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AI医疗提升治疗精确度 感测技术不可或缺
 

【作者: 林彥伶】2018年05月02日 星期三

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若医生要治疗病人,必须对症下药,为此,病患的脉搏、心音、血压、体重、身高、温度等指数的撷取变得不可或缺,透过感测器可收集生理讯号,并转换成人们读得懂的生理指标,将提升治疗精确度,而现在正蓬勃发展的穿戴式装置,也与生物讯号测量息息相关。


生理讯号的分类与处理


生理讯号主要分成几种,包含属於生理电讯号(bioelectric signals)、生理化学讯号(biochemical)、生理机械 (biomechanical) 讯号、生理抗阻(bioimpedance)讯号、生理磁(biomagnetic)讯号、生理光(biooptical)讯号、生理声(bioacoustic)讯号等,其中以生理电讯号在穿戴中置中的使用最为广泛。



图7 :  生理讯号处理示意图。(整理/林彦伶)
图7 : 生理讯号处理示意图。(整理/林彦伶)


在讯号处理方面,必须将生物讯号转换为电位,才能使用电脑进行处理,而生物讯号常常过於微弱,或伴随着许多噪音(noise),所以必须透过放大器将讯号放大,并且去除杂讯,接着透过A/DC转换器进行采样(sample),再将类比讯号转为数位讯号,最後将得到的数位讯号输入电脑。



图1 : 生物讯号处理步骤。 (绘图/林彦伶)
图1 : 生物讯号处理步骤。 (绘图/林彦伶)

活用各样感测技术


同一种感测原理可以侦测多样生理指标,同样地,一种生理指标的感测方法也有很多种,举例而言,光体积变化描记图法(Photoplethysmography, PPG)是一种光学感测原理,利用LED感测器可获取人的心跳、脉搏、血氧含量等,然而心跳的感测却不只光学感测一种,还能透过电极电位的改变,纪录心脏跳动,再换算成心跳率。


本文将介绍几种生理指标的撷取所使用的感测技术原理,包含压力感测、光学感测以及电极感测,其中属於光学感测的光体积变化描记图法和纺织电极(textile electrode)被广泛使用於穿戴装置。


压力感测:血压测量


目前血压测量有两种方式,分别为侵入式血压 (Invasive Blood Pressure, IBP) 与非侵入式血压 (Noninvasive Blood Pressure, NIBP),皆透过压力感测器来测量,压力感测器中内建的敏感元件,能测量气体或液体对横膈(diaphragm)造成的压力,横膈可由不??钢、矽等材料制成,再将测量值转换成电讯号。


侵入式血压的测量方式是将导管??入体内,当血液心脏收缩和扩张被输送至身体各部位时,会迫使导管内的生理食盐水和抗凝血剂,被传导至血压转换器,而测量压力值的横膈被设置於转换器上,将接收的压力转换成电讯号。


另一种非侵入式的方法则是目前较常见的震荡法(oscillometric method),使用者在手臂或大腿上套上压脉袋,压脉袋连接压力感测器和充气气囊,充气气囊将压脉袋充气至能够阻断血流通过的程度後,再慢慢将气抽离使血流通过时,血管体积会发生改变,使传出的压力讯号改变。


压力感测技术广泛应用於医疗,除了测量血压的血压计之外,其他相关应用包含人工呼吸器、医疗用喷雾器、氧气制造机等仪器,都内建压力感测器於其中。


PPG光体积变化描记图法

光体积变化描记图法(Photoplethysmography, PPG)是一种简易的光学感测原理,


目前PPG根据光源(light source)和光检测器(photodetector)的位置分成两种,一种是穿透式(transimission),从光源发射出的光穿透过身体有血管通过的某一部位(假设是手指,如图所示),一部分的光会被人体吸收,剩下没被吸收的光线会抵达感测元件中的光检测器,光源和光检测器位在不同边。而另一种类型为反射式(reflection),光线会被照射部位反射,再透过光探测器接收反射光,光源和光检测器位於同一边,光检测器接收光之後,再将光讯号转换成电讯号。


目前PPG光感测法已经普遍使用於各种穿戴式装置中,如台医光电的欧凯智慧腕表,可测量血氧饱和度和心跳率,搭载自家研发的反射型PPG感测器(Reflective PPG sensor)OSC112,此感测器包含红外光、绿光、红光的三种LED,此外还内建绕射光学元件(DOE component),用以调节在皮肤组织中的光子散播,使从皮肤组织反射回来的光增强,解决反射型PPG光反射微弱的缺点。



图2 : 左边为穿透型,右边为反射型。(绘图/林彦伶)
图2 : 左边为穿透型,右边为反射型。(绘图/林彦伶)

PPG应用:血氧及心跳测量


氧气进入肺部之後,会被输送至血液里面,人体血液中的血红蛋白可乘载氧分子,使得血红蛋白也成乘载和未乘载氧分子两种状态,而人体的血管如同道路,而血红蛋白就像是走在道路上的车子,载着氧分子游遍全身以抵达目的地。



基於PPG的原理,光从光源射向光感测元件,若人的手指穿过光源和光感测元件之间,如图所示,一部分的光源会穿透手指到达光感测元件,而另外一部分的光源则会被手指血管中的血红蛋白所吸收,血液中的血红蛋白集中度越高,则吸收光的能力越强,当光通过手指中的动脉时,动脉越粗吸收的光越多,因为光必须穿越更多的血红蛋白,过程中光就会被收吸。


另外是否乘载氧分子的血红蛋白对不同类型光的吸收度也不同,乘载氧分子的血红蛋白较能吸收波长较长的红外光,而未乘载氧分子的血红蛋白,则吸收较多波长较短的红光,透过比较红光和红外光被收吸的程度,来推断有多少血红蛋白乘载氧分子。根据以上的三种特性,搭配校正方法,最终可以得到出血氧饱和度。



图3 : 光的一部分被血管吸收。(绘图/林彦伶)
图3 : 光的一部分被血管吸收。(绘图/林彦伶)


PPG也能用於心跳的感测,当光照在某一个器官时,血液流经某一器官的血流量变化,会使光的吸收量产生变化,测量这一变化量,可以得知心跳率。


电极感测


生物体内有电存在,因此透过电极可以感测心跳、肌肉活动及脑波等,产生心电图(Electrocardiogram, ECG/ EKG)、肌电图(electromyography, EMG)及脑波图(electroencephalography, EEG)。


以医疗临床以及穿戴装置常使用的心电图为例,其原理为利用微电极技术纪录心脏电压变化的图形,每一次心跳会进行一次去极化作用,由窦房结(SA node)开始去极化时,电脉冲依序传导至左右心房、室房结、左右心室,过程中心房和心室也会先後收缩将血液传送至身体各部位,去极化时电位差能够透过将电极贴在皮肤表层上去感测,目前电极感测电位差,并依此产生心电图的方式已被广泛使用。



图4 : 此为心电图,心脏去极化运作顺序。(绘图/林彦伶)
图4 : 此为心电图,心脏去极化运作顺序。(绘图/林彦伶)

穿戴装置:纺织电极(textile electrode)


智慧纺织(smart textile)的问世催生出纺织电极(textile electrode),将电极感测器、致动、通讯、运算等元件,利用传统的制衣技术,如针织、刺绣、拼接等,整合到布料中变成纺织电极,可应用在可携式的穿戴产品,如腕带,或是直接整合至衣服里,大幅增加了使用便利性。


纺织电极所使用的原料为可导电的纺纱(conductive yarn),例如纺织用的金属丝、导电奈米丝线,也可直接将金属涂在棉、尼龙、克拉维纤维(Kevlar)、聚窬纤维等材质的布料上,这些技术有助於兼顾智慧衣服的导电性和使用寿命。



图5 : 纺织电极可内嵌至衣服中,制成智慧运动衣,也可制作成随时可摘式腕带,而医疗方面则能应用在此类的电极带。(source: Marquez, J. C. (2011))
图5 : 纺织电极可内嵌至衣服中,制成智慧运动衣,也可制作成随时可摘式腕带,而医疗方面则能应用在此类的电极带。(source: Marquez, J. C. (2011))


目前纺织电极可用於测量生物电讯号,如前文所述的心电图、肌电图、脑电图,另外也能用於体温感测、动作(motion)感测,在电疗方面,透过电流刺激神经或肌肉的TENS(transcutaneous electrical nerve stimulation)技术,可协助复健或舒缓疼痛,以此概念将纺织电极放置於需要刺激的身体部位来达成治疗效果。


除了医疗和运动保健,其实穿戴式装置的还有另外一个娱乐领域,Fraunhofer-Gesellschaft为德国的一个应用和研究促进协会,利用触碰式感测纺织(touch-sensitive textile),开发出一种椅背材质为智慧纺织的智慧椅概念,使得椅背如同触碰萤幕一般,椅子的椅背和把手总共使用了72种感测器,使用者坐在椅子利用笔电控制椅子,在医疗情境下,此概念可以用於轮椅,辅助行动不便者,或是内建一些能够协助训练运动、认知能力功能的游戏,在娱乐领域上,使用於汽车座椅椅背,并内建娱乐性功能,此一智慧椅的概念,结合各种感测技术,让医疗、运动、娱乐三个领域的功能一并实现。



图6 : 整合智慧纺织的智慧椅概念图。(source: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS)
图6 : 整合智慧纺织的智慧椅概念图。(source: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS)


感测技术的创新与提升,使生理指标撷取变得容易,这些资料也对医疗迈向更智慧化的未来做出贡献,但最重要的是,同时也是人们最在??的,透过AI提升治疗精确度才是一切努力的意义,而感测技术会是实现这一目标途中的一大助力。


刊头图来源:Philips-Azurion-Picture


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