定量式心率變異性信號處理儀的研制

湯黎明，鐘添萍，朱興喜，林燕，徐靜怡，樊偉

1.南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇 南京 210002 ；2.南京軍區衛生部，江蘇 南京 210016

定量式心率變異性信號處理儀的研制

湯黎明1，鐘添萍1，朱興喜1，林燕1，徐靜怡1，樊偉2

1.南京軍區南京總醫院 醫學工程科，江蘇 南京 210002 ；2.南京軍區衛生部，江蘇 南京 210016

目的 為克服以往利用作業法、投射法和量表法對心理狀態的定性評價模式，易受評價者的主觀影響，研制了一種定量式心率變異性信號處理儀。方法 根據最新理論研究，人的情緒狀態是交感神經和副交感神經兩個分支共同作用的結果，因此，利用該理論分析心率變異性（HRV）是評價人的自主神經系統的一種最具信賴的方法。該信號儀由發射系統和接收系統兩部分組。結果 經過測試，該儀器可對被測者的情緒心理狀態數據成功地采集和接收，且數據經處理后，被檢測者的評價數據報告即顯示在終端顯示器上，同時心率變異性的大小也反饋到頭帶的指示燈上，以反應心理狀態的好、中、差。結論 利用人的心率變異性差異的定量分析，實時反映個體心理狀態情緒，較之以往以人為主的評價有了進步。

心率變異性信號處理儀；心率變異性；發射系統；接收系統

0 前言

以往對心理狀態評價采用作業法、投射法和量表法，其定性評價模式易受評價者經歷、學識、心情狀態等主觀因素及被檢測者抽樣數據的局限性影響。為此，我們利用心率變異性(Heart Rate Variability，HRV)生理指標，如自主神經系統活性和平衡程度、血壓狀況和心血管系統功能的量化等參數，研制出一種定量式心率變異性信號處理儀，用于客觀有效地評價個體的情緒心理狀態。其工作原理介紹如下。

1 工作原理

人的自主神經體統是外周傳出神經系統的一部分，分布于內臟，能調節內臟和血管平滑肌、心肌以及腺體等活動。自主神經系統可分為交感神經和副交感神經兩部分，具有調節機體不平衡狀態、維持相對動態平衡的作用。根據最新理論研究，個體的情緒狀態是交感神經和副交感神經兩個分支共同作用的結果。其中，交感神經過于興奮使個體容易亢奮和焦慮，而副交感神經系統過于興奮使個體容易抑郁和消極，兩者的平衡有助于使個體達到良好的情緒狀態，而任何一方的過度興奮都會打破系統平衡，帶來情緒的負面體驗。因此，可通過評價自主神經系統功能來分析個體的情緒狀態和心理狀況。利用該理論，分析心率變異性（HRV）是評價自主神經系統的一種最具信賴的方法。心率變異性的大小實質上是反映神經體液因素對竇房結的調節作用，即反映自主神經系統的交感神經活性與迷走神經活性及其平衡協調的關系。在迷走神經活性增高或交感神經活性見底時，心率變異性增高，反之，則相反。

2 結構設計

2.1 結構框圖

該信號儀由發射系統和接收系統兩部分組成，其結構框圖，見圖1。

圖1 心率變異性信號處理儀結構框圖

發射系統負責對人體心率脈搏信號的采集、調制處理和發射。接收系統負責對接收到的信號調制、解調，進行分析處理，從中甄選出有用的心率信號，送至計算機系統進行處理，并將結果以圖表、文字和信號指示方式提供給醫護人員，達到量化評價的目標。

2.2 發射器

考慮到進行心率脈搏信號采集過程中，被檢測者的流動性和隨意范圍較大，若通過有線方式進行信號檢測采集，極大地限制了信號采集的方便性和隨意性，所以我們采用了被檢測者佩戴發射器設計，使檢測者可以不受地點、時間的影響，隨時隨地都可進行信號采集。其原理是，將發射系統集成在一個頭帶結構內，通過頭帶戴在頭部的耳夾夾住右側耳垂，與頭帶額部、皮膚接觸電極形成脈搏信號采集回路。耳夾上的脈搏傳感器，采集脈搏波信號，送到調制器，在調制過程中，電路將較低頻率的心率脈搏信號，調制到能夠用于發射的較強的調制信號，通過無線電的方式發送出去。為了保持耳夾夾點與頭帶額部及皮膚接觸電極的接觸狀態良好，設計了阻抗匹配檢測回路，以保證信號采集的可靠性。為了讓被檢測者及時了解到檢測過程中的心理狀態和定量式心率變異性信號處理儀的工作狀態，在發射系統部位還安排了指示接收電路和心理狀態顯示指示燈，將經過計算機處理后反饋回來的心率變異性狀態參數的數值大小顯示出來，以提醒被檢測者及時調整心理狀態。

2.3 接收系統

首先，將接收到的各種信號進行甄別、篩選，選出由心率檢測發射器發出的信號，并對信號進行解調；再將解調后的心率信號，通過解碼器，得到被檢測者的心率信號，經B/A轉換還原成用來進行計算機處理的數字信號。計算機處理軟件通過對接收到的心率脈搏信號進行運算、比較、分析、處理，得到被檢測者的情緒心理狀態評價數據，并在終端顯示器上顯示出個體評價數據報告（圖2）。同時把心率變異性的大小反饋到頭帶的指示燈上，指示燈的綠、藍、紅3種顏色分別代表心理狀態的好、中、差。

圖2 個體評估數據報告

2.4 發射接收波段設計

定量式心率變異性信號處理儀，由于利用無線發射器設計，極大地方便被測者的使用，被檢測者只要在頭上戴一個靈巧的頭帶就可以展開信號采集，并且不影響被測者的學習、運動等正常活動。在計算機處理過程中，我們采用并聯、同步方式，將被檢測者的信號發射分別設為不同的頻率波段，接收器也與其對應的設置不同的接收波段，目前可同時對20路接受信號進行同步處理，且一個處理周期僅為5~10 min。

3 結果

定量式心率變異性信號處理儀利用短期測量方式，可有效地對自主神經功能水平進行分析。通過本儀器對個體的心率變異性生理指標處理發現，心率變異性越低，個體的情緒心理狀態越差，其個體的心理素質也就越低；相反，心率變異性越高，心理素質也就越好。但由于個體的狀態影響因素較多，心率變異反映的只是自主神經作用的一個部分。因此，在這一領域將需要更深入的研究探討，使用更多的生理指標來反映心理狀態，能夠更加準確地評估心理素質。

4 討論

利用心率變異性差異的定量分析能夠較好地、實時反映個體心理狀態情緒，較之以往以人為主的評價有了進步，然而僅憑這一項定量指標評價具有較大的偶然性。除心率變異性外還有表面肌電信號定量指標，人體脈氧定量指標，胃電信號定量指標等，都可反映個體心理狀態情緒。人體電生理參數定量指標獲得越多，越能接近真實反映個體心理狀態情緒，有待臨床工程人員進一步研究探索。

[1] 王步青,王衛東.心率變異性分析方法的研究進展[J].北京生物醫學工程,2007,(5):105-108.

[2] 李延軍,嚴洪,楊向林,等.基于心率變異性的精神疲勞的研究[J].中國生物醫學工程學報,2010,29(1):1-6.

[3] 張正剛,梁妃學.家庭睡眠監測儀的研制[J].中國醫療設備,2009,24(11):28-29.

[4] 閻克樂,張文彩,張月娟,等.心率變異性在心身疾病和情緒障礙研究中的應用[J].心理科學進展,2006,14(2):261-265.

[5] 陳洪波,劉仁光.心率變異性分析臨床應用研究近況[J].新醫學,2010,41(6):407-410.

[6] 金安,安剛,等.無線心電檢測系統的設計[J].中國醫療設備,2009,24(11):30-31.

[7] 王碩,汪封,周平.便攜式無線十二導心電圖儀的設計[J].中國醫療設備,2012,27(2):35-38.

Research on Quantitative Signal Processing Instrument of Heart Rate Variability

TANG Li-ming1, ZHONG Tian-ping1,ZHU Xing-xi1, LIN Yan1,XU Jing-yi1, FAN Wei2
1. Medical Engineering Department,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command, Nanjing Jiangsu 210002, China; 2. Health Department of Nanjing Military Area Command, Nanjing Jiangsu 210016,China

R318

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2012.07.009

1674-1633(2012)07-0038-02

2012-02-06

國家自然科學基金天元基金資助項目（10926193）。本文作者：湯黎明，醫學工程科主任，高級工程師，教授，博士生導師。

作者郵箱：njzywm@163.com

Abstract: Objective In order to overcome the influence of estimator’s subjectivity on qualitative evaluation of mental state using methods of operation, casting and scale, we have developed a qualitative signal processing instrument for heart rate variability. Methods According to recent studies, people’s mental state is result of combined function of sympathetic nerve and parasympathetic nerve. As a result,it is a reliable method of evaluating people’s autonomic nervous system. The instrument consists of emission system and receiving system. Results The instrument can provide quantitative parameters of activity and balance of the autonomic nervous system, blood pressure status and the function of the cardiovascular system, thus to ref l ect the individual's mental state. Conclusion Qualitative signal processing of heart rate variability can reflect individual’s mental state, and has made some progress compared with previous evaluation methods.

Key words: signal processing instrument of heart rate variability; heart rate variability; emission system;receiving system