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1 南 台 科 技 大 學 資 訊 工 程 研 究 所 碩 士 學 位 論 文 使 用 多 通 道 量 測 系 統 評 估 脈 波 傳 導 速 度 Assessment of Pulse Wave Velocity Using Multi-Channel Measurement System 研 究 生 : 葉 詩 如 指 導 教 授 : 何 金 山 中 華 民 國 九 十 六 年 六 月

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5 摘 要 脈 波 傳 導 速 度 (pulse wave velocity, PWV) 是 近 年 來 被 提 出 用 以 評 估 動 脈 硬 化 的 其 中 一 項 參 數, 故 本 論 文 設 計 一 應 用 於 四 肢 型 脈 波 傳 導 速 度 之 檢 測 系 統, 經 由 精 確 的 脈 波 特 徵 點 擷 取 及 第 一 心 音 定 位 的 方 式, 同 時 量 測 血 液 自 心 臟 打 出 至 四 肢 脈 波 的 各 點 脈 波 傳 導 速 度, 以 觀 察 人 體 心 臟 至 四 肢 的 脈 波 傳 導 速 度 的 差 異 性 與 關 係 由 於 目 前 使 用 非 侵 入 式 量 測 脈 波 傳 導 速 度 來 評 估 動 脈 硬 化 程 度 的 方 式, 皆 是 以 手 腳 等 速 的 情 況 下 加 以 去 探 討, 但 在 評 估 上 還 是 有 些 不 夠 完 善 之 處 本 論 文 提 出 一 套 脈 波 傳 導 速 度 量 測 方 法, 藉 此 以 提 供 更 合 理 的 全 身 性 脈 波 傳 導 速 度 評 估, 並 針 對 四 肢 的 脈 波 傳 導 速 度 與 手 腳 的 脈 波 傳 導 速 度 之 間 的 關 係 做 一 詳 細 的 比 較 及 探 討, 以 便 提 供 醫 師 在 診 斷 動 脈 硬 化 程 度 上 的 輔 助 及 參 考 本 系 統 在 使 用 者 操 作 介 面 上, 主 要 分 為 前 端 訊 號 擷 取 及 後 端 分 析 軟 體 兩 部 份, 其 中 訊 號 擷 取 部 份 是 以 Visual Basic 程 式 語 言 的 圖 形 化 使 用 者 介 面 將 多 通 道 訊 號 描 繪 至 電 腦, 並 即 時 計 算 顯 示 四 肢 脈 波 傳 導 速 度 ; 而 在 後 端 分 析 軟 體 部 分, 則 是 以 Matlab 程 式 語 言 為 核 心 開 發 一 套 使 用 者 分 析 介 面, 讓 使 用 者 能 夠 更 快 更 方 便 分 析 受 測 者 生 理 資 訊 此 系 統 透 過 心 電 圖 心 音 及 脈 波 訊 號 長 時 間 的 量 測, 能 提 供 一 更 精 確 及 穩 定 數 值, 更 可 全 面 性 的 評 估 受 測 者 整 體 脈 波 傳 導 速 度 關 鍵 字 : 脈 波 傳 導 速 度 動 脈 硬 化 心 音 圖 i

6 ABSTRACT Pulse wave velocity (PWV) is one of many parameters, which is used to evaluate arteriosclerosis recently. Therefore, the goal of the study is to design an extremities-pwv evaluation system. The PWV is calculated by pulse characteristic-points search and first heart-sound location. It observes that the differences and relationships among the PWV. Because non-invasive arteriosclerosis evaluation by PWV is based on all pulse velocities are equal, it makes some unreasonable results. The proposal method in the study provides more careful evaluation of PWV, and compares the relationship between calculated two PWVs from heart-extremities and finger-toe respectively. It can provide the clinician reference, which makes arteriosclerosis evaluation. The user interface includes two components: signal-acquisition function and analytic-data function. The signal-acquisition function, which is designed by Visual Basic program language, can draw the multi-channel signals on the graphic interface and real-time calculate extremities-pwv. The analytic-data function, which is designed by Matlab program language, can beat-by-beat calculates physiological information conveniently. The system uses long-term electrocardiogram, heart sound and photoplethysmography simultaneous record, not only can provide more precise value but also can evaluate more complete PWV. Keyword: PWV, arterial stiffness, phonocardiogram ii

7 誌 謝 本 篇 論 文 首 先 要 感 謝 這 兩 年 來 指 導 我 的 何 金 山 老 師 蕭 天 泉 老 師 以 及 東 華 大 學 的 吳 賢 財 老 師, 感 謝 你 們 的 細 心 指 導, 讓 學 生 學 習 到 更 多 更 廣 的 不 同 知 識 與 想 法, 無 論 是 做 人 做 事 上, 都 給 予 我 許 多 的 啟 發 與 學 習, 同 時 也 感 謝 王 明 誠 醫 師 的 指 教 及 建 議, 讓 我 在 醫 學 領 域 中 受 益 良 多 在 我 求 學 的 過 程 中, 幫 助 和 鼓 勵 我 的 人 很 多, 尤 其 是 學 長 們 : 義 智 學 長 佳 信 學 長 炫 光 學 長 偉 峰 學 長 哲 嘉 學 長 和 誠 謙 學 長, 因 為 你 們 的 熱 心 與 愛 護, 讓 我 能 夠 很 快 的 適 應 這 裡 的 環 境 還 有 我 的 好 同 學 們 : 哲 瑋 紀 綱 俊 良 佳 耿 和 碩 研 的 朋 友 們, 感 謝 你 們 一 路 的 陪 伴 與 勉 勵, 你 們 給 予 我 的 意 見 和 幫 助, 總 是 能 令 我 感 到 十 分 的 溫 暖 與 可 貴, 另 外, 還 有 我 可 愛 的 一 群 學 弟 們 : 鈞 翰 培 堯 家 鳴 聖 龍 育 誠 明 賢 宗 盈 柏 勝, 因 為 有 你 們 的 陪 伴, 讓 我 在 研 究 所 的 生 涯 裡 增 添 了 許 多 的 歡 笑 與 色 采, 當 然 還 有 我 無 話 不 談 的 筱 芬 學 妹, 因 為 有 你, 讓 我 多 了 一 個 可 以 彼 此 分 享 想 法 的 好 夥 伴 最 後 還 要 感 謝 大 學 同 學 與 老 師 一 路 的 陪 伴, 讓 我 有 繼 續 求 知 下 去 的 動 力, 尤 其 是 奕 汝, 總 是 在 我 背 後 默 默 的 支 持 我, 讓 我 倍 感 溫 馨 然 而, 最 重 要 的 我 更 要 感 謝 我 的 家 人 平 時 給 我 的 支 持 與 照 顧, 所 以 我 才 能 專 心 的 好 好 衝 刺 學 業, 雖 然 家 裡 頭 總 是 有 許 多 大 小 事, 但 你 們 總 是 不 問 辛 苦 的 去 解 決 一 切, 不 願 我 在 多 花 心 思 去 擔 心, 在 此 向 您 們 表 達 我 內 心 最 由 衷 的 感 謝 iii

8 目 次 摘 要.i 英 文 摘 要 ii 致 謝... iii 目 次... iv 表 目 錄...vi 圖 目 錄..vii 第 一 章 緒 論 動 脈 硬 化 過 程 非 侵 入 式 的 動 脈 硬 化 檢 測 方 式 超 音 波 量 測 方 式 壓 脈 帶 量 測 方 式 壓 力 式 量 測 方 式 紅 外 線 感 測 器 量 測 方 式 文 獻 探 討 研 究 動 機 第 二 章 生 理 訊 號 測 量 原 理 心 電 圖 原 理 心 音 圖 原 理 血 管 脈 波 原 理 脈 波 傳 導 速 度 原 理..24 iv

9 第 三 章 系 統 架 構 硬 體 系 統 架 構 心 電 圖 電 路 心 音 圖 電 路 四 肢 光 容 積 波 電 路 訊 號 處 理 器 軟 體 系 統 架 構 資 料 傳 輸 與 擷 取 介 面 資 料 分 析 介 面 資 料 分 析 演 算 法..38 第 四 章 實 驗 流 程 與 結 果 實 驗 流 程 實 驗 結 果 與 討 論..44 第 五 章 結 論 與 未 來 展 望..51 參 考 文 獻..53 v

10 表 目 錄 表 年 十 大 死 因 統 計 表 1.2 動 脈 硬 化 程 度 量 測 參 數 表..37 表 4.1 受 測 群 的 心 率 與 脈 波 傳 導 速 度 表 4.2 受 測 群 的 平 均 脈 波 傳 導 速 度 及 平 均 標 準 差..47 表 4.3 左 右 側 PWV 值 相 關 性 統 計 表 表 4.4 受 測 者 於 不 同 時 間 量 測 的 心 率 脈 波 傳 導 速 度.. 48 表 4.5 相 關 性 分 析 統 計 表..50 vi

11 圖 目 錄 圖 ~2005 年 主 要 死 因 死 亡 率 趨 勢 圖...2 圖 1.2 動 脈 粥 狀 硬 化 結 構 圖 圖 1.3 Pulsetrace 使 用 超 音 波 方 式 實 際 量 測 介 面 圖 圖 1.4 VP-1000 動 脈 硬 化 檢 測 方 式...8 圖 1.5 圖 1.6 圖 2.1 圖 2.2 SphygmoCor 脈 波 量 測 介 面 圖....8 Pulsetrace 使 用 紅 外 線 感 測 方 式 量 測 圖 體 循 環 以 及 肺 循 環 系 統 心 臟 傳 導 系 統 圖 2.3 心 肌 興 奮 的 順 序 圖 2.4 正 常 的 心 電 圖 波 圖 2.5 各 導 程 量 測 示 意 圖 圖 2.6 心 臟 週 期 的 分 期 圖 2.7 心 電 圖 心 音 與 血 壓 脈 波 之 關 係 圖 圖 2.8 正 常 第 一 心 音 與 第 二 心 音 圖 圖 2.9 血 管 的 基 本 結 構 圖 圖 2.10 心 臟 週 期 中, 血 液 在 動 脈 的 進 出 與 動 脈 壓 變 化 圖 2.11 脈 波 傳 導 速 度 示 意 圖 圖 3.1 整 體 系 統 架 構 圖 26 圖 3.2 心 電 圖 類 比 電 路 方 塊 圖...27 圖 3.3 隔 離 電 路 圖 28 圖 3.4 心 音 圖 類 比 電 路 方 塊 圖 圖 3.5 電 容 式 麥 克 風 動 作 原 理 圖 3.6 光 容 積 波 類 比 電 路 方 塊 圖 圖 3.7 紅 外 線 發 射 與 接 收 電 路 圖...31 圖 3.8 MSP430F149 內 建 ADC 之 硬 體 架 構 圖..31 vii

12 圖 3.9 整 體 的 脈 波 分 析 軟 體 流 程 圖 3.10 VB 端 資 料 顯 示 儲 存 介 面 圖 3.11 VB 端 介 面 操 作 流 程 圖 圖 3.12 GUI 資 料 讀 取 畫 面 圖 3.13 GUI 資 料 分 析 結 果 圖 圖 3.14 Matlab 分 析 介 面 操 作 流 程 圖 圖 3.15 訊 號 與 特 徵 點 擷 取 圖 圖 3.16 手 指 與 腳 趾 脈 波 特 徵 點 位 置 圖 3.17 心 電 圖 R 波 第 一 心 音 與 脈 波 特 徵 點 位 置...40 圖 4.1 圖 4.2 圖 4.3 圖 4.4 實 驗 流 程 圖 實 驗 量 測 圖 (A)...42 實 驗 量 測 圖 (B) 量 測 介 面 圖 viii

13 第 一 章 緒 論 現 今 社 會 中, 隨 著 人 們 生 活 水 準 的 提 升 與 資 訊 的 進 步, 國 人 的 生 活 型 態 也 逐 漸 改 變 科 技 的 進 步 讓 人 們 的 生 活 環 境 變 的 更 便 利 和 舒 適, 網 路 的 發 達 和 便 利 的 交 通, 使 得 民 眾 運 動 量 普 遍 不 足, 在 加 上 熬 夜 習 慣 壓 力 大 人 們 生 活 步 調 變 快 及 飲 食 過 當 等 因 素 下, 也 慢 慢 的 對 我 們 的 身 體 機 能 產 生 了 極 大 的 考 驗, 相 繼 而 來 的 就 是 各 種 文 明 病 的 產 生 肥 胖 高 血 壓 糖 尿 病 冠 性 病 癌 症 中 風 與 動 脈 硬 化 等 疾 病, 皆 是 民 眾 因 缺 乏 運 動 的 觀 念 和 食 物 不 當 的 攝 取 等 因 素, 而 造 成 身 體 產 生 病 變 和 各 種 疾 病 的 產 生 另 外, 心 血 管 疾 病 也 是 目 前 最 常 見 的 文 明 病 心 血 管 疾 病 是 指 任 何 一 種 由 血 管 引 起 的 疾 病, 也 是 一 般 所 謂 的 高 膽 固 醇 血 症 高 血 壓 動 脈 硬 化 心 肌 梗 塞 腦 中 風 或 狹 心 症 等 心 臟 疾 病 的 總 稱 這 些 疾 病 本 身 不 是 因 為 心 臟 或 大 腦 器 官 發 生 病 變, 而 是 供 應 給 器 官 養 分 的 血 管 發 生 了 粥 狀 硬 化 和 局 部 阻 塞 所 致 血 管 的 病 變 已 成 為 一 種 全 身 性 的 疾 病, 嚴 重 病 患 者 還 可 能 面 臨 死 亡 和 截 肢 的 風 險, 以 往 認 為 老 年 人 是 心 臟 血 管 疾 病 的 主 要 發 病 人 群, 而 實 際 上 40~55 歲 的 壯 年 人 群 也 佔 有 相 當 的 比 例 存 在, 甚 至 40 歲 以 下 出 現 急 性 心 肌 梗 塞 也 是 不 少, 可 見 目 前 罹 患 心 血 管 疾 病 者, 有 日 益 增 加 與 年 輕 化 的 趨 勢 所 以 過 去 認 為 那 些 作 為 成 人 期 心 血 管 疾 病 的 危 險 因 素, 目 前 認 為 在 兒 童 期 也 同 樣 危 害 兒 童 的 健 康 動 脈 硬 化 (arterial stiffness) 一 直 是 現 代 中 老 年 人 的 致 命 殺 手, 根 據 衛 生 署 所 發 布 台 灣 地 區 在 94 年 度 的 死 亡 原 因 統 計 中, 如 表 1.1 所 示, 腦 血 管 疾 病 與 心 臟 疾 病 就 高 居 第 二 與 第 三 位, 分 別 佔 了 9.5% 和 9.3%, 所 佔 的 比 例 相 當 高 另 外 一 份 統 計 報 告 也 顯 示, 中 年 人 (45~64 歲 ) 十 大 死 因 的 前 六 大 死 因 依 序 為 : 惡 性 腫 瘤 (37.9%); 腦 血 管 疾 病 (7.7%); 事 故 傷 害 (7.6%); 慢 性 肝 病 (7.5%); 糖 尿 病 (7.1%); 心 臟 疾 病 (7.1%), 而 此 六 項 死 因 合 佔 中 年 人 死 亡 人 數 的 74.8% 在 老 年 人 (65 歲 以 上 ) 的 死 亡 原 因 統 計 中, 腦 血 管 疾 病 (11.1%) 與 心 臟 疾 病 (11%) 也 位 居 第 二 三 大 死 因, 與 去 前 相 較, 死 亡 率 亦 有 上 升 趨 勢, 如 圖 1.1 所 示 1

14 表 年 十 大 死 因 統 計 ( 資 料 來 源 : 行 政 院 衛 生 署 ) 占 總 人 數 順 位 死 亡 原 因 死 亡 數 ( 人 ) 之 百 分 比 1 惡 性 腫 瘤 腦 血 管 疾 病 12, 心 臟 疾 病 12, 糖 尿 病 9, 事 故 傷 害 8, 肺 炎 5, 慢 性 肝 病 及 肝 硬 化 5, 腎 炎 腎 徵 候 群 及 腎 性 病 變 4, 自 殺 4, 高 血 壓 性 疾 病 1, 圖 ~2005 年 主 要 死 因 死 亡 率 趨 勢 圖 ( 資 料 來 源 : 行 政 院 衛 生 署 ) 2

15 心 血 管 的 發 病 率 逐 年 增 高, 不 但 嚴 重 威 脅 人 類 健 康, 也 同 時 耗 費 國 家 大 量 的 醫 療 人 力 財 力 和 物 力, 所 以 若 能 在 發 病 的 早 期, 即 臨 床 前 期 發 現 血 管 病 變, 而 及 時 進 行 相 應 性 的 藥 物 干 預 或 生 活 方 式 的 改 善, 就 能 早 日 控 制 病 情, 節 省 醫 療 資 源 心 血 管 循 環 系 統 為 人 體 維 持 每 一 個 器 官 生 命 中 最 重 要 的 一 部 份, 心 肌 梗 塞 腦 中 風 缺 血 性 腎 病 和 間 歇 性 跛 行 等 疾 病, 雖 然 表 現 在 全 身 不 同 的 系 統 中, 但 共 同 的 本 質 都 是 血 管 的 病 變, 所 以 平 時 更 應 加 強 保 健 和 積 極 預 防, 以 避 免 心 血 管 系 統 惡 化 進 而 造 成 更 多 器 官 產 生 病 變 和 疾 病 的 產 生 1.1 動 脈 硬 化 過 程 血 管 性 疾 病 是 累 及 全 身 重 要 臟 器 的 病 症, 包 括 急 性 心 肌 梗 死 腦 中 風 腎 血 管 病 外 周 血 管 病 等, 具 有 很 高 的 致 死 率 和 致 殘 率, 但 這 些 疾 病 本 身 不 是 心 臟 或 大 腦 器 官 發 生 病 變, 而 是 供 應 養 分 的 血 管 發 生 粥 狀 硬 化 和 局 部 阻 塞 所 致 許 多 的 危 險 因 子 會 誘 發 及 加 速 動 脈 硬 化 過 程, 危 險 因 子 會 促 使 血 脂 異 常, 血 小 板 活 化, 內 皮 細 胞 功 能 不 良, 發 炎 反 應, 氧 化 性 壓 力, 血 管 平 滑 肌 細 胞 活 化 當 動 脈 硬 化 越 來 越 嚴 重 時, 接 著 就 會 影 響 更 多 臟 器 如 果 冠 狀 動 脈 內 形 成 血 塊, 血 管 變 窄 影 響 血 流, 就 會 引 發 心 臟 病 ; 當 腦 血 管 或 流 向 大 腦 的 血 管 中 形 成 血 塊 而 阻 塞 血 管 時, 就 會 造 成 中 風 ; 或 是 手 腳 的 動 脈 血 管 變 窄, 而 發 生 末 梢 血 管 方 面 的 疾 病 等 等, 但 許 多 人 常 常 面 臨 的 不 是 單 一 部 位 的 動 脈 硬 化, 若 已 經 知 道 某 部 位 動 脈 硬 化, 再 合 併 其 它 部 位 之 動 脈 硬 化, 其 心 血 管 疾 病 的 風 險 也 會 相 對 提 高 動 脈 硬 化 發 生 是 一 種 對 於 內 皮 受 傷 的 反 應 過 程, 包 含 了 免 疫 發 炎 或 修 復 當 血 液 在 膽 固 醇 過 高 時, 主 要 是 低 密 度 膽 固 醇 增 加, 血 管 內 皮 細 胞 功 能 失 常 而 易 受 損, 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 反 覆 的 吞 噬 經 氧 化 的 低 密 度 膽 固 醇, 終 至 死 亡 而 形 成 泡 沫 細 胞 與 平 滑 肌 細 胞 的 增 長, 並 在 各 種 細 胞 分 裂 與 吸 附 因 子 的 相 互 作 用 下, 進 而 合 成 結 締 組 織 最 後 因 為 泡 沫 細 胞 在 血 管 壁 的 堆 積, 再 加 上 黏 附 的 血 栓 結 締 組 織 的 增 生 壞 死 及 鈣 的 累 積, 逐 漸 使 得 血 管 內 膜 變 厚 管 腔 狹 窄 和 內 皮 細 胞 進 一 步 受 損, 形 成 惡 性 循 環, 最 後 導 致 動 脈 硬 化 的 發 生, 如 圖 1.2 所 示 除 了 低 密 度 膽 固 醇 外, 其 它 與 高 膽 固 醇 血 症 有 關 的 因 子, 包 括 高 密 度 膽 固 醇 (high-density lipoproteins, HDL) 3

16 濃 度 低 密 度 膽 固 醇 (low-density lipoproteins, LDL) 大 小 脂 蛋 白 (lipoprotein small a, Lp(a)) 及 三 酸 甘 油 酯 (triglyceride, TG) 濃 度 皆 與 動 脈 硬 化 密 切 相 關 圖 1.2 動 脈 粥 狀 硬 化 結 構 圖 ( 圖 片 來 源 : 人 體 生 理 學 ) 動 脈 硬 化 疾 病 的 危 險 因 子, 主 要 是 高 膽 固 醇 血 症 高 血 壓 糖 尿 病 年 紀 大 及 早 發 性 動 脈 硬 化 疾 病 家 族 史, 這 些 因 子 皆 會 促 使 血 管 內 皮 細 胞 功 能 失 常, 因 而 使 動 脈 硬 化 加 速 另 外, 肥 胖 與 抽 菸 亦 被 視 為 重 要 的 危 險 因 子, 進 一 步 造 成 對 膽 固 醇 不 良 的 影 響, 使 膽 固 醇 變 性, 更 易 發 生 動 脈 硬 化 高 血 壓 : 高 血 壓 會 對 血 管 壁 產 生 壓 力 及 張 力 傷 害, 以 及 神 經 內 分 泌 失 調, 而 使 內 皮 細 胞 功 能 失 常 高 血 壓 常 合 併 多 種 代 謝 異 常, 如 高 尿 酸 症 肥 胖 症 高 密 度 膽 固 醇 值 偏 低 和 三 酸 甘 油 脂 血 症, 在 經 過 種 種 變 化 後 而 使 低 密 度 膽 固 醇 易 浸 入 內 皮 層, 引 發 動 脈 硬 化 另 外, 脈 壓 差 增 加 亦 被 認 為 是 一 項 重 要 的 危 險 因 子, 主 要 表 現 在 血 管 硬 度 的 增 加 及 血 管 彈 性 的 減 少 糖 尿 病 : 糖 尿 病 會 使 血 管 壁 蛋 白 質 變 性 產 生 糖 化 作 用, 同 時 亦 會 使 膽 固 醇 成 分 發 生 變 化, 使 低 密 膽 固 醇 變 的 又 小 又 硬, 進 一 步 影 響 血 脂 肪 與 引 起 高 血 壓 4

17 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 高 膽 固 醇 血 症 : 如 果 同 時 合 併 其 它 危 險 因 子, 如 抽 菸 年 紀 高 血 壓 糖 尿 病 或 高 密 度 膽 固 醇 (HDL-C) 值 <35 mg/dl, 這 些 因 子 皆 會 促 使 血 管 內 皮 細 胞 功 能 失 常, 因 而 使 動 脈 硬 化 加 速 進 行 糖 尿 病 肥 胖 和 抽 菸 又 會 對 膽 固 醇 產 生 不 良 的 影 響, 使 膽 固 醇 變 性, 更 易 發 生 動 脈 硬 化 抽 菸 : 抽 菸 會 導 致 動 脈 硬 化, 主 要 是 香 煙 內 的 尼 古 丁 及 其 它 化 學 毒 性 物 質 會 刺 激 及 傷 害 內 皮 細 胞 因 抽 菸 會 使 血 中 的 一 氧 化 碳 血 紅 素 濃 度 增 加 至 常 人 的 三 倍 以 上, 使 血 中 氧 化 血 紅 素 濃 度 降 低, 所 以 會 使 組 織 缺 氧 而 造 成 血 管 收 縮, 進 一 步 增 加 動 脈 硬 化 與 急 性 栓 塞 的 發 生 年 紀 : 隨 著 年 紀 增 長, 血 管 的 內 皮 細 胞 功 能 也 慢 慢 變 差, 加 上 結 締 組 織 增 生, 使 動 脈 彈 性 變 差, 內 皮 細 胞 功 能 失 常, 而 各 項 危 險 因 子 亦 隨 年 齡 而 逐 年 增 加, 導 致 血 管 的 負 擔 越 來 越 重, 致 使 動 脈 硬 化 逐 年 累 積 而 發 生 肥 胖 : 在 1998 年 美 國 心 臟 學 會 重 新 認 定 肥 胖 是 冠 心 病 主 要 危 險 因 子, 所 以 應 把 肥 胖 視 為 疾 病 肥 胖 易 促 發 高 血 壓 糖 尿 病 不 良 血 脂 症 及 胰 島 素 阻 抗 症 候 群 的 發 生, 使 其 在 動 脈 硬 化 的 影 響 上 不 容 忽 略 其 它 : 其 它 因 素 包 括 家 族 史 或 其 它 精 神 因 素, 如 壓 力 悲 傷 憂 鬱 等, 而 造 成 抽 菸 和 不 好 的 飲 食 習 慣, 或 是 直 接 造 成 神 經 賀 爾 蒙 的 不 當 刺 激 而 過 度 活 化, 進 而 影 響 到 動 脈 的 健 康 動 脈 硬 化 疾 病 之 所 以 可 怕, 只 要 是 其 疾 病 的 表 現 是 突 發 性 的, 心 肌 梗 塞 及 腦 中 風 都 是 最 典 型 的 例 子, 更 重 要 的 是, 粥 狀 動 脈 硬 化 是 不 可 逆 的 變 化, 動 脈 一 但 失 去 彈 性, 動 脈 管 路 內 徑 變 的 狹 窄 後, 就 很 難 恢 復 目 前 有 許 多 研 究 指 出, 造 成 急 性 栓 塞 的 動 脈 硬 化, 常 常 是 小 於 50% 的 不 穩 定 動 脈 硬 化 塊, 只 要 是 會 發 生 破 裂 的 動 脈 硬 化 塊, 皆 會 發 生 急 性 梗 塞, 而 造 成 腦 中 風 或 心 肌 梗 塞, 但 動 脈 硬 化 阻 塞 在 50% 之 前 是 無 症 狀 的, 等 到 阻 塞 超 過 75% 以 上 而 發 生 心 絞 痛 時, 就 為 時 已 晚 5

18 1.2 非 侵 入 式 的 動 脈 硬 化 檢 測 方 式 目 前 的 醫 學 已 發 展 許 多 不 同 的 動 脈 硬 化 程 度 檢 測 方 式, 但 以 量 測 方 式 而 言, 主 要 可 分 為 侵 入 式 與 非 侵 入 式 兩 種 方 式 來 評 估 動 脈 病 變 侵 入 式 的 量 測 方 式 包 括 動 脈 顯 影 光 纖 血 管 內 視 鏡 (fiberoptic angioscope) 與 血 管 內 超 音 波 (intravascular ultrasound, IVUS) 以 侵 入 式 的 方 式 量 測 雖 可 直 接 瞭 解 動 脈 是 否 有 脂 肪 堆 積 或 是 管 壁 增 生 的 情 行, 但 容 易 造 成 受 測 者 的 恐 懼 與 危 險 性, 也 相 當 耗 費 時 間 與 精 力, 且 使 用 侵 入 式 的 量 測 方 法, 操 作 人 員 本 身 也 應 具 備 專 業 知 識 與 訓 練, 才 可 做 出 正 確 的 判 斷 基 於 許 多 的 不 便 與 限 制 下, 所 以 目 前 臨 床 醫 學 上 常 使 用 非 侵 入 式 的 測 量 方 式, 用 以 評 估 早 期 血 管 病 變 程 度 本 研 究 方 法 採 用 非 侵 入 式 的 紅 外 線 感 測 器 量 測 方 式 評 估 動 脈 硬 化 程 度, 其 他 非 侵 入 式 的 量 測 方 法 還 包 括 超 音 波 壓 脈 帶 及 壓 力 感 測, 於 下 介 紹 每 種 感 測 器 量 測 方 式 與 其 方 法 超 音 波 量 測 方 式 一 般 超 音 波 檢 測 所 使 用 頻 率 範 圍 由 1MHz 至 25MHz, 藉 著 換 能 器 ( 或 稱 探 頭 ) 發 射 出 超 波, 當 傳 至 介 面 時, 超 音 波 可 能 是 反 射 或 透 射, 再 藉 由 分 析 反 射 訊 號 或 透 射 訊 號 以 定 出 檢 測 位 置 超 音 波 感 測 器 運 用 超 音 波 反 射 的 特 性, 所 以 只 要 一 個 探 頭 將 平 行 或 扇 形 的 超 音 波 發 射 於 人 體 內, 以 同 一 探 頭 接 收 反 射 或 折 射 的 音 波 訊 號 使 用 都 卜 勒 效 應 計 算 偵 測 動 脈 收 縮 輸 送 血 液 的 脈 波 傳 導 波 形, 同 時 配 合 超 音 波 在 物 體 中 傳 送 時, 密 度 較 大 的 部 份 音 壓 會 增 大, 疏 鬆 的 部 份 其 音 量 會 變 小 的 特 性, 找 出 量 測 的 正 確 位 置, 故 通 常 使 用 超 音 波 量 測 方 式 量 測 脈 波 訊 號 需 配 戴 耳 機 同 時 檢 測, 以 求 量 測 位 置 的 準 確 性 圖 1.3 為 Pulsetrace 使 用 超 音 波 感 測 器 量 測 方 式, 透 過 超 音 波 反 射 將 血 液 的 脈 波 傳 導 波 形 描 繪 於 儀 器 界 面 中 其 計 算 方 法 如 圖 所 示, 先 測 得 頸 動 脈 脈 波 訊 號 後 再 量 測 股 動 脈 脈 波, 利 用 心 電 圖 定 位 的 方 式 分 別 將 兩 位 置 間 的 脈 波 特 徵 點 計 算 出, 如 此 便 能 將 兩 點 間 的 脈 波 傳 導 速 度 計 算 出 下 圖 中, 綠 色 波 形 為 第 一 次 量 測 頸 動 脈 的 脈 波 信 號, 黃 色 為 第 二 次 量 測 股 動 脈 的 脈 波 信 號, 而 四 個 訊 號 中, 紅 色 處 為 計 算 的 特 徵 點 位 置, 利 用 心 電 圖 定 位 的 方 式, 以 便 計 算 頸 動 脈 脈 波 至 股 動 脈 脈 波 間 的 時 間 差 6

19 圖 1.3 Pulsetrace 使 用 超 音 波 方 式 實 際 量 測 介 面 圖 ( 圖 片 來 源 : 使 用 超 音 波 量 測 方 式 可 量 測 多 處 動 脈 的 脈 波 訊 號, 不 過 由 於 超 音 波 感 測 器 在 價 格 上 較 昂 貴 且 操 作 不 易, 也 有 許 多 人 為 因 素 干 擾 而 無 法 正 確 量 測 等 問 題, 所 以 在 使 用 上 需 由 專 業 人 員 實 際 操 作, 才 能 確 保 訊 號 為 正 確 的 脈 波 訊 號, 相 當 耗 費 精 神 與 時 間 壓 脈 帶 量 測 方 式 使 用 壓 脈 帶 量 測 方 式 測 定 動 脈 硬 化, 其 方 法 是 利 用 腳 踝 與 上 臂 血 壓 間 的 比 值 (ABI) 和 脈 搏 波 傳 導 速 度 (PWV), 用 以 判 斷 血 管 壁 的 硬 度 及 彈 性 改 變, 提 供 下 肢 阻 塞 性 動 脈 硬 化 與 血 管 壁 硬 化 症 之 篩 檢 與 診 斷, 以 日 本 研 發 的 VP-1000 為 例, 利 用 同 步 測 量 四 肢 血 壓, 以 求 正 確 的 ABI 指 數 及 腳 踝 到 上 臂 PWV 值 (bapwv) 值 ABI 正 常 值 介 於 0.9 和 1.3 之 間, 而 當 ABI 小 於 0.9 時 則 有 動 脈 阻 塞 的 可 能,ABI 大 於 1.3 時 血 管 有 鈣 化 現 象, 但 ABI 指 數 應 同 時 配 合 PWV 值 做 評 估, 以 便 獲 得 更 完 善 的 診 斷 信 息 及 血 管 健 康 狀 況 7

20 圖 1.4 VP-1000 動 脈 硬 化 檢 測 方 式 ( 圖 片 來 源 : 壓 力 式 量 測 方 式 當 人 體 心 臟 收 縮 時, 大 量 的 血 液 流 至 動 脈, 使 得 動 脈 產 生 彈 性 擴 張, 再 經 由 心 臟 舒 張, 動 脈 血 液 流 回 心 臟, 此 時 動 脈 管 壁 藉 由 彈 性 回 復 正 常, 故 可 經 由 身 體 真 皮 層 較 薄 處, 可 感 覺 到 此 動 脈 管 隨 著 心 臟 收 縮 與 舒 張 而 起 伏 搏 動 所 以 利 用 壓 力 感 測 器 量 測 皮 膚 接 近 動 脈 管 壁 之 處, 可 直 接 反 應 出 動 脈 血 管 管 壁 收 縮 的 壓 力 波, 然 而 一 般 量 測 脈 搏 大 多 以 量 測 橈 動 脈 處, 因 橈 動 脈 處 較 易 找 尋 且 脈 動 較 大, 所 以 大 部 分 的 相 關 文 獻, 都 採 用 橈 動 脈 處 擷 取 其 壓 力 波 進 行 分 析 與 比 對 圖 1.5 SphygmoCor 脈 波 量 測 介 面 圖 ( 圖 片 來 源 : 心 臟 血 壓 量 測 儀 SphygmoCor 操 作 手 冊 ) 8

21 SphygmoCor 系 統 利 用 觸 壓 量 測 光 筆 擷 取 橈 動 脈 脈 波 訊 號, 經 由 特 徵 點 計 算 動 脈 彈 性 係 數 (augmentation index, AI) 與 脈 波 傳 導 速 率 (PWV) 分 析 動 脈 硬 化 程 度 量 測 參 數 使 用 SphygmoCor 系 統, 為 測 得 良 好 品 質 的 波 形, 所 以 須 由 有 訓 練 及 豐 富 經 驗 的 人 員 操 作, 以 避 免 因 人 為 因 素 而 造 成 雜 訊 干 擾 或 脈 波 不 穩 定 等 情 形 紅 外 線 感 測 器 量 測 方 式 以 非 侵 入 式 的 紅 外 線 感 測 裝 置 擷 取 脈 波, 在 血 管 健 康 狀 況 方 面 的 評 估 上, 可 分 析 許 多 動 脈 硬 化 相 關 參 數, 如 脈 波 傳 導 速 度 反 彈 指 數 和 血 管 硬 化 指 數 等 參 數 以 現 今 已 開 發 的 Pulsetrace 作 為 參 考, 使 用 紅 外 線 感 測 方 式 擷 取 手 指 容 積 波 訊 號, 再 透 過 特 徵 點 計 算 脈 波 反 彈 指 數 (reflectional index, RI) 及 血 管 硬 化 指 數 (stiffness index, SI) 脈 波 反 彈 指 數 的 計 算 方 式 是 重 搏 波 與 主 波 鋒 的 一 個 高 度 比, 可 用 以 評 估 血 管 阻 力 狀 況 指 數 及 動 脈 阻 塞 情 形, 另 外, 血 管 硬 化 指 數 可 分 析 全 身 動 脈 硬 度 程 度, 大 致 上 血 管 硬 化 指 數 所 量 測 出 來 的 值 與 脈 波 傳 導 速 率 的 值 差 不 多, 故 當 血 管 硬 化 指 數 越 高, 則 血 管 硬 化 的 可 能 性 也 就 越 高 圖 1.6 Pulsetrace 使 用 紅 外 線 感 測 方 式 量 測 圖 ( 圖 片 來 源 : 9

22 表 1.2 動 脈 硬 化 程 度 量 測 參 數 表 參 數 名 稱 定 義 量 測 方 式 脈 波 傳 導 速 率 兩 點 固 定 長 度 量 測 其 脈 波 傳 導 壓 力 計 紅 外 線 (Pulse wave velocity, PWV) 時 的 速 率 超 音 波 脈 波 反 彈 指 數 單 一 週 期 脈 波 中 之 主 波 與 反 彈 壓 力 計 紅 外 線 (Reflectional index, RI) 波 大 小 比 值 血 管 硬 化 指 數 受 測 者 身 高 除 以 主 波 與 反 彈 波 超 音 波 紅 外 線 (Stiffness index, SI) 時 間 差 動 脈 彈 性 係 數 在 彈 性 範 圍 內, 血 管 受 壓 力 增 超 音 波 核 磁 共 振 (Augmentation index, AI) 減 長 度 比 造 影 動 脈 膨 脹 度 固 定 壓 力 下, 血 管 直 徑 或 面 積 超 音 波 核 磁 共 振 (Arterial distensibility) 變 化 量 造 影 動 脈 順 應 性 固 定 壓 力 下, 絕 對 直 徑 或 面 積 超 音 波 核 磁 共 振 (Arterial compliance) 之 改 變 量 造 影 1.3 文 獻 探 討 在 動 脈 重 塑 的 過 程 中, 為 了 增 加 血 管 的 強 度, 以 防 止 血 管 在 過 大 的 壓 力 下 而 破 裂, 導 致 平 滑 肌 細 胞 增 生, 和 膠 原 蛋 白 的 比 例 增 加, 但 同 時 也 使 得 動 脈 壁 變 厚 以 及 血 管 彈 性 下 降, 而 產 生 動 脈 硬 化 等 情 形 使 用 脈 波 傳 導 速 度 PWV 值, 可 作 為 判 別 動 脈 硬 化 指 數 的 重 要 參 數, 若 動 脈 硬 化 越 嚴 重, 則 脈 波 傳 導 速 度 越 快, 然 而 PWV 變 快 可 造 成 脈 搏 壓 變 大, 從 而 導 致 心 臟 與 動 脈 的 損 傷 1989 年,Masahiko Okada 等 人 提 出 一 套 系 統, 以 光 學 感 測 方 式 同 時 量 測 手 指 與 腳 趾 脈 波, 並 以 兩 量 測 點 間 的 垂 直 距 離 與 脈 波 特 徵 點 的 時 間 差 做 計 算, 以 取 得 脈 波 傳 導 速 度 1997 年, David S. Charles 與 Martin D. Fox 等 人 提 出 以 超 音 波 測 量 和 心 電 圖 同 步 量 測 的 方 式 計 算 兩 特 徵 點 的 時 間 差, 提 供 了 以 不 同 的 量 測 方 式 進 行 動 脈 硬 化 程 度 的 評 估 以 壓 脈 帶 量 測 方 式, 量 測 和 記 錄 手 臂 與 腳 踝 的 脈 波, 藉 以 取 得 脈 波 傳 導 速 度 (bapwv), 近 年 來 許 多 相 關 產 品, 亦 已 廣 泛 的 應 用 於 臨 床 醫 學 檢 測 上, 然 而, 在 2003 年,Young K. Yoon 等 人 提 出, 利 用 壓 力 感 測 與 心 音 定 位 的 方 式 來 計 算 各 區 段 的 脈 波 傳 導 速 度, 結 果 顯 示 每 一 條 大 動 脈 正 常 的 PWV 值 均 有 明 顯 的 差 別 分 段 檢 測 的 方 式, 會 較 只 量 測 單 邊 脈 波 傳 導 速 度, 能 更 加 準 確 的 評 估 動 脈 異 常 10

23 1.4 研 究 動 機 伴 隨 著 人 口 老 齡 化 和 肥 胖 趨 勢 的 上 升, 心 血 管 疾 病 成 為 了 一 個 對 早 期 危 險 分 層 有 增 加 需 求 的 趨 勢, 所 以 若 能 早 期 診 斷 及 追 蹤 病 患 病 情, 並 針 對 不 同 分 層 病 患 給 予 藥 物 控 制, 而 在 生 活 型 態 上 ( 適 當 飲 食 規 律 運 動 戒 菸 ) 也 能 給 予 一 些 建 議, 這 些 或 許 會 對 患 者 在 未 來 的 臨 床 結 果 及 治 療 上, 都 會 產 生 巨 大 的 影 響 故 本 研 究 重 點 為 利 用 多 通 道 動 脈 硬 化 檢 測 系 統, 精 確 的 評 估 人 體 四 肢 間 的 脈 波 傳 導 速 度, 並 加 以 評 估 不 同 的 量 測 方 法, 所 測 得 的 脈 波 傳 導 速 度 間 的 關 係 與 差 異 性 現 今 國 內 外 雖 有 許 多 相 關 儀 器 與 學 術 研 究, 已 投 入 脈 波 傳 導 速 度 和 與 動 脈 硬 化 程 度 相 關 因 子 的 研 究, 然 而, 在 探 討 人 體 兩 側 與 四 肢 脈 波 傳 導 速 度 的 研 究 尚 屬 不 多, 另 外, 目 前 大 部 分 的 量 測 系 統 皆 是 以 心 電 圖 定 位, 分 別 再 去 計 算 出 手 腳 間 的 脈 波 傳 導 速 度, 藉 以 作 為 評 估 動 脈 硬 化 參 數 值, 不 過 此 方 法 在 用 以 評 估 單 側 或 單 肢 病 變 時, 或 許 就 有 些 略 顯 不 足 之 處 及 誤 差 所 在, 所 以 本 論 文 提 出 新 的 量 測 系 統 計 算 方 式, 以 心 音 圖 定 位, 同 時 量 測 心 臟 至 四 肢 間 的 脈 波 傳 導 速 度, 藉 以 觀 察 人 體 心 臟 至 四 肢 間 的 脈 波 傳 導 速 度 的 關 係, 並 同 時 與 傳 統 量 測 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 的 方 法 做 一 詳 細 比 較 此 研 究 預 期 提 供 更 為 全 面 性 的 分 析 方 法, 並 能 同 時 提 供 受 測 者 更 精 確 的 整 體 脈 波 傳 導 速 度 11

24 第 二 章 生 理 訊 號 測 量 原 理 循 環 系 統 由 血 液 血 管 及 心 臟 所 構 成, 其 中 心 臟 是 人 體 循 環 系 統 中 的 最 重 要 器 官, 它 的 作 用 就 如 一 個 幫 浦, 利 用 心 臟 的 收 縮 及 舒 張 將 新 鮮 含 氧 的 血 液 經 由 肺 靜 脈 送 到 左 心 房, 然 後 左 心 室 瓣 膜 開 啟, 讓 肺 靜 脈 的 血 液 流 入 左 心 室, 在 心 室 的 收 縮 期 間 經 由 主 動 脈 瓣 注 入 主 動 脈, 主 動 脈 分 出 分 支 血 管 供 應 全 身 所 需 養 分 血 液 經 過 微 血 管 的 養 分 交 換 後 進 行 體 循 環, 經 由 靜 脈 將 帶 二 氧 化 碳 和 其 他 廢 物 的 血 液 流 入 右 心 房, 然 後 右 心 室 瓣 膜 開 啟, 讓 血 液 流 入 右 心 室, 藉 由 右 心 室 的 收 縮, 將 血 液 帶 入 肺 動 脈, 經 過 肺 臟 再 回 流 到 肺 靜 脈, 完 成 人 體 的 整 個 循 環 過 程 圖 2.1 體 循 環 以 及 肺 循 環 系 統 ( 圖 片 來 源 :human physiology the mechanisms of body function 7th) 12

25 2.1 心 電 圖 原 理 心 臟 有 如 兩 段 式 幫 浦, 先 是 心 房 收 縮, 緊 接 著 是 心 室 收 縮 如 圖 2.2 所 示, 心 電 脈 衝 起 源 於 竇 房 結 (sinoatrial node, SA node), 靠 近 上 腔 靜 脈 和 右 心 房 交 界 處, 由 於 竇 房 結 細 胞 自 動 去 極 化 的 能 力 最 強, 因 此, 它 主 宰 了 心 臟 的 節 律 竇 房 結 所 產 生 的 動 作 電 位 會 傳 到 整 個 心 臟, 使 心 肌 興 奮 收 縮, 其 方 式 是 利 用 間 隙 結 合 把 電 訊 傳 到 心 臟 其 它 地 方 圖 2.2 心 臟 傳 導 系 統 ( 圖 片 來 源 : 快 速 心 律 判 讀 準 則 與 方 法 ) 竇 房 結 興 奮 後, 動 作 電 位 就 會 傳 到 心 房, 然 後 再 到 心 室, 如 圖 2.3 心 肌 興 奮 順 序, 房 室 竇 (atrioventricular node, AV node) 是 提 供 心 房 與 心 室 間 唯 一 的 正 常 傳 導 路 徑, 由 於 房 室 竇 細 胞 的 電 氣 性 質, 使 得 房 室 竇 傳 導 動 作 電 位 的 速 度 比 較 慢 ( 約 需 0.1 秒 ), 使 得 在 心 室 收 縮 之 前, 心 房 有 足 夠 的 時 間 收 縮, 而 把 血 液 打 入 心 室 內 在 房 室 竇 經 過 一 段 傳 導 延 遲 後, 將 電 脈 衝 傳 至 His 氏 束,His 氏 束 沿 著 膜 性 心 室 間 中 膈 往 後 方 下 降 分 成 左 右 束 分 支, 左 右 束 支 逐 漸 分 成 細 小 的 Purkinje 纖 維, 它 以 樹 枝 狀 分 叉 與 心 室 肌 肉 組 織 緊 密 接 觸, 可 以 很 快 的 把 電 訊 傳 至 大 部 分 的 心 室 Purkinje 細 胞 為 大 型 亮 細 胞, 可 見 於 His 氏 束 束 氏 及 其 樹 支 狀 之 分 枝, 這 些 纖 維 散 佈 很 廣, 而 且 他 們 有 獨 特 而 發 展 良 好 的 端 點 對 端 點 連 結, 有 助 於 快 速 的 縱 向 傳 導, 因 此 可 使 得 右 心 室 及 左 心 室 幾 乎 一 起 收 縮 13

26 圖 2.3 心 肌 興 奮 的 順 序 ( 圖 片 來 源 :human physiology the mechanisms of body function 7th) 一 般 靜 止 的 情 形 下, 鉀 離 子 比 較 容 易 通 過 細 胞 膜, 而 鈉 離 子 比 較 困 難, 所 以 心 肌 細 胞 膜 的 休 止 電 位 比 較 接 近 鉀 離 子 的 平 均 電 位 (-90mV), 而 非 鈉 離 子 的 平 衡 電 位 (+60mV), 而 當 心 肌 出 現 動 作 電 位 而 產 生 收 縮 反 應 時, 會 打 開 對 電 壓 改 變 敏 感 的 鈉 離 子 通 道, 因 此 納 離 子 會 湧 入 細 胞 內 造 成 細 胞 膜 去 極 化 (depolarized) 的 現 象 在 納 離 子 的 通 透 性 下 降 之 後, 不 會 立 即 出 現 再 極 化 的 現 象, 細 胞 膜 電 位 仍 然 保 持 在 0mV 的 平 原 期, 這 樣 的 現 象 是 因 為 細 胞 膜 對 鈣 離 子 的 通 透 性 增 加, 使 細 胞 膜 打 開 鈣 離 子 通 道, 而 鈣 離 子 通 道 打 開 跟 關 閉 的 時 間 都 比 較 慢, 因 此 流 到 細 胞 內 的 鈣 離 子 恰 巧 和 流 出 細 胞 的 鉀 離 子 等 量 平 衡, 最 後 等 到 鉀 離 子 通 道 再 度 打 開 之 後, 細 胞 膜 電 位 就 會 恢 復 原 狀, 然 後 又 再 重 新 開 始 另 一 個 週 期 心 電 圖 (electrocardiogram, ECG) 是 紀 錄 心 臟 組 織 電 壓 變 化 的 一 個 圖 形 心 電 圖 並 不 是 對 於 各 別 心 肌 細 胞 膜 電 位 變 化 的 直 接 紀 錄, 而 是 測 定 許 多 心 肌 細 胞 同 時 發 生 的 改 變, 而 造 成 身 體 細 胞 外 液 的 電 流 變 化 心 臟 傳 導 系 統 發 出 電 波, 藉 由 傳 導 將 微 弱 的 電 流 分 佈 於 全 身, 若 將 電 極 連 接 於 身 上 不 同 的 部 位, 就 可 描 繪 出 心 電 圖 心 電 圖 上 所 記 錄 的 電 位 變 化, 是 一 系 列 瞬 間 綜 合 向 量 在 不 同 導 程 軸 上 的 反 應, 投 影 所 得 的 電 位 方 向 和 導 程 軸 方 向 一 致 時 得 正 電 位, 反 向 時 為 負 電 位, 用 一 定 速 度 移 行 的 記 錄 紙 對 這 些 投 影 加 以 連 續 描 記, 得 到 的 就 是 心 電 圖 波 形 心 電 圖 波 形 與 心 向 量 圖 有 非 常 密 切 的 關 係, 心 電 圖 可 以 從 平 面 的 不 同 角 度 比 較 波 形 和 線 段, 加 14

27 以 進 行 時 程 上 的 分 析 圖 2.4 正 常 的 心 電 圖 波 ( 圖 片 來 源 : 快 速 心 律 判 讀 準 則 與 方 法 ) 如 圖 2.4 為 一 正 常 的 心 電 圖 波, 正 常 的 心 臟 電 位 產 生 的 波 形 可 以 分 為 5 個 波 段 所 組 成 P 波 P-R 間 隔 QRS 複 合 波 ST 段 及 T 波 這 些 波 形 的 形 狀 時 間 出 現 的 順 序 及 相 互 間 的 關 係 等 均 透 露 心 肌 電 生 理 活 動 之 訊 息 P 波 : 由 心 房 的 去 極 化 所 產 生, 正 常 小 於 0.12 秒 心 臟 的 興 奮 發 源 於 竇 房 結, 最 先 傳 至 心 房, 故 心 電 圖 各 波 中 最 先 出 現 的 是 代 表 左 右 兩 心 房 興 奮 的 過 程 的 P 波 P-R 間 隔 : 是 從 P 波 起 點 到 QRS 波 起 點 間 的 時 間 距 離, 代 表 心 房 開 始 興 奮 到 心 室 開 始 興 奮 所 需 的 時 間, 正 常 值 約 0.12~0.2 秒 QRS 複 合 波 : 心 室 的 去 極 化 所 造 成, 代 表 兩 個 心 室 興 奮 傳 導 過 程 的 電 位 變 化 典 型 的 QRS 複 合 波 包 括 三 個 相 連 的 波 動, 第 一 個 向 下 的 波 為 Q 波, 繼 Q 波 後 一 個 狹 高 向 上 的 波 為 R 波, 與 R 波 相 連 接 的 又 一 個 向 下 的 波 為 S 波 QRS 複 合 波 所 佔 的 時 間 代 表 心 室 肌 興 奮 傳 播 所 需 時 間, 正 常 小 於 0.11 秒 ST 段 : 心 室 肌 肉 再 極 化 過 程 絕 對 不 反 應 期, 反 映 心 室 各 部 位 在 興 奮 而 處 於 去 極 化 狀 態 通 常 ST 段 的 位 置 高 低 較 長 短 來 得 重 要, 正 常 時 接 近 於 等 電 位 線 或 在 ±1mm 之 間 15

28 T 波 : 是 繼 QRS 波 群 後 的 一 個 波 幅 較 低 而 波 寬 較 長 的 電 波, 反 映 心 室 興 奮 後 再 極 化 的 過 程 T 波 再 極 化 過 程 同 心 肌 代 謝 有 關, 因 而 較 去 極 化 過 程 緩 慢, 佔 時 較 長,T 波 與 ST 段 同 樣 具 有 重 要 的 診 斷 意 義 U 波 : 心 舒 張 時 各 部 產 生 的 電 位 所 形 成, 出 現 在 T 波 後 0.02~0.04 秒 寬 而 低 的 波, 波 寬 約 0.2 秒 心 電 圖 由 12 個 不 同 的 軸 來 記 錄 心 臟 的 電 氣 活 動, 其 中 包 含 了 垂 直 切 面 6 個 ( Ⅰ, ⅡⅢ,, avf, avr, avl) 水 平 切 面 6 個 (V1~V6), 如 圖 2.5 所 示 導 程 Ⅰ 和 avl 偵 測 心 臟 側 壁 之 電 傳 導, 導 程 Ⅱ, Ⅲ 及 avf 偵 測 心 臟 下 壁 之 電 傳 導, 導 程 V1 與 V2 偵 測 右 心 室, 導 程 V5 和 V6 偵 測 左 心 室, 而 V3 及 V4 則 偵 測 兩 心 室 中 間 利 用 12 個 導 程 心 電 圖, 便 可 詳 細 評 估 心 臟 功 能 是 否 正 常 運 作 圖 2.5 各 導 程 量 測 示 意 圖 ( 圖 片 來 源 : 醫 用 電 子 實 習 16

29 關 於 心 室 去 極 化 速 率, 當 次 數 大 於 每 分 鐘 100 次 時, 心 搏 速 率 將 多 於 100 次 分, 則 為 心 搏 過 速, 若 心 跳 過 快, 會 增 加 心 肌 的 耗 氧 量, 對 已 缺 氧 的 心 肌 而 言, 將 形 成 更 大 的 傷 害 及 負 擔 ; 而 當 去 極 化 速 率 少 於 每 分 鐘 60 次 時, 心 搏 速 率 每 分 鐘 則 不 及 60 次 分, 則 為 心 搏 過 緩, 當 心 搏 過 緩 是 因 缺 氧 低 體 溫 或 冠 狀 動 脈 疾 病 而 引 起, 易 造 成 心 輸 出 量 不 足 而 造 成 頭 暈 及 呼 吸 急 促 計 算 心 房 心 室 去 極 化 速 率 (rate) 在 去 極 化 規 則 的 情 況 下 較 簡 單, 但 在 不 規 則 的 情 形 下 只 能 以 確 實 算 出 一 分 鐘 出 現 的 P 波 或 R 波 次 數 而 定, 才 不 失 準 確 性 所 以 臨 床 上 不 僅 要 查 看 心 電 圖, 也 要 聽 診 病 人 的 心 搏 音 且 同 時 量 測 脈 搏, 觀 察 脈 搏 的 強 度 及 次 數, 才 足 以 了 解 心 臟 幫 浦 供 給 血 量 的 功 能 2.2 心 音 圖 原 理 人 類 的 心 臟 分 為 左 右 兩 邊, 每 邊 又 可 分 為 心 房 及 心 室 兩 部 分 在 心 房 以 及 心 室 之 間 的 瓣 膜 稱 為 房 室 瓣 (atrioventricular valves), 這 個 結 構 允 許 血 液 從 心 房 流 到 心 室, 但 防 止 血 液 從 心 室 流 回 心 房 右 側 的 房 室 瓣 稱 為 三 尖 瓣 (tricuspid valve), 左 側 的 房 室 瓣 稱 為 憎 帽 瓣 (mitral valve) 右 心 室 和 肺 動 脈 幹 之 間, 以 及 左 心 室 和 主 動 脈 之 間 也 有 瓣 膜 結 構, 分 別 稱 為 肺 動 脈 瓣 (pulmonary valve) 以 及 主 動 脈 瓣 (aortic valve), 這 些 瓣 膜 有 時 也 通 稱 為 半 月 瓣 (semilunar valves), 在 心 室 收 縮 的 時 候, 這 些 瓣 膜 使 血 液 進 入 動 脈 ; 但 在 心 室 放 鬆 的 時 候, 這 些 瓣 膜 便 可 防 止 血 液 回 流 到 心 室 內, 並 和 房 室 瓣 一 樣, 動 脈 瓣 膜 的 開 關 也 是 種 被 動 過 程, 是 由 瓣 膜 兩 側 的 壓 力 差 來 決 定 的 在 一 個 心 跳 週 期 中, 主 要 由 電 器 活 動 誘 發 機 械 活 動, 引 起 心 臟 壓 力 及 體 積 的 變 化 心 臟 週 期 可 分 為 兩 個 主 要 時 期, 都 是 以 心 室 的 變 化 作 為 命 名 的 依 據, 在 圖 中, 心 縮 期 與 心 縮 期 可 各 自 分 為 兩 個 時 期 第 一 個 階 段 稱 為 心 縮 期 (systole), 這 是 心 室 開 始 收 縮, 把 血 液 打 出 的 時 期 ; 第 二 個 階 段 稱 為 心 舒 期 (diastole), 是 心 室 開 始 放 鬆 及 充 血 的 時 期 17

30 圖 2.6 心 臟 週 期 的 分 期 ( 圖 片 來 源 :human physiology the mechanisms of body function 7th) 在 心 舒 期 的 第 一 階 段, 心 室 開 始 放 鬆, 而 肺 動 脈 瓣 以 及 主 動 脈 瓣 會 因 而 關 閉, 此 時 不 會 有 血 液 流 入 或 流 出, 等 過 了 等 容 心 室 舒 張 期 之 後, 左 心 房 與 左 心 室 都 已 處 於 放 鬆 狀 態, 心 房 的 壓 力 要 比 心 室 的 略 高 一 些, 所 以 房 室 瓣 便 會 開 啟, 使 得 從 肺 靜 脈 進 入 心 房 的 血 液, 就 會 從 心 房 直 接 流 到 心 室 內 在 心 舒 期 的 過 程 中, 主 動 脈 的 壓 力 會 緩 慢 的 下 降, 相 對 的, 也 造 成 血 液 由 心 房 進 入 舒 張 的 心 室, 使 得 心 室 的 體 積 增 加, 壓 力 也 逐 漸 上 升, 如 圖 2.6 接 近 心 舒 末 期 的 時 候, 竇 房 結 開 始 放 電, 造 成 心 房 的 去 極 化 (ECG 上 的 P 波 ) 收 縮, 把 殘 留 的 血 液 打 入 心 室 內, 而 使 得 心 18

31 室 的 壓 力 及 血 量 上 升 從 房 室 結 開 始, 去 極 化 的 電 波 進 入 心 室 (ECG 上 的 QRS 複 合 波 ), 並 使 心 室 收 縮, 在 心 室 收 縮 之 前, 主 動 脈 瓣 仍 然 是 關 閉 的, 而 房 室 瓣 則 是 敞 開 著 在 等 容 心 室 收 縮 期 中, 心 室 壁 的 張 力 會 越 來 越 強, 幾 乎 立 即 超 過 心 房 的 壓 力, 此 時 房 室 瓣 會 關 起 來, 以 免 血 液 回 流 到 心 房 內 直 至 心 室 壓 力 高 過 主 動 脈 壓 以 及 肺 動 脈 壓 的 時 候, 便 足 以 把 主 動 脈 瓣 及 肺 動 脈 瓣 打 開, 也 就 進 入 了 所 謂 的 心 室 射 血 期 (ventricular ejection), 心 室 便 把 血 液 打 到 主 動 脈 內 在 心 室 射 血 終 止 之 前, 心 室 以 及 主 動 脈 的 壓 力 就 已 經 達 到 了 最 大 值, 也 就 是 說, 在 噴 血 終 止 之 時, 即 使 心 室 仍 然 在 收 縮, 但 心 室 和 主 動 脈 壓 力 反 而 會 下 降 當 心 室 停 止 收 縮 排 血 終 止 的 時 候, 心 肌 就 開 始 放 鬆, 這 就 是 心 舒 期 的 開 始 (ECG 上 的 T 波 ), 這 時 心 室 的 壓 力 會 迅 速 下 降, 低 過 主 動 脈 壓 力, 而 使 主 動 脈 瓣 關 閉 起 來, 接 著 再 進 入 另 一 次 的 心 臟 週 期 圖 2.7 心 電 圖 心 音 與 血 壓 脈 波 之 關 係 圖 ( 圖 片 來 源 :human physiology the mechanisms of body function 7th) 19

32 由 心 臟 收 縮 產 生 的 聲 音 正 常 包 括 第 一 心 音 (S1) 及 第 二 心 音 (S2), 可 以 利 用 聽 診 器 從 胸 壁 上 聽 到 心 音 (heart sound), 這 些 聲 音 是 由 瓣 膜 關 閉 時 的 震 動 所 產 生 的, 第 一 心 音 是 輕 柔 低 頻 的 一 聲, 由 憎 帽 瓣 和 三 尖 瓣 關 閉 產 生, 發 生 在 心 縮 期 開 始, 等 容 心 室 收 縮 的 時 候 ; 第 二 心 音 是 比 較 響 的 一 聲, 與 肺 動 脈 瓣 (P2) 以 及 主 動 脈 瓣 (A2) 的 關 閉 有 關, 發 生 在 心 舒 期 開 始, 等 容 心 室 舒 張 的 時 候 正 常 P2 比 A2 的 強 度 較 弱, 呼 氣 末 期 時 P2 和 A2 幾 乎 同 步 發 生, 吸 氣 時 因 為 胸 內 壓 下 降 靜 脈 回 流 至 右 心 房 的 血 液 增 加, 然 後 肺 血 管 容 量 增 加 回 流 至 左 心 的 血 液 減 少, 造 成 P2 延 後,A2 稍 稍 提 前 正 常 P2 比 A2 的 強 度 較 弱, 可 在 胸 骨 左 側 第 二 肋 骨 間 聽 到 (electrocardiogram) (phonocardiogram) 圖 2.8 正 常 第 一 心 音 與 第 二 心 音 圖 舒 張 早 期 奔 馬 音 (S3) 在 最 大 脈 動 處 可 聽 到 低 頻 率 心 音, 由 舒 張 早 期 左 心 室 快 速 充 填 產 生 在 較 大 年 紀,S3 表 示 左 或 右 心 室 衰 竭, 或 容 積 負 荷 過 大 第 四 心 音 (S4 奔 馬 音 ) 發 生 於 舒 張 末 期 心 室 填 充 時, 是 心 房 收 縮 所 引 起 S4 通 常 是 不 正 常 的, 它 伴 隨 著 心 室 順 應 性 降 低, 常 見 於 高 血 壓 主 動 脈 瓣 狹 窄 心 肌 梗 塞 和 肺 動 脈 瓣 狹 窄 等 正 常 瓣 膜 打 開 時 沒 有 聲 音, 但 一 個 異 常 的 主 動 脈 瓣 或 肺 動 脈 瓣, 可 能 產 生 張 開 聲 音, 稱 為 噴 射 音 (ejection sound) 或 滴 答 音 (click) 噴 射 音 的 頻 率 頗 高, 且 發 生 在 收 縮 早 期, 緊 隨 在 等 容 積 收 縮 完 成 的 瞬 間, 更 嚴 重 的 狹 窄 使 得 噴 射 音 在 收 縮 更 早 期 發 生 另 外, 憎 帽 辦 和 三 尖 瓣 在 正 常 情 況 下 開 放 亦 無 聲 音, 但 憎 帽 辦 和 三 尖 20

33 瓣 狹 窄 時 而 瓣 膜 依 然 有 韌 性, 可 以 聽 到 舒 張 早 期 開 放 銳 音 (opening snap, OS) 越 嚴 重 的 狹 窄 引 起 的 OS 越 早 出 現, 越 接 近 S2 直 至 狹 窄 的 房 室 瓣 鈣 化 並 失 去 活 動 度 時,OS 便 消 失 2.3 血 管 脈 波 原 理 血 管 是 血 液 在 體 內 流 動 的 通 路, 由 心 臟 將 血 液 輸 出, 最 粗 的 動 脈 與 心 室 相 連, 然 後 發 生 分 支, 分 支 越 分 越 細 而 佈 滿 全 身 人 體 內 的 血 管, 包 括 運 送 血 液 離 開 心 臟 並 逐 漸 縮 小 的 血 管, 也 就 是 大 動 脈 小 動 脈 和 微 血 管, 以 及 血 液 從 微 血 管 返 回 心 臟 會 經 過 的 小 靜 脈 和 大 靜 脈 等 逐 漸 增 大 的 血 管, 如 此 形 成 一 個 遍 及 全 身 的 網 路, 可 使 血 液 和 組 織 間 的 物 質 互 相 交 換 血 管 的 內 部 結 構, 不 論 是 動 脈 壁 或 靜 脈 壁 均 由 三 層 膜 所 組 成, 最 外 層 是 由 結 締 組 織 (connective tissue) 組 成 的 血 管 外 膜 (tunica externa), 中 間 層 主 要 由 平 滑 肌 (smooth muscle) 所 組 成 的 血 管 中 層 膜 (tunica media), 最 內 層 則 為 內 皮 (endothelium) 基 底 膜 和 彈 力 蛋 白 (elastin) 共 同 組 成 的 血 管 內 膜 (tunica interna) 雖 然 動 脈 和 靜 脈 有 相 同 的 基 本 結 構, 但 動 脈 和 靜 脈 間 還 是 有 一 些 不 同, 如 圖 2.9 所 示, 動 脈 比 靜 脈 有 較 厚 的 平 滑 肌, 而 靜 脈 有 瓣 膜, 動 脈 則 沒 有 圖 2.9 血 管 的 基 本 結 構 圖 ( 圖 片 來 源 : 21

34 主 動 脈 及 體 循 環 等 其 他 動 脈 都 含 有 較 粗 的 管 壁, 其 中 更 含 有 大 量 的 彈 性 組 織, 使 得 在 心 舒 期 時, 能 好 好 維 持 血 液 的 流 動 在 每 次 心 室 收 縮 時, 離 開 動 脈 的 血 量 會 只 有 整 個 心 搏 量 的 三 分 之 ㄧ, 其 他 的 三 分 之 二 仍 留 在 留 在 動 脈 內, 如 圖 2.10 所 示, 使 動 脈 擴 張, 動 脈 壓 力 也 就 因 而 升 高 當 心 室 收 縮 停 止 時, 受 到 拉 扯 的 動 脈 壁 會 被 彈 回 原 狀, 因 此 在 心 舒 期 時, 血 液 仍 然 持 續 進 入 小 動 脈 內 當 血 液 離 開 動 脈 之 後, 動 脈 的 體 積 和 壓 力 也 就 跟 著 下 降, 但 在 下 一 次 心 室 收 縮 之 前, 動 脈 內 仍 然 有 一 些 血 液, 所 以 可 以 維 持 部 分 動 脈 壓, 而 不 至 於 為 零 圖 2.10 心 臟 週 期 中, 血 液 在 動 脈 的 進 出 與 動 脈 壓 變 化 ( 圖 片 來 源 :human physiology the mechanisms of body function 7th) 動 脈 壓 會 隨 著 心 臟 週 期 而 出 現 連 續 的 變 化, 利 用 平 均 動 脈 壓 (mean arterial pressure, MAP) 可 以 用 來 量 測 真 正 的 動 脈 壓 力, 多 數 情 況 下, 可 以 使 用 式 (2.1) 來 估 算 血 液 打 入 組 織 的 動 力 值 平 均 動 脈 壓 (MAP) = 心 舒 壓 + ( 心 縮 壓 - 心 舒 壓 ) / 3 (2.1) 收 縮 壓 (systolic pressure, SP) 是 心 室 射 出 血 液 後 所 產 生 的 最 大 動 脈 壓 力 值, 而 在 心 室 開 始 收 縮 前 的 最 低 動 脈 壓 稱 為 舒 張 壓 (diastolic pressure, DP) 收 縮 壓 與 舒 張 壓 的 差 就 為 脈 搏 壓 (pulse pressure), 脈 搏 壓 的 大 小, 也 就 是 舒 張 壓 和 收 縮 壓 間 的 差 距, 最 重 要 的 因 素 包 括 : 心 搏 量 心 搏 量 射 出 的 速 度 以 及 動 脈 的 順 應 性, 所 以 如 果 打 22

35 出 的 血 量 較 多, 射 出 的 速 度 較 大, 或 是 動 脈 的 彈 性 較 差, 脈 搏 壓 就 會 變 大 由 於 身 體 的 平 均 動 脈 壓 都 是 一 樣 的, 所 以 器 官 的 血 流 量 就 由 小 動 脈 的 口 徑 來 決 定, 小 動 脈 含 有 平 滑 肌, 所 以 在 某 些 情 況 下 可 以 放 鬆 或 收 縮, 而 使 血 管 口 徑 加 大 或 縮 小, 因 此, 器 官 及 組 織 的 血 流 分 布, 是 由 小 動 脈 的 平 滑 肌 來 決 定 動 脈 粥 狀 硬 化 常 會 有 動 脈 順 應 性 變 差 的 問 題, 此 外, 動 脈 的 順 應 性 與 年 紀 也 有 關, 所 以 年 紀 越 大, 動 脈 硬 化 就 越 嚴 重, 脈 搏 壓 也 越 大 動 脈 的 內 皮 細 胞 會 分 泌 多 種 影 響 動 脈 平 滑 肌 的 旁 泌 素, 因 此 影 響 到 動 脈 的 直 徑 和 阻 力, 進 而 改 變 血 液 的 流 動 內 皮 細 胞 所 分 泌 的 一 氧 化 氮 (nitric oxide), 是 血 管 舒 張 最 重 要 的 旁 泌 素, 一 氧 化 氮 由 小 動 脈 的 內 皮 細 胞 以 相 當 程 度 的 數 量 持 續 的 釋 放, 經 由 擴 散 到 鄰 近 血 管 的 平 滑 肌 細 胞, 而 引 起 肌 肉 放 鬆 或 收 縮, 造 成 平 時 小 動 脈 的 基 本 舒 張 狀 態, 同 時 也 會 抑 制 血 小 板 的 黏 著 活 化 以 及 聚 集 另 一 個 由 內 皮 細 胞 釋 放 的 血 管 舒 張 劑 是 環 前 列 素 (prostacyclin, PGI 2 ), 但 PGI 2 在 平 時 只 有 稍 許 的 釋 放, 對 於 多 種 的 刺 激 下, 才 會 產 生 大 量 分 泌 的 反 應 另 外, 內 皮 素 (endothelin-1, ET-1) 是 由 內 皮 細 胞 所 分 泌 的 重 要 血 管 收 縮 旁 泌 素 之 ㄧ, 它 是 由 腦 腎 臟 及 肺 臟 等 組 織 所 釋 放 的 旁 泌 素 類 胜 肽, 而 引 起 廣 泛 的 小 動 脈 收 縮 人 體 血 液 主 要 由 細 胞 以 及 血 漿 (plasma) 所 組 成, 血 球 便 懸 浮 於 血 漿 中 血 球 的 種 類 包 括 紅 血 球 (erythrocytes) 白 血 球 (leukocytes) 和 血 小 板 (platelets) 等 物 質, 其 中 血 小 板 並 不 是 完 整 的 血 球, 而 是 細 胞 的 碎 片 白 血 球 可 以 抵 抗 感 染 和 癌 細 胞, 血 小 板 可 以 使 血 液 凝 固, 而 含 量 最 多 的 紅 血 球 共 佔 血 球 的 99% 以 上, 具 有 攜 氧 的 能 力 紅 血 球 的 主 要 功 能 是 攜 帶 由 肺 臟 進 入 的 氧 和 由 細 胞 生 成 的 二 氧 化 碳, 紅 血 球 含 有 大 量 的 血 紅 素 (hemoglobin), 可 與 氧 及 較 少 量 的 二 氧 化 碳 進 行 可 逆 性 結 合, 氧 會 與 血 紅 素 中 的 鐵 原 子 (Fe) 結 合, 形 成 帶 氧 血 紅 素 (Oxy-hemoglobin) 並 將 氧 氣 帶 至 身 體 各 部 供 給 在 正 常 狀 態 下, 紅 血 球 中 含 有 一 定 濃 度 血 紅 素, 因 此 可 利 用 其 血 液 中 帶 氧 血 紅 素 濃 度 來 推 測 出 血 管 內 血 液 容 積 量 多 寡 利 用 紅 外 線 對 帶 氧 血 紅 素 (HbO 2 ) 有 較 強 反 應, 因 此 可 利 用 反 射 或 穿 透 式 紅 外 線 置 於 動 脈 或 微 血 管 上, 量 測 血 液 中 帶 氧 血 紅 素 量, 再 將 其 量 測 到 之 血 紅 素 多 寡 轉 換 為 電 壓 訊 號, 即 可 得 到 所 謂 的 光 容 積 23

36 波 (Photoplethysmography, PPG) 利 用 紅 外 線 感 測 器 將 人 體 末 端 手 指 和 腳 趾 微 血 管 的 血 液 含 氧 量 轉 為 電 壓 訊 號, 當 血 管 內 血 流 量 增 加, 血 紅 素 濃 度 相 對 提 高 時, 造 成 透 過 的 光 能 量 相 對 減 少, 因 此, 運 用 血 管 內 容 積 密 度 與 透 過 光 能 量 成 反 比 的 關 係, 進 而 取 得 手 指 和 腳 趾 光 容 積 波 變 化 圖 2.4 脈 波 傳 導 速 度 原 理 脈 波 傳 導 速 度 (PWV) 是 目 前 國 際 較 為 通 用, 且 能 有 效 診 斷 血 管 機 能 的 一 項 重 要 參 數 脈 波 傳 導 速 度 是 由 心 臟 收 縮 時, 將 大 量 的 血 液 打 入 動 脈 而 傳 導 到 身 體 各 部 位 動 脈 血 管 的 時 間 差, 與 其 傳 導 距 離 之 比 值 本 系 統 的 開 發 是 以 多 通 道 的 量 測 方 式 同 步 擷 取 各 訊 號 生 理 資 料, 以 便 分 析 人 體 四 肢 和 各 側 血 管 健 康 狀 況 心 音 圖 S1 S2 Distance hf amplitude 手 指 容 積 波 Distance ht thf tht 腳 趾 容 積 波 PWV = Distanc Distance t 圖 2.11 脈 波 傳 導 速 度 示 意 圖 脈 波 傳 導 速 度 (PWV) 的 計 算 方 式 如 圖 2.11 所 示,t 是 兩 特 徵 點 的 時 間 差, 而 24

37 distance 為 兩 點 間 的 距 離 長 度, 因 此, 利 用 距 離 與 時 間 的 比 值, 可 計 算 各 處 的 脈 波 傳 導 速 度 以 下 為 本 論 文 中, 所 計 算 的 各 種 PWV 參 數 值 : 心 到 手 指 脈 波 傳 導 速 度 (hfpwv): 使 用 第 一 心 音 至 手 指 容 積 波 的 起 搏 點 作 為 兩 特 徵 點 的 時 間 差, 而 距 離 則 是 從 心 到 手 指 的 距 離 長 度 來 計 算 的, 所 以 PWV 計 算 公 式 便 如 式 (2.3) 所 示 hfpwv Distance hf = (2.3) t hf 心 到 腳 趾 脈 波 傳 導 速 度 (htpwv): 使 用 第 一 心 音 至 手 指 容 積 波 的 起 搏 點 作 為 兩 特 徵 點 的 時 間 差, 而 距 離 則 是 從 心 到 手 指 的 距 離 長 度 所 計 算 而 得 的, 所 以 PWV 計 算 公 式 如 式 (2.4) htpwv Distance t ht = (2.4) ht 手 指 到 腳 趾 脈 波 傳 導 速 度 (ftpwv): 使 用 手 指 容 積 波 的 起 搏 點 至 腳 趾 容 積 波 的 起 搏 點 作 為 兩 特 徵 點 的 時 間 差, 而 距 離 則 是 心 到 手 指 與 心 到 腳 趾 間 的 距 離 差 所 計 算 出 的, 所 以 PWV 計 算 公 式 便 如 式 (2.5) 所 示 ftpwv Distance ft = (2.5) t ft 25

38 第 三 章 系 統 架 構 本 篇 論 文 所 使 用 的 脈 波 傳 導 速 度 量 測 系 統, 主 要 是 利 用 自 製 的 多 通 道 脈 波 傳 導 速 度 量 測 儀, 同 時 將 心 電 圖 心 音 圖 手 指 和 腳 趾 光 容 積 波 記 錄 於 電 腦 端, 再 經 由 後 端 軟 體 開 發 介 面 計 算 時 域 特 徵 點 分 析 四 肢 的 脈 波 傳 導 速 度, 並 做 其 參 數 探 討 與 比 較, 圖 3.1 為 脈 波 傳 導 速 度 量 測 系 統 的 架 構 圖 心 音 訊 號 心 電 圖 手 指 光 容 積 波 訊 號 A/D 轉 換 RS-232 PC 端 腳 趾 光 容 積 波 訊 號 VB 端 資 料 儲 存 Matlab 端 資 料 分 析 脈 波 傳 導 速 度 檢 測 系 統 圖 3.1 整 體 系 統 架 構 圖 本 論 文 於 系 統 架 構 上, 主 要 分 為 硬 體 與 軟 體 部 分, 其 中 硬 體 部 分 結 合 了 單 導 程 心 電 圖 心 音 圖 和 四 通 道 光 容 積 波 裝 置, 以 多 通 道 量 測 方 式 同 時 擷 取 人 體 心 電 訊 號 心 音 訊 號 以 及 雙 側 的 手 指 和 腳 趾 容 積 波, 再 經 由 MPS430 將 類 比 訊 號 轉 成 數 位 訊 號 傳 至 電 腦 端 顯 示 與 儲 存, 以 便 能 更 進 一 部 做 脈 波 分 析 與 記 錄 26

39 3.1 硬 體 系 統 架 構 在 硬 體 的 部 分 主 要 分 為 四 小 部 份, 分 別 為 心 電 圖 電 路 心 音 圖 電 路 紅 外 線 光 容 積 感 測 電 路 與 類 比 轉 數 位 電 路, 以 下 將 針 對 硬 體 電 路 各 部 份 做 一 敘 述 : 心 電 圖 電 路 心 電 圖 主 要 是 記 錄 心 臟 電 位 活 動 的 一 連 串 級 化 現 象, 當 心 臟 收 縮 時 會 產 生 活 化 電 位, 而 此 電 位 電 流 擴 散 到 心 臟 周 圍 組 織, 然 而 有 部 份 電 流 會 流 至 體 表, 所 以 本 系 統 使 用 的 心 電 圖 量 測 儀, 是 利 用 四 肢 心 電 圖 電 極 夾 透 過 訊 號 線, 將 四 肢 手 腳 皮 膚 表 層 的 電 位 差 傳 至 心 電 圖 類 比 電 路 作 為 輸 入 端 接 著 透 過 一 高 共 模 拒 斥 比 (CMRR) 的 儀 表 放 大 器 當 作 前 置 差 模 訊 號 放 大 器, 再 透 過 保 護 電 路 將 訊 號 和 電 源 做 隔 離, 以 避 免 電 源 供 應 器 或 測 量 儀 器 的 漏 電 造 成 受 測 者 電 極 危 險, 而 後 端 經 由 巴 特 沃 茲 帶 通 濾 波 器 (butterworth band-pass filter) 及 後 級 放 大 器, 將 所 需 的 訊 號 擷 取 和 放 大, 最 後 透 過 60Hz 的 帶 拒 濾 波 器 (notch filter) 濾 除 電 源 端 所 產 生 的 市 電 60Hz 的 干 擾, 最 後 即 能 截 取 出 單 導 程 的 心 電 圖, 其 類 比 電 路 設 計 方 塊 圖 如 圖 3.2 所 示 : 左 右 左 右 心 電 圖 電 極 前 置 放 大 器 保 護 電 路 ECG 帶 拒 濾 波 器 後 級 放 大 器 帶 通 濾 波 器 圖 3.2 心 電 圖 類 比 電 路 方 塊 圖 心 電 圖 是 測 定 心 臟 內 部 發 生 的 電 性 變 化 呈 現 於 體 表 的 電 位, 分 析 心 臟 的 電 性 活 動 和 電 性 變 化, 在 體 表 面 的 特 定 位 置 裝 設 電 極 以 量 測 心 電 訊 號, 經 由 四 肢 兩 兩 電 極 的 組 合 電 位 差 而 得 不 同 導 程 心 電 圖 前 置 放 大 器 採 儀 表 放 大 器, 用 於 擷 取 出 雙 極 性 生 理 訊 號, 並 採 用 JFET 型 的 運 算 放 大 器 來 增 加 皮 膚 電 極 和 電 路 間 的 阻 抗 匹 配, 並 可 抑 制 雜 訊 的 干 擾 留 下 放 大 的 心 電 訊 號, 但 由 於 電 極 是 直 接 接 觸 人 體, 27

40 所 以 需 要 設 計 保 護 電 路 來 保 護 受 測 者, 進 一 步 將 訊 號 和 電 源 做 隔 離, 其 方 法 分 別 採 光 學 式 和 變 壓 器 式 隔 離, 如 圖 3.3 所 示 圖 3.3 隔 離 電 路 圖 在 心 電 圖 擷 取 電 路 設 計 上, 為 降 低 隔 離 過 後 的 準 位 差, 所 以 採 主 動 式 二 階 高 通 濾 波, 去 除 直 流 電 位 影 響 造 成 的 漂 移 現 象, 但 電 極 所 擷 取 的 電 位 訊 號 並 不 完 全 為 所 需 的 訊 號, 所 以 後 端 電 路 中 再 透 過 放 大 電 路 與 低 通 濾 波, 將 所 需 的 心 電 訊 號 擷 取 出 來 在 將 訊 號 輸 出 之 前, 還 必 須 設 計 一 級 60Hz 的 帶 拒 濾 波 器, 以 濾 除 市 電 所 產 生 的 60Hz 的 訊 號 干 擾 心 音 圖 電 路 心 臟 在 收 縮 和 舒 張 的 時 候, 可 將 血 液 打 出 或 是 充 血 然 而, 心 臟 瓣 膜 的 開 關 是 一 種 被 動 過 程, 取 決 於 瓣 膜 兩 側 的 壓 力 差, 而 使 心 臟 瓣 膜 開 啟 或 關 閉 所 以 為 正 確 記 錄 心 臟 瓣 膜 關 閉 時 所 產 生 的 第 一 和 第 二 心 音, 利 用 聽 診 式 麥 克 風 擷 取 心 音 的 聲 音 訊 號, 經 由 巴 特 沃 茲 帶 通 濾 波 器 及 後 級 放 大 器, 將 所 需 的 訊 號 擷 取 和 放 大, 最 後 再 透 過 60Hz 的 帶 拒 濾 波 器 將 不 並 要 的 市 電 60Hz 訊 號 濾 除, 如 圖 3.4 為 心 音 圖 類 比 電 路 設 計 方 塊 圖 : 28

41 心 臟 瓣 膜 關 閉 時 的 震 動 聽 診 式 麥 克 風 前 端 放 大 帶 通 濾 波 器 P 帶 拒 濾 波 器 後 級 放 大 器 圖 3.4 心 音 圖 類 比 電 路 方 塊 圖 麥 克 風 的 種 類 可 分 為 動 圈 式 麥 克 風 (dynamic microphone) 和 電 容 式 麥 克 風 (condenser microphone), 但 由 於 動 圈 式 麥 克 風 含 有 線 圈 和 磁 鐵, 不 像 電 容 式 麥 克 風 輕 便, 且 高 低 頻 響 應 表 現 較 差, 所 以 本 系 統 是 採 用 電 容 式 麥 克 風, 它 因 靈 敏 度 較 高 且 常 用 於 高 品 質 的 錄 音 中 電 容 式 麥 克 風 靠 著 電 容 兩 片 隔 板 間 距 離 的 改 變 來 產 生 電 壓 變 化, 當 聲 波 進 入 麥 克 風, 振 動 膜 產 生 振 動, 因 為 基 板 是 固 定 的, 使 得 振 動 膜 和 基 板 之 間 的 距 離 會 隨 著 振 動 而 改 變, 而 造 成 電 壓 的 變 化, 如 圖 3.5 所 示 圖 3.5 電 容 式 麥 克 風 動 作 原 理 麥 克 風 內 部 電 容 的 改 變, 是 利 用 聽 診 器 聲 波 的 壓 力 而 使 得 振 動 膜 產 生 振 動, 進 而 得 到 所 需 的 聲 音 訊 號, 透 過 放 大 電 路 和 濾 波 電 路, 可 將 所 需 的 心 音 訊 號 擷 取 出 來, 把 不 必 要 的 雜 音 和 肺 音 濾 除 經 由 放 大 電 路 再 將 微 小 訊 號 放 大, 使 波 形 能 表 現 更 為 明 顯 29

42 3.1.3 四 肢 光 容 積 波 電 路 血 管 因 受 到 心 臟 收 縮 和 舒 張 的 作 用, 血 液 容 積 也 自 然 跟 著 改 變, 所 以 當 脈 波 從 心 臟 傳 遞 到 血 管 時, 可 使 血 管 擴 張 而 造 成 血 管 的 容 積 變 化 利 用 利 用 紅 外 線 感 測 器 將 人 體 末 端 手 指 和 腳 趾 微 血 管 的 血 液 含 氧 量 轉 為 電 壓 訊 號, 若 血 管 內 血 紅 素 提 高 時, 紅 外 線 接 收 的 光 能 量 則 越 少, 所 以 在 後 端 電 路 的 設 計 上, 需 加 上 一 級 反 向 放 大 器, 將 光 容 積 波 訊 號 放 大 並 改 變 相 位 帶 通 濾 波 的 電 路 設 計 上, 如 高 通 濾 波 器 可 去 除 手 指 晃 動 所 產 生 的 漂 移 電 壓 或 是 光 耦 合 器 的 直 流 偏 壓, 使 下 一 級 不 進 入 飽 和 區, 和 低 通 濾 波 器 則 可 去 除 市 電 60Hz 的 干 擾 和 日 光 燈 所 產 生 的 可 見 光 雜 訊, 同 時 避 免 高 頻 雜 訊 手 指 腳 趾 紅 外 線 感 測 器 差 動 放 大 器 PPG 後 端 放 大 器 帶 通 濾 波 器 圖 3.6 光 容 積 波 類 比 電 路 方 塊 圖 如 圖 3.7 所 示, 當 血 液 中 的 帶 氧 血 紅 素 越 多, 透 射 百 分 比 就 越 低, 因 此 可 以 利 用 高 效 率 的 紅 外 線 發 光 二 極 體 (photo-diode) 當 一 發 射 端, 受 光 部 分 則 是 以 光 電 晶 體 (photo-transistor) 當 接 收 端, 並 以 光 耦 合 器 作 為 信 號 轉 換 經 由 光 二 極 體 發 射 一 固 定 波 長 的 光 源, 此 時 當 光 源 經 由 血 管, 會 因 血 液 中 帶 氧 血 紅 素 之 多 寡 決 定 其 光 源 之 穿 透 力, 再 經 由 接 收 端 光 電 晶 體 將 所 接 收 到 之 固 定 波 長 光 源 轉 換 成 電 位 訊 號 藉 此 量 測 方 法 可 以 指 出 血 液 流 量 在 各 位 置 的 大 小, 和 監 測 動 脈 血 壓 變 化 30

43 圖 3.7 紅 外 線 發 射 與 接 收 電 路 圖 訊 號 處 理 器 心 電 圖 心 音 圖 和 四 肢 光 容 積 波 在 經 過 類 比 訊 號 的 放 大 和 濾 波 後, 為 了 能 夠 有 效 的 分 析 處 理 各 種 生 理 訊 號, 在 訊 號 處 理 中, 必 須 先 將 類 比 訊 號 轉 為 數 位 訊 號 (analogy to digital converter, ADC), 以 便 於 顯 示 儲 存 和 傳 送 等 本 系 統 於 類 比 轉 數 位 電 路 方 面, 採 用 德 州 儀 器 公 司 (texas instruments, TI) 所 開 發 之 混 合 訊 號 處 理 器 (mixed signal processor, MSP), 此 訊 號 處 理 器 主 要 內 建 8 組 12 Bits 解 析 度 的 類 比 轉 數 位 通 道, 本 系 統 使 用 到 六 組 ADC, 故 採 用 此 處 理 器 當 即 時 性 多 通 道 類 比 轉 數 位 訊 號 用 圖 3.8 為 MSP430F149 內 建 ADC 之 硬 體 架 構 圖 圖 3.8 MSP430F149 內 建 ADC 之 硬 體 架 構 圖 31

44 類 比 訊 號 數 位 化 之 後 直 接 由 MCU MSP430F149 內 建 的 非 同 步 串 列 傳 輸 UART 埠, 將 經 過 A/D 轉 換 後 的 生 理 訊 號, 透 過 RS232 介 面 傳 輸 各 通 道 數 位 資 料 到 電 腦 端, 以 輸 出 顯 示 3.2 軟 體 系 統 架 構 透 過 MSP430F149 將 類 比 訊 號 轉 為 數 位 訊 號 後, 藉 由 MSP430F149 程 式 部 分 的 設 定, 包 括 取 樣 頻 率 鮑 率 的 設 定 等, 將 六 通 道 的 生 理 訊 號 電 壓 值 透 過 串 列 埠 的 傳 送, 把 數 位 訊 號 正 確 的 顯 示 於 電 腦 介 面 端 使 用 Microsoft Visual Basic6 的 圖 形 使 用 介 面 來 負 責 資 料 的 接 收 顯 示 資 料 儲 存 和 即 時 數 值 運 算 等 工 作, 而 後 端 資 料 分 析 與 計 算 則 是 以 Matlab 7.0 設 計 的 圖 型 使 用 介 面 (graphical user interface, GUI) 來 完 成, 透 過 圖 形 式 使 用 介 面 可 快 速 分 析 所 儲 存 的 各 種 生 理 訊 號, 並 繪 出 搜 尋 計 算 所 得 的 特 徵 點 位 置, 以 防 有 誤 判 的 情 形 產 生 軟 體 系 統 是 本 論 文 最 主 要 的 核 心 部 份, 以 下 將 針 對 系 統 控 制 介 面 和 脈 波 分 析 演 算 法 做 詳 述 生 理 訊 號 資 料 載 入 資 料 接 收 起 搏 點 定 位 訊 號 顯 示 第 一 心 音 定 位 即 時 PWV 分 析 計 算 PWV 值 儲 存 資 料 VB 程 式 介 面 脈 波 波 形 與 分 析 結 果 顯 示 Matlab 程 式 介 面 圖 3.9 整 體 的 脈 波 分 析 軟 體 流 程 32

45 3.2.1 資 料 傳 輸 與 擷 取 介 面 Visual Basic 提 供 了 一 個 視 窗 圖 形 式 的 介 面, 讓 使 用 者 可 以 簡 易 編 輯 適 當 的 操 作 介 面, 藉 由 設 定 工 具 屬 性 的 方 式 來 定 義 物 件, 更 可 節 省 更 多 撰 寫 程 式 的 開 發 時 間 當 資 料 經 由 RS-232 傳 輸 到 電 腦 端 時 可 直 接 利 用 VB 中 的 MSComm 控 制 項 來 設 定 鮑 率 和 輸 入 位 元, 讓 系 統 可 以 和 串 列 埠 進 行 溝 通 及 傳 送 資 料, 並 用 陣 列 的 方 式 將 各 個 資 料 記 錄 於 電 腦 中, 以 便 能 快 速 的 將 六 通 道 生 理 訊 號 顯 示 在 電 腦 的 開 發 介 面 上 如 圖 3.10 為 VB 端 資 料 顯 示 儲 存 介 面 圖 3.10 VB 端 資 料 顯 示 儲 存 介 面 圖 中 共 有 六 個 生 理 訊 號 是 同 時 透 過 A/D 轉 換 的 數 位 訊 號 波 形, 分 別 有 第 二 導 程 的 心 電 圖 (ECG) 第 一 與 第 二 心 音 圖 (PCG) 左 右 側 的 手 指 和 腳 趾 光 容 積 波 訊 號 (PPG) 其 他 還 有 使 用 者 資 訊 量 測 時 間 模 式 設 定 和 即 時 分 析 模 式 選 擇 等, 這 些 都 是 在 量 測 時 所 需 的 量 測 模 式 設 定 由 於 此 系 統 可 用 於 長 時 間 的 監 測 上, 所 以 在 介 33

46 面 的 最 下 方 也 寫 入 了 計 時 的 功 能, 以 方 便 受 測 者 能 更 精 確 的 掌 握 已 量 測 的 時 間, 量 測 時 間 模 式 可 分 成 standard 和 timer set 兩 種 模 式, 在 standard 的 模 式 中, 計 時 器 會 一 直 連 續 的 做 計 數, 而 資 料 也 會 不 斷 的 接 收 儲 存, 直 到 使 用 者 按 下 Stop 鍵 而 在 timer set 模 式 中 使 用 者 可 依 所 需 進 行 的 時 間 來 做 設 定, 若 量 測 的 時 間 (measure time) 上 數 到 和 設 定 的 時 間 一 樣 的 話, 就 會 自 動 停 止 接 收 和 儲 存 資 料 另 外, 本 開 發 介 面 還 含 有 即 時 分 析 脈 波 傳 導 速 度 功 能, 在 分 析 模 式 上 分 有 心 音 模 式 和 無 心 音 模 式, 若 選 擇 PCG mode 的 bilateral 則 可 分 析 六 種 PWV 值, 而 當 選 擇 PCG mode 的 unilateral 模 式, 就 能 分 析 單 側 的 三 種 PWV 值, 換 言 之, 若 使 用 者 只 選 擇 no PCG mode 的 bilateral 分 析 模 式 就 和 一 般 傳 統 量 測 方 式 一 樣, 只 是 分 析 左 右 側 的 手 腳 PWV 值, 其 它 數 值 就 不 分 析 不 顯 示 輸 入 使 用 者 資 訊 (ID, 心 手 和 心 腳 長 ) 是 否 需 要 設 定 量 測 時 間 否 按 下 Start 鍵 是 設 定 欲 量 測 時 間 即 時 分 析 PWV 值 按 下 Stop 鍵 或 時 間 終 止 資 料 儲 存 與 顯 示 圖 3.11 VB 端 介 面 操 作 流 程 圖 34

47 本 介 面 的 取 樣 率 設 計 為 1KHz, 每 個 顯 示 頁 面 共 可 繪 5000 筆 資 料, 所 以 即 時 運 算 的 分 析 結 果 會 在 每 五 秒 鐘 更 新 顯 示 一 次, 並 將 每 一 次 所 即 時 分 析 的 PWV 值 自 動 儲 存 下 來 在 資 料 庫 的 建 立 方 面, 是 採 用 即 時 性 的 方 式 建 立 個 人 的 量 測 記 錄, 先 依 當 天 記 錄 的 日 期 建 立 一 個 新 資 料 夾, 然 後 再 依 受 測 者 ID 或 姓 名 建 立 另 一 子 資 料 夾, 最 後 的 資 料 檔 案 名 稱 則 以 當 天 量 測 的 時 間 作 為 命 名, 利 用 此 方 法 能 更 方 便 找 尋 所 有 量 測 資 料 和 歷 史 記 錄 的 觀 察, 亦 能 更 快 速 使 用 後 端 Matlab 加 以 分 析 所 儲 存 的 數 據 資 料 資 料 分 析 介 面 在 使 用 者 分 析 介 面 中, 本 系 統 是 採 用 Matlab7.0 所 開 發 的 GUI 使 用 者 介 面, 由 於 Matlab 在 矩 陣 計 算 整 合 數 值 分 析 和 信 號 處 理 方 面 都 有 很 強 的 處 理 能 力, 且 在 物 件 導 向 圖 形 架 構 上 可 製 作 許 多 高 品 質 的 圖 形, 所 以 希 望 能 藉 此 開 發 系 統, 讓 使 用 者 在 操 作 此 分 析 介 面 時, 可 以 更 有 效 率 的 操 作 執 行 當 所 有 生 理 訊 號 都 透 過 VB 端 將 資 料 儲 存 在 電 腦 後,Matlab 可 直 接 讀 取 已 儲 存 的 使 用 者 資 料, 並 依 使 用 者 需 求, 加 以 分 析 演 算 圖 3.12 GUI 資 料 讀 取 畫 面 35

48 圖 3.13 GUI 資 料 分 析 結 果 圖 在 圖 3.12 中, 透 過 Open file 鍵 將 資 料 讀 取 進 來 後, 即 可 在 File Path 中 顯 示 使 用 者 所 選 擇 的 檔 案 路 徑 名 稱, 輸 入 受 測 者 基 本 資 料 ( 心 手 心 腳 長 和 分 析 的 時 間 區 段 設 定 ) 以 及 分 析 模 式 設 定, 以 便 正 確 計 算 所 需 的 各 個 PWV 值, 如 圖 3.13, 為 增 加 資 料 的 穩 定 性 及 可 用 性, 分 析 結 果 會 顯 示 在 量 測 時 間 內 所 有 PWV 的 平 均 值 和 變 異 性 以 及 心 率 值, 當 變 異 性 越 小, 表 示 受 測 者 是 處 於 一 個 穩 定 的 情 況 下 所 量 測 的, 如 此 更 可 增 加 本 系 統 的 可 靠 性 與 穩 定 性 在 視 窗 中 的 分 析 結 果 中 共 有 六 個 分 析 曲 線 圖, 由 上 至 下 有 左 側 心 到 手 PWV 值 左 側 心 到 腳 PWV 值 右 側 心 到 手 PWV 值 和 右 側 心 到 腳 PWV 值, 另 兩 個 分 析 結 果 還 包 括 傳 統 量 測 方 式 的 左 側 手 到 腳 PWV 值 與 右 側 手 到 腳 PWV 值 在 分 析 結 果 曲 線 圖 中, 會 依 所 使 用 者 設 定 60 秒 的 時 間 ( 取 樣 頻 率 為 1000Hz) 去 作 計 算, 所 以 在 分 析 結 果 中 會 顯 示 1~60 秒 內 的 每 筆 PWV 值, 並 將 分 析 的 每 筆 資 料 顯 示 於 視 窗 中 的 下 方 36

49 資 料 讀 取 是 否 更 改 使 用 者 資 訊 否 分 析 模 式 選 擇 是 輸 入 心 手 與 心 腳 長 設 定 分 析 時 間 按 下 Run 鍵 PWV 值 和 長 時 間 分 析 曲 線 顯 示 是 是 否 繼 續 分 析 其 它 儲 存 資 料 否 結 束 圖 3.14 Matlab 分 析 介 面 操 作 流 程 圖 在 圖 3.15 中, 訊 號 由 上 至 下 分 別 為, 心 電 圖 左 手 指 光 容 積 波 左 腳 趾 光 容 積 波 右 手 指 光 容 積 波 和 右 手 腳 光 容 積 波, 而 最 下 面 的 生 理 訊 號 則 為 心 音 波 形 紅 色 位 置 為 各 個 生 理 訊 號 經 過 搜 尋 計 算 而 得 的 特 徵 點 位 置 心 電 圖 特 徵 點 為 R 波, 容 積 波 特 徵 點 為 起 搏 點 位 置, 以 及 第 一 心 音 的 位 置 37

50 ECG Left finger PPG Left toe PPG Right finger PPG Right toe PPG PCG 圖 3.15 訊 號 與 特 徵 點 擷 取 圖 資 料 分 析 演 算 法 在 資 料 分 析 的 特 徵 點 定 位 方 式, 主 要 為 尋 找 第 一 心 音 心 電 圖 R 波 和 手 指 與 腳 趾 容 積 起 搏 點 位 置, 再 針 對 各 個 特 徵 點 間 的 時 間 差 加 以 計 算 四 肢 和 雙 側 的 脈 波 傳 導 速 度, 以 做 為 評 估 血 管 健 康 狀 況 的 參 考 指 標, 以 下 為 各 特 徵 點 找 尋 的 演 算 法 介 紹 手 指 與 腳 趾 脈 波 起 搏 點 : 當 心 臟 收 縮 開 始, 大 量 的 血 液 流 入 動 脈, 造 成 血 管 內 容 積 突 然 快 速 擴 張, 而 形 成 脈 波 急 遽 上 升 的 主 波 峰 現 象, 所 以 利 用 脈 波 起 搏 點 位 置 做 為 整 個 脈 波 外 型 的 起 始 點, 以 反 映 血 管 擴 張 的 瞬 間 變 化 但 手 指 與 腳 趾 起 搏 點 不 一 定 為 脈 波 週 期 的 最 小 點, 而 是 由 前 一 週 期 脈 波 最 終 點 至 脈 波 主 波 峰 間 的 反 折 角 度 最 大 點 位 置, 因 此 必 須 先 將 各 個 脈 波 主 波 峰 點 與 脈 波 38

51 最 終 點 找 出 脈 波 主 波 峰 點 位 置 是 採 以 振 幅 大 小 倍 數 當 閥 值 (Threshold), 並 利 用 此 閥 值 定 義 各 區 段 找 出 主 波 峰 點, 也 就 是 區 域 的 最 大 點 位 置, 演 算 法 如 公 式 3.1 所 示, 再 透 過 兩 個 主 波 峰 點 之 間 找 其 區 域 最 小 點, 如 此 即 能 透 過 逼 近 法 找 出 最 終 點 至 脈 波 主 波 峰 間 的 起 搏 點 位 置 Threshold = (Maximum-Minimum) Weight + Minimum (3.1) 在 進 行 長 時 間 的 量 測 時, 由 於 光 容 積 波 不 為 一 固 定 振 幅 的 脈 波 訊 號, 所 以 閥 值 必 須 隨 著 每 一 週 期 的 脈 波 振 幅 做 一 有 效 的 調 整, 以 免 因 為 脈 波 振 幅 過 小 而 造 成 誤 判 等 情 形 手 指 腳 趾 sec 圖 3.16 手 指 與 腳 趾 脈 波 特 徵 點 位 置 心 電 圖 R 點 : 由 於 心 電 圖 R 波 通 常 為 振 幅 最 明 顯 的 部 份, 尤 其 是 心 電 圖 LeadⅡ 更 是 明 顯 可 見, 所 以 使 用 的 演 算 法 亦 與 找 尋 脈 波 主 波 峰 點 的 位 置 類 似 利 用 閥 值 判 定 的 方 式, 找 出 閥 值 以 上 之 最 大 值 位 置, 即 可 準 確 找 出 心 臟 週 期 的 各 個 心 電 圖 R 波 的 所 在 位 置 第 一 心 音 S 1 : 在 心 室 收 縮 時, 心 臟 憎 帽 瓣 和 三 尖 瓣 關 閉, 使 得 心 室 壓 力 高 於 主 動 脈 壓, 而 把 主 動 脈 瓣 及 肺 動 脈 瓣 打 開, 將 大 量 血 液 打 到 主 動 脈 內, 此 時 可 聽 到 心 縮 期 產 生 的 第 一 心 音 但 心 臟 收 縮 正 常 包 括 第 一 心 音 和 第 二 心 音, 但 第 一 心 音 也 不 一 定 會 比 第 二 心 音 響, 所 以 若 只 利 用 閥 值 來 判 定 第 一 心 音, 39

52 也 許 還 略 顯 不 足, 故 此 演 算 法 同 時 加 入 以 求 得 的 脈 波 起 搏 點 和 前 一 週 期 的 脈 波 主 波 峰 點 做 為 判 別 第 一 心 音 的 參 考 範 圍, 如 公 式 3.2 所 示 S 1 = Maximum( (PPG max(0) + Weight ) to PPG pace(1) ) (3.2) 利 用 脈 波 等 特 徵 點 加 以 運 算 分 析, 以 便 從 區 間 中 找 出 區 域 的 最 大 值, 如 此 更 能 正 確 找 尋 出 各 心 音 週 期 的 第 一 心 音 位 置, 由 於 本 系 統 各 通 道 皆 是 採 用 同 時 間 的 量 測 方 式, 且 亦 都 以 經 過 電 路 的 校 準 和 補 償, 所 以 加 入 脈 波 的 參 考 點 做 為 判 別 心 音 的 特 徵 點, 如 此 可 更 快 速 且 準 確 的 找 出 第 一 心 音 心 電 圖 心 音 圖 脈 波 圖 sec 圖 3.17 心 電 圖 R 波 第 一 心 音 與 脈 波 特 徵 點 位 置 40

53 第 四 章 實 驗 流 程 與 結 果 本 系 統 為 多 通 道 動 脈 硬 化 程 度 之 量 測 系 統, 分 別 採 用 紅 外 線 夾 四 肢 手 指 與 腳 趾 擷 取 脈 波, 再 利 用 第 一 心 音 定 位 的 方 式 量 測 各 點 脈 波 傳 導 速 度, 進 而 評 估 週 邊 血 管 硬 化 程 度 本 論 文 主 要 研 究 重 點 為 探 討 各 邊 手 指 與 腳 趾 脈 波 傳 導 速 度 間 的 關 係 與 差 異 性, 另 外, 本 系 統 除 了 可 量 測 四 肢 脈 波 傳 導 速 度 外, 並 且 具 有 傳 統 量 測 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 的 量 測 方 法, 所 以 並 可 同 時 與 傳 統 量 測 結 果 做 一 比 較, 希 望 透 過 此 實 驗 結 果, 可 以 提 供 一 個 可 信 度 更 高 且 更 精 確 的 脈 波 傳 導 速 度, 以 便 給 醫 師 用 於 診 斷 動 脈 硬 化 程 度 上 的 一 個 輔 助 及 參 考 值 4.1 實 驗 流 程 在 實 驗 的 過 程 中, 受 測 者 必 須 先 進 行 基 本 參 數 的 量 測, 接 著 才 進 行 脈 波 傳 導 速 度 的 量 測, 所 以 實 驗 過 程 中 可 分 為 兩 階 段 加 以 敘 述 首 先 記 錄 受 測 者 的 基 本 資 料, 包 括 : 年 齡 身 高 體 重 體 脂 腰 圍 臀 圍, 還 有 心 手 距 離 長 和 心 腳 距 離 長, 然 後 再 透 過 醫 療 用 儀 器 Welch Allyn Atlas 的 生 理 監 測 儀 (621S-E1, Welch Allyn, USA) 記 錄 受 測 者 的 心 率 血 氧 濃 度 手 臂 及 腳 踝 的 血 壓 值 接 著, 第 二 階 段 才 將 量 測 脈 波 傳 導 速 度 的 感 測 器 接 於 受 測 者 四 肢, 由 於 在 量 測 的 過 程 中 受 測 者 需 保 持 靜 態 的 狀 態 下, 才 可 確 保 資 料 的 穩 定 性, 所 以 受 測 者 必 須 先 靜 躺 5 分 鐘 以 上, 確 定 資 料 正 確 及 穩 定 後, 便 可 開 始 紀 錄 2 分 鐘 的 生 理 訊 號 資 料 實 驗 流 程 圖 如 圖 4.1 所 示 : 41

54 開 始 A 受 測 者 基 本 資 料 量 測 ( 體 重 腰 圍 ) 受 測 者 靜 躺 十 五 分 鐘 使 用 Welch Allyn Atlas 的 生 理 監 測 儀 量 測 脈 波 傳 導 速 度 (ECG, PCG, PPG) 記 錄 心 率 血 氧 濃 度 手 臂 和 腳 踝 血 壓 記 錄 兩 分 鐘 生 理 訊 號 A 完 成 圖 4.1 實 驗 流 程 圖 圖 4.2 實 驗 量 測 圖 (A) 42

55 圖 4.3 實 驗 量 測 圖 (B) 圖 4.4 量 測 介 面 圖 43

56 4.2 實 驗 結 果 與 討 論 在 完 成 受 測 者 的 量 測 後, 透 過 MATLAB 程 式 開 發 介 面, 分 析 儀 器 記 錄 的 生 理 訊 號 資 料, 在 實 驗 過 程 中, 受 測 者 每 人 皆 測 得 連 續 2 分 鐘 的 生 理 訊 號 資 料, 但 為 避 免 受 測 者 移 動 或 其 他 因 素 干 擾,2 分 鐘 的 資 料 實 際 上 只 取 1 分 鐘 的 連 續 資 料 做 分 析, 以 確 保 數 據 的 穩 定 性 及 降 低 錯 誤 率 每 位 受 測 者 皆 同 步 擷 取 六 通 道 生 理 訊 號, 分 別 為 心 電 圖 心 音 圖 及 四 肢 末 端 脈 波 訊 號, 其 分 析 的 方 式 是 透 過 MATLAB 程 式 尋 找 出 脈 波 起 搏 點, 再 利 用 第 一 心 音 定 位 的 方 式 求 出 心 與 手 腳 間 的 時 間, 計 算 出 4 種 PWV 值 ( 心 至 左 手 心 至 右 手 心 至 左 腳 心 至 右 腳 ) 及 2 種 手 腳 PWV 值 ( 左 手 至 左 腳 右 手 至 右 腳 ), 利 用 這 6 種 PWV 的 量 測 值 加 以 探 討 左 右 側 脈 波 傳 導 速 度 及 心 與 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 所 對 應 至 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 的 關 係 表 4.1 為 所 有 受 測 者 連 續 分 析 1 分 鐘 的 資 料 所 計 算 出 心 率 及 PWV 的 平 均 值 : 表 4.1 受 測 群 的 心 率 脈 與 波 傳 導 速 度 ( 單 位 : 公 尺 / 秒 ) 受 測 者 心 率 (HR) lhfpwv lhtpwv lftpwv rhfpwv rhtpwv rftpwv std std std std std std std * r: right l: left h: heart f: finger t: toe 44

57 受 測 者 心 率 (HR) lhfpwv lhtpwv lftpwv rhfpwv rhtpwv rftpwv std std std std std std std std std std std std std std std std std

58 受 測 者 心 率 (HR) lhfpwv lhtpwv lftpwv rhfpwv rhtpwv rftpwv std std std std std std std std std std std std std std std std

59 表 4.2 受 測 群 的 平 均 脈 波 傳 導 速 度 及 平 均 標 準 差 ( 單 位 : 公 尺 / 秒 ) lhfpwv 9.51 lhtpwv 7.73 lftpwv 6.32 標 準 差 0.61 標 準 差 0.30 標 準 差 0.39 rhfpwv 9.32 rhtpwv 7.61 rftpwv 6.05 標 準 差 0.60 標 準 差 0.30 標 準 差 0.37 本 論 文 共 採 集 40 位 健 康 的 師 生 作 為 本 實 驗 正 常 受 測 群, 利 用 心 音 定 位 的 方 式 加 以 評 估 四 肢 波 傳 導 速 度 間 的 關 係 並 與 傳 統 量 測 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 的 方 式 做 一 比 較 及 探 討 此 實 驗 分 析 初 步 先 採 用 SPSS(Statistical Package for Social Science)13.0 版 分 析 軟 體 統 計 法 分 析 左 右 側 各 個 相 對 應 的 PWV 值 (lhfpwv & rhfpwv, lhtpwv & rhtpwv, lftpwv & rftpwv) 間 的 相 關 性 在 數 據 的 分 析 上, 藉 由 分 析 40 位 受 測 者 左 右 側 PWV 值 間 的 相 關 性, 來 檢 視 受 測 者 左 右 側 的 四 肢 脈 波 傳 導 速 度 是 否 為 對 稱 結 果 於 表 4.3 中 可 發 現 正 常 人 的 PWV 值 其 心 手 PWV 值 (hfpwv) 與 心 腳 PWV 值 (htpwv) 都 是 相 互 對 稱 的, 相 關 性 達 及 0.781(p<0.001), 兩 側 間 有 顯 著 的 相 關 性 存 在 表 4.3 左 右 側 PWV 值 相 關 性 統 計 表 PWV type N Correlation coefficient Sig. Pair 1 lhfpwv & rhfpwv Pair 2 lhtpwv & rhtpwv Pair 3 lftpwv & rftpwv 使 用 第 一 心 音 定 位 的 方 式 可 將 四 肢 的 脈 波 傳 導 速 度 分 別 計 算 出, 然 而, 在 所 有 的 受 測 群 中, 有 75% 的 人 其 四 肢 的 PWV 值 都 是 不 等 速 的, 心 與 手 腳 的 PWV 計 算 出 的 值 比 利 用 手 腳 計 算 的 PWV 值 大, 且 心 手 PWV 值 都 要 比 心 腳 PWV 值 大, 反 而 手 腳 PWV(ftPWV) 值 都 要 低 很 多, 因 此 從 這 實 驗 結 果 中, 可 將 心 手 心 腳 及 手 腳 的 PWV 值 之 間 的 關 係 歸 納 出 二 種 情 況 : 47

60 兩 側 皆 心 手 PWV 值 大 於 心 腳 PWV 值 : 當 心 手 脈 波 傳 導 速 度 大 於 心 腳 所 計 算 的 脈 波 傳 導 速 度, 可 以 發 現 到 使 用 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 會 比 用 心 手 與 心 腳 計 算 的 脈 波 傳 導 速 度 還 小 很 多, 且 心 手 與 心 腳 的 脈 波 傳 導 速 度 差 值 越 大 時, 則 手 腳 的 脈 波 傳 導 速 度 也 會 與 心 手 與 心 腳 的 脈 波 傳 導 速 度 差 越 大 心 手 PWV 值 與 心 腳 PWV 值 等 速 : 當 心 手 與 心 腳 為 等 速 (PWV 平 均 值 相 差 小 於 1) 時, 其 使 用 手 腳 脈 波 傳 導 速 度 的 方 式 所 量 測 出 的 值 也 和 心 與 手 腳 所 計 算 的 脈 波 傳 導 速 度 差 值 不 大 在 心 手 PWV 值 大 於 心 腳 PWV 值 的 情 況 下, 所 計 算 的 手 腳 PWV 值 則 會 明 顯 偏 低, 且 大 部 分 的 人 都 是 出 現 這 種 情 況, 所 以 為 了 證 明 受 測 者 的 PWV 值 是 穩 定 且 短 時 間 內 並 不 會 有 明 顯 變 化 的 正 常 受 測 群, 所 以 於 實 驗 中 安 排 兩 個 時 間 ( 約 相 差 三 個 星 期 ) 用 以 追 蹤 受 測 者 的 6 種 PWV 值, 以 增 加 數 據 的 穩 定 性 及 可 靠 性, 如 表 4.4 所 示, 受 測 者 在 不 同 兩 天 所 量 測 的 PWV 值 皆 非 常 相 近, 且 各 組 PWV 值 間 的 變 異 性 也 相 當 小 藉 此, 亦 可 應 證 此 系 統 在 多 次 的 量 測 下, 其 穩 定 性 是 極 高 的 表 4.4 受 測 者 於 不 同 時 間 量 測 的 心 率 脈 波 傳 導 速 度 ( 單 位 : 公 尺 / 秒 ) 受 測 者 時 間 lhfpwv lhtpwv lftpwv rhfpwv rhtpwv rftpwv A 君 B 君 C 君 D 君 Day Day Day Day Day Day Day Day