臺灣博碩士論文加值系統

本論文以紅光及紅外光之雙波長光學檢測系統，即時量測血氧訊號；同時以精簡設計之生理電訊號檢測系統，即時量測同步心電圖訊號；並以此整合性之即時心電訊號及血氧訊號，深入分析心血管生理參數。研究之實際量測系統以三通道之數位電子設計系統，進行實際人體檢測及驗證。
研究中，系統同時測量三通道生理訊號，其中心電訊號可獲得每位受測者之心律跳動(HR)，及心臟活動狀況、紅外光光體積描記圖與紅光光體積描記圖可獲得血氧濃度(SaO2)、紅外光光體積描記圖結合心電訊號可獲得脈波傳導速度(PWV)、紅外光光體積描記圖可獲得血管硬化指數(SI)、血管阻塞指數(RI)等資料，其中之HR、PWV、SI、RI可進行心血管生理狀況評估，SaO2可進行心肺功能，血液氧分含量評估。
本論文依據量測系統擷取訊號後，各項參數之統計資料，可推論受測者之年齡與心血管生理有對應關係之現象，且同時比較穿透式與反射式之差異時發現其各項參數結果之相關度皆可達0.95以上，初步證實反射式光體積描記圖於心血管參數應用之可行性。
本論文以整合光量測與電學分析的一體解決方案(Total Solution)，達到心血管功能居家自我監測的應用，並且量測機制簡便，所以於居家儀器中極具發展潛力。

The aim of this study is to <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=design&v=56">design</a> and develop a simultaneous measuring SaO2 and ECG system based on double wavelength-infrared and red light optic system and simple physiological electric signal detection device.

This system could measure real-time SaO2 signal and ECG signal simultaneously. When combine with SaO2 signal and ECG signal, we can go deep to analyze cardiovascular parameters.

In this study, we use three channel signal-- Infrared PPG, Red PPG and ECG signals to obtain every subject’s Heart Rate (HR), SaO2,Pulse Wave velocity (PWV), vascular stiffness index (SI), vascular reflection index (RI). Through HR, PWV, SI and RI parameter, we can estimate cardiovascular conditions. With SaO2 parameter, we can estimate cardiopulmonary function. The study also discussed the relationships between age and cardiovascular physiology functions based on statistics.

This paper brings up the total solution of integrating optical measurements with electrical analysis to achieve the goal of <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=home&v=56">home</a> cardiovascular function monitoring. The development of this system has great potential in <a href="http://www.ntsearch.com/search.php?q=home&v=56">home</a> care.

第一章 緒論
1.1 引言…………………………………………………… 1
1.2 研究動機……………………………………………… 2
1.3 研究方法……………………………………………… 3
1.4 文獻回顧……………………………………………… 4
1.5 創新考量及貢獻……………………………………… 5
1.6 論文架構……………………………………………… 6

第二章 生理訊號量測及原理
2.1光體積變化描記圖概論……………………………… 7
2.1.1光體積變化描記圖原理………………………… 7
2.2 心電圖概論…………………………………………… 10
2.2.1心電圖原理……………………………………… 11
2.3參數分析……………………………………………… 14
2.3.1血氧濃度………………………………………… 14
2.3.2血管硬化指數…………………………………… 16
2.3.3血管反射指數…………………………………… 18
2.3.4脈波傳導速度………………………………………… 19
第三章 量測系統設計
3.1量測系統架構………………………………………… 21
3.2光體積描記圖電路設計……………………………… 21
3.3心電圖電路設計……………………………………… 27
3.4數位系統設計………………………………………… 27
3.5系統實體圖…………………………………………… 28
3.6量測系統擷取之類比訊號…………………………… 33
3.7 實驗設計…………………………………………………… 35
第四章 訊號分析及結果
4.1訊號分析……………………………………………… 36
4.2 心電圖QRS波偵測………………………………… 37
4.3 光體積變化描記圖波峰偵測………………………… 40
4.4 平均波形解構………………………………………… 42
4.5 脈波傳輸時間………………………………………… 43
4.6 實驗結果…………………………………………… 44
第五章 討論與未來展望
5.1 討論…………………………………………………… 56
5.2 未來展望……………………………………………… 57
參考文獻
圖表目錄

圖 2-1 光體積描記圖直流及交流成分示意圖…………………………….8
圖 2-2 光強度變化簡易模型……………………………………………….10
圖 2-3 標準心電訊號示意圖……………………………………………….11
圖 2-4 標準雙極肢導心電訊號產生過程………………………………….12
圖 2-5 Einthoven’s triangl與雙極肢導關係………………………………..13
圖 2-6 Wilson terminal(CT)與單極肢導關係………………………………13
圖 2-7 加強單極肢導……………………………………………………….13
圖 2-8 單極前胸壁肢導…………………………………………………….13
圖 2-9 氧氣交換系統……………………………………………………….14
圖 2-10 光強度比例與血氧濃度關係……………………………………….16
圖 2-11 波形傳輸及反射理論示意圖……………………………………….17
圖 2-12 血管硬化指數公式及參數示意圖………………………………….18
圖 2-13 血管反數指數公式及參數示意圖………………………………….18
圖 2-14 脈波傳導速度與血管硬化程度關係圖…………………………….19
圖 2-15 PWV波形參數擷取示意圖……………………………………….20
圖 3-1 系統量測方塊圖…………………………………………………….21
圖 3-2 數位系統方塊圖…………………………………………………….23
圖 3-3 發光二極體與光偵測器間隔距離研究…………………………….25
圖 3-4 四相時序驅動圖…………………………………………………….26
圖 3-5 電路設計方塊圖…………………………………………………….26
圖 3-6 心電圖電路方塊圖………………………………………………….29
圖 3-7 電源轉換流程圖…………………………………………………….30
圖 3-8 系統實體圖、量測方式與各電路放大圖………………………….31
圖 3-9 類比訊號-穿透式PPG與ECG及反射式PPG與ECG…………..34
圖 4-1 ECG & PPG 波形…………………………………………………...36
圖 4-2 訊號處理流程圖…………………………………………………….37
圖 4-2 動態閥值…………………………………………………………….39
圖 4-4 (a)原始訊號 (b) 濾波後訊號及動態閥值偵測QRS結果………...40
圖 4-5 (a)原始波形(b)濾波後訊號及坡峰偵測結果………………………41
圖 4-6 波形解析示意圖…………………………………………………….42
圖 4-7 PTT估算方式示意圖……………………………………………….43
圖 4-8 脈波傳導時間測試………………………………………………….44
圖 4-9 脈波傳導速度測試………………………………………………….46
圖 4-10 SI參數測試………………………………………………………….46
圖 4-11 RI參數測試………………………………………………………….47

圖 4-12 穿透型與反射式光體積描記圖結合心電圖量測之PWV參數比較….48
圖 4-13 穿透型與反射式光體積描記圖量測之SI參數比較……………………48
圖 4-14 穿透型與反射式光體積描記圖量測之RI參數比較……………………49
圖 4-15 實際光體積量測波形分析………………………………………………..51
圖 4-16 穿透型PWV與年齡趨勢圖……………………………………………...53
圖 4-17 反射型PWV與年齡趨勢圖……………………………………………...53
圖 4-18 穿透型SI與年齡趨勢圖………………………………………………....54
圖 4-19 反射型SI與年齡趨勢圖…………………………………………….…...54
圖 4-20 穿透型RI與年齡趨勢圖………………………………………………....55
圖 4-21 反射型RI與年齡趨勢圖…………………………………………….…...55

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