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AI醫療提升治療精確度 感測技術不可或缺
 

【作者: 林彥伶】   2018年05月02日 星期三

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若醫生要治療病人,必須對症下藥,為此,病患的脈搏、心音、血壓、體重、身高、溫度等指數的擷取變得不可或缺,透過感測器可收集生理訊號,並轉換成人們讀得懂的生理指標,將提升治療精確度,而現在正蓬勃發展的穿戴式裝置,也與生物訊號測量息息相關。


生理訊號的分類與處理


生理訊號主要分成幾種,包含屬於生理電訊號(bioelectric signals)、生理化學訊號(biochemical)、生理機械 (biomechanical) 訊號、生理抗阻(bioimpedance)訊號、生理磁(biomagnetic)訊號、生理光(biooptical)訊號、生理聲(bioacoustic)訊號等,其中以生理電訊號在穿戴中置中的使用最為廣泛。



圖7 :  生理訊號處理示意圖。(整理/林彥伶)
圖7 : 生理訊號處理示意圖。(整理/林彥伶)


在訊號處理方面,必須將生物訊號轉換為電位,才能使用電腦進行處理,而生物訊號常常過於微弱,或伴隨著許多噪音(noise),所以必須透過放大器將訊號放大,並且去除雜訊,接著透過A/DC轉換器進行採樣(sample),再將類比訊號轉為數位訊號,最後將得到的數位訊號輸入電腦。



圖1 : 生物訊號處理步驟。 (繪圖/林彥伶)
圖1 : 生物訊號處理步驟。 (繪圖/林彥伶)

活用各樣感測技術


同一種感測原理可以偵測多樣生理指標,同樣地,一種生理指標的感測方法也有很多種,舉例而言,光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)是一種光學感測原理,利用LED感測器可獲取人的心跳、脈搏、血氧含量等,然而心跳的感測卻不只光學感測一種,還能透過電極電位的改變,紀錄心臟跳動,再換算成心跳率。


本文將介紹幾種生理指標的擷取所使用的感測技術原理,包含壓力感測、光學感測以及電極感測,其中屬於光學感測的光體積變化描記圖法和紡織電極(textile electrode)被廣泛使用於穿戴裝置。


壓力感測:血壓測量


目前血壓測量有兩種方式,分別為侵入式血壓 (Invasive Blood Pressure, IBP) 與非侵入式血壓 (Noninvasive Blood Pressure, NIBP),皆透過壓力感測器來測量,壓力感測器中內建的敏感元件,能測量氣體或液體對橫膈(diaphragm)造成的壓力,橫膈可由不銹鋼、矽等材料製成,再將測量值轉換成電訊號。


侵入式血壓的測量方式是將導管插入體內,當血液心臟收縮和擴張被輸送至身體各部位時,會迫使導管內的生理食鹽水和抗凝血劑,被傳導至血壓轉換器,而測量壓力值的橫膈被設置於轉換器上,將接收的壓力轉換成電訊號。


另一種非侵入式的方法則是目前較常見的震盪法(oscillometric method),使用者在手臂或大腿上套上壓脈袋,壓脈袋連接壓力感測器和充氣氣囊,充氣氣囊將壓脈袋充氣至能夠阻斷血流通過的程度後,再慢慢將氣抽離使血流通過時,血管體積會發生改變,使傳出的壓力訊號改變。


壓力感測技術廣泛應用於醫療,除了測量血壓的血壓計之外,其他相關應用包含人工呼吸器、醫療用噴霧器、氧氣製造機等儀器,都內建壓力感測器於其中。


PPG光體積變化描記圖法

光體積變化描記圖法(Photoplethysmography, PPG)是一種簡易的光學感測原理,目前PPG根據光源(light source)和光檢測器(photodetector)的位置分成兩種,一種是穿透式(transimission),從光源發射出的光穿透過身體有血管通過的某一部位(假設是手指,如圖所示),一部分的光會被人體吸收,剩下沒被吸收的光線會抵達感測元件中的光檢測器,光源和光檢測器位在不同邊。而另一種類型為反射式(reflection),光線會被照射部位反射,再透過光探測器接收反射光,光源和光檢測器位於同一邊,光檢測器接收光之後,再將光訊號轉換成電訊號。


目前PPG光感測法已經普遍使用於各種穿戴式裝置中,如臺醫光電的歐凱智慧腕錶,可測量血氧飽和度和心跳率,搭載自家研發的反射型PPG感測器(Reflective PPG sensor)OSC112,此感測器包含紅外光、綠光、紅光的三種LED,此外還內建繞射光學元件(DOE component),用以調節在皮膚組織中的光子散播,使從皮膚組織反射回來的光增強,解決反射型PPG光反射微弱的缺點。



圖2 : 左邊為穿透型,右邊為反射型。(繪圖/林彥伶)
圖2 : 左邊為穿透型,右邊為反射型。(繪圖/林彥伶)

PPG應用:血氧及心跳測量


氧氣進入肺部之後,會被輸送至血液裡面,人體血液中的血紅蛋白可乘載氧分子,使得血紅蛋白也成乘載和未乘載氧分子兩種狀態,而人體的血管如同道路,而血紅蛋白就像是走在道路上的車子,載著氧分子游遍全身以抵達目的地。



基於PPG的原理,光從光源射向光感測元件,若人的手指穿過光源和光感測元件之間,如圖所示,一部分的光源會穿透手指到達光感測元件,而另外一部分的光源則會被手指血管中的血紅蛋白所吸收,血液中的血紅蛋白集中度越高,則吸收光的能力越強,當光通過手指中的動脈時,動脈越粗吸收的光越多,因為光必須穿越更多的血紅蛋白,過程中光就會被收吸。


另外是否乘載氧分子的血紅蛋白對不同類型光的吸收度也不同,乘載氧分子的血紅蛋白較能吸收波長較長的紅外光,而未乘載氧分子的血紅蛋白,則吸收較多波長較短的紅光,透過比較紅光和紅外光被收吸的程度,來推斷有多少血紅蛋白乘載氧分子。根據以上的三種特性,搭配校正方法,最終可以得到出血氧飽和度。



圖3 : 光的一部分被血管吸收。(繪圖/林彥伶)
圖3 : 光的一部分被血管吸收。(繪圖/林彥伶)


PPG也能用於心跳的感測,當光照在某一個器官時,血液流經某一器官的血流量變化,會使光的吸收量產生變化,測量這一變化量,可以得知心跳率。


電極感測


生物體內有電存在,因此透過電極可以感測心跳、肌肉活動及腦波等,產生心電圖(Electrocardiogram, ECG/ EKG)、肌電圖(electromyography, EMG)及腦波圖(electroencephalography, EEG)。


以醫療臨床以及穿戴裝置常使用的心電圖為例,其原理為利用微電極技術紀錄心臟電壓變化的圖形,每一次心跳會進行一次去極化作用,由竇房結(SA node)開始去極化時,電脈衝依序傳導至左右心房、室房結、左右心室,過程中心房和心室也會先後收縮將血液傳送至身體各部位,去極化時電位差能夠透過將電極貼在皮膚表層上去感測,目前電極感測電位差,並依此產生心電圖的方式已被廣泛使用。



圖4 : 此為心電圖,心臟去極化運作順序。(繪圖/林彥伶)
圖4 : 此為心電圖,心臟去極化運作順序。(繪圖/林彥伶)

穿戴裝置:紡織電極(textile electrode)


智慧紡織(smart textile)的問世催生出紡織電極(textile electrode),將電極感測器、致動、通訊、運算等元件,利用傳統的製衣技術,如針織、刺繡、拼接等,整合到布料中變成紡織電極,可應用在可攜式的穿戴產品,如腕帶,或是直接整合至衣服裡,大幅增加了使用便利性。


紡織電極所使用的原料為可導電的紡紗(conductive yarn),例如紡織用的金屬絲、導電奈米絲線,也可直接將金屬塗在棉、尼龍、克拉維纖維(Kevlar)、聚酯纖維等材質的布料上,這些技術有助於兼顧智慧衣服的導電性和使用壽命。



圖5 : 紡織電極可內嵌至衣服中,製成智慧運動衣,也可製作成隨時可摘式腕帶,而醫療方面則能應用在此類的電極帶。(source: Marquez, J. C. (2011))
圖5 : 紡織電極可內嵌至衣服中,製成智慧運動衣,也可製作成隨時可摘式腕帶,而醫療方面則能應用在此類的電極帶。(source: Marquez, J. C. (2011))


目前紡織電極可用於測量生物電訊號,如前文所述的心電圖、肌電圖、腦電圖,另外也能用於體溫感測、動作(motion)感測,在電療方面,透過電流刺激神經或肌肉的TENS(transcutaneous electrical nerve stimulation)技術,可協助復健或舒緩疼痛,以此概念將紡織電極放置於需要刺激的身體部位來達成治療效果。


除了醫療和運動保健,其實穿戴式裝置的還有另外一個娛樂領域,Fraunhofer-Gesellschaft為德國的一個應用和研究促進協會,利用觸碰式感測紡織(touch-sensitive textile),開發出一種椅背材質為智慧紡織的智慧椅概念,使得椅背如同觸碰螢幕一般,椅子的椅背和把手總共使用了72種感測器,使用者坐在椅子利用筆電控制椅子,在醫療情境下,此概念可以用於輪椅,輔助行動不便者,或是內建一些能夠協助訓練運動、認知能力功能的遊戲,在娛樂領域上,使用於汽車座椅椅背,並內建娛樂性功能,此一智慧椅的概念,結合各種感測技術,讓醫療、運動、娛樂三個領域的功能一併實現。



圖6 : 整合智慧紡織的智慧椅概念圖。(source: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS)
圖6 : 整合智慧紡織的智慧椅概念圖。(source: Fraunhofer Institute for Integrated Circuits IIS)


感測技術的創新與提升,使生理指標擷取變得容易,這些資料也對醫療邁向更智慧化的未來做出貢獻,但最重要的是,同時也是人們最在乎的,透過AI提升治療精確度才是一切努力的意義,而感測技術會是實現這一目標途中的一大助力。


刊頭圖來源:Philips-Azurion-Picture


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