基于调频连续波雷达的人体生命体征检测算法

针对现有雷达非接触生命体征检测精度低、实时性差等问题,提出一种基于调频连续波(FMCW)雷达的人体生命体征检测算法。首先,通过毫米波雷达获取生命体征信号;其次,利用改进的经验小波变换(EWT)算法,实现生命体征信号的自适应分解和重构,通过引入麻雀搜索算法(SSA)和模糊熵(FE)寻找频谱分割线的最优值;最后,通过改进频率插值的估计算法计算心率和呼吸频率。通过与医用重症监护仪进行对比实验验证所提算法的优越性和鲁棒性。实验结果表明,所提算法相较于小波变换(WT)算法、CEEMD(Complementary Ensemble Empirical Mode Decomposition)算法和VMD(Variational Mode Decomposition)算法,均方误差(MSE)分别减小了77.65、27.25和21.05,平均绝对百分比(MAPE)分别减小了7.33、4.33和3.42个百分点,实时性分别提高了0.72 s, 16.74 s和1.87 s。同时,利用所提算法也实现了对心率变异性(HRV)的检测。

高压氧干预对高海拔移居者睡眠质量、抑郁状况及HRV的调节效应

为了探讨高压氧干预是否可以改善高原移居者的睡眠质量、抑郁状况和自主神经系统的平衡性,选取成年后移居高海拔地区的44名大学生作为研究对象,随机分为实验组和对照组.两组被试者在20次高压氧干预前、干预后和干预后第15天分别测评匹兹堡睡眠质量指数量表(PSQI)、流调中心抑郁量表(CES-D)及心率变异性(HRV).结果发现:1)经过20次的高压氧干预,实验组的PSQI、CES-D得分显著下降(P_(s)<0.05);2)实验组HRV中的HF(高频功率)数值显著提高(P<0.05)、LF(低频功率)及LF/HF数值显著下降(P_(s)<0.05);而对照组的前后所测各指标之间均不存在显著性差异(P_(s)>0.05).结论:高压氧干预改善了高原移居者睡眠、抑郁状况及自主神经系统的平衡性,且存在明显的预后效应.

睡眠剥夺对矿工风险感知的影响研究:基于生理试验

为探究睡眠剥夺对矿工风险感知的影响机理及作用效果,将72名矿工被试分为控制组和睡眠剥夺组,通过2种睡眠状况(正常、睡眠剥夺)×2种任务片段(基线段、逃生任务片段)的试验设计,分别记录分析不同任务片段下皮肤电活动(Electrodermal Activity,EDA)和心率变异性(Heart Rate Variability,HRV)的部分指标的变化特征。试验结果表明:逃生任务可以有效激活矿工的风险感知,在执行逃生任务时,矿工的C_(S)、L_(SC)和F_(L)/F_(H)显著上升,I_(BI)和P_(NN20)显著下降;睡眠剥夺会损害矿工的风险感知能力,研究发现,控制组被试逃生任务片段唤醒情绪和打破交感神经平衡的程度更大。研究结果可为睡眠剥夺相关的生理研究提供证据和参考,有助于提高煤矿的安全生产水平。

基于单通道ECG信号与INFO-ABCLogitBoost模型的睡眠分期

为了减少对传统多导睡眠图(PSG)系统的依赖,基于单通道心电图(ECG)信号,设计了一种简单高效的睡眠分析算法.采用最大重叠离散小波变换(MODWT)对原始信号进行多分辨分析,再进一步提取峰值信息;根据峰值位置的一阶偏差,提取多维度的心率变异性(HRV)特征.为了进一步筛选与不同睡眠阶段具有强关联性的HRV特征,提出基于ReliefF算法与Gini指数的特征提取方法.在此基础上,采用INFO-ABCLogitBoost方法挖掘HRV与不同睡眠阶段之间的关联性,从而实现睡眠阶段的精细分类.在实际公开数据集上的实验结果表明,所提出的模型在睡眠分期任务中,总体精度为83.67%,准确率为82.59%,Kappa系数为77.94%,F1-Score为82.97%.相比于睡眠分期任务中的常规模型,所提方法展现出更加高效便捷的睡眠质量评估性能,有助于实现家庭或移动医疗场景下的睡眠监测.

肥胖合并重度阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征患者的心率变异性分析

目的探讨肥胖合并重度阻塞性睡眠呼吸暂停低通气综合征(obstructive sleep apnea hypopnea syndrome,OSAHS)患者的心率变异性(heart rate variability,HRV)特征。方法回顾性分析2018年4月至2022年5月在西安交通大学第二附属医院行多导睡眠(polysomnography,PSG)监测确诊为重度OSAHS的78例患者,根据身体质量(body mass index,BMI)将患者分为肥胖并重度OSAHS组(n=43)和非肥胖并重度OSAHS组(n=35)。所有患者行PSG监测同时接受24 h动态心电图监测,进行HRV指标的组间差异分析及与临床指标的相关性分析。结果基础指标及PSG指标分析结果显示,与非肥胖并重度OSAHS组相比,肥胖并重度OSAHS组体质量、BMI、颈围、腰围、呼吸暂停低通气指数(apnea hypopnea index,AHI)显著升高。组间HRV分析结果显示,与非肥胖并重度OSAHS组相比,肥胖并重度OSAHS组的24 h正常R-R间期标准差(standard deviation of R-R interval,SDNN)、5 min R-R间期均值标准差(standard deviation of the averages of 5-minute R-R intervals,SDANN)、三角指数(triangle index,TI)、心率减速力(deceleration capacity of heart rate,DC)、清醒期SDNN及睡眠高频功率明显降低(P<0.05)。相关性结果显示肥胖并重度OSAHS患者中相邻R-R间期差值均方根(root mean square of the difference of adjacent R-R interval,rMSSD)与高血压病程呈负相关,TI、DC与AHI呈负相关。经校正颈围和腰围后的线性回归分析显示SDNN、SDANN、rMSSD与收缩压相关(P<0.05)。结论肥胖并重度OSAHS患者存在HRV指标下降,自主神经功能受到损害,心血管疾病的发生风险增加。

抑郁发作患者心率变异性及其与抑郁的关系

目的探讨抑郁发作患者心率变异性(HRV)的特点及其与抑郁的关系。方法将95例抑郁发作患者设为研究组,99名健康志愿者设为对照组。两组受试者均进行短时程(5 min)心率变异性检测,采用汉密顿抑郁量表17项(HAMD-17)评估研究组受试者抑郁状况。比较两组受试者HRV指标的差异,包括平均正常RR间期标准差(SDNN)、总功率(TP)、低频功率(LF)、高频功率(HF)、平衡指数(LF/HF)。对HAMD-17总分及各因子分与HRV的相关性采用Spearman相关分析。结果研究组受试者SDNN、TP、LF及HF指标均明显低于对照组(P<0.01),LF/HF虽升高但不显著(P>0.05)。研究组受试者HAMD-17的焦虑/躯体化因子分与SDNN、TP、LF均呈负相关(P<0.05),与HF、LF/HF无明显相关性(P>0.05)。结论抑郁发作患者自主神经调节能力下降,HRV可作为辅助识别抑郁发作的生理学指标。

基于时变滤波经验模态分解的非接触式心率变异性估计方法

民航从业人员的身体健康状况是影响航空安全的重要因素,其中呼吸和心跳是极其重要的健康状况表征。为解决接触式或穿戴式测量系统对人员工作时的局限与影响,可采用线性调频连续波(Frequency-modulated continuous wave,FMCW)雷达达到非接触式测量的目的。由于生命体征信号具有时变、非平稳的特点,针对经验模态分解(Empirical mode decomposition,EMD)在信号分解中存在模态混叠现象的问题,使用时变滤波经验模态分解(Time varying filtering based on EMD,TVF-EMD)自适应信号的局部截止频率,可有效提高信号分离性能,解决模态混叠问题。利用TVF-EMD分解出的本征模态函数(Intrinsic mode functions,IMF)分量重构心跳对应的时域信号,估计心跳信号的频率和心跳节拍间隔(Inter-beat interval,IBI),进一步对心率变异性(Heart rate variability,HRV)相关指标进行估计。仿真实验与实测数据处理结果表明,TVF-EMD可从毫米波雷达测量信号中有效分离出呼吸与心跳信号。同时,从模态混叠程度及信号分离性能两方面对TVF-EMD与EMD方法分解效果进行了仿真分析,结果表明TVF-EMD能够有效解决模态混叠问题。因此,TVF-EMD方法能够准确有效地从毫米波雷达测量信号中提取生命体征信息,为IBI估计和HRV分析提供准确的时域信息,具有广阔的应用前景。

心电信号在智能服装领域发展应用

探讨心电信号在智能服装领域的应用进展。阐述了心电信号的产生机理、采集以及分析方法。结合心电信号对心理情绪和生理状态的反映,分析了心电信号在智能情绪识别服、智能健康监测服和智能防护服领域的应用。讨论了目前基于心电信号监测的智能服装系统研究的重难点――提高智能心电信号检测设备的采集准确性和洗涤耐用性。最后,总结了心电信号技术在智能服装领域应用现状以及有待解决的问题。

基于光电容积脉搏波的心理压力监测系统设计

实时监测人体的心理压力对个人的身心健康发展具有重大意义,而传统心电图法监测心理压力操作复杂且成本较高,为此本文设计了一款基于光电容积脉搏波的心理压力监测系统。首先,采用MAX30101光电传感器采集人体原始脉搏波信号,经db4小波基滤波与基线滤波分析得到心率变异性(HRV)特征;其次,结合BP神经网络对HRV数据集训练得到网络模型,将分析得到的HRV特征输入网络模型评估心理压力;最后,根据压力诱发实验方法设计多组压力测量实验。实验结果表明,测量结果与压力设定参考具有较高的一致性,为心理压力测量提供了一种可行、低成本便携式方案。

心率变异性与献血前心理评估的相关性研究

目的探讨献血者心率变异性(HRV)与献血前紧张程度之间是否存在关联。方法用心理焦虑自评量表(SAS)和紧张程度评估253名献血者献血前心理状态并分析其HRV时域和频域参数,分析SAS评分、紧张程度、HRV参数3者之间的相关性,比较不同类型献血者的差异性,并进行多元线性回归分析。结果247名献血者纳入分析,18~24岁献血者的HRV参数中有5项高于25岁以上献血者(P均<0.05),女性献血者焦虑程度(SAS评分41~46)高于男性(SAS评分35~43)(P<0.001);献血前SAS评分与紧张程度评估结果高度一致(r=0.970,P<0.001);献血前紧张程度、SAS评分均与HRV参数中的极低频(VLF)呈显著负相关(r=0.179,P=0.005),且关联独立于年龄、身体质量指数、性别等混杂因素(P<0.05)。结论HRV作为1种献血前心理评估工具,相对SAS和紧张程度评估,展现出更高的客观性,将HRV列入献血者常规筛查,可以评估献血前献血者焦虑程度,识别潜在的献血相关血管迷走神经反应(DRVR)风险人群,进而提升献血安全。

不同热环境下佩戴医用外科口罩对人体舒适性的影响研究

为研究医用外科口罩在不同温度下对人体热舒适和呼吸舒适的影响,设计了包括三种温度以及三种不同活动水平的实验工况。总计15名受试者构成了佩戴医用外科口罩的实验组和不佩戴医用外科口罩的对照组,并完成热舒适投票(TCV)、热感觉投票(TSV)和呼吸舒适投票(BCV),采集其心电图(ECG)以分析心率变异性(HRV)。结果表明,短时间佩戴医用外科口罩对人体整体热感觉没有影响;在热舒适环境下,医用外科口罩对热舒适的影响显著,而热不适环境下,温度对热舒适的影响较大;医用外科口罩影响呼吸舒适,站立时佩戴医用外科口罩增加了呼吸不适的温度范围;HRV频域分析指标LF/HF通常可作为评价热感觉的指标,但佩戴医用外科口罩后HRV与热感觉无相关性。

术前心率变异性对老年患者输尿管镜钬激光碎石术后疼痛的预测价值

目的探讨术前心率变异性(heart rate variability,HRV)对老年患者输尿管镜钬激光碎石术(uteroscopic holmium laser lithotripsy,UHLL)术后疼痛的预测价值。方法选取2021—2022年解放军总医院第六医学中心行UHLL的老年输尿管结石患者40例,依据视觉模拟评分(visual analogue scale,VAS)分为有痛组(VAS>3分,17例)和无痛组(VAS≤3分,23例),采用多因素logistic回归方程分析老年患者UHLL术后疼痛的影响因素,采用ROC曲线分析影响因素对老年患者UHLL术后疼痛的预测价值。结果40例患者中,男34例、女6例,年龄65~77岁,平均(63.8±4.1)岁。多因素分析结果显示,正常心跳间距的标准差(the standard deviation of N-N,SDNN)、正常心跳间距平均值的标准差(the standard deviation of the average value of N-NS,SDANN)、相邻正常R-R间期差值的均方根值(the root mean square of successive R-R interval differences,RMSSD)和高频功率(high frequency,HF)越低,低频功率(low frequency,LF)越高的老年患者,UHLL术后发生疼痛的风险越高(P<0.05),SDNN、SDANN预测术后疼痛的ROC曲线的AUC分别为0.819(95%CI:0.669~0.930,P<0.05)、0.803(95%CI:0.669~0.936,P<0.05)。SDNN和SDANN的cut-off值分别为96.5和82.5,灵敏度分别为0.762和0.810,特异性分别为0.791和0.803。结论HRV相关参数SDNN、SDANN、RMSSD、HF,LF是老年患者UHLL术后疼痛的影响因素,其中SDNN和SDANN对术后疼痛有一定预测价值,是提高老年患者UHLL术后疼痛识别率的有效指标。

精神压力下矿工的生理参数变化特征研究

为探究矿工的精神压力下各种生理指标变化,并为建立矿井保障机制提供基础依据,采用虚拟现实和生理实验相结合的方法进行矿井突水灾害场景模拟,采用电子血压计、生理传感器和ErgoLAB软件采集处理被试的心率变异性HRV、皮肤电活动EDA、血压的生理数据,并通过精神压力产生前后的生理数据进行配对t检验,说明其变化特征。研究结果表明:当矿工处于精神压力状态时,心率间隔会显著下降,皮肤导电性会显著提升,血压也会显著提升。研究结果可为矿工精神压力的识别提供参考,促进煤矿企业的安全生产。

中等强度运动积极影响注意缺陷多动障碍儿童的问题行为及心率变异性研究

目的:探究单次中等强度运动对注意缺陷多动障碍(attention deficit hyperactivity disorder,ADHD)儿童问题行为和心率变异性(heart rate variability,HRV)的影响。方法:采用SNAP-IV量表测量13名ADHD儿童[男生10名,女生3名;(9.00±1.15)岁]完成1次20 min中等强度运动(挥拍运动、台阶测试、折返跑、开合跳)前、后的问题行为;采用芬兰心电图测试仪(Mega Faros 180)监测运动前、后以及运动期间HRV指标,并将运动前、后以及运动期间全程30 min均分为6个时段(t0~t5),分析不同时段HRV的变化特征以及时段差异。结果:1)运动后,ADHD儿童注意力不集中、多动冲动、对立违抗得分非常显著低于运动前(P<0.01);2)运动后,RMSSD、SDNN、HF、LF、TP显著低于运动前(P<0.05),LF/HF较运动前有上升趋势;3)运动期间时域指标RMSSD、SDNN时段差异显著,呈持续下降趋势(P<0.01),频域指标LF、TP、LF/HF时段差异显著,LF持续下降(P<0.05)、TP在t4时段明显下降(P<0.05)、LF/HF先上升后下降(P<0.01),HF时段差异不显著。结论:中等强度运动能在一定程度上弱化ADHD儿童负性情绪,有效改善问题行为、注意力不集中、多动冲动、对立违抗,运动期间伴随HRV降低且呈逐步下降趋势,提示,中等强度运动可以通过增强自主神经系统功能的调节能力为ADHD儿童问题行为的改善提供生理基础。

面向驾驶员心电数据的交叉口驾驶风险评估方法

为更精准地评估交叉口范围内的驾驶风险,首先,引入驾驶员心电(EGG)数据,提出基于余弦相似性距离的逼近理想解排序(TOPSIS)模型;其次,建立滚动时间窗法,并改进传统的短期频域指标计算方法,计算模型中低频(LF)变化率指标和低频与高频之比(LF/HF)等心率变异性(HRV)指标,模型时域指标有心脏搏动周期(R-R间期)变化率和其标准差(SDNN);然后,根据心电频域和时域指标与静息状态下对应指标的接近程度进行综合排序,按照越接近驾驶风险越小的原则,评估交叉口区域的驾驶风险;最后,选择30名驾驶员,在西安市23个交叉口开展实车试验,采集试验数据并验证模型方法。结果表明:驾驶员在相同交叉口环境下的驾驶风险评估结果相似性超90.1%,所提方法可应用稀疏样本评估交叉口的整体驾驶风险;高驾驶风险的交叉口评估方差较中、低驾驶风险路口分别高38.8%和67.9%,表明低风险交叉口区域驾驶风险的评估更精准。

基于情绪体验的ASD儿童干预APP角色造型研究

目的 面对我国ASD儿童数量逐年上升的情况,为干预APP角色造型设计提供优化设计思路,提出一种基于情绪体验的卡通角色造型设计研究方法。方法 首先,结合文献从20余项HRV指标中筛选出8项代表性HRV指标,通过HRV实验收集8项指标数据;其次,结合改进的语义量表整理情绪体验得分;再次,运用逐步回归分析法筛选出对情绪体验得分影响最大的3项HRV主因子;最后,建立多元回归方程,探求情绪体验得分与3项HRV指标间的回归关系。结果 研究发现,ASD儿童对三类角色中的器物角色的情绪体验反馈最为明显,且具有方圆形主体轮廓和梯形、圆形组合部件的器物角色能够提高LF/HF、SDNN,并降低M–HRT,进而获得愉悦的情绪体验。结论 融合改进的语义量表建立情绪体验与3项HRV指标间的多元线性回归模型,为ASD儿童干预APP卡通角色造型的设计与方案评价提供了理论依据,且符合ASD儿童情绪体验的角色造型设计能够激发儿童兴趣、提升交互体验、增强干预效果。

混合音频下心率信号感知的放松状态评估模型

以放松减压为目标的情绪调节及放松状态评估有助于提升国民身心健康。针对降低生理信号采集导致的放松情绪诱发困难,使用附着型人体传感器采集受试者的心率信号进行放松状态识别,使用混合音频诱发受试者产生放松情绪,从二维情绪量表中换算获得放松状态标签。采集受试者的心率信号,从心率信号中提取时域特征、频域特征和心拍数。基于多层感知机和长短时记忆网络构建放松评估模型,实现放松状态识别。实验结果表明,相比于目前的研究成果,该放松识别模型具有更优的分类性能,能够为情绪调节与放松状态评估问题提供一种新的可靠解决方法。

地下空间CO_(2)持续上升环境中人体反应试验研究

为获得深地受限空间内人员在二氧化碳(CO_(2))体积分数持续增大环境中的人体反应,指导防护工程隔绝状态环境保障,开展了地下隔绝现场试验,采取主观感知问卷调查与客观生理参数测量相结合的方法,研究了CO_(2)体积分数持续增大暴露下人体的生理响应规律。结果表明,当CO_(2)体积分数达8500×10^(-6)时,心率变异性低频成分(LF)、心率变异性高频成分(HF)、二者之比(LF/HF)与CO_(2)体积分数1000×10^(-6)时相比有显著差异,且LF和HF相较于7000×10^(-6)时高780(约93%)和452.3(约100%)单位。这表明CO_(2)体积分数增大到8500×10^(-6)时,人体会出现明显的应激反应,在地下空间核心区域内应控制CO_(2)体积分数不超过8500×10^(-6)。在地下密闭环境中利用LF/HF评价人体应激反应存在一定弊端,采取LF和HF的二维分区方法将使评价更为准确。通过分析较高CO_(2)体积分数下人体响应规律,为深地隔绝状态环境调控、人员作业能力增强提供科学依据支撑。

隐蔽式柔性贴片心率传感器设计

针对大多数传统可穿戴心率监测系统存在配戴不方便或者对准难的问题,提出了一种新型的隐蔽式柔性贴片表面型心率传感器。将2个薄板(扩散板和检测板)与光电容积脉搏波描记法(PPG)传感器的基本元件相结合,在检测板和扩散板上分别形成发射面和全内反射。当人体部分接触检测板上部时,从板接收的光在身体部分和检测板之间的边界反射。反射光的量根据皮下血量的不同而发生变化。检测板和扩散板均由聚甲基丙烯酸甲酯材料制成。在7名受试者身上对平面、曲面和嵌入鼠标的3种原型分别进行了实验评估。实验结果表明:设计的传感器的测量精度与传统PPG传感器相当,相关系数为0.99,准确率为93.85%;且具有较大的传感区域,能够十分方便地安装在日常设备的表面,从而在不引人注意的情况下监测心率。

手机使用者HRV大数据的处理方法及预警系统

为了揭示人们使用智能手机的行为与人体心率变异性(HRV)各项指标的相关性,研究智能手机使用行为对HRV的影响,设计了基于HRV大数据的远程监测与预警系统,包括手机端采集子系统和PC端数据处理子系统;招募志愿者,利用系统开展测试,分析手机不良使用行为存在的风险,建立相应的指标体系,从而实现预警应用,为医学、教育、公共管理、人体工业设计等领域的后续研究提供支持。