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研究生:陳奕綸
研究生(外文):Yi-Lun Chen
論文名稱:心電圖與呼吸訊號之關聯性研究
論文名稱(外文):Analysis between ECG and Respiratory Signal
指導教授:李揚漢李揚漢引用關係
指導教授(外文):Yahg-Han Lee
口試委員:林亮宇曾憲威
口試日期:2017-05-23
學位類別:碩士
校院名稱:淡江大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2017
畢業學年度:105
語文別:中文
論文頁數:87
中文關鍵詞:心電圖心源性呼吸訊號呼吸次數
外文關鍵詞:ECGECG-Derived RespirationNumber of respiration
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在現今科技發達的時代,現代人越來越注重健康,許多穿戴式裝置都往醫療保健的方向發展,因穿戴式裝置與醫療設備結合,所以當想要初步檢測身理狀況時,不需要特地到醫院檢查,只要透過醫療性的穿戴式裝置,就能夠進行檢查,對現代人可說是越來越便利。心臟是人體最重要的器官,它就像人體的馬達,當心臟停止跳動時,代表著生命的結束,因此在現今的穿戴式裝置中,經常看到心跳量測的功能。心電描記術(Electrocardiography, ECG)是測量和診斷心臟最好的方法,此方法是一種經過胸腔以時間為單位紀錄心臟的電生理活動,並透過皮膚上的電極捕捉並記錄下來的診斷技術,藉由此技術即可得到心電圖,而心電圖是用來判斷心臟是否健康的重要依據之一,廣為大眾認知與接受。

呼吸的過程中,胸腔內空氣的體積會造成胸腔大小和位置的改變,因而造成阻抗的變化,進而對ECG的振幅造成影響。本研究透過分析ECG,找出ECG與呼吸之關聯性,從ECG導出心源性呼吸訊號(ECG-Derived Respiration, EDR),進而計算呼吸次數,並與自製之呼吸流量器AT01量測的呼吸流量訊號做比對,結果發現在ECG訊號良好的情況下,準確率高達九成。
Nowadays, with the advanced technological development and the higher attention on health issue, many wearable devices are designed to value health care. When you wear the devices which combine with medical equipment, you do not need to go to hospitals to take physical examination in particular if you just want to check your physical conditions initially. Instead ,you can take the physical examination as long as you wear devices with medical equipment.Due to these devices, it is more convenient for modern people. Heart is the most important organ in the human body, and it is like a motor in the body. Life ends when heart stops beating. Thus, nowadays, the wearable devices is often build in heartbeat measurement. Electrocardiography (ECG) is the best method to measure and diagnose hearts. This method is a diagnostic technique that captures and records the electrophysiological activities of hearts through the electrodes on the skin. When one is breathing, the volume of air inside the chest will change the size and location of chests. Also, the changes will cause alteration in impedance which then affect the amplitude of ECG. This study, through analyzing ECG, aims to figure out the relation between ECG and respiration. With ECG-Derived Respiration (EDR) signals, we calculated times of breathing and compared them with breathing signal from self-made breathing flowmeter AT01. It is proved that the accuracy rate is up to 90% when the ECG signals are received well.
目錄
誌謝....................................................I
中文摘要................................................II
ABSTRACT..............................................III
目錄....................................................V
圖目錄................................................VII
表目錄................................................XIV
第一章 緒論..............................................1
1.1 研究動機.............................................1
1.2 研究目的.............................................2
1.3 文獻回顧.............................................2
1.4 章節介紹.............................................6
第二章 研究背景..........................................7
2.1 心臟的傳導系統.......................................7
2.2 心電圖簡介...........................................8
2.2.1 心電圖功能與原理....................................8
2.2.2 心電圖的組成......................................10
2.3 呼吸簡介............................................11
2.4 心源性呼吸訊號......................................12
第三章 研究方法.........................................13
3.1 系統架構............................................13
3.2 量測設備介紹........................................14
3.2.1 ECG訊號感測模組...................................14
3.2.2 呼吸流量設備AT01..................................14
3.2.3 硬體資料接收方法...................................16
3.3 特徵點演算法........................................18
3.3.1 利用So and Chen擷取R特徵點........................20
3.3.2 EDR訊號擷取.......................................22
3.4 頻譜濾波............................................23
3.5 呼吸流量訊號........................................25
3.6 呼吸次數判斷........................................26
第四章 研究結果與比較....................................28
4.1 實驗流程............................................28
4.2 實驗情境............................................30
4.3 實驗結果............................................36
第五章 結論與未來展望....................................83
5.1 結論...............................................83
5.2 未來展望............................................84
參考文獻................................................85


圖目錄
圖 1.1 Cosmed的Cosmed''s k5呼吸量測設備....................1
圖 1.2 呼吸訊號擷取......................................2
圖 1.3 EDR訊號與真實呼吸訊號間比較呼吸速率的方法............3
圖 1.4 HRV與PAV方法所得的EDR比較結果......................3
圖 1.5 EDR訊號與呼吸訊號在不同呼吸頻率和姿勢的比對...........4
圖 1.6 三種EDR訊號用於睡眠呼吸暫停檢測結果..................5
圖 1.7 潮氣容積與胸部阻抗變化關係..........................5
圖 1.8 導程I和導程III與呼吸訊號之關係......................6
圖 2.1 心臟傳導示意圖 (IEEE conference on SCORed 2006.4th)[12]....................................................7
圖 2.2 心電圖PQRST示意圖[22]............................10
圖 2.3 EDR訊號.........................................12
圖 3.1系統架構圖........................................13
圖 3.2 (a) BeneGear Inc. ECG125 (b) 心跳帶..............14
圖 3.3 (a) Arduino Pro Mini和Bluetooth HC05............15
圖 3.4 手機與BeneGear HRM APP...........................16
圖 3.5 BeneGear HRM 觀察ECG訊號模式.....................17
圖 3.6 BeneGear HRM 量測紀錄模式........................17
圖 3.7 電腦與終端顯示器..................................18
圖 3.8 終端顯示器.......................................18
圖 3.9 訊號處理流程圖....................................19
圖 3.10 So and Chen流程圖...............................21
圖 3.11 ECG訊號與R點檢測(圓點)...........................22
圖 3.12 ECG訊號導出之EDR訊號.............................22
圖 3.13 濾波器設計概念...................................24
圖 3.14 未濾波EDR訊號...................................25
圖 3.15濾波EDR訊號......................................25
圖 3.16 RES訊號........................................26
圖 3.17 五點移動平均RES訊號..............................26
圖 3.18 濾波EDR訊號與五點移動平均RES訊號..................27
圖 3.19 呼吸次數檢測方法.................................27
圖 4.1 訊號量測流程圖....................................29
圖 4.2 (a) 側面坐姿 (b) 正面坐姿.........................31
圖 4.3 (a) 側面站姿 (b) 正面站姿.........................32
圖 4.4 慢走............................................33
圖 4.5 (a) 正面快走 (b) 側面快走.........................34
圖 4.6 (a) 正面跑步 (b) 側面跑步.........................35
圖 4.7 S-Sit測試者A - ECG訊號 vs EDR訊號.................38
圖 4.8 S-Sit測試者A - 未濾波EDR訊號......................38
圖 4.9 S-Sit測試者A - 濾波EDR訊號........................38
圖 4.10 S-Sit測試者A - 五點移動平均RES訊號................39
圖 4.11 S-Sit測試者A - 濾波EDR訊號 vs 五點移動平均RES訊號.39
圖 4.12 S-Sit測試者B - ECG訊號 vs EDR訊號................40
圖 4.13 S-Sit測試者B - 未濾波EDR訊號.....................40
圖 4.14 S-Sit測試者B - 濾波EDR訊號.......................40
圖 4.15 S-Sit測試者B - 五點移動平均RES訊號................41
圖 4.16 S-Sit測試者B - 濾波EDR訊號 vs 五點移動平均RES訊號.41
圖 4.17 S-Sit測試者C - ECG訊號 vs EDR訊號................42
圖 4.18 S-Sit測試者C - 未濾波EDR訊號.....................42
圖 4.19 S-Sit測試者C - 濾波EDR訊號.......................42
圖 4.20 S-Sit測試者C - 五點移動平均RES訊號................43
圖 4.21 S-Sit測試者C - 濾波EDR訊號 vs 五點移動平均RES訊號.43
圖 4.22 S-Sit測試者D - ECG訊號 vs EDR訊號...............44
圖 4.23 S-Sit測試者D - 未濾波EDR訊號....................44
圖 4.24 S-Sit測試者D - 濾波EDR訊號......................44
圖 4.25 S-Sit測試者D - 五點移動平均RES訊號................45
圖 4.26 S-Sit測試者D - 濾波EDR訊號 vs 五點移動平均RES訊號.45
圖 4.27 S-Stand測試者A - ECG訊號 vs EDR訊號..............47
圖 4.28 S-Stand測試者A - 未濾波EDR訊號...................47
圖 4.29 S-Stand測試者A - 濾波EDR訊號.....................47
圖 4.30 S-Stand測試者A - 五點移動平均RES訊號..............48
圖 4.31 S-Stand測試者A -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號..48
圖 4.32 S-Stand測試者B - ECG訊號 vs EDR訊號..............49
圖 4.33 S-Stand測試者B - 未濾波EDR訊號...................49
圖 4.34 S-Stand測試者B - 濾波EDR訊號.....................49
圖 4.35 S-Stand測試者B - 五點移動平均RES訊號..............50
圖 4.36 S-Stand測試者B -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號..50
圖 4.37 S-Stand測試者C - ECG訊號 vs EDR訊號..............51
圖 4.38 S-Stand測試者C - 未濾波EDR訊號...................51
圖 4.39 S-Stand測試者C - 濾波EDR訊號.....................51
圖 4.40 S-Stand測試者C - 五點移動平均RES訊號..............52
圖 4.41 S-Stand測試者C -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號..52
圖 4.42 S-Stand測試者D - ECG訊號 vs EDR訊號..............53
圖 4.43 S-Stand測試者D - 未濾波EDR訊號...................53
圖 4.44 S-Stand測試者D - 濾波EDR訊號.....................53
圖 4.45 S-Stand測試者D - 五點移動平均RES訊號..............54
圖 4.46 S-Stand測試者D-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號...54
圖 4.47 D-Slow測試者A - ECG訊號 vs EDR訊號..............56
圖 4.48 D-Slow測試者A - 未濾波EDR訊號....................56
圖 4.49 D-Slow測試者A - 濾波EDR訊號......................56
圖 4.50 D-Slow測試者A - 五點移動平均RES訊號...............57
圖 4.51 D-Slow測試者A -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號...57
圖 4.52 D-Slow測試者B - ECG訊號 vs EDR訊號...............58
圖 4.53 D-Slow測試者B - 未濾波EDR訊號....................58
圖 4.54 D-Slow測試者B - 濾波EDR訊號......................58
圖 4.55 D-Slow測試者B - 五點移動平均RES訊號...............59
圖 4.56 D-Slow測試者B -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號...59
圖 4.57 D-Slow測試者C - ECG訊號 vs EDR訊號...............60
圖 4.58 D-Slow測試者C - 未濾波EDR訊號....................60
圖 4.59 D-Slow測試者C - 濾波EDR訊號......................60
圖 4.60 D-Slow測試者C - 五點移動平均RES訊號...............61
圖 4.61 D-Slow測試者C -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號...61
圖 4.62 D-Slow測試者D - ECG訊號 vs EDR訊號...............62
圖 4.63 D-Slow測試者D - 未濾波EDR訊號....................62
圖 4.64 D-Slow測試者D - 濾波EDR訊號......................62
圖 4.65 D-Slow測試者D - 五點移動平均RES訊號...............63
圖 4.66 D-Slow測試者D-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號...63
圖 4.67 D-Quick測試者A - ECG訊號 vs EDR訊號.............65
圖 4.68 D-Quick測試者A - 未濾波EDR訊號...................65
圖 4.69 D-Quick測試者A - 濾波EDR訊號.....................65
圖 4.70 D-Quick測試者A - 五點移動平均RES訊號..............66
圖 4.71D-Quick測試者A-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....66
圖 4.72 D-Quick測試者B - ECG訊號 vs EDR訊號.............67
圖 4.73 D-Quick測試者B - 未濾波EDR訊號...................67
圖 4.74 D-Quick測試者B - 濾波EDR訊號.....................67
圖 4.75 D-Quick測試者B - 五點移動平均RES訊號..............68
圖 4.76D-Quick測試者B-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....68
圖 4.77 D-Quick測試者C - ECG訊號 vs EDR訊號..............69
圖 4.78 D-Quick測試者C - 未濾波EDR訊號...................69
圖 4.79D-Quick測試者C - 濾波EDR訊號......................69
圖 4.80 D-Quick測試者C - 五點移動平均RES訊號..............70
圖 4.81D-Quick測試者C-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....70
圖 4.82 D-Quick測試者D - ECG訊號 vs EDR訊號..............71
圖 4.83 D-Quick測試者D - 未濾波EDR訊號...................71
圖 4.84 D-Quick測試者D - 濾波EDR訊號.....................71
圖 4.85 D-Quick測試者D - 五點移動平均RES訊號..............72
圖 4.86D-Quick測試者D-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....72
圖 4.87 D-Run測試者A - ECG訊號 vs EDR訊號................74
圖 4.88 D-Run測試者A - 未濾波EDR訊號.....................74
圖 4.89 D-Run測試者A - 濾波EDR訊號.......................74
圖 4.90 D-Run測試者A - 五點移動平均RES訊號................75
圖 4.91 D-Run測試者A -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....75
圖 4.92 D-Run測試者B - ECG訊號 vs EDR訊號................76
圖 4.93 D-Run測試者B - 未濾波EDR訊號.....................76
圖 4.94 D-Run測試者B - 濾波EDR訊號.......................76
圖 4.95 D-Run測試者B - 五點移動平均RES訊號................77
圖 4.96 D-Run測試者B -濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....77
圖 4.97 D-Run測試者C - ECG訊號 vs EDR訊號................78
圖 4.98 D-Run測試者C - 未濾波EDR訊號.....................78
圖 4.99 D-Run測試者C - 濾波EDR訊號.......................78
圖 4.100 D-Run測試者C - 五點移動平均RES訊號...............79
圖 4.101 D-Run測試者C-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....79
圖 4.102 D-Run測試者D - ECG訊號 vs EDR訊號..............80
圖 4.103 D-Run測試者D - 未濾波EDR訊號....................80
圖 4.104 D-Run測試者D - 濾波EDR訊號......................80
圖 4.105 D-Run測試者D - 五點移動平均RES訊號...............81
圖 4.106 D-Run測試者D-濾波EDR訊號vs五點移動平均RES訊號....81

表目錄
表 2.1 傳統標準心電圖12導程...............................9
表 4.1 情境-坐姿........................................31
表 4.2 情境-站姿........................................32
表 4.3 情境-慢走........................................33
表 4.4 情境-快走........................................34
表 4.5 情境-跑步........................................35
表 4.6 量測結果-坐姿....................................37
表 4.7 量測結果-站姿....................................46
表 4.8 量測結果-慢走....................................55
表 4.9 量測結果-快走....................................64
表 4.10量測結果-跑步....................................73
表 4.11統計量測結果.....................................82
參考文獻
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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