嵌入式系統於光生物刺激與醫療器材及輔具應用

Abstract

"本篇論文主要是利用嵌入式系統，進行低功率光生物刺激與生理訊號量測的相關性研究與應用，並開發醫療器材及導盲輔具。開發系統主要包括微處理器、光驅動電路、生理訊號量測模組。其中以低功率LED或laser做為光生物刺激源，探討低能量光刺激對人體的生理影響。生理訊號量測主要有腦電信號 (EEG)、心電信號 (ECG)及光體積變化信號 (PPG)。根據擷取的生理信號分析腦波、心律變異及自律神經狀態。設計的系統可將數位化的資料透過RS232通訊傳至外部電腦，做進一步儲存、分析與顯示。 實驗結果發現 LED (850 nm)刺激會引起大腦枕葉、頂葉和顳葉區域的alpha (8-13 Hz)活動發生顯著變化。Theta (4-7 Hz) 功率在大腦的後部區域也有顯著增加。當光刺激停止後，影響效果至少持續15分鐘。比較低功率LED (850 nm, 30 mW/pcs, pulse frequency 10 Hz)與低功率laser (830 nm, 7 mW/pcs, pulse frequency 10 Hz)刺激的研究，LED與laser對alpha (8-13 Hz)活動具有相似的影響。 在醫療器材開發方面，首先完成ECG量測和低功率LED驅動的裝置，以LED (850 nm) 光照射受測者內關穴，並使用ECG信號偵測心律變異 (HRV)。比較LED照射前後HRV數值，顯示自律神經 (ANS)狀態有影響。接著開發PPG信號量測和低功率LED刺激的裝置，比較PPG信號及市售的ECG的量測結果，發現兩者的HRV指標的一致性程度高。顯示健康的受測者安靜坐在椅子上，PPG信號可取代ECG信號來量測心律。另外實驗結果顯示以LED (850 nm) 光照射左手掌心，會影響自律神經系統 (ANS)，交感神經系統 (SNS)的狀態有提升，後續仍需做更多測試驗證。 此外，結合雷射光學與攝影機，開發一個具有偵測距離和障礙物寬度的導盲輔具，並將結果以語音方式通知使用者。實驗結果顯示，在40和120 cm範圍內，偵測距離的標準差小於5%，偵測障礙物寬度的標準差小於4.5%。設計系統具有架構簡單、非手持及低成本的優點。"