CN104814727B - 一种非接触式的生物反馈训练方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式的生物反馈训练方法，它涉及一种基于非接触式无线生理传感器和实时监测呼吸波和心跳波的生物反馈训练方法。其步骤为：患者或训练者在使用这套***时，首先打开电脑上或智能手机上的生物反馈训练软件，然后把非接触式无线生理传感器放在自己的前方或后方。然后点击训练开始按钮，开始根据生物反馈的训练。本发明利用无线超宽带脉冲发射接收机，结合数字信号处理模块来监测生理信号，包括呼吸信号的变化和心跳信号的变化，把这些变化输入到生物反馈训练软件程序中，形成一套完成的反馈***。

Description

一种非接触式的生物反馈训练方法
技术领域
本发明涉及的是一种非接触式的生物反馈训练方法，具体涉及一种基于非接触式无线生理传感器和实时监测呼吸波和心跳波的生物反馈训练方法。
背景技术
生物反馈被称作心理生理学之镜，是患者或训练者可以用其监测并控制人体所产生的生理信号。通过生物反馈，患者或者训练者可以学会如何改变他们的一些生理模式，或者对于一些生理模式产生一些掌控力。经过***的生物反馈训练，并不断提高患者或训练者的掌控力，患者或训练者就可以改善自身人体的部分生理机能。生物反馈训练被证明对于许多疾病如哮喘，高血压，紧张性头疼，焦虑症，注意力缺陷等，都是一种有效的治疗方法。
生物反馈训练***通常用声光电，如音乐，画面对患者的刺激，引导患者做出一定的生理反应，如呼吸的改变，心跳的改变，脑电的活动，尤其是交感神经和副交感神经的一些变化，然后利用电子传感器无创性地检测生理信号，根据生理信号的变化，进一步改变刺激信号，或者去掉刺激信号，由患者或训练者自主控制自己的一些反应，从而达到自己调节和掌控自己生理信号反应的训练目的。
而传统的方法需要使用传统的呼吸检测仪器和心电图仪，都是接触式的，对人体生理和神经***的影响和干涉多，使用很不方便。
发明内容
针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种非接触式的生物反馈训练方法，利用无线超宽带脉冲发射接收机，结合数字信号处理模块来监测生理信号，包括呼吸信号的变化和心跳信号的变化，把这些变化输入到生物反馈训练软件程序中，形成一套完成的反馈***。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种非接触式的生物反馈训练***，包括安装在电脑上或智能手机的生物反馈程序软件，以及可以实时采集呼吸信号变化和心率信号变化的非接触式无线生理传感器，所述的无线生理传感器采用蓝牙或者无线局域网wifi与安装有生物反馈***的电脑或智能手机连接。
所述的一种非接触式的生物反馈训练方法，其步骤为：患者或训练者在使用这套***时，首先打开电脑上或智能手机上的生物反馈训练软件，然后把非接触式无线生理传感器放在自己的前方或后方。然后点击训练开始按钮，开始根据生物反馈的训练。
所述的生物反馈训练程序软件，包括提示模块、反馈模块和课程管理模块，提示模块，主要实现了一个呼吸节拍器，一个多媒体播放器。
呼吸节拍器主要在生物反馈电脑软件或者生物反馈智能手机APP上的用户界面显示一个动态变化的呼吸提示器，一个滚动的球沿着一个抛物线滚动，在滚动的上升期表示吸气，在下降期表示呼气，从而提示患者或训练者根据呼吸节拍器的提示来呼气和吸气。
多媒体播放器可以播放预先设置好的美妙音乐或美好画面，交替进行，提示患者或训练者根据提示，调节自己的呼吸和情绪。
呼吸节拍器和多媒体播放器的滚动或播放的频率和节奏，会根据反馈模块从非接触无线生理传感器发过来的生理信号变化，进行实时调整。最终这个频率会根据患者情况调整到其对应的生理共振频率，并且在这一状态保持一段时间，从而达到反馈和训练的目的。
反馈模块是控制整个生物反馈训练过程的中枢控制模块，包括产生提示模块中呼吸节拍器的播放频率，播放多媒体文件的节奏和频率，根据从无线生理传感器接收到的呼吸信号变化和心跳信号变化，调整呼吸节拍器的滚动频率，调整多媒体文件的播放频率和内容。反馈模块包含有一个用户界面，实时向用户显示用户随时间变化的训练所得分数，如果分数达到标准，用颜色向用户提示继续保持，如果分数未达标，也用颜色向用户提示未达标。用户会更加严格地按照提示界面的提示在调整呼吸和情绪。无线生理传感器会检测患者或训练人的呼吸波形和心跳波形，并用蓝牙或者wifi传给反馈模块。
训练所得分数的计算和跟踪是一个含有自反馈的过程，具体流程方法为：
1、实时计算HRV能量: 心跳波形的相邻峰值点间隔与心电图RR波间隔一致。就根据RR波间隔产生的数字序列，按照心率变异性HRV的计算公式，计算HRV的各项时域指标和频域指标。时域指标主要包括均值，总体标准差，均值标准差等统计变量，频域指标主要包括总能量TF，甚低频能量VLF, 低频能量LF, 高频能量HF。
HRV总功率（TF）：TF = VLF + LF + HF
2、根据呼吸波形计算呼吸率，如果患者的呼吸率大于呼吸节拍器的频率，调低呼吸节拍器的频率，否则调高。
3、如果调低提示的呼吸节拍器频率后，HRV能量的LF/TF的比例提高，则继续调低，直到LF/TF的比例稳定，则这时的呼吸频率为共振频率。
4、以共振频率（RF±0.5 BPM）呼吸，尽量提升（LF/TF），LF/TF比例越高，分数越高。一般LF/TF的比例超过35%为达标。这个阈值可以提高，以调高训练难度。
课程管理模块会根据患者或训练者以前多次训练的分数记录的曲线，设计患者或训练者本次训练的默认阈值和默认呼吸频率。
所述的非接触式无线生理传感器，由无线超宽带脉冲发射和接收机、数字信号处理模块组成，无线超宽带脉冲发射和接收机均与数字信号处理模块相连。超宽带窄脉冲射频信号在遇到一个静止的人体时，随时间变化，不同的人体部位对无线信号的发射产生不同的回波，因为不同区域与发射和接收天线的相对距离不同，所以在不同时延上产生不同的回波。回波距离与时延的相对关系可以用以下公式来代表：
ΔL = Dt + Dr = cτ
其中τ为从脉冲发出到收到脉冲的时延，c 为光速。所以不同的时延的回波对应了人体不同部位的反射。
无线接收电路接收回波，回波信号经过增益为25db 的低噪放，进入一个具有512个不同时延器控制的快时间扫描式延时采样器，在一个时间点，扫描采样器得到512 个数据，这512 个数据分别代表了体内不同位置点的发射强度。在慢时间采样时钟的控制下，就采样到随着时间变化的各个位置的回波强度。把采集的回波强度，进行模数转换，就得到了一个有慢时间和快时间的二维数字采样序列，输入到数字信号处理模块。静止人体的呼吸波波形和心跳波波形具有周期性变化的特点，采用弱信号滤波和小波复原的方法，来提取出呼吸波和心跳波。
本发明的有益效果：利用无线超宽带脉冲发射接收机，结合数字信号处理模块来监测生理信号，包括呼吸信号的变化和心跳信号的变化，把这些变化输入到生物反馈训练软件程序中，形成一套完成的反馈***。这种***方法，不需要使用传统的呼吸检测仪器和心电图仪，因为是非接触式，对人体生理和神经***的影响和干涉少，容易普及，具有很多传统方法不具备的优势。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；
图1为本发明的***框图；
图2为本发明的非接触式无线生理传感器的结构框图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参照图1-2，本具体实施方式采用以下技术方案：一种非接触式的生物反馈训练***，包括安装在电脑上或智能手机的生物反馈程序软件1，以及可以实时采集呼吸信号变化和心率信号变化的非接触式无线生理传感器2，所述的无线生理传感器采用蓝牙或者无线局域网wifi与安装有生物反馈***的电脑或智能手机连接。
所述的一种非接触式的生物反馈训练方法，其步骤为：患者或训练者在使用这套***时，首先打开电脑上或智能手机上的生物反馈训练软件，然后把非接触式无线生理传感器放在自己的前方或后方。然后点击训练开始按钮，开始根据生物反馈的训练。
本具体实施方式的呼吸波信号的提取：首先本***采用在慢时间和快时间平均滤波的方法去除无线信号传播中的各种噪声干扰。公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
N 和M 分别为在快时间和慢时间的平滑时间窗长度。
呼吸波信号的幅度和频率有一定规律性的变化，所以采用小波分解和滤波的方法，来复原出呼吸波信号，小波变化的公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE004
T 为观测时间窗。Y(t)为Y(N,t)在以回波幅度最大的快时间中心点上下M 个点的多个值的平均值。ω 为小波基函数。因为呼吸波信号处于低频区域，滤去高频小波分量，然后采用小波逆变换，就可以提取出呼吸波的波形。
本具体实施方式的心跳波信号的提取：心跳引起的心脏组织及瓣膜的起伏与呼吸引起的胸部起伏相比，幅度要小得多。心跳波的幅度也微弱得多。除了采用呼吸波信号的提取中的快时间和慢时间滑动平均法去除噪声干扰及杂散干扰外，还要去除呼吸波信号对心跳信号的影响。呼吸波信号包括上身轻微提供信号，呈现出周期性的慢变化，从采集到的回波信号中个，采用多参数二阶正余弦曲线的方法，先复原出呼吸和身体微动信号，然后再用原始信号相减来去除，处理公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE006
（4）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
（5）
从a0 到a4 为根据Y(N, t)估计的拟合参数。
因为心跳波的幅度太小，采用短时相关的方法来增强心脏搏动的回波信号，
处理公式为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
T 为短时相关的时间窗，通常选用一个心跳周期长度的5 倍。
用小波滤波和复原的方法来滤去其他分量，提取心跳波分量。采用小波滤波方法是因为它是一种能够在时域同时进行多分辨率滤波和分解的方法，具有更强的时空分辨率。采用的小波基函数为可调参数的Morlet 函数。
Figure DEST_PATH_IMAGE012
(7)
其中β因子用于调整时间分辨率和频率分辨率之间的平衡。调整􀟚使得频率分辨率达到0.1hz，以精确地提取心脏搏动波的分量。
对于U(N,t)经过小波变换后的Wf(s,b), 衰减呼吸波的从呼吸波的2 次到4 次谐波6范围内分量80%，得到
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，然后通过小波逆变换来重构，复原心跳波信号。
本具体实施方式蓝牙和wifi 传输：从数字信号处理模块输出的呼吸波和心跳波的数字序列，在经过数字压缩后，经过蓝牙或wif 传给电脑或智能手机上的生物反馈程序，用于实时监测生理指标，并计算HRV 能量和呼吸率变化等，作为生物反馈模块的算法输入数据。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种非接触式的生物反馈训练***，其特征在于，包括安装在电脑上或智能手机的生物反馈程序软件，以及可以实时采集呼吸信号变化和心率信号变化的非接触式无线生理传感器，所述的无线生理传感器采用蓝牙或者无线局域网wifi与安装有生物反馈***的电脑或智能手机连接；
所述的生物反馈训练程序软件，包括提示模块、反馈模块和课程管理模块，提示模块，主要实现了一个呼吸节拍器，一个多媒体播放器；
呼吸节拍器主要在生物反馈电脑软件或者生物反馈智能手机APP上的用户界面显示一个动态变化的呼吸提示器，一个滚动的球沿着一个抛物线滚动，在滚动的上升期表示吸气，在下降期表示呼气，从而提示患者或训练者根据呼吸节拍器的提示来呼气和吸气；
多媒体播放器可以播放预先设置好的美妙音乐或美好画面，交替进行，提示患者或训练者根据提示，调节自己的呼吸和情绪；
呼吸节拍器和多媒体播放器的滚动或播放的频率和节奏，会根据反馈模块从非接触无线生理传感器发过来的生理信号变化，进行实时调整；最终这个频率会根据患者情况调整到其对应的生理共振频率，并且在这一状态保持一段时间，从而达到反馈和训练的目的；
反馈模块是控制整个生物反馈训练过程的中枢控制模块，包括产生提示模块中呼吸节拍器的播放频率，播放多媒体文件的节奏和频率，根据从无线生理传感器接收到的呼吸信号变化和心跳信号变化，调整呼吸节拍器的滚动频率，调整多媒体文件的播放频率和内容；反馈模块包含有一个用户界面，实时向用户显示用户随时间变化的训练所得分数，如果分数达到标准，用颜色向用户提示继续保持，如果分数未达标，也用颜色向用户提示未达标；用户会更加严格地按照提示界面的提示再调整呼吸和情绪；无线生理传感器会检测患者或训练人的呼吸波形和心跳波形，并用蓝牙或者wifi传给反馈模块；
课程管理模块会根据患者或训练者以前多次训练的分数记录的曲线，设计患者或训练者本次训练的默认阈值和默认呼吸频率；
所述的非接触式无线生理传感器，由无线超宽带脉冲发射和接收机、数字信号处理模块组成，无线超宽带脉冲发射和接收机均与数字信号处理模块相连；超宽带窄脉冲射频信号在遇到一个静止的人体时，随时间变化，不同的人体部位对无线信号的发射产生不同的回波，无线接收电路接收回波，回波信号经过增益为25db 的低噪放，进入一个具有512个不同时延器控制的快时间扫描式延时采样器，在一个时间点，扫描采样器得到512 个数据，这512 个数据分别代表了体内不同位置点的发射强度；在慢时间采样时钟的控制下，就采样到随着时间变化的各个位置的回波强度；把采集的回波强度，进行模数转换，就得到了一个有慢时间和快时间的二维数字采样序列，输入到数字信号处理模块；静止人体的呼吸波波形和心跳波波形具有周期性变化的特点，采用弱信号滤波和小波复原的方法，来提取出呼吸波和心跳波；
其中，提取呼吸波信号的方法包括：采用慢时间和快时间平均滤波方法去除无线信号传播中的各种噪声干扰，对去噪后的信号进行小波分解，由于呼吸波信号处于低频区域，滤去高频小波分量，进而通过小波逆变换以提取呼吸波的波形；
提取心跳波信号的方法包括：针对心跳引起的心脏组织及瓣膜的起伏的幅度远小于呼吸引起的胸部起伏幅度，则利用快时间和慢时间平均法去除噪声干扰之后，采用多参数二阶正余弦曲线的方法复原出呼吸和身体微动信号，并利用去噪后的信号减去复原出的呼吸和身体微动信号，去除呼吸引起的噪声干扰后，采用短时相关方法进行信号增强，为了滤除其他干扰信号，采用小波基函数为可调参数的Morlet函数对增强后的信号进行小波变换，并对小波变换后得到的信号衰减呼吸波的2次到4次谐波范围内分量80%，并通过小波逆变换来重构复原心跳波信号。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式的生物反馈训练***，其特征在于，训练所得分数的计算和跟踪是一个含有自反馈的过程，具体流程方法为：
(1)、实时计算HRV能量: 心跳波形的相邻峰值点间隔与心电图RR波间隔一致；就根据RR波间隔产生的数字序列，按照心率变异性HRV的计算公式，计算HRV的各项时域指标和频域指标；时域指标主要包括均值，总体标准差，均值标准差等统计变量，频域指标主要包括总能量TF，甚低频能量VLF, 低频能量LF, 高频能量HF,
HRV总功率TF：TF = VLF + LF + HF；
(2)、根据呼吸波形计算呼吸率，如果患者的呼吸率大于呼吸节拍器的频率，调低呼吸节拍器的频率，否则调高；
(3)、如果调低提示的呼吸节拍器频率后，HRV能量的LF/TF的比例提高，则继续调低，直到LF/TF的比例稳定，则这时的呼吸频率为共振频率；
(4)、以共振频率RF±0.5 BPM呼吸，尽量提升LF/TF，LF/TF比例越高，分数越高；LF/TF的比例超过35%为达标；这个阈值可以提高，以调高训练难度。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式的生物反馈训练***，其特征在于，使用所述的一种非接触式的生物反馈训练***的步骤为：患者或训练者在使用这套***时，首先打开电脑上或智能手机上的生物反馈训练软件，然后把非接触式无线生理传感器放在自己的前方或后方；然后点击训练开始按钮，开始进行生物反馈的训练。
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