一种脑电、肌电和脉搏波生物反馈系统及其分析方法与流程

本发明涉及生物信号采集，尤其涉及一种脑电、肌电和脉搏波生物反馈系统及其分析方法。

背景技术：

1、随着现代人们工作生活压力的不断增加，焦虑症成为当今社会中出现频次越来越多的心理疾病之一，其主要表现为坐立不安、紧张、呼吸急促、心率升高、虚弱或疲惫、睡眠困难、专注力下降等症状。全世界大约有12％的人患有焦虑症，患病者通常大多为青少年或中年人。

2、当前焦虑症的治疗手段主要有药物治疗和心理治疗。抗焦虑药物治疗虽然效果不错，但是其有依赖性，暂时性，且具有诸多如头晕、目眩等副作用的缺点。心理治疗受限于治疗师的医疗水平，以及患者的配合程度等影响，其治疗效果因人而异。

3、随着脑电、肌电、脉搏波等生物反馈理论和技术的发展，市面上开始有用于治疗焦虑症的生物反馈仪，但是其仅具有单一的脑电或者肌电采集功能，对生物反馈的信息不全面，不能够全面地评估患者的状态。而焦虑症的症状表现中，呼吸急促、心率升高可以通过脉搏波来分析获取患者状态，紧张、坐立不安可以通过肌电分析获取患者状态，专注力下降、虚弱或疲惫等可以通过脑电分析获取患者状态。所以，单一的采集功能无法满足对焦虑症的全面评估和分析。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种脑电、肌电和脉搏波生物反馈系统及其分析方法，通过脑电、肌电和脉搏波三种生物信号分析得到不同的状态指数：脑放松指数、身体放松指数和心理放松指数，然后通过反馈系统的持续正面引导，使患者能够逐渐改善其焦虑的状态，以解决上述背景技术中遇到的问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种脑电、肌电和脉搏波生物反馈系统及其分析方法，包括信号采集器、信号接收器和生物反馈仪软件，所述信号采集器用于采集脑电、肌电和脉搏波三种信号，所述信号接收器用于接收来自所述信号采集器的生物信号数据，并将接收到的数据转发至pc上的生物反馈仪软件中，由生物反馈仪软件处理并分析数据；最后通过脑电、肌电和脉搏波三种生物信号分析得到不同的状态指数：脑放松指数、身体放松指数和心理放松指数。

4、上述方案中，所述生物信号采集电路的共模抑制比大于100db、系统噪声小于2uvpp、阻抗大于20mω、测量范围2μv～5000μv。

5、上述方案中，所述信号采集器包括主控制器、蓝牙丛机模组、语音电路和生物信号采集电路，所述蓝牙丛机模组和生物信号采集电路分别与主控制器连接，所述生物信号采集电路将采集到的脑电、肌电、脉搏波数据发送至主控制器，主控制器经过数据的预处理后将数据通过蓝牙丛机模组发送至信号接收器；所述语音电路连接主控制器，所述语音电路根据生物反馈仪软件的命令播放语音引导患者进行状态调整。

6、进一步的，所述生物信号采集电路包含由模拟前端芯片构成的脑电肌电采集电路和脉搏采集电路组成，所述脑电肌电采集电路用于采集患者的脑电信号和肌电信号，所述脉搏采集电路用于采集患者的脉搏波信号，所述脑电肌电采集电路中设有电极脱落检测装置。

7、上述方案中，所述信号采集器的软件包括采集器控制模块、命令解析模块、蓝牙收发模块、声音模块、脑电读取模块、肌电读取模块、脉搏读取模块和数据处理模块；采集器控制模块与数据处理模块连接，采集器控制模块分别与命令解析模块、蓝牙收发模块、声音模块连接，数据处理模分别与脑电读取模块、肌电读取模块、脉搏读取模块连接；蓝牙收发模块用于负责蓝牙数据的发送和接收，声音模块用于负责声音的播放停止，命令解析模块用于负责蓝牙数据的解析，脑电、肌电、脉搏读取模块分别用于负责对应信号的读取，数据处理模块用于负责脑电、肌电、脉搏的解析和处理。

8、上述方案中，所述生物反馈仪软件包括控制模块和交互模块，控制模块与交互模块连接，控制模块连接有日志模块、显示模块、数据接收模块、分析处理模块、存储回放模块，交互模块连接有患者管理模块、视频训练模块、游戏训练模块；其中，所述分析处理模块用于对脑电、肌电和脉搏波数据进行处理和分析，生成脑放松指数lh、身体放松指数lb和心理放松指数lm。

9、一种脑电、肌电和脉搏波生物反馈系统的分析方法，信号采集器采集患者的脑电、肌电和脉搏波三种信号；信号接收器用于接收来自所述信号采集器的生物信号数据，并将接收到的数据转发至pc上的生物反馈仪软件中，由生物反馈仪软件处理并分析数据；最后通过脑电、肌电和脉搏波三种生物信号分析得到不同的状态指数：脑放松指数、身体放松指数和心理放松指数。

10、上述方案中，所述信号采集器的采集过程为：

11、步骤一：患者佩戴好终端采集装置，等待语音播报指令，开始播放语音；

12、步骤二：信号采集器的各硬件初始化运行，等待采集开始命令，若采集命令开始，则读取模拟前端的所有数据，若采集命令未开始，则继续等待采集开始命令；

13、步骤三：解析出脑电数据、肌电数据；另外，adc读取脉搏波数值，将脑电数据、肌电数据、脉搏波数值数据进行组合，并组合所有数据成一帧数据；

14、步骤四：通过蓝牙将组合后的数据发送到信号接收器，而后等待接收系统发出的结束指令，若未收到结束指令，则继续等待采集开始命令。

15、另外，上述方案中，所述生物反馈仪软件的采集过程为：

16、步骤一：系统与患者进行匹配，发送连接指令，连接信号采集器，等待是否连接成功，若连接成功则发送采集命令，若不成功则继续等待；

17、步骤二：等待接收数据，拆分出脑电数据、肌电数据、脉搏波数据，通过算法计算获得脑放松指数、身体放松指数和心理放松指数，并在显示屏上展现各个指数；

18、在步骤二中，处理脑电数据时，首先对脑电数据进行滤波，将有效频带以外的无关信号滤除，然后进行快速傅里叶变换，得n hz下的幅度pn：

19、

20、其中，te为fft处理周期，eeg(t)为t时刻的幅度，

21、定义频率系数序列cn和dn，得到频率能量比r为

22、

23、其中，n的最大值为n，n的取值范围为[1，fs/2]，fs为信号采样率，

24、则归一化后的脑相关指标指数lh为，

25、

26、其中，th为阈值，cn、dn和th均根据标记好的脑电数据及对应脑电指标数据，进行深度学习得出；

27、处理肌电数据时，将肌电实时均方根值按照下列公式进行计算得到身体放松指数lb：

28、

29、处理脉搏波时，首先对脉搏波数据进行0.5hz-4.5hz带通滤波，即滤除30bpm-245bpm以外的无效信号，然后对滤波后的波形进行频域分析和时域分析，频域分析时，先进行快速傅里叶变换(fft)，取幅度最高的频率点fh(hz)，心率为hr＝60*fh；

30、然后计算表达交感神经总体活性的lf值和表达副交感神经活性的hf值，

31、

32、

33、设lf/hf等于1为最佳状态，即为100分，3为最差状态，即为0分，则心理放松指数lm为：

34、

35、其中，x为lf/hf的值。

36、进一步的，所述th为0.3，所述cn、dn为：

37、

38、

39、步骤三：根据与标准指数范围比对，判断展示的指数数值是否过高，若过高则发送提醒放松的语音至信号采集器，若指数数值处于正常范围，则重复步骤二。

40、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

41、(1)本发明提供的一种集成脑电、肌电、脉搏波的生物反馈系统及其分析方法，尤其能够用于改善焦虑症状。即可以通过脑电、肌电和脉搏波三种生物信号分析得到不同的状态指数：脑放松指数、身体放松指数和心理放松指数，然后通过反馈系统的持续正面引导，使患者能够逐渐改善其焦虑的状态。

42、(2)该方法将复杂的脑电信号转化成易于临床医师辨识的百分制指数，简单易懂，实时展示患者的状态，从而大幅提高生物反馈疗法的效果，帮助患者康复。

43、(3)该方法将脑电信号实时滤波分解成频域幅值，其抗干扰能力强，评估结果更加准确可靠；该方法中的关键参数采用标记的大样本结合机器学习计算得到，具有更高的评估准确性和更广泛的适用性。

44、(4)三种生物信号反应的患者的表征项目不同，故角度更为立体，在评估患者状态时，可以通过多个维度，多种指标综合判断，从而提高评估的精确性，而评估精确，意味着能够给细化患者的训练提供更好的基础支持，比如，焦虑症的症状表现中，呼吸急促、心率升高可以通过脉搏波来分析获取患者状态，紧张、坐立不安时人会无意识的肌力张紧，此时可以通过肌电分析获取患者状态，专注力下降、虚弱或疲惫等情况时，可以通过脑电分析获取患者状态。