專利名稱：人體精神壓力腦電測量及放松訓(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)信號的采集與數(shù)據(jù)處理技術(shù)領(lǐng)域中，對人體精神壓力的腦電測量及放松訓(xùn)練的方法和裝置。本發(fā)明的方法是通過對人腦進(jìn)行無創(chuàng)傷腦電信號提取、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，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)代社會的快速發(fā)展，生活和工作的節(jié)奏越來越快，對有限資源的爭奪導(dǎo)致激烈的競爭使人們感受到的無形壓力也越來越大了。長時(shí)間的情緒緊張或精神壓力會導(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，通過方便、便宜、有效的方法定量測量精神壓力的大小進(jìn)而設(shè)法緩解情緒緊張和焦慮，對生活在現(xiàn)代社會中的人來說，具有越來越重要的意義。對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)意義上的自評緊張度量表(checklist)。通過量表測定不同職業(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大， 對人體各器官實(shí)際承受的壓力的定量測量不夠準(zhǔn)確，而且主觀的定量測量結(jié)果也無法直接反饋訓(xùn)練系統(tǒng)。隨著近年計(jì)算機(jī)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，建立在心率變異(heart rate variability, HRV)信號采集和分析基礎(chǔ)上的呼吸性竇性心率不齊(respiratory sinus arrhythmia, RSA)也被用來評估精神壓力。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)活動的強(qiáng)弱對比。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)活動強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為應(yīng)激反應(yīng)，副交感神經(jīng)活動強(qiáng)時(shí)表現(xiàn)為松弛反應(yīng)。呼吸參數(shù)會明顯影響交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動。具體而言，在靜息狀態(tài)下吸氣時(shí)，副交感神經(jīng)的活動被相對抑制，交感神經(jīng)活動處于支配地位，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，通過測量吸氣和呼氣時(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”(公開號CN 1968727A，授權(quán)號CN 1968727B)提供了一種精神壓力的測量方法與呼吸訓(xùn)練放松裝置。該專利技術(shù)通過測量人體RSA波信號，間接測量出人體交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動水平， 進(jìn)而通過調(diào)節(jié)人體的呼氣和吸氣的節(jié)奏，來達(dá)到調(diào)節(jié)心率，降低精神壓力的目的。
中國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文件“反饋型腹式呼吸訓(xùn)練儀”(公開號CN1559342A，申請?zhí)?00410039589. 2)中， 提出了一種精神壓力的測量方法與腹式呼吸的訓(xùn)練裝置。該專利申請通過測量人體心電、 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)以視覺和/或聽覺方式顯示給受訓(xùn)者，同時(shí)引入了腹式呼吸的方法，進(jìn)而通過調(diào)節(jié)人體的呼氣和吸氣的節(jié)奏，來達(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)的測量方法存在的共同不足是第一，通常精神壓力會同時(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)是被動的、從屬的。許多人雖然精神壓力很大，但在心跳和血壓的評估指標(biāo)反映并未明顯升高，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動水平并沒有明顯的改變。換言之，交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的活動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，較低級哺乳動物呼吸中吸氣和呼氣都與人一樣會導(dǎo)致RSA現(xiàn)象，但這些動物并不存在人類特有的精神壓力。顯然，通過測量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，加之采集信號時(shí)存在的多種干擾，從HRV信號中提取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)就會對分析結(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創(chuàng)傷定量評估方法和基于此的一種精神壓力放松訓(xùn)練裝置，對當(dāng)前亞健康人群或?qū)W生、運(yùn)動員、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，各電極通過屏蔽線與預(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信號進(jìn)行功率放大，濾波電路用于對信號進(jìn)行濾波，工程陷波電路用于去除腦電信號中交流電帶來的頻率干擾，預(yù)處理單元通過屏蔽線與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于對采集到的模擬信號進(jìn)行采樣，通過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)提供音頻信號給使用者，使用者根據(jù)音頻時(shí)長自主調(diào)整呼吸時(shí)間長度。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；
lb)預(yù)處理單元對采集到的單通道腦電信號進(jìn)行放大、濾波和工程陷波；Ic)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對采集到的單通道腦電模擬信號進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)。(2)計(jì)算 SI(O)2a)中心控制單元對腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾；2b)中心控制單元對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復(fù)雜度計(jì)算方法，對α波進(jìn)行非平穩(wěn)混沌特性分析， 得到α波的高級復(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)完整過程的單通道腦電信號，預(yù)處理單元對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對采集到的單通道腦電模擬信號進(jìn)行采樣，得到腦電數(shù)據(jù)。(6)計(jì)算 SI對腦電數(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、高級復(fù)雜度分析等多種方法結(jié)合起來，更適應(yīng)腦電信號的非線性、非平穩(wěn)本質(zhì)，更符合大腦的混沌性質(zhì)，測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)施例方式參照圖1，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圓盤電極，各電極通過屏蔽線與預(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)存取存儲器RAM和64K的只讀存儲器ROM。整個(gè)裝置由4節(jié)干電池供電，其中一路經(jīng)過 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中可存儲腦電數(shù)據(jù)，只讀存儲器ROM中，固化有剔除腦電干擾的程序、小波包腦電分解程序、高級復(fù)雜度計(jì)算程序、呼吸參數(shù)調(diào)整的策略程序。參照圖2，本發(fā)明精神壓力測量和放松訓(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腦電信號的對應(yīng)位置，參考電極以夾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；lb)預(yù)處理單元對采集到的單通道腦電信號進(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)換單元對采集到的單通道腦電模擬信號進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)， 采樣頻率為256Hz，存儲在單片機(jī)的隨機(jī)存取存儲器RAM內(nèi)。步驟2，計(jì)算 SI(O)2a)中心控制單元對腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾單片機(jī)只讀存儲器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重構(gòu)剔除腦電中的干擾，主要包括以下過程模極大值法是指對步驟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)，其模極大值會隨著尺度的增大而增大，而噪聲的模極大值會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)行信號重構(gòu)。信號重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下對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)，對經(jīng)過小波分解的腦電數(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)簡單，重構(gòu)效果比較好。用Hermite三次插值法對保留下來的模極大值進(jìn)行小波系數(shù)重構(gòu)，經(jīng)過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。對腦電波進(jìn)行七層小波包分解，在腦電信號頻帶范圍內(nèi)對其先進(jìn)行1次1/2等分，然后對經(jīng)過 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，各電極通過屏蔽線與預(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信號進(jìn)行功率放大，濾波電路用于對信號進(jìn)行濾波，工程陷波電路用于去除腦電信號中交流電帶來的頻率干擾，預(yù)處理單元通過屏蔽線與模數(shù)轉(zhuǎn)換單元相連；所述的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元用于對采集到的模擬信號進(jìn)行采樣，通過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)提供音頻信號給使用者，使用者通過音頻時(shí)長自主調(diào)整呼吸時(shí)間長度。
2.人體精神壓力腦電測量及放松訓(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；lb)預(yù)處理單元對采集到的單通道腦電信號進(jìn)行放大、濾波和工程陷波；Ic)模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對采集到的單通道腦電模擬信號進(jìn)行采樣，得到初始腦電數(shù)據(jù)；(2)計(jì)算SI (0)2a)中心控制單元對腦電數(shù)據(jù)使用模極大值法和信號重構(gòu)方法剔除腦電中的干擾；2b)中心控制單元對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復(fù)雜度計(jì)算方法，對α波進(jìn)行非平穩(wěn)混沌特性分析，得到 α波的高級復(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)完整過程的單通道腦電信號，預(yù)處理單元對腦電信號進(jìn)行預(yù)處理，模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對采集到的單通道腦電模擬信號進(jìn)行采樣，得到腦電數(shù)據(jù)；(6)計(jì)算SI對腦電數(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量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟2a)所述的信號重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)的具體步驟如下步驟一，對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)，對經(jīng)過小波分解的腦電數(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量及放松訓(xùn)練的方法，其特征在于步驟2c)所述的高級復(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)為窗口長度，以1個(gè)點(diǎn)為步長，沿著去噪后的腦電數(shù)據(jù)序列滑動，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創(chuàng)傷定量評估方法和基于此的一種精神壓力放松訓(xùn)練裝置，對人體的精神壓力一定的舒緩作用。
文檔編號A61M21/00GK102302365SQ201110168238
公開日2012年1月4日 申請日期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 申請人:西安電子科技大學(xué)