TWM473189U - 動脈硬化簡易量測裝置 - Google Patents

Description

動脈硬化簡易量測裝置

本創作係有關於一種動脈硬化之量測裝置，結合光電感測技術及導電元件應用，尤指一種透過分析心臟搏動訊號及光體積描繪訊號，可快速獲取脈波傳導速率之動脈硬化簡易量測裝置。

近年來心血管疾病患者數目逐年升高，伴隨著高齡化社會的來臨，居家遠距醫療照護已成未來發展趨勢。醫療儀器的品質與技術，在科技日新月異的進步下更是精益求精。現今，偵測心血管疾病的方式，可藉由量測人體生理參數得知，例如：心電圖、血壓、脈波傳導速度以及血氧濃度等分析來判斷患者目前的心血管狀態。其中脈波傳導速率(Pulse Wave Velocity，PWV)是現代醫學上常用來分析人體血管特性的一種方法。

目前市面上具有量測脈波傳導速度的儀器，包括有：OMRON Colin VP-1000(動脈硬化檢測裝置)、電腦斷層冠狀動脈血管攝影與電腦血壓心脈儀等。OMRON Colin VP-1000主要是針對全身血管做總體性的評估診斷，可支援多種量測探頭，是一台功能非常豐富的儀器。針對動脈硬化篩檢的部份，以四個壓脈帶為主要量測探頭，量測時間約5分鐘。但量測前需旁人輔助裝罝量測附件，假使脈壓波形較差需要再重新調整壓 脈帶，並重新量測一次，量測過程較為繁複，且儀器價格非常昂貴，只適合放置於大型醫療院所。電腦斷層冠狀動脈血管攝影主要是，直接觀察供應心臟的冠狀動脈是否有阻塞，用於判斷冠狀動脈狹窄程度，評估冠狀動脈斑塊性質，適合心血管疾病的高危險群，但因檢查時需注射顯影劑，不適合心律不整、腎功能不佳、甲狀腺亢進者，且顯影劑過敏休克風險約十萬分之一，所以檢查前需進行嚴謹評估。電腦心脈儀是利用脈搏波形分析上臂動脈彈性，上臂動脈彈性愈低，代表動脈僵硬程度愈高，量測時需護理人員在旁輔助按壓橡皮氣壓球，且儀器昂貴，較適合用於大型醫療院所使用。

上述所提到的儀器，皆需專業的醫療人員輔助量測，且檢查過程較為繁複，除此之外儀器的價格也非常昂貴，比較適合大型醫療院所使用。然而，心血管的狀態是需要長時間的觀察，才能有效達到疾病預防的效果，綜觀現有市面上的檢查儀器，皆需到大型醫療院所才能進行相關的檢查。因此，如何提供具有簡單量測以及不需具有相關醫療背景知識就能使用的居家型心血管檢查儀器，係為熟習此項技術領域者亟需解決的問題之一。

本創作申請人特別致力於動脈硬化簡易量測裝置之研究，期能藉由有效且簡便的方式一次獲得心、血管參數，而能方便且即時地瞭解使用者的身體狀況。為此，本創作申請人先前已提出一種影像式二極體法動脈硬化之量測裝置，其專利申請案號為中華民國專利第101222947號，係結合光學量測單元與電訊號量測元件，透過訊號的演算及分析處理，即可完整、簡便的獲得各項參數，作為瞭解心臟及血管狀況的依據。然而， 該專利前案是僅利用光體積描繪訊號來進行脈波傳導速率計算，這樣的方式對於量測點的數量，受到最少需要四個量測點的限制，才能計算出人體左右兩邊的脈波傳導速率。為了使得程序更為精簡、儀器更為簡化，本創作申請人係進一步提出一種只需要兩個量測點即可進行作業的動脈硬化簡易量測裝置。

鑑於上述，本創作的主要目的在於提供一種動脈硬化簡易量測裝置，透過複合式量測傳感器的設計，可提供左右兩手指輕輕按壓接收傳感器，即可以得知該區段之光體積描繪訊號和心臟搏動訊號，進一步計算動脈硬化相關生理參數，具有簡易、快速的量測特性。

本創作之另一目的係在提供一種動脈硬化簡易量測裝置，利用單點量測光體積變化訊號(Photoplethysmography，PPG)，結合心電圖(Electrocardiography，ECG)訊號，即可計算出脈波傳導速率，達到降低量測探頭數量，簡化量測過程與時間，以及降低儀器成本與體積之目的。

為達到上述之目的，本創作提出一種動脈硬化簡易量測裝置，其量測方式只需左右兩手指輕輕按壓接收傳感器，即可得知動脈硬化相關生理訊息。此動脈硬化簡易量測裝置包括：距離量測器，測量使用者的二手指部位組織與心臟之間的距離；至少二光發射二極體，分別照射手指部位組織；至少二光接收二極體，對應設置於二手指部位組織，各自接收每一手指部位組織所反映出之光訊號並將其轉換成第一電訊號；至少二導電元件，分別接觸手指部位組織，並各自接收每一手指部位組織所反映 出之心臟搏動訊號並將其轉換成第二電訊號；類比訊號處理器，將第一電訊號和第二電訊號進行濾波、放大及升壓等步驟後，將之轉換為生理訊號；訊號傳輸器，接收並傳輸生理訊號傳輸給生理訊號分析設備；生理訊號分析設備，接收生理訊號後，可取得二手指部位組織之光體積描繪訊號及心臟搏動訊號，便可進一步根據距離量測器所測得，手指部位組織與心臟之間的距離，計算出脈波傳導速率。

本創作係結合光電感測技術及導電元件的應用，取得心臟搏動訊號及光體積描繪訊號，因此，藉由參考心臟搏動訊號的特性(即心臟的電生理活動)，使得量測點只需要二個就可測得人體左右兩邊的脈波傳導速率。所以本創作的功效在於，精簡了量測脈波傳導速率的程序，提高了使用地域的相容性，並降低了儀器成本與體積。

為使對本創作的目的、特徵及其功能有進一步的了解，茲配合圖式詳細說明如下：

102、102’‧‧‧手指部位組織

104、104’‧‧‧訊號擷取器

106‧‧‧類比訊號處理器

108‧‧‧生理訊號轉換器

110‧‧‧訊號傳輸器

112‧‧‧生理訊號分析設備

114‧‧‧距離量測器

116‧‧‧心臟

402‧‧‧光發射二極體

404‧‧‧光接收二極體

406‧‧‧導電元件

408‧‧‧外殼

第1圖係為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置之架構示意圖，第2A圖和第2B圖係分別為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置之訊號擷取器的構造側視圖和上視圖。

第3圖係為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置之量測方法的步驟流程圖。

第4圖係為根據本創作實施例之光體積描繪訊號與心臟搏動訊號的波形時 序及特徵擷取之示意圖。

本創作係揭露一種動脈硬化簡易量測裝置，藉由光電感測技術與導電元件的整合，組成一個可同時量測光體積描繪訊號與心臟搏動訊號之量測裝置。藉由多種演算處理程序，可得到脈波傳導速率之參數，利用這樣的設計，本創作可簡化現有血管功能評估設備，對於心血管相關疾病的診斷及預防有相當大的應用潛力。

請參考第1圖，係為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置的架構示意圖，其可用以擷取出使用者的手指部位組織102、102’各自之光體積描繪訊號(PPG)與心臟搏動訊號(ECG)。此動脈硬化簡易量測裝置包含有：一距離量測器114、至少二訊號擷取器104、104’、一類比訊號處理器106、一生理訊號轉換器108、一訊號傳輸器110以及一生理訊號分析設備112。

其中，距離量測器114，用以測量使用者的二手指部位組織102、102’與心臟116之間的距離。訊號擷取器104、104’，對應設置於二手指部位，用以分別擷取手指部位組織102、102’所反映出之生理訊號並將其轉成電訊號。類比訊號處理器106，電性連接訊號擷取器104、104’，用以將電訊號進行濾波、放大及升壓等步驟，並再由生理訊號轉換器108將之轉換為生理訊號。訊號傳輸器110，電性連接生理訊號轉換器108，用以接收生理訊號，並將生理訊號傳送給生理訊號分析設備112。生理訊號分析設備112，電性連接訊號傳輸器110，接收生理訊號後，分析生理訊號，以取 得二手指部位組織102、102’之光體積描繪訊號及心臟搏動訊號，便可進一步根據距離量測器114所測得手指部位組織102、102’與心臟116之間的距離，計算得到手指部位組織102、102’與心臟116之間的脈波傳導速率(Pulse wave velocity，PWV)。

本創作中，生理訊號分析設備112與訊號傳輸器110之間的傳輸媒介，可以是有線傳輸媒介，例如USB傳輸線、網路線、RS232傳輸線等；也可以是無線傳輸媒介，例如Wi-Fi、藍芽、Zigbee等。而生理訊號分析設備112可以是個人電腦、或是平板電腦、手機等行動裝置。

請參閱第2A圖和第2B圖，係分別為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置之訊號擷取器104、104’的構造側視圖和上視圖。此訊號擷取器104、104’分別包含有：光發射二極體402、光接收二極體404、導電元件406以及外殼408。

由於訊號擷取器104、104’具有相同構造，故以下僅以訊號擷取器104為代表，詳細說明其各個組成元件。其中，光發射二極體402，是用來照射使用者的手指部位組織102(若以訊號擷取器104’而言，光發射二極體402則是用來照射手指部位組織102’，且可知其他組成元件之功能、目的等亦與之相對應，恕不再贅述)。光接收二極體404，對應設置於手指部位組織102，且接收手指部位組織102所反映出之光訊號，並將其轉換成第一電訊號。導電元件406，與手指部位組織102接觸設置，且接收手指部位組織102所反映出的心臟搏動訊號，並將其轉換成第二電訊號。於是，前述第一和第二電訊號即可透過類比訊號處理器106、訊號傳輸器110和生理訊號分析設備112予以接收及處理，並進行後續分析。

接續請參閱第3圖，係為根據本創作實施例之動脈硬化簡易量測裝置之量測方法的步驟流程圖。以下關於此一實施例之實施方式的說明，請一併參照第1圖與第2A、2B圖所示，茲詳細說明如下。

首先，如步驟S21所示，本創作之使用者需提供至少二手指部位組織102、102’，並以距離量測器114量測手指部位組織102、102’與心臟116之間的距離。在本實施例中，本創作係以食指末稍作為手指部位組織102、102’之一種實施態樣，然而本創作並不以此為限；在實際醫療的應用層面上，醫療人員可自行決定待測的手指部位組織為何，例如可為中指末稍、食指末稍、拇指末稍；或是腳中指末稍、腳食指末稍等，皆可用以實現本發明之創作目的。其次，根據本創作之一實施例，距離量測器114例如可以為一皮尺，其係用以量測部位組與心臟之間的距離，但本創作並不以此為限。在其它實施例中，長度量測單元114當然也可以是其它具有相同量測功能之捲尺或是距離推估演算法等。

之後，如步驟S23所示，本創作係提供至少二光發射二極體402，以分別照射上述之手指部位組織102、102’。同時，如步驟S25所示，本創作係提供至少二導電元件406，以接觸上述之手指部位組織102、102’。

如步驟S27所示，光接收二極體404係開始接收手指部位組織102、102’所反映出之光訊號，並將其轉換成第一電訊號。同時，導電元件406亦擷取手指部位組織102、102’之心臟搏動訊號，並將其轉換成第二電訊號。

值得說明的是，在本實施例中所指反映出之光訊號，係包含 有：手指部位組織102、102’所「反射」或「透射」出之光訊號。其中，光發射二極體402係可發射出多波長或是單一波長的光線。光接收二極體404亦可接收多波長或單一波長之光線並將其轉換成電訊號。而導電元件406可以是金屬、導電紗、導電布、導電膠等可導電材質，透過其導電特性將人體心臟的電生理活動轉換成心臟搏動訊號。

然後，如步驟S29所示，類比訊號處理器106係接收光接收二極體404所轉換輸出之第一電訊號，以及導電元件406所轉換輸出之第二電訊號，並將其進行濾波、放大及升壓等處理步驟。

之後，如步驟S31所示，這些經濾波、放大及升壓處理後之第一和第二電訊號即可透過生理訊號轉換器108將其轉換為生理訊號，並交由訊號傳輸器110將生理訊號傳送給生理訊號分析設備112，並繪製成如第4圖所示之生理訊號變化波形圖，以擷取得到手指部位組織102、102’個別之光體積描繪訊號(Photoplethysmography，PPG)以及心臟搏動訊號。

一般而言，由於光體積描繪訊號就是利用光感測元件吸收光線能量的原理，來紀錄光線變化而感應出來的一種訊號。而心臟搏動訊號是利用心臟在進行自發性跳動及節律性收縮的過程中，所產生的電生理活動，透過皮膚的接觸，紀錄微弱的電流變化，就可描出心電圖。

因此，如第4圖所示，本創作即可得PPG訊號及心臟搏動訊號，其中PPG曲線代表之波形為食指末稍所反映出之光體積描繪訊號，而ECG曲線代表之波形為心臟所反映出之心臟搏動訊號。

因此，在得到上述二手指部位組織102、102’個別之光體積描繪訊號之後，如步驟S33所示，生理訊號分析設備112即可進一步根據 距離量測器114所量測到手指部位組織102、102’與心臟116之間的距離、以及上述之光體積描繪訊號與心臟搏動訊號，而計算得手指部位組織102、102’之間的脈波傳導速率(PWV)。

生理訊號分析設備112首先根據測量原理，找出第4圖中PPG曲線波形的峰波(P)與ECG曲線波形的波峰(R)之間的脈波傳導時間(Pulse Transit Time，PTT)。然後，再利用以下的式(1)：

其中，計算脈波傳導速率(PWV)所需之距離D，可透過距離量測器114取得，其取得方式可為以皮尺或捲尺等工具做距離量測，亦可透過受測者的生理參數，如身高、體重、年齡，由演算法計算取得。PTT則為脈波傳導時間(參考第4圖)，本創作即可計算得到手指部位組織102、102’與心臟之間的脈波傳導速率。

本創作所揭露之動脈硬化簡易量測裝置，係結合光電感測技術與導電元件之應用，利用量測二手指部位組織之方式，達到簡易及快速量測脈波傳導速度之目的。相較於傳統的非侵入式脈波傳導速度量測裝置，必須藉由至少四個以上的量測探頭才可測得，除了造成量測過程的不便之外，對於開發成本方面也是非常大的負擔之一。而根據本創作之動脈硬化簡易量測裝置，係可以有效的利用二個量測探頭(即訊號擷取器)，量測到脈波傳導速度，因此，使得量測過程和開發成本都得以精簡化，儀器成本也可以相對降低。此外，透過壓力、聲波原理等類型的量測探頭，其安裝方式，並不是非常的方便。相較之下，本創作之動脈硬化簡易量測裝 置，乃透過光學量測單元與導電單元之特性，可呈現以觸碰方式，即可進行脈波傳導速度之量測，非常簡便。

除此之外，一般的脈波傳導速度量測儀器，其軟體分析單元受限於硬體本身的限制，大部份都為一體成型的模式，造成儀器的設計都傾向於大型量測儀器，加上探頭的硬體限制，更難縮小其體積。而本創作之動脈硬化簡易量測裝置，係藉由參考心臟搏動訊號的特性(即心臟的電生理活動)，只需動用二個量測探頭，就可測得人體左右兩邊的脈波傳導速率，故可以減少硬體設備的體積與成本。

由此可見，本創作所揭露之動脈硬化簡易量測裝置，係具有簡易量測脈波傳導速率的作用，在量測探頭的設計方面，藉由光電感測技術結合導電元件之特性，以測量兩手指部位組織，即可達到量測脈波傳導速率之目的。對於在使用方面，可降低使用難度之門檻，提昇使用便利性。

另外，在生理訊號分析設備與訊號傳輸器之間的傳輸媒介設計方面，本創作藉由將量測裝置與生理訊號分析設備採取分開設計的模式，目的是縮小量測裝置的體積，提高量測裝置在地域方面的支援性，以及方便拓展生理參數後續的應用面，未來可透過不同系統平台，與量測裝置進行結合，並依照不同系統平台之特性，將生理參數進行不同之應用。

綜上所述，本創作所揭露之動脈硬化簡易量測裝置，其係採用光電感測技術結合導電元件應用，不僅可同時接收光體積描繪訊號與心臟搏動訊號，並具有以兩個量測點即可量測脈波傳導速率之優勢，更可藉由類比訊號處理器之設置，降低硬體成本和後端軟體處理之負擔，以及增加其訊號之品質與準確度。

再者，本創作更可藉由將訊號擷取器與生理訊號分析設備採取分開設計的模式，藉此縮小量測裝置之體積，提高使用便利性，以作為適合醫療院所與居家照護評估動脈硬化程度之儀器。

雖然本創作以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作。在不脫離本創作之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本創作之專利保護範圍。關於本創作所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

102‧‧‧手指部位組織

402‧‧‧光發射二極體

404‧‧‧光接收二極體

406‧‧‧導電元件

408‧‧‧外殼

Claims (11)

1. 一種動脈硬化簡易量測裝置，包含：一距離量測器，測量一使用者的二手指部位組織與心臟之間的距離；至少二發射二極體，分別照射該二手指部位組織；至少二光接收二極體，對應設置於該二手指部位組織，且各自接收每一該手指部位組織所反映出之光訊號並將其轉換成一第一電訊號；至少二導電元件，係與該二手指部位組織接觸設置，且各自接收每一該手指部位組織所反映出之心臟搏動訊號並將其轉換成一第二電訊號；一類比訊號處理器，電性連接該二光接收二極體與該二導電元件，且接收及處理每一該二光接收二極體與每一該導電元件所轉換輸出之該第一電訊號與該第二電訊號並予以轉換為複數生理訊號；一訊號傳輸器，電性連接該類比訊號處理器，且接收該些生理訊號並予以傳送；及一生理訊號分析設備，電性連接該訊號傳輸器，且接收及分析該些生理訊號，以取得該二手指部位組織之二光體積描繪訊號及一心臟搏動訊號，並根據該二手指部位組織與心臟之間的距離，計算得該二手指部位組織與心臟之間的脈波傳導速率。
2. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該生理訊號分析設備係根據該二光體積描繪訊號與該心臟搏動訊號，擷取出一脈波傳導時 間，該脈波傳導速率係為該二手指部位組織與心臟之間的距離除以該脈波傳導時間。
3. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該些光發射二極體所發射之光線係為多波長或單一波長之光線。
4. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該些光接收二極體係可接收多波長或單一波長之光線並將其轉換成該些第一電訊號。
5. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該些導電元件係可透過其導電特性將人體心臟的電生理活動轉換成該些第二電訊號。
6. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該類比訊號處理器係接收該些第一電訊號與該些第二電訊號，並針對該些第一電訊號和該些第二電訊號進行濾波、放大及升壓等處理步驟，再將之轉換為該些生理訊號。
7. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該生理訊號分析設備係根據一參數演算法對該二光體積描繪訊號及該心臟搏動訊號進行分析，以獲得該脈波傳導速率之生理參數。
8. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該些導電元件係為金屬、導電紗、導電布或導電膠的導電材質。
9. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該訊號傳輸器係接收該類比訊號處理器所傳輸之該些生理訊號後，透過有線或無線傳輸方式，將該些生理訊號傳輸給該生理訊號分析設備。
10. 如請求項9所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該訊號傳輸器與該生理訊號分析設備之間的連接媒介，係為通用序列匯流排(USB)傳輸線、網路線或RS232傳輸線的有線傳輸媒介，或為Wi-Fi、藍芽或Zigbee的無線傳輸媒介。
11. 如請求項1所述之動脈硬化簡易量測裝置，其中該生理訊號分析設備係為個人電腦、或是平板電腦、手機的行動裝置。