汤黎明，钟添萍，朱兴喜，林燕，徐静怡，樊伟

1.南京军区南京总医院 医学工程科，江苏 南京 210002 ；2.南京军区卫生部，江苏 南京 210016

定量式心率变异性信号处理仪的研制

汤黎明1，钟添萍1，朱兴喜1，林燕1，徐静怡1，樊伟2

1.南京军区南京总医院 医学工程科，江苏 南京 210002 ；2.南京军区卫生部，江苏 南京 210016

目的 为克服以往利用作业法、投射法和量表法对心理状态的定性评价模式，易受评价者的主观影响，研制了一种定量式心率变异性信号处理仪。方法 根据最新理论研究，人的情绪状态是交感神经和副交感神经两个分支共同作用的结果，因此，利用该理论分析心率变异性（HRV）是评价人的自主神经系统的一种最具信赖的方法。该信号仪由发射系统和接收系统两部分组。结果 经过测试，该仪器可对被测者的情绪心理状态数据成功地采集和接收，且数据经处理后，被检测者的评价数据报告即显示在终端显示器上，同时心率变异性的大小也反馈到头带的指示灯上，以反应心理状态的好、中、差。结论 利用人的心率变异性差异的定量分析，实时反映个体心理状态情绪，较之以往以人为主的评价有了进步。

心率变异性信号处理仪；心率变异性；发射系统；接收系统

0 前言

以往对心理状态评价采用作业法、投射法和量表法，其定性评价模式易受评价者经历、学识、心情状态等主观因素及被检测者抽样数据的局限性影响。为此，我们利用心率变异性(Heart Rate Variability，HRV)生理指标，如自主神经系统活性和平衡程度、血压状况和心血管系统功能的量化等参数，研制出一种定量式心率变异性信号处理仪，用于客观有效地评价个体的情绪心理状态。其工作原理介绍如下。

1 工作原理

人的自主神经体统是外周传出神经系统的一部分，分布于内脏，能调节内脏和血管平滑肌、心肌以及腺体等活动。自主神经系统可分为交感神经和副交感神经两部分，具有调节机体不平衡状态、维持相对动态平衡的作用。根据最新理论研究，个体的情绪状态是交感神经和副交感神经两个分支共同作用的结果。其中，交感神经过于兴奋使个体容易亢奋和焦虑，而副交感神经系统过于兴奋使个体容易抑郁和消极，两者的平衡有助于使个体达到良好的情绪状态，而任何一方的过度兴奋都会打破系统平衡，带来情绪的负面体验。因此，可通过评价自主神经系统功能来分析个体的情绪状态和心理状况。利用该理论，分析心率变异性（HRV）是评价自主神经系统的一种最具信赖的方法。心率变异性的大小实质上是反映神经体液因素对窦房结的调节作用，即反映自主神经系统的交感神经活性与迷走神经活性及其平衡协调的关系。在迷走神经活性增高或交感神经活性见底时，心率变异性增高，反之，则相反。

2 结构设计

2.1 结构框图

该信号仪由发射系统和接收系统两部分组成，其结构框图，见图1。

图1 心率变异性信号处理仪结构框图

发射系统负责对人体心率脉搏信号的采集、调制处理和发射。接收系统负责对接收到的信号调制、解调，进行分析处理，从中甄选出有用的心率信号，送至计算机系统进行处理，并将结果以图表、文字和信号指示方式提供给医护人员，达到量化评价的目标。

2.2 发射器

考虑到进行心率脉搏信号采集过程中，被检测者的流动性和随意范围较大，若通过有线方式进行信号检测采集，极大地限制了信号采集的方便性和随意性，所以我们采用了被检测者佩戴发射器设计，使检测者可以不受地点、时间的影响，随时随地都可进行信号采集。其原理是，将发射系统集成在一个头带结构内，通过头带戴在头部的耳夹夹住右侧耳垂，与头带额部、皮肤接触电极形成脉搏信号采集回路。耳夹上的脉搏传感器，采集脉搏波信号，送到调制器，在调制过程中，电路将较低频率的心率脉搏信号，调制到能够用于发射的较强的调制信号，通过无线电的方式发送出去。为了保持耳夹夹点与头带额部及皮肤接触电极的接触状态良好，设计了阻抗匹配检测回路，以保证信号采集的可靠性。为了让被检测者及时了解到检测过程中的心理状态和定量式心率变异性信号处理仪的工作状态，在发射系统部位还安排了指示接收电路和心理状态显示指示灯，将经过计算机处理后反馈回来的心率变异性状态参数的数值大小显示出来，以提醒被检测者及时调整心理状态。

2.3 接收系统

首先，将接收到的各种信号进行甄别、筛选，选出由心率检测发射器发出的信号，并对信号进行解调；再将解调后的心率信号，通过解码器，得到被检测者的心率信号，经B/A转换还原成用来进行计算机处理的数字信号。计算机处理软件通过对接收到的心率脉搏信号进行运算、比较、分析、处理，得到被检测者的情绪心理状态评价数据，并在终端显示器上显示出个体评价数据报告（图2）。同时把心率变异性的大小反馈到头带的指示灯上，指示灯的绿、蓝、红3种颜色分别代表心理状态的好、中、差。

图2 个体评估数据报告

2.4 发射接收波段设计

定量式心率变异性信号处理仪，由于利用无线发射器设计，极大地方便被测者的使用，被检测者只要在头上戴一个灵巧的头带就可以展开信号采集，并且不影响被测者的学习、运动等正常活动。在计算机处理过程中，我们采用并联、同步方式，将被检测者的信号发射分别设为不同的频率波段，接收器也与其对应的设置不同的接收波段，目前可同时对20路接受信号进行同步处理，且一个处理周期仅为5~10 min。

3 结果

定量式心率变异性信号处理仪利用短期测量方式，可有效地对自主神经功能水平进行分析。通过本仪器对个体的心率变异性生理指标处理发现，心率变异性越低，个体的情绪心理状态越差，其个体的心理素质也就越低；相反，心率变异性越高，心理素质也就越好。但由于个体的状态影响因素较多，心率变异反映的只是自主神经作用的一个部分。因此，在这一领域将需要更深入的研究探讨，使用更多的生理指标来反映心理状态，能够更加准确地评估心理素质。

4 讨论

利用心率变异性差异的定量分析能够较好地、实时反映个体心理状态情绪，较之以往以人为主的评价有了进步，然而仅凭这一项定量指标评价具有较大的偶然性。除心率变异性外还有表面肌电信号定量指标，人体脉氧定量指标，胃电信号定量指标等，都可反映个体心理状态情绪。人体电生理参数定量指标获得越多，越能接近真实反映个体心理状态情绪，有待临床工程人员进一步研究探索。

[1] 王步青,王卫东.心率变异性分析方法的研究进展[J].北京生物医学工程,2007,(5):105-108.

[2] 李延军,严洪,杨向林,等.基于心率变异性的精神疲劳的研究[J].中国生物医学工程学报,2010,29(1):1-6.

[3] 张正刚,梁妃学.家庭睡眠监测仪的研制[J].中国医疗设备,2009,24(11):28-29.

[4] 阎克乐,张文彩,张月娟,等.心率变异性在心身疾病和情绪障碍研究中的应用[J].心理科学进展,2006,14(2):261-265.

[5] 陈洪波,刘仁光.心率变异性分析临床应用研究近况[J].新医学,2010,41(6):407-410.

[6] 金安,安刚,等.无线心电检测系统的设计[J].中国医疗设备,2009,24(11):30-31.

[7] 王硕,汪封,周平.便携式无线十二导心电图仪的设计[J].中国医疗设备,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

国家自然科学基金天元基金资助项目（10926193）。本文作者：汤黎明，医学工程科主任，高级工程师，教授，博士生导师。

作者邮箱：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