اختصاصی از کوشا 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.
دانلود با لینک مستقیم
