以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統

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1 以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統 魏清泉 1 黃彥尊 1 朝陽科技大學, 資訊與通訊系 副教授 朝陽科技大學, 資訊與通訊系 碩士生 摘要 心血管疾病仍是目前許多國家中, 導致死亡的重要原因, 若能早期發現和預 防或是在醫師診斷後, 能長時間的追蹤觀察是非常重要的, 以台灣這國家為例, 心血管的疾病死亡率是目前十大死因的第二名, 而動脈硬化則是形成心血管疾病 的重要因素 最近, 我們提出一個測量動脈彈性的有效方法 - 彈性常數法, 並被 使用於臨床診斷, 經過驗證有很好的效果, 量測也很簡單, 因此我們試圖建立一 個以智慧型手機為環境之自我血管彈性管理系統, 此系統包括動脈波擷取及放大 系統 使用彈性常數法以分析動脈彈性的軟體及智慧型手機內的動脈彈性資料庫 管理軟體 此系統能監控動脈彈性的變化, 並對於動脈彈性逐漸劣化的使用者提 出預警, 由於智慧型手機環境的親切性我們可提醒使用者採取一些方法來改善動 脈彈性, 並建立一個自我血管彈性管理系統, 以避免一些緊急的心血管疾病的發 生 關鍵字 : 動脈硬化 血管彈性 彈性常數法 智慧型手機 自我血管彈性管理系 統 壹 緒論 動脈硬化疾病是現代人的文明病, 亦是 1 世紀的主要疾病, 從台灣歷年來的疾病及死亡統計可知, 動脈硬化疾病絕對是現代台灣人健康最大的威脅之一, 動脈硬化的危險幾乎是全身都可能發生, 若是在供應心臟血流的冠狀動脈, 會出現心絞痛 心肌梗塞發作 猝死 ; 發生在腦部則會中風 ; 在下肢血管則會造成缺血性壞死, 造成腳壞疽 若發生在心臟, 輕微的是造成狹心症, 使心肌發生缺氧的症狀, 更嚴重的是則造成急性心肌梗塞 其與生活型態 遺傳 慢性危險因子 ( 高血壓 糖尿病 抽煙 肥胖 高膽固醇血症 家族史 ) 皆息息相關, 具有這些危險因子的人, 大都被證實會傷害內皮細胞或使其功能失常, 因而容易發生動脈硬化, 因此如何瞭解並有效評估動脈硬化的程度, 以達成預警的目標, 是一項重要的課題 76

2 以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統 在動脈硬化危險因子中, 高血壓會造成血管壁壓力及張力升高, 而使內皮細胞功能失常, 而使低密度膽固醇易浸入內皮層, 引發動脈硬化 糖尿病會使血管壁蛋白質變性產生糖化作用, 亦會促發胰鳥素阻抗作用, 進一步影響血脂肪與引起高血壓及調整血壓的荷爾蒙變化, 這些皆會影響內皮細胞功能而發生動脈硬化 抽煙為何易引致動脈硬化, 主要是香煙內的尼古丁及其他化學毒性物質會刺激與傷害內皮細胞, 另外因抽煙會使血中的一氧化碳血紅素濃度增加至常人的三倍到五倍, 使血中氧化血紅素濃度降低, 使需氧器官得到的氧氣減少, 而且因一氧化碳血紅素濃度增加, 會促使血紅素更不易在組織把氧氣釋放出來, 所以會使組織缺氧, 在缺氧時, 血管會發生收縮, 致使缺氧的組織雪上加霜, 而造成動脈硬化與急性栓塞的發生 高膽固醇血症主要使低密度膽固醇增加, 血管內皮細胞功能失常, 致使浸入內皮層內的低密度膽固醇增加, 進而引發一連串動脈硬化發生的反應 ( 巨噬細胞吞噬膽固醇而形成泡沫細胞 ), 終至發生了動脈硬化塊的形成 糖尿病 肥胖及抽煙則常造成對膽固醇不良的影響, 使血管雪上加霜 年紀大時, 血管內皮細胞功能變差, 加上結締組織增生, 使動脈彈性變差, 使血管內皮層增生肥厚, 而內皮細胞功能失常, 致使動脈硬化逐年疊積而發生 女性在有月經週期時有動情激素的保護, 內皮細胞不易受損亦不易功能失常, 鮮少發生動脈硬化, 但在停經後則加速發生動脈硬化, 在停經後約十年則與男性同 男性因無女性荷爾蒙之保護, 較早發生動脈硬化, 所以男性年過 45, 即可稱進入動脈硬化疾病危險期, 女性則在停經後動脈硬化疾病才慢慢增加, 所以女性年過 55 歲才算是一個危險因子 在目前有關評估動脈硬化程度的方法如下所列三大類,(1) 量測脈波傳導速度 (PWV, Pulse Wave Velocity) () 使用超音波來量測動脈壁之膨脹性 (Arterial Distensibility) (3) 使用動脈壓力波波形來計算其順應性 (Compliance) 擴張性 Augmentation Index (AIx) 等方法 [1], 上述方法皆使用間接的方式來量測動脈硬化的程度, 其靈敏性與正確性都有很大的討論空間 其中 PWV 為臨床使用最多的方法, 其計算式為 PWV = distance (m)/transit time (s), 但是動脈硬化的程度並非影響脈波傳導速度的唯一因素, 其它諸如左心室射血功能 血管末梢阻力等, 都會影響脈波傳導的速度 ; 至於使用超音波來量測動脈壁之膨脹性, 都只能由動脈阻塞情況之空間影像, 間接地對硬化情況進行分析, 無法快速地診斷出硬化的程度, 而且大都只能在動脈已經發生硬化 ( 阻塞 ) 之後, 診斷才較為明確, 缺乏早期診斷的能力, 而且超音波診斷儀器也非常昂貴 ; 有關順應性 (Compliance) 的方法, 基本上它們也屬於間接的方式來量測動脈硬化的程度, 其方便性與靈敏性都有值得討論的空間 所以發展一個有效 快速 低價位 能直接計算血管彈性且能普遍應用到一般大眾的技術, 是很重要的一個課題 77

3 目前為止量測血管彈性的方法皆為間接方式, 如 Pulse Wave Velocity Augmentation Index Distensibility Compliance 等, 其準確性與便利性都不是很好, 在我們先前的研究中已經發展出第一個直接量測周邊血管彈性的方法 Spring constant method [], 並驗證於糖尿病患者, 顯示了統計上的重要性與有效性 [3], 因此我們試圖建立一個以智慧型手機為環境之自我血管彈性管理系統, 此系統包括動脈波擷取及放大系統 使用彈性常數法以分析動脈彈性的軟體及智慧型手機內的動脈彈性資料庫管理軟體, 使受測者及醫師可經由電腦或智慧型手機, 透過有線或無線網路的方式瀏覽自身或病人的健康狀況 貳 方法 一 動脈波訊號感測及擷取系統 當心臟收縮與疏張時, 會導致血管出現脈動, 將壓力感測器放置於接近皮膚表面的橈動脈處, 將量測的壓力訊號輸出, 即可得到血管壓力波形 ; 此外, 我們也可用紅外線感測器來感測血管的收縮與疏張, 紅外線檢測分兩種型式, 穿透式與反射式, 指套型紅外線感測器多為穿透式紅外光檢測器 在心臟收縮時, 指腹內的微血管會因此擴張, 使穿透指腹的紅外光被血管中的血液及其他組織吸收, 此時量測的訊號會變小 ; 當心臟舒張時, 指腹內的微血管會因此收縮, 此使穿透指腹的紅外光訊號變大 此光學檢測的方式稱為光容積波 PPG (photoplethysmography)[4] 圖 1 系統方塊圖 78

4 以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統 圖 橈動脈壓力波訊號感測及擷取系統 二 動脈彈性計算方法 圖 3 光容積波訊號感測及擷取系統 本計畫採用之動脈彈性計算方法為彈性常數法 [,3], 簡述如下, 對於血管壁 橫向壓力波的振動, 我們可用下圖來表示, 而描述其運動的數學可以用以下的二 階偏微分方程式來表示 (1): P( P( P( b P( V (1). t t z P( P ( P (, P( I i : internal fluid pressure, P ( ) : static pressure; b ( 衰減常數 ) 與動脈壁及其附著血液在徑向上的運動黏滯性有關 ; (characteristic angular frequency) 與楊氏係數 動脈順應性 動脈壁質量 血 液 血管半徑有關 ; V (high-frequency phase velocity ) 與動脈壁的剪力模數 (shear modulus) 有關 z 79

5 圖 4 血管壁橫向壓力波的振動 對於趨近 z 軸上的某個截面而言,Eq. (1) 可被化簡為下列的方程式 d P( V dz d P( dp( d P( b P( V (). dz 即為 Windkessel effect 所造成的外力, 假設 z 軸夠長, 因此壓力波的 行進可用下列方程式來描述, P( i( kpz Pe (3). k 是波常數 ; 是角頻率, 將 Eq.(3) 代入 Eq.() 可得下列 p d P( dp( b P( k V P( (4) p 在較小的壓力變化範圍內, 可假設壓力 P 與血管直徑成線性比例 [], 因此 Eq.(4) 可變成下式 d x( dx( b x( k V x( (5) p Eq.(5) 類似於一個在有外力作用, 且處於黏滯性液體中的彈簧振盪系統, 將 dx t b ( ) 及 kx (t ) 移到等式右邊, 可得下列 dx( b d x( dx( b kx( k V x( (6) p : 黏滯性阻力, kx( : 彈簧彈力,k: 彈力常數, k p V x( :Windkessel effect 所造成推動血液往橫向流動的推力 8

6 以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統 dx( 我們所偵測到動脈壓力波的波形如圖 5(a) 所示, 在 C 點時, 而且 Windkessel effect 所造成推動血液往橫向流動的推力也 =, 因此在 C 點時 Eq. (6) 可簡化成 d x( kx( (7). 此時 d x( 的值為圖 5(b) 中的 EF, 此時 x (t ) 之值為彈簧最大位移, 而彈簧最大 位移即平衡點 ( 一階微分最大值的點, 即 B 點 ) 到最遠位置 (C 點 ) 的距離, 即圖 5(a) 中的 BD, 因此參考圖 5(a) 及 (b) 可以推得彈力常數 k 為下列 d x( EF k x( BD EF BD 因此我們採用此彈力常數 k 來評估血管彈性及硬化程度,k 越大, 代表血管彈性 越好, 反之亦然, 這是第一個提出來以直接的方式來計算血管彈性的方法 (8). 圖 5 動脈壓力波之波形及其二階微分圖 81

7 三 智慧型裝置平台 使用智慧型手機 App Store 開發一個智慧型手機軟體, 讓使用者透過手機無線上網連結遠端伺服器, 來檢視自身的心血管健康狀況 與伺服器連結須依照 TCP/IP 協定, 因此在已知固定 IP 的伺服器內建立資料庫及 PHP 網頁 使用者透過智慧型手機開啟應用程式時, 須先輸入鍵入資料庫的姓名 帳號或是電子郵件, 來提供資料庫作搜尋資料的索引值, 也確保其他使用者的資料隱私, 完整開啟程式後, 便可以查看個人資料 量測結果及醫師觀察後給予的建議 [5] 參 結果 某被測者由圖 橈動脈波訊號測量系統所量得之原始波形如下列圖 6, 平均彈性常數值為 857 g/s, 由圖 3 光容積波訊號感測及擷取系統所量得之原始波形如下列圖 7, 平均彈性常數值為 873 g/s, 而在智慧型手機平台隨不同時間變化情形如圖 8(a) 及 8(b) 所示, 在量測結果中, 利用折線圖來凸顯使用者每日測量的差異, 折線圖中也利用不同的色線, 來顯示心血管的健康情形 圖 6 橈動脈波訊號 圖 7 光容積波訊號 8

8 以智慧型行動裝置為環境之自我血管彈性管理系統 (a) (b) 圖 8 智慧型手機平台之彈性常數值監控畫面 肆 討論 醫療照護相關儀器仍因體積過於龐大, 或單價太高, 無法直接進入家庭當中, 提供受照護者完善的醫療照護紀錄, 本系統使用者利用智慧型手機為平台, 將動脈彈性量測儀器的測量結果輸入智慧型手機進行管理, 可避免上述的缺點, 另一方面也可長期監控血管彈性, 提出預警, 這對於需要血管硬化資訊的心血管相關疾病患者如中風 糖尿病等是有迫切需要的 [6-11], 也因所需的訊號擷取 分析 計算和記錄, 都須透過電腦運作, 只適用於據點式量測的自主性照護, 未來期望能透過更簡便的感測器, 來進行訊號的擷取 分析及計算, 並透過智慧型手機的無線上網功能, 將資料回傳至後端的資料庫伺服器來做紀錄與處理, 可望達成真正居家健康照護的目的 伍 參考文獻 1. P Oliver, J.J., and Webb, D.J. (3). Noninvasive assessment of arterial stiffness and risk of atherosclerotic events. Arterioscler. Thromb. Vasc. Biol., 3, pp Wei, C.C. (11). An Innovative Method to Measure the Peripheral Arterial Elasticity: Spring Constant Modeling Based on the Arterial Pressure Wave with Radial Vibration. Ann. Biomed. Eng., 39, pp

9 3. Wei, C.C., Huang, S.W. and Bau,C.T. (1). Using the spring constant method to analyze arterial elasticity in type diabetic patients. Cardiovasc. Diabetol, 11, pp Allen, J. (7). Photoplethysmography and its application in clinical physiological measurement. Physiol. Meas., 8, pp. R1-R Boulos, M. N. K., Wheeler, S., Tavares, C. and Jones, R. (11). How smartphones are changing the face of mobile and participatory healthcare: an overview, with example from ecaalyx. Biomed. Eng. Online., 1, pp Aoun,S., Blacher, J.M., Safar, E.J., Mourad, J. (1). Diabetes mellitus and renal failure: effects on large artery stiffness. J. Hum Hypertens, 15, pp J Richard, W.F. and Gerald, W. (3). Measurement and application of arterial stiffness in clinical research: focus on new methodologies and diabetes mellitus. Med. Sci. Monit., 9, pp.ra Stehouwer, C.D.A., Henry, R.M.A., Ferreira, I. (8). Arterial stiffness in diabetes and the metabolic syndrome: a pathway to cardiovascular disease. Diabetologia., 51, pp Pyorala, K., Laakso, M., Uusitupa, M. (1987). Diabetes and atherosclerosis: an epidemiologic view, Diabetes Metab. Rev., 3, pp Laurent, S., et al. (6). Expert consensus document on arterial stiffness methodological issues and clinical applications. Eur. Heart J., 7, pp Jatoi, N.A., Mahmud, A., Bennett, K., Feely, J. (9). Assessment of arterial stiffness in hypertension: comparison of oscillometric (Arteriograph), piezoelectronic (Complior) and tonometric (SphygmoCor) techniques. J. Hypertens., 7, pp