【作 者】鐘添萍，湯黎明，2＊

1 南方醫(yī)科大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，廣州，510515

2 南京軍區(qū)南京總醫(yī)院醫(yī)學(xué)工程科，南京，210002

0 引言

當前，許多研究者根據(jù)心理學(xué)和生理學(xué)，設(shè)計了市場上所見的生物反饋儀來評估訓(xùn)練個體的心理狀態(tài)[1]。但這些儀器多為有線系統(tǒng)，復(fù)雜的設(shè)備和連線都給病人和心理醫(yī)生帶來了不便，且只能進行單獨評估，也不利于具體的實際訓(xùn)練。而ZigBee 技術(shù)是目前典型的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，有著高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本以及高安全性等諸多優(yōu)點[2]。為了適應(yīng)實際訓(xùn)練需求，實現(xiàn)心理狀態(tài)評估訓(xùn)練的無線傳輸和多人評估，本文設(shè)計了一種基于Zigbee技術(shù)的心理狀態(tài)測試儀。

1 測試原理及方法

1.1 測試原理

最新研究表明，個體的情緒狀態(tài)是由人體自主神經(jīng)系統(tǒng)的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)兩個分支共同作用的結(jié)果。交感神經(jīng)過于興奮使個體容易亢奮和焦慮，而副交感神經(jīng)系統(tǒng)過于興奮使個體容易抑郁和消極，兩者的平衡有助于使個體達到良好的情緒狀態(tài)，而任何一方的過度興奮都會打破系統(tǒng)平衡，帶來情緒的負面體驗[3]。因此，可以通過評價自主神經(jīng)系統(tǒng)的功能，來分析個體的情緒狀態(tài)和心理狀況。大量研究表明，分析心率變異性（Heart Rate Variability，HRV）是評價自主神經(jīng)系統(tǒng)的最具信賴的一種方法[4-5]。心率變異性的大小實質(zhì)上是反映神經(jīng)體液因素對竇房結(jié)的調(diào)節(jié)作用，即反映自主神經(jīng)系統(tǒng)交感神經(jīng)活性與副交感神活性及其平衡協(xié)調(diào)的關(guān)系。在副交感神活性增高或交感神經(jīng)活性降低時，心率變異性增高，反之則相反，因此通過分析心率變異性可以反映出個體的情緒狀態(tài)和心理狀態(tài)。

心率變異性是指瞬時心率或瞬時心動周期的微小變化，即逐次心跳R-R間期瞬時心率不斷波動的現(xiàn)象。而逐次心跳的R-R間期與脈搏波信號內(nèi)的峰峰間距是相等的（只是脈搏信號比心跳信號稍微滯后），因此可以通過采集脈搏波信號來分析心率變異性，進一步分析個體心理狀態(tài)。

1.2 測量方法

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件電路的實現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示，由脈搏波傳感器、預(yù)處理電路、Zigbee終端節(jié)點、Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)、無線路由基站及上位機主機PC構(gòu)成。通過一個脈搏波傳感器采集人體的脈搏波信號，經(jīng)過放大濾波電路對脈搏波信號進行放大濾波；再對脈搏波信號進行A/D轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號傳輸?shù)絑igBee終端節(jié)點；由無線發(fā)射模塊對數(shù)字信號進行調(diào)制發(fā)射，信號被設(shè)置在檢測點范圍內(nèi)的無線路由基站的接收模塊接收后，通過USB接口輸送至上位機PC進行數(shù)據(jù)處理，得到心率變異性的相關(guān)參數(shù)，從而對個體的心理狀態(tài)進行評估。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Block diagram of the system

2.1.1 脈搏波傳感器

本設(shè)計采用透射式光電傳感器采集脈搏波信號?？紤]到系統(tǒng)的整體性，本文采集耳垂部位的脈搏波透射信號。

由于所檢測的脈搏波信號是低頻、微弱的生理信號，故需要采用靈敏度較高的光接收管；為了準確地測出幅度大小的變化，必須選用線性好、響應(yīng)快的器件，因此選用了一種新型的光敏元件OPT101?？紤]到在805 nm波長處，血紅蛋白的光吸收率比較低[6]，透射光較強，利于光敏器件接收，故選用波長為805nm的紅外發(fā)射管作為光源，落在光敏元件OPT101檢測靈敏度較高的波段內(nèi)。

2.1.2 預(yù)處理電路

脈搏信號是人體生物電信號之一，具有阻抗高、信號弱、頻率低等特點，而且處于嚴重的噪聲背景之中。在預(yù)處理電路中要采取相應(yīng)的措施，以順利完成采集任務(wù)[7]。因此，本研究設(shè)計的脈搏波信號預(yù)處理電路部分由前置放大器、二階低通濾波器、巴特沃斯二階高通濾波器、主放大器組成，如圖2所示。

圖2 預(yù)處理電路Fig.2 Circuit of preprocessing

本電路選用AD620作為前置放大器，它具有高輸入阻抗、高共模抑制比等多項優(yōu)點，能將微弱信號放大到原來的5.7倍，但是為了避免波形失真，放大倍率不能過大。由于脈搏信號屬于低頻信號，其頻率范圍在0.2 Hz～45 Hz，為了消除高低頻干擾以及50 Hz工頻干擾，緊接前置放大器設(shè)計了截止頻率為45 Hz的壓控電源二階低通濾波器和截止頻率為0.2 Hz的巴特沃斯二階高通濾波器，能有效地濾除噪聲干擾。濾波放大電路選用四運算放大器LM324，其內(nèi)部有四個放大器，且具有短路保護輸出、真差動輸入級和內(nèi)部補償?shù)裙δ?。由于低通濾波出來的信號還是比較微弱， 不利于觀察和分析，所以必須進行放大。于是我們在高通濾波器后設(shè)計可調(diào)的正向放大電路，對信號放大44倍后，波形的峰值可達到1 V 左右，利于醫(yī)護人員的觀察和分析。

2.1.3 Zigbee終端節(jié)點的設(shè)計

耳鳴程度分級：參照世界中醫(yī)藥學(xué)聯(lián)合會中醫(yī)耳鼻咽喉口腔科專業(yè)標準審定委員會及中華中醫(yī)藥學(xué)會耳鼻咽喉科分會推薦的《耳鳴嚴重程度評估與療效評定參考標準》（2007，青島）[7]根據(jù)以上耳鳴嚴重程度分級評定療效。在治療前和治療后分別對患者的耳鳴嚴重程度進行評分，根據(jù)總分值對耳鳴嚴重程度進行分級（I～V級），再根據(jù)治療前后耳鳴程度的級別改變判斷為痊愈、顯效、有效、無效。

Zigbee終端節(jié)點即射頻傳輸模塊，使每個終端可以和其他設(shè)備進行通信（包括網(wǎng)絡(luò)維護和數(shù)據(jù)傳輸），由單片機主控模塊進行控制。單片機主控模塊主要包括用戶端和服務(wù)器端兩個子模塊。前者將脈搏信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將原始信號通過無線方式傳送給數(shù)據(jù)通訊模塊。后者通過USB接口與上位機連接并交換數(shù)據(jù)，交給后臺處理。本設(shè)計使用14位MAX1147芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采樣率為256 Hz。

射頻傳輸模塊使用Freescale 公司出品的第二代ZigBee 平臺MC13 213芯片作為射頻通信模塊。MC13213包含一個射頻收發(fā)器MC13 213和一個微控制處理單元（MCU），工作于為全球公開的免費2. 4 GHz的ISM頻段，采用802. 15. 4 /ZigBee通信標準，支持點對點、星型及網(wǎng)絡(luò)型無線通信功能[8]，適合于短距離范圍（視距1km左右）的雙向收發(fā)。信號傳輸時，Zigbee終端節(jié)點發(fā)射模塊由鋰電池供電，發(fā)射功率為18 dBm，發(fā)射模塊微處理器MCU 將預(yù)處理電路的脈搏波信號采樣得到的數(shù)字信號進行濾波、壓縮等處理后，經(jīng)過RF收發(fā)機將數(shù)字信號調(diào)制，以無線電波的方式發(fā)送出去。無線路由基站的接收模塊在接收到信號后，首先送至RF收發(fā)器解調(diào)還原成數(shù)字信號，然后送入MCU對數(shù)字信號進行數(shù)模轉(zhuǎn)換等處理，再通過USB接口發(fā)送至上位機進行信號處理。無線路由通過USB口由上位機供電，接收靈敏度為-104 dbm。

2.2 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件在Visual Studio2007 C++平臺下使用MFC進行編程實現(xiàn)。系統(tǒng)采用信號的實時傳輸，即在測試開始時，Zigbee終端節(jié)點搜索到信號就立即向上位機傳輸。計算機通信模塊通過USB接口與無線路由基站連接，實現(xiàn)脈搏波數(shù)據(jù)的實時傳輸；隨后對傳輸過來的信號進行處理。實現(xiàn)流程圖如圖3所示，先計算脈搏峰-峰間距得出相應(yīng)的R-R間期，再對R-R間期進行時域統(tǒng)計得到心率變異性的時域參數(shù)。同時，由脈搏波得到瞬時心率變化曲線，再對其進行快速傅里葉變換（FFT）得到頻譜圖，進行頻域統(tǒng)計分析得出心率變異性頻域參數(shù)。最終在測試結(jié)束時，出測試報告，在計算機顯示器顯示出個體或團體（最多20個成員）心率變異性的各項參數(shù)指標，從而對心理狀態(tài)進行評估。

圖3 系統(tǒng)信號處理流程圖Fig.3 Signal processing fl ow chart of the system

報告顯示的心率變異性時域參數(shù)包括：①RR間期標準差( Standard deviation of the RR intervals,SDNN)，是衡量整體HRV大小的最直觀指標，低于100 ms為中度降低，低于50 ms為重度降低；②相鄰RR間期差值的均方根( Square root of the mean squared differences of successive NN intervals, RMSSD)，反映了HRV 中快變化成分(相當于頻域分析中的高頻功率)；③相鄰NN間期差值超過50 ms的心搏數(shù)所占百分比( pNN50)。頻域參數(shù)包括：①總功率(Total power, TP)，頻段等于或小于0.4 Hz，反映心率變異信號總的變異性；②極低頻(Very low frequency, VLF)，頻段等于或小于0.04 Hz，其生理意義目前尚未取得共識；③低頻(Low frequency, LF)，頻段0.04～0.15 Hz，同時反映交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)系統(tǒng)的活性，但大部分時候都作為交感神經(jīng)活性指標來使用；④高頻(High frequency, HF)，大于0.15小于或等于0.4 Hz，與副交感神經(jīng)的傳遞活動有關(guān)，主要受呼吸活動影響，長期處于壓力、恐慌和焦慮等情緒狀態(tài)下的人，HF也會降低；⑤低頻高頻比(LF/HF)，反映交感與副交感神經(jīng)支配的均衡性，健康人在普通情況下，LF是HF的1.5倍左右。

2.3 技術(shù)指標

(1) 信號采樣率：256 Hz；

(2) 接收機靈敏度：-104 dbm(1%誤包率)；

(3) 室內(nèi)通信距離：100 m；

(4) 室外通信距離（視距）：2000 m；

(5) 工作頻率： 2.4 GHz；

(6) 信道數(shù)：20；

(7) 發(fā)射功率：18 dbm；

(8) 無線通信速率： 0～250 kbps；

(9) 丟包率： ≤0.01%。

3 實驗與結(jié)果

為了確定本文設(shè)計的心理狀態(tài)測試儀器的可靠性，選用南京軍區(qū)南京總醫(yī)院心理科現(xiàn)有的InfinitiTM 多參數(shù)生物反饋系統(tǒng)作為進行分析對比設(shè)備。該系統(tǒng)是由全球生物反饋技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)——加拿大Thought Technology 公司出品，用全參數(shù)的信號采集來記錄生理電進行生物反饋訓(xùn)練的專業(yè)系統(tǒng)。我們采用其硬件： 光電容積傳感器（型號HR/BVPFlex/Pro ）；軟件Cardio Pro In fi niti心率變異性分析軟件 v5.1進行對比分析。

實驗時，受試者采取坐姿，保持安靜，左手食指連接 BVP-Flex/Pro Flex/Pro光電容積傳感器，左耳垂連接設(shè)計儀器信號傳感器，測試全程 5分鐘。測試結(jié)果示例如表1所示。

表1 測試結(jié)果示例Tab.1 Cases of test results

根據(jù)已經(jīng)獲得的50組數(shù)據(jù)，選取反映自主神經(jīng)系統(tǒng)平衡性的LF/HF比值用spss17.0進行統(tǒng)計分析的t檢驗一致性比較(P＜0.05)，發(fā)現(xiàn)其均值和方差沒有顯著性差異，數(shù)據(jù)波動在合理地范圍之內(nèi)，說明本儀器可與專業(yè)設(shè)備相媲美，能較準確地分析得出心率變異性參數(shù)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合當前廣泛運用的Zigbee無線傳輸技術(shù)，利用心率變異性這一生理指標，設(shè)計了脈搏波信號的檢測系統(tǒng)，并通過計算機處理得到與心理狀態(tài)相關(guān)的心率變異性參數(shù)，實現(xiàn)了心理狀態(tài)的無線測評，給被測者帶來了行動上的便利，使被測者可以在不同的作業(yè)狀態(tài)下進行測試。同時，無線Zigbee技術(shù)的運用，不僅可實現(xiàn)單個無線測試，還可實現(xiàn)多用戶的無線測試，有利于進行心理狀態(tài)的團體測試與競賽。但由于人體心理狀態(tài)影響因素較多，心率變異反映的只是自主神經(jīng)作用的部分，因此需要更深入的研究與探討，使系統(tǒng)能更客觀準確地反映心理狀態(tài)。

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