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作者:鄭智銘、丁建元、邱瑞隆(2001-04-03),推薦:徐業良(2001-04-04)
附註:本文為申請國科會九十年度「大專學生參與專題研究計畫」計畫書。

坐式如廁健康監測系統設計與開發

1. 研究背景與目的

1.1 研究動機

近年來隨著科技的日新月異,生醫技術的蓬勃發展,許多研究學者所致力的研究方向便是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Lewis1999】指出,未來醫學發展的方向,將會採用各式遠端監測感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,積極面則藉由隱藏在測技術,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。另一學者Dixie1994】則指出,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、脈搏、體溫等),可以整合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。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、心搏等等,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)4】,便是建立以健康之家(Healthy home)為名的全自動健康監測系統,包含隱藏在馬桶的微型感測器以測量體重、體脂肪比率,尿液中的含糖量等。HII計畫的主持人Tsutomu Asabe指出,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。

可以預見的,在下一個世紀,從傳統醫療,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,將被以長時間、連續性的居家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,更藉由居家長時間、持續性的觀察及早發現可能的疾病,降低疾病與傷害產生後醫療服務所付出的高額成本,特別在文明病“癌症”多年列為我國十大死因之首的今日,透過長期健康監測所得到的健康監測資料更可藉由生理狀況的改變提早察覺癌症的徵兆。

1.2 研究問題與目的

從健康監測的層面思考,居家環境十分適合設置為長期健康監測的場所,其中最有指標性意義的便是如廁的環境。大致來說我們每天都必須到廁所一次以上,如廁時必須褪去衣物,我們可以藉此量取必須以直接接觸方式才能擷取的生理訊號,如心電圖與體溫、脈搏等,若能妥善地設置各式感測器於如廁環境中,便能以“非察覺性(non-concious)”的方式,藉由日常的如廁行為監測生理健康資料。國外許多學者也投入如廁環境中健康監測裝置設置的研究,如圖1所示,Tatsuo1989】等人以廁所內的健康監測為題的研究中,以馬桶作墊上的感測器,藉由大腿的直接接觸量取ECG

1. 藉由馬桶蓋直接量取ECG5

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,正常人每天排尿次數正常為七至十次每次約為400c.c.,排便次數一天三次到三天一次都屬正常,排泄份量與習慣模式的改變都可能與疾病息息相關,藉此累積長期持續性的健康監測資料,可以早及察覺癌症、糖尿病等。如圖2所示,上述Tatsuo1989】等人所建立的健康監測系統中以外掛式裝置,藉由如廁時長期測量使用者的體重;而Yamakoshi1996】等人,亦藉由如廁前後體重的改變,藉此分辨排泄物的重量,如圖3所示。

2. 藉由如廁時量測體重的裝置【9

3. 藉由如廁前後體重改變測量排泄物份量【10

本計畫“坐式如廁健康監測系統設計與開發”,便是針對居家如廁環境中健康監測技術與感測器設置加以研究,目前規劃的四項監測重點為心電圖、脈搏、體重、體溫,設計上以不破壞原本功能的外掛式裝置為設計需求,並考慮人因工程的觀點作為健康監測裝置外觀與尺寸上的考量,藉由日常如廁行為非察覺性地監測生理健康資料。

2. 研究方法及進行步驟

2.1 研究方法

本計畫所涉及的技術層面包含使用者人因工程考量與外觀設計、感測器技術與取樣、濾波技術等三項技術,其間的關係如圖4所示,第一層必須考慮到裝置使用上人因工程的考量,第二層著重於生理感測技術的研究,初步規劃為心電圖、脈搏、體重、體溫等四個項目,各式感測器所量測訊號將往上送至第三層做取樣、濾波等處理。各子系統工作重點分述如下:

4. 各子系統關係圖

1. 坐式健康監測裝置外觀與尺寸設計

廁所是與人體互動最密切的場所之一,除了必須以皮膚直接的接觸之外,便器的高度與尺寸都必須以人因工程的角度思考才能充分地發揮功能。圖5所示為便器最適合的高度與尺寸【7】,若便器太高或太低都將造成如廁時的不舒適感,我們所採取的設計概念如圖6外掛式生理訊號監測裝置所示,因為考慮到外掛式裝置造成坐姿高度的改變,我們以附加腳踏部份的整體包覆性外掛裝置作為最終採取的設計概念,附加腳踏部分的設計在如廁時雙腳不會直接接觸地面,更有利於身體體重的量測。此外附加的把手是常見於各式醫院的如廁輔助裝置,輔助老人與行動不便者得以藉自身的力量,有尊嚴地獨立完成如廁時坐下與站立的動作。

5. 人因工程觀點馬桶尺寸設計上的考量【7

6. 如廁生理訊號擷取裝置設計概念

2. 生理訊號擷取裝置

7所示為如廁坐式健康監測裝置剖面圖,藉由荷重元(load cell)在如廁時量測身體重量,並以排泄前後體重量差推算排泄物重量﹔前方與大腿皮膚直接接觸的心電圖貼片,可以藉由每天如廁的動作長時間、持續性地累積長期心電圖資料與脈搏測量,坐墊上的溫度感測器可藉由皮膚接觸測量體溫。設計時必須針對各款感測器的性能加以研究,以選擇適合的感測器。

7. 如廁生理訊號擷取裝置剖面圖

3. 取樣、放大與濾波技術

生理訊號通常是非常微小的低頻訊號,以心電圖為例,如圖8所示,心臟跳動的機制是由右心房上的竇房結發出電脈衝,依序刺激心房收縮與心室收縮,而所謂的心電圖便是運用微電極技術紀錄心臟微小電脈衝的變化所產生的心肌細胞內外電位差,由儀器放大電活動訊號描繪下的圖形,藉以瞭解心臟是否正常地運作,心電圖訊號屬於低頻範圍(0.05~100HZ,振幅微小僅1~10mV,因此在心電圖訊號的擷取上便需要訊號放大器與濾波裝置【8】。體溫、體重等生理訊號相同地也需要適當的取樣、放大與濾波處理,過濾異常或極端的雜訊,以獲得更具有指標性的健康資料。

8. 心臟電氣傳導途徑示意圖

2.2 進行步驟

本計畫分為兩個階段共八個月執行,並實際完成與設置之坐式如廁健康監測裝置完成測試與評估結果。各階段工作項目安排與工作流程如9所示。各階段工作細節分述如下:

第一階段

首先廣泛地收集居家健康監測技術相關文獻與資料研讀,產生監測系統之外觀與尺寸的概念設計,接著進行感測器性能與規格測試評估,確認所使用感測器種類、規格,以及相關的感測器訊號擷取技術。

第二階段

第二階段主要是進行坐式如廁健康監測系統原型製作與感測器埋設,並進行功能測試,逐次修正設計以完成坐式如廁健康監測系統原型。接著以真人實際使用的模擬情況進行測試,測試結果回饋提供各子系統進行細部修正與校調,待性能已達到預期成果,便可完成坐式如廁健康監測系統之建立。

9. 坐式如廁健康監測系統工作進度流程示意圖

3. 預期成果

本計畫預計以兩個階段,完成坐式如廁健康監測系統設計與開發,成為一個新形態的健康監測系統,對於國內家庭、安養中心、醫療機構,都有很大的參考價值,可以實際嘉惠國內各年齡層人士,提升其居住、生活品質、以及健康安全。本計畫所發展出各種感測、監測與設備,亦都將具有專利及推廣價值。以下即敘述每階段預計完成之具體工作項目

第一階段:

l      收集監測技術以及感測方法資料及相關文獻

l      產生各子系統設計概念

l      生理訊號感測器性能與規格測試評估

l      確認感測器規格與各子系統設計概念與使用技術

第二階段

l      完成坐式健康監測裝置外觀與原型製作

l      整合各子系統進行功能模擬測試

l      完成真人模擬使用狀況測試與設計修正

l      完成坐式如廁健康監測系統

l      研究成果與相關技術發表

4. 參考文獻

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.          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

6.          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.

7.          壟錦編譯,人體尺度與室內空間,博遠出版社,民國八十年十一月。

8.          Webster, J.G., “Medical Instrumentation: Application and Design,” John Wiley & Sons, Inc., 1998.