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研究生:鍾瑋哲
研究生(外文):WEI–JHE,JHONG
論文名稱:建立PPG系統評估生理疲勞
論文名稱(外文):Design of the PPG system to assess the mental fatigue
指導教授:張明溫
指導教授(外文):MING–WUN,JHANG
學位類別:碩士
校院名稱:南台科技大學
系所名稱:生物醫學工程研究所
學門:工程學門
學類:生醫工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:101
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:62
中文關鍵詞:光體積描述圖疲勞生理心跳變異律
外文關鍵詞:PPGfatigueHRV
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本研究的目的是以光體積描述圖來取代心電圖的方式分析心跳變異率,以得知自主神經系統中的交感神經與副交感神經的活性,藉由對此活性的分析來客觀的評估精神疲勞。

光體積描述圖是由自行設計的電路所測量的,經由微控制器的數位類比轉換、以及非同步傳輸將資料傳送到電腦,再由Labview撰寫信號處理和分析程式,並將結果顯示在銀幕上。系統完成後對硬體、軟體的功能做驗證,驗證無誤後再對受測者進行實驗,以評估系統的可行性。

本研究嘗試以一簡單的方式來評估精神疲勞,受測者經過本系的量測分析後,將此結果與受測者所填寫的工作壓力評量的結果做比較,發現有86%的相關性,相信經過改良與更多受測者的驗證可以客觀的用來評估精神疲勞。
This study is analysis of heart rate variability (HRV) that use of photoplethysmograph(PPG) measurement methods, instead of the general electrocardiogram (ECG) measurement methods.HRV analysis of the data is associated with autonomic nervous system (ASN), from ANS information can be an objective assessment of the mental fatigue.

PPG waveform is obtained by self-developed circuit, the data is sent to a computer, by A/D conversion and UART.HRV analysis using Labview design, the results will be displayed on the screen. PPG system established after the completion for the hardware and the programming functions of software are verified. Verify correct and then conduct experiments, complete the mental fatigue of assessment.

The results showed that 85% similarity that PPG system and rating
scale of Stress-related fatigue. Stress-related Fatigue. I believe that through improvement and validation can be used to the mental fatigue.

Key word: photoplethysmograph(PPG), heart rate variability (HRV), mental fatigue, autonomic nervous system (ASN).
第一章 緒論 1
1-1 研究動機與目的 1
1-2壓力與生理的關係 1
1-2-1 自主神經系統 2
1-3量測方法回顧 3
第二章 波形原理 4
2-1 光體積描述圖 4
2-2 PPG與ECG之比較 6
2-3 以PPG分析HRV 8
第三章 系統設計原理及方法 9
3-1 完整系統架構 9
3-2 硬體系統架構 9
3-2-1 PPG感測器 10
3-2-2 信號前置處理電路 11
3-3-2 HRV分析方法 20
第四章 系統測試與驗證 31
4-1驗證項目與工具 31
4-2驗證方法與結果 31
第五章 實驗方法與結果討論 38
5-1實驗方法說明 38
5-2 工作壓力源亞量表 39
5-3 實驗結果與討論 39
5-4 未來發展 42
參考文獻 43
附錄 46
﹝1﹞技術叢書IOSH95-T-078 IOSH 勞工安全衛生研究所技術叢書「過勞問題」相關文獻回顧

﹝2﹞Désirée Lie, MD, MSEd “Workplace Stress Management Program Reduces Heart-Rate Variability and BP” Medscape 2007.


﹝3﹞Erik M. G. Olsson, Walton T. Roth & Lennart Melin
”Psychophysiological Characteristics of Women Suffering from Stress-Related Fatigue.” ,Journal of STREE&HEALTHVolume 26, Issue 2, pages 113–126,April 2010

﹝4﹞ Politano L, Palladino A, Nigro G, Scutifero M, Cozza V.” Usefulness of heart rate variability as a predictor of sudden cardiac death in muscular dystrophies.”Acta Myol 27:114-22. 2008

﹝5﹞Vaferie C. Scanlon & Tina Sanders,”Essentials of Anatomy and Physiology”五南,2008

﹝6﹞Akselrod S, Gordon D, Ubel FA, Shannon DC, Berger AC, Cohen RJ. “Power spectrum analysis of heart rate fluctuation: a quantitative probe of beat-to-beat cardiovascular control.” Science.” MEDLINE,Vol.213 NO.4504 ,1981 Jul 10;213


﹝7﹞“MEDIS”(http://www.medis-de.com/index.php?option=com_content&task=view&id=38&Itemid=63)
﹝8﹞J. P. deKock, "Pulse oximetry: Theoretical and experimental models", Medical, Biological Engineering and Computing, vol. 31, pp. 291-300, 1993 May.

﹝9﹞Nichols WW,O`Rourke MF.McDonald`s Blood Flow in Arteries: Theoretical,Experimental and Clnincal Priniples. Lond:Arnold,1998

﹝10﹞高材、林康平、林峰輝、陳家進 主編“生物醫學工程導論”,滄海,2009

﹝11﹞林育德“脈波信號與PPG信號特徵之相關性研究” 中醫藥年報 第 28 期 第 1 冊

﹝12﹞M. Bolanos, Student Member, H. Nazeran, Senior Member , E. Haltiwanger “Comparison of Heart Rate Variability Signal Features Derived from lectrocardiography and Photoplethysmography in Healthy Individuals.” IEEE ,Aug 30-Sept 3, 2006

﹝13﹞Goldman JM, Petterson MT, Kopotic RJ, Barker SJ. “Masimo signal extraction pulse oximetry. “journal,Spring Link, 2000.

﹝14﹞呂學士/劉深淵/劉致為審閱”微電子學(上)(第三版)(Neamen 3/e)”滄海,2009

﹝15﹞Renesas R8C/2D datasheet

﹝16﹞林振漢 “8051單晶片實作:使用C語言” 博碩,2004

﹝17﹞吳香宜,吳瑞士”輔仁大學體育學刊第七期:運動訓練對心率變異度的影響”239~252

﹝18﹞胡仁喜 “LabVIEW 2010中文版虛擬儀器從入門到精通”,機械工業出版社,2012

﹝19﹞蒙以正 “數位信號處理:應用MATLAB”旗標,2004

﹝20﹞行政院勞工委員會

﹝21﹞心律大師®/ ANSWatch®( http://www.taiwanscientific.com.tw/)

﹝22﹞Cardiorespiratory interactions during resistive load breathing
Pascale Calabrese1, Helene Perrault2, Tuan Pham Dinh3,Andre Eberhard
3, and Gila Benchetrit1

﹝23﹞林嘉慶、黎俊彥“規律運動訓練對心率變異性之影響” 2008
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