کمی سازی سطح استرس با استفاده از سیگنالهای سایکوفیزیولوژی

 

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.

 

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 تکنیک­های سایکوفیزیولوژی

10

1-3-1- شاخص­های 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- نشانه­های استرس

23

1-8-حد مطلوب استرس

24

1-9- مراحل ایجاد استرس

24

1-10-اثرات استرس بر بدن و بیماری­ها مرتبط با آن

26

1-11- بیوفیدبک

36

1-11-1- انواع بیوفیدبک

37

   

فصل دوم: سیگنال­های سایكوفیزیولوژیكی وآزمایش ثبت داده

 

 

2-1- مقدمه

39

2-2- پلتیسموگراف

40

2-2-1- فتو پلتیسموگرافی

41

2-2-2- روش­های 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 آزمایش­های 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- سوژه­های تحقیق

62

فصل سوم: پردازش سیگنال­های سایكوفیزیولوژیكی

 

 

3-1- مقدمه

64

3-2- پردازش سیگنال فتوپلتیسموگراف

66

3-2-1- پیش­پردازش سیگنال فتوپلتیسموگراف

66

3-2-2- استخراج ویژگی در حوزه زمان از سیگنال PPG

70

3-2-3- استخراج ویژگی در حوزه فركانس 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 فرکانساز سیگنال HRV

76

3-3-1-3- استخراج ویژگی در حوزه زمان-فرکانس از سیگنال HRV

77

3-3-1-4- استخراج ویژگی­های غیرخطی از سیگنال HRV

78

3-4- پردازش سیگنال هدایت الكتریكی پوست

85

3-4-1- استخراج ویژگی از سیگنال هدایت الكتریكی پوست

87

3-5- نرمال کردن ویژگی­ها

 

88

فصل چهارم: انتخاب ویژگی­های بهینه و تفکیک سطوح استرس  

4-1- مقدمه

89

4-2- شبكه­های عصبی

90

4-2-1- شبكه­های عصبی پرسپترون چند لایه

90

4-2-2- توابع فعالیت

91

4-2-3- الگوریتم به روز رسانی وزن­ها

91

4-2-4- بایاس لایه­ها

92

4-2-5- روش آموزش شبكه

92

4-3- تركیب شبكه­های عصبی و الگوریتم ژنتیك

92

4-3-1- اصطلاحات ژنتیک

93

4-3-2- اجزاء الگوریتم ژنتیك

93

4-3-3- طراحی تابع برازندگی و رشته­ها

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- ماشین­های بردار پشتیبان

103

4-5-1- نتایج تفکیک­ به روش ماشین­های بردار پشتیبان

105

4-6- مقایسه تحلیل خطی و غیرخطی سیگنال HRV

108

4-7- مقایسه تفکیک­کننده­های استفاده­شده در این تحقیق

112

4-8- تفکیک سطوح استرس بر اساس رأی­گیری

113

4-9- شاخص استرس

115

4-9-1- شاخص بر اساس ویژگی­های بهینه سیگنال HRV در روش LDA

115

4-9-2- شاخص NSRPIAD

 

119

فصل پنجم: نتیجه ­گیری و پیشنهادات  

5-1- بحث و نتیجه­گیری

123

5-2- پیشنهادات

126

 

مراجع

 

128

پیوست1

133

پیوست2

138

فنی و مهندسی