پایان­ نامه کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی- بیوالکتریک با موضوع کمّی­ سازی سطح استرس با استفاده از سیگنال­های سایکوفیزیولوژی

اختصاصی از یارا فایل پایان­ نامه کارشناسی ارشد مهندسی پزشکی- بیوالکتریک با موضوع کمّی­ سازی سطح استرس با استفاده از سیگنال­های سایکوفیزیولوژی دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .

فرمت فایل : word(قابل ویرایش)

تعداد صفحات:140

فهرست مطالب:

چکیده 1
مقدمه 2
فصل اول: علم سایکوفیزیولوژی و مفاهیم و مبانی استرس
 
               1- 1- تاریخچه علم سایکوفیزیولوژی 4
               1-2- اصول و مبانی سایکوفیزیولوژی 7
               1-3- انواع تکنیک¬های سایکوفیزیولوژی                                                                               10
                        1-3-1- شاخص¬های سیستم اعصاب خودکار                                                            10
                        1-3-2- اندازه¬گیری فعالیت مغزی 11
                        1-3-3- تشخیص حالات با استفاده از رفتار شخص                                               15
                 1-4- تعریف استرس  17
               1-5- استرس خوب و استرس بد 19
                 1-6- عوامل برانگیزنده استرس                                                                                                        20
                        1-6-1- استرس شغلی 21
               1-7- نشانه¬های استرس 23
               1-8- حد مطلوب استرس 24
               1-9- مراحل ایجاد استرس                                                                                         24
               1-10- اثرات استرس بر بدن و بیماری¬ها مرتبط با آن 26
              1-11- بیوفیدبک 36
                        1-11-1- انواع بیوفیدبک 37

 
فصل دوم: سیگنال¬های سایکوفیزیولوژیکی وآزمایش ثبت داده
 
               2-1- مقدمه     39
               2-2- پلتیسموگراف 40
                        2-2-1- فتو پلتیسموگرافی                          41
                        2-2-2- روش¬های اندازه¬¬گیری سیگنال فتوپلتیسموگراف
 41
               2-3- سیستم الکتریکی پوست                42
                        2-3-1- تاریخچة کشف فعالیت الکتریکی پوست 43
                        2-3-2- فواید و مشکلات استفاده از فعالیت الکتریکی پوست (EDA) 44
             2-4- تغییرات نرخ ضربان قلب 46
                        2-4-1- تاریخچه استفاده از سیگنال تغییرات نرخ ضربان قلب   46
                        2-4-2- دورنمای فیزیولوژی سیگنال تغییرات نرخ ضربان قلب   47
                        2-4-3- تعیین تغییرات نرخ ضربان قلب با استفاده از سیگنال فتوپلتیسموگراف 48
               2-5- مروری بر آزمایش¬های استفاده شده در تحقیقات 51
                        2-5-1- آزمایش بر اساس بازی کامپیوتری  51
                        2-5-2- آزمایش بر اساس پروتکل رانندگی اتومبیل 54
                        2-5-3- آزمایش بر اساس نمایش فیلم 57
               2-6- آزمایش طراحی¬ شده در این تحقیق 59
               2-7- سوژه¬های تحقیق  62

فصل سوم: پردازش سیگنال¬های سایکوفیزیولوژیکی
 
                 3-1- مقدمه 64
                 3-2- پردازش سیگنال فتوپلتیسموگراف 66
                         3-2-1- پیش¬پردازش سیگنال فتوپلتیسموگراف  66
                         3-2-2- استخراج ویژگی در حوزه زمان از سیگنال PPG 70
                         3-2-3- استخراج ویژگی در حوزه فرکانس از سیگنال PPG 72
                 3-3- پردازش سیگنال تغییرات نرخ ضربان قلب 75
                         3-3-1- استخراج ویژگی از سیگنال تغییرات نرخ ضربان قلب 75
                                    3-3-1-1- استخراج ویژگی در حوزه زمان از سیگنال HRV 75
                                    3-3-1-2- استخراج ویژگی در حوزه فرکانس از سیگنال HRV 76
                                    3-3-1-3- استخراج ویژگی در حوزه زمان-فرکانس از سیگنال HRV 77
                                    3-3-1-4- استخراج ویژگی¬های غیرخطی از سیگنال HRV 78
                 3-4- پردازش سیگنال هدایت الکتریکی پوست 85
                         3-4-1- استخراج ویژگی از سیگنال هدایت الکتریکی پوست 87
                 3-5- نرمال کردن ویژگی¬ها
 88

فصل چهارم: انتخاب ویژگی¬های بهینه و تفکیک سطوح استرس 
      4-1- مقدمه 89
      4-2- شبکه¬های عصبی 90
           4-2-1- شبکه¬های عصبی پرسپترون چند لایه 90
           4-2-2- توابع فعالیت 91
           4-2-3- الگوریتم به روز رسانی وزن¬ها 91
           4-2-4- بایاس لایه¬ها 92
           4-2-5- روش آموزش شبکه 92
      4-3- ترکیب شبکه¬های عصبی و الگوریتم ژنتیک 92
           4-3-1- اصطلاحات ژنتیک 93
           4-3-2- اجزاء الگوریتم ژنتیک 93
           4-3-3- طراحی تابع برازندگی و رشته¬ها 94
           4-3-4- نتایج تفکیک¬ به روش ترکیب شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک 95
      4-4- نتایج تفکیک به روش آنالیز تفکیکی قدم به قدم 99
      4-5- ماشین¬های بردار پشتیبان 103
           4-5-1- نتایج تفکیک¬ به روش ماشین¬های بردار پشتیبان 105
      4-6- مقایسه تحلیل خطی و غیرخطی سیگنال HRV 108
      4-7- مقایسه تفکیک¬کننده¬های استفاده¬شده در این تحقیق 112
      4-8- تفکیک سطوح استرس بر اساس رأی¬گیری 113
      4-9- شاخص استرس 115
          4-9-1-  شاخص بر اساس ویژگی¬های بهینه  سیگنال HRV در روش LDA 115
          4-9-2-  شاخص NSRPIAD
 119

فصل پنجم: نتیجه¬گیری و پیشنهادات 
      5-1- بحث و نتیجه¬گیری 123
      5-2- پیشنهادات 126

     مراجع 
128
    پیوست1 133
    پیوست2 138

چکیده:

در تحقیقات سایکوفیزیولوژی، به پاسخ­های فیزیولوژی بدن با توجه به فاکتورهایی مانند کیفیت طراحی آزمایش، خصوصیات روانی اندازه­گیری­ها و تناسب تحلیل و تفسیر داده­ها، یک معنای روانشناختی اختصاص می­دهیم . در تحلیل واکنش­ها هیچیک از دو علم فیزیولوژی و روانشناختی برتر نیستند، بلکه مکمل یکدیگر می­باشند. شناخت حالات روحی مختلف از جمله حالت استرس که اثرات مخرب شناخته­شده­ای بر جسم و روان انسان دارند، از کاربردهای مهم این علم می­باشند. در این تحقیق با ارائه آزمایشی مناسب وایجاد سه سطح استرس (کم، متوسط و زیاد) در سوژه و ثبت سیگنال­های پلتیسموگراف، تغییرات نرخ ضربان قلب و هدایت الکتریکی پوست به دنبال بدست آوردن معیاری جهت کمّی کردن سطح استرس فرد بوده­ایم. به این منظور پیش­پردازش­ها و پردازش­های مختلف خطی در حوزه زمان، فرکانس و زمان- فرکانس و غیرخطی از جمله معیار پوآنکاره، لیاپانوف اکسپوننت، بعد فرکتال و آنتروپی و استخراج ویژگی­های گوناگون از سیگنال­های ثبت­شده صورت گرفته است. سپس با به کارگیری روش­های مختلف طبقه­بندی از جمله ترکیب شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک، ماشین­های بردار پشتیبان و روش تابع ترکیب خطی اقدام به تفکیک سطوح مختلف شده است. در این تحقیق ابتدا ویژگی­های بهینه هر سیگنال تعیین و تفکیک به این سه روش انجام شد. سپس با ترکیب ویژگی­های بهینه همه سیگنال­ها مجدداً تفکیک صورت گرفت. نهایتاً به این نتیجه رسیده شد که با استفاده از سیگنال HRV به تنهایی می­توان به نتایج بالاتری در صحت تفکیک دست یافت. در ادامه مقایسه­­­­ای بین ویژگی­های خطی و غیرخطی سیگنال HRV صورت گرفت و به این نتیجه رسیده شد که ترکیب این دو نوع ویژگی نتایج را بهبود می­­دهد. پس از آن مقایسه­ای بین روش­های مختلف طبقه­بندی با استفاده از ویژگی­های بهینه سیگنال HRV انجام شد که در نهایت روش LOO به عنوان روش مناسب­تر انتخاب شد. در انتها دو شاخص بر اساس سیگنال HRV معرفی و اعتبارسنجی شد.

مقدمه:

در علوم روانشناختی، شناخت فهم، ادراک و احساسات بر اساس ماهیت آنها صورت می­گیرد. اما می­توان از طریق علائم فیزیکی نیز به ارتباط بین مغز و فکر انسان و رفتارهای او پی برد. علم سایکوفیزیولوژی که حوزه­ جدیدی از شناخت مسائل روحی و روانی انسان با استفاده از نشانه­های فیزیولوژیکی ناشی از آن می­باشد، این امکان را فراهم می­سازد. در سایکوفیزیولوژی به نحوه تفکر و ادراک از ساختار فیزیکی نشانه­های آن نگاه می­کنیم و در این حالت اگر جنبه­های ساختاری و عملیاتی این جسم فیزیکی در ارتباط با جنبه­های خارجی فعالیت آن مورد توجه قرار گیرد، تفکر و احساسات فرد قابل فهم خواهد بود.

هر فردی استرس را در زندگی خود تجربه کرده است و در واقع استرس بخشی از زندگی انسان شده است. استرس عبارت است از حالت اضطراب و فشار درونی که انسان برای مواجه شدن با خطر یا مشکلات جدّی با ترشح هورمون­هایی خود را برای مقابله آماده می­کند که البته تا این حد خوب و برای روند زندگی لازم است. ولی هرگاه در فردی استرس توسعه پیدا کرد و این حالت در طول روز و بدون علت منطقی مشاهده شد می­گوئیم فرد دچار استرس بیش از حد است. استرس علاوه بر اثرات روانی، پیامدهای جسمی متعددی از جمله سکته های مغزی، قلبی، فشارخون، پوکی استخوان، زخم معده و بیماری­های روحی – رفتاری دارد و هیچ عضو یا ارگانی از بدن از اثرات استرس مصون نیست. از این­رو ارائه روشی که بتوان میزان استرس فرد را سنجید و به منظور کاهش آن، به فرد فیدبک کرد بسیار ضروری و مفید است.

با توجه به ارتباط بین حالت روحی استرس و فعالیت سیستم اعصاب خودکار در این تحقیق سعی بر آن شد که جنبه­های مختلف این ارتباط، بین حالات روحی و فیزیولوژی بدن انسان، مورد بررسی قرار گیرد و بر این اساس به کمی سازی سطح استرس جهت اهداف و کاربردهای مختلف پرداخته شود.

برای رسیدن به هدف این تحقیق ابتدا لازم بود شناخت جامعی نسبت به حوزه­های مختلفی که در علم سایکوفیزیولوژی وجود دارد، بدست آوریم. بدین منظور در فصل اول ضمن توصیف کامل علم سایکوفیزیولوژی، ارتباط آنرا با علوم دیگر مانند آناتومی، فیزیولوژی و روانشناختی بیان می­کنیم. در ادامه انواع سیگنال­های کاربردی در علوم سایکوفیزیولوژی و روش­های اندازه­گیری آنها مطرح
می­شود و نهایتا استرس و عوارض متعدد آن معرفی شد.

پس از آنکه در فصل اول با مبانی علم سایکوفیزیولوژی و حالت روحی استرس آشنا شدیم در فصل دوم سیگنال­های سایکوفیزیولوژی (GSR ,PPG ,HRV) که در این تحقیق استفاده شد، مورد بحث قرار گرفت. در این فصل روش مختلف اندازه­گیری این سیگنال­ها، تاریخچه و تأثیر آنها بر روی سیستم اعصاب خودکار بیان شد. همچنین در این فصل مروری بر تحقیقاتی که در این زمینه صورت گرفته و آزمایشات ثبت داده مختلف که در آنها استفاده شده است، آمده است. طرح­های اولیه و نهایی آزمایش ثبت داده­ای که در این تحقیق استفاده شد، در انتهای این فصل به تفضیل توضیح داده شده است.

در فصل سوم روش­های مختلف پیش­پردازش و پردازش سیگنال­های استفاده شده در این تحقیق مطرح شده است. در این فصل ابتدا پیش­پردازش­های مختلف سیگنال PPG و ویژگی­های مختلف آن در حوزه زمان و فرکانس توضیح داده شد و سپس انواع مختلف پردازش سیگنال HRV اعم از خطی و غیرخطی همچون معیار پوآنکاره، بعد فرکتال و … بحث شده است. در انتها، ویژگی­های مختلف سیگنال GSR که در حوزه زمان می­باشد، معرفی شده است. لازم به ذکراست که کلیه ویژگی­هایی که از سیگنال HRV استخراج شده است، از سیگنال RRI نیز استخراج شد.

در فصل چهارم، با توجه به ویژگی­های استخراج­شده از سیگنال­ها، عملیات تفکیک سطوح مختلف استرس انجام شد. در این فصل از سه طبقه­بندی­کننده LOO ,SVM و ترکیب شبکه عصبی و الگوریتم ژنتیک استفاده شده است. ابتدا ویژگی­های بهینه هر سیگنال به طور مجزا توسط هر روش تعیین و طبقه­بندی صورت می­گیرد و با مقایسه میزان صحت تفکیک بهترین حالت در تفکیک، در هر روش انتخاب شد. همچنین مقایسه بین روش­های مختلف طبقه­بندی صورت گرفته است. در نهایت دو شاخص برای کمّی کردن استرس معرفی شده است.

در فصل آخر این تحقیق به جمع­بندی نتایج پرداخته شده و روش­های مختلف استفاده شده در این تحقیق مورد بحث قرار گرفت و در نهایت پیشنهاداتی جهت ادامه کار ارائه شده است.

فصل اول:

علم سایکوفیزیولوژی و مفاهیم و مبانی استرس

1- 1- تاریخچه علم سایکوفیزیولوژی

سایکوفیزیولوژی هنوز یک شاخه علمی جوان است. بررسی­های تاریخی در یک قرن گذشته نشان می­دهد تحقیقاتی که در آن با تغییر فاکتورهای روانی به اندازه­گیری یک یا چند واکنش فیزیولوژیکی می­پرداخته­اند از سال 1878 تا 1954 توسط افراد مختلفی صورت می­گرفته و پس از آن نیز تحت عنوان سایکوفیزیولوژی انجام پذیرفته است. اولین نشریه علمی که به سایکوفیزیولوژی اختصاص یافت در سال 1955 انتشار یافت. مجمع محققان سایکوفیزیولوژیکی نیز 5 سال بعد از آن تأسیس شد و اولین مجله علمی سایکوفیزیولوژی نیز حدود 25 سال قبل چاپ شده است. (Ax، 1964)

اگرچه سایکوفیزیولوژی با قوانین رسمی آن بیش از 50 سال سابقه ندارد اما توجه و علاقه به درک تعاملات روحی روانی و رخدادهای فیزیولوژیکی را می­توان در فیلسوفان و دانشمندان مصر و یونان قدیم یافت. فیلسوف یونانی، هراکلیتوس (600 قبل از میلاد) از ذهن به عنوان فضایی که مرزهای آن هیچگاه شناخته نمی­شود یاد می­کند. افلاطون (400 قبل از میلاد) معتقد بود که استعدادهای فکری در سر، احساسات در نخاع و به صورت غیرمستقیم در قلب و غرایز در زیر دیافراگم قرار دارند که کبد را تحت تأثیر قرار می­دهند. همچنین وی معتقد بود که روح و جسم به طور اساسی با یکدیگر متفاوت هستند و در نتیجه مشاهده پاسخ­های فیزیولوژیکی هیچگونه
زمینه­ای برای استنتاجات حالات روحی ایجاد نمی­کند. در قرن دوم پس از میلاد جالینوس (200-130م) فعالیت­های سایکوفیزیولوژیکی را به صورت قواعدی فرمول­بندی نمود که تا قرن هیجدهم، این قوانین حاکم بود. بر اساس تشریح حیوانات و مشاهدات وی از بدن انسان، جالینوس فرض کرد که اخلاط انسان می­تواند نمایشگر احساسات، حرکات و افکار و آسیب­های جسمی و روحی بر اساس اختلالات موجود در آنها باشد. نقش ارگان­های بدن تولید و پردازش این اخلاط می­باشد و اعصاب را به عنوان ابزاری برای تفکر و عمل می­شناخت. عقاید جالینوس چنان در تفکر غربی نفوذ کرده بود که تقریباً برای 1500 سال بدون رقیب بود.

در قرن شانزدهم فرنل (1558- 1497) اولین کتاب فیزیولوژی را چاپ نمود. هرچند که         دسته­بندی­های فرنل در مشاهدات تجربی شدیداً تحت تأثیر تئوری جالینوس بود، در آن برخی حرکات خودکار را ذکر نموده است که امروزه آنها را رفلکس می­دانیم. این نقطه سرآغازی برای انحراف از دیدگاه متداول و جداسازی نحوه کنترل حرکات بدن بود. فراگیری آناتومی انسانی در این بازه زمانی آغازی بر کشف خطاهای جالینوس در توصیفاتش بود و راه را برای تحقیق بر روی تئوری فیزیولوژی و نحوه شناسایی بیماری­ها باز نمود. در این قرن دو حادثه دیگر رخداد که اثر عمیقی در نوع استنتاجات سایکوفیزیولوژی داشت.

در 1600، ویلیام گیلبرد تفاوت بین الکتریسیته و مغناطیس را دریافت و در کتاب خود «Magnete» استدلال می­کند که مشاهدات تجربی و آزمایشات باید جای حدسیات احتمالی و فرضیه­های دانشمندان فیزیولوژی را بگیرد. به علاوه گالیله (1642-1564) به این بحث پرداخت که حکیمان خداشناس و فیلسوفان هیچ حقی برای کنترل تحقیقات و فرضیه­های علمی ندارند و فقط مشاهدات و آزمایشات و نتایج حاصل از آنهاست که می­تواند حقایق فیزیکی را بیان کند. گالیله همچنین از محدودیت­های داده­های حسی مطلع بود و با توجه به اینکه احتمال خطا و تفسیر غلط وجود داشت، اعتقاد داشت که ریاضیات به تنهایی نمی­تواند یک نوع از قطعیت و اطمینان را ایجاد کند. فرانسیس بیکن (1626-1561) در قدم بعدی یک روش علمی را انتخاب نمود و آن اضافه کردن استقرا در مشاهدات و افزودن تحقیق در استنتاج است.

  فرمول­بندی بیکن و کارهای بعدی وی بر روی منطق استنتاج علمی موجب ایجاد یک ترتیب آشنا در استنتاجات علمی شد:

1- تدوین فرضیه­های مختلف

2- تدوین یک آزمایش با خروجی­های احتمالی مختلف

3- اجرای آزمایش و بدست آوردن نتایج آشکار

4- اجرای مراحل برای تصحیح احتمالات باقی مانده

 این طرح در علوم فیزیکی به سرعت پذیرفته شد ولی فلاسفه و حکیمان وجود انسان را از رخدادهای طبیعی جهان جدا می­دانستند و به آرامی به فراگیری فیزیولوژی و رفتار انسانی پرداختند.

رساله دکترای ویلیام هاروی (1657-1578) اولین گام مهم برای استفاده از این جزئیات در استنتاجات عملکرد فیزیولوژیکی بود. در این رساله مبانی نظریه جالینوس در مورد حرکت خون در شریان­ها و وریدها که آنها را مستقل از هم می­داند زیر سؤال رفته است و هاروی نشان می­دهد که نقش قلب در پمپاژ خون، باعث گردش پیوسته آن به صورت یکطرفه در این سیستم است. از آن زمان به بعد نقش تحقیق و بررسی مبانی فیزیولوژیکی و آناتومیکی شدت گرفت و ارگان­های انسان از لحاظ عملکرد و تشابه آن به سیستم­های الکتریکی، مکانیکی، هیدرولیکی از جهات مختلف ارزیابی شد. در این میان نحوه فعالیت­های اصلی روحی و روانی نیز یکی از موضوعات مورد علاقه برای بررسی بود.

گرچه تحولات عظیم علمی پس از رنسانس به وقوع پیوست اما شواهدی از بررسی­های سایکوفیزیولوژیکی قبل از آن نیز وجود دارد. در نوشته­های اراسیستراتوس، جالینوس و ابن سینا نیز تجربیات سایکوفیزیولوژیکی قابل توجهی ملاحظه می­شود. اراسیستراتوس، پزشک زمان اسکندر، اولین شخصی بود که سایکوفیزیولوژی را به طور کلینیکی تجربه نمود. وی از طریق مشاهده علائم مشخصی مانند «لکنت زبان، تعریق ناگهانی و ضربان نامنظم قلب» در شخص، پی به ارتباط عاشقانه وی برد. از جالینوس نیز گزارشی از وضعیت مشابه وجود دارد که در آن شخص هنگام شنیدن نام معشوقه خود دچار ضربان نامنظم قلب می­شد. همین روش (مشاهده تغییرات ضربان قلب) نیز در قرن دهم توسط ابوعلی سینا برای تعیین ارتباط شخص با فرد مورد علاقه­اش بکار گرفته شد. (Cacioppo، 2000)

همانطور که گفته شد سایکوفیزیولوژی به عنوان یک علم جداگانه دارای تاریخچه بسیار کوتاهی است. ظهور رسمی این علم در دهه 1950 و زمانی بود که گروهی که اکثراً از روانشناسان بودند تحت رهبری Davis جلسات غیر رسمی تشکیل دادند. در سال 1960 این گروه جمعیت محققین سایکوفیزیولوژیکی را تشکیل دادند و Darrow به عنوان اولین رئیس آن انتخاب شد. ارتباطات تحقیقاتی این گروه از سال 1955 با انتشار خبرنامه­ای توسط Albert Ax در مورد تحقیقات و ابزارهای سایکوفیزیولوژی آغاز شده بود. در سال 1964 این خبرنامه به مجله سایکوفیزیولوژی با سردبیری Ax به نشریه رسمی جمعیت تبدیل شد. دو موضوع در اولین شماره آن قابل توجه است: «سایکوفیزیولوژی، دیروز، امروز و فردا» نوشته Darrow و «اهداف و روش­های سایکوفیزیولوژی» نوشته Ax. در 5 عنوان از 8 مقاله موجود در آن توجه ویژه­ای به واکنش الکتریکی پوست به عنوان ابزار اندازه­گیری و تحقیق شده است و هیچیک از مقالات به فعالیت مغز نمی­پردازد. در مقابل، در شماره اخیر این نشریه در مجموع 13 مقاله ارائه شده، 9 مقاله به بررسی فعالیت مغزی می­پردازد در حالیکه هیچ مقاله­ای در مورد فعالیت الکتریکی پوست در آن دیده
نمی­شود. این تغییر در اندازه­گیری­های سایکوفیزیولوژیکی به علت علاقه به شناسایی فعالیت­های درکی و همچنین پیشرفت چشمگیر در ابزارهای ثبت فعالیت مغزی و وجود نرم افزارهای مختلف برای تحلیل آنها می­باشد.