مقاله کمّی سازی سطح استرس با استفاده از سیگنال های سایکوفیزیولوژی

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
دانلود مقاله کمّی سازی سطح استرس با استفاده از سیگنال های سایکوفیزیولوژی

نوع فایل: word

فرمت فایل: doc

قابل ویرایش

تعداد صفحات : 138 صفحه

قسمتی از متن :
1- 1- تاريخچه علم سايکوفيزيولوژي
سايکوفيزيولوژي هنوز يک شاخه علمي جوان است. بررسي¬هاي تاريخي در يک قرن گذشته نشان مي¬دهد تحقيقاتي که در آن با تغيير فاکتورهاي رواني به اندازه¬گيري يک يا چند واکنش فيزيولوژيکي مي¬پرداخته¬اند از سال 1878 تا 1954 توسط افراد مختلفي صورت مي¬گرفته و پس از آن نيز تحت عنوان سايکوفيزيولوژي انجام پذيرفته است. اولين نشريه علمي كه به سايكوفيزيولوژي اختصاص يافت در سال 1955 انتشار يافت. مجمع محققان سايكوفيزيولوژيكي نيز 5 سال بعد از آن تأسيس شد و اولين مجله علمي سايکوفيزيولوژي نيز حدود 25 سال قبل چاپ شده است. (Ax، 1964)
اگرچه سايکوفيزيولوژي با قوانين رسمي آن بيش از 50 سال سابقه ندارد اما توجه و علاقه به درک تعاملات روحي رواني و رخدادهاي فيزيولوژيکي را مي¬توان در فيلسوفان و دانشمندان مصر و يونان قديم يافت. فيلسوف يوناني، هراکليتوس (600 قبل از ميلاد) از ذهن به عنوان فضايي که مرزهاي آن هيچگاه شناخته نمي¬شود ياد مي¬کند. افلاطون (400 قبل از ميلاد) معتقد بود که استعدادهاي فکري در سر، احساسات در نخاع و به صورت غيرمستقيم در قلب و غرايز در زير ديافراگم قرار دارند که کبد را تحت تأثير قرار مي¬دهند. همچنين وي معتقد بود که روح و جسم به طور اساسي با يکديگر متفاوت هستند و در نتيجه مشاهده پاسخ¬هاي فيزيولوژيکي هيچگونه
زمينه¬اي براي استنتاجات حالات روحي ايجاد نمي¬کند. در قرن دوم پس از ميلاد جالينوس (200-130م) فعاليت¬هاي سايکوفيزيولوژيکي را به صورت قواعدي فرمول¬بندي نمود که تا قرن هيجدهم، اين قوانين حاکم بود. بر اساس تشريح حيوانات و مشاهدات وي از بدن انسان، جالينوس فرض کرد که اخلاط انسان مي¬تواند نمايشگر احساسات، حرکات و افکار و آسيب¬هاي جسمي و روحي بر اساس اختلالات موجود در آنها باشد. نقش ارگان¬هاي بدن توليد و پردازش اين اخلاط مي¬باشد و اعصاب را به عنوان ابزاري براي تفکر و عمل مي¬شناخت. عقايد جالينوس چنان در تفکر غربي نفوذ کرده بود که تقريباً براي 1500 سال بدون رقيب بود.
در قرن شانزدهم فرنل (1558- 1497) اولين کتاب فيزيولوژي را چاپ نمود. هرچند که دسته¬بندي¬هاي فرنل در مشاهدات تجربي شديداً تحت تأثير تئوري جالينوس بود، در آن برخي حرکات خودکار را ذکر نموده است که امروزه آنها را رفلکس مي¬دانيم. اين نقطه سرآغازي براي انحراف از ديدگاه متداول و جداسازي نحوه کنترل حرکات بدن بود. فراگيري آناتومي انساني در اين بازه زماني آغازي بر کشف خطاهاي جالينوس در توصيفاتش بود و راه را براي تحقيق بر روي تئوري فيزيولوژي و نحوه شناسايي بيماري¬ها باز نمود. در اين قرن دو حادثه ديگر رخداد که اثر عميقي در نوع استنتاجات سايکوفيزيولوژي داشت.
در 1600، ويليام گيلبرد تفاوت بين الکتريسيته و مغناطيس را دريافت و در کتاب خود «Magnete» استدلال مي¬کند که مشاهدات تجربي و آزمايشات بايد جاي حدسيات احتمالي و فرضيه¬هاي دانشمندان فيزيولوژي را بگيرد. به علاوه گاليله (1642-1564) به اين بحث پرداخت که حکيمان خداشناس و فيلسوفان هيچ حقي براي کنترل تحقيقات و فرضيه¬هاي علمي ندارند و فقط مشاهدات و آزمايشات و نتايج حاصل از آنهاست که مي¬تواند حقايق فيزيکي را بيان کند. گاليله همچنين از محدوديت¬هاي داده¬هاي حسي مطلع بود و با توجه به اينکه احتمال خطا و تفسير غلط وجود داشت، اعتقاد داشت که رياضيات به تنهايي نمي¬تواند يک نوع از قطعيت و اطمينان را ايجاد کند. فرانسيس بيکن (1626-1561) در قدم بعدي يک روش علمي را انتخاب نمود و آن اضافه کردن استقرا در مشاهدات و افزودن تحقيق در استنتاج است.
فرمول¬بندي بيکن و کارهاي بعدي وي بر روي منطق استنتاج علمي موجب ايجاد يک ترتيب آشنا در استنتاجات علمي شد:
1- تدوين فرضيه¬هاي مختلف
2- تدوين يک آزمايش با خروجي¬هاي احتمالي مختلف
3- اجراي آزمايش و بدست آوردن نتايج آشکار
4- اجراي مراحل براي تصحيح احتمالات باقي مانده

اين طرح در علوم فيزيکي به سرعت پذيرفته شد ولي فلاسفه و حکيمان وجود انسان را از رخدادهاي طبيعي جهان جدا مي¬دانستند و به آرامي به فراگيري فيزيولوژي و رفتار انساني پرداختند.
رساله دکتراي ويليام هاروي (1657-1578) اولين گام مهم براي استفاده از اين جزئيات در استنتاجات عملکرد فيزيولوژيکي بود. در اين رساله مباني نظريه جالينوس در مورد حرکت خون در شريان¬ها و وريدها که آنها را مستقل از هم مي¬داند زير سؤال رفته است و هاروي نشان مي¬دهد که نقش قلب در پمپاژ خون، باعث گردش پيوسته آن به صورت يکطرفه در اين سيستم است. از آن زمان به بعد نقش تحقيق و بررسي مباني فيزيولوژيکي و آناتوميکي شدت گرفت و ارگان¬هاي انسان از لحاظ عملکرد و تشابه آن به سيستم¬هاي الکتريکي، مکانيکي، هيدروليکي از جهات مختلف ارزيابي شد. در اين ميان نحوة فعاليت¬هاي اصلي روحي و رواني نيز يکي از موضوعات مورد علاقه براي بررسي بود.
گرچه تحولات عظيم علمي پس از رنسانس به وقوع پيوست اما شواهدي از بررسي¬هاي سايکوفيزيولوژيکي قبل از آن نيز وجود دارد. در نوشته¬هاي اراسيستراتوس، جالينوس و ابن سينا نيز تجربيات سايکوفيزيولوژيکي قابل توجهي ملاحظه مي¬شود. اراسيستراتوس، پزشک زمان اسکندر، اولين شخصي بود که سايکوفيزيولوژي را به طور کلينيکي تجربه نمود. وي از طريق مشاهده علائم مشخصي مانند «لکنت زبان، تعريق ناگهاني و ضربان نامنظم قلب» در شخص، پي به ارتباط عاشقانة وي برد. از جالينوس نيز گزارشي از وضعيت مشابه وجود دارد که در آن شخص هنگام شنيدن نام معشوقه خود دچار ضربان نامنظم قلب مي¬شد. همين روش (مشاهده تغييرات ضربان قلب) نيز در قرن دهم توسط ابوعلي سينا براي تعيين ارتباط شخص با فرد مورد علاقه¬اش بکار گرفته شد. (Cacioppo، 2000)
همانطور که گفته شد سايکوفيزيولوژي به عنوان يک علم جداگانه داراي تاريخچه بسيار کوتاهي است. ظهور رسمي اين علم در دهه 1950 و زماني بود که گروهي که اکثراً از روانشناسان بودند تحت رهبري Davis جلسات غير رسمي تشکيل دادند. در سال 1960 اين گروه جمعيت محققين سايکوفيزيولوژيکي را تشکيل دادند و Darrow به عنوان اولين رئيس آن انتخاب شد. ارتباطات تحقيقاتي اين گروه از سال 1955 با انتشار خبرنامه¬اي توسط Albert Ax در مورد تحقيقات و ابزارهاي سايکوفيزيولوژي آغاز شده بود. در سال 1964 اين خبرنامه به مجله سايکوفيزيولوژي با سردبيري Ax به نشريه رسمي جمعيت تبديل شد. دو موضوع در اولين شماره آن قابل توجه است: «سايکوفيزيولوژي، ديروز، امروز و فردا» نوشته Darrow و «اهداف و روش-هاي سايکوفيزيولوژي» نوشته Ax. در 5 عنوان از 8 مقاله موجود در آن توجه ويژه¬اي به واکنش الکتريکي پوست به عنوان ابزار اندازه¬گيري و تحقيق شده است و هيچيک از مقالات به فعاليت مغز نمي¬پردازد. در مقابل، در شماره اخير اين نشريه در مجموع 13 مقاله ارائه شده، 9 مقاله به بررسي فعاليت مغزي مي¬پردازد در حاليکه هيچ مقاله¬اي در مورد فعاليت الکتريکي پوست در آن ديده
نمي¬شود. اين تغيير در اندازه¬گيري¬هاي سايکوفيزيولوژيکي به علت علاقه به شناسايي فعاليت¬هاي درکي و همچنين پيشرفت چشمگير در ابزارهاي ثبت فعاليت مغزي و وجود نرم افزارهاي مختلف براي تحليل آنها مي¬باشد.



1-2- اصول و مباني سايکوفيزيولوژي
آناتومي، فيزيولوژي و روانشناسي همه شاخه¬هايي از علوم هستند كه وظيفه بررسي سيستم¬هاي بدن را بر عهده دارند و به روشن كردن ساختار و عملكرد اجزاء و سيستم هاي انساني مرتبط با محيط اطراف مي¬پردازند.
آناتومي علم ساختار بدن است و نحوه ارتباط بين اجزاء مختلف بدن را بيان مي¬كند. فيزيولوژي به مطالعه فعاليت و نحوه عملكرد قسمت¬هاي مختلف بدن مي¬پردازد. در هر دو علم، يك قسمت از بدن در سطوح مختلف سازمان بدن مورد بررسي قرار مي¬گيرد. اين سطوح شامل مولكول، سلول، بافت، اندام و سيستم بدن است. در نتيجه آناتومي و فيزيولوژي به طور پيچيده¬اي به هم وابسته هستند.


مراجع

Akselrod S, Gordon D, Ubel FA, Shannon DC, Barger MA, Cohen RJ,"Power spectrum analysis of heart rate fluctuation", a quantitative probe of beat-to-beat cardiovascular control.Science 213, PP. 220-222, 1981.

Blanco S, Figliola A, Quiroga R. Q, Rosso O. A and Serrano E.,"Time–frequency analysis of electroencephalogram series (III):wavelet packets and information cost function". Phys. Rev. E 57:932–40, 1998.

Chan G. S., Middleton P. M, Lovell N. H and Celler B. G,"Extraction of photoplethysmographic waveform variability by lowpass filtering", Proceedings of the IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual Conference Shanghai, China, September, 2005.

Cheang P. Y and Smith P. R," An Overview of Non-contact Photoplethysmography", ELECTRONIC SYSTEMS AND CONTROL DIVISION RESEARCH, Department of Electronic and Electrical Engineering, Loughborough University, LE11 3TU, UK, 2003.

Coifman R. R and Wickerhauser M. V, "Entropy-based Algorithms for best basis selection," IEEE Trans. on Inf. Theory, vol. 38, pp. 713-718, 1992.

Darrow C. W,"Psychophysiology, yesterday, today and tomorrow", Psychophysiology, 1 , pp. 4-7, 1964.

Darrow C. W,"Sensory, secretory and electrical changes in the skin following bodily excitation", J. of Experimental Psychology, 10, pp. 197-226, 1927.

Davidson N. S, Goldner S, McCloskey D. I,"Respiratory modulation of baroreceptor and chemoreceptor reflexes affecting heart rate and cardiac vagal efferent nerve activity", J Physiol 259, PP. 523-530, 1976.

Donoho D. L and Johnstone I.M, "Ideal de-noising in an orthonormal basis chosen from a library of bases," C.R.A.S. Paris, Ser. I, t. 319, pp. 1317-1322,1998.

Eckberg D. L,"Human sinus arrhythmia as an index of vagal cardiac outflow. J Appl Physiol 54, PP. 961-966, 1983.

Edelberg R,"Electrical activity of the skin: Its measurement ans uses in psychophysiology", In N. S. Greenfield & R. A. Sterenbach (Eds.), Handbook of Psychophysiology, pp. 367-418, 1972.

Edelberg R,"Electrodermal recovery rate, goal-orientation and aversion. Psychophysiology", 9, pp. 512-520, 1972.

Esteller R, Vachtsevanos G, Echauz J and Litt B,"A Comparison Of Fractal Dimension Algorithm Using Synthetic And Experimental Data", Proceedings of IEEE International Symposium on Circuits and Systems, Orlando, FL, May 30 - Jun. 2, 1999

Ewing D. J,"Cardiac autonomic neuropathy, in diabetes and heart disease", Jarrett RJ, Ed. NY, Elsevier, p.122 , 1984.

Fusheng Y, Qingyu T,"Approximate entropy and its application in biosignal analysis. [In:] Nonlinear biomedical signal", processing.Vol II: Dynamic analysis and modeling (ed. Metin Akay), New York: IEEE Press and John Wiley & Sons, Inc. pp. 72-91.; 2001.

Ganiero E, Risk M, Sobh J. F, Wamirez A and Saul J. P,"Heart Rate Variability Analysis Using Wavelet Transform",Computeirs in Cardiology,IEEE,1996.

Gu Y. Y and Zhang Y. T,"Reducing the Influence of Contacting Force Applied on Photoplethysmographic Sensor on Heart Rate Variability Estimation", Proc. of 25th Annu. Conf. IEEE EMBS, Vol. 21, pp. 2618–2620, Sep, 2003.

Hayano J, Sakakibara Y, Yamada A, Yamada M, Mukai S, Fujinami T, Yokoyama K, Watanabe Y,Takata K,"Accuracy of assessment of cardiac vagal tone by heart rate variability in normal subjects. Am J Cardiol 67, PP. 199-204, 1991.

Hayes M. J, "A nonlinear optical preamplifier for sensing applications", IEEE Trans. on Circuits and Systems, vol. 98, no. 1, pp. 1-9, 2002.

Hilborn R. C," Chaos and Nonlinear Dynamics", Oxford university press 2000.
Hon E. H and Lee S. T,"Electronic evaluation of the fetal heart rate patterns preceding fetal death, further observations",Am J Obstet Gynecol 87, PP. 814-826, 1965.

Jennifer A and Rosalind W,"Detecting Stress During Real-World Driving Tasks Using Physiological Sensors", IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS, VOL. 6, NO. 2, JUNE 2005.

Kollai M and Mizsei G,"Respiratory sinus arrhythmia is a limited measure of cardiac parasympathetic control in man. J Physiol (Lond) 424, PP. 329-342, 1990.

Lee C, Yoo S. K, et al,"Using Neural Network to Recognize Human Emotions from Heart Rate Variability and Skin Resistance", Proceedings of the 2005 IEEE Engineering in Medicine and Biology 27th Annual ConferenceShanghai, China, September, 2005.

Lerma C, Infante O, Grovas H and Jose M. V, " Poincare´ plot indexes of heart rate variability capture dynamic adaptations after haemodialysis in chronic renal failure patients",Clin Physiol & Func Im, Vol. 23, pp. 72–80, 2003.

Madwed J. B, Aibrecht P, Mark R. G, Cohen R. J,"Low-frequency oscillation in arterial pressure on heart rate: a simple computer model. Am J Physiol 256, PP. 1573-1579, 1989.

MÄKIKALLIO T,"ANALYSIS OF HEART RATE DYNAMICS BY METHODS DERIVED FROM NONLINEAR MATHEMATICS",1998.

Malik M, Chairman M,"Heart rate variability Standards of measurement, physiological interpretation, and clinical use", European Heart Journal, Vol. 17, pp. 354–381, 1996.

Malliani A, Pagani M, Lombardi F, Cerutti S,"Cardiovascular neural regulation explored in the frequency domain. Circulation 84, PP. 482-492, 1991.

Mendelson Y and Comtois G,"Accelerometery-based Adaptive Noise Cancellation for Remote Physiological Monitoring by a Wearable Pulse Oximeter",Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Volume 53, Issue 3, March 2006 Page(s): 566 – 568, 2005.

Nashash H.A., Thakor J.S, "Wavelet entropy method for EEG analysis: application to global brain injury", First International IEEE EMBS Conference on Neural Engineering ,Volume 2, Page(s): 348 – 351, March 2003.

Nitzanyx M, Babchenkoy A, Khanokhy B and Landauz D,"The variability of the photoplethysmographic signal-a potential method for the evaluation of the autonomic nervous system", Physiol. Meas. 19, PP. 93–102, 1998.

Pagani M, Montano N, Porta A,Malliani A, Abboud F. M, Birkett C, Somers V. K,"Relationship between spectral components of cardiovascular variabilities and direct measures of muscle sympathetic nerve activity in humans. Circulation 95, PP. 1441-1448, 1997.

Pincus S," Approximate entropy as a measure of system complexity", Proc Nat Acad Sci USA, Vol. 88, pp. 2297-301,1991.

Prokasy W. F and Raskin D. C, "Electrodermal Activity in psychological Research", New York, Academic Press, 1973.

Rosso O, Blanco S, Yordanova J, Kolev V and Figliola A,"Wavelet entropy: a new tool for analysis of short duration brain electrical signals". J. Neurosci. Methods, 105, PP. 65–75, 2001.

Seals D. R, Chase P. B,"Influence of physical training on heart rate variability and baroreflex circulatory control. J Appl Physiol 66, PP. 1886-1895, 1989.

Seong H. M, Lee J. S. et al," The Analysis of Mental Stress using Time-Frequency Distribution of Heart Rate Variability Signal",Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS San Francisco, CA, USA • September 1-5, 2004.

Spielberger C. D,"State-Trait Anxiety Inventory for Adults", http://www.mindgarden.com/products/staisad.htm.

Wang F, Sagawa K and Inooka H," Time Domain Heart Rate Variability Index for Assessment of Dynamic Stress", Computers in Cardiology IEEE, Vol25, pp. 97-100, 1998.

Wan R. D and Woo L. J," Feature Extraction and Emotion Classification Using Bio-Signal", TRANSACTIONS ON ENGINEERING, COMPUTING AND TECHNOLOGY, V2, DECEMBER, 2004.

Wolf M. M, Varigos G. A, Hunt D and Sloman J. G," Sinus arrhythmia in acute myocardial infarction: two-year follow-up", Med J Aust 2, PP. 52-53, 1978.

YEH R, SHIEH J, HAN Y, WANG Y and TSENG S,"Detrended Fluctuation Analyses of Shortterm Heart Rate Variability in Surgical Intensive Care Units",BIOMEDICAL ENGINEERING APPLICATIONS, BASIS & COMMUNICATIONS, Vol. 18, pp. 67-72, April 2006.

Yordanova J, Kolev V, Rosso O. A, Sch¨urmann M, Sakowitz O. W,"Wavelet entropy analysis of eventrelated potentials indicates modalityindependent theta dominance", Neurosci. Methods, 117,PP. 99–109, 2002.

Yoshizawa1 M, Sugita N, Tanaka A and Masuda T," Assessment of Emotional Reaction Induced by Visual Stimulation Based on Cross-Correlation between Pulse Wave Transmission Time and Heart Rate in the Mayer Wave-Band", Proceedings of the 26th Annual International Conference of the IEEE EMBS San Francisco, CA, USA • September, 2004.

Zhai J, Barreto A. B, Chin C and Li C,"Realization of Stress Detection using Psychophysiological Signals for Improvement of Human-Computer Interactions",IEEE TRANSACTIONS ON INTELLIGENT TRANSPORTATION SYSTEMS, VOL. 5, NO. 3, JUNE 2005. `

تهامی، احسان،"پیش بینی غلظت قند خون در بیماران مبتلا به دیابت نوع یک با استفاده از روش های هوشمند"، پايان نامه کارشناسي ارشد رشته مهندسي پزشکي- گرايش بيوالکتريک، 1385.