方法，其转化算法更加简便，所提取的音高与频率之间对应贴合效果更好，使作用在人体上的电刺激器所产生的刺激频率律动效果更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提供的音乐电刺激与疼痛评分比较框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的音乐电刺激镇痛方法如下：
选取被试喜欢的音乐，按照音乐的播放时间顺序至少提取音乐的音高、音长和响度三种特征；将所提取音乐的音高、音长和响度特征转化为分别对应电刺激的刺激频率、刺激持续时间和刺激强度参数，形成具有音乐节奏感和乐律感的音乐电刺激；将音乐电刺激作用于被试的皮肤表面为其镇痛。
具体的提取音乐的音高、音长和响度特征的具体方法是：
【s1】将音乐播放时所产生的音频信息转换为时频信息。
在计算机上通过matlab使用连续小波变换(cwt)函数将一段采样率为44100hz的音乐转换成时频信息的矩阵1，即m1。连续小波变换(cwt)的中心频率和带宽选择“cmol1-1.5”，使用“1:1024”的变换尺度。
具体代码为：abs(cwt(music,1:1024,'cmor1-1.5')；
其中“music”变量是要处理的音乐，“abs()”函数是取绝对值，便于后面的计算。
(1)连续小波变换(cwt)原理如下：
将任意l2(r)空间中的函数f(t)在小波基下进行展开，称这种展开为函数f(t)的连续小波变换(cwt)，其表达式为：
任意函数在某一尺度a、平移点τ上的小波变换系数，实质上表征的是在τ位置处，时间段aδt上包含在中心频率为
(2)短时傅里叶变换(stft)的原理如下：
给定一个时间宽度很短的窗函数r(t)，令窗滑动，则信号x(t’)的stft定义为:
【s2】将时频信息按照时间顺序，依次提取每个时间点上能量最强的频率值，并且记录相应的频率能量值。
即，将时频信息矩阵m1按照时间顺序，依次提取每个时间点上能量最强的频率数，并且记录相应的能量值记为矩阵2，即m2。
【s3】根据预先建立的音高与频率之间的对应关系，得到音乐中每个播放时间点的时间-音高数据。
所建立的音高与频率之间的对应关系如下表1所示，将m2按表1分类为96个音，得到按照时间顺序的音高排列，记为矩阵3，即m3。此时m3中含有3列数，每列分别代表时间点，音高和强度。
表1：所建立的音高与频率之间的对应关系
【s4】将音乐播放时间点中连续相同的音高数据合并为一个音，并按播放时间顺序计算出每个音的时长，得到时间-音高-音长的数据。
这里对连续的相同音高进行了合并处理，将m3中连续相同的音高合并为一个音，并且计算出每个音的时长，得到时间-音高-音长的数据，记为矩阵4，即m4。此时m4中有三列数，每列分别代表时间、音高和音长。
【s5】将【s3】中所得到的矩阵m3中的每个频率的能量值，按m4中每个音的音长的尺度求平均值，得每个音的响度特征，并将每个音的响度特征记为m4的第四列数。此时m4有四列数，每列分别代表时间、音高、音长和响度。
实验采用的是北京三侠科技有限公司生产的sxc-4a多通道电刺激仪。将m4的数据转化为电刺激的刺激频率(范围为10～90hz)、刺激持续时间和刺激强度(范围为1ma～3ma)作用于被试的左手手臂，并同时通过电脑播放该音乐，时长为5分钟。在播放过程中，向被试的左手手臂上施加疼痛刺激(激光刺激)共10次，并让被试对该疼痛刺激进行评分(0～10分)。
为了观察镇痛效果，实验同时还测量了如下两种情况：
(1)不播放音乐，只有电刺激；
(2)不播放音乐，也没有电刺激。
上述两种条件下，被试对疼痛刺激进行评分。试验结果如图1所示，图中疼痛评分越高则代表被试所感受的疼痛越强，图中对被试采用不播放音乐下的有电刺激评分最低，而在不播放音乐和不进行电刺激情况下的电刺激评分最高，二者效果相差明显，可以看出采用本发明具有音乐节奏感和乐律感的音乐电刺激有效降低被试的疼痛感。
通过镇痛试验说明了对音乐进行分析处理，提取出代表音乐旋律的音高、音长和响度数据信息，再将提取得到的旋律信息转化为电刺激信号作用在电刺激器上，使得被试感受到的电刺激是同音乐的节奏、旋律、强弱相匹配的信号，提高了镇痛效果。
将音高、音长和响度特征转化为电刺激的刺激频率、刺激持续时间和刺激强度的参数时，由于不同的电刺激器所支持的频段可能不一样，在具体实施时，需要根据电刺激频率的实际情况进行具体的转换。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。