心智負荷及警示音回饋之生理訊號

大腦是由許多神經元(Neuron)、及伴隨的神經細胞(如樹狀突 (dendrites) 、細胞體(cell body)、軸突(axon)、軸突末端(axon terminals) 等)排列而成，這些神經細胞能接受各方感覺訊息，並指揮神經元及 執行其他更高階的腦功能。而細胞體提供能源，構成大腦灰質，樹突 接收來自其他神經元的訊號，再由軸突將訊號傳給另一神經元，大腦 透過網絡聯繫，造就人類表現的行為。而大腦皮質(neocortex)主要負 責高層次的心智處理。大腦皮質區分額葉（frontal lobe）、頂葉（parietal lobe）、顳葉 （temporal lobe）、枕葉 （occipital lobe）等四個腦葉區域，

腦區不同的功能(如圖2.2、表2.1及所示)，有助於釐清人類行為從刺 激、反應與執行等複雜的認知歷程大腦活化區域分布，以提供人類心 智活動相對應的腦區定位(Perez Velazquez & Wennberg, 2009)。

圖 2.2 大腦側視圖

表 2.1 人類四大腦葉功能

腦葉區域 功 能

額葉 人類重要認知活動區，例如思考判斷與推理、負責執行 功能(executive function)、注意力、記憶、情緒及某些語 言有關(Chayer & Freedman, 2001)。

頂葉 與空間知覺與轉換(Spatial transformations)及感官功能有 關(Sowell, Thompson, Holmes, Jernigan, & Toga,

1999; Pouget, & Sejnowski, 1997)。

顳葉 與聽覺刺激辨識、語言處理過程及記憶有關。(Sowell, Thompson, Holmes, Jernigan, & Toga, 1999; Sternberg, 2003; Squire, Stark, & Clark, 2004; Hallahan et al., 2005) 枕葉 與 視覺相關功能有關

(Grill-Spector, Kushnir, Edelman, Itzchak, & Malach ,1998;

Carter, 2002)。

2.4.2 腦電圖

成一處微小電場。神經元藉由改變其細胞膜對帶電離子穿透性的方式 傳遞訊號，而這個過程會沿著細胞膜產生電流。當一大群規則排列的 神經元同時活動時，伴隨電流所產生的電場變化可以在頭皮上加以量 測，所得電訊號便是腦電波。簡言之，腦電波是由腦細胞所產生的生 物能源，或者是腦細胞活動的節奏。經過幾十年的研究結果顯示 (Falkenstein, 1991; Makeig et al., 1993-2002; Klopp et al., 2000)，研究者 可以透過腦波EEG 訊號的量測分析可以得知使用者的精神狀態，綜 理上述等原因，本研究將對於雙重作業下駕駛人之心智負荷的腦電波 反應進行分析研究。

2.4.3 腦波分類及生理意義

根據EEG可依頻率及振幅分為Delta波頻帶(δ，4Hz以下)、Theta 波頻帶(θ，4~8Hz)、Alpha波頻帶(α，8~13Hz) 、Beta波頻帶(β，大於 13Hz) 等4種頻帶特性(Fisch, 1991; 曾坤章, 2010)，其說明如下：

(1) Delta波頻帶(δ，4Hz以下)

δ波是深睡作夢、深度冥想時出現，亦可以從深層的意識障礙或 腫瘤疾病看出。它是屬於「無意識層面」的頻帶、第六感直覺的來源 及意識的雷達網。

(2) Theta波頻帶(θ，4~8Hz)

θ波。它是屬於「潛意識層面」

的頻帶、與記憶、知覺和情緒有關及與態度及期望有關。

(3) Alpha波頻帶(α，8~13Hz)

α波是在安靜閉眼時，就會出顯著出現，而開眼時就減少或消失。

通常分佈位置在腦部後方，它是「意識與潛意識層面」之間的介面、

與想像力有關及與身體放鬆有關。

(4) Beta波頻帶(β，大於13Hz)

β波在正常成人閉眼時，於大腦前半部都會出現；當睜開眼睛時，

於大腦後半部會出現。這種腦波是入眠時或服用與中樞神經藥有關。

它是屬於「意識層面」的頻帶、與智力有關、與思考、計算、推理有 閞及清醒及解決問題有關。

2.4.4 生理訊號量測

一般研究駕駛者警覺性常使用之生理訊號，大致包括了心電圖

（electrocardiograph, ECG)、EOG或EEG。而心搏率(Heart Rate)和心 率變異(Heart Rate Variability, HRV)是來自心電圖訊號，容易受個體的 心理和生理條件影響，因此，ECG對於偵測駕駛者警覺性並不是很好 的衡量指標。實驗室相關研究使用EOG訊號為衡量駕駛者警覺性指 標，例如駕駛者警覺性隨著眨眼次數下降而降低(Van-Orden, Jung, &

Makeig, 2000)。然而， EOG訊號分析所使用時間視窗(time window) 大約240秒，這段時間太長了，以至於不能真正應用於駕駛者警覺性

之警示回饋系統。因此， EEG訊號可以不受平均時間視窗之限制。

所 以 ， EEG 訊 息 是 目 前 偵 測 駕 駛 者 警 覺 性 最 好 的 方 法 (Chen, 2009)。

2.4.5 雙重作業與生理訊號

Schier(2000)於虛擬實境執行駕駛作業(方向盤、 脚踩踏板排檔 等作業控制)，以EEG技術量測腦殼(P3, P4, F3, F4)等4位置之腦波變 化情形，研究結果顯示從動態駕駛作業與靜態駕駛作業，α(Alpha)波 有顯著的變化，並提及於開車複雜作業中，使用EEG量測方法是很好 的選擇。

對於神經生理方面的研究調查，一些文獻集中在於大腦分散注意 力(divided attention)活動 ，係指分散注意力同時執行兩個或兩個以上 資訊來源，例如視覺，聽覺，形狀和顏色刺激。依Madden, Turkington, Provenzale, Hawk, Hoffman, and Coleman (1997)研究執行分散注意力 於 顯 示 器 之 視 覺 顯 示 大 腦 活 動 ， 實 驗 結 果 顯 示 於 枕 顳 葉 腦 區 (occipitoparietal)及前額葉腦區(prefrontal regions)之腦中各區域的血 流量(Regional cerebral blood flow, rCBF)有活化現象。Koechlin, Basso, Pietrini, Panzer, and Grafman (1999)使用功能性磁振造影(functional magnetic resonance imaging; fMRI)技術運用於執行雙重作業(視覺刺 激)下大腦動態研究，研究結果發現於 在 後側前額葉皮質(dorsolateral

相類似研究，Deiber, Missonnier, Bertrand, Gold, Fazio-Costa, Ibañez, et al. (2007)

2.4.6 警示音回饋與生理訊號

使用EEG技術探討數學計算與心智負荷關係，研究結果發現 當心智負荷增加時，在額葉腦區之θ頻帶(theta band)能量增加。依Lin (2008)研究指出，使用EEG技術運用於執行雙重作業下之駕駛績效與 數學計算心智負荷之相關，是值得研究議題。

相關研究指出，人類的注意力變化會引起大腦從枕葉腦區的神經 活動。當人的注意力不集中時會造成工作績效下降，並於枕葉腦區可 觀察到α波(8-12 Hz)及θ波(4-7 Hz)的能量都有增加趨勢 (Schier, 2000;

Lin, Wu, Jung, Liang, and Huang, 2005; Lin, Pal, Chuang, Jung, Ko, and Liang, 2008; Horne & Baulk, 2004; Reyner & Horn, 2000; Lal &

Craig,2002)。此外，Marlcand (1990)研究亦指出當人處於疲勞及注意 (theta power)呈現單調遞增現象(Jeng, 2007)。