一种基于HRV参数反馈的自适应调节迷走神经刺激系统的制作方法

本发明涉及一种基于hrv参数反馈的自适应调节迷走神经刺激系统，通过对迷走神经外加刺激，实现对心跳节律的调节。

背景技术：

心脏跳动会随时间变化，是有归律性的。心率变异性(heartratevariobilityhrv)代表心电波形图(ecg)中r波到r波之间时间间隔(rr间期)的逐次变化，其包含了心血管状态等信息，hrv的生理学基础源于交感迷走神经系统,因此，对于其中起决定作用的迷走神经基于hrv特定参数施加刺激可以反馈调整hrv，进而调节心脏活动。

生理状况下，心脏的节律活动受窦房结的自律性控制，而窦房结自律细胞的活动受交感神经及迷走神经的双重支配。窦房结内迷走神经的分布要多于交感神经窦房结自律细胞对迷走神经兴奋作用的反应要明显快于对交感神经的反应这就使得迷走神经能够基本控制心跳节律、交感神经仅起辅助控制作用。迷走神经功能健全时，心率变异程度高；迷走神经功能受损时，心率变异程度低，因此，可以通过对迷走神经外加刺激，实现对心跳节律的调节。

目前，市面上已出现多种迷走神经刺激设备，有些设备在使用时人为手动控制输出电流大小和脉冲宽度，大多数没有人体生理参数反馈，例如中国专利cn203280903u《一种经皮迷走神经刺激系统》，该专利包括人体电流检测电路、控制器、脉冲发生电路、输出放大电路和控制面板，通过控制面板上显示屏返回的人体电流信号来控制调节输出电流。有些系统通过音乐等媒介来控制刺激频率和输出，例如中国专利cn107596556a《一种基于音乐实时调制的经皮迷走神经刺激系统》，系统包括移动端app和神经刺激器，前者播放音乐，神经刺激器通过蓝牙接收音乐，根据音调和音量按照一定比例转换为刺激的频率和刺激强度进行输出，从而实现刺激波形与音乐同步，提高系统输出效果。有的系统通过人体血压反馈调节刺激输出，中国专利cn110584708a《一种基于耳迷走神经刺激的便携式超声血压监控系统》，包括：柔性超声传感器、超声耳机、超声脉冲装置、超声智能控制和通讯手机终端，传感器用于定位血管监测血压，将数据传回智能控制终端，终端据此作用于超声耳机刺激耳部迷走神经。有的系统通过视觉听觉信息刺激来调节心率变异性，中国专利cn110772699a《一种基于虚拟现实的自主调节心率变异性的注意力训练系统》，系统包括供电模块、心率采集模块、心率变异性处理模块和主控模块，主控模块接收并分析心率变异性数据得到注意力水平，以此提供虚拟现实场景，同时提供视听环境对受试者进行训练，通过分析心率变异性数据反应注意力水平变化来观察训练效果。

现有技术缺点：

1、现有市场没有将心电检测技术和迷走神经刺激结合在一起的设备；2、现有迷走神经刺激系统没有以人体心电信号的心率变异性参数作为反馈进行调节；3、现有迷走神经刺激系统缺少依据心率变异性参数进行的自适应调节。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种基于hrv参数反馈的自适应调节迷走神经刺激系统，通过对迷走神经外加刺激，实现对心跳节律的调节。

本发明的技术方案如下：

一种基于hrv参数反馈的自适应调节迷走神经刺激系统，由心电采集模块、迷走神经刺激模块及终端控制模块构成，其中心电采集模块和迷走神经刺激模块共用电源模块。

所述心电采集模块包括依次连接的电源管理、低功耗蓝牙、主控模块、sd卡和模数转换器；心电采集模块负责实时采集人体心电信号，通过蓝牙传输到终端控制模块。

所述迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元；迷走神经刺激模块获得终端控制模块给予的hrv参数，根据hrv参数相对于基线的变化水平触发电刺激设备，使迷走神经刺激设备输出一个短时的脉冲电刺激作用于人体迷走神经，达到神经调控作用。

所述迷走神经刺激模块包括一块母板和三块子板，母板包括电压转换单元、led信号提示灯、蓝牙传输单元和主控单元；子板上包括升压电路、主控单元和电流源；母板主控单元通过蓝牙接收来自终端控制模块的控制指令，根据控制指令选择手动调节或者自适应调节，然后将调节指令传输给子板的主控单元，子板主控单元根据调节指令选择刺激模式和刺激强度，子板通过升压电路将输入电压从±24v提升至±36v输出给电流源，最后电流源根据选择的刺激模式和强度输出刺激；刺激输出位置为人体耳屏处，刺激强度为输出电流强度，范围为0-6ma，刺激模式分为burst和tonic两种前者为间隔保持不变的连续脉冲簇，后者为连续的单脉冲。

所述终端控制模块包括心电信号处理分析功能和控制迷走神经刺激设备输出模式作用；终端控制模块进行实时信号处理，并将处理过后的心电信号波形实时显示出来，然后对心电信号进行r峰检测，得到心跳波动间隔信号，再对此信号进行时域、频域及非线性分析得到hrv参数。

所述终端控制模块为hrv反馈调节迷走刺激软件，运行于pc端；软件通过蓝牙接收来自心电采集模块传输的心电和呼吸数据，经过预处理去除噪声和基线漂移，通过r峰检测得到心跳波动间隔序列，然后经过时域、频域和非线性分析得到hrv各参数；选取rr间隔均值meanrr、连续rr间隔差的均方根rmssd及在庞加莱图中，垂直于恒等线的标准差sd1三个与副交感活动水平呈正相关的参数，按下方公式求取加权平均得到副交感指数pns，作为反应副交感活动水平的指标，meanrr参数与0.1相乘以得到和其他两参数同量级数值。

首先采集正常健康状态时的心电信号并分析得到副交感指数基线值，然后在状态不佳想使用此系统时，在施加刺激前采集心电信号并分析得到副交感指数并将之与正常基线值进行比较，根据差值正负和大小选择刺激模式和强度，将此控制指令通过蓝牙发送到迷走神经刺激模块的母板主控单元，进行一段时间的刺激输出，同步采集心电，分析刺激结束后一段时间内的副交感指数，与正常基线值作比较，然后选择刺激模式和强度，循环进行此过程，直到副交感指数回到正常基线值左右；以上为自适应调节模式，当然，或者手动选择刺激模式和强度进行手动调节刺激。

有益效果

本发明是一种将心电检测技术和迷走神经刺激结合在一起的设备；本发明以人体心电信号的心率变异性参数作为反馈进行调节；本发明依据心率变异性参数进行的自适应调节。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是心电采集模块结构框图；

图3是迷走神经刺激模块结构框图；

图4是迷走神经刺激模块模式一示意图；

图5是迷走神经刺激模块模式二示意图。

1-心电采集模块，2-迷走神经刺激模块，3-电源模块，4-终端控制模块。

具体实施方式

本专利系统包括三部分：心电采集模块、迷走神经刺激模块及终端控制模块，其中心电采集模块和迷走神经刺激模块共用电源模块。心电采集模块包括电源管理、低功耗蓝牙、主控模块、sd卡和模数转换器，迷走神经刺激模块包括信号传输单元、波形产生及电流控制单元，终端控制模块包括心电信号处理分析功能和控制迷走神经刺激设备输出模式作用。将三导联电极贴到人体胸口位置，负责实时采集人体心电信号，通过蓝牙传输到终端控制进行实时信号处理，并将处理过后的心电信号波形实时显示出来，然后对心电信号进行r峰检测，得到心跳波动间隔信号，再对此信号进行时域、频域及非线性分析得到hrv参数，根据hrv参数相对于基线的变化水平触发电刺激设备，使迷走神经刺激设备输出一个短时的脉冲电刺激作用于人体迷走神经，达到神经调控作用。

心电采集模块包括电源管理、低功耗蓝牙、主控单元、sd卡和模数转换器，采集心电时，将三导联电极贴至人体手腕或者胸口特定位置，电极将电位变化经过模数转换器传输给主控单元，电极贴在胸口处还可以根据呼吸时胸口电阻的变化来测定呼吸信号，主控单元通过蓝牙将数据发送至终端控制模块，或者直接解析数据存储至sd卡。

迷走神经刺激模块包括一块母板和三块子板，母板包括电压转换单元、led信号提示灯、蓝牙传输单元和主控单元，如下图所示。子板上包括升压电路、主控单元和电流源。母板主控单元通过蓝牙接收来自终端控制模块的控制指令，根据控制指令选择手动调节或者自适应调节，然后将调节指令传输给子板的主控单元，子板主控单元根据调节指令选择刺激模式和刺激强度，子板通过升压电路将输入电压从±24v提升至±36v输出给电流源，最后电流源根据选择的刺激模式和强度输出刺激。刺激输出位置为人体耳屏处，刺激强度为输出电流强度，范围为0-6ma，刺激模式分为burst和tonic两种前者为间隔保持不变的连续脉冲簇，后者为连续的单脉冲。

终端控制模块为hrv反馈调节迷走刺激软件，运行于pc端。软件通过蓝牙接收来自心电采集模块传输的心电和呼吸数据，经过预处理去除噪声和基线漂移，通过r峰检测得到心跳波动间隔序列，然后经过时域、频域和非线性分析得到hrv各参数，软件界面包括设置区域，波形显示区域和hrv参数统计区域。选取rr间隔均值(meanrr)、连续rr间隔差的均方根(rmssd)及在庞加莱图中，垂直于恒等线的标准差(sd1)三个与副交感活动水平呈正相关的参数，按下方公式求取加权平均得到副交感指数pns，作为反应副交感活动水平的指标，meanrr参数与0.1相乘以得到和其他两参数同量级数值。首先采集正常健康状态时的心电信号并分析得到副交感指数基线值，然后在状态不佳想使用此系统时，在施加刺激前采集心电信号并分析得到副交感指数并将之与正常基线值进行比较，根据差值正负和大小选择刺激模式和强度，将此控制指令通过蓝牙发送到迷走神经刺激模块的母板主控单元，进行一段时间的刺激输出，同步采集心电，分析刺激结束后一段时间内的副交感指数，与正常基线值作比较，然后选择刺激模式和强度，循环进行此过程，直到副交感指数回到正常基线值左右。以上为自适应调节模式，当然，也可以手动选择刺激模式和强度进行手动调节刺激。

pns＝(6*0.1*meanrr+2*rmssd+2*sd1)/10；

本专利hrv参数反馈自适应调节迷走神经刺激系统结构示意图，上方为hrv反馈调节迷走刺激软件的主界面，包括1设置区域，2波形显示区域，3hrv参数统计显示区域，4时域、频域及非线性分析作图显示区域，下方为心电采集及迷走刺激设备，包括5心电采集三导联电极线接口，6三个迷走神经刺激输出接口，7设备总开关，黑色实心圆为各部分的指示灯，设备内置可充电电池，因此工作时无需外部供电。主控软件与心电采集及迷走刺激设备之间利用蓝牙进行通信。

本发明的创新点如下：

(1)根据采集心电分析得到的hrv参数选取与副交感神经活动水平呈正相关的meanrr、rmssd、sd1三个参数，加权平均得到副交感指数。

(2)将每次采集心电分析得到的副交感指数与正常健康状态的副交感指数即基线值作差比较，根据差值大小自适应调整刺激模式与强度。

(3)迷走神经刺激模块为非侵入式刺激，安全便捷。