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呼吸频率

对人体生理信号的影响

学生姓名

指导教师

l研究背景

l研究任务

l研究方案

l研究进度安排

研究背景

生物反响(biofeedback，BF)是最早出现于加世纪40

年代的一种治疗和训练方法，它是基于操作性条件反射

原理，应用现代科学技术，将人们正常意识不到的身体

生物信号(如肌电、脑电、皮温、心率、血压等)转变为

可以被人觉察到的信号(如视觉、听觉信号等)，让患者

根据这些信号，学会在一定范围内通过意识调控内脏器

官的活动，纠正偏离正常范围的内脏活动。

呼吸生物反响

呼吸生物反响是生物反响的一种。它是指以某种

方式呈现给受训者呼吸指示器，并指导受训者依照指

示器显示的呼吸频率进行呼吸。有研究说明，呼吸生

物反响训练可以自主地增加呼吸性窦性心律不齐，也

有研究报告指出呼吸生物反响训练对一些自主神经参

与发病的疾病的治疗有帮助。

应用中的呼吸反响是通过特定呼吸训练使实验对

象放松以到达治疗某些疾病的目的，例如：呼吸性窦

性心律不齐睡眠呼吸暂停和低通气综合症，焦虑症等。

还有应用呼吸生物反响原理制成的治疗仪

研究任务

以下图为某实验多名被试者进行呼吸训练后的心律

测量结果

实验组基线与呼吸实验15min和实验后5min相比，平均心

率和最小心率变化显著，而最大心率无显著变化。对

组在实验3个阶段上，最大心率、平均心率和最小心率均

无显著变化。由此可见呼吸训练确实对生理信号有影响。

本课题方案在前人研究的根底上，继续研究特定呼吸频率与心率

信号、脑电信号以及肌电信号之间的关系。通过设计实验采集人

体调节呼吸频率时的心电、脑电、肌电数据，并通过信号分析方

法提取心率变异性、脑电功率谱、肌电功率谱等信号特征，研究

呼吸频率与这些特征之间的关系。课题的问题和难点在于：

1.人体生理信号微弱，且干扰大，可能会在检测时出现误差。

后期处理时需滤去干扰。

2.需采集的数据较多，被试者实验时间也较长，实验实施有一

定难度。

3.呼吸频率的调节作用可能有延时性，要采集多个时段的数

据，而时间段的划分尚不清楚。

4.对于不同生理信号，要有不同的信号处理方法，需要找到合

适的处理方法。

研究方案

设计实验采取呼吸生物反响训练，通过呼吸指示器让

实验对象按设定的呼吸频率进行呼吸，并采集生理信号数

据。

实验预计采用10-20名实验对象，男女各半。所有实

验对象均排除有重性精神病史、脑器质性疾病史、心肝肾

疾病或代谢性疾病史、酒精药物依赖史。

本实验方案采用2X3X3的三因素混合实验设计。性别

(男性、女性)为被试间变量，呼吸频率[快速〔22-24次/

分钟〕，略慢速〔12-13次/分钟〕，慢速〔8-10次/分

钟〕]、实验间期(正常呼吸频率期、控制呼吸频率期、恢

复期)为被试内变量。

实验前期先采集实验对象正常呼吸频率的各项生理指标〔心

电，脑电，肌电〕，作为后期比较的参量。实验开始后，分9

个时段采集生理指标〔心电，脑电，肌电〕，分别是：

正常呼吸频率期控制呼吸频率期恢复期

快速（22-24/m）

略慢速（12-13/m）

慢速（8-10/m）

其中，一半被试者控制呼吸频率由快到慢，一半被试者

控制呼吸频率由慢到快。

数据采集使用多参数生理信号检测仪。

信号分析使用MATLAB软件的多种算法实现。