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研究生:林俊賢
論文名稱:利用經驗模態與黃鍔轉換探討耳脈搏訊號與心電圖訊息之比較
論文名稱(外文):Research of Ear PPG Signals Compared with ECG Signals by Empirical Mode Decomposition and Hilbert-Huang Transform
指導教授:黃宜正黃宜正引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:國立彰化師範大學
系所名稱:機電工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:57
中文關鍵詞:黃鍔法心電圖光體積量測設備
外文關鍵詞:Hilbert Huang TransformECGPPG
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心率變異性(Heart rate variability;HRV)可反應人體內自主神經的活動,其受呼吸、血壓、運動、睡眠、疾病、藥物…等因素所影響。目前醫界所廣為使用來評估心臟功能的方法為心電圖(Electrocardiogram;ECG),利用量測心臟自發性微電流,透過資料分析的手法,來評估HRV。
隨著全國人口高齡化,及國人越來越重視健康的情況下,未來居家用保健器材將快成長,隨科技進步,量測的方式也要更加簡易、即時,使用的設備亦更為輕巧方便,光體積量測設備(Photoplethysmogram;PPG)為當今常用的一種設備之一;因此本論文透過同時量測耳脈搏之PPG及ECG,利用黃鍔轉換法(Hilbert-Huang Transform)分解心電圖資料,藉黃鍔法解離訊號技術,消除心電圖中不必要的基線飄移(Wander Line),與一般低頻雜訊,將新的資料與PPG在相關度比對,藉比對結果,來強化耳脈搏使用之正當性,便於與ECG臨床的HRV做印證。
結果發現,耳脈搏量測到的PPG之各種參數與ECG測量到的心律變異數,在各參數有良好的相關性,顯示耳脈搏PPG在代替心電圖作為心律變異量測使用上具有發展性

Abstract
Heart Rate Variability (HRV) is a measurement to represent the activity of
autonomic nerves which can be affected by respiration, blood pressure,
work-out, sleep, illness, drug use, et al. Electrocardiogram (ECG) is widely
accepted a method in establishing and evaluating heart functions in recent
therapies in that HRV is measured by analyzing the data acquired from the
micro current generated by heart beating.
The demand of in-home devices to monitor personal-healthy-status is
created by the trend of aging society and health-oriented living habits. Taking
the advantage of modern technology in data acquisition, it is able to provide
comprehensive, on-time, sophisticated measuring device for medical purpose.
Therefore, in this thesis, use of stress relief system of Photoplethysmogram
(PPG) is measured for the impulse of ear. The heart beating of ECG is
conducted simultaneously. Hilbert-Huang Transform (HHT) method is used for
analyzing the ECG data. The unexpected wander line and low frequency noise
signals are eliminated with confidence. The experimental results show
correlation of the PPG and the ECG signals are good. This reinforces the HRV
validity by using PPG in this research.
It is convinced that the ear PPG pulse has the potential for the analysis of
HRV in the near future.
中文摘要 II
Abstract Ⅲ
表目錄 Ⅶ
圖目錄 Ⅷ
第一章 緒論 1
1-1 研究動機 1
1-2 文獻回顧 2
1-3 章節概要 5
第二章 研究背景及原理 5
2-1 心臟傳導系統 6
2-2 心電圖 7
2-3動脈脈波之形成與波形定義 10
2-4心率變異之分析 14
2-4-1 時域分析 15
2-4-2 頻域分析 16
2-5相關係數 18
2-6實驗設備 19
2-6-1 壓力釋放系統 19
2-6-2ECG心率變異分析系統 20
第三章 希伯特黃轉換(Hilbert Huang Transform, HHT) 22
3-1 瞬間頻率(Instantaneous Frequency) 23
3-2 內稟模態函數(Intrinsic mode functions, IMF) 27
3-3 經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition Method, EMD) 28
3-4 希爾伯特頻譜(Hilbert Spectrum) 33
第四章 實驗數據分析 35
4-1 實驗設計 35
4-2 研究對象 36
4-3 ECG資料處理 38
4-4 PPG資料處理 48
4-5 ECG及PPG資料比對 49
第五章 結論與展望 53
5-1 結論與討論 53
5-2 未來展望 53
參考資料 55

表目錄
表1-1 九十八年國人十大死亡排行榜 ..................1
表1-2 文獻回顧表 ..................................4
表2-1 心律變異度之時域分析法摘要表 ..........................16
表4-1 研究對象 .................................36
表4-2 被研究人員頻域資料表列 ............................51
表4-3 VLF 之資料表列 ..........................52
表4-4 LF 之資料表列 ..............................52
表4-5 HF 之資料表列 ...........................52
圖目錄
圖2-1 心臟組織圖 ..........................6
圖2-2 心臟傳導系統 ........................6
圖2-3 心臟節律訊號傳導系統 ...............8
圖2-4 心電圖及心臟去極化/極化對照圖 ............9
圖2-5 心電圖之U 波 .............................10
圖2-6 動脈脈壓波圖 ............................ 11
圖2-7 穿透式血管管徑變化偵測示意 ........................13
圖2-8 血管徑連續變化波形圖 ..............13
圖2-9 心電圖RRI 量測圖 ..................15
圖2-10 HR 圖繪製法 ..........................15
圖2-11 HRV 之PSD ............................17
圖2-12 Stress relief system 設備及軟體圖 ...................19
圖2-13 心率變異分析系統 ....................20
圖3-1 希爾伯特黃轉換架構 ................23
圖3-2 (A)相位平面對x(t) = α + sin t (a) α = 0; (b) α< 1; (c) α > 1 (B)原式展開之相位函數(C) x(t) = α + sin t 之瞬間頻率 ...26
圖3-3 典型的內稟模態函數 .................27
圖3-4 經驗模態分解篩濾流程: (a) 原始資料以細線表示 (b) 點虛線為上下包絡線,粗體線為均值 (c)原始資料與第一個分量之差,零均值以下的負值區存有一個不合條件的相對極大值 ...................30
圖3-5 經驗模態分解圖(a)原始訊號(b)內稟模態函數與趨勢表示圖 ...32
圖3-6 心電圖部份取樣圖 ....................33
圖3-7 ECG 瞬間的希爾伯特頻譜表示圖 ..............34
圖3-8 原始ECG 與頻譜重疉比對圖 ..........34
圖4-1 量測接線圖 .................................36
圖4-2 實際量測耳、手接線狀況 ..........37
圖4-3 實際量測腳部接線狀 ..................37
圖4-4 ECG 量測資料 .............................38
圖4-5 ECG 之IMF 及趨勢線 ................39
圖4-6 ECG 之IMF 頻譜 .....................43
圖4-7 ECG 50~60 sec 區段 .................44
圖4-8 ECG-IMF1- 50~60 sec 區段 ........44
圖4-9 ECG 原始訊號及頻譜重疊觀察 ....................44
圖4-10 無特徵貢獻之IMF10 ................45
圖4-11 原始ECG 訊號減去趨勢及雜訊並重建圖 ..............45
圖4-12 原始ECG 訊 ...........................46
圖4-13 重建後之ECG 訊號 ................46
圖4-14 重建後之ECG 訊號局部放大圖........................46
圖4-15 ECG 之HR 圖 ...................47
圖4-16(a) RRI 時間序內插 ..............47
圖4-16(b) RRI 時間序內插放大圖 .........48
圖4-17 PPG 取樣圖 ..............................48
圖4-18 PPG 影像轉化為資料格式 .........49
圖4-19 ECG 及PPG 之HR 資料比對 .......49
圖4-20 ECG 及PPG 之FFT 資料比對 ...........50
圖4-21 ECG 及PPG 之PSD 資料比對 ...50
圖5-1 相對移動所造成PPG 量測失真 ....54
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[27] INSTITUE OF HEARTMATH,"Science of The Heart: Exploring the Role of the Heart in Human Performance, "http://www.heartmath.org/research/science-of-the-heart/introduction.html
[28] MBA智庫百科,"相關係數",http://wiki.mbalib.com/

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