کمّی سازی سطح استرس با استفاده از سیگنال های سایکوفیزیولوژی

توجه :

شما می توانید با خرید این محصول فایل " قلق های پایان نامه نویسی (از عنوان تا دفاع)" را به عنوان هدیه دریافت نمایید.

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 خودكار در این تحقیق سعی بر آن شد كه جنبه­های مختلف این ارتباط، بین حالات روحی و فیزیولوژی بدن انسان، مورد بررسی قرار گیرد و بر این اساس به كمی سازی سطح استرس جهت اهداف و كاربردهای 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.

فهرست مطالب

عنوان

 

صفحه

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- اندازه­گیری 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 اندازه­­گیری 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 فرکانس از 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

برق