心肺耦合反饋方法及其裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物反饋，尤其涉及心肺耦合的反饋。
【背景技術(shù)】
[0002]心肺耦合是指心血管系統(tǒng)與呼吸系統(tǒng)之間內(nèi)在的協(xié)調(diào)機(jī)制和作用，也叫做心肺交互，其研宄涉及廣泛的生理、病理和臨床應(yīng)用領(lǐng)域。心血管系統(tǒng)與呼吸系統(tǒng)之間存在明確的耦合關(guān)系，如心率在吸氣過程中加快，在呼氣過程中減慢；心電信號(hào)的幅度也隨著胸廓呼吸運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出明顯的幅度調(diào)制現(xiàn)象；血壓和脈搏波信號(hào)的幅度也受呼吸運(yùn)動(dòng)的調(diào)制，表現(xiàn)出幅度隨吸氣和呼氣運(yùn)動(dòng)而變化。心肺耦合現(xiàn)象一方面可以用于獲取與機(jī)體健康狀態(tài)相關(guān)的生理和病理信息，如通過心肺耦合分析評(píng)價(jià)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能，定量評(píng)價(jià)睡眠質(zhì)量，檢測睡眠呼吸事件等；另一方面，由于心肺耦合反映的是心血管系統(tǒng)活動(dòng)與呼吸系統(tǒng)活動(dòng)的內(nèi)在協(xié)調(diào)性、同步性，因此又可以借助心肺耦合這一現(xiàn)象，觀察心肺系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，進(jìn)而通過生物反饋的方法，增強(qiáng)心肺系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)性，從而增強(qiáng)自主神經(jīng)系統(tǒng)功能，調(diào)節(jié)身心狀態(tài)，促進(jìn)機(jī)體健康。
[0003]生物反饋是一類通過學(xué)習(xí)與控制儀器所提供的外部反饋信號(hào)，讓參與者學(xué)會(huì)自我調(diào)節(jié)內(nèi)部心理生理變化，達(dá)到治療和預(yù)防特定疾病目的的技術(shù)。這一領(lǐng)域的先導(dǎo)有Miller醫(yī)生的內(nèi)臟習(xí)得反應(yīng)的研宄，哈佛大學(xué)Shapi1醫(yī)生在1965年首先開設(shè)的心理生理學(xué)，Wolpe等人在20世紀(jì)60年代首創(chuàng)的行為療法，以及Selye、Bernard和Cannon等人在應(yīng)激方面的開創(chuàng)性研宄。目前已經(jīng)發(fā)展出多種生物反饋技術(shù)和裝置，如肌電生物反饋儀，皮溫反饋儀，皮電反饋儀，腦電反饋儀，心率反饋儀，血壓反饋儀等，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)和信息技術(shù)的深度應(yīng)用，以及生物-心理-社會(huì)醫(yī)學(xué)模式的發(fā)展，生物反饋技術(shù)在醫(yī)療和保健領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。
[0004]目前的生物反饋技術(shù)和裝置所測量的信號(hào)往往比較單一，僅從單一生理參數(shù)變化的角度開展生物反饋訓(xùn)練，如肌電、腦電、皮電、心率、血壓等反饋儀，單一生理參數(shù)變化在一定程度上能夠反映人體心理生理變化，但是單一維度的分析，往往無法反映系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。人體作為一個(gè)開放的復(fù)雜巨系統(tǒng)，系統(tǒng)間的相關(guān)作用是反映系統(tǒng)狀態(tài)的一個(gè)直接而重要的信息，但在生物反饋領(lǐng)域，系統(tǒng)間的交互作用或者耦合關(guān)系的信息沒有被有效利用。單一生理參數(shù)反饋還存在另一弊端，比如心率反饋，單一地看心率隨呼吸的幅度調(diào)制過程，并不能反映最佳的訓(xùn)練效果，因?yàn)楫?dāng)心率隨呼吸的幅度振蕩達(dá)到一定程度之后，心肺之間的耦合性和協(xié)調(diào)性下降，這尤其對(duì)一些心肺疾病患者，如COPD患者、哮喘患者、心衰患者等，不僅不能起到調(diào)節(jié)和治療疾病的目的，反而有誘發(fā)心肺疾病發(fā)作的風(fēng)險(xiǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上述問題，本發(fā)明旨在提出一種心肺耦合反饋方法和裝置，通過反饋方式提高使用者的心肺耦合強(qiáng)度，提高心肺系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性。
[0006]為此，本發(fā)明提出一種心肺耦合反饋方法，其包括:第一步:通過將受試者的心血管信號(hào)和呼吸信號(hào)進(jìn)行耦合，得到受試者的心肺耦合強(qiáng)度；第二步:根據(jù)所述受試者的心肺耦合強(qiáng)度向受試者輸出運(yùn)動(dòng)指示信號(hào)，以提高受試者的心肺耦合強(qiáng)度。
[0007]優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)指示信號(hào)是視覺信號(hào)或聽覺信號(hào)。優(yōu)選地，所述聽覺信號(hào)為音樂信號(hào)；所述視覺信號(hào)為畫面信號(hào)。更優(yōu)選地，所述運(yùn)動(dòng)指示信號(hào)為呼吸運(yùn)動(dòng)指示信號(hào)。
[0008]優(yōu)選地，循環(huán)進(jìn)行第一步和第二步，比較每次循環(huán)中得到心肺耦合強(qiáng)度，得到心肺耦合強(qiáng)度趨勢；所述運(yùn)動(dòng)指示信號(hào)進(jìn)一步根據(jù)心肺耦合強(qiáng)度趨勢而輸出。
[0009]優(yōu)選地，所述的將受試者的心血管信號(hào)和呼吸信號(hào)進(jìn)行耦合是通過相位耦合實(shí)現(xiàn)的。
[0010]本發(fā)明還提出一種心肺耦合反饋裝置，心血管信號(hào)獲取單元、呼吸信號(hào)獲取單元、心肺耦合強(qiáng)度計(jì)算單元、控制單元、反饋單元；心血管信號(hào)獲取單元用于獲取使用者的心血管信號(hào)；呼吸信號(hào)獲取單元用于獲取使用者的呼吸信號(hào)；心肺耦合強(qiáng)度計(jì)算單元根據(jù)所獲取的心血管信號(hào)和呼吸信號(hào)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到心肺耦合強(qiáng)度；控制單元根據(jù)心肺耦合強(qiáng)度控制反饋單元，向使用者發(fā)出反饋指令。
[0011]本發(fā)明還提出另一種心肺耦合反饋方法，其包括:獲取心跳節(jié)律信號(hào)和呼吸信號(hào)；從所述呼吸信號(hào)中提取特征點(diǎn)；在心跳節(jié)律信號(hào)中檢測該特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻后的最近一次心跳運(yùn)動(dòng)；在檢測到該最近一次心跳運(yùn)動(dòng)后，通過聲音或視覺方式向使用者發(fā)出反饋，要求使用者根據(jù)反饋指示作出運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。
[0012]優(yōu)選地，所述特征點(diǎn)為呼吸運(yùn)動(dòng)過程中呼氣相或吸氣相的值。更優(yōu)選地，所述特征點(diǎn)為呼氣末時(shí)刻值或吸氣末時(shí)刻值。優(yōu)選地，所述最近一次心跳運(yùn)動(dòng)通過使用者的ECG信號(hào)或脈搏波來檢測。
[0013]本發(fā)明提出另一種心肺耦合反饋裝置，其包括:心跳節(jié)律信號(hào)獲取單元、呼吸信號(hào)獲取單元、呼吸信號(hào)特征點(diǎn)提取單元、控制單元、反饋單元；心跳節(jié)律信號(hào)獲取單元用于獲取使用者的心跳節(jié)律信號(hào)；呼吸信號(hào)獲取單元用于獲取使用者的呼吸信號(hào)；呼吸信號(hào)特征點(diǎn)提取單元用于從采集的呼吸信號(hào)中提取特征點(diǎn)；控制單元根據(jù)所述特征點(diǎn)，在該特征點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻后在所述心跳節(jié)律信號(hào)中檢測下一次心跳運(yùn)動(dòng)，并控制反饋單元發(fā)出聽覺或視覺反饋信息，以提高使用者的心肺協(xié)調(diào)性。
[0014]通過本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置和心肺耦合反饋方法，使用者可以在心肺耦合強(qiáng)度的指導(dǎo)下作特定運(yùn)動(dòng)，不斷提高心肺耦合強(qiáng)度。提高心肺系統(tǒng)協(xié)同效率。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置的第一實(shí)施方式的系統(tǒng)框圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置的第二實(shí)施方式的系統(tǒng)框圖；
[0017]圖3為本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置的實(shí)例示意圖；
[0018]圖4為本發(fā)明的心肺耦合反饋方法的第一實(shí)施例流程圖；
[0019]圖5為由心電信號(hào)包絡(luò)得到的呼吸信號(hào)的示意圖；
[0020]圖6為本發(fā)明的心肺耦合反饋方法的第二實(shí)施例流程圖；
[0021]圖7為脈搏波信號(hào)包絡(luò)得到呼吸信號(hào)的示意圖；
[0022]圖8為本發(fā)明的一種心肺耦合方法的信號(hào)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置和心肺耦合方法進(jìn)行詳細(xì)說明。下文中，心血管信號(hào)也可以稱為心血管生理信號(hào)。
[0024]如圖1所示為本發(fā)明的心肺耦合反饋裝置的第一實(shí)施方式的系統(tǒng)框圖。
[0025]圖1所示的心肺耦合反饋裝置包括:心血管信號(hào)獲取單元41、呼吸信號(hào)獲取單元42、心肺親合強(qiáng)度計(jì)算單元20、控制單元10、反饋單元30。
[0026]心血管信號(hào)獲取單元41用于獲取使用者的心血管信號(hào)。
[0027]呼吸信號(hào)獲取單元42用于獲取使用者的呼吸信號(hào)。
[0028]心肺耦合強(qiáng)度計(jì)算單元20根據(jù)所獲取的心血管信號(hào)和呼吸信號(hào)進(jìn)行耦合計(jì)算，得到心肺耦合強(qiáng)度。
[0029]控制單元10根據(jù)心肺親合強(qiáng)度控制反饋單元30，向使用者發(fā)出反饋指令。
[0030]如圖3所示，心血管信號(hào)獲取單元41和呼吸信號(hào)獲取單元42以穿戴式心肺監(jiān)測系統(tǒng)(或者胸帶)50的形式結(jié)合在一起。心血管信號(hào)具體表現(xiàn)為心電信號(hào)?？刂茊卧?0根據(jù)心肺耦合強(qiáng)度選擇引導(dǎo)音樂，向使用者播放音樂，引導(dǎo)使用者作特定運(yùn)動(dòng)，例如呼吸運(yùn)動(dòng)。圖3中，胸帶50是通過藍(lán)牙無線傳輸方式與控制單元10通信。這里，控制單元10可以是移動(dòng)終端，如平板電腦、智能手機(jī)、PC等。心肺耦合強(qiáng)度計(jì)算單元20也可以通過移動(dòng)終端來實(shí)現(xiàn)，計(jì)算得到心肺耦合強(qiáng)度，并可顯示在移動(dòng)終端的顯示器上。移動(dòng)終端根據(jù)當(dāng)時(shí)心肺耦合的強(qiáng)度值和變化趨勢，播放呼吸運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)音樂，通過引導(dǎo)呼吸運(yùn)動(dòng)，提高心肺耦合強(qiáng)度。
[0031]具體過程如圖4所示，穿戴式心肺監(jiān)測系統(tǒng)(可以以胸帶形式實(shí)現(xiàn))測得心電信號(hào)和呼吸信號(hào)。由心電信號(hào)獲得RR間期信號(hào)，通過數(shù)字濾波器濾波后，經(jīng)Hilbert變換(希爾伯特變換)得到心血管信號(hào)的相位信息。呼吸信號(hào)通過數(shù)字濾波器濾波后，經(jīng)Hilbert變換(希爾伯特變換)得到呼吸信號(hào)的相位信息。心血管信號(hào)的相位信息與呼吸信號(hào)的相位信息進(jìn)行耦合分析，得到心電耦合強(qiáng)度，這里具體為心電耦合相位同步指數(shù)，控制單元10此時(shí)可以根據(jù)該心電耦合強(qiáng)度選擇適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)模板，即選擇適合使用者當(dāng)前狀態(tài)的運(yùn)動(dòng)方式，并播放與該運(yùn)動(dòng)模板相適應(yīng)的引導(dǎo)音樂。這里，也可以是播放與該運(yùn)動(dòng)模板相適應(yīng)的視頻。通過引導(dǎo)使用者作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，提高使用者的心肺耦合程度。
[0032]本發(fā)明的另一示例中，心血管信號(hào)和呼吸信號(hào)均來自于單導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)。如圖5、6所示。圖5所示為ECG信號(hào)的QRS波的幅度受呼吸運(yùn)動(dòng)調(diào)制情況，從圖5的ECG信號(hào)中可以看到其波形幅度變化(包絡(luò))與下圖的呼吸運(yùn)動(dòng)同步，因而可以從單導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)中獲取呼吸信號(hào)(ECG derived respirat1n:EDR)。
[0033]從單導(dǎo)聯(lián)ECG信號(hào)中提取RR間期信號(hào)，從