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探討人體經絡之頻率響應

摘要 本研究討論穴位電阻抗量測，具體評估發展定電流且頻率可調之電阻抗量測系統，其主要目的是要能夠辨別出穴位點與非穴位點的阻抗型態之不同。先前的學者研究推測人體皮膚阻抗的電路模型如同一低通濾波器，截止頻率約在1kHz以下，且許多研究證明穴位點的阻抗低於非穴位點。以電壓12V的弦波0.1mA與0.5mA電流，10Hz到10kHz等不同頻率、電流的條件來測量，以探討穴位點的頻率響應。以20位年齡20~26的男女受測者為實驗對象，實驗首先測量同一經絡上不同位置的穴位點，探討同一經絡上長度是否會影響穴位點阻抗的大小。接下來測量不同經絡上長度相同的穴位點，探討在等長的情況下在同一條經絡上的穴位是否會與在不同經絡上的穴位有所差異。實驗結果發現在同一經絡上的三個穴位點，不論在高頻或是低頻其阻抗都沒有差異，而在不同經絡相同長度的穴位點會在小電流低頻(0.06mA、10Hz)的情況下表現出明顯的差異。在電壓、相位與頻率的關係上可以發現經絡穴位的阻抗也可用一階低通濾波器的來模擬，截止頻率約在接近1kHz以下。

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手指力量增減對牽制效應與動作相關電位之影響

本研究探討在相等力量變化率之下，針對力量的上升與下降進行力量誤差(force error)與牽制力量(enslaving effect)在不同手指之間的關係與腦波分析。實驗對象為17 名大學學生，針對右手各手指施力後於特定力量變化率之等長收縮增減控制。每組實驗均共有四段力量分期，依施力時間順序分別為力量上升期(ramp)、第一段力量維持期(static1)、力量轉換期(transition)與第二段力量維持期(static2)。而在力量轉換當中針對受測者力量進行上升(increment)與下降(decrement)的行為控制。 研究結果發現在力量轉換期當中，各手指中仍以食指的誤差最小，獨立性最高；無名指的誤差最大，依賴性最高。並且發現在力量下降期的力量誤差與牽制力量皆高於力量上升期。而無論在力量上升期或下降期中，主要施力手指之鄰指亦出現較高的牽制力量。腦波結果方面，在力量轉換期當中，平均腦波放電量在各手指中以食指有較大的腦波放電量，無名指的放電量則較低。本研究依據不同力量分期就腦波區分六個時間成分(BP, MP, MMPramp, MMPstatic1,MMPtransition, MMPstatic2)進行統計分析後發現，在力量轉換期當中，力量下降期腦波放電量較力量上升期高，說明以相等的力量變化率之下，大腦於力量下降期中有較多的放電量，顯示在下降期需要更多的力量控制，才能使力量趨於穩定，因而使得各指的力量誤差與牽制效應在力量下降期皆高於力量上升期。而由於在力量上升期與下降期當中以食指的準確性、獨立性與腦波放電量較高，無名指則較低，說明各手指之間仍以相同機制進行力量遞增與遞減的控制特性。

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不同設計類型之人工頸椎間盤之有限元素分析

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不當對位對人工膝關節術後應力分佈及磨耗深度之影響

膝關節元件間的對位不當會造成膝關節承受過高的負載，增加膝關節元件的接觸應力，隨著病患日常生活中週期性的反覆運動，將導致超高分子量聚乙烯層磨耗的破壞，進而造成人工關節置換失敗。本研究之目的為利用有限元素分析來探討手術時所產生對位不當的情況，對超高分子量聚乙烯層應力之影響，並利用Archard的磨耗公式預測體內的磨耗深度。本研究考慮膝關節的運動與週期性的負載，負載與邊界條件皆參考Walker的體外實驗關節模擬器設計，同時建構本研究之有限元素模型，股骨元件和脛骨元件的摩擦係數設為0.04，分別模擬股骨元件之不當內外翻和內側方向位移情況，並利用準靜態分析方式來模擬動態。從分析結果來看，最嚴重是發生在內翻時，當內翻達5度時，在脛骨元件內側接觸應力達到65.8MPa；外翻則是較輕微的，但是當外翻達5度時，在脛骨元件外側接觸應力是最高的，為32.1MPa。當內外翻到達5度時，脛骨元件內外側的接觸應力會分別出現大量增加情形，因此內外翻+3度應為可允許的植入範圍。另依據磨耗公式預測出來的磨耗深度與臨床的結果相近，並證明利用連續準靜態分析來模擬動態分析是可行的。

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足底筋膜對於足部生物力學行為之影響

足底筋膜為足弓結構中重要之元件，其主要功能為提供足部結構之穩定度，協助人體步行時衝擊能量之吸收。不正常之重複性負載，可能導致筋膜附著端之骨骼及其相連組織產生過度之牽引，提高了筋膜損傷之風險，甚至產生足底筋膜炎之病徵。然而，過去探討足底筋膜在步態週期中對於足部結構穩定性與負載承受能力並無深入之研究。因此本研究將利用動態有限元素分析探討足底筋膜對於足部生物力學行為之影響。 本研究有別於以往相關之研究，利用動態有限元素分析結合步態實驗所獲得之運動學參數作為邊界條件，模擬正常足在完整步態站立期之運動，並利用實驗所獲得之動力學參數進行驗證。研究結果顯示缺乏足底筋膜之足部模型在步行過程，骨骼內部應力與中足結構之變形造成增加。筋膜切除能有效減輕足跟疼痛，隨著筋膜切除程度的增加卻可能造成在步行時中足關節應力過大，增加足部肌肉骨骼系統損害之機率。未來臨床上治療足底筋膜炎時，建議優先考慮穿著治療性鞋內墊等保守性物理治療。分析結果的量化數據可供臨床醫師以及從事生物力學相關人員研究之參考。

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應用於生物資訊之可重組運算加速平台建置

藉由對基因序列資料庫進行相似序列之搜尋可供生物學家對新發現序列之功能與2D、3D結構等特性進行預測。但隨著生物資訊的快速蓬勃發展， Gene Bank基因序列資料庫中所包含之序列數量已高達9×10^10對，因此如何於如此龐大的序列資料庫中進行正確而快速的搜尋將成為關鍵之問題。 本研究試圖以硬體運算之方式實現Smith-Waterman Algorithm基因序列比對演算法期望可縮短序列比對之時間。Smith-Waterman Algorithm為基因序列比對時所使用之演算法，該演算法具相當程度之平行性可以systolic array之硬體架構加以實現，因此本研究於Matlab/Simulink環境中利用該環境所提供之基本元件實現可根據所輸入之S序列長度參數化改變陣列長度且又可下載至FPGA中進行硬體運算之演算法IP。 本研究所實現之systolic array主要由最基本的運算單元( Process Element , PE ) 所串聯而成，每一個PE共需要8個D型正反器，而基於此運算單元所實之演算法IP可於Xilinx低成本之FPGA --- XC3S400FT256-4C中實現長度為700個PE之運算陣列且系統工作頻率為85MHz，使得此IP於理論效能上具有每秒進行59.5×10^9次運算之運算效能，相較於通用型處理器(General Purpose Processor)具大幅度之效能提升。

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以FPGA實現即時FFT頻譜分析之心率變異系統

本研究目的在於發展一套以FPGA(Field Programmable Gate Array, 現場可程式化邏輯閘陣列)為核心的SoC(System on Chip)系統平台，並控制整合周邊裝置MSP430微控制器、LCD、USB、Flash Memory，建構即時FFT(Fast Fourier Transform)頻譜分析生理訊號系統，達到可即時量測即時分析的效果。 本系統核心使用Altera cyclone II (EP2C35F484C6) FPGA晶片，完成心率變異度即時頻譜分析系統平台，其所有演算模組及周邊控制均由一顆系統核心FPGA晶片實現，生理資訊可以在系統裝置中儲存及顯示，也可以透過USB通訊傳輸介面與電腦溝通，經由Borland C++ Builder編輯撰寫視窗化軟體使用者介面程式，顯示系統平台的分析結果及儲存，所得結果與Matlab做演算驗證，其線性相關度R2值高達0.99以上。

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以足壓分佈與加速規資訊分析人體行走時的動態平衡

本研究的目的為分析腳底壓力分佈和腰部加速度變化之間的關聯性。因此研究發展出以可程式系統晶片(PSoC)為核心之平衡分析系統，可以即時取得腳底壓力分佈腰部加速度變化。量測紀錄人體在步行時，腰部三維的加速度變化和腳底壓力分佈，透過無線藍芽模組即時傳送給電腦端。系統擷取速度與傳輸方面，PSoC系統晶片內部ADC模組取樣率為20KHz，PSoC晶片和電腦端串列傳輸模組傳輸速度為115200bps，在無障礙物的干擾下，傳輸距離可達10公尺。 本研究利用行走、起身、坐下、以及跨越障礙物動作的實驗結果，去驗證腳底壓力分佈和腰部加速度的關聯性，從腳底壓力中心位置(Center of Pressure) 建立腳底壓力位移向量，由腳底壓力分佈計算出腳底壓力中心位置，以每兩點的腳底壓力中心位置建立腳底壓力位移向量，向量大小表示腳底壓力中心位置移動的距離，方向表示腳底壓力中心位置移動的方向，從腰部加速度建立人體位移向量，並以加速規量測水平和垂直的加速度建立人體位移向量，從加速規輸出訊號計算出腰部加速度的變化，X軸輸出訊號代表水平的加速度，Y軸輸出訊號代表垂直的加速度，分析兩位移向量去驗證其關聯性。 本研究量測十位正常人腳底壓力分佈和腰部加速度，分析腳底壓力位移向量、人體位移向量方向和大小的變化，從兩向量方向和大小的關聯性中，驗證腳底壓力分佈和腰部加速度變化之間具高度相關，因此兩者皆可單獨用來分析人體行走時之步態及動態平衡。

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發展可攜式生理訊號長期記錄及分析系統

本研究目的在於設計可攜式生理訊號長期記錄及分析系統評估心律變異度以及同一時間的腦波變化相關性，此系統以MSP430微控器為主控，擷取一個通道心電圖(ECG)以及六個通道腦波(EEG)訊號，生理訊號之取樣率為200Hz，儲存在128 Mbytes flash中可記錄24小時。系統可將生理訊號傳輸到電腦端計算，分析心率變異度(HRV)與腦波頻譜功率，評估兩者之相關性。 本研究利用正常睡眠實驗及腦波異常相關位置實驗驗證儀器的實效性，正常睡眠實驗共測試與記錄十人例，利用非快速動眼期(NREM)以及快速動眼期(REM)睡眠中的心律及腦波變化情形去驗證此系統，在NREM睡眠時，越趨於熟睡心律會呈現平穩及緩慢的狀態，且腦波低頻成分(δactivity)會變大，在REM睡眠期時，腦波低頻成分(δ activity)會變小，高頻成分會變大 (βactivity)以及心率變異會增加。在腦波異常相關位置實驗共測試與記錄二人例，驗證異常慢波發生之位置與腦部血管或缺血之相關位置。透過以上臨床實驗結果驗證本系統長時間記錄心電圖及腦波及利用本系統設計之分析程式可找出陣發性心率變異與腦波異常的相關性。

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以脈波和良導絡特徵參數建構 之高血壓辨析系統

高血壓是現代社會中最普遍的一項疾病，為我國國民疾病之ㄧ。目前西醫在高血壓疾病的治療上，大都是利用藥物來強制性降低病人的血壓。這種做法只是治標不治本，只是透過藥物來將血壓降低，而無法找出真正引起高血壓疾病的病因。因此，本研究之目的為利用中醫傳統理論，透過脈波和良導絡分析方式，找出高血壓病患中，脈波和良導絡的高血壓特徵參數，並探討此兩種參數之相關性；此外，更利用找出的高血壓特徵參數建構一高血壓辨析系統。 實驗方面，本研究共蒐集30名高血壓病患和45名正常人，量測其左手橈動脈脈波和12經絡良導絡代表測定點的皮膚電阻值，然後利用使用Matlab軟體所撰寫的特徵參數擷取介面，自動擷取所需要的脈波特徵參數(∠U, ∠P1, ∠P2, ∠P)和良導絡特徵參數(12經絡電阻值和左右12經絡電阻差值)，再透過t-test分析找出高血壓病患和正常人間的差異性以及脈波和良導絡兩種特徵參數間的相關性。系統方面，我們從蒐集來的75名受測者中，選取30名高血壓病患和30名正常人的資料來建立系統的決策樹規則，其中44名受測者資料(22名高血壓病患和22名正常人)被用來建立決策樹規則，之後再利用剩下的16名受測者資料(8名高血壓病患和8名正常人)來測試規則的準確率，最後再透過Matlab軟體撰寫一高血壓辨析介面，搭配特徵參數的自動擷取介面以及脈波和良導絡的檢測儀器，構成一高血壓辨析系統。 研究結果顯示，高血壓病患在脈波特徵參數方面會出現∠P明顯大於正常人或是∠P不明顯大於正常人但∠U明顯小於正常人的現象發生；而在良導絡部份，高血壓病患在左右側的心包經、心經、小腸經、三焦經、肝經、腎經、膽經和右側的膀胱經等經絡的電阻值會明顯高於正常人，並且在心包經、三焦經、肝經、腎經、膀胱經和膽經等經絡出現左右經絡不平衡的現象。此外，也發現高血壓病患中電阻值較高或是左右不平衡的經絡愈多的人，其脈波的主波(P波)角度也愈大。系統準確率方面，則發現使用脈波和良導絡兩種參數综合分析的準確率可以達到81.25%左右，較單獨使用脈波的準確率68.75%或單獨使用良導絡參數的準確率71.88%來得高。