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作者:鄭智銘、徐業良(2001-02-14)﹔推薦:徐業良(2001-02-19)

居家環境下健康監測技術相關研究介紹

1. 居家環境下的健康監測系統發展趨勢

近年來許多研究學者致力發展在居家環境下之健康監測系統,以分擔高成本的醫療人力與資源。美國學者Lewis指出【1】,未來醫學發展的方向,將會採用各式遠端監測感測技術,如視訊、血壓、智慧型服藥系統等,逐漸取代高成本、費時的臨床問診模式。Dixie則指出【2】,將醫療與健康照護體系與居家環境相結合,在安全無風險的前提下,在家庭進行原本由專業醫療技術人員所作的簡單、患者有能力自理的醫療測試(如血糖、心電圖、血壓等),可以整合社會資源並節省來回奔波的問診時間與昂貴的醫療費用,並藉由隱藏在日常居家生活環境中的健康監測,更有效率地及早發覺身體上的疾病與婦女懷孕的前期徵狀,藉由日常居家環境中簡單的、長期、持續性的健康監測,可以明顯地紀錄無法在傳統臨床問診短暫時間內察覺的疾病與生理機能退化徵兆。國際知名的「未來人期刊(The Futurist)」在1996年便有專文預測,2006前來臨之前,重大改變人類生活形態的科技產品,排名第六的便是“家庭用的健康監測系統(Home health monitors)”,未來監視你的排便、肝功能、荷爾蒙等,將像今天在家量體重一樣簡單,只要分析你的呼吸狀況、排尿等,就能給你基本的健康資訊【3】。

日本Matsushita公司所進行的HII計畫(The healthy home of the future comes to Japan ),主要的目標也是將“家”架構為醫療照護體系的一部份【4】。「健康之家(Healthy home)」的線上全自動健康監測,包含隱藏在馬桶的微型感測器以測量體重、體脂肪比率,尿液中的含糖量,以及臥室心電圖,血糖的測量,以網際網路傳送方式提供專屬家庭醫生相關的健康監測資料作為診斷依據。HII計畫的主持人Tsutomu Asabe指出,相關的各式生醫技術已經存在並且發展成熟,健康之家是未來住宅的發展趨勢,擁有廣大的潛在市場,Matsushita公司初步規劃在2003年將正式建立商品化的銷售機制。

可以預見在下一個世紀,傳統醫療,健康照護行為必須耗費病患長時間等候,卻僅依據短暫時間問診觀察做出診斷的模式,將被長時間、連續性的生命與生理的健康監測系統所逐漸取代,將醫療人力與資源運用於真正需要的重大傷害與緊急事故等患者身上。對於高齡者而言,藉由最舒適、自在的個人日常居家環境中所架構的健康監測系統,免去了實際臨床問診長途奔波,及技術性、重複性的生命、生理機能測試工作,不但消極地在危險時刻由連外網路在第一時間發送出生命救援的緊急通報,更積極地藉由日常生活生理狀態與行為模式的長時間、持續性的觀察及早發現可能的疾病與身體機能退化情形,藉由早期健康監測更是能減少疾病與傷害產生後醫療服務所付出的高額成本。

2. 居家環境下健康監測的兩個層次

居家環境下的健康監測可以分為兩個層次,第一個層次是生命、生理訊號的監測,目的在於意外發生與生命跡象微弱時緊急救援通報,目前許多醫療與安養機構都設置有簡單的紅外線感應裝置,當長時間偵測不到高齡者的活動跡象時便會發出緊急救援訊號。遠端健康監測發展的早期,主要的功能也是在第一時間提供緊急事故發生的救援訊號,如Lord and Colvin藉由高齡者身上穿戴式的簡單的三軸加速度感測器,可以即時偵測老人在家中是否發生意外跌倒或墜落的情形【5】。

第二的層次是更積極地藉由日常居家活動以及行為模式長時間、持續性的觀察,如睡眠環境中睡眠模式與品質的監測,廁所環境中排泄模式與重量的監測,以及日常活動如居家活動能力、開關燈次數、以及水電等使用量,早期察覺行為模式、習慣的改變及早發現疾病以及生理機能衰退初期行為模式以及習慣的微妙變化。評估生理功能與生命狀態的指標,最著名的便是IADL(Index of Activities of Daily Living and the Instrumental Activities of Daily Living),以基本的簡單行為,如是否能自行呼吸、人體動作狀況、穿衣行為、如廁以及飲食活動等,作為獨立生活能力的評斷指標【6】【7】。隨著各式生命、生理感測技術、資料傳輸技術的發展以及網路的普及,許多學者便試著建立日常居家的行為模式與疾病、生理機能退化之間的關連性。Suzanne等人研究顯示出日常行為模式改變時,可能代表了潛在著疾病或生理機能退化的早期徵兆【8】;Inada等人在家庭健康監測系統的相關研究中指出,藉由家庭照護系統對於身體機能性的健康監測與紀錄所獲得的長時間、連續性資料,與臨床問診時觀察身體疾病徵狀提供了相同程度的資訊,足以作為醫生診斷的依據【9】;Kenneth等人更藉由安養機構中健康照護者的實際服務經驗,證實了在疾病與生理機能退化會導致心理層面與生理層面的行為改變,藉由觀察記錄這些改變的過程,我們可以及早預防疾病與生理機能更加惡化的可能【10】。

澳洲的新南威爾斯大學曾經發表一項以預判高齡者健康狀況變化為目的的遠端監測研究計畫【11】,他們認為,高齡者從健康、獨立到生病、虛弱其實有一個轉移的過程,然而這個精細、微妙的過程不易為照顧者、醫生、甚至高齡者本身所察覺。因此他們嘗試證明從一些簡單的監測,如高齡者的活動力、睡眠模式、乃至於使用廚具、盥洗、如廁的模式,便能夠預先判知高齡者功能性健康狀況的改變,從而發出適當、及時、合乎成本的通知並進行處理,以減低高齡者罹病率並維持獨立、良好的生活品質。

3. 居家環境下健康監測技術相關研究

(1)睡眠監測

睡眠是機能性健康狀況的一項重要指標,良好的睡眠品質與睡眠模式才能使身體獲得適當的休息,藉著睡眠監測我們可以評估睡眠品質並及早察覺疾病與生理機能退化早期行為異常的微妙改變。Lugaresi等人在研究中發現,習慣性強烈的打呼對於心臟以及循環系統功能會產生不良的影響,並且也可能是高血壓以及心臟病的預警徵兆【12】;如圖1所示,Tatsuo等人所設計的健康監測系統中,其中一個監測項目是以床墊上分佈的溫度感測器量測睡眠時體溫的變化【13】;Ishijima則是運用新研發的材質作為量測ECG時感測的電極【14】,如圖2所示。

1. 量測睡眠時體溫【13

2. 量測睡眠時ECG的裝置【14

(2)廁所監測

廁所是每個人每天都必須使用的設施,藉著佈置於廁所內的健康監測,可以掌握長期、持續性的健康資料。國外也有相關研究藉由佈置於廁所環境中的感測裝置監測生理狀況,主要的研究包括ECG測量、體重、與排泄物份量等。如圖3所示,Kawarada等人所發表的研究中,藉由浴缸內電極給予微量的電流導通,可藉由水量測心電圖【15】;如圖4所示,Tatsuo等人以廁所內的健康監測為題的研究中,也以相同的概念以浴缸內導通水以及馬桶作墊上的感測器,藉由大腿的接觸直接量取ECG13】。

3. 藉由浴缸量取ECG15

4. 藉由馬桶蓋直接量取ECG13

另外一個值得關注的項目便是排泄物份量的監測,醫學研究中指出,如大腸癌等癌症常伴隨著排便習慣與份量的改變【16】。如圖5所示,前述Tatsuo等人所建立的健康監測系統中以外掛式裝置,長期測量使用者的體重【13】;而Yamakoshi等人,亦藉由如廁前後體重的改變,藉此分辨排泄物的重量【17】,如圖7所示。

5. 藉由如廁時量測體重的裝置【16

6. 藉由如廁前後體重改變測量排泄物份量【17

(3)日常活動監測

前述澳洲的新南威爾斯大學曾經發表一項以預判高齡者健康狀況變化為目的的遠端監測研究計畫,便是以日常活動監測為主【18】。藉由簡單的極限開關可以測量門窗的開關次數,溫度感測器與光敏電阻可以偵測電器用品的使用量與電燈開關次數,紅外線感測裝置瞭解日常居家行為習慣與模式的紀錄,藉此長期監測身體的健康狀況與異常的改變,以及日常活動如居家活動能力、開關燈次數、以及水電等使用量,早期察覺行為模式、習慣的改變。

(4)感測訊號傳輸技術

前述新南威爾斯大學的研究,感測訊號傳輸所採用的技術是Echelon公司所規劃,未來之屋內所有家電間訊號、資料連接所採用的“Echelon LonWorks technology”11】【18】。這項技術的優點是採用原本便已經架設好的室內交流電源線,作為資料傳輸的管道,如此便能在不刻意變更任何原有配線以及額外訊號線的情形下完成電器產品間的連接。

感測訊號傳輸另外一個可行的方案,便是近年來發展迅速的“藍牙科技(Bluetooth)”。每個藍芽技術連接裝置都具有根據IEEE 802標準所制定的48-bit地址,在2.45GHz的頻帶上傳輸,不但傳輸量高達每秒鐘1MB,同時可以設定加密保護,也不受電磁波干擾【19】。在易利信、諾基亞(NOKIA)IBM、東芝(Toshiba)、以及英特爾(Intel)5家橫跨通訊、電子、電腦三大領域的廠商推動下,不用額外支付專利或是任何權利金,就可以使用藍芽技術,因此目前有超過1500家廠商加入藍芽產品的開發。實際應用的層面上可以採用Lucent公司【20】所發展的模組化藍牙無線發報裝置,作為藍牙無線傳輸機制的發展基礎。

參考資料

1.          Lewis, D. C, 1999, “Predicting the future of health care,” The Brown University Digest of Addiction Theory & Application, v 18, Iss. 4, p 12-16.

2.          . Dixie, F., 1994. “In-home tests make health care easier,” FDA Consumer v. 28, p 25-28.

3.          Stephen; M., William, K., 1996. “The top 10 innovative products for 2006: Technology with a human touch,” The Futurist, v 30, Iss. 4, p. 16-20.

4.          Watts, J., 1999. “The healthy home of the future comes to Japan”, The Lancet, v 353.

5.          Load, C.J., and Colvin D.P., 1991. “Falls in the elderly: Detection and assessment,” Proceedings of the Annual Conference on Engineering in Medicine and Biology, v 13, n 4, p 1938-1939.

6.          Katz, S., Ford, A.B., Roland, W.M., Jackson, A.B., and Jaffe, M.W., 1963. “Studies of illness in the aged: The Index of ADL: A standard measure of Biological and Psychosocial Function,” J. AM. Med. Assoc. v 185, n 12, p 914-919.

7.          Spector, W.D., Katx, S., Murphy, J.B., and Fulton, J.P., 1987. “The heirachical relationship between activities of daily living and instrumental activities of daily living,” J. Chron Dis. v 40, n 52, p 481-489.

8.          Suzanne, M.D., Robert, B., 1997. “Do behavior changes herald physical illness in adults with mental retardation?” Community Mental Health Journal, v 33, Iss. 2, p 85-97.

9.          Inada, H., Horio, H., Sekita, Y., Ishikawa, K., and Yoshida, K., 1992. “A study on a home care support information system”, MEDINFO 92. Proceedings of the seventh World Congress on Medical Information, v 1, p 349-353.

10.      Kenneth, B., Daniel, B., Mark, L., 2000. “Clinical Investigation - Nursing Assistants Detect Behavior Changes in Nursing Home Residents That Precede Acute Illness: Development and Validation of an Illness Warning Instrument,” Journal of the American Geriatrics Society, v 48, n 9, p 1086-1091.

11.      Celler, B.G., Earnshaw, W., Ilsar, E.D., Betbeder-Matibet, L., Harris, M.F., Clark, R., Hesketh, T., Lowell, N.H., 1995. “Remote monitoring of health status of the elderly at home. A multidisciplinary project on aging at the University of New South Wales,” International Journal of Biomedical Computing, v 40, p 147-155.

12.      Lugaresi, E., Cirignotta, F., Coccagna, G., Piana, C., 1980. “Some epidemiological data on snoring and cardiocirculatory disturbances,” Sleep, v 3, n 3/4, p 221-224.

13.      Tatsuo, T., Toshiyo, T., Zhou, J., Mizukami, H., 1989. “Physiological Monitoring Systems Attached to the Sanitary Equipment,” IEEE Engineering in Medicine & Biology Society 11th Annual International Conference, 1461 ch2770-6/89/0000-1461.

14.      Ishijima, M., 1993. “Monitoring of Electrocardiograms in Bed Without Utilizing Body Surface Electrodes,” IEEE Transactions on biomedical Engineering, v 40, n 6.

15.      Kawarada, A., Takagi, T., Tsukada, A., Sasaki, K., Ishijima, M., Tamura, T., Togawa, T., and Yamakoshi, K., 1998. “Evaluation of automated health monitoring system at the ‘Welfare Techno House’,” Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology - Proceedings v 4, p 1984-1987.

16.      翁昭旼、謝銘鈞、陳子文、李惟陽、陳健弘、王秀伯、楊培鎮、姚介和、王正一,“本土醫學資料庫之建立及衛生政策上之應用”,行政院衛生署八十二年度委託研究計畫研究報告,http://fma.mc.ntu.edu.tw/data/大腸直腸癌.html

17.      Yamakoshi, K., Kuroda, M., Tanaka, S., Yamaguchi, I., Kawarad, A., 1996. “Non-conscious and automatic acquisition of body and excreta weight together with ballistocardiogram in a lavatory.”, 18th Annual International Conference of IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, AM. 1996 1,1,6: Home Health.

18.      Echelon相關技術與產品,http://www.echelon.com

19.      Jaap, C.H., Mattisson, S., 2000. “Bluetooth-A new low-power radio interface providing short-range connectivity,” Proceedings of the IEEE, v 88, n 10.

20.      Lucent相關技術與產品,http://www.lucent.com/micro/bluetooth/