專利名稱：人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，更進(jìn)一步涉及一種在醫(yī)學(xué)信號(hào)的采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域中，對(duì)人體精神壓力的腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法和裝置。本發(fā)明的方法是通過(guò)對(duì)人腦進(jìn)行無(wú)創(chuàng)傷腦電信號(hào)提取、分析單通道腦電圖，定量確定衡量精神壓力的壓力指數(shù)。 本發(fā)明的裝置根據(jù)壓力指數(shù)的變化趨勢(shì)，自適應(yīng)地引導(dǎo)受試人員以更合理的呼吸參數(shù)進(jìn)行呼吸，通過(guò)受控呼吸增強(qiáng)副交感神經(jīng)活性，在其他神經(jīng)機(jī)制的配合下最終達(dá)到降低受試人員的壓力指數(shù)、放松心情，去除焦慮的目的。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)的快速發(fā)展，生活和工作的節(jié)奏越來(lái)越快，對(duì)有限資源的爭(zhēng)奪導(dǎo)致激烈的競(jìng)爭(zhēng)使人們感受到的無(wú)形壓力也越來(lái)越大了。長(zhǎng)時(shí)間的情緒緊張或精神壓力會(huì)導(dǎo)致多種生理或精神方面的疾病，如高血壓、抑郁癥、焦慮癥等。新近的臨床研究表明，長(zhǎng)期承受壓力的人更易于患病毒性或非病毒性疾病，甚至呼吸道感染都與精神緊張存在著某種關(guān)聯(lián)。顯然，通過(guò)方便、便宜、有效的方法定量測(cè)量精神壓力的大小進(jìn)而設(shè)法緩解情緒緊張和焦慮，對(duì)生活在現(xiàn)代社會(huì)中的人來(lái)說(shuō)，具有越來(lái)越重要的意義。對(duì)精神壓力大小的獲知，可以為解除其精神壓力提供科學(xué)依據(jù)。目前，在評(píng)估精神壓力方面被廣為接受的傳統(tǒng)方法是心理學(xué)意義上的自評(píng)緊張度量表(checklist)。通過(guò)量表測(cè)定不同職業(yè)類型人群承受的精神壓力的主觀表現(xiàn)，受填表人的主觀因素影響過(guò)大， 對(duì)人體各器官實(shí)際承受的壓力的定量測(cè)量不夠準(zhǔn)確，而且主觀的定量測(cè)量結(jié)果也無(wú)法直接反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。隨著近年計(jì)算機(jī)和信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，建立在心率變異(heart rate variability, HRV)信號(hào)采集和分析基礎(chǔ)上的呼吸性竇性心率不齊(respiratory sinus arrhythmia, RSA)也被用來(lái)評(píng)估精神壓力。在受到精神壓力時(shí)，在中樞神經(jīng)的支配下，人體應(yīng)對(duì)的主要方式包括“應(yīng)激反應(yīng)” 和“松弛反應(yīng)”兩類，這兩類反應(yīng)的強(qiáng)弱對(duì)比主要取決于自主神經(jīng)系統(tǒng)(autonomic nervous system,ANS)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)活動(dòng)的強(qiáng)弱對(duì)比。應(yīng)激反應(yīng)的表現(xiàn)通常為心率血壓增加、血糖皮溫升高、消化系統(tǒng)功能抑制等。交感神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為應(yīng)激反應(yīng)，副交感神經(jīng)活動(dòng)強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為松弛反應(yīng)。呼吸參數(shù)會(huì)明顯影響交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)。具體而言，在靜息狀態(tài)下吸氣時(shí)，副交感神經(jīng)的活動(dòng)被相對(duì)抑制，交感神經(jīng)活動(dòng)處于支配地位，其典型生理表現(xiàn)為心率上升；反之，呼氣時(shí)，副交感神經(jīng)活動(dòng)處于支配地位，其典型生理表現(xiàn)為心率下降。心率的變化與呼吸參數(shù)之間的這種關(guān)系被稱為呼吸性竇性心率不齊。如果定義兩次心跳間的時(shí)間間隔為“間期”，理想情況下，通過(guò)測(cè)量吸氣和呼氣時(shí)逐拍心跳的間期， 就可間接衡量人體交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)水平。赫利科爾公司擁有的專利技術(shù)“用于緩解精神壓力的方法和裝置”(公開(kāi)號(hào)CN 1968727A，授權(quán)號(hào)CN 1968727B)提供了一種精神壓力的測(cè)量方法與呼吸訓(xùn)練放松裝置。該專利技術(shù)通過(guò)測(cè)量人體RSA波信號(hào)，間接測(cè)量出人體交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)水平， 進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)人體的呼氣和吸氣的節(jié)奏，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)心率，降低精神壓力的目的。
中國(guó)人民解放軍空軍第四研究所和北京泰達(dá)新型醫(yī)學(xué)工程技術(shù)有限公司在其專利申請(qǐng)文件“反饋型腹式呼吸訓(xùn)練儀”(公開(kāi)號(hào)CN1559342A，申請(qǐng)?zhí)?00410039589. 2)中， 提出了一種精神壓力的測(cè)量方法與腹式呼吸的訓(xùn)練裝置。該專利申請(qǐng)通過(guò)測(cè)量人體心電、 呼吸、血壓和血氧飽和度，由心電和呼吸波計(jì)算呼吸性竇性心率不齊定量表達(dá)式，連同心率、血壓和血氧飽和度作為反饋參數(shù)以視覺(jué)和/或聽(tīng)覺(jué)方式顯示給受訓(xùn)者，同時(shí)引入了腹式呼吸的方法，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)人體的呼氣和吸氣的節(jié)奏，來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)心率，緩解精神壓力的目的。

上述兩種專利技術(shù)的測(cè)量方法存在的共同不足是第一，通常精神壓力會(huì)同時(shí)作用于人的中樞神經(jīng)系統(tǒng)(central nervous system, CNS)和自主神經(jīng)系統(tǒng)ANS，但是，ANS的感受與反應(yīng)是被動(dòng)的、從屬的。許多人雖然精神壓力很大，但在心跳和血壓的評(píng)估指標(biāo)反映并未明顯升高，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)水平并沒(méi)有明顯的改變。換言之，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動(dòng)水平并不直接反映精神壓力水平。第二，盡管呼吸中吸氣和呼氣的確會(huì)導(dǎo)致心率的改變形成RSA現(xiàn)象，但這與精神壓力存在何種關(guān)系還待研究。比如，較低級(jí)哺乳動(dòng)物呼吸中吸氣和呼氣都與人一樣會(huì)導(dǎo)致RSA現(xiàn)象，但這些動(dòng)物并不存在人類特有的精神壓力。顯然，通過(guò)測(cè)量RSA確定精神壓力并不完全合理。上述兩種專利技術(shù)提供的測(cè)量和訓(xùn)練裝置存在共同不足是由于不少人存在早搏等多種情況的心率不齊，加之采集信號(hào)時(shí)存在的多種干擾，從HRV信號(hào)中提取RSA事實(shí)上也是很不可靠的。人體的心率大致在每分鐘70次左右，從心電圖ECG中提取HRV信號(hào)時(shí)，大致每秒才能得到一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，一個(gè)呼吸周期中僅能測(cè)到大約4 10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在4 IOs 內(nèi)一兩個(gè)早搏或其他干擾點(diǎn)就會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生很大影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種精神壓力的客觀定量測(cè)量方法，并在此基礎(chǔ)上，給出一種個(gè)性化的呼吸節(jié)律自適應(yīng)神經(jīng)反饋引導(dǎo)下的放松訓(xùn)練裝置。 本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種精神緊張或精神壓力的無(wú)創(chuàng)傷定量評(píng)估方法和基于此的一種精神壓力放松訓(xùn)練裝置，對(duì)當(dāng)前亞健康人群或?qū)W生、運(yùn)動(dòng)員、白領(lǐng)等在重要考試、比賽、答辯前夕存在的精神壓力有一定的舒緩作用，在認(rèn)知心理學(xué)研究中也有重要的應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明的裝置包括腦電采集電極、預(yù)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、中心控制單元和耳機(jī)，其中所述的腦電采集電極用于采集人體腦電信號(hào)，各電極通過(guò)屏蔽線與預(yù)處理單元相連；所述的預(yù)處理單元中的放大電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，濾波電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，工程陷波電路用于去除腦電信號(hào)中交流電帶來(lái)的頻率干擾，預(yù)處理單元通過(guò)屏蔽線與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)屏蔽線與中心控制單元相連；所述的中心控制單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的工作控制，用于處理腦電數(shù)據(jù)，計(jì)算精神壓力指數(shù)，提供呼吸參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)提供音頻信號(hào)給使用者，使用者根據(jù)音頻時(shí)長(zhǎng)自主調(diào)整呼吸時(shí)間長(zhǎng)度。本發(fā)明方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下(1)采集初始腦電數(shù)據(jù)la)腦電采集電極連續(xù)采集使用者在正常呼吸狀態(tài)下7s的單通道腦電信號(hào)；
lb)預(yù)處理單元對(duì)采集到的單通道腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和工程陷波；Ic)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)采集到的單通道腦電模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)。(2)計(jì)算 SI(O)2a)中心控制單元對(duì)腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號(hào)重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾；2b)中心控制單元對(duì)剔除干擾后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包分解，得到α波；2c)中心控制單元利用高級(jí)復(fù)雜度計(jì)算方法，對(duì)α波進(jìn)行非平穩(wěn)混沌特性分析， 得到α波的高級(jí)復(fù)雜度的值，該值作為精神壓力指數(shù)Si，將首次得到的正常呼吸下的SI記做 SI (0)。(3)提供引導(dǎo)呼吸參數(shù)中心控制單元提供呼吸參數(shù)引導(dǎo)使用者呼吸，其中，3ΚΗζ的音頻頻率為引導(dǎo)吸氣的參數(shù)，3s為吸氣的時(shí)間參數(shù)，1. 5KHz的音頻頻率為引導(dǎo)呼氣的參數(shù)，3s為引導(dǎo)呼氣的時(shí)間參數(shù)，無(wú)音頻輸出為呼吸停頓的參數(shù)，Is為停頓的時(shí)間參數(shù)。(4)記錄呼吸參數(shù)中心控制單元記錄使用者當(dāng)前在裝置引導(dǎo)下的呼吸參數(shù)M(i) (i = 1,2,3……)， M(i)包括吸氣、呼氣、停頓三個(gè)過(guò)程的頻率參數(shù)和時(shí)間參數(shù)，首次呼吸參數(shù)的記錄中，記錄的是引導(dǎo)呼吸參數(shù)，記做M(l)。(5)采集腦電數(shù)據(jù)腦電采集電極連續(xù)采集使用者在步驟(4)中記錄的呼吸參數(shù)M(i)下包括吸氣、呼氣、停頓一個(gè)完整過(guò)程的單通道腦電信號(hào)，預(yù)處理單元對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)采集到的單通道腦電模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到腦電數(shù)據(jù)。(6)計(jì)算 SI對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，小波包分解，提取α波，計(jì)算器高級(jí)復(fù)雜度，計(jì)算出使用者在當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)下的精神壓力指數(shù)SI (i)，i = 1,2,3……。(7)判斷SI是否減小將當(dāng)前呼吸參數(shù)周期和上一呼吸參數(shù)周期的精神壓力指數(shù)做比較，判斷SI是否減小如果SI減小，則跳轉(zhuǎn)至步驟(8)；如果SI沒(méi)有減小，則跳轉(zhuǎn)至步驟(9)。(8)保持當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)不變，i = i+Ι，并跳轉(zhuǎn)至步驟⑷。(9)調(diào)整呼吸參數(shù)9a)判斷SI在M(i)下首次變差判斷使用者的精神壓力指數(shù)是否在當(dāng)前呼吸參數(shù)下首次變差如果是首次變差， 則跳轉(zhuǎn)至9b)；如果不是首次，則跳轉(zhuǎn)至9c)；9b)判斷是否首次使用引導(dǎo)呼吸判斷使用者當(dāng)前是否首次使用引導(dǎo)呼吸參數(shù)如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟⑶；如果不是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9d)；9c)判斷上次呼吸參數(shù)是否是步進(jìn)遞減吸氣如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9e)；如果不是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9f)；9d)退回上次呼吸模式M(i-1)，i = i+1 ；并跳轉(zhuǎn)至步驟(4)；9e)檢查當(dāng)前呼吸參數(shù)的呼氣時(shí)間是否大于等于9s 如果大于等于9s，則跳轉(zhuǎn)至步驟9d)；如果小于9s，則跳轉(zhuǎn)至步驟9g)；9f)檢查當(dāng)前呼吸參數(shù)的吸氣時(shí)間是否小于等于Is 如果小于等于ls，則跳轉(zhuǎn)至步驟9e)；如果大于ls，則跳轉(zhuǎn)至步驟9h)；9g)步進(jìn)遞增呼氣時(shí)間，i = i+Ι，跳轉(zhuǎn)至步驟⑷；9h)步進(jìn)遞減吸氣時(shí)間，i = i+Ι，跳轉(zhuǎn)至步驟⑷。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)第一，本發(fā)明采用電極采集單通道腦電數(shù)據(jù)，相對(duì)于現(xiàn)有的RSA技術(shù)，本發(fā)明的腦電采樣數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于現(xiàn)有技術(shù)的心電采樣數(shù)據(jù)，能夠更好地反映使用者精神壓力， 準(zhǔn)確度高，實(shí)時(shí)性好；相對(duì)于一般的腦電波采樣技術(shù)，電極少，安裝方便；采集電路等硬件結(jié)構(gòu)部分簡(jiǎn)單，造價(jià)很低。第二，本發(fā)明采用了小波包分解處理腦電數(shù)據(jù)，避免了現(xiàn)有技術(shù)小波分解時(shí)時(shí)頻固定的缺陷。小波包分解具有任意多尺度特點(diǎn)，為時(shí)頻分析提供了極大的選擇余地。第三，本發(fā)明采用的腦電分析方法和精神壓力特征提取方法，將包括小波包分解、 宏觀復(fù)雜度分析、高級(jí)復(fù)雜度分析等多種方法結(jié)合起來(lái)，更適應(yīng)腦電信號(hào)的非線性、非平穩(wěn)本質(zhì)，更符合大腦的混沌性質(zhì)，測(cè)試得到的精神壓力指標(biāo)更準(zhǔn)確。第四，本發(fā)明采用了自適應(yīng)的呼吸調(diào)節(jié)策略。中心控制單元中的呼吸調(diào)整策略在比較了最近的兩次精神壓力指數(shù)后，即可自適應(yīng)確定呼吸參數(shù)的調(diào)節(jié)方向，有利于最佳呼吸參數(shù)的搜索。


圖1為本發(fā)明裝置的方框圖；圖2為本發(fā)明方法的流程圖；圖3為本發(fā)明方法小波包分解的母小波Daubechies函數(shù)波形圖；圖4為現(xiàn)有技術(shù)中單通道采集的腦電波形圖；圖5為本發(fā)明裝置從圖4所示的單通道腦電數(shù)據(jù)中提取的α波數(shù)據(jù)的波形圖。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明裝置包括腦電采集電極、預(yù)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、中心控制單元和耳機(jī)五部分，其中腦電采集電極采用Ag/Cl圓盤(pán)電極，各電極通過(guò)屏蔽線與預(yù)處理單元相連。預(yù)處理單元是由腦電放大電路、腦電濾波電路、50Hz工頻陷波電路等三個(gè)部分的電路組成。預(yù)處理單元的腦電放大電路其增益為IlOdB,時(shí)間常數(shù)為0. ls，分辨率為0.5μν， 噪聲小于2. 5 μ Vp_p ；預(yù)處理單元的腦電濾波電路其通帶為0. 7Hz到75Hz ；預(yù)處理單元通過(guò)屏蔽線與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元連接。模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的轉(zhuǎn)換精度為12位，采樣率設(shè)置為256Hz，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元通過(guò)屏蔽線與中心控制單元連接。本發(fā)明裝置的實(shí)施例是由CPU為C8051F020的單片機(jī)作為中心控制單元。 C8051F020單片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、5個(gè)通用16位定時(shí)器、內(nèi)部可編程振蕩器、低功耗1 字節(jié)的非易失數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及輸入輸出資源。擴(kuò)展系統(tǒng)中還包含64K的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM和64K的只讀存儲(chǔ)器ROM。整個(gè)裝置由4節(jié)干電池供電，其中一路經(jīng)過(guò) 3V三端穩(wěn)壓作為C8051F020單片機(jī)的電源。該單片機(jī)的隨機(jī)存取寄存器RAM中可存儲(chǔ)腦電數(shù)據(jù)，只讀存儲(chǔ)器ROM中，固化有剔除腦電干擾的程序、小波包腦電分解程序、高級(jí)復(fù)雜度計(jì)算程序、呼吸參數(shù)調(diào)整的策略程序。參照?qǐng)D2，本發(fā)明精神壓力測(cè)量和放松訓(xùn)練方法的具體實(shí)施方式
如下步驟1，采集初始腦電數(shù)據(jù)

將腦電采集電極放置在使用者額部待測(cè)腦電信號(hào)的對(duì)應(yīng)位置，參考電極以?shī)A子的形式放置于兩耳。la)腦電采集電極連續(xù)采集使用者在正常呼吸狀態(tài)下7s的單通道腦電信號(hào)；lb)預(yù)處理單元對(duì)采集到的單通道腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和工程陷波，放大的增益為IlOdB,時(shí)間常數(shù)為0. Is,分辨率為0. 5 μ V，噪聲小于2. 5 μ Vp_p，所述濾波的通帶范圍為 0. 7Hz 75Hz ；Ic)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)采集到的單通道腦電模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)， 采樣頻率為256Hz，存儲(chǔ)在單片機(jī)的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM內(nèi)。步驟2，計(jì)算 SI(O)2a)中心控制單元對(duì)腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號(hào)重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾單片機(jī)只讀存儲(chǔ)器ROM中的程序?qū)M(jìn)入該RAM的腦電數(shù)據(jù)用模極大值法和信號(hào)重構(gòu)剔除腦電中的干擾，主要包括以下過(guò)程模極大值法是指對(duì)步驟1中得到的含有噪聲的初始腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換， 計(jì)算各個(gè)尺度下的離散小波變換，取離散小波變換數(shù)據(jù)的模值，求出該尺度上離散序列中所有的模極大值，剔除其中含有噪聲的模極大值，保留只含有腦電信息的模極大值。由于在進(jìn)行二進(jìn)小波變換時(shí)，含有人體腦電信息的數(shù)據(jù)，其模極大值會(huì)隨著尺度的增大而增大，而噪聲的模極大值會(huì)隨著尺度的增大而減小，噪聲的這種傳播特性稱為負(fù)向傳播特性，根據(jù)該特性，先對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，然后在各尺度上取模極大值， 剔除其中負(fù)向傳播的模極大值，保留剩下的模極大值，用于進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)。信號(hào)重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下對(duì)由模極大值法保留的只含有腦電信息的模極大值數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，求出重構(gòu)后的小波系數(shù)；利用重構(gòu)得到的小波系數(shù)，對(duì)經(jīng)過(guò)小波分解的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波逆變換，得到去噪后的腦電數(shù)據(jù)。小波系數(shù)重構(gòu)的方法有很多種，如交替投影法、整體變分法，本發(fā)明的實(shí)施例使用 Hermite三次插值法，該方法是一種常用的方法，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，重構(gòu)效果比較好。用Hermite三次插值法對(duì)保留下來(lái)的模極大值進(jìn)行小波系數(shù)重構(gòu)，經(jīng)過(guò)Hermite三次插值后，得到了新的小波系數(shù)。利用新的小波系數(shù)，進(jìn)行小波逆變換，就得到了去噪后的腦電數(shù)據(jù)。2b)中心控制單元對(duì)剔除干擾后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包分解，得到α波單片機(jī)只讀存儲(chǔ)器ROM中的程序?qū)M(jìn)入該RAM的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包分解，其方法如下由于腦電數(shù)據(jù)的采樣率為fs = 256Hz，選擇Daubechies緊支小波包對(duì)去噪后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行7層分解。根據(jù)卷積定理，腦電波的帶寬為采樣頻率的一半，即0 128Hz。對(duì)腦電波進(jìn)行七層小波包分解，在腦電信號(hào)頻帶范圍內(nèi)對(duì)其先進(jìn)行1次1/2等分，然后對(duì)經(jīng)過(guò) 1/2等分后的2個(gè)頻帶再分別進(jìn)行1/2等分，依此方法對(duì)頻帶進(jìn)行7次1/2等分，把腦電數(shù)據(jù)在頻帶范圍內(nèi)劃分為128等分，且互不重疊。其最小頻率分辨率為
權(quán)利要求
1.人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的裝置，包括腦電采集電極、預(yù)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、中心控制單元和耳機(jī)；其中，所述的腦電采集電極用于采集人體腦電信號(hào)，各電極通過(guò)屏蔽線與預(yù)處理單元相連；所述的預(yù)處理單元中的放大電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大，濾波電路用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，工程陷波電路用于去除腦電信號(hào)中交流電帶來(lái)的頻率干擾，預(yù)處理單元通過(guò)屏蔽線與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于對(duì)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，通過(guò)屏蔽線與中心控制單元相連；所述的中心控制單元實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的工作控制，用于處理腦電數(shù)據(jù)，計(jì)算精神壓力指數(shù)，提供呼吸參數(shù)，根據(jù)該參數(shù)提供音頻信號(hào)給使用者，使用者通過(guò)音頻時(shí)長(zhǎng)自主調(diào)整呼吸時(shí)間長(zhǎng)度。
2.人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，包括以下步驟(1)采集初始腦電數(shù)據(jù)la)腦電采集電極連續(xù)采集使用者在正常呼吸狀態(tài)下7s的單通道腦電信號(hào)；lb)預(yù)處理單元對(duì)采集到的單通道腦電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和工程陷波；Ic)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)采集到的單通道腦電模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)；(2)計(jì)算SI (0)2a)中心控制單元對(duì)腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號(hào)重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾；2b)中心控制單元對(duì)剔除干擾后的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波包分解，得到α波；2c)中心控制單元利用高級(jí)復(fù)雜度計(jì)算方法，對(duì)α波進(jìn)行非平穩(wěn)混沌特性分析，得到 α波的高級(jí)復(fù)雜度的值，該值作為精神壓力指數(shù)Si，將首次得到的正常呼吸下的SI記做 SI(O)；(3)提供引導(dǎo)呼吸參數(shù)中心控制單元提供呼吸參數(shù)引導(dǎo)使用者呼吸，其中，3ΚΗζ的音頻頻率為引導(dǎo)吸氣的參數(shù)，3s為吸氣的時(shí)間參數(shù)，1. 5KHz的音頻頻率為引導(dǎo)呼氣的參數(shù)，3s為引導(dǎo)呼氣的時(shí)間參數(shù)，無(wú)音頻輸出為呼吸停頓的參數(shù)，Is為停頓的時(shí)間參數(shù)；(4)記錄呼吸參數(shù)中心控制單元記錄使用者當(dāng)前在裝置引導(dǎo)下的呼吸參數(shù)M(i) (1 = 1,2,3...)，M(i)包括吸氣、呼氣、停頓三個(gè)過(guò)程的頻率參數(shù)和時(shí)間參數(shù)，首次呼吸參數(shù)的記錄中，記錄的是引導(dǎo)呼吸參數(shù)，記做M(I)；(5)采集腦電數(shù)據(jù)腦電采集電極連續(xù)采集使用者在步驟中記錄的呼吸參數(shù)M(i)下包括吸氣、呼氣、 停頓一個(gè)完整過(guò)程的單通道腦電信號(hào)，預(yù)處理單元對(duì)腦電信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對(duì)采集到的單通道腦電模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，得到腦電數(shù)據(jù)；(6)計(jì)算SI對(duì)腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，小波包分解，提取α波，計(jì)算器高級(jí)復(fù)雜度，計(jì)算出使用者在當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)下的精神壓力指數(shù)SI (i)，i = 1,2,3...；(7)判斷SI是否減小將當(dāng)前呼吸參數(shù)周期和上一呼吸參數(shù)周期的精神壓力指數(shù)做比較，判斷SI是否減小 如果SI減小，則跳轉(zhuǎn)至步驟(8)；如果SI沒(méi)有減小，則跳轉(zhuǎn)至步驟(9)；(8)保持當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)不變，i= i+Ι，并跳轉(zhuǎn)至步驟⑷；(9)調(diào)整呼吸參數(shù)9a)判斷SI在M (i)下首次變差判斷使用者的精神壓力指數(shù)是否在當(dāng)前呼吸參數(shù)下首次變差如果是首次變差，則跳轉(zhuǎn)至9b)；如果不是首次，則跳轉(zhuǎn)至9c)；9b)判斷使用者當(dāng)前是否首次使用引導(dǎo)呼吸參數(shù)如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟(8)；如果不是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9d)；9c)判斷上次呼吸參數(shù)M(i-l)是否是步進(jìn)遞減吸氣如果是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9e)；如果不是，則跳轉(zhuǎn)至步驟9f)；9d)退回上次呼吸模式M(i-l)，i = i+1 ；并跳轉(zhuǎn)至步驟； 9e)檢查M(i)呼氣時(shí)間檢查當(dāng)前呼吸參數(shù)的呼氣時(shí)間是否大于等于9s 如果大于等于9s，則跳轉(zhuǎn)至步驟9d)； 如果小于9s，則跳轉(zhuǎn)至步驟9g)；9f)檢查當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)的吸氣時(shí)間是否小于等于Is 如果小于等于ls，則跳轉(zhuǎn)至步驟9e)；如果大于ls，則跳轉(zhuǎn)至步驟9h)；9g)步進(jìn)遞增呼氣時(shí)間，i = i+Ι，跳轉(zhuǎn)至步驟； 9h)步進(jìn)遞減吸氣時(shí)間，i = i+Ι，跳轉(zhuǎn)至步驟G)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟lb)所述放大的增益為IlOdB,時(shí)間常數(shù)為0. Is,分辨率為0.5 μ V,噪聲小于2. 5 μ Vp_p ； 所述濾波的通帶范圍為0. 7Hz 75Hz。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟Ic)所述的采樣頻率為256Hz。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟2a)所述的模極大值法是指對(duì)步驟(1)中得到的含有噪聲的初始腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)小波變換，計(jì)算各個(gè)尺度下的離散小波變換，取離散小波變換數(shù)據(jù)的模值，求出該尺度下離散序列中所有的模極大值，剔除其中含有噪聲的模極大值，保留只含有腦電信息的模極大值。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟2a)所述的信號(hào)重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下步驟一，對(duì)由模極大值法保留的只含有腦電信息的模極大值數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)重構(gòu)，求出重構(gòu)后的小波系數(shù)；步驟二，利用重構(gòu)得到的小波系數(shù)，對(duì)經(jīng)過(guò)小波分解的腦電數(shù)據(jù)進(jìn)行小波逆變換，得到去噪后的腦電數(shù)據(jù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟2c)所述的高級(jí)復(fù)雜度計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下步驟一，以512點(diǎn)為窗口長(zhǎng)度，以1個(gè)點(diǎn)為步長(zhǎng)，沿著去噪后的腦電數(shù)據(jù)序列滑動(dòng)，計(jì)算其宏觀復(fù)雜度，得到一個(gè)宏觀復(fù)雜度隨時(shí)間變化的新序列；步驟二，用宏觀復(fù)雜度計(jì)算這個(gè)新序列的宏觀復(fù)雜度值，得到的值就是原始序列的二階復(fù)雜度值，所計(jì)算的高級(jí)復(fù)雜度值定義為精神壓力指數(shù)Si。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟9g)所述的步進(jìn)遞增呼氣是指將當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)的呼氣時(shí)間增加0. 5s,同時(shí)保持停頓時(shí)間Is和吸氣時(shí)間不變。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟9h)所述的步進(jìn)遞減吸氣是指將當(dāng)前呼吸參數(shù)M(i)的吸氣時(shí)間減少0. 5s,同時(shí)保持停頓時(shí)間Is和呼氣時(shí)間不變。
全文摘要
一種人體精神壓力腦電測(cè)量及放松訓(xùn)練的方法與裝置。本發(fā)明的裝置包括腦電采集電極、預(yù)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、中心控制單元和耳機(jī)。本發(fā)明的方法采集初始腦電數(shù)據(jù)；計(jì)算SI(0)；提供引導(dǎo)呼吸參數(shù)；記錄呼吸參數(shù)；采集腦電數(shù)據(jù)；計(jì)算SI；判斷SI是否減小；保持M(i)不變；(9)調(diào)整呼吸參數(shù)。本發(fā)明的方法能夠更好地反映使用者精神壓力，準(zhǔn)確度高，實(shí)時(shí)性好；本發(fā)明的裝置需要的電極少，安裝方便；采集電路等硬件結(jié)構(gòu)部分簡(jiǎn)單，造價(jià)很低。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種精神緊張或精神壓力的無(wú)創(chuàng)傷定量評(píng)估方法和基于此的一種精神壓力放松訓(xùn)練裝置，對(duì)人體的精神壓力一定的舒緩作用。
文檔編號(hào)A61M21/00GK102302365SQ201110168238
公開(kāi)日2012年1月4日 申請(qǐng)日期2011年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月21日
發(fā)明者張睿軒, 黃力宇 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)