崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部

專專專專 題題題題 研研研研 究究究究 報報報報 告告告告

生理生理生理生理量測量測量測量測與與與與自律神經系統分析自律神經系統分析自律神經系統分析自律神經系統分析

學生學生學生學生：：：：C920K079 黃俊賢黃俊賢黃俊賢黃俊賢

C920K047 李明軒李明軒李明軒李明軒

C920K066 葉士葉士葉士葉士弘弘弘弘

指導教授指導教授指導教授指導教授：：：：張世熙張世熙張世熙張世熙 老師老師老師老師

中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十中 華 民 國 九 十 四四四四 年 四 月年 四 月年 四 月年 四 月

崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部崑山科技大學電子工程系二技部 生理生理生理生理量測量測量測量測與自律神經系統與自律神經系統與自律神經系統與自律神經系統分析分析分析分析 黃俊賢黃俊賢黃俊賢黃俊賢 李明軒李明軒李明軒李明軒 葉士葉士葉士葉士弘弘弘弘 撰撰撰撰 中華民國九十中華民國九十中華民國九十中華民國九十四四四四年四月年四月年四月年四月

- 1 -

誌謝誌謝誌謝誌謝

首先，感謝的是專題指導老師張世熙教授，從一開始的不懂所謂

生理回饋到最後踏入生理回饋的領域，而初步的了解測量的原理並且

接觸了許多生理量測儀器，不但指導我們正確的方向也帶著我們實地

去瞭解醫院裡檢測的現況，常常與我們互動討論待人處事的觀念。藉

由跨院系合作則讓我們了解到工科與商科學生想法理念的不同，尤其

是一件產品的推出不是只有功能好就賣的好，而是還要懂的包裝才能

吸引人。

再來感謝是歷屆的學長們，多虧學長們的經驗傳承讓我們能很快

的進入專題的狀況，不但耐著性子聽我們訴說問題也細心的教導與提

供解決問題的方向與做法而使我們少走了許多冤枉路。

最後感謝成功大學醫學院附設醫院，提供生理訊號設備讓我們研

究與使用，也挪出許多時間讓我們能實地去醫院操作設備，讓我們能

嘹解對現在醫院所需的要求與對軟體缺點有更多需改進的地方。

雖然專題做的不如當初的規劃也碰到許多的困難，但希望能藉由

我們能將經驗完整的傳承給學弟讓一代ㄧ代能做的更好，保持著當初

做的理念才能持續不斷的精進，對專題中所有幫忙的人在此致上感謝

之意。

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系統生理量測與自律神經系統分析

摘要摘要摘要摘要

本套生理訊號量測分析回饋系統，已經在成功大學附設醫院的精

神生理功能檢查室實際上的操作與應用，其特色在於對人體訊號的測

量是採取非侵略性的量測方式，對人體不會造成任何的傷害，因操作

上需要長期觀察與數據的分析所以將所測量到的生理訊號數位化、資

料庫化，在訊號的處理上與分析上都具有比傳統類比訊號所無法比擬

的便利和容易，更可結合網路即時監控與個人隨身設備來達到自動

化，整合性的環境。

再來談到所需的軟體、硬體與系統架構方面:

軟體方面，我們採用National Instruments 公司所開發的 LabVIEW TM 6.1與 7.1 與 DAQ等系列軟體，它是目前市面上最具發展潛力的

程式開發工具之一，其特點在於它提供了強大的整合功能及附加工

具，是專用於數據分析及訊號處理而設計的。尤其可依現況需求與未

來所需來添加修改程式，生理量測也是經由人體訊號來檢測處理，利

用這些工具，可以很輕易地取得訊號分析出來的資料。再加上提供人

機介面的設計，可設計讓不論是否會使用 LabVIEW的人，都可以輕

易上手。透過此系統，醫療人員不但可節省人工量測繁複的時間也能

夠在即時的訊號與資料的累積來正確判斷病人病情來做最佳的治

療，而且建立完整的資料系統與後續的資料分析功能，不僅對後續病

情的追踨與醫療的研究具有很大的助益，也更能有效的運用時間來處

理更多的事情。

硬體方面，主要以 BP-508為測量設備，雖然也自製過生理訊號

量測電路，但功能與準確性還是沒 BP-508好，所以還是使用原本的

架構方式。

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目錄目錄目錄目錄

誌謝 …………………………………………………… 1

摘要 …………………………………………………… 2

目錄 …………………………………………………… 3

第一章 緒論 …………………………………………………… 4

1-1 前言 …………………………………………… 4

1-2、3 研究目的提要…………………………… 5

1-4專題發展規劃圖………………………………. 6

第二章 擷取訊號之硬體工具 ………………………………… 7

2-1硬體架構說明 7

2-2各量測與參考輔助儀器簡介 8

2-3 COLIN BP508儀器簡介 …………………… 10

2-2 人體 sensor之連接 ………………………… 13

第三章 系統架構設計 ………………………………………… 18

3-1 發展工具軟體 ……………………………… 18

3-2 系統架構流程 ……………………………… 19

3-3 虛擬儀器圖示連結關係圖…………………… 20

3-4 Icon介紹……………………………………… 22

第四章 系統整合與結論… … … … … … … … … … … … … 25

4-1 系統整合流程圖 …………………………… 25

4-2 實際測量情形 ……………………………… 26

4-3 心率變異度分析…………………………… 32

結 論 ……………………………………………………… 37

參考文獻 ………………………………………………………… 38

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第一章第一章第一章第一章 緒論緒論緒論緒論

1-1 前言

現在的科技越來越進步，電腦也與我們生活息息相關不但改進了

計算方式也節省人力，藉由網路發達更可即時將資訊傳送到偏遠地

方，使之處處無國界。在醫學方面由於儀器價格的昂貴與操作的複雜

讓很多醫務人員在使用上遇到很多麻煩也因為各家儀器操作與傳輸

不同使之整合不容易，更因後續人工的繁複如病例抄寫、檢測數據不

易保存分析而無法即時有效的分析，由於醫生方面需要能將資料做有

效率的分析與病情追蹤但缺乏專業程式的技術，而工程師方面也缺乏

專業醫學知識，故在醫學領域儀器與電腦的統合較少有人開發。

因此，此專題有機會與成功大學附設醫院的精神科醫師合作，不

但可增加學生對醫學知識方面的了解也可將所學實際運用在病床上。

透過這套系統，能及時將人體身上的生理訊號數據擷取出來，經

由系統的轉換而及時建立病患資料庫與圖形化，提供醫師對於病人的

病情有更正確的了解與判斷，對於病人病情的預防、治療及後續的追

蹤上,會產生莫大的助益。

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1-2 研 究 目 的

本專題主要是接續老師的專題題目、傳承學長的經驗與對程式方

面的加強與修改，並配合成大醫院方面所支援的 BP508與新進生理量

測儀器，來不斷增加新功能，更期許能做出簡易又便宜精準的儀器，

並且修改讀取單元之程式，將以前舊程式之病例生理資料來套用入現

在主程式中。

另一方面著手於實驗室建立一套與醫院同樣的環境與設備，使之

能在醫院儀器損壞維修時加以支援，並建立起一套學校醫學中心系統

以供研究發展。

1-3 章 節 提 要

在本專題報告中主要分成四大章節，其分別概述如下:

第一章為緒論，主要說明本專題的規劃、研究目的、提要等等。

提供往後學生的入門與了解本專題在做什麼，能夠對本專題有一個概

括性的了解、以做為更深入探討的基礎。

第二章為如何去做此專題，介紹硬體工具說明，由於本系統所使

用之儀器除了 BP-508 還有其他參考輔助儀器，因此在此章節中來說

明整個系統硬體的連接方式及原理說明與各儀器之功能。

第三章為軟體系統部份之系統架構，章節中說明了整個系統各

部份的架構與程式運作的整個流程，在此都可以清楚的了解，資料庫

中子 VI的說明更是對程式的掌握有舉足輕重的角色。

第四章則是說明系統整合與實際量測，透過本章節可以了解到

本專題的最後功能及成果。

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1-4 專題發展規劃圖

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第二章第二章第二章第二章 擷取訊號之硬體工具擷取訊號之硬體工具擷取訊號之硬體工具擷取訊號之硬體工具

2-1 硬體架構說明

.... 圖 2-1.1 硬體架構說明圖

由生理量測儀器來擷取受測者之類比生理訊號，然後經由接線端

子盒與 DAQ轉換卡(或經由儀器之 GPIB介面至GPIB擷取卡)轉換成數

位訊號，傳送至電腦並以回饋線來比對資料是否正確。

生理訊號測量儀器

接線端子盒或GBIP介面 回

饋線

電腦

受測病患

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2-2 各量測與參考輔助儀器簡介

套裝儀器:

Pro Comp 2 ™™™™::::用於呼吸脈搏心跳量測

QRS-Card::::用於呼吸脈搏心跳量測

NERVE-EXPRESS ::::用於自律神經分析使用 RFID 無線信號傳輸

可同時兩人使用

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NI SCB-68 DAQ box:::: 連接儀器的外部訊號進入電腦處理，

( ( ( ( 接線端子盒接線端子盒接線端子盒接線端子盒 ) ) ) ) 或將電腦產生訊號輸出至儀器控制

DAQpod-6020E ( USB )::::用於將類比訊號轉換成數位訊號

規格 輸入 取樣率 (S/s) 輸入分 辨位元 最大輸入 電壓範圍(V) 最小輸入 範圍(V) 輸入量程(檔位數) 模擬 觸發 模擬 輸出 輸出 分辨位 USB 16 SE /8DI 100k 16 ±10 ±50mV 或0-100mV 15^2 - 2 12

BP88::::為小型生理訊號量測儀器，具有溫度、血壓與脈搏量測單元

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2-3 COLIN BP508 主要量測儀器簡介

BP-508為多種測量生理訊號的儀器,可同步顯示並具有GPIB傳輸

介面,能更有效率的處理病患的資料。

在此儀器的螢幕上,所需求的各種生理訊號及函數顯示.如表

2-3.1所示,如 2-3.1則是該儀器之正視圖。

圖 2-3.1 BP-508 主面板圖

PARAMETER can be monitored

Base Unit

SpO2 Module TBP Module

CO2 Module AG/CO2 Module

ECG、NIBP、IBP 2 ch、Temp 2 ch

SpO2 CONTINUOUS NIBP (TONOMETRY)

CO2、N2O、RESPIRATION RATE CO2、N2O、ANESTHESIA AGENT、RESPIRATION RATE

表 2-3.1 BP-508 包含之函數表

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BP-508感測元件:

標準單元(標準模組、SpO2 模組、TBP模組、CO2 模組)

ECG(心電圖量測)單元

NIBP 單元

溫度量測單元

IBP量測單元

下圖 2-3.2為常用的標準單元元件。

圖 2-3.2 標準單元所包含之感測器

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在訊號經過感測器擷取之後則再須連接至儀器的背面完成輸入

信號的動作，圖 2-3.3顯示背視圖及其說明部份。

圖 2-3.3 BP-508 背視圖

A TBP感測器接頭(電子訊號)

B CUFF感測器

C TBP 感測器接頭(氣體式)

D 侵入性血壓量測輸入端(P2)

E 侵入性血壓量測輸入端(P2)

F 瓦斯螢幕之冷風扇(降低螢幕內部熱量)

G 瓦斯損耗點

H 室內氣體輸入點

I 氣體取樣通過點(輸出)

J 氣體取樣通過點(輸入)

K ECG檢查輸入端

L 儀器冷風扇

M 序號板

N 接地連接點

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2-4 人體 sensor 之連接

在此實驗中，我們使用 BP508 其中 ECG(心電圖)測量、血壓與脈

搏的測量，以下說明這兩種測量方式。

ECGECGECGECG 測量部分測量部分測量部分測量部分：：：：

ECG測量的連結方式，如圖 2-4.1(a)和圖 2-4.1(b)有兩種方式：

圖 2-4.1(a)三點測量法 圖 2-4.1(b)五點測量法

考慮到了實驗上的方便性，於是我們決定採用了三點測量

法。ECG測量方式可分成圖 2-4.2(a)、2-4.2(b)、2-4.2(c)，分

別說明如下:

圖 2-4.2 (a)

三個連接點的分別標出三種顏色並且連接至人體的三個偵測點。

測量點 顏色 位置

RA 紅色 右鎖骨上

LA 黃色 左鎖骨上

LL 綠色 肋骨左下

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圖 2-4.2(b) (A-Y 1002)連接至 ECG 電纜的連接頭(A-G001-1)

圖 2.4.2(c) 再將(A-G001-1)ECG 電纜連接至 BP-508 連接 sensor 量測信號

血壓與脈搏測量的部分血壓與脈搏測量的部分血壓與脈搏測量的部分血壓與脈搏測量的部分：：：：

血壓的量測上，首先在測量者身上找出手臂上動脈的所在，並利

用袖口的測量設備進行量測。此時為了量測到最佳的測量數據，量測

的手臂需要被固定，以利擷取到正確的信號，如圖 2-4.3所示。

圖 2.4.3 動脈血壓量測

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而脈搏的量測上，因為考慮到可能因受震動的緣故，會造成量測

時所測得的信號可能參雜許多的無謂雜訊，然而這些雜訊並不是我們

要擷取的信號。所以該感測器經過特殊的設計，為了能夠連續且準確

的取出脈搏信號。放置時需依規定放妥至指定的測量點，(但是在進

行實驗時，該點根據以往的經驗往往難以能夠準確的找到該測量點，

而且每個人的情況也都不一致) 並且能讓 BP-508 發出認可訊號確認

該點的量測。如圖 2-4.4(a)及 2-4.4 (b)所示。

圖 2.4.4 (a) 脈搏感測器放置圖(a)

圖 2-4.4 (a) 脈搏感測器放置圖(b)

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因此在連接了感測器之後，固定手臂，避免無謂的晃動，便是重

要的程序。如此一來，就能夠杜絕因振動所產生之雜訊。如圖 2-4.5

所示讓受測者躺在特殊的待測病床上，讓受測者能有舒適的受測的環

境，可讓訊號擷取有更高的準確性。

圖 2-4.5 病患受測環境

圖 2-4.6 所示則是 BP-508 顯示擷取信號後的顯示畫面，以下的

Sample也是以 ECG心電圖顯示方面的資料。

圖 2-4.6 螢幕顯示之 Sample 圖

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以下所擷取的畫面是在成大醫院進行實際測量時所拍攝。

圖 2-4.8 脈搏感測器量測

圖 2-4.9 動脈血壓量測

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第三章第三章第三章第三章 系統架構設計系統架構設計系統架構設計系統架構設計

3-1 發展工具軟體

使用軟體 : LabVIEW ™ 6.1、7.1 版本。

簡 介 : LabVIEW ™ 軟 體 是 Laboratory Virtual Instrument

Engineering Workbench 的縮寫,於 1986 年由美國 NATIONAL

INSTRUMENTS公司發展成功,並於數年來的不斷創新及改進,程式功能

趨於完整及強大,就如同一般的 C及PASCAL語言,使 USER能撰寫出所

需符合使用需要的程式,但功能則是更加完備。其優點除了本身是人

機介面上手容易內部也能包容如 C 、VB之語法迴圈,可結合網路、PDA

等遠端遙控。其缺點則是其量測介面需採用該公司之產品價格昂貴。

LabVIEW與傳統儀器之比較:

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3-2 系統架構流程

圖 3-2.1 系統架構圖

由 3-2.1圖可知，系統可區分成三部份:測量部分、開啟舊病例及

結束主程式，因為整套系統必須跟硬體設備做連接而達到擷取生理訊

號的目的，所以在開始測量時就必須要跟硬體連接完畢，否則就無法

正確測量並且會出現錯誤訊息。等到正確的測量完畢後就可以存檔，

然後再開啟檔案，再依醫生的需要，擷取某一段訊號來做分析，以達

到此系統的最大功用。

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3-3 虛擬儀器圖示連結關係圖

圖 3-3.1 系統連結關係圖

此圖主要是說明整個系統的所有 VI的連接狀態

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3-4 內插法與舊病歷資料挑選功能介紹

內差部分:

圖 3-4.1 線性內差法之 Icon

圖 3-4.2 線性內差法之前置面板

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圖 3-4.3 線性內差法之 Block Diagram

內差法在此用於舊資料因取樣率的不同而產生的波形失真，使波

型經過修改後乃可套用於新程式之處理。

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圖 3-4.4(a) 無使用內差的比較圖

圖 3-4.4(b) 有使用內差的比較圖

由上圖可以知道上方的圖示是沒使用過內差法，而下方的圖是使

用了內差法，可知道其為縮小一倍。

舊病歷資料挑選:

圖 3-4.5 舊病歷資料挑選之 Icon

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圖 3-4.6 舊病歷資料挑選之前置面板

測試有無錯誤是為了使用者在量測數據之後，看是否會造成資料

的錯誤，使其產生無用數據，而使得波形發生掉到 0而使波形發生錯

誤，這可以快速發現，進而判別可否使用此數據。

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由儀

器 量

測受

測者

生理

訊號

COLIN BP-508

病歷資料

建 檔

類比資料擷取後傳送至端子盒

再由DAQ轉換成數位(USB)訊號送

到程式處理

圖 4-1.1系統整合流程圖

第第第第四四四四章章章章 系統整合系統整合系統整合系統整合與結論與結論與結論與結論

4-1系統整合流程圖

列印報告

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4-2 實際測量情形

以 BP-508 為測量設備，來進行實際量測，以下是在實驗室自行

量測的情形:

圖 4.1 實驗者接上量測設備的情形

圖 4.2 實驗者右手接上校正手腕血壓設備的情形

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圖 4.3 實驗者左手接上血壓感測器測量設備的情形

圖 4.4 實驗者以三點量測法在左腳接上心電圖貼片的情形

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圖 4.5 實驗者在 BP-508 上所量測到生理訊號的結果

圖 4.6 系統開始測量的畫面

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圖 4.7 輸入實驗者的個人資料

圖 4.8 系統接收到實驗者生理訊號的結果

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圖 4.9 程式結束時儲存資料的畫面

圖 4.10 開啟實驗者的資料及說明

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圖 4.11 開啟實驗者已測量完畢的資料數據，可依所需對某依區域做標記放大

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4-3 心率變異度分析

心率和其他血流動力學的指標(例如血壓、心輸出量)會有週期性

的變化，如 1733 年 Hales 發現每次心跳時心跳速率與血壓會有變

異，且呼吸週期血壓和心跳間期之間有相關性，1871 Hering 發現呼

吸竇性心律不整的幅度隨年齡而遞減，在 1975 年 Hyndman 等人首先

將功率頻譜分析用於心率變異度的研究上，發現心率的功率頻譜圖上

有三個頻峰，其中低頻部份(0.04Hz)來自末梢血管舒縮張力的律動，

與熱調節有關，中頻率部分(0.10-0.12Hz)來自壓力接收器的反射調

控，與體內恆定性有關，高頻部分(0.3Hz)與呼吸有關，其主峰頻率

即為呼吸頻率。

心率變異度的分析方法可分兩種，一種是時域分析ㄧ種是頻域分

析

時域分析式將心跳間值做統計學上或幾何學上的計算。使用統計

學方法可得到:心跳平均值（mean)、標準偏差（SD）、變異係數(CV) 、

相鄰兩心跳間期差異的均方根(RMSS) 、相鄰兩心跳間期差異的標準

偏差(SDSD) 、相鄰心跳間期大於 50毫秒的個數(NN50 count) 或比

率(PNN50)等幾何學方法可求得:心率變異三角指標(HRV tiangual

index) 。

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頻域分析則是把心跳間期，隨時間而變動的訊號轉換成心跳間期

的頻譜，頻譜是頻率的函數，其強度為此頻率正弦波振幅的平方，把

相對度量化，即為功率密度(PSD)。功率頻譜曲線下面積的總和是為

總功率(TP)、在高頻率區域內面積為高頻功率(HFP) 、在低頻率區域

內面積為低頻功率(LFP) 、其高頻功率與總功率之比值(HFP/TP)可以

當副交感神經活性的定量指標，而低頻功率與總功率之比值(LFP/TP)

可當作交感神經活性的定量指標，且低頻功率與高頻功率的比值

(LFP/HFP)則可作為交感-副交感神經活性平衡指標。

以下是心率變異度分析之畫面:

圖 4.12 開啟 資料分析的數據(1)時域 心跳變異率分析圖

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圖 4.13 開啟 資料分析的數據(2) 時域 收縮壓分析圖

圖 4.14 開啟 資料分析的數據(3) 收縮壓平均值舒張壓

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圖 4.15 開啟 資料分析的數據(4)收縮壓與心率變異頻譜分析

圖 4.16 開啟 資料分析的數據(5)

頻域統計分析: VFL：0.04Hz 以下 LF：0.04~0.15Hz HF：0.15~0.5Hz

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圖 4.17 選擇要儲存分析各個數據的檔案

圖 4.18 輸入所要記錄的註解

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結論結論結論結論

經由這次專題我們了解到一個專案的推動除了人員分工配合與

設備的齊全，更須有完整的步驟與方法，才不會無方向無頭緒的亂

做，雖然一開始有朝製作小型量測電路但其成品之功能、精準度仍與

市面上套裝軟體差距頗大，也試過以套裝軟體的儀器來套用本系統，

卻因各家廠牌的通訊方式不同而無法順利擷取訊號所以也未完成，故

仍以 BP508 為研究儀器。

在專題其間遭遇許多困難，如複製醫院環境系統，卻因硬碟的容

量與醫院不同而每每複製失敗，而在舊資料轉換擷取時，也因內插法

的不同對波形過大而失真，到最後卻因時間的不足而無法繼續解決，

檢討起來其原因是先前的規劃未仔細，也沒對問題有深入的探討，其

一對英文之網站與資料為工科學生ㄧ大難處，期望學弟能加強其英文

程度別重蹈複轍，其二在發展上小型攜帶 PDA與 RFID無線偵測、網

路遠端監控是其未來目標，而將生理量測配合音效動畫來做到與人互

動的樂趣性。

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參考文獻參考文獻參考文獻參考文獻

1. OP Amp 應用+實驗模擬(含 filter,、A/D、D/A、VCO、V/F、F/V)

黃明智、黃敏祥編著 全華科技圖書股份有限公司 印行

2. COLIN PATIENT MONITOR BP-508 OPERATION MANUAL

3. INTRODUCTION TO BIOMEDICAL EQUIPMENT TECHNOLOGY SECOND

EDITION

4. JOSEPH J. CARR、JOHN M.BROWN REGENTS/Prentice Hall

5. 電路設計高手 Protel Advenced PCB 3.X 版

6. 張義和 著 第 3 波文化事業股份有限公司 印行

7. 電路程式應用 Protel Schematic 99SE

8. 鄭期華、謝淑如 著 第 3 波文化事業股份有限公司 印行

9. THE Measurement and Automation Catalog 2002 ni.com

10. LabVIEW Advance Course Manual

11. LabVIEW Basics I Course Manual

12. 心率變異信號之高階交越輔助自律神經系統分析 陳彥宏 碩士

論文

13. 非侵入是生理信號擷取及分析系統之研究 林瑞乾 碩士論文

參考網站參考網站參考網站參考網站

1. http://labview.com.tw/

2. http://www.nervexpress.com/

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3. http://www.qrscard.com/html/index.htm