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作者:徐業良,楊哲彰 (2008-02-17)
附註:本文為滄海書局出版「老人福祉科技與遠距居家照護技術」第九章。

第九章 居家生理訊號量測設備感測技術簡介

生理訊號(vital sign)量測設備早期多為僅在醫療院所中使用的專業醫療設備,然而隨著現代感測與訊號處理技術的發展,許多生理訊號量測設備都已逐漸發展成為可在居家環境中使用、普遍的保健設備,也成為遠距居家照護系統長期監測使用者健康狀況所需的基本工具。

本章針對適用於居家環境的生理訊號量測設備之感測原理、量測方式以及訊號處理等相關技術,做一概要性的介紹。

9.1 適合在居家環境使用的生理訊號量測設備

利用電、光、聲、磁、化學能等原理的現代量測技術,已廣泛應用於醫療相關領域來量測人體各項生理訊號。這些生理訊號量測設備早期僅在醫療院所使用,屬於醫療專業量測設備,價格較昂貴,使用與維護都比較複雜,需要合格的專業醫護人員操作,並不適合於居家環境下由一般使用者自行操作。然而隨著感測技術快速發展,醫療電子產品的成本大幅降低,同時居家保健意識也顯著提升,適合於居家環境、可由一般使用者自行操作的生理訊號量測設備,快速地普及起來。一般家庭中常可看見體溫計、體重計、體脂計、血壓計、血糖計、血氧濃度計、甚至心電圖儀等生理訊號量測設備,在一般醫療器材行、藥局就可以買得到這些產品。

生理訊號量測設備要能適合在居家環境下使用,主要設計的考量有以下幾點:

(1)   可接受的價格

價格是左右消費者對產品接受度的一個主要因素,因此這類生理訊號量測裝置,必須在成本上加以考量與控制,以合乎一般大眾消費者可接受的價格範圍。

(2)   簡便的操作方式

居家環境下的生理訊號量測設備是由一般使用者操作,並非由專業醫護人員操作,因此這類器材的操作設計上應力求量測程序簡單、快速、自動化。

(3)   非侵入式(non-invasive)與較低干擾性(non- or less-obtrusive)量測方式

非侵入式的量測方式,是居家環境下的生理訊號量測設備設計上的重要原則與前提。居家環境中沒有專業人員操作量測設備,並做必要之消毒或處理,因此器材的設計上必須避免侵入式的量測方式,以免造成使用者的不適感、疼痛與傷口等,事實上醫療專業生理訊號量測設備也逐步朝向非侵入式的量測方式。此外,居家環境下的生理訊號量測設備的使用,也應盡量考慮無干擾性或較低干擾性的量測方式,避免因為產品的使用而造成使用者的日常生活活動與行為有所改變,例如以非接觸式的量測方式、可攜帶式的產品設計,或運用無線方式做量測與訊號傳輸,比較容易為一般使用者所接受。

(4)   足夠的準確度

如前所述,居家環境下使用的生理訊號量測設備需要考量其成本及簡便的操作方式,且設備是由非專業人員操作量測,在確保量測數據準確度上面對更大的挑戰。在居家環境做生理訊號量測,目的為居家保健的參考,量測數據不能直接作為醫療診斷的依據。即使如此,產品設計上仍需要與成本權衡,維持足夠的感測準確度,即使在居家環境下由一般使用者操作量測,也能獲得準確的量測結果,如此後續的資料分析(特別是在遠距居家照護系統上的應用)才有意義。

在遠距居家照護系統的應用上,系統開發者必須對感測器的原理、量測方式以及訊號處理等相關技術有一整體性瞭解,才能選擇適當感測器做系統整合。以下即針對常見適用於居家環境的生理訊號量測項目,包含體溫、體脂、血壓、血糖、血氧濃度、心電圖等,逐一介紹其相關感測技術。

10.2                體溫量測

體溫是人體最基本且直接的生理訊號,由於體溫的量測非常簡便,因此體溫計(thermometer)也是最早在居家環境中普遍使用的生理訊號量測設備。人體的體溫隨性別、年齡、時間及活動量差異而有所不同,因此所謂正常溫度並沒有固定數值,只能以範圍來表示。體溫量測方式包括耳溫、額溫、口溫、腋溫、肛溫等,量測所需的時間不同,正常體溫範圍也不同。由於正常體溫變化範圍小,約在±1內,因此體溫計必須比一般溫度計準確度要求更高,通常準確度至少為0.1甚至0.05,才能適用於體溫量測。

常用的體溫計依其量測原理,可分為水銀式體溫計(mercury-in-glass thermometer)、熱敏電阻式體溫計(thermistor thermometer)、以及紅外線體溫計(infrared thermometer)等三大類。傳統水銀式體溫計將一定量的水銀封裝於玻璃管壁內,並與金屬探頭相連接,利用水銀熱脹冷縮的原理達成溫度量測。水銀的熱膨脹特性穩定,體積和溫度呈現良好的線性比例,用於體溫測定具有良好的準確度,加上價格低廉,因此自二十世紀初起,便廣泛應用於居家或醫療體溫量測上。但水銀的比熱較大,吸熱膨脹需要較長的時間達到熱平衡,且重複使用時也必須使溫度計先降溫,因此以水銀式體溫計量測體溫較為耗時,此外使用時若玻璃管不慎破裂,可能造成水銀汙染。

水銀式體溫計量測的體溫讀數無法以數位訊號的形式輸出,基本上無法用於遠距居家照護系統,以自動化與數位化的方式進行體溫量測與數據傳輸。目前市售具有數位顯示的體溫計大多數為熱敏電阻式,利用熱敏電阻的電阻值隨溫度變化而改變的特性,量測熱敏電阻的端電壓換算成溫度,來達成體溫量測。相較於水銀式體溫計,熱敏電阻式體溫計優點在於價格也相當低廉,且量測所需時間較短,加上熱敏電阻式體溫計採用數位式顯示,數值易讀,安全而操作簡便,並且可以整合於遠距居家照護系統做自動化的數據傳輸。

水銀式體溫計和熱敏電阻式體溫計都是採用與人體接觸的方式量測體溫,體溫計金屬探頭需與人體特定部位如口舌、腋下、肛門等接觸,要重複使用體溫計時,必須施以適當的清潔、消毒以確保衛生,使用上仍舊比較繁瑣,因此目前體溫計的發展已逐漸採用非接觸式的紅外線感應體溫計,如耳溫槍或額溫槍。

任何物體溫度高於絕對零度(0-273)時,物體分子便產生擾動,以紅外線的形式釋放出熱輻射。依據「史蒂芬-波茲曼定律(Stefan-Boltzmann Law)」,輻射能量和絕對溫度的四次方成正比,紅外線測溫便是利用此基本原理達成的。由於人體的體溫變化最初期會反應在下視丘(hypothalamus)的部位,而該部位相當靠近耳朵的鼓膜,且其周圍環繞許多血液貫流,因此若量測鼓膜與外耳道組織的紅外線輻射強度,可以獲得相當精準而即時的體溫。

耳溫槍採用「熱電堆(thermopile)」作為紅外線感測器,量測時如圖9-1所示,將耳溫槍探頭(probe)置入外耳道內,感測器靠近並對準鼓膜即可量測,探頭內置導波管用來傳導紅外線能量至感測元件,避免外界雜訊干擾並降低紅外線的衰減,目前亦有廠商開發無導波管式耳溫槍。非接觸式的額溫槍原理和耳溫槍相當,但由於額溫槍可直接在待測身體表面的一定範圍內直接量測,操作上比耳溫槍更加快速,因此額溫槍的使用常見於公共場所,或需要快速的體溫量測的場合,但是以額溫槍量測體溫時容易受到外界雜訊影響,因此量測值不及耳溫槍準確。

9-1. 耳溫槍量測體溫示意圖

10.3                體脂量測

體脂(body fat)的比例與身體肥胖及慢性疾病的風險有關聯,在自我健康管理上是各項身體組成(body composition)如水分、血液、骨骼等,最受關注的一項,甚至比常用來評斷肥胖與否的「身體質量指數(Body Mass Index, BMI)」更適合作為評估肥胖程度的指標。

量測體脂最準確的方式為比重法,由身體比重推算出全身脂肪的比例,但此測定方式需要量測身體的體積,因此很難在居家環境下進行。「生物阻抗分析(Bio-electric Impedance Analysis, BIA)」是目前較簡便、適合居家環境自我健康管理的體脂量測方式,這種方法以量測身體阻抗達成。身體各項組成(特別是血液、水分和脂肪)都有不同的電阻抗特性,基本上脂肪導電性較差,而肌肉由於具有較多水分,導電性較高,因此對身體施加不同頻率的訊號,擷取其阻抗分布,便能估計出組成分布。由於體脂的量測需要體重資訊,因此體脂量測功能常整合於電子式體重計內,如圖9-2所示,在體重計上裝設四個電極,分別與雙腳的腳尖與腳跟接觸。與腳尖接觸的電極為電流電極,腳跟處則為電壓電極,量測時於腳尖與腳跟之間施以不同頻率的交流電訊號(50kHz~100kHz)以量測電流大小(約0.1mA~1mA)與阻抗變化,加上測得的體重資訊後,便能評估體脂。

9-2. 具體脂測定功能之體重計電極配置示意圖

10.4                血壓量測

血壓(blood pressure)為心臟收縮或舒張時,動脈內血液對其血管壁所施加的壓力。當心臟收縮時,血液從左心室注入主動脈,此時產生最大的血壓稱為「收縮壓(systolic pressure)」;當心臟舒張時其最低血壓值則稱為「舒張壓(diastolic pressure)」。此外,在心臟收縮-舒張週期中,平均的血壓稱為「平均動脈壓(Mean Arterial Pressure, MAP)」,由於心臟舒張過程約占整個週期三分之二,因此平均動脈壓、舒張壓以及收縮壓之間的關係,可由式(9.1)近似估計:

                                                                 (9.1)

最早的血壓量測,可追溯至西元1733Hales曾將玻璃管直接插入馬匹的頸動脈,並觀察血液在管中的高度[Alihanka et al., 1981]。目前醫療院所廣泛使用的「水銀式血壓計(sphygmomanometer)」,源自於1896Riva-Rocci1905Korotkoff發展以上臂式壓脈帶(cuff)量測血壓之方式,經過逐步改良,直至今日仍為快速且準確的血壓量測方式。

水銀式血壓計的量測原理採用「聽診法(auscultatory method)」,量測時將充氣式壓脈帶纏繞於上臂,並開始充氣以增加壓力直至高於收縮壓。此時逐漸釋放壓脈帶壓力,並以聽診器監聽壓脈帶內的聲音,當其壓力高於收縮壓時不會有任何聲音,當壓力減至收縮壓與舒張壓之間,壓脈帶內將產生特殊的聲音,稱為「科氏音(Korotkoff sounds)」;若壓力低於舒張壓,則科氏音將消失。因此藉由聽診器辨識科氏音的有無,便可判別收縮壓與舒張壓。使用水銀血壓計以及聽診法量測血壓,可得到準確的血壓數值,但此裝置需要經過訓練、具有經驗與技巧的專業護理人員操作,無法在居家環境下提供非專業人員使用。

全自動電子式血壓計是最常見在居家環境下使用之血壓計,其工作原理主要可分為「聽診法」及「示波法(oscillometric method,或稱震盪法)」兩種。全自動聽診式的血壓計內置微型充氣幫浦,並利用麥克風偵測科氏音、壓力感測器偵測壓脈帶壓力,達成全自動的血壓量測程序。這類血壓計直接模仿前述聽診式水銀血壓計的量測方式,但實際使用時如使用者壓脈帶穿戴不正確、身體有細微動作或有外界噪音干擾時,將明顯影響量測值的正確性,因此目前市售的家用電子式血壓計鮮少採用此類設計。

震盪法則利用內置於壓脈帶的震動感測元件(pulsatile sensor)來感測動脈脈波。在壓脈帶壓力逐漸釋放的過程中,動脈脈波的強度會呈現先增加後降低的特性,藉由比對此動脈脈波強度以及壓脈帶壓力的對應關係,經由適當的訊號處理與演算,即可求得血壓數據。震盪法僅能測得收縮壓與平均動脈壓,產生脈波時的壓脈帶壓力即為收縮壓,接下來的期間所測得最大強度脈波,其壓脈帶壓力即為平均動脈壓,而舒張壓則可利用前述式(9.1)加以換算求得。

採用震盪法的優點在於所需元件較少,且壓脈帶配戴的差異對於量測結果的變異影響較低,因此震盪法已經廣泛應用於一般商品化家用電子式血壓計。此外,除了採用上臂式壓脈帶的量測方式,手腕式壓脈帶的血壓計也相當常見,兩者原理皆相同。

10.5                血糖量測

血糖(blood glucose)為靜脈全血(whole blood)中的葡萄糖濃度,常用單位為mg/dL,即單位體積(每一百毫升)血液中的葡萄糖重量(毫克),另一種較少用的單位為mmol/L(單位公升容積內的血糖毫莫耳數)。動脈、靜脈與微血管中的血糖會有所差異,靜脈與微血管中的血糖值較為接近,動脈內血糖值則較高,其間的差異在用餐後會較為明顯。以較嚴格的說法,血糖應特別指靜脈血液中的葡萄糖濃度,但若無特別指明,則一般來說可將動脈、靜脈與微血管的血糖值視為相同。

目前針對居家環境下可供個人操作使用的血糖量測設備品牌相當多,如圖9-3所示,基本上都包含採血針(lancet)、試片(test strip)與血糖機本體等三個部分。量測血糖時首先必須進行採血,以採血針於特定部位(大部分為指尖)取出約0.5μL的少量血液樣本置於特殊的試片上,血液樣本於試片上進行反應後,再將試片輸入血糖機,即可顯示血糖讀數。

採血針利用一根直徑約0.3mm~0.8mm的細針採血,藉彈簧產生快速往復動作而穿刺採血部位約1.8mm~3.0mm的深度,以取出血液樣本。常見的採血部位為手掌、指尖、前臂、上臂、大腿、小腿等,其中指尖是比較合適的採血部位,原因在於指間處多佈滿微血管,其血糖值較接近靜脈血糖值,且指尖處血液體積流率較快。

9-3. 居家用血糖機(TaiDoc Technology Corp.)

目前主流的血糖量測採用電化學原理,由於葡萄糖無法被直接量測,因此需要間接量測血糖經過氧化反應後的物質成分來達成。血糖試片是一種生物感測器(biosensor),以葡萄糖氧化酶(glucose oxidase, GOx or GOD)或葡萄糖去氫酶(glucose dehydrogenases, GDH)酵素作為血糖氧化反應的催化劑。由於酵素對於環境的溫度與酸鹼值相當敏感,因此必須將酵素以澱粉凝膠、矽膠、或聚丙烯醯胺(polyacrylamide)等物質固植(immobilize)於試片內,而不影響氧化葡萄糖的催化劑特性,其中GOD酵素比較適用於指尖處血液的測試,且酵素較為穩定,因此市面上的血糖試片大多使用GOD酵素。

取出的血液樣本滴至試片後,血糖在試片內透過酵素的催化快速氧化,其反應如式(9.2)所示,葡萄糖與氧反應後,會產生葡萄糖酸(gluconic acid, or gluconolactone)與過氧化氫(hydrogen peroxide, H2O2,即雙氧水),並在試片內的電極上造成導電性的變化,血糖機便能施以電壓以偵測試片電極的導電性來判定血糖值。除了電化學式的血糖量測原理之外,另有光學反射式(reflectance)量測原理,同樣以含酵素的血糖試片與血液樣本反應後,試片產生顏色變化,再由血糖機以光學方式量測經試片反射後的光譜以判讀血糖值。

                                                      (9.2)

以血液樣本來量測血糖時,雖然採血的程序已經嘗試將可能產生的侵入性與不適感降至最低,但仍會影響使用者對日常定期血糖量測的接受度,因此目前也有許多研究積極發展非侵入式的血糖量測技術。如美國Cygnus公司開發的手腕配戴型非侵入式血糖錶“GlucoWatch G2”[http://www.glucowatch.com/],使用時搭配一個單次使用、內含葡萄糖氧化酵素的感測元件“AutoSensor”接觸皮膚表面,並連接至血糖錶底部,其原理利用「離子電滲法(iontophoresis)」,當皮膚間質液(interstitial fluid)中的葡萄糖與離子和感測元件反應後,會產生過氧化氫,由血糖錶偵測產生的過氧化氫濃度,即可顯示血糖量測值。使用此血糖錶時必須藉由一般採血式血糖計的數值進行校正,將所量測過氧化氫濃度與校正時設定的參考血糖值比對,校正其血糖量測值。

GlucoWatch系列血糖錶於2001年取得美國食品與藥物管理局(FDA)認可,這種非侵入式血糖量測儀優點為免除採血程序,並提供全自動且連續的血糖監測,如GlucoWatch G2可每10分鐘輸出一筆量測值,並可連續監測達13小時,相當適合於居家日常生活中進行連續的血糖變化監測。但每次使用時必須藉由一般採血式血糖機進行校正與比對,且此校正值因人而異,因此同一血糖錶無法以單一的校正標準適用於不同使用者,加上準確度不及採血式機型,為此類產品的主要限制。

10.6                血氧濃度量測

血氧濃度(blood oxygenation)是指血液中血紅素(Hemoglobin, Hb)攜帶氧的程度,人體內的組織與器官都藉由呼吸與循環系統提供所需的氧氣來維持運作,因此可藉由血氧濃度評估人體的呼吸與循環系統功能,也是生命跡象的重要指標。

血氧濃度包括「動脈血氧濃度(arterial oxygen saturation, SaO2)」、「靜脈血氧濃度(venous oxygen saturation, SvO2)」、「組織血氧濃度(tissue oxygen saturation, StO2)」,以及「脈搏血氧飽和度(saturation of peripheral oxygen, SpO2)」,目前廣泛採用光學式脈搏血氧濃度計(pulse oximeter)量測血氧濃度,因此以SpO2血氧濃度測定較為普遍。

血液中氧的含量多寡會反應在其光學特性上,血紅素對於特定光譜的吸收特性會隨著攜氧量而有所改變,例如動脈血液中氧合血紅素HbO2(oxygenated hemoglobin)濃度高,對於藍光有較高的吸收特性,對紅光吸收性相對較低,因此血液呈現鮮紅色;靜脈內去氧血紅素Hb(deoxyhemoglobin)濃度較高,對於整個可見光譜具有較一致的吸收特性,因此血液呈現深暗的偏藍色。圖9-4說明氧合血紅素HbO2與去氧血紅素Hb對可見光及近紅外光的吸收特性。由圖中HbO2Hb的曲線可見,兩者對波長660nm的紅光呈現較大吸收率差異;波長805nm(近紅外光)為兩者的等吸收點(isobestic point),幾乎呈現相同的光吸收率。

9-4. HbO2Hb對可見光及近紅外光的吸收特性示意圖

現今常見的光學式脈搏血氧濃度計,即是利用此光學特性做血氧濃度量測。手指與耳垂部位組織層較薄,且充滿微血管與血液貫流,相當適合作為量測血氧濃度的量測點,而考量到使用上的便利性,目前大多數產品採用手指作為量測點。如圖9-5所示,血氧濃度計上裝設兩個可發出不同波長的發光二極體(Light Emitting Diode, LED)光源,以805nm(或940nm)近紅外光作為HbHbO2對光的吸收率的比較基準,另一660nm紅光則用來偵測HbHbO2的光吸收率差異,量測時兩光源交替照射,穿透手指組織與血液的光源由一個光感測器(photo detector)接收,利用光學感測與光調變技術比較兩穿透光源的不同強度,經過訊號處理後,即可換算出血氧濃度數值。

9-5. 光學式血氧濃度計構造說明

此外,由於心臟收縮與舒張時,動脈血液與皮膚組織對光吸率會呈週期性變化,靜脈血液中光吸收率則變化較小[Aoyagi, et al., 1974];由動脈血液之光吸收率變化,可得知脈搏的跳動,因此光學式血氧濃度計除了血氧濃度的量測外,也可提供脈搏偵測。

10.7                心電圖(Electrocardiogram)

器官與肌肉組織的活動,都是由細胞間離子的傳遞而產生,人體器官與組織的運作,將伴隨特定的身體「生物電位(bio-potential)」變化,最常見的身體電位量測便是「心電圖(electrocardiogram, ECG or EKG)」。1842Matteucci發現當心臟跳動時,身體組織將伴隨著微弱電流的變化,1887Waller公布了第一個人體心電圖,而“Electrocardiogram”這個名詞則隨後於1889年由Einthoven正式提出[Jenkins,1996]

當肌肉組織中細胞內外部的離子濃度不平衡時,將會發生「去極化(depolarization)」現象,此時離子擴散會產生電流的流動而造成肌肉組織的收縮,去極化的過程會沿著組織中的每一個細胞傳遞,直到整個組織成為完全「極化(polarized)」的狀態。一個完整的ECG週期波形如圖9-6所示,當心臟處於舒張狀態,所有的細胞為極化狀態,接著去極化開始於右心房的竇房結(sinoatrial node, SA node),這樣的電位不平衡狀態將造成離子的流動而產生電流,使左手臂(left arm, LA)的電位高於右手臂(right arm, RA),此時便產生圖9-6中的P波。接著心房已經完全去極化,離子流動產生的電流消失,LARA間的電位差下降至約為零;接下來去極化的現象接續擴散到房室結(atrioventricular node; AV node)及心室,心室收縮而產生R波;隨後的心室肌肉再極化產生T波,並接續下一個P波。反覆的極化與去極化過程,便產生連續而有規律的ECG波形。

9-6. ECG波形示意圖

生物電位的量測,都必須在身體特定部位,以直接與皮膚接觸的方式透過電極(electrode)來量測電位。最初Einthoven嘗試的ECG量測方式,需將待測者的雙臂與左腿分別浸泡於鹽水中,此量測方式於現代而言似乎顯得不合時宜;目前ECG量測廣泛使用輕薄的可拋棄式電極貼片,如圖9-7所示,此貼片以銀(Ag)作為電極的基材,再鍍上一層氯化銀(AgCl),電極上還需塗佈含水、氯化鈉與氯化鉀等膠狀電解物質,此膠狀物可有效降低ECG量測時因身體動作或電極貼片位移所造成的雜訊或異常訊號,並達成良好的訊號傳導效果與阻抗匹配,維持ECG訊號的完整性。此類電極貼片為一次性使用,因此符合衛生上的需求,加上大量生產價格低廉,使用上相當方便。除了電極貼片,另一種常見的電極為吸附電極(suction electrode),常用於胸腔部位,以一個橡膠氣球抽取真空的方式將電極吸附於皮膚,使用此類電極的好處在於可方便地移動調整電極位置。

9-7. ECG電極貼片

任兩個電極間所測得的電位差稱為「導程(lead)」。目前臨床上ECG量測採用12導程心電圖,包含6個胸導程與6個肢導程,其量測電極位置如圖9-8所示。其中一組肢導程為雙極導程(bipolar leads),共有三個標準肢導程(Lead I, II, III),為最基本的導程,又被稱為“Einthoven Triangle”。第一導程Lead I為左手臂(正)與右手臂(負)的電位差,第二導程Lead II為右手臂(負)與左腿(正)間的電位差,第三導程Lead III則為左手臂(負)到左腿(正)的電位差。

另一組肢導程則為單極導程(unipolar leads),又稱「增大肢導程(augmented limb leads)」,包含aVRaVLaVF三個導程。如圖9-8所示,這三個單極導程中,左、右手及左腳的電極導線需要搭配約5MΩ的電阻後相連接,連接點稱為量測時的參考點,又稱作「威氏中間端點(Wilson central terminal, WCT)」。至於另外6個胸導程則以WCT為參考電位點,如圖9-8所示,導程V1V6貼附於前胸。醫療上以12導程量測ECG,除了能夠取得連續的ECG波型外,也藉由各個導程紀錄,可判定心室大小、形狀、心臟血液傳導功能與病變位置等。

9-8. 人體12導程ECG電極貼附位置示意圖

目前市面上已有針對居家環境使用所開發的簡易型手持式ECG量測記錄器,為求使用上的便利性,這類產品都以第一導程量測心電圖。如圖9-9所示為加拿大HealthFrontier公司(http://www.healthfrontier.com/)的手持式ECG量測記錄器,以雙手拇指直接壓按兩側的電極即可進行ECG量測,但使用時電極須塗佈電解液,以降低雜訊。台灣達楷生醫科技股份有限公司(DailyCare Biomedical Inc.)也有類似的產品,且應用新式的電極與訊號處理技術,使用時不需要另外在電極塗佈電解液。這些裝置由於不需使用貼片式電極,使用上極為方便,適合於居家環境下非專業人員與個人使用者操作。

9-9. 居家用手持式ECG量測紀錄器(HealthFrontier Inc.)