本發(fā)明屬于心理疾病的診斷領(lǐng)域，具體涉及一種基于心音HRV理論的精神壓力分析方法。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代社會，隨著工作、生活節(jié)奏越來越快，現(xiàn)代人所面臨的心理壓力也越來越大。據(jù)國家衛(wèi)計委統(tǒng)計報告，截止2015年年底，中國患精神疾病的人數(shù)已超過心血管病，躍居我國疾病患者的首位。

心理壓力是造成亞健康的主要原因。壓力過大、過多會損害身體健康。心理壓力不能及時釋放，就會造成精神疾患。壓力過大會導(dǎo)致身體亞健康，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致直接的發(fā)病，壓力是我們身邊最大的健康殺手。

然而在調(diào)查中超過40％的人不采取任何措施。社會學(xué)家指出現(xiàn)在人們壓力都很大，很多人都不知道怎么排解。對于現(xiàn)在這種情況，急需一種能夠直觀檢測和分析人體精神狀態(tài)和疲勞程度的儀器，可以對受試者的精神壓力進(jìn)行檢測，使用戶能夠?qū)颊叩木駹顟B(tài)有一個深入和明確的了解，并根據(jù)患者精神狀態(tài)給與相應(yīng)建議。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出了一種能夠直觀檢測和分析人體精神狀態(tài)和疲勞程度的設(shè)備，可以對受試者的精神壓力進(jìn)行檢測，使用戶能夠?qū)颊叩木駹顟B(tài)有一個深入和明確的了解基于心音HRV理論的精神壓力分析系統(tǒng)。

為此，本發(fā)明一種基于心音HRV理論的精神壓力分析系統(tǒng)，系統(tǒng)由心音信號采集模塊，無線通信模塊以及PC端系統(tǒng)平臺組成。

心音信號采集模塊與PC端系統(tǒng)平臺連接，利用電式傳感器將使用者的胸壁傳出來的心音波動信號直接通過壓敏元件傳遞到換能元件上，然后對采集到的心音信號進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，并傳輸至PC端系統(tǒng)平臺，進(jìn)行處理；

無線通信模塊與PC端系統(tǒng)平臺相連接，并以無線方式在心音采集模塊和PC端系統(tǒng)平臺之間傳輸數(shù)據(jù)；

PC端系統(tǒng)平臺用于分析心音采集模塊輸入的數(shù)據(jù)，還原心音信號，利用心音提取HRV的自適應(yīng)算法得到HRV，并對HRV采用多種算法進(jìn)行處理，同時在頻域和時域進(jìn)行分析，獲取精神壓力的主要指標(biāo)。

上述利用心音提取HRV的自適應(yīng)算法得到HRV，具體包含以下步驟

①對心音信號進(jìn)行重采樣，每隔一定的點數(shù)取一個點，在保證不混疊的情況下，降低了數(shù)據(jù)量，有利于后續(xù)的處理；

②使用切比雪夫Ⅰ型低通濾波器，濾除低頻分量，設(shè)置截止頻率；

③使用高通濾波器消除由低通濾波器帶來的基漂，設(shè)置在截止頻率；

④對上述信號進(jìn)行微分操作，使得正負(fù)半軸的幅值近乎相等；

⑤對信號進(jìn)行平方及加窗取平均操作，平方旨在將幅值為負(fù)的信號變?yōu)榉禐檎男盘?，加窗取平均旨在對平方后的信號進(jìn)行平滑處理，其傳遞函數(shù)為：

式中32為加窗的點數(shù)；

⑥定位S1波峰，心音信號有2個明顯的峰值分別為S1峰值和S2峰值，由于S1峰值幅度更高，將S1峰作為要檢測的峰值，并將S1峰值的定位繪制成圖；

⑦閾值設(shè)定及判定，閾值設(shè)定根據(jù)當(dāng)前檢測到的峰值屬性，采用自適應(yīng)迭代法，當(dāng)前檢測到峰值定位為peak(i)時，更新T(i):

式中，N為定位的峰值總數(shù)；

⑧根據(jù)最終確定的S1峰值，確定心動周期，繪制為IBI(Inter-Beat Interval)文件，存放測試者心動周期序列。

進(jìn)一步，上述步驟①中所述一定的點數(shù)優(yōu)選為15。

進(jìn)一步，步驟②中的截止頻率為150Hz，步驟③中的截止頻率為630Hz。

為確保采集的效果，采集心音的時間持續(xù)3-5分鐘。

上述精神壓力的主要指標(biāo)包含時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)，時域指標(biāo)包括心動周期，總體標(biāo)準(zhǔn)偏差，平均心率，心率標(biāo)準(zhǔn)差以及連續(xù)間隔標(biāo)準(zhǔn)差；頻域指標(biāo)包括總能量TP、低頻成分LF、高頻成分HF和低頻/高頻比例、低頻功率與高頻功率之比LF/HF，高頻能量密度值以及低頻能量密度值。

根據(jù)所述時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)，從自主神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性、抗壓能力、壓力指數(shù)、疲勞指數(shù)5個方面分析用戶的精神壓力狀態(tài)，生成最終的分析報告。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

①目前沒有從心音信號中提取心率變異性的算法，本發(fā)明提出了一種從心音提取HRV的自適應(yīng)算法，該算法計算精度高、魯棒性好，實際使用效果達(dá)到預(yù)期要求。

②本發(fā)明與專業(yè)檢測設(shè)備的結(jié)果基本一致，成本僅有國外同類產(chǎn)品的百分之一，使用簡單，操作方便，功能齊全具備大規(guī)模推廣的可能性。相比于心電精神壓力分析儀、本發(fā)明使用方便、操作簡單、功能齊全，特別是成本低，適合在基層醫(yī)療單位、家庭、學(xué)校和個人中推廣使用。

附圖說明

圖1為系統(tǒng)框圖。

圖2為心音提取HRV的自適應(yīng)算法流程圖。

圖3為微分后的心音信號。

圖4為平方及加窗取平均后的心音信號。

圖5為S1峰值定位。

圖6為取閾值后的S1峰值定位。

圖7為HRV能量頻譜圖。

具體實施方式

現(xiàn)結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式做進(jìn)一步詳盡的說明。

本發(fā)明提出的一種基于心音HRV理論的精神壓力分析系統(tǒng)主要由心音信號采集模塊，無線通信模塊以及PC端系統(tǒng)平臺組成。系統(tǒng)框圖如附圖1所示

心音信號采集模塊，采用的是一款肩戴式無線心音采集器，與pc端系統(tǒng)平臺連接。利用電式傳感器將胸壁傳出來的心音波動信號直接通過壓敏元件傳遞到換能元件上，然后對采集到的心音信號進(jìn)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，并傳輸至PC端系統(tǒng)平臺，進(jìn)行處理。信號采集的時間為3分鐘。

無線通信模塊與PC端相連接，并以無線方式在心音采集模塊和PC端系統(tǒng)平臺之間傳輸數(shù)據(jù)。

PC端系統(tǒng)平臺，與無線通訊模塊連接，用于分析心音采集模塊輸入的數(shù)據(jù)，還原心音信號，并從心音信號中提取HRV，并對HRV采用多種算法進(jìn)行處理，同時在頻域和時域進(jìn)行分析，獲取11項主要指標(biāo)對其中8個主要特征指標(biāo)進(jìn)行圖形化表示，從自主神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性、抗壓能力、壓力指數(shù)、疲勞指數(shù)這5個方面分析用戶的精神壓力狀態(tài)，得到最終的分析報告。

基于心音HRV理論的精神壓力分析方法如下：

(1)解析心音采集器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，還原出心音信號，對信號進(jìn)行濾波和放大，得到心音信號。

(2)利用心音提取HRV的自適應(yīng)算法得到HRV，算法流程圖如附圖2如附圖2所示，算法包含以下步驟

①對心音信號進(jìn)行重采樣，每隔15個點取一個點，在保證不混疊的情況下，降低了數(shù)據(jù)量，有利于后續(xù)的處理；

②使用切比雪夫Ⅰ型低通濾波器，濾除低頻分量，截止頻率設(shè)置在150Hz

③使用高通濾波器消除由低通濾波器帶來的基漂，截止頻率設(shè)置在630Hz

④對信號進(jìn)行微分操作，使得正負(fù)半軸的幅值近乎相等，得到的心音處理后的信號如附圖3所示。

⑤對信號進(jìn)行平方及加窗取平均操作。平方旨在將幅值為負(fù)的信號變?yōu)榉禐檎男盘?。加窗取平均旨在對平方后的信號進(jìn)行平滑處理，處理后的心音信號如如圖4所以，其傳遞函數(shù)為：

式中32為加窗的點數(shù)；

⑥定位S1波峰。心音信號有2個明顯的峰值分別為S1峰值和S2峰值。由于S1峰值幅度更高，這里將S1峰作為要檢測的峰值。并將S1峰值的定位繪制成如附圖5所示。

⑦閾值設(shè)定及判定。閾值設(shè)定采用自適應(yīng)迭代法，根據(jù)當(dāng)前檢測到的峰值屬性。當(dāng)前檢測到峰值定位為peak(i)時，更新T(i):

式中，N為定位的峰值總數(shù)，更新后的峰值定位為附圖6中紅線以上部分；

⑧根據(jù)最終確定的S1峰值，確定心動周期，繪制為IBI文件，存放的是測試者心動周期序列。

(3)對HRV進(jìn)行頻域和時域分析，得到時域指標(biāo)和頻域指標(biāo)。

①通過統(tǒng)計學(xué)的方法分析心率變異性的變化趨勢，得到時域指標(biāo)，可以概括性的評估自主神經(jīng)系統(tǒng)對心率的調(diào)控作用。時域指標(biāo)包括心動周期，總體標(biāo)準(zhǔn)偏差SDNN，平均心率，心率標(biāo)準(zhǔn)差以及連續(xù)間隔標(biāo)準(zhǔn)差RMSSD。

平均心動周期計算公式為

標(biāo)準(zhǔn)偏差SDNN計算公式為

平均心率計算公式為HR＝60*1000/meanSS

心率標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為

連續(xù)間隔標(biāo)準(zhǔn)差RMSSD計算公式為

其中，N為心搏總數(shù)；SS_i為第i個S1峰值間期；meanSS為N個S1峰值間期的平均值

②頻域分析法是采用一種經(jīng)典的功率譜估計理論--Welch周期圖法，得到頻域指標(biāo)。包括總能量TP、低頻成分LF、高頻成分HF和超低頻成分VLF、低頻功率與高頻功率之比LF/HF，高頻能量密度值HF(n.u.)以及低頻能量密度值LF(n.u.)。

對HRV的SS間期序列進(jìn)行自回歸AR模型的現(xiàn)代譜估計，定量描述HRV的能量分布情況。通過Welch算法得到AR功率譜密度曲線，如附圖7所示。

總功率TP：指所有頻率范圍內(nèi)各個功率分量的總和是自主神經(jīng)系統(tǒng)的整體活性狀態(tài)，表示自主神經(jīng)對機(jī)體的調(diào)節(jié)能力。其計算表達(dá)式為：

高頻功率HF：主要體現(xiàn)迷走神經(jīng)的活性，與呼吸運動相關(guān)，一般在呼吸緩慢或深呼吸時有過度升高的現(xiàn)象。其計算表達(dá)式為：

低頻功率LF：自主神經(jīng)系統(tǒng)的傳出神經(jīng)，受交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的雙重影響，主要體現(xiàn)交感神經(jīng)的活性。其計算表達(dá)式為：

超低頻功率VLF：主要代表交感神經(jīng)張力，與體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)密切相關(guān)，與血管運動、激素相關(guān)的心肺功能也有關(guān)聯(lián)。其計算表達(dá)式為：

低頻功率與高頻功率之比LF/HF：反映自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)和迷走神經(jīng)的復(fù)雜度

高頻能量密度值HF(n.u.)：代表自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)系統(tǒng)，其計算表達(dá)式為LF(n.u.)＝LF/(LF+HF)×100％

低頻能量密度值HF(n.u.)：代表自主神經(jīng)系統(tǒng)的副交感神經(jīng)系統(tǒng)，其計算表達(dá)式為HF(n.u.)＝HF/(LF+HF)×100％

(4)分析測試者的精神壓力狀態(tài)。包括以下5個指標(biāo)：自主神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性、抗壓能力、壓力指數(shù)、疲勞指數(shù)。

自主神經(jīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性由交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)的比值確定，交感和副交感比例失衡時，自主神經(jīng)系統(tǒng)的平衡性暫時破壞，會帶來一系列精神問題。

自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性由低頻能量LF和高頻能量HF確定，是指測試者當(dāng)前機(jī)體調(diào)節(jié)能力的高低。

抗壓能力是指機(jī)體能否適應(yīng)環(huán)境變化或各種壓力的刺激，維持其內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定的能力。HRV減少的意義是，心率能動性變異的復(fù)雜性減少，說明機(jī)體對環(huán)境變化的適應(yīng)能力減少，也就是機(jī)體抗壓能力減少。

壓力指數(shù)由心動周期和心率的偏差確定，是指當(dāng)前測試者所處的精神壓力狀態(tài)。

疲勞指數(shù)由自主神經(jīng)系統(tǒng)的活性確定，自主神經(jīng)活性低下，承受壓力越重，疲勞指數(shù)越高，而導(dǎo)致身體上、精神上的疲勞。

(5)根據(jù)分析得出的測試者精神壓力狀態(tài)，得出最終的分析報告。并具備打印功能，測試者可以將分析報告打印出來。壓力分析報告與測試者信息以及包含測試者心動周期序列的IBI文件都會保存在數(shù)據(jù)庫中，方便隨時查看。