基于Zigbee技术的心理状态测试仪的设计

【作 者】钟添萍，汤黎明，2＊

1 南方医科大学生物医学工程学院，广州，510515

2 南京军区南京总医院医学工程科，南京，210002

0 引言

当前，许多研究者根据心理学和生理学，设计了市场上所见的生物反馈仪来评估训练个体的心理状态[1]。但这些仪器多为有线系统，复杂的设备和连线都给病人和心理医生带来了不便，且只能进行单独评估，也不利于具体的实际训练。而ZigBee 技术是目前典型的无线网络技术之一，有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、低成本以及高安全性等诸多优点[2]。为了适应实际训练需求，实现心理状态评估训练的无线传输和多人评估，本文设计了一种基于Zigbee技术的心理状态测试仪。

1 测试原理及方法

1.1 测试原理

最新研究表明，个体的情绪状态是由人体自主神经系统的交感神经和副交感神经两个分支共同作用的结果。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[3]。因此，可以通过评价自主神经系统的功能，来分析个体的情绪状态和心理状况。大量研究表明，分析心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）是评价自主神经系统的最具信赖的一种方法[4-5]。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交感神经活性与副交感神活性及其平衡协调的关系。在副交感神活性增高或交感神经活性降低时，心率变异性增高，反之则相反，因此通过分析心率变异性可以反映出个体的情绪状态和心理状态。

心率变异性是指瞬时心率或瞬时心动周期的微小变化，即逐次心跳R-R间期瞬时心率不断波动的现象。而逐次心跳的R-R间期与脉搏波信号内的峰峰间距是相等的（只是脉搏信号比心跳信号稍微滞后），因此可以通过采集脉搏波信号来分析心率变异性，进一步分析个体心理状态。

1.2 测量方法

2 系统实现

2.1 硬件电路的实现

系统设计框图如图1所示，由脉搏波传感器、预处理电路、Zigbee终端节点、Zigbee无线网络、无线路由基站及上位机主机PC构成。通过一个脉搏波传感器采集人体的脉搏波信号，经过放大滤波电路对脉搏波信号进行放大滤波；再对脉搏波信号进行A/D转换，将数字信号传输到ZigBee终端节点；由无线发射模块对数字信号进行调制发射，信号被设置在检测点范围内的无线路由基站的接收模块接收后，通过USB接口输送至上位机PC进行数据处理，得到心率变异性的相关参数，从而对个体的心理状态进行评估。

图1 系统结构图Fig.1 Block diagram of the system

2.1.1 脉搏波传感器

本设计采用透射式光电传感器采集脉搏波信号。考虑到系统的整体性，本文采集耳垂部位的脉搏波透射信号。

由于所检测的脉搏波信号是低频、微弱的生理信号，故需要采用灵敏度较高的光接收管；为了准确地测出幅度大小的变化，必须选用线性好、响应快的器件，因此选用了一种新型的光敏元件OPT101。考虑到在805 nm波长处，血红蛋白的光吸收率比较低[6]，透射光较强，利于光敏器件接收，故选用波长为805nm的红外发射管作为光源，落在光敏元件OPT101检测灵敏度较高的波段内。

2.1.2 预处理电路

脉搏信号是人体生物电信号之一，具有阻抗高、信号弱、频率低等特点，而且处于严重的噪声背景之中。在预处理电路中要采取相应的措施，以顺利完成采集任务[7]。因此，本研究设计的脉搏波信号预处理电路部分由前置放大器、二阶低通滤波器、巴特沃斯二阶高通滤波器、主放大器组成，如图2所示。

图2 预处理电路Fig.2 Circuit of preprocessing

本电路选用AD620作为前置放大器，它具有高输入阻抗、高共模抑制比等多项优点，能将微弱信号放大到原来的5.7倍，但是为了避免波形失真，放大倍率不能过大。由于脉搏信号属于低频信号，其频率范围在0.2 Hz～45 Hz，为了消除高低频干扰以及50 Hz工频干扰，紧接前置放大器设计了截止频率为45 Hz的压控电源二阶低通滤波器和截止频率为0.2 Hz的巴特沃斯二阶高通滤波器，能有效地滤除噪声干扰。滤波放大电路选用四运算放大器LM324，其内部有四个放大器，且具有短路保护输出、真差动输入级和内部补偿等功能。由于低通滤波出来的信号还是比较微弱， 不利于观察和分析，所以必须进行放大。于是我们在高通滤波器后设计可调的正向放大电路，对信号放大44倍后，波形的峰值可达到1 V 左右，利于医护人员的观察和分析。

2.1.3 Zigbee终端节点的设计

耳鸣程度分级：参照世界中医药学联合会中医耳鼻咽喉口腔科专业标准审定委员会及中华中医药学会耳鼻咽喉科分会推荐的《耳鸣严重程度评估与疗效评定参考标准》（2007，青岛）[7]根据以上耳鸣严重程度分级评定疗效。在治疗前和治疗后分别对患者的耳鸣严重程度进行评分，根据总分值对耳鸣严重程度进行分级（I～V级），再根据治疗前后耳鸣程度的级别改变判断为痊愈、显效、有效、无效。

Zigbee终端节点即射频传输模块，使每个终端可以和其他设备进行通信（包括网络维护和数据传输），由单片机主控模块进行控制。单片机主控模块主要包括用户端和服务器端两个子模块。前者将脉搏信号进行模数转换，并将原始信号通过无线方式传送给数据通讯模块。后者通过USB接口与上位机连接并交换数据，交给后台处理。本设计使用14位MAX1147芯片实现A/D转换，系统采样率为256 Hz。

射频传输模块使用Freescale 公司出品的第二代ZigBee 平台MC13 213芯片作为射频通信模块。MC13213包含一个射频收发器MC13 213和一个微控制处理单元（MCU），工作于为全球公开的免费2. 4 GHz的ISM频段，采用802. 15. 4 /ZigBee通信标准，支持点对点、星型及网络型无线通信功能[8]，适合于短距离范围（视距1km左右）的双向收发。信号传输时，Zigbee终端节点发射模块由锂电池供电，发射功率为18 dBm，发射模块微处理器MCU 将预处理电路的脉搏波信号采样得到的数字信号进行滤波、压缩等处理后，经过RF收发机将数字信号调制，以无线电波的方式发送出去。无线路由基站的接收模块在接收到信号后，首先送至RF收发器解调还原成数字信号，然后送入MCU对数字信号进行数模转换等处理，再通过USB接口发送至上位机进行信号处理。无线路由通过USB口由上位机供电，接收灵敏度为-104 dbm。

2.2 系统软件的实现

系统软件在Visual Studio2007 C++平台下使用MFC进行编程实现。系统采用信号的实时传输，即在测试开始时，Zigbee终端节点搜索到信号就立即向上位机传输。计算机通信模块通过USB接口与无线路由基站连接，实现脉搏波数据的实时传输；随后对传输过来的信号进行处理。实现流程图如图3所示，先计算脉搏峰-峰间距得出相应的R-R间期，再对R-R间期进行时域统计得到心率变异性的时域参数。同时，由脉搏波得到瞬时心率变化曲线，再对其进行快速傅里叶变换（FFT）得到频谱图，进行频域统计分析得出心率变异性频域参数。最终在测试结束时，出测试报告，在计算机显示器显示出个体或团体（最多20个成员）心率变异性的各项参数指标，从而对心理状态进行评估。

图3 系统信号处理流程图Fig.3 Signal processing fl ow chart of the system

报告显示的心率变异性时域参数包括：①RR间期标准差( Standard deviation of the RR intervals,SDNN)，是衡量整体HRV大小的最直观指标，低于100 ms为中度降低，低于50 ms为重度降低；②相邻RR间期差值的均方根( Square root of the mean squared differences of successive NN intervals, RMSSD)，反映了HRV 中快变化成分(相当于频域分析中的高频功率)；③相邻NN间期差值超过50 ms的心搏数所占百分比( pNN50)。频域参数包括：①总功率(Total power, TP)，频段等于或小于0.4 Hz，反映心率变异信号总的变异性；②极低频(Very low frequency, VLF)，频段等于或小于0.04 Hz，其生理意义目前尚未取得共识；③低频(Low frequency, LF)，频段0.04～0.15 Hz，同时反映交感神经和副交感神经系统的活性，但大部分时候都作为交感神经活性指标来使用；④高频(High frequency, HF)，大于0.15小于或等于0.4 Hz，与副交感神经的传递活动有关，主要受呼吸活动影响，长期处于压力、恐慌和焦虑等情绪状态下的人，HF也会降低；⑤低频高频比(LF/HF)，反映交感与副交感神经支配的均衡性，健康人在普通情况下，LF是HF的1.5倍左右。

2.3 技术指标

(1) 信号采样率：256 Hz；

(2) 接收机灵敏度：-104 dbm(1%误包率)；

(3) 室内通信距离：100 m；

(4) 室外通信距离（视距）：2000 m；

(5) 工作频率： 2.4 GHz；

(6) 信道数：20；

(7) 发射功率：18 dbm；

(8) 无线通信速率： 0～250 kbps；

(9) 丢包率： ≤0.01%。

3 实验与结果

为了确定本文设计的心理状态测试仪器的可靠性，选用南京军区南京总医院心理科现有的InfinitiTM 多参数生物反馈系统作为进行分析对比设备。该系统是由全球生物反馈技术的领导企业——加拿大Thought Technology 公司出品，用全参数的信号采集来记录生理电进行生物反馈训练的专业系统。我们采用其硬件： 光电容积传感器（型号HR/BVPFlex/Pro ）；软件Cardio Pro In fi niti心率变异性分析软件 v5.1进行对比分析。

实验时，受试者采取坐姿，保持安静，左手食指连接 BVP-Flex/Pro Flex/Pro光电容积传感器，左耳垂连接设计仪器信号传感器，测试全程 5分钟。测试结果示例如表1所示。

表1 测试结果示例Tab.1 Cases of test results

根据已经获得的50组数据，选取反映自主神经系统平衡性的LF/HF比值用spss17.0进行统计分析的t检验一致性比较(P＜0.05)，发现其均值和方差没有显著性差异，数据波动在合理地范围之内，说明本仪器可与专业设备相媲美，能较准确地分析得出心率变异性参数。

4 结论

本文结合当前广泛运用的Zigbee无线传输技术，利用心率变异性这一生理指标，设计了脉搏波信号的检测系统，并通过计算机处理得到与心理状态相关的心率变异性参数，实现了心理状态的无线测评，给被测者带来了行动上的便利，使被测者可以在不同的作业状态下进行测试。同时，无线Zigbee技术的运用，不仅可实现单个无线测试，还可实现多用户的无线测试，有利于进行心理状态的团体测试与竞赛。但由于人体心理状态影响因素较多，心率变异反映的只是自主神经作用的部分，因此需要更深入的研究与探讨，使系统能更客观准确地反映心理状态。

[1] 蒋科, 吕晓东, 葛宏, 等. 基于心率变异性生物反馈系统的设计与实现[J]. 医疗卫生装备, 2010, 32(10): 27-29.

[2] 王国静, 王卫东, 昂清, 等. 基于Zigbee技术的多生理参数采集和存储系统的设计[J]. 中国医疗器械杂志, 2012, 36(02): 90-92.

[3] Nicola Montano, Alberto Porta, Chiara Cogliati, et al. Heart rate variability explored in the frequency domain: A tool to investigate the link between heart and behavior [J]. Neuroscience ＆Biobehavioral Reviews, 2009, (33): 71–80.

[4] Kenneth C. Bilchick, M.D., Ronald D. et al, Heart Rate Variability[J]. Journal of Cardiovascular Electrophysiology[J], 2006, 17(06):691-694.

[5] 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(01): 1-6.

[6] 章伟, 高博, 龚敏. 基于LabVIEW 的光电容积脉搏波信号采集系统[J]. 测控技术, 2011, 30(12): 16-19.

[7] 张爱华, 丑永新. 动态脉搏信号的采集与处理[J]. 中国医疗器械杂志, 2012, 36(03): 79-84.

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