## summary：
>(中)：
> 本計畫旨在開發一款創新系統，融合皮耳迷走神經刺激(taVNS)與駕駛注意力偵測模型，以判斷駕駛在駕駛過程中是否分心。這是一項為期三年的研究計畫。第一年重點在於研究 taVNS 與駕駛注意力機制之間的相關性，並設計模擬駕駛場景。第二年將專注於注意力偵測模型的建立。第三年則致力於將前兩年的成果整合。
本系統之核心概念為：一但偵測到駕駛分心，系統將施加一定程度的 taVNS 刺激，以評估其對駕駛注意力恢復的效果。此系統不僅對駕駛安全領域重要，同時對自動駕駛的未來發展亦具影響。計畫旨在探索taVNS在注意力調控的應用潛力，完善駕駛注意力偵測與喚回機制，
(英)：
>This project aims to develop an innovative system that integrates transcutaneous auricular vagus nerve stimulation (taVNS) with a driver attention detection model to determine if drivers are distracted during driving. It is a three-year research plan. The first year focuses on studying the correlation between taVNS and driver attention mechanisms and designing simulated driving scenarios. The second year will concentrate on developing the attention detection model. The third year is dedicated to integrating the results of the first two years.
The core concept of the system is that once driver distraction is detected, the system will apply a certain level of taVNS stimulation to evaluate its effect on restoring driver attention. This system is not only important for the field of driving safety but also has implications for the future development of autonomous driving. The project aims to explore the potential application of taVNS in attention regulation and to improve the detection and response mechanisms for driver attention.
## 第一年：
* Tavns：
* 原理：
> 迷走神經又稱為(CN-X)，是自律神經的一部分，其為最長之的腦神經一路從大腦穿越胸部至腹部。而皮耳迷走神經刺激（taVNS）是一種非侵入性的神經調節技術，其透過刺激耳迷走神經支配區域來活化迷走神經的耳朵分支（ABVN）。近年來常被應用在臨床治療上，是新興且具有潛力的研究方向。
* 根據[3](Petersen SE, Posner MI.)所提出之Posner 注意力定理：
> **Altering**：當你在一個安靜的房間中學習時，警覺系統讓你能夠迅速注意到突然的聲音（如手機響起）
**Orienting**：當你在繁忙的街道上尋找特定的朋友時，你的定向系統幫助你忽略其他行人，專注於尋找你的朋友。
**Executive Control** ：在一個充滿分心因素的環境中進行學習時（如在咖啡廳裡），執行控制系統幫助你抵抗分心，專注於學習。
上述三者是彼此獨立，但在實際的注意力任務中彼此相互作用，共同塑造了我們的行為表現。
* taVNS透過以下機制改善注意力：
> **調節雙側腎上腺素系統(LC-NE)[4](Yakunina N)**：LC-NE系統的活性與警覺性有關，是taVNS調節注意力的主要途徑之一，與上述定理中 **Altering**有所關聯，可以更有效地加快反應時間。
> **提高伽瑪-氨基丁酸（GABA）水平[5](Capone F)**：GABA是大腦中的一種抑制性神經傳遞物質，有助於控制腦神經活動的過度興奮狀況。而taVNS可提高GABA水平。可以避免因衝動所引起的"錯誤反應"。
* 現有其他刺激技術：
* 侵入式刺激

* **DBS (深腦刺激)**：透過植入電極到大腦深處，用電流刺激特定腦區。
> 缺點：需要外科手術，風險包括感染、出血或器械故障。此外，可能會有語言障礙或肌肉控制問題。
* **VNS (迷走神經刺激)**：透過植入的裝置直接刺激迷走神經。
> 缺點：需要手術植入，可能會有聲音嘶啞、咳嗽、頸部不適等副作用。
* 非侵入式刺激
* **TMS (經顱磁刺激)**：利用磁場影響大腦特定區域的神經細胞活動。
> 缺點：可能引起頭痛、頭皮不適或暫時的聽力問題。另外，不適合有金屬植入物或特定醫療條件的患者。
* **tDCS (經顱直流電刺激)**：通過頭皮向大腦提供持續的低強度電流。
> 缺點：可能造成頭皮不適或燒灼感，效果在不同個體間有差異，根據 [2](Lucia B et al.2015)表明tDCS僅對特定腦區刺激時能改善注意缺陷而非改善一般注意力低下情況，且施行時會偶有刺痛燒灼感，使受試者明確得知目前正接受刺激，進而可能主動拉回注意力，與此次研究精神不符，故使用更輕量無壓力的taVNS作為主要刺激方式。

* PVT（心理運動警覺性任務)：一種用來評估個體的警覺性、注意力集中度和反應速度的心理測試。其為一項簡單但有效的測試，常被用於研究睡眠剝奪、疲勞和其他影響認知功能的因素。PVT的基本原理和操作如下：
1. **任務設計**： 受試者須面對一個螢幕，且在特定**刺激**發生時做出反應
2. **刺激呈現**： 通常是一個光點、標記的瞬間變化。刺激的發生是隨機的，以確保受試者無法預測。
3. **反應要求**： 受試者的任務是在每次刺激發生時按下按鈕，刺激消失時會記錄反應時間
4. **量化指標**： PVT的量化指標主要是反應時間，反應時間會反映受試者的注意力狀況。
**<center>PVT參考圖</center>**

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* 實驗目的
為得知taVNS對注意力與認知行為的影響，透過讓受試者進行類PVT任務的駕駛任務，同時施予不同程度的刺激或不施予刺激，以得知不同程度的taVNS刺激對個體警覺程度以及注意力的影響，並以數據量化實驗結果，以利後面的實驗進行。

* Materials：
taVNS儀器(林醫師)
模擬駕駛設備：
羅技 Playseat Trophy 支架座椅 ($22900)
羅技 G923 TRUEFORCE 模擬賽車方向盤 ($11990)

* VR：Meta Quest 3

* Paradigm：
受試者在進行實驗前需有良好的睡眠，避免精神不濟所導致受試者間的結果誤差。因此受試者在進行實驗前會被要求填寫駕駛問卷[reference link]與睡眠問卷[reference link]。因個體之變異性對刺激耐受度不同，故於實驗開始前受試者會被要求測量taVNS的疼痛閾值。

為決定個別受試者之疼痛閾值，受試者將被要求先進行一次taVNS刺激，初始電流強度設置60μA，並依照受試者的反應，以10μA為單位做增減，過程會經歷3次轉折，假如受試者的反應為NNYYNNNY(N為不痛並增加電流，Y為痛並減少電流)，則會取第3、5、8次的電流強度平均作為該受試者taVNS刺激強度。

受試者接著會被要求進行模擬駕駛實驗，場景架設使用**TBD**。

受試者進入模擬駕駛環境一開始，會先定速駕駛一段長達數十秒的無干擾直道，接著下面五種事件會隨機重複出現數次，且任兩事件不會在同一時間發生。

>1. **指示燈任務**：駕駛須在指示燈由綠轉紅或由紅轉綠時盡快做出反應，且不應在變化之前做出反應，如在指示燈由紅轉綠前就恢復駕駛。
>2. **煞車燈任務**：駕駛須在前車煞車燈亮起時，盡快踩下煞車。
>3. **行人任務**：駕駛須在行人進入視野時盡快踩下煞車。
>4. **路標任務**：駕駛須在路標進入反應視野時盡快做出反應
>5. **車道偏離任務**：駕駛須在系統將行駛方向偏離時主動將方向盤拉回

實驗將持續10分鐘，駕駛在變化發生時到做出反應，這之間的反應時間將被記錄下來，且事件發生前10秒將對受試者施予taVNS刺激，刺激分為三種
> 1. 無刺激：不施予刺激
> 2. sham刺激：不針對迷走神經的偽刺激
> 3. active刺激：針對迷走神經的電刺激

，在記錄反應時間時會同時紀錄此次刺激的類型以便分析結果。
* 受試者要求:
受試者原則上需無神經系統疾病（如癲癇）、精神疾病史（如注意力不足過動症、憂鬱症、躁鬱症）、腦損傷或定期使用影響心率的藥物。在實驗前48小時內，參與者不能有耳朵受傷，不能飲酒或服藥。受試者在了解刺激程序和實驗協議後簽署同意書。可隨時選擇退出實驗。
* ref
* [1]Zhao R, Transcutaneous auricular vagus stimulation (taVNS) improves human working memory performance under sleep deprivation stress. Behav Brain Res. 2023 Feb 15;439:114247. doi: 10.1016/j.bbr.2022.114247. Epub 2022 Dec 5. PMID: 36473677.
* [2]Lucia B.Hesse,Modulation of attention functions by anodal tDCS on right PPC,Neuropsychologia,Volume 74,2015,Pages 96-107,ISSN 0028-3932,
* [3]Petersen SE, Posner MI. The attention system of the human brain: 20 years after. Annu Rev Neurosci. 2012;35:73-89. doi: 10.1146/annurev-neuro-062111-150525. Epub 2012 Apr 12. PMID: 22524787; PMCID: PMC3413263.
* [4]Yakunina N,Optimization of Transcutaneous Vagus Nerve Stimulation Using Functional MRI. Neuromodulation. 2017 Apr;20(3):290-300. doi: 10.1111/ner.12541. Epub 2016 Nov 29. PMID: 27898202.
* [5]Capone F, The effect of transcutaneous vagus nerve stimulation on cortical excitability. J Neural Transm (Vienna). 2015 May;122(5):679-85. doi: 10.1007/s00702-014-1299-7. Epub 2014 Sep 3. PMID: 25182412.

* 場景建模
## 第二年：
本實驗是為了探討駕駛在駕駛過程中注意力的分配情況，透過隨機突發的次要任務影響駕駛在主要任務上的專注度，進而分析大腦在專注與分心情況下的差異變化。為了能夠更擬真現實生活中的駕駛狀況，將透過VR的技術進行模擬駕駛，並結合EEG、ECG、眼動追蹤技術，分別提取在專注與分心下的特徵，作為後續模型的訓練樣本，評估駕駛在不同難易度駕駛環境與突發狀況下的專注度。

* Materials：
模擬駕駛環境(VR、駕駛設備、模擬駕駛軟體)、14 channel & 32 channel EEG設備、 ECG 、眼動裝置

* Paradigm：
在進行實驗前將會請受試者填寫問卷[問卷p26](https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/77067/2/253302.pdf)，用以評估受試者是否適合進行此實驗，若駕駛有侵略駕駛(會應用侵略方式對其他用路人表示敵視)、駕駛錯誤(因個人認知導致的不良駕駛行為)這兩種情況，將不適合進行此實驗。也會讓受試者填寫SSQ及VRSQ量表[SSQ、VRSQ p26](https://ntcuir.ntcu.edu.tw/bitstream/987654321/18519/2/%E9%82%B1%E7%BE%A9%E8%B1%AA.pdf)，若受試者有3D暈的情況，也不適合進行此實驗。
由於大多數受試者沒有VR駕駛的經驗，因此在實驗開始前將會給予15分鐘熟悉VR及駕駛狀況。實驗將會進行4次，兩次困難兩次簡單，而難易度的定義為駕駛環境的難易(道路結構、突發事件、交通情況)，以獲得全面的數據，最後通過收集的數據分析後進行建模。
* 流程圖

* 主要任務
此任務目的為量測駕駛在專注時的各種生理訊號。受試者將會在兩種難易度下各進行駕駛10分鐘，駕駛的軟體使用Euro Truck Simulator 或是 UC-win/Road Ver.17。

* 次要任務
此任務目的為量測駕駛在分心時的各種生理訊號。將會進行以下三種任務：
1.簡單的四則運算(每題需在5秒內正確回答出來)。
2.手機鬧鈴響後將其關掉(需在10秒內完成)。
3.給予數字式的時鐘，並要求其回答出若是指針式的那麼時針分針的夾角為鈍角、銳角、還是直角(需在20秒內完成)。
各任務的難易度依次為1→2→3，為了使受試者不要有預期心理(第一個實驗就是四則運算、第二個就是關掉鬧鈴..等)將會使用隨機的方式進行次要任務，也會根據各任務的難易度調整任務次數(簡易的多、困難的少)。
* subjects 個數
20個，男女數量各佔一半，年齡包含青年、中年、老年，以測試不同個體之間的差異
* Trial 分心、專心
1.將會給予次要任務，將次要任務提示聲開始時到任務完成時定為分心狀態。
2.當眼動量測到的數據發現駕駛並未專注於道路上時(超出駕駛時應注視的範圍)定為分心狀態。
* 分析方法
* 流程圖

* 前處理
EEG data 以 1000Hz 的 sampling rate 量測，為了簡化計算量，將EEG down-sampled到100Hz，並使用 banpass filter(0.5~45Hz) 濾掉高低頻雜訊，最後再使用 ICA 移除各種不必要的雜訊。
* 取特徵、建模
使用feature selection技術，在量測到的生理訊號中分別選取專注和分心狀態下的訊號片段，並計算這些訊號的PSD作為特徵，接著使用early fusion方法(將不同modality的特徵組合在一起)，將EEG、ECG特徵結合在一起，並經由上面判斷過的專心、分心trial設定label值，放入Random forest、LSTM、SVM等模型做建模，最後模型可判斷出駕駛處於專心或分心狀態。

## 第三年：
整合本計畫前兩年之成果，將 taVNS 注意力提升系統與駕駛注意力偵測模型融合，並結合消費型之 EEG、ECG 設備及專業型 taVNS 刺激設備，一旦駕駛之生理訊號經由注意力偵測模型判定為 "**分心**"狀態，即時以taVNS 注意力提升系統對該名駕駛進行一定程度的電刺激，以喚回其注意力，最後計算反應時間比較施予電刺激及未施予電刺激差異。

* Materials：
* 消費級ECG： **Polar H10 藍牙無線心率傳輸帶組($3580)**
> 可連接 Polar 免費健身訓練應用程式Polar Beat
內置記憶體，可用以儲存單一訓練環節的心跳率數據
與頂尖健身應用程式、健身室設施及多款 Bluetooth 裝置兼容
可隨 OTA 軟件更新持續改進
裝置配備 5 kHz 傳輸率：即使置身水底，您仍可監測個人心跳率
防水30 米 (可在游泳時佩戴)
柔軟紡織物料打造，綴以防滑矽膠點形墊與安全扣，讓您佩戴舒適

* 消費級EEG： **ALL-IN-ONE BIOSENSING R&D BUNDLE(16c USD 3699)**
> 成套的配套措施，具有研究級訊號同時兼顧消費級的舒適度
> 另外提供開源的軟體支援：**OpenBCI GUI** 可監測所收集到的生理訊號，進一步視覺化及分析
> 
> 

受限於本國當前醫療法規，便攜型之 taVNS 刺激器(如：NEMOS)尚未通過核准，故仍採專業型之高精度taVNS刺激器
* Paradigm：
因實驗包含taVNS刺激與模擬駕駛等流程，且三年實驗受試者不一定相同，故此實驗仍須比照前兩年做事前問卷調查和taVNS疼痛閾值檢測。

事前準備:

受試者在進行實驗前需有良好的睡眠，避免精神不濟所導致受試者間的結果誤差，在實驗前須填寫睡眠問卷。

taVNS電刺激事前準備，因個體之變異性對刺激耐受度不同，故於實驗開始前受試者會被各別要求測量taVNS的疼痛閾值，用以決定個別受試者之疼痛閾值。
受試者將被要求先進行一次taVNS刺激，初始電流強度設置60μA，並依照受試者的反應，以10μA為單位做增減，過程會經歷3次轉折，假如受試者的反應為NNYYNNNY(N為不痛並增加電流，Y為痛並減少電流)，則會取第3、5、8次的電流強度平均作為該受試者taVNS刺激強度。

模擬駕駛事前準備，在進行實驗前將會請受試者填寫問卷[問卷p26](https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/77067/2/253302.pdf)，用以評估受試者是否適合進行此實驗，若駕駛有侵略駕駛(會應用侵略方式對其他用路人表示敵視)、駕駛錯誤(因個人認知導致的不良駕駛行為)這兩種情況，將不適合進行此實驗。另外需填寫SSQ(模擬器暈動問卷)及VRSQ(變異虛擬實境暈動問卷)量表[SSQ、VRSQ p26](https://ntcuir.ntcu.edu.tw/bitstream/987654321/18519/2/%E9%82%B1%E7%BE%A9%E8%B1%AA.pdf)，兩種測量電腦暈動症的問卷，若受試者有3D暈的情況，也不適合進行此實驗。由於大多數受試者沒有VR駕駛的經驗，因此在實驗開始前將會給予15分鐘熟悉VR及駕駛狀況。

實驗程序:

實驗過程中，受試者配戴消費級 EEG、ECG 設備、專業型 taVNS 刺激設備及 VR 設備，與先前的模擬駕駛實驗相同，使用Logitech Playseat Trophy 支架座椅與 G923 TRUEFORCE 模擬賽車方向盤搭建駕駛座位，在建模完成的環境中進行駕駛。
駕駛期間會即時地蒐集 EEG、ECG 生理訊號，同時計算此兩訊號一定時間區間內的PSD數值，並將此數值傳送到訓練完成的注意力偵測模型，當模型判斷為分心時施予taVNS刺激以拉回注意力。

同一受試者分別執行兩種不同的模擬駕駛實驗:
1.無taVNS刺激 : 半小時的模擬駕駛實驗中僅使用模型偵測專心與分心狀態，並會隨機出現突發事件以測量反應時間，藉以獲得<font color="#f00">未接受taVNS電刺激的反應時間</font>。
2.taVNS刺激 : 半小時模擬駕駛實驗中使用模型偵測專心與分心狀態，在偵測為分心狀態時施予5秒鐘taVNS刺激，並會隨機出現突發事件以測量反應時間。藉以獲得<font color="#f00">接受taVNS電刺激的反應時間</font>。

受試者進入模擬駕駛環境一開始，會先定速駕駛一段長達數十秒的無干擾直道，接著下面五種事件會隨機重複出現數次，且任兩事件不會在同一時間發生。

>1. **指示燈任務**：駕駛須在指示燈由綠轉紅或由紅轉綠時盡快做出反應，且不應在變化之前做出反應，如在指示燈由紅轉綠前就恢復駕駛。
>2. **煞車燈任務**：駕駛須在前車煞車燈亮起時，盡快踩下煞車。
>3. **行人任務**：駕駛須在行人進入視野時盡快踩下煞車。
>4. **路標任務**：駕駛須在路標進入反應視野時盡快做出反應
>5. **車道偏離任務**：駕駛須在系統將行駛方向偏離時主動將方向盤拉回

將前述兩實驗分別獲得的反應時間數據，繪製 box plot(箱型圖)及計算其 mean value(平均值)、standard deviation (標準差)等統計分析方法，分析各數據間的相關性及差異性，以更加確認駕駛在施予即時之 taVNS 電刺激後是否能顯著增加專注力且拉回分心狀態。

* 受試者要求:
受試者原則上需無神經系統疾病（如癲癇）、精神疾病史（如注意力不足過動症、憂鬱症、躁鬱症）、腦損傷或定期使用影響心率的藥物。在實驗前48小時內，參與者不能有耳朵受傷，不能飲酒或服藥。受試者在了解刺激程序和實驗協議後簽署同意書。可隨時選擇退出實驗。