本研究之目的最主要為發展出一套結合光體積描記法以及心電圖之多通道生理訊號分析系統，並應用於比較週邊動脈血管阻塞與正常人之心血管、脈波參數，藉此得知本系統量測方式是否可以在各特徵參數中觀察到其差異性，而確切反映受出測者之心血管狀態，並加以探討。在系統方面，前端類比訊號擷取以Lead I心電擷取電路、血氧濃度擷取電路為主，將取得之訊號透過MSP430微控器當作ADC，爾後經藍芽無線傳輸至軟體端，並透過數位濾波器FIR再次將訊號做濾除雜訊，以及使用Tompkins 演算法、脈波微分法取出各特徵點，並由自行開發之介面來做生理訊號之儲存與特徵參數計算。
在實驗方面，本研究蒐集週邊動脈阻塞病患與健康成年人各10名，藉由此系統擷取訊號並計算出心血管參數，再透過t-test分析找出患者與正常人間之差異性。結果顯示，週邊動脈阻塞患者在參數統計上與正常人相比有較高之脈波傳導時間(PTTf, PTTp, RT)、主波峰角(∠P)以及較低之脈波始射角(∠U)、脈波振幅(Amp)。針對上述各參數來探討，可發現兩組心血管特性之不同，證實光體積描記圖及心電圖訊號之結合不僅可以用於動脈硬化之檢測，更可以偵測動脈阻塞之情況，並加以預防。

The main purpose of this study was to develop a set of analysis system of multi-channel physiological signals that integrated optical plethysmography and ECG signals. In this study, we not only developed the system, but also compared the parameters and investigated the difference between peripheral arterial occlusive disease (PAOD) patients and normal people.
In the development of the system, front analog signal acquisition was mainly combined Lead I ECG circuit and oxygen concentration circuit to retrieve physiological information, and we also improved ECG acquisition mode from three to two electrodes. Then the MicroController Unit (MSP430) was used to receive these signals and to do analog-to-digital conversion. Further, these digital signals transferred to PC through Bluetooth module with Asynchronous Receiver/Transmitter (UART). These signals were filtered again by digital Finite Impulse Response Filter (FIR) and utilized Tompkins algorithms of ECG, differential method of pulse wave signals to acquire Feature points. After finishing above process, we would pass through the self-developed interface to achieve the data storage and calculation of characteristic parameters.
In the clinical experiments, a total of 10 PAOD patients and 10 healthy adults were recruited. By means of this system, we could obtain individual physiological signal and calculate cardiovascular parameters. Thereafter the data were analyzed by t-test statistical analysis to find out the difference between patients and normal people. The results showed that statistical parameters of the PAOD patients compared with that of the normal subjects had higher values of pulse transit time (PTTf, PTTp, RT), higher main peak angle (∠ P), lower pulse upstroke angles (∠ U) and lower pulse amplitude (Amp). With the above parameters, we could determine the different cardiovascular characteristics between patients and normal people. In this study, we showed that the combination of plethysmography and ECG signals not only could detect atherosclerosis but also assess arterial occlusion.

目錄
摘要
Abstract
謝誌
目錄
圖索引
表索引
第一章 緒論
1-1 前言
1-2 文獻回顧
1-2-1 非侵入式測定血氧飽和濃度
1-2-2 紅外線脈波
1-2-3 週邊動脈阻塞疾病之相關研究
1-3 研究目的
1-4 論文架構
第二章 理論基礎
2-1 人體心血管系統概論
2-2 心電圖概論
2-3 脈波形成原理
2-3-1 脈波量測技術簡介
2-3-2 脈波波型特徵
2-4 光體積變化描記圖
2-4-1 PPG應用於血氧飽和濃度
2-4-2 血氧飽和濃度計算
2-5 心血管相關參數
2-5-1 脈波振幅(PPG Pulse Amplitude
2-5-2 脈波傳導時間(Pulse Transit Time, PTTp, PTTf)
2-5-3 脈波上昇時間(Raised Time, RT)
2-6 週邊血管動脈阻塞之病理介紹
第三章 系統架構設計與方法
3-1 硬體裝置
3-1-1 心電訊號擷取電路
3-1-2 血氧訊號擷取電路
3-2 訊號整合控制處理器
3-2-1 MSP430韌體處理流程
3-2-2 RS-232串列通訊
3-2-3 藍芽無線通訊傳輸
3-3 電腦端訊號顯示
3-4 數位濾波規格與實現
3-5 訊號特徵點擷取
3-5-1 心電圖特徵點擷取
3-5-2 脈波特徵點擷取
3-6 實驗方法
3-6-1 實驗對象
3-6-2 實驗參數
3-6-3 實驗流程
第四章 結果與討論
4-1 類比訊號測試結果
4-1-1 心電訊號量測結果
4-1-2 血氧訊號量測結果
4-1-3 微控器測試結果
4-2 數位訊號測試結果
4-2-1 訊號接收與顯示
4-2-2 心電訊號特徵點擷取
4-2-3 脈波訊號特徵點擷取
4-3 實驗結果與討論
4-3-1 血氧飽和濃度校正
4-3-2 脈波參數與心血管相關參數
第五章 結論與未來展望
5-1 結論
5-2 未來展望
參考文獻
附錄

圖索引
圖1-1 97年臺灣主要十大死因
圖2-1 動脈剖面圖
圖2-2 心臟組織結構圖
圖2-3 心肌極化與去極化示意圖
圖2-4 十二導程位置關係圖
圖2-5 第一導程心電圖電壓-時間關係圖
圖2-6 心電圖-血壓脈波在時間上之關聯圖
圖2-7 脈波波型特徵定意圖
圖2-8 反射式光體積變化描記圖之原理示意圖
圖2-9 光體積變化描記圖之訊號成分
圖2-10 不同波長所對應的光吸收強
圖2-11 光強度變化簡易圖
圖2-12 R比值與血氧飽和濃度呈負相關性
圖2-13 PPG訊號圖
圖2-14 PPTf, PPTp與RT之示意圖
圖3-1 系統架構圖
圖3-2 心電訊號擷取之電路方塊圖
圖3-3 INA128內部線路圖
圖3-4 低通濾波線路圖圖3-5低通濾波器之頻率響應模擬
圖3-6 帶拒濾波器
圖3-7 減法器電路
圖3-8 準位調整電路圖3-9準位調整電路模擬時域圖
圖3-10 血氧訊號擷取方塊圖
圖3-11 血氧感測器接頭各點接法與內部線路圖
圖3-12 實際感測器接頭
圖3-13 紅外光與紅光發射時序示意圖
圖3-14 光驅動電路圖
圖3-15 光電轉換電路圖
圖3-16 ㄧ階被動低通濾波器
圖3-17 ㄧ階高通濾波器
圖3-18 高通濾波器之頻率響應模擬
圖3-19 四階低通濾波器
圖3-20 低通濾波器之頻率響應模擬
圖3-21 準位調整與放大電路圖
圖3-22 MSP430微控制器記憶體配置圖
圖3-23 MSP430F149腳位圖
圖3-24 12-Bits類比/數位轉換器模組方塊圖
圖3-25 多重頻道之連續轉換模式
圖3-26 資料傳輸格式
圖3-27 MSP430 FET開發工具
圖3-28 MSP430韌體程式流程圖
圖3-29 非同步串列資料傳輸
圖3-30 藍芽晶片模組
圖3-31 軟體端訊號接收即顯示流程圖
圖3-32 數位帶通濾波器
圖3-33 數位低通濾波器
圖3-34 人體生理訊號頻譜範圍
圖3-35 心電訊號QRS複合波偵測流程圖
圖3-36 脈波訊號特徵點偵測流程圖
圖3-37 實驗流程圖
圖4-1 量測儀器實體圖
圖4-2 儀器內部電路圖
圖4-3 儀表放大器放大訊號測試圖
圖4-4 心電擷取電路各級訊號圖
圖4-5 紅外光與紅光之訊號圖
圖4-6 紅外光與紅光之dc值與ac值
圖4-7 紅外光與紅光發射時序圖
圖4-8 A/D轉換之取樣頻率
圖4-9 訊號於軟體端顯示
圖4-10 微分後訊號
圖4-11 平方後訊號
圖4-12 移動視窗積分法處理後訊號
圖4-13 閥值設定與R波特徵點擷取
圖4-14 紅外線脈波訊號圖
圖4-15 脈波差分圖與閥值設定
圖4-16 紅外光脈波波峰及波谷值偵測
圖4-17 紅外光及紅光脈波波峰波谷值偵測
圖4-18 U角與P角計算點示意圖
圖4-19 PTTp、PTTf、與RT計算示意圖
圖4-20 分析介面
圖4-21 市售儀器與研究儀器實際量測圖
圖4-22 市售儀器與研究儀器之比對結果
圖4-23 市售儀器與研究儀器之血氧濃度值
圖4-24 線性迴歸結果
圖4-25 正常人之上下肢血氧飽和濃度比較
圖4-26 週邊動脈阻塞患者之上下肢血氧飽和濃度比較
圖4-27 週邊動脈阻塞患者與正常人之脈波傳導時間參數比較
圖4-28 週邊動脈阻塞患者與正常人之脈波特徵角參數比較
圖4-29 週邊動脈阻塞患者與正常人之脈波振幅參數比較

表索引
表2-1 溶解物對光吸收係數
表2-2 Fontaine Grading Grade分類
表2-3 週邊動脈阻塞程度評估
表3-1 帶通濾波器之規格
表3-2 低通濾波器之規格
表4-1 封包測試結果

參考文獻
[1] 行政院衛生署，http://www.doh.gov.tw/cht2006/index_populace.aspx (97年度死因統計)。
[2] T. Aoyagi, M. Kishi, K. Tamaguchi, “lamprovement of the earpiece oximeter lu”, abstracts of the 13th annual meeting of the Japanese Society of Medical Electronics & Biological Engineering, P90-91, 1974.
[3] Masahiko Okada, Mihoko Okada and Minoru Yakata, “Evaluation of arterial pulse wave velocity on the basis of multivariate analysis”, IEEE EMBS 11th Annual International Conference, 1998.
[4] S.C. Millasseau, R.P. Kelly, J.M. Ritter and P.J. Chowenczyk, “Determination of age-related increases in large artery stiffness by digital pulse contour analysis”, Clinical science, 103, 371-377, 2002.
[5] M. Maguire, T. Ward, C. Markham, D. O’Shea and L. Kevin, “A comparative study in the use of brachial photoplethysmography and the QRS complex as timing references in determination of pulse transmit time”, Proceeding of the 23rd Annual EMBS International Conference, pp. 215-218, 2001.
[6] 賴建亨，"以紅外線來分析高血壓病人的手指脈波訊號"，碩士論文，中原大學醫學工程研究所，1995。
[7] 張晉瑜，"結合紅外線脈波及心電圖於心血管參數之探討及臨床應用"，碩士論文，中原大學醫學工程研究所，2008。
[8] 楊明興，"人體末梢血流量波形之量測、分析與應用"，碩士論文，成功大學電機工程研究所，2002。
[9] 紀志凱，"應用於動脈硬化程度檢測之脈波特徵點定位系統設計 "，碩士論文，南台大學電子工程研究所，2004。
[10] 楊均承，"動脈硬化程度量測儀之校正研究"，碩士論文，東華大學電機工程研究所，2007。
[11] Z.J. Zheng, A.R. Sharret, L.E. Chambless et al. “Associations of ankle-brachial index with clinical coronary heart disease, stroke and preclinical carotid and popliteal atherosclerosis: The atherosclerosis risk in communites (ARIC) study”. Atherosclerosis 131:115-25, 1997;.
[12] W.P. Joyce, K. Walsh, D.B. Gough, T.F. Gorey, J.M. Fitzpatrik, “Pulse oximetry：a new non-invasive assessment of peripheral arterial occlusive disease” ,Br J Surg. 77, pp.1115-1117, 1990.
[13] G. Iyer Parameswaran, Kathy Brand, James Dolan, “Pulse Oximetry as a Potential Screening Tool for Lower Extremity Arterial Disease in Asymptomatic Patients with Diabetes Mellitus”, Arch. Intern. Med., 165, pp 442-446, 2005.
[14] J. Allen, C.P. Oates, T.A. Lees and A. Murray, “Photoplethysmography detection of lower limb peripheral arterial occlusive disease: a comparison of pulse timing, amplitude and shape characteristics”, Physiol. Meas., 26, pp.811-821, 2005.
[15] J. Allen, K. Overbeck, G. Stansby and A. Murray, “Photoplethysmography assessments in cardiovascular disease”, Meas. Control, 39, pp.80-83, 2006.
[16] 范垂啟，"動脈血管模擬及其脈動信號擷取與分析系統"，碩士論文，中原大學醫學工程研究所，1991。
[17] 郭能光、翁清松，張永賢，"紅外線在中醫脈診與血糖濃度的應用與分析"，中華民國八十六年度醫學工程科技研討會論文集，p.314，1997。
[18] 心血管系統與工程，http://www.getgoal.com.tw/tech/tech-3.htm。
[19] 黃基礎、史金燾、施河編譯，人體生理學，藝軒出版社，1998。
[20] A. Vander, J. Sherman, D. Luciano, “The Mechanisms of Body Function. Human Physiology”, New York: McGraw-Hill, 2001.
[21] 邱毅誠，臨床心電圖學，大學圖書出版社，1986。
[22] K. Grauer, “A Practical Guide to ECG Interpretation”, Mosby-Year Book, INC.
[23] 楊杞柳譯，心電圖判讀之快速學習法，財團法人徐氏基金會，1991。
[24] J.G. Webster, “Medical instrument application and Design”, Houghton Mifflin Company, USA, 1992.
[25] DailyCare, “Introductory Guide To Identifying ECG Irregularities”, 2006.
[26] 于凱群，"非侵入式脈搏量測系統"，碩士論文，逢甲大學自動控制工程研究所，2000。
[27] J.R. Jennings and S. Choi, “An arterial to peripheral pulse wave velocity measure”, Psychophysiology, 20: 410-417, 1983.
[28] J.G. Webster , “Medical Instrumentation – Application and Design, 3rd edition”, John Wiley & Sons, Inc., pp.309, 1998.
[29] 黃世林、孫明異，中醫脈學研究，天津：人民衛生出版社，1986。[30] 陳建仲，新一代自動化診斷脈診儀開發與研究-中醫脈學原理與實測脈波信號應用於臨床診斷之研究，93年行政院衛生署中醫藥委員會研究計畫。
[31] 黃進明，中醫脈診圖譜診斷，知音出版社，2004。
[32] 陳耀勳，"心率、PPG和非侵入脈搏波信號之相關性研究"，逢甲大學自動控制工程研究所，2005。
[33] http://www.medis-de.com/en/ppg.html
[34] J.G. Webster, “Design of Pulse Oximeters”, IOP 1997.
[35] 邱裕仁、楊哲彰，"以血氧連續脈動訊號擷取心率訊號"，元智大學老人福祉研究中心。
[36] Stephan Reichelt, Jens Fiala, Armin Werber, Katharina Förster, Claudia Heilmann, Rolf Klemm, and Hans Zappe, “Development of an Implantable Pulse Oximeter”, IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL ENGINEERING, VOL. 55, NO. 2, FEBRUARY, 2008.
[37] J.P. De Kock, L. Tarassenko, C.J. Glynn and A.R. Hill, “Reflectance
pulse oximetry measurements from the retinal fundus”, IEEE Trans. Biomed.Eng. 40 817–23, 1993.
[38] J. Mayle, “Pulse Oximetry： Principles and Practice Series”, BMJ Publishing Group, London, 1994.
[39] M. Nitzan, A. Babchenko, D. Shemesh, D. Alberton,“Influence of thoracic sympathectomy on cardiac induced oscillations in tissue blood volume”, Medical & Biological Engineering & Computing, vol.39, pp.579-583, 2001.
[40] J. Allen and A. Murray, “Age-related changes in peripheral pulse shape characteristics at various body sites”, Physiol. Meas., 24, pp.297-307, 2003.
[41] http://www.mycvs.info/page4-3-aaaaaaa.html
[42] 鄭淳銘，"具心電訊號擷取及判讀之手機照護系統"，碩士論文，中原大學生物醫學工程研究所，2008。
[43] 張志清，"光學傳感血氧飽和度的檢測[J] "，感測器世界，5(2)：
19—23，1999。
[44] 黃建新，"監護用脈搏式血氧飽和濃度模組的研製"，南京師範大學學報，第六卷第一期。
[45] 胡志彰，"以血氧濃度為基礎的肌肉疲勞評估系統初探"，碩士論文，成功大學電機工程研究所，2007。
[46] Texas Instruments, “MSP430x1xx Family User Guide”, 2000.
[47] 吳賢財，省電型16位元單晶片MSP430入門實務，滄海書局總經銷，2004。
[48] 禹帆，藍芽Bluetooth技術深入剖析，文魁資訊有限公司，2001。
[49] HotLife, Class1 BC04 EDR 藍芽模組,HL-MD08R-C1。
[50] 曾建誠，離散時間訊號處理(第二版)，台灣培生教育出版古股份有限公司，2007。
[51] 蒙以正，以MATLAB透視DSP，碁峰資訊股份有限公司，1999。
[52] Y.W. Bai, W.Y. Chu, C.Y. Chen, Y.T. Lee, Y.C. Tasi and C.H. Tasi, “Adjustable 60Hz noise reduction by a notch filter for ECG signals”, IMTC2004 – Instrumentation Measurement Technology Ccnference, Como, Italy 18-20, 1706-1711, May 2004.
[53] J. Pan and W. J. Tompkins, “A real-time QRS detection algorithm” , IEEE Trans Bio-Med Eng, 32: 230-236,1985.
[54] 陸坤池，"以低壓實現之非侵入式連續血壓量測系統"，碩士論文，中原大學生物醫學工程研究所，2000。
[55] W. R. Milnor, Hemodynamics, 2nd edition, Batimore, Maryland, Williams & Wlikins Co., 1989.
[56] A.S. Carter, R.B. Tate, “Value of toe pulse waves in addition to systolic pressures in the assessment of the severity of peripheral arterial disease and critical limb ischemia”, J Vasc Surg. Aug;24(2):258-65, 1996.