穿戴式心律變異度情緒分析儀
A Wearable HRV Analysis for Depression
吳威德 Wei-Te Wu1, 林宥安 Yu-An Lin1, 黃珮榆 Pei-Yu Huang1, 洪珮媛 Pei-Yuan Hung1,
黃冠霖 Guan-Lin Huang1, 莊慶昌 Ching-Chang Chuang2, 駱信昌 Hsin-Chang Lo2, 林俊宏 Jiun-Hung Lin 3, 蕭嘉宏 Chia-Hung Hsiao4, 湯士滄 Shih-Tsang Tang1*
1銘傳大學生物醫學工程學系 Department of Biomedical Engineering, Ming Chuan University
2銘傳大學商品設計學系 Department of Product Design, Ming Chuan University
3崑山科技大學電子工程系 Department of Electronic Engineering, Kun Shan University
4慈濟大學醫學資訊學系 Department of Medical Informatics, Tzu Chi University
*Corresponding Email: [email protected] 一、中文摘要
情緒對日常生活的影響甚鉅，像喜悅、憤怒、
悲傷、害怕等情緒都會影響。若不改善負面情緒，
則將會造成情緒的惡性循環。因此若能進行適當 的提醒來調適與紓解情緒，則將有益身心的健 康。本系統為一穿戴式裝置，透過 ECG 訊號的擷 取，然後經由 HRV 的分析來判斷使用者情緒，最 後並使用 PDA 手機來呈現結果。系統會針對負面 情緒發出訊息，以提醒使用者放鬆心情，如此將 可幫助使用者管理自身的情緒，進一步提高健康 和生活品質。
關鍵詞：情緒、穿戴式、心率變異度 Abstract
Emotion affects daily life, such as pleasure, anger, sadness, fear and other emotions. If the negative emotion doesn’t be relieved, then would result in vicious cycle. Therefore, if there is appropriate reminder, which would help the emotion relief and improve the personal health. This study developed a wearable system, which captures ECG (Electrocardiography), and then analyzes HRV (Heart rate variability), finally presenting the emotion status on the PDA (Personal Digital Assistant) phone. If the negative emotion is detected, the device will issue a warning. This device would facilitate the emotion management and improve the life quality.
Keywords: Emotion, Wearable, HRV 二、緣由與目的
情緒是感覺、思想和行為的綜合心理和生理 狀態，也是對外界刺激所產生的反應。譬如生氣 是一種放鬆情緒的正常方式，也是個體釋放壓力 的本能反應。但是過度或過於頻繁的生氣則會影 響日常生活，甚至影響到健康。當有情緒問題時，
若沒有他人從旁協助提醒，則有時自己並不會察
覺，進而造成情緒的失控，變成具有破壞性。所 以有需要進行情緒的管理，並學習平衡情緒 [1]。
本研究因此構想出一穿戴式裝置；藉由擷取 與分析 ECG 訊號來判斷情緒的狀況，並進而適時 提醒使用者放鬆情緒。系統概念如圖一所示。
圖一、系統概念圖
三、材料與方法
（一）HRV 分析
心率變異度說明連續心跳之間的變化，調節 機制為交感神經和副交感神經系統的相互作用 [2]，而 HRV 分析可分為時域、頻域及非線性分析。
本研究所用的方法為快速傅立葉轉換，即為 頻域分析[3]，頻譜對應頻率的函數曲線即為功率 密度（Power Spectral Density, PSD）曲線，曲線下 面積的總和為總功率（Total Power，TP）。HRV 的頻譜主要可以分為低頻（LF）0.04–0.15 Hz 與 高頻（HF）0.16–0.5 Hz 兩個區域。高頻與總功率 之比值（HF/TP）是副交感神經活性的指標，而低 頻與總功率之比值（LF/TP）是交感神經活性的指 標，低頻與高頻的比值（LF/HF）則是交感、副交 感神經活性平衡的指標。負面情緒會令 LF/HF 和 TP 都有下降的趨勢，而正面情緒則是相反的情況 [4, 5]。
（二）系統架構
整 個 硬 體 架 構 是 以 可 攜 式 嵌 入 式 系 統 和 PDA 手機所構成，系統方塊圖（圖二）分為三個 部分：導程選取、嵌入式系統及行動裝置。首先 是依照使用者的需求，選擇想要量測的導程。後 續的嵌入式系統則進行 ECG 訊號的擷取與傳輸，
最後再而 PDA 手機則進行 HRV 分析、推估情緒
狀態與發出建議訊息。
圖二、系統方塊圖
（三）系統發展
系統的發展分為三個階段來進行：系統模 擬、嵌入式系統與後端處理平台。首先以數學模 式進行系統的模擬以瞭解系統的可行性，接下來 再發展嵌入式系統電路與後端軟體平台。
四、結果
系統模擬的架構如圖三所示，ECG 訊號源是 採用麻省理工學院的正常心率資料庫。先將 ECG 訊號加上 60Hz 雜訊，以模擬從人體擷取到的原始 訊號。接下來以減法器模擬儀表放大器；將人體 原始訊號與電源雜訊。再經由低通與高通濾波器 以呈現 ECG 訊號。接著將 ECG 訊號微分後取絕 對值；以凸顯 R 波，最後進行 HRV 分析。
圖三、系統模擬的架構
在嵌入式系統的發展階段，首先使用 OrCAD 來設計電路架構，系統雛型電路以運算法大器以 LM358 來實現；包括儀表放大器、直流準位追蹤 和濾波器，如圖四所示。所使用的測試訊號源為 FLUKE BIOMEDICAL 公 司 所 製 作 的 ECG Simulator Model EHS10，雛型電路的 ECG 輸出如 圖五所示。
圖四、ECG 雛型電路
圖五、雛型電路的 ECG 輸出
接 下 來 以 美 國 德 州 儀 器 公 司 （ TI ） 的 MSP430FG439 為核心來發展嵌入式系統[6]。原先 儀表放大器的部分使用 MSP430 內建的運算放大 器來實現，訊號透過 ADC 取樣後，再進行數位濾 波。處理完的 ECG 訊號一方面經由 MAX232 傳 送至後端平台，另一方面經由 DAC 還原成類比訊 號以供觀測，另外並會在 LCD 面板上顯示心率，
嵌入式系統電路如圖六所示。
圖六、嵌入式系統電路
後端平台是使用 LabVIEW 為發展工具，一 開始先在個人電腦上開發系統雛形，接下來再移 植到 PDA 手機上。後端平台接收到 ECG 訊號後，
先凸顯 R 波，然後進行 HRV 的分析：計算心率、
HF、LF 和 PSD [7]，最後進行情緒的估測與發出 適當的緩和情緒訊息。處理流程如圖七所示，個 人電腦上的人機界面如圖八所示。完成個人電腦 端的平台雛形後，進一步使用 LabVIEW Mobile Module 將系統移植到 PDA 手機上，如圖九所示。
圖七、後端平台的處理流程
圖八、個人電腦端的人機界面
圖九、PDA 手機端的人機界面
五、討論與結論
本研究所發展的系統在擷取 ECG 訊號後，經 由 HRV 分析來判斷使用者是否正處於負面情 緒？如果是的話，系統就會接著發出建議訊息；
以協助緩解情緒。如此將有助於管理自身的情 緒，進一步提高個人健康和生活品質。另外，為 了增加使用的便利性，還增加可切換不同偵測部 位的導程，因此可在不同的場合使用，還可進一 步搭配其他日常用品一起使用，以增加偵測率，
達成可以隨時輔助及提醒。
後續將進一步提升系統的量測準確度，並改 使用 DSP (Digital Signal Processer)晶片來取代微 控制器，以降低系統運算所消耗的時間。另外，
也將考慮將 PDA 手機平台進一步拓展至其他型態 的手機；譬如 Java 手機、Android 手機等，以提 高普遍性及方便性。
六、參考文獻
[1] Oatley K, Glouberman S (2002) In Social Sciences & Humanities, Psychology, Ed. S.
Carta, pp. 12–29
[2] McCraty R, Atkinson M, Tomasino D, Stuppy WP (2001) Biol Psychol, 56:131–150
[3] Yıldız GU, Dogan EA, Dogan U et al. (2011) Epilepsy Behav, 20:349–354
[4] Slaap BR, Nielen MM, Boshuisen ML, van Roon AM, den Boer JA (2004) J Affect Disord, 78:141–148
[5] Wu W, Lee J (2009) The 5th International Conference on Collaborative Computing:
Networking, Applications and Worksharing (CollaborateCom), pp. 1–6
[6] MSP430 User’s Guide, Texas Instruments Inc., at http:// www.ti.com
[7] Lin AC, Yen FY, Sun MH, Chang FS, Lin JH, Tang ST (2010) AInternational Conference on Electronics and Information Engineering, 1:92–95
