自主神经功能生物反馈方法和系统的制作方法

专利名称：自主神经功能生物反馈方法和系统的制作方法
技术领域：
本申请文件涉及自主神经功能生物反馈技术。
背景技术：
随着科学技术的发展，人类创造了许多行之有效的对付生理疾病的方法， 相比之下，对付心理疾病的能力则相形见绌，如焦虑症、抑郁症等已对人类 健康构成威胁。大量实践证明，对付这一类疾病，单靠药物、手术及基因等 疗法，效果欠佳。
人的心理状态不仅会从情绪上反映出来，也会反映在自主神经系统活动程
度上。自主神经系统(ANS ， Autonomic Nervous System)是指分配到心、肺、 消化管和其它脏器的神经，包括交感神经和副交感神经。大部分脏器同时接 受交感神经和副交感神经的控制。正常情况下，两者协调工作，调节内脏的 曰常运作和腺体的分泌，使体内环境，如血压、心率、体温等保持稳定。当 ANS失调时，会引发很多问题，轻者会引起一些不是很严重的症状，例如肠 胃失调、心悸、呼吸困难等，重者会引发各种急慢性病，例如心脏病、高血 压等，严重的甚至命引发猝死等。

发明内容
自主神经功能生物反馈方法的实施方式，包括根据生物电信号，获得 心率变异性生理参数值；根据所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒 信号。
自主神经功能生物反馈系统的实施方式，包括测试单元，根据生物电信 号，获得心率变异性生理参数值；反馈提醒单元，才艮据所述心率变异性生理 参数值，输出对应的提醒信号。自主神经功能生物反馈系统的另一种实施方式，包括数据获耳又单元，对
检测到的生理电信号进行处理，获得预定时间间隔内的时域心率凄t据；处理 设备，将所述时域心率数据转换为频域心率数据，基于对所述频域心率数据 的频谱分析和计算，获得心率变异性生理参数值，并根据所述心率变异性生 理参数值，输出对应的提醒信号；输出单元，输出所述提醒信号。
上述实施方式在通过测试获得心率变异性生理参数值的基础上，根据所 获得的心率变异性生理参数值所反映的自主神经功能状态信息，输出易于察 觉的提醒信号，从而使得用户对自身的自主神经功能状况能够有形象的了解， 进而可以辅助用户学会在一定范围内通过意识调控内脏器官的活动，纠正偏 离正常范围的内脏活动，而且易于实施。


图1是自主神经功能生物反馈方法实施方式的流程图； 图2是正常心电图波形示意图3是图1所示D2中根据心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号具体实施方式
的流程图4是图3所示中S21中心率变异性生理参数值与其正常值范围的示意
图5 (a)是性格外向的人心率变异性生理参数趋势图的示意图； 图5 (b)是性格内向的人心率变异性生理参数趋势图的示意图； 图6 (a)是正常人清醒安静时心率变异性生理参数趋势图的示意图； 图6 (b)是正常人情绪受到干扰时心率变异性生理参数趋势图的示意图； 图7是自主神经功能生物反馈系统实施方式的示意图；图8是图7所示测试单元N具体实施方式
的示意图9是图8所示数据获取单元M具体实施方式
的示意图IO是图9所示预处理单元Mlb具体实施方式
的示意图ll是图IO所示第一放大单元1101具体实施例的电路示意图12是图IO所示第二放大单元1102具体实施例的电路示意图13是图10所示滤波放大单元1103具体实施例的电路示意图14是图9所示检波整形单元具体实施例的电路示意图15是图8所示生理参数计算单元具体实施方式
的示意图16是图7所示反馈提醒单元具体实施方式
的示意图17是自主神经功能生物反馈系统另 一种实施方式的示意图18是图17所示具体实施例中反馈提醒信号和刺激信号的示意图。
图19是自主神经功能生物反馈系统实施方式的示意图。
具体实施例方式
参考图1，自主神经功能生物反馈方法的实施方式包括
步骤Dl，根据生物电信号获得心率变异性生理参数值；步骤D2,才艮据
所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号。
心率变异性(HRV, Heart Rate Variability)生理参数可以反映自主神经
系统功能的信息，可给医生提供病人的心理情况，从而制定更为符合病情的
治疗方案。
人体的心率并不是绝对规则的，两次心跳间期之间有几十毫秒甚至超过 一百毫秒的时间差别。正常情况下，健康人心跳间期的变化是由于交感神经 和副交感神经随呼吸等因素而发生改变所引起的。心率变异性就是指逐次心跳间期之间的时间差异。心率变异性是反映心脏对外部或内部刺激进行自我
调节能力的参数。HRV越高，表明心脏能越快地适应外部或内部的影响，交 感和副交感神经系统之间有良好的相互作用；而HRV低则表示机体的适应能 力差。通过测定正常心搏间期变化的大小和快慢可以反映出窦房结自律性受 自主神经系统调节的作用。
总的HRV信号由许多单一频率组成，通过对这些频率的频谱进行分析， 研究人员发现参数总频率功率(TP， Total frequency Power )、高频功率(HF, High Frequency Power)、低步贞功率(LF， Low Frequency Power)、极低和超 低频功率(VLF， Very Low Frequency Power)以及低频功率和高频功率的比 值(LF/HF)为反映自主神经功能的参数。其中，HF部分与动物的呼吸信号 同步，HF或者TP可反映副交感神经的功能；LF、 VLF以及LF/HF可以反映 交感神经的活性。
步骤Dl根据生物电信号获得心率变异性生理参数值，在具体的实施方式 中可以包括
步骤Sll，根据生物电信号，获得心率数据；具体地来说，包括对所检测 到的生物电信号的放大、滤波、QRS波群检测及整形、模数转换以及心率数 据的计算。
生理信号一般可分为两类， 一类是电信号以及电活动衍生的信号，例如 心电信号和心磁信号等，可称之为生理电信号；另一类是非电信号，包括体 温、血压、呼吸、心音、肌肉的收缩、二氧化碳分压、氧分压、PH值等。
心脏好比是人体内的电源，在每个心动周期中，起搏点、心房、心室相 继兴奋。心脏周围具有导电性的组织和体液将无数心肌细胞电位变化的总和 传导并反映到体表。人体体表分布的各点中，有些点之间的电位相等，有些 点之间存在着电位差。在一个实施例中，对生理电信号的检测的过程可以包 括通过电极等传感器测量体表上非等电的点之间的电位差将心电信号记录下来。在其它的实施例中，也可以通过非接触式的SQUIT系统将心磁信号等 转化成电信号记录下来，获得可供后续分析处理的所述生理电信号。
所迷放大，是指将检测到的生物电信号进行放大，使其与躯干信号等其 它干扰信号区分开，提供幅度足够大的可供分析记录的信号数据，并且限制 电流流入人体。
所述滤波，是指将放大的生物电信号进行过滤，保留一定频率范围的信 号，其中包括高频滤波和低频滤波。
所述QRS波群检测及整形，是指检测QRS波群，并对得到的QRS波形 进行整形，得到R波信号。
心电图中的波形是由统一的英文字母命名的，参考图2，正常的心电图包 括P波、PR段、QRS波群、ST段和T波等。其中，P波是指首先出现的位 于参考水平线以上的正向波，其起因是心房收缩之前的心房除极时的电位变
化；PR段是指P波开始至QRS波群开始的持续时间，也就是心房除极开始 至心室除极开始的间隔时间；QRS波群起因于心室收缩之前的心室除极时的 电位变化；T波为心室复极时的电位变化；ST段为从QRS波群终末到T波开 始之间的线段，此时心室全部处于除极状态，无电位差存在，所以正常时与 基线平齐，称为等电位线。在QRS波群中，Q波是指第一个负向波，R波是 指第一个正向波，S波是指R波之后的第一个负向波，QS波是指QRS波只 有负向波。
所述模数转换，是指将得到的R波信号以及所述放大过滤后的生理电信 号，经过^f莫数转换，转换为数字信号。
在计算心率数据的过程中，所述心率数据是指相邻两个R波波峰对应时 间之间的间距，即RR间期，对心率数据的计算包括根据R波信号模数转 换时的采样频率，通过计算获得R波顶点之间的间期。具体可以是将数据点 之间的时间间隔乘以相邻R波顶点之间的数据点数，得到RR间期。在获得心率数据的基础上，就可以进行后续的处理和分析，以获得心率 变异性生理参数值。
需要说明的是，为使得后续的分析处理过程能取得较好的结果，对心率 数据存在一定的要求。在实施例中，应获得一定时间间隔内的心率数据。通
常，时间间隔可以为15-40分钟。低于15分钟，所采集的心率数据的数量不 足；长于40分钟，容易使用户焦急，情绪受到影响，从而影响测试结果。
步骤S12,对所获得的心率数据进行保存；具体地来说，可选择手动保存 或者自动保存。
在自动保存的方式下， 一旦时间间隔达到第一周期的整数倍时，自动对 心率数据以及心率数据数量进行保存，进入步骤S13。其中，第一周期可为
15至40分钟。
在手动保存方式下，当时间间隔达到或超过第一设定值时，对所获得的 心率数据以及心率数据数量进行保存；若未达到第一设定值，则对心率数据
以及心率数据数量不予记录；其中，第一设定值小于第一周期，正常情况下， 普通人从情绪波动到完全稳定的时间不大于3分钟，第一设定值应略大于从 情绪波动到完全稳定的时间周期，以保证记录下至少一次的情绪波动。在具 体的实施例中，第一设定值可为3至8分钟。 步骤S13，对所保存的心率数据进行分组。
具体地来说，是指对步骤S12所保存的心率数据进行分组，使每组心率 数据的数量为第二设定值；若最后一组心率数据的数量不足第二设定值，可 用值为零的数据补充。其中，第二设定值由第一设定值确定，根据第一设定 值的取值确定对应的第二设定值数值；具体地来说，当第一设定值为3分钟 时，第二设定值为256;第一设定值为4至8分钟时，第二设定值可为256至 540之间的任意整数。
分组的步长可为介于零与第二设定值的任意整数值。举个例子，对于步骤S13所保存的3分钟的心率数据，以128为步长进行分组，使每组心率数 据数量为256,也就是说，第1个到第256个心率数据为第一组，第129个到 第384个心率数据为第二组，以此类推，当最后一组心率数据数量不足第二 设定值时，用值为零的数据补充。此处以一定的步长进行分组是为了对后续 生理参数趋势图中各生理参数趋势曲线起到滤波平滑的作用。在分组时，若 步长越接近于第二设定值，则运算量比较小，但平滑作用较弱；当步长减小 时，平滑作用越好，但运算量相对也越大。
步骤S14,计算所得到的每一组心率数据的平均值。
具体地来说，包括计算每一组心率数据之和；将所得到的心率数据之 和除以该组心率数据的数量，即除以第二设定值。
步骤S15,分别计算每一组中每个心率数据的值与该组心率数据平均值的 差值。
步骤S16,根据所得到的差值，获得频域心率数据。 在一种具体的实施方式中，频域心率数据可以通过以下步骤获得采用
窗函数对所得到的差值进行数据截断，获得待分析的时域数据；根据待分析 的时域数据，得到对应的频域数据。
其中，进行数据截断的原因在于由于不可能对无限长的信号进行测量 和运算，因此从信号中截取一个时间片段，然后用观察的信号时间片段进行 周期延拓处理，得到虚拟的无限长的信号，在此基础上再对信号进行相关分 析处理。
所述窗函数可包含海明窗、汉宁窗、布莱德曼窗、高斯窗等。 在具体的实施例中，使用海明窗对差值进行处理。海明窗的第一旁瓣衰
减为-42dB.其频谱由3个矩形时窗的频谱合成，其加权系数能使旁瓣达到更
小。所用海明窗的时间函凄t表达式为<formula>formula see original document page 14</formula>
其中T为海明窗时间周期，其长度需覆盖每组中的所有心率数据，在具 体实施例中可为所述第二设定值；
在此基础上，待分析的时域数据到频域数据的转换可以通过快速傅立叶 变换(FFT)的方式来实现。
在另一种具体的实施方式中，频域心率数据的获得可以包括步骤通过 自回归(AR)算法将所得到的差值转换为对应的频域心率数据。所采用的AR 算法为常规方法，在此不再赘述。
步骤S17,根据所得到的频域心率数据，计算心率变异性生理参数值。
所述生理参数包括LFnorm (低频功率标化值)、HFnorm (高频功率标化 值)、LF/HF (低频功率/高频功率)等。低频功率LF主要受心交感神经所支 配，可以作为心交感传出活动水平的参数；而高频谱代表起源自迷走神经(副 交感神经)的心率波动参数，所以，高频功率HF的大小可被作为定量观测心 迷走传出活动的参数。LF/HF比值可用作于衡量交感神经-副交感神经均衡性。
心率变异性生理参数值的计算，具体地来说，包括计算频率间隔；根 据计算得到的频率间隔，计算频率功率；根据计算得到的频率功率，计算频 率功率标化值以及频率比值。
所述频率间隔为每组心率数据中，每个心率数据对应的频域数据之间的 频率间隔。可通过每组心率数据对应的频域数据均值与该组心率数据数量的 乘积的倒数，即每组心率数据对应的频域数据均值与第二设定值的乘积的倒 数，获得所述频率间隔。
根据频率间隔，可以计算得到分别对应于心率变异性各频谱段的频率范围内所包含的心率数据的数目，将这些心率数据对应的所有频域凄丈据的功率
相加就得到对应的频率功率值。具体地来说，根据HRV频谱段的定义，极低 频功率VLF为小于0.04Hz的频率的功率，低频功率LF为在0.04Hz至0.15Hz 范围内频率的功率，高频功率HF为在0.15Hz至0.4Hz范围内频率的功率。 因此，所述根据频率间隔，计算频率功率，包括，计算总频率功率TP、计算 LF、计算HF以及计算VLF;其中，计算TP是指计算一定频率范围内，具体 地来说，可以是指0.4Hz范围内，心率数据对应的所有频域数据的功率总和， 即将与心率数据对应的每个频域数据的功率相加，获得总频率功率TP;计算
LF可以是指计算在0.04Hz至0.15Hz范围内心率数据对应的所有频域数据的 功率之和；计算HF可以是指计算在0.15Hz至0.4Hz范围内心率婆:据对应的 所有频域数据的功率之和；计算VLF可以是指计算在0.04Hz范围内心率数据 对应的频域数据的功率之和。
获得频率功率的值之后，计算频率功率标化值的过程，具体可以包括 根据计算频率功率所得到的LF、 HF以及TP计算LFnorm、 HFnorm和LF/HF。 计算LF/HF是指计算LF和HF的比值。在一个实施例中，计算LFnorm、HFnorm 的过程包括将对应的LF、 HF的值除以总功率与VLF的差值，再将结果乘 以100，得到低频/高频功率标化值。
接下来进入步骤D2。
参考图3，步骤D2根据所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信 号。在具体的实施方式中，可以包括
步骤S21,将心率变异性生理参数值，与其正常值范围进行比较，得到各 参数随时间变化的趋势。
在具体的实施例中，可将在50-58nU范围内的LFnorm的值、在26-32nU 范围内的HFnorm的值以及在1.5 2.范围内的LF/HF的值定为正常范围。参考 图4，参数趋势图中的B区即为设定的正常范围；当LFnorm或者LF/HF高于正常值，或者HFnorm低于正常值时，认为交感神经占主导，图4参数趋势 图中的A区即为所述的交感神经主导区；当LFnorm或LF/HF低于正常值、 或者HFnorm高于正常值时，认为副交感神经占主导，图4参数趋势图中的C 区即为所述的副交感神经主导区。 一般地，正常人睡眠时其LF、 LF/HF低于 正常值，趋势图曲线都在C区，如图4所示，这与生理学上处于睡眠状态时 副交感神经起主导作用相吻合，并且曲线十分稳定。
用户的个性特征也会影响到LF、 HF、 LF/HF参数趋势分布位置。参考图 5，图(a)为性格较为外向的人所得到的心率变异性生理参数趋势图，其曲 线大部分在A区；参考图5 ，图(b)为性格较为内向的人所得到的心率变 异性生理参数趋势图，其曲线大部分在C区；但是一般情况下，正常人的各
或者在B区附近浮动。
经大量实验发现，当正常人在清醒安静的状态下时，其LF、 HF、 LF/HF 趋势曲线如图6 (a)所示，比较平稳；但当情绪受到干扰时，如图6 (b)所 示，趋势曲线表现出4交大波动。
步骤S22,根据比较结果以及各参数随时间变化的趋势，得到所述自主神 经功能状态。
步骤S23，根据所述自主神经功能状态，输出对应的提醒信号。 举个例子来说，当处于静息状态时，如果用户的LF、 LF/HF明显高于正 常值范围，则说明交感神经系统活动功能亢进，所述用户可能是焦虑症患者； 又例如，当出现LF升高，或LF升高、HF降低，或LF/HF增大三种情况中 的任一种或几种时，可认为用户存在焦虑障碍；当HF升高或LF/HF降低时， 可认为用户存在抑郁障碍。
对应不同的自主神经功能状态，可将提醒信号设为具有与其相同数目的 若干等级，对应输出。其中，提醒信号可以以图像或者声音或者图像与声音的组合的形式输出，对应不同等级的提醒信号设置不同图片、或者声音、或 者图片与声音的组合。例如，对应于焦虑、正常、抑郁三种状态，提醒信号
分为A、 B、 C三个等级，以皱眉、微笑和哭的三种卡通脸形图片作为提醒信 号的输出形式。当提醒信号为A等级时，显示皱眉的卡通脸形图片；当提醒 信号为B等级时，显示咧嘴笑的卡通脸形图片；当提醒信号为C等级时，显 示哭的卡通脸形图片。
上述自主神经功能生物反馈方法的另一个实施方式，还可以包括步骤 产生并持续输出具有设定频率范围的刺激信号。
具体地来说，该刺激信号用于辅助稳定用户的情绪，使其感觉平静。所 述设定频率范围可采用业界普遍认为能使人体觉得舒适和安定的频率范围， 即不大于2Hz。在一个实施例中，可将刺激信号频率设定为0.25Hz、或0.5 Hz、 或0.75Hz、或lHz、或2Hz。经过大量实验表明，在其它实验条件都相同的 情况下，用户长时间注视设定频率的单摆，会使其情绪稳定。而且，釆用何 种图形作为该刺激信号的表现形式并不会对效果有所限制，例如，也可以采 用移动的直棒，移动的圆球，节拍器等。
参考图7，自主神经功能生物反^t系统的实施方式，包括 测试单元Nl,根据生物电信号，获得心率变异性生理参数值；反馈提醒 单元N2，根据所述心率变异性生理参数值，输出不同等级的提醒信号。 参考图8，所述测试单元N1，在一种具体的实施方式中，包括 数据获取单元Ml,根据生物电信号，获得心率数据；数据记录单元M2， 对所得到的心率数据及心率数据数量进行保存；数据分组单元M3，对所保存 的采集信号进行分组；均值单元M4，计算所得到的每一组心率数据的平均值； 差值计算单元M5，计算每一组中每个心率数据的值与所得到的该组心率数据 平均值的差值；频域数据计算单元M6，根据所得到的差值，获得频域心率数 据；生理参数计算单元M7，根据所得到的频域心率数据，计算心率变异性生理参数值。
在一种具体实施方式
中，参考图9，数据获取单元M1可以包括预处理单
元Mlb、检波整形单元Mlc、模数转换单元Mld以及心率数据计算羊元Mle。 生物电信号检测单元Mla所检测到的生物电信号，经过预处理单元Mlb、检 波整形单元Mlc、模数转换单元Mld以及心率数据计算单元Mle的处理，得 到心率lt据。
其中，生理电信号检测单元Mla检测人体的生理电信号，在一种具体的 实施例中，包括与人体相连的电极，检测心电信号；在另一种具体的实施例 中，包括可以将人体的心石兹信号转化为电信号SQUIT系统。
预处理单元Mlb将所获得的生物电信号进行放大和过滤，在一实施例中， 所述预处理单元Mlb满足如下技术参数放大倍数不小于1000;频响为 0.05 腦Hz;输入阻抗不小于3MQ;共模抑制比不小于100dB;本机噪声不 大于3iaVpp。
参考图10,预处理单元Mlb包含第一放大单元1101、第二放大单元1102 和滤波;改大单元1103。其中，输入至预处理单元Mlb的生物电信号由第一力欠 大单元1101和第二放大单元1102进行放大，再经滤波放大单元1103进行过滤。
在具体实施例中，参考图11,第一放大单元1101可以包括五个运算放大 器1201、 1202、 1203、 1204、 1205，起到区分生理电信号与躯干信号等其它 干扰信号，提供高输入阻抗，限制电流流入人体的作用，其中，信号A和A' 为所接收的生理电信号，信号B和B，为输出的一级放大信号，信号B!为抑制 信号，反馈输入给用户，限制电流流入人体。
参考图12，第二放大电路1102将生物电信号进一步放大，以便于后续记 录分析，可以包括放大器1301,其相当于三个运算放大器的等效电路，可以 适应比较广的频域范围，其中，信号B和B，为所接收的一级力文大信号，信号C为输出的二级^C大信号。
参考图13,滤波放大单元1103对放大的生物电信号进行过滤，包括0.05Hz 以下的低频滤波，以及100Hz以上的高频滤波。可包括由运算放大器1401构 成的滤波放大电^各，其中信号C为接收的二级放大信号，信号D为输出的过 滤信号。
一个正常的心电波形包括P波、QSR波群以及T波，这些波4安照窦房结 产生的兴奋脉冲周期性重复，其中，R波相较于其他波形，具有4交高的幅值， 同时T波、P波、基线漂移等频带都在QRS波群频带的底端以外。因此可以 通过^r测并分离出QRS波群，在上述实施例中，通过所述检波整形单元Mlc 检测QRS波群，并对得到的QRS波形进行整形，可以获得较为明显的R波。
参考图14，检波整形单元Mlc包括检波单元1501以及滤波单元1502; 检波单元1501接收经预处理单元Mlb输出的生物电信号，获得R波信号； 滤波单元1502对所述获得的R波信号进行去噪，并突出R波。其中，所述才企 波单元1501包括微分电路111和全波检波电路112:所述全波检波电路212 包括运算放大器、二极管D5和D6以及反馈电阻R19、 R20、 R21、 R22、 R23、 R24和R25构成；所述滤波单元1502可以包括二阶低通滤波器。经预处理单 元Mlb输出的生物电信号，即信号D，经微分电路111和全波检波电路112 整流之后，得到波形为单向多峰脉冲波形的信号，再经滤波单元1502低通滤 波，对波形进行平滑处理，凸现R波波峰位置的形态波形，即R波信号。
模数转换单元Mld接收所述R波信号以及所述放大过滤后的生理电信 号，进行-漠数转换，获得对应的数字信号。具体地，可通过模数转换电路实 现。
心率数据计算单元Mle基于所述数字信号进行计算，获得RR间期，即 心率数据。在一个实施例中，其具体工作过程可包括接收所述模数转换单 元Mld提供的数字信号，获得R波波峰位置对应的数字信号，根据该数字信号以及根据模数转换时的采样频率，获得相邻RR间数据点数，将所述数据点
数与时间间隔相乘，得到RR间期。
数据记录单元M2,在一种实施例中，包括保存方式选择单元和存储单元。
其中，保存方式包括自动保存或者手动保存，存储单元可以存储时间间隔、 心率数据和心率数据数量。
在一种实施例中，具体地来说，在自动保存的方式下，当时间间隔达到 第一周期的整数倍时，自动将心率数据和心率数据数量保存至存储单元。在 具体的实施例中，第一周期可为15至40分钟。在手动保存方式下，当时间 间隔达到第一设定值时，分别将心率数据和心率数据数量保存至存储单元； 若未达到第一设定值，则该时间间隔内的心率数据以及心率数据数量都不作 记录；其中，第一设定值小于第一周期。正常情况下，普通人从情绪波动到 完全稳定的时间不大于3分钟，第一设定值应略大于从情绪波动到完全稳定 的时间周期，以保证记录下至少一次的情绪波动。在具体的实施例中，第一 设定值可为3至8分钟。
数据分组单元M3，其工作过程具体可以包括对所保存的心率数据进行 分组，使每组心率数据的数量为第二设定值；若最后一组心率数据的数量不 足第二设定值，可用值为零的数据补充。其中，第二设定值由第一设定值确 定，根据第一设定值的取值确定对应的第二设定值数值；具体地来说，当第 一设定值为3分钟时，第二设定值为256;第一设定值为4至8分钟时，第二 设定值可为256至540之间的任意整数。
均值单元M4，计算所得到的每一组心率数据的平均值。其工作过程具体 可以包括计算每一组心率数据之和；将所得到的心率数据之和除以该组对 应的心率数据的数量，即除以第二设定值；
差值计算单元M5,计算每一组中每个心率数据的值与所得到的该组心率 数据平均值的差值。频域数据计算单元M6，根据所述差值，获得频域心率数据。其工作过程
具体可以包括产生窗函数，对所述差值进行数据截断，得到时域数据；实 现FFT,将所述时域数据转换成对应的频域数据。
参考图15，在一种实施方式中，生理参数计算单元M7包括频率间隔计 算单元M7a、频率功率计算单元M7b以及标化值计算单元M7c。
其中，频率间隔计算单元M7a计算所述频域心率数据的均值与该组心率 数据数量的乘积的倒数，得到频率间隔。
频率功率计算单元M7b接收所述频率间隔，计算分别对应于心率变异性 各频镨段的频率范围内所包含的心率数据的数目，将这些心率数据对应的所 有频域数据的功率相加，从而得到对应的频率功率值。其工作过程具体可以 包括计算0.4Hz范围内心率数据对应的频域数据的功率之和，得到总频率 功率；计算0.04Hz至0.15Hz范围内每个心率数据对应的频域数据的功率之和， 得到低频功率；计算0.15Hz至0.4Hz范围内每个心率数据对应的频域数据的 功率之和，得到高频功率；计算0.04Hz范围以内每个心率数据对应的频域数 据的功率之和，得到极低频功率。
标化值计算单元M7c根据所述总频率功率、高频功率、低频功率以及极 低频功率，计算高频功率标化值HFnorm、低频功率标化值LFnorm和高低频 功率比值LF/HF。
参考图16，所述反馈提醒单元N2在具体的实施方式中，包含 状态分类单元M8，按照各个心率变异性生理参数值与正常值的大小关系
工作过程具体可以包括判断心率变异性生理参数值的值是否处于所设定的 正常值范围；判断该心率变异性生理参数值随时间变化的趋势；根据判断结 果，得到自主神经功能状态类别。
反馈输出单元M9，根据所述自主神经功能状态类别，将其映射为相应的提醒信号，并将提醒信号按照图像、或声音、或图像和声音的组合的形式反馈输出，提醒用户其自主神经功能状况；在一个实施例中，可以包含显示器、或喇叭、或显示器和喇叭的组合。
参考图17，在自主神经功能生物反馈系统的另一种实施方式中，还包括
刺激信号发生单元，产生并持续输出具有设定频率范围的剌激信号。
在一个实施例中，刺激信号发生单元可以包含信号发生设备。信号发生设备产生设定频率的信号，使单摆，或移动的直棒以该设定频率进行摆动，其中，所述设定频率可采用医学上公认可使人体感受到平静的频率范围，即
不大于2Hz，具体的来说，可将刺激信号频率设定为0.25Hz、或0.5 Hz、或0.75 Hz、或lHz、或2Hz。
在另一个实施例中，刺激信号发生单元还可以包含图像显示设备，将单摆或移动的直棒等，以图像形式，而不是实物形式表现出来，仍然使该图像形式的单摆或直棒按照设定频率进行摆动。所述刺激信号的表现形式不受为实物或者虛拟图像的限制，同样，也不限制于图像形式，可以令按设定频率运动的物体为节拍器，或者为移动圓球的形状。
参考图18,在具体的实施例中，提醒信号以笑脸的形式显示出来，刺激信号以单摆的图像形式显示出来。单摆处于频率固定的运动状态，提醒信号
提示用户其当前自主神经功能的状况，实施过程中使用户 一直保持注视着画面。当用户受到干扰时，提醒信号的笑脸转变为哭脸，提示用户受到了干扰。用户看到提示之后，保持注视单摆，并且在医生的指导下进行自我调整，从而使精神状态得到改善。
参照图19,自主神经功能生物反^t系统的实施方式包括
数据获取单元E1，对检测到的生理电信号进行处理，获得预定时间间隔内的时域心率凄t据。
在一个实施例中，所述预定时间间隔可以是15至40分钟。处理设备E2，将所述时域心率数据转换为频域心率数据，基于对所述频
域心率数据的频谱分析和计算，获得心率变异性生理参数值，并根据所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号。
在具体实现时，处理设备E2可以是具有数据处理能力的各类电子设备，例如计算机、服务器、单片机或者微控制器等。可包括存储器，对时域心率数据、频域心率数据以及各中间数据进行保存。
在一个实施例中，处理设备E2还包括刺激信号发生单元，产生并持续输出设定频率范围的刺激信号。所述刺激信号发生单元的具体实现可参照前述实施例的具体描述，此不赘述。
输出单元E3，输出所述提醒信号。
在具体实现时，输出单元E3可以选择以图像、或者声音、或者图像和声音的组合的任一种方式将提醒信号输出。在一个实施例中，输出单元E3可包括显示器或者喇叭。
数据获取单元E1的具体实现可以参考前述实施例的描述，此不赘述。
上述实施方式也可以通过下述方式实现将所述步骤，包括对心率数据进行保存、对所保存的心率数据进行分组、计算每一组心率数据的平均值、分别计算每一组中每个心率数据的值与该组心率数据平均值的差值、根据所
述差值获得频域心率数据、对所述频域心率数据进行频谱分析和计算获得心率变异性生理参数值、基于心率变异性生理参数值所反映的自主神经功能状态输出对应的提醒信号，以可执行程序代码进行描述，将存储有上述可执行程序代码的存储介质直接或者间接地提供给系统或设备，并且该系统或设备中的计算机或者中央处理单元(CPU)读出并执行上述程序代码。
此时，只要该系统或者设备具有执行程序的功能，则实施方式不局限于程序，并且该程序也可以是任意的形式，例如，目标程序、解释器执行的程序或者提供给操作系统的脚本程序等。
上述这些机器可读存储介质包括但不限于各种存储器和存储单元，半导体设备，磁盘单元例如光、磁和磁光盘，以及其它适于存储信息的介质等。另外，客户计算机通过连接到因特网上的相应网站，并且将计算机程序代码下载和安装到计算机中然后执行该程序，也可以实现上述过程。
上述实施方式，在获得心率变异性生理参数的基础上，将所述心率变异性生理参数所反映的自主神经功能状态以易于察觉的提醒信号反馈输出，使得用户对自身的自主神经功能状况有形象的了解，从而辅助用户在有指导的情况下根据所反馈的提醒信息自我调整，而且易于实施。
权利要求
1.一种自主神经功能生物反馈方法，包括根据生物电信号，获得心率变异性生理参数值；根据所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号。
2. 如权利要求1所述的生物反馈方法，其中，所述根据心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号包括将所述心率变异性生理参数值，与其正常值范围进行比较，得到各参数随时间变化的趋势；根据所述比较结果以及所述各参数趋势，得到自主神经功能状态；根据所述自主神经功能状态，输出对应的提醒信号。 '
3. 如权利要求2所述的生物反馈方法，其中，所述提醒信号具有与所述自主神经功能的状态相同数目的等级数。
4. 如权利要求1所述的生物反馈方法，其中，还包括持续输出具有设定频率范围的刺激信号。
5. 如权利要求1所述的生物反馈方法，其中，4艮据生物电信号，获得心率变异性生理参数值，包括根据生物电信号，获得心率数据；对所述心率数据进行处理，获得频域心率数据； 根据所述频域心率数据，获得心率变异性生理参数值。
6. 如权利要求5所述的生物反馈方法，其中，所述根据生物电信号，获得心率数据，包括.对生物电信号进行放大、滤波；检测生物电信号中的QRS波群,对所获得的QRS波群进行波形整形以获得R波信号；将经放大、滤波的生物电信号，以及经QRS波群检测及整形的R波信号， 转换成数字信号。 '
7. 如权利要求'5所述的生物反馈方法，其中，所述对心率数据进行处理，获 得频域心率数据包括对所述心率数据进行分组；计算每一组心率数据的平均值；分别计算每一组中每个心率数据的值与所述该组心率数据平均值的差值；根据所述差值获得频域心率数据。
8. 如权利要求7所述的生物反馈方法，其中，对所述心率数据进行分组，包 括使每组心率数据的数量为第二设定值；若心率数据的数量不足第二设定 值时，用值为零的数据进行补充。
9. 如权利要求5所述的生物反馈方法，其中，所述根据频域心率数据，获得 心率变异性生理参数值，包括计算频域心率数据之间的频率间隔；根据所述频率间隔，分别计算心率变异性各生理参数值所在频语段的频率 功率；根据所述频率功率，计算频率功率标化值以及频率功率比值。
10. 如权利要求9所述的生物反馈方法，其中，所述心率变异性各生理参数值 所在频镨段的频率功率，包括总频率功率、高频功率、低频功率以及极低 频功率的值。
11. 一种自主神经功能生物反^lt系统，包括测试单元，根据生物电信号，获得心率变异性生理参数值； 反馈提醒单元，根据所述心率变异性生理参数值，输出对应的提醒信号。
12. 如权利要求11所述的生物反馈系统，其中，所述反馈提醒单元，包括状态分类单元，根据所述心率变异性生理参数值，将所表示的自主神经 功能状态分类；反馈输出单元，根据所述状态类别，将其映射为相应的的提醒信号，反 馈输出提醒信号。
13. 如权利要求12所述的生物反馈系统，其中，所述状态分类单元判断心率 变异性生理参数值的值是否处于所设定的正常值范围；判断该心率变异性生 理参数值随时间变化的趋势；根据判断结果，得到自主神经功能状态类别。
14. 如权利要求11所述的生物反馈系统，其中，还包括刺激信号发生单元， 产生并持续输出具有设定频率范围的刺激信号。
15. 如权利要求11所述的生物反馈系统，其中，所述测试单元，包括数据获取单元，根据生物电信号，获得心率数据； 处理单元，对所述心率lt据进行处理，获得频域心率lt据； 生理参数计算单元，根据所述频域心率数据，计算心率变异性生理参数值。
16. 如权利要求15所述的生物反馈系统，其中，所述数据获取单元，包括预处理单元，；改大和过滤所述生物电信号；检波整形单元，检测所述生物电信号中的QRS波群，对QRS波群进行 整形以获得R波信号；模数转换单元，将所述R波信号以及经放大、过滤的生物电信号，进行 模数转换，获得数字信号；心率数据计算单元，基于所述数字信号进行计算，获得心率数据。
17. 如权利要求16所述的反馈系统，其中，所述预处理单元包括至少一放大 单元和滤波单元。
18. 如权利要求16所述的反馈系统，其中，所述^r波整形单元包括冲企波单元 和滤波单元。
19. 如权利要求18所述的反馈系统，其中，所述检波单元包括微分电路和全 波检波电路。
20. 如权利要求15所述的反馈系统，其中，所述处理单元，包括数据分组单元，对所述心率数据进行分组；均值单元，计算所得到的每一组心率数据的平均值；差值计算单元，计算每一组中每个心率数据的值与所得到的该组心率数 据平均值的差值；频域数据计算单元，根据所得到的差值，获得频域心率数据。
21. 如权利要求15所述的反馈系统，其中，所述生理参数计算单元，包括频率间隔计算单元，计算频域心率数据之间的频率间隔；频率功率计算单元，根据所述频率间隔，分别计算心率变异性各生理参 数值所在频谱段的频率功率；标化值计算单元，根据所述频率功率，计算频率功率标化值以及频率功 率比值。
22. —种自主神经功能生物反馈系统，包括数据获取单元，对检测到的生物电信号进行处理，获得预定时间间隔内的时域心率数据；处理设备，将所述时域心率数据转换为频域心率数据，基于对所述频域 心率数据的频谱分析和计算，获得心率变异性生理参数值，并根据所述心率 变异性生理参数值，输出对应的提醒信号；输出单元，输出所述提醒信号。
23.如权利要求22所述的生物反馈系统，其中，所述处理设备还包括刺激信 号发生单元，产生并持续输出设定频率范围的刺激信号。
全文摘要
自主神经功能生物反馈方法和系统在通过测试获得心率变异性生理参数值的基础上，将所获得的心率变异性生理参数所反映的自主神经功能状态，以易于察觉的提醒信号反馈输出，从而使得用户对自身的自主神经功能状况有形象的了解，进而可以辅助用户学会在一定范围内通过意识调控内脏器官的活动，纠正偏离正常范围的内脏活动，而且易于实施。
文档编号A61B5/024GK101642369SQ200810041378
公开日2010年2月10日 申请日期2008年8月4日 优先权日2008年8月4日
发明者宁新宝 申请人:南京大学