TW201622653A - 用以偵測血氧濃度及／或腦血腫之裝置及方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示內容是關於一種用以偵測個體腦部含氧量的裝置。該裝置包含分別連接至處理器的探頭及偵測構件。依據本揭示內容之實施方式，該探頭包含三種光源，以同時發散能穿透個體腦部之第一、第二及第三近紅外光波長。第一近紅外光波長為氧合血紅素及去氧合血紅素的等吸收波長，第二近紅外光波長短於第一近紅外光波長，第三近紅外光波長長於第一近紅外光波長。偵測構件包含第一、第二及第三偵測器，可分別偵測第一、第二及第三近紅外光波長在穿透個體腦部後的近紅外光強度。內建於處理器、由貝爾定律所衍生的計算公式可依據偵測到的第一、第二及第三近紅外光波長的近紅外光強度來計算血氧濃度。本揭示內容亦包含一種利用本發明裝置來測量個體是否具有腦血腫的方法。
Description
本揭示內容是與測定腦部含氧量(brain oxygen level)及偵測腦血腫(brain hematoma)有關。更具體來說，本揭示內容是關於利用近紅外光(near infrared, NIR)波長來測量個體不同部位之相對血紅素飽和度，藉以測定腦部含氧量及／或偵測腦血腫的裝置及方法。
對頭部創傷病患進行初步復甦的首要任務是確認及手術清除創傷性顱內血腫。血腫主要是因出血或外傷造成血液堆積於血管外所致。由於持續擴大的血塊會壓迫到腦幹致使個體死亡或造成腦部缺血性損傷，因此手術清除需盡早進行。一般來說，延遲治療（即腦部損傷與血腫清除的時間間距超過4小時）會增加傷者的死亡率及傷勢的惡化程度。
目前已有數種檢測方法可用以確認創傷性顱內血腫及其位置，例如電腦斷層掃描(computed tomography, CT)、核磁共振影像(magnetic resonance imaging, MRI)、X輻射或X光(X-radiation, X-ray)、腦部血腫檢測儀(infrascan)及微脈衝雷達(micropower impulse radar, MIR)。然而，在實際檢測腦血腫時，該些技術皆有不同的限制條件。
CT掃描可提供受傷部位之三維立體空間等向性影像，能同時顯影受損傷之骨骼、軟組織及血管。然而，一般CT之功效往往受限於：(1)準備及檢測時間過長；(2)無法正確辨別血腫及腦水腫(hydrocephalus)；(3)無法持續性監測；(4)無法排除潛在性損傷，例如缺血及缺氧；(5)於腦幹及後窩(posterior fossa)具有較差的顯影力；(6)輻射曝露；以及(7)顯影劑可能引發過敏或腎臟病變。該些限制往往侷限了CT在臨床上的相關應用。
MRI是一種不需照射游離輻射且具有高敏感度的顯影技術，可藉由檢測組織中水分子的移動來偵測及評估腦幹損傷及早期中風。然而，臨床上MRI的應用可能受限於下列情況。第一，個體體內的移植物或其他金屬物質會造成MRI無法清晰顯影。第二，由於牽引裝置及其他生命維持儀器必須遠離顯影區域，急性損傷的病患並不適合進行MRI顯影分析。第三，MRI顯影所需時間較長，且無法立即得知結果。此外，與CT顯影相似，顯影劑的使用可能會導致病患產生過敏反應或腎臟病變。
X光是一種電磁輻射，僅需數秒即可完成X光影像掃描。X光的最大限制為其掃描時無法改變影像平面，因此無法提供詳細的立體資訊。此外，X光也會破壞DNA，有可能會造成基因缺損及／或疾病。
腦部血腫檢測儀是一種利用NIR掃描頭部創傷病患的技術，其是依據頭部二側的光學密度對比資料來進行診斷及分析。因此，當頭部二側同時產生血腫時，該項檢測技術即無法有效地診斷分析。
MIR技術是利用可穿透人體、且持續時間極短的電磁脈衝來進行診斷。與超音波或其他電磁技術不同的是，MIR可穿透頭骨來分析腦內及硬膜外血腫。然而，與腦部血腫檢測儀相似，MIR運作準確與否取決於受測者先天頭部二側是否對稱，並且需要基準值或受傷前掃描方能進行微差分析(differential analysis)，以確認腦部是否有異常。因此，MIR僅可用來檢測頭部單側血腫，而無法檢測雙側血腫。
有鑑於此，相關領域亟需一種改良的裝置及／或方法，藉由持續監測血氧濃度(blood oxygen level)的變化，來早期偵測腦血腫（特別是雙側腦血腫）。
發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。
本揭示內容是關於一種用以測量個體之腦部含氧量及／或監測個體腦血腫的裝置及其用途。
在第一態樣中，本揭示內容是關於一種用以測量個體之腦部含氧量及／或監測個體之腦血腫的裝置。該裝置包含： 一探頭 (probe)，包含第一、第二及第三光源，可分別發散第一、第二及第三之可穿透個體腦部的NIR波長，其中該第一、第二及第三NIR波長分別約為790-810奈米、650-790奈米及810-1,000奈米； 一偵測構件(detecting means)，包含第一、第二及第三NIR 偵測器(NIR detector)，其中各NIR偵測器可分別偵測該第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 一與該探頭及該偵測構件連接的處理器(processor)，可藉由該偵測構件所偵測的第一、第二及第三強度來計算腦部含氧量或分析腦血腫。
依據本揭示內容一實施方式，第一NIR波長約為808奈米，第二NIR波長約為780奈米，且第三NIR波長約為850奈米。
依據本揭示內容另一實施方式，第一、第二及第三光源中的各光源可以是雷射二極體(laser diode, LD)或發光二極體(light emitting diode, LED)。
依據本揭示內容一實施方式，探頭具有一管狀(tube)結構，且第一、第二及第三光源是設置於管狀結構的一端。依據本揭示內容另一實施方式，探頭及偵測構件是分別配置為墊片形式(pad)。依據本揭示內容再另一實施方式，探頭及偵測構件是分別配置於一頭戴裝置(headset)上，且彼此間隔角度為180度。在該實施例中，配置於頭戴裝置上的探頭及偵測構件是分別與一驅動裝置(driving means)連結，該驅動裝置可驅動探頭及偵測構件於該頭戴裝置上同步進行圓周運動。
相較於傳統偵測及顯影技術，本發明裝置的優勢在於探頭及偵測構件可依應用需求分別放置於不同位置(例如個體之頭部、鼻腔、耳道及口腔)，藉以改善測量的準確性及功效。
本揭示內容的第二態樣是關於一種利用本發明裝置來測定一個體之腦部含氧量的方法。該方法包含： (a)分別將探頭及偵測構件放置於第一及第二位置，其中第一及第二位置係分別選自由個體之頭部、鼻腔、耳道及口腔所組成的群組； (b)利用偵測構件的第一、第二及第三NIR偵測器來分別測量第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 (c)依據步驟(b)測得之第一、第二及第三強度，利用公式(1)及(2)來計算測定個體的腦部含氧量：(1),(2), 其中I0
及I分別表示由光源發散之NIR波長的強度及由NIR偵測器測得之NIR波長的強度，R是I及I0
比例的對數，λ為NIR的波長，ϵ為血紅素(hemoglobin, Hb)或氧合血紅素(Oxydative Hemoglobin, HbO2
)的消光係數(extinction coefficient)，L為NIR波長的光路徑長度，且G為吸收係數(absorption coefficient)。
腦部含氧量可提供用以評估腦血腫之血塊大小及發生位置的資訊。或者是，腦血腫的發生位置可直接由三種NIR波長的訊號值分析測定，其中該三種NIR波長可分別穿透三條具有不同深度及吸光度的路徑。因此，本揭示內容的第三態樣是關於一種用以監測或偵測一個體之腦血腫的方法。該方法包含： (a)分別將探頭及偵測構件放置於第一及第二位置，其中第一及第二位置係分別選自由個體之頭部、鼻腔、耳道及口腔所組成的群組； (b)利用偵測構件的第一、第二及第三NIR偵測器來分別測量第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 (c)將步驟(b)測得之第一、第二及第三NIR波長的第一、第二及第三強度與一健康個體之相對值(即第一、第二及第三NIR波長在穿透健康個體腦部後的第一、第二及第三強度)進行比較，若所測得之第一、第二及第三NIR波長的第一、第二及第三強度與健康個體之相對值不同，則代表該個體具有腦血腫。
為提供準確的測量結果，本發明探頭及偵測構件可分別放置於不同的位置。依據本揭示內容一實施方式，探頭及偵測構件是分別放置於個體之鼻腔及頭部。依據本揭示內容另一實施方式，探頭及偵測構件是分別放置於個體之耳道及頭部。依據本揭示內容再另一實施方式，探頭及偵測構件是分別放置於個體之口腔及頭部。
在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。
為了使本揭示內容的敘述更加詳盡與完備，下文針對了本發明的實施態樣與具體實施例提出了說明性的描述；但這並非實施或運用本發明具體實施例的唯一形式。實施方式中涵蓋了多個具體實施例的特徵以及用以建構與操作這些具體實施例的方法步驟與其順序。然而，亦可利用其他具體實施例來達成相同或均等的功能與步驟順序。
雖然用以界定本發明較廣範圍的數值範圍與參數皆是約略的數值，此處已盡可能精確地呈現具體實施例中的相關數值。然而，任何數值本質上不可避免地含有因個別測試方法所致的標準偏差。在此處，「約」通常係指實際數值在一特定數值或範圍的正負10%、5%、1%或0.5%之內。或者是，「約」一詞代表實際數值落在平均值的可接受標準誤差之內，視本發明所屬技術領域中具有通常知識者的考量而定。除了實驗例之外，或除非另有明確的說明，當可理解此處所用的所有範圍、數量、數值與百分比（例如用以描述材料用量、時間長短、溫度、操作條件、數量比例及其他相似者）均經過「約」的修飾。因此，除非另有相反的說明，本說明書與附隨申請專利範圍所揭示的數值參數皆為約略的數值，且可視需求而更動。至少應將這些數值參數理解為所指出的有效位數與套用一般進位法所得到的數值。在此處，將數值範圍表示成由一端點至另一段點或介於二端點之間；除非另有說明，此處所述的數值範圍皆包含端點。
除非本說明書另有定義，此處所用的科學與技術詞彙之含義與本發明所屬技術領域中具有通常知識者所理解與慣用的意義相同。此外，在不和上下文衝突的情形下，本說明書所用的單數名詞涵蓋該名詞的複數型；而所用的複數名詞時亦涵蓋該名詞的單數型。
「個體」(subject)一詞在本說明書是指一包含人類的哺乳類動物，其可以本發明裝置及／或方法進行偵測。除非另有定義，否則「個體」(subject)一詞在本說明書中同時包含男性及女性。
「近紅外線」(near infrared, NIR)一詞在本說明書中是指一波長介於約650到3,000奈米間的光線；更佳是介於約650到1,400奈米的光線；最佳是介於約650到1,000奈米的光線。
紅血球是生物體中主要的氧氣載體，因此，可藉由血紅素(hemoglobin)的完全飽和程度、血中的氧分子，或氧合血紅素(oxy-hemoglobin, HbO2
)與去氧合血紅素(deoxy-hemoglobin, Hb)的比例來檢測血氧濃度。上述二種血紅素(即HbO2
及Hb)對於穿透組織的近紅外光光波具有不同的吸收特性。因此，可基於其NIR特性，利用由貝爾定律(Beer-Lambert law)衍生的公式來計算HbO2
及Hb的濃度，進而得到血氧濃度。組織中的血氧濃度可作為一指數，以辨定組織中是否具有損傷。
貝爾定律是一種將光吸收映射至光穿透物質特性的關係表示法。有數種方式可以表示貝爾定律。光對一介質的穿透度(transmittance, T)是指光線進入介質時之光強度(IO
)與離開介質時之光強度(II
)的比例，可表示為：，其中，λ為光的波長，k為消光係數。光的吸光度(absorbance, A)為，且，其中l
為光穿透介質的距離(即路徑長度)，c
為介質中吸收物質的濃度，而α
則為介質的吸收係數或莫耳吸光度(molar absorptivity)。
本發明是關於一種裝置，可準確且有效地測量個體的腦部含氧量。本發明裝置的操作是基於HbO2
及Hb對NIR的吸收特性，以多種NIR波長穿透個體後，於多個位置(例如至少三種不同的位置)來測量該些NIR。更具體來說，在本發明裝置中所使用的三種NIR，其中一種NIR波長是HbO2
及Hb的等吸收點(isosbestic point)，另外二種波長則可以是近紅外光光譜中的任何波長(約為650奈米至1,000奈米)；二種波長中的一種波長必需比等吸收點波長來得短，另一種波長則是比等吸收點波長來得長。將三種波長在三種不同位置測得的NIR強度套入由貝爾定律所衍生的公式中，即可得到組織的氧合飽和度。醫師可由組織的氧合飽和度來辨別是否有腦血腫，較佳是，辨別出發生腦血腫的位置。
據此，本揭示內容的第一態樣是關於一種用以測量一具有或疑似具有腦血腫之個體其腦部含氧量的裝置。
第1圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之一種用以測量腦部含氧量之裝置100的示意圖。此裝置100包含一探頭110及一偵測構件120，其分別與一處理器130連接。探頭110包含一個可間歇性發散出能穿透個體腦部之第一、第二及第三NIR波長的第一光源115；其中第一NIR波長是HbO2
及Hb的等吸收波長，第二NIR波長短於第一NIR波長，而第三NIR波長則長於第一NIR波長。偵測構件120包含第一NIR偵測器121、第二NIR偵測器122及第三NIR偵測器123；其中三個NIR偵測器中，各NIR偵測器皆可個別偵測第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度。在一例示性實施例中，探頭110及偵測構件120分別以光導(light guide, 140, 150)與處理器130連接，其中該光導是包覆於一種塑膠材質中，例如聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)包覆線圈。或者是，探頭110及偵測構件120可以無線連接方式與處理器130連接，例如藍牙(Bluetooth)、無線相容性(wireless fidelity, WiFi)、紅外線(infrared)及超寬頻連接(ultra-wideband connection)等。
第2圖繪示了本揭示內容另一實施方式。在該實施方式中，裝置200與第1圖繪示之裝置100具有相同的元件配置，不同之處在於裝置200包含三個光源，而裝置100僅包含一個光源。例示性的裝置200包含一探頭210及一偵測構件220，其分別與一處理器230連接。裝置200的特色在於包含第一、第二及第三光源(215a, 215b, 215c)的探頭210可同時發散出能穿透個體腦部的第一、第二及第三NIR波長。偵測構件220包含第一、第二及第三NIR偵測器(221, 222, 223)，其中各NIR偵測器(221, 222, 223)可分別測量第一、第二及第三NIR波長在穿透個體組織(例如腦部)後的第一、第二及第三強度。與第1圖所示相似，探頭210及偵測構件220可利用包覆於塑膠(例如PVC)線圈之光導(240, 250)與處理器230連接，或是以無線方式(包含，但不限於藍牙、無線相容性、紅外線及超寬頻連接)與處理器230連接。
在本揭示內容實施方式中，第一NIR波長介於約790奈米到810奈米間，第二NIR波長介於約650奈米到790奈米間，而第三NIR波長則介於約810奈米到1,000 奈米間。在一特定實施例中，第一NIR波長約為808奈米，第二NIR波長約為780奈米，而第三NIR波長約為850奈米。
適用於本發明裝置之光源可以是雷射二極體(laser diode, LD)或發光二極體(light emitting diode, LED)，二種二極體皆可發散出NIR波長的光線。在本揭示內容一較佳實施方式中，是使用能發散出約650奈米至1,000奈米波長光線的LD當作光源。依據本揭示內容實施方式，各光源的輸出功率約為5毫瓦(milliwatt, mW)。
在操作上，探頭210及偵測構件220可分別放置於個體的頭部、鼻腔、耳道或口腔。一般來說，探頭210及偵測構件220是分別放置於個體的不同位置，例如將探頭210放置於鼻腔中，而將偵測構件220放置於頭部。或者是，可將探頭210及偵測構件220放置於相同位置(例如皆放置於頭部)，二者以預定距離相隔。舉例來說，若將探頭210及偵測構件220放置於個體的頭上，二者的相隔角度約為10到180度。
在一特定實施方式中，設置於光源探頭210的光源(215a, 215b, 215c)在啟動後即會發散出可穿透個體腦部之第一、第二及第三NIR波長。穿透組織後的三種NIR波長可被設置於偵測構件220的NIR 偵測器(221, 222, 223)所接收。接著再由內建於處理器230中、由貝爾定律所衍生的公式來處理所測得NIR強度，據以計算個體腦部的含氧量。依據本揭示內容的實施方式，是利用公式(1)及(2)來計算腦部含氧量：(1)，(2)， 其中I0
及I分別表示由光源發散之NIR波長的強度及由NIR偵測器測得之NIR波長的強度，R是I及I0
比例的對數，λ為NIR波長，ϵ為血紅素(hemoglobin, Hb)或氧合血紅素(Oxydative Hemoglobin, HbO2
)的消光係數，L為NIR波長的光路徑長度，且G為吸收係數。
若欲將本發明裝置探頭210放置於一具有管道狀結構的位置，例如鼻腔、口腔及耳道，則需要一特定構型的探頭來實現本發明。第3A圖繪示了一種適用於鼻腔、口腔及耳道的探頭310。探頭310具有一管狀結構，其一端設置有三個光源(315a, 315b, 315c)。可利用具可撓性的塑膠彈性材質來製備探頭310，例如橡膠、聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)、聚醯胺(polyamide, PA)、聚酯(polyester, PES)、聚對酞酸乙二酯(polyethylene terephthalate, PET)、聚乙烯(polyethylene, PE)、高密度聚乙烯(high-density polyethylene, HDPE)、聚二氯亞乙烯(polyvinylidene chloride, PVDC)、低密度聚乙烯(low-density polyethylene, LDPE)、聚丙烯(polypropylene, PP)、聚苯乙烯(polystyrene, PS)、耐衝擊性聚苯乙烯(high impact polystyrene, HIPS)及聚氨酯(polyruethanes, PU)等。或者是，探頭310可由二氧化矽(silica)來製備，例如熔融矽石玻璃(fused silica glass)、鈉鈣矽玻璃(soda-lime-silica glass)、硼矽酸鈉玻璃(sodium borosilicate glass)、氧化鉛玻璃(lead-oxide glass)及鋁矽玻璃(aluminosilicate glass)。探頭310可以更包含一間隔元件(spacer element, 330)，其係設置於管狀結構外表面的一側，且靠近設有光源(315a, 315b, 315c)的一端。 在操作上，是將探頭310放置於鼻腔、口腔或耳道，間隔元件330可提供一額外的空間，避免管道阻塞。探頭310的長度足以使探頭310放置至特定位置，例如鼻腔、口腔及耳道。一般來說，探頭310的長度約為5到30公分，例如5公分、10公分、15公分、20公分、25公分或30公分。
依據本揭示內容一實施方式，探頭310可更包含一照相機350。在該實施例中，光源(315a, 315b, 315c)及照相機350是設置於探頭310的同一端。依據本揭示內容另一實施方式，於探頭 310設置照相機350及光源 (315a, 315b, 315c)的一端具有一傾斜面，藉以使探頭310較易放置入管道結構中。在該實施方式中，該傾斜面與探頭310的縱軸方向具有一約45±10度的夾角θ。
第3B圖提供一實施例，其中探頭360及偵測構件370是分別配置為墊片形式。各墊片由上至下的組成為一離形層(releasing film)、一粘著層(adhesive layer)及一支撐基質(supporting substrate)，其中探頭360或偵測構件370是藉由粘著層固定於墊片的支撐基質上。操作時，使用者先撕下離形層，曝露出利用粘著層固定於支撐基質的三個光源(365a, 365b, 365c)或三個NIR偵測器(375, 376, 377)，再藉由按壓使粘著層貼附於特定位置，使墊片固定於特定位置(例如頭部)。依據本揭示內容實施方式，可利用任何常規材料來製備本發明墊片，較佳是利用彈性聚氨酯、天然或合成橡膠或織品來製備本發明墊片。
在其他實施方式中，是將本發明裝置(100或200)的探頭及偵測構件配置在一可穿戴於個體頭部的頭戴裝置上。第4圖繪示了頭戴裝置400，其係包含一軌道狀結構401以架設探頭410及偵測構件420於其上，其中探頭410及偵測構件420彼此相隔角度為180度；以及一驅動裝置430與探頭410及偵測構件420相連接，藉以驅動探頭410及偵測構件420於軌道狀結構401上同步進行圓周運動。可利用塑膠或金屬材料來製備頭戴裝置400。較佳的情況是，頭戴裝置400本身為一中空結構，以減輕頭戴裝置的重量。非必要性地，頭戴裝置400更包含一固定構件(securing means) 450，藉以使頭戴裝置400可依照使用者需求來調整大小。固定構件450可以是一由彈性材料製成的條帶、鉤夾或環扣(例如子母沾，VelcroTM
)。
由於血塊會影響NIR光波的穿透，本發明裝置亦可用以監測腦血腫。具體來說，係藉由分析穿透腦部之第一、第二及第三NIR強度的訊號值來偵測腦血腫。據此，本揭示內容的另一態樣是關於一種利用本發明裝置來監測或偵測個體腦血腫的方法。該方法包含： (a)分別將探頭及偵測構件放置於第一及第二位置，其中第一及第二位置係分別選自由個體之頭部、鼻腔、耳道及口部所組成的群組； (b)利用偵測構件的第一、第二及第三NIR偵測器來測量第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 (c)將步驟(b)測得之第一、第二及第三NIR波長的第一、第二及第三強度與一健康個體之相對值(即第一、第二及第三NIR波長在穿透健康個體腦部後的第一、第二及第三強度)進行比較，若所測得之第一、第二及第三NIR波長的第一、第二及第三強度與健康個體之相對值不同，則代表該個體具有腦血腫。
臨床醫師及／或操作人員可依據個體的年齡、病歷及近期病況來決定適合放置本發明裝置之探頭及偵測構件的第一及第二位置。如第5圖所示，可將探頭510及偵測構件 520分別放置於個體的額頭及頭部前方，以偵測鄰近運動前區(premotor area)、初級運動皮質(primary motor cortex)或初級體感覺皮質(primary somesthetic cortex)的腦血腫(brain hematoma, BH)。
在第6圖所示之實施例中，係將配置為管狀結構的探頭610放置於個體之鼻腔，並將配置為墊片的偵測構件620放置於個體之頭部前方，以偵測鄰近布格卡皮質區(Broca’s area)的腦血腫BH。在再另一實施例中，是將探頭610放置於個體之鼻腔，並將偵測構件620放置於個體之頭部後方，以偵測鄰近體感覺相關區域或威尼克氏區(Wernicke’s area)的腦血腫BH。
相似地，如第7圖所示，可將配置為管狀結構的探頭710放置於個體之耳道，並將配置為墊片的偵測構件720放置於個體之頭部後方，以偵測位於側顳葉主要聽覺皮質區(primary auditory cortex)或味道區域(taste area)的腦血腫BH。
在再另一實施方式中，如第8圖所示，是將配置為管狀結構的探頭810放置於個體之口腔，並將配置為墊片的偵測構件820放置於個體之頭枕部，以偵測鄰近視覺相關區域(visual association area)或視覺皮層(visual cortex)的腦血腫BH。
下文提出多個實驗例來說明本發明的某些態樣，以利本發明所屬技術領域中具有通常知識者實作本發明，且不應將這些實驗例視為對本發明範圍的限制。據信習知技藝者在閱讀了此處提出的說明後，可在不需過度解讀的情形下，完整利用並實踐本發明。此處所引用的所有公開文獻，其全文皆視為本說明書的一部分。
實施例
1.1 以包埋墨條作為腦血腫仿體
在本實施例中，是將墨條(1立方公分：0.65公分×0.9公分×1.7公分；2.5立方公分：1.63公分×0.9公分×1.7公分；或5 立方公分：3.25公分×0.9公分×1.7公分)包埋於一個由二氧化鈦(titanium oxide)及聚酯樹脂(polyester resin)製成的塑膠物件中(墨條與塑膠物件表面的距離分別為0.5公分、1.7公分或2.5公分)，藉以模擬不同情況之腦血腫 (具有不同的血塊大小及發生位置)。探頭可發散分別具有808奈米、780奈米及850奈米波長的NIR。操作時，分別將探頭及偵測構件放置在塑膠物件(即腦血腫仿體)的相同側(如傳統偵測方法一般，將光源及偵測器配置於鄰近位置，彼此相鄰近地作用)或是相對兩側。第9圖及第10圖分別闡述置於相同側及相對兩側的偵測結果。
當探頭與偵測構件之位置相近時，對照組(即不包含石墨條的塑膠物件，標記為基本含量；第9A圖)與仿體組(即將石墨條包埋於特定深度之塑膠物件；第9B到9D圖)之間並不具有顯著的差異。相較之下，當將探頭及偵測構件放置於塑膠物件(即模擬腦血腫位置)的相對兩側時，可觀察到相較於對照組(標記為基本含量；第10A圖)，訊號值會隨著石墨條包埋深度的不同而有所差異(第10B到10D)。該些結果顯示，相較於傳統的偵測方法(測量會受限於光源及偵測器的配置位置)，使用者可以不同的間隔距離來獨立操作本發明探頭及偵測構件，因此，本發明裝置及方法可更準確地測量發生於不同深度的腦血腫。
偵測到的NIR強度經計算分析後可表示為含氧量，結果總結於表1，其中探頭及偵測構件是置於塑膠物件的相對兩側。塑膠物件(具有不同的血塊大小及發生位置)的平均含氧量約為86.74%-91.05%。 表1 特定情況的平均含氧量
1.2 偵測豬頭中的石墨條仿體
在此實施例中，是將實施例1之石墨條(1 立方公分、2.5立方公分或5立方公分)放置於豬頭的顳葉中，據以模擬個體之腦血腫。將第3A圖所述之探頭310放置於豬頭的鼻腔，並將第3B圖所述之偵測構件370放置於豬頭的頭部。設定測量波長為808奈米、780奈米及850奈米。如第11圖所示，含有0 立方公分 (第11A圖，作為健康對照組)、1立方公分 (第11B圖)、2.5立方公分 (第11C圖)或5立方公分 (第11D圖)之豬頭的腦部含氧量約為56-63%。
總結上述，本揭示內容提供了一種用以偵測個體之腦部含氧量或監測個體之腦血腫的裝置及方法。相較於傳統偵測及顯影技術，本發明裝置的優勢在於光源及偵測器可獨立操作，依據不同的情況分別放置於適當的位置來偵測腦血腫。據此，本揭示內容提供一種更為準確及有效的方法來偵測腦部含氧量及／或腦血腫；藉此提供有需要之病患更適當且及時的治療。
雖然上文實施方式中揭露了本發明的具體實施例，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不悖離本發明之原理與精神的情形下，當可對其進行各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當以附隨申請專利範圍所界定者為準。
100、200‧‧‧裝置
110、210、310‧‧‧探頭
360、410、510
610、710、810
115‧‧‧光源
215a、215b、215c
315a、315b、315c
365a、365b、365c
120、220、370‧‧‧偵測構件
420、520、620
720、820
121、122、123‧‧‧NIR偵測器
221、222、223
375、376、377
130、230‧‧‧處理器
140、150‧‧‧光導
240、250
330‧‧‧間隔元件
350‧‧‧照相機
400‧‧‧頭戴裝置
401‧‧‧軌道狀結構
430‧‧‧驅動裝置
450‧‧‧固定構件
110、210、310‧‧‧探頭
360、410、510
610、710、810
115‧‧‧光源
215a、215b、215c
315a、315b、315c
365a、365b、365c
120、220、370‧‧‧偵測構件
420、520、620
720、820
121、122、123‧‧‧NIR偵測器
221、222、223
375、376、377
130、230‧‧‧處理器
140、150‧‧‧光導
240、250
330‧‧‧間隔元件
350‧‧‧照相機
400‧‧‧頭戴裝置
401‧‧‧軌道狀結構
430‧‧‧驅動裝置
450‧‧‧固定構件
為讓本發明的上述與其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之示意圖，其中該裝置包含一個光源及三個NIR偵測器； 第2圖是依據本揭示內容另一實施方式所繪示之示意圖，其中該裝置包含三個光源及三個NIR 偵測器； 第3A圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之示意圖，其中該探頭具有一管狀結構； 第3B圖是依據本揭示內容另一實施方式所繪示之示意圖，其中該探頭(左圖)及該偵測構件(右圖)分別配置為墊片形式； 第4圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之示意圖，其中該探頭及該偵測構件分別配置於一頭戴裝置上； 第5圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之示意圖，其係關於用以偵測腦血腫(brain hematoma, BH)的方法，其中探頭及偵測構件是分別放置於額頭及頭部前方，其中B代表腦(brain)； 第6圖是依據本揭示內容另一實施方式所繪示之示意圖，其係關於用以偵測腦血腫(brain hematoma, BH)的方法，其中探頭及偵測構件是分別放置於鼻腔(nose, N)及頭部前方，其中B代表腦(brain)； 第7圖 是依據本揭示內容再另一實施方式所繪示之示意圖，其係關於用以偵測腦血腫(brain hematoma, BH)的方法，其中探頭及偵測構件是分別放置於耳道(ear, E)及頭部後方，其中B代表腦(brain)； 第8圖是依據本揭示內容另一實施方式所繪示之示意圖，其係關於用以偵測腦血腫(brain hematoma, BH)的方法，其中探頭及偵測構件是分別放置於口腔(mouth, M)及頭枕部，其中B代表腦(brain)； 第9A-9D圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之塑膠仿體的含氧量，其中該塑膠仿體包含一大小為0 立方公分 (基本含量，第9A圖)或5 立方公分之置於不同深度的石墨條(第9B-9D圖)； 第10A-10D圖是依據本揭示內容另一實施方式所繪示之塑膠仿體的含氧量，其中該塑膠仿體包含一大小為0 立方公分 (基本含量，第10A圖)或5 立方公分之置於不同深度的石墨條(第10B-10D圖)；以及 第11A-11D圖是依據本揭示內容一實施方式所繪示之豬頭的腦部含氧量，其中該豬頭之顳葉埋有一大小為0 立方公分 (第11A圖)、1 立方公分 (第11B圖)、2.5 立方公分 (第11C圖)或5 立方公分 (第11D圖)的石墨條。
根據慣常的作業方式，圖中各種特徵與元件並未依比例繪製，其繪製方式是為了以最佳的方式呈現與本發明相關的具體特徵與元件。此外，在不同圖式間，以相同或相似的元件符號來指稱相似的元件/部件。
無
200‧‧‧裝置
210‧‧‧探頭
215a、215b、215c‧‧‧光源
220‧‧‧偵測構件
221、222、223‧‧‧NIR偵測器
230‧‧‧處理器
240、250‧‧‧光導
Claims (11)
- 一種用以測定一個體之腦部含氧量及／或腦血腫的裝置，包含 一探頭 ，包含一第一、一第二及一第三光源，其係可分別發散一第一、一第二及一第三之可穿透個體腦部的近紅外光(near infrared, NIR)波長，其中該第一、第二及第三NIR波長分別約為790-810奈米、650-790奈米及810-1,000奈米； 一偵測構件，包含一第一、一第二及一第三NIR 偵測器，其中各NIR偵測器可分別偵測該第一、第二及第三NIR波長在穿透個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 一與該探頭及該偵測構件連接的處理器，可藉由該偵測構件所偵測的第一、第二及第三強度來計算腦部含氧量或分析腦血腫。
- 如請求項1所述之裝置，其中該第一、第二及第三NIR波長分別約為808奈米、780奈米及850奈米。
- 如請求項1所述之裝置，其中各該第一、第二及第三光源是一雷射二極體(laser diode, LD)或一發光二極體(light emitting diode, LED)。
- 如請求項1所述之裝置，其中該探頭具有一管狀結構，且該第一、第二及第三光源是設置於該管狀結構的一端。
- 如請求項1所述之裝置，其中該腦部含氧量是利用公式(1)及(2)來計算，(1),(2), 其中I0 及I分別表示由光源發散之NIR波長的強度及由NIR偵測器測得之NIR波長的強度，R是I及I0 比例的對數，λ為NIR波長，ϵ為血紅素(hemoglobin, Hb)或氧合血紅素(Oxydative Hemoglobin, HbO2 )的消光係數(extinction coefficient)，L為NIR波長的光路徑長度，且G為吸收係數(absorption coefficient)。
- 如請求項1所述之裝置，更包含 一頭戴裝置，可將該探頭及該偵測構件架設於其上，其中該探頭及該偵測構件彼此間隔180度；以及 一驅動裝置，其係設置於該頭戴裝置上，且與該探頭及該偵測構件連接，以驅動該探頭及該偵測構件於該頭戴裝置上同步進行圓周運動。
- 如請求項6所述之裝置，其中該頭戴裝置可進行調整以符合該個體之頭部大小。
- 一種利用請求項1之裝置來測定一個體之腦部含氧量的方法，包含： (a)分別將該探頭及該偵測構件放置於一第一及一第二位置，其中該第一及第二位置係分別選自由該個體之頭部、鼻腔、耳道及口腔所組成的群組； (b)利用該偵測構件之各該第一、第二及第三NIR偵測器來分別測量該第一、第二及第三NIR波長在穿透該個體腦部後的第一、第二及第三強度；以及 (c)依據步驟(b)測得之第一、第二及第三強度，利用公式(1)及(2)計算得到該個體的腦部含氧量：(1),(2), 其中I0 及I分別表示由光源發散之NIR波長的強度及由NIR偵測器測得之NIR波長的強度，R是I及I0 比例的對數，λ為NIR波長，ϵ為血紅素或氧合血紅素的消光係數，L為NIR波長的光路徑長度，且G為吸收係數。
- 如請求項8所述之方法，其中該第一及第二位置是分別放置於該個體之鼻腔及頭部。
- 如請求項8所述之方法，其中該第一及第二位置是分別放置於該個體之耳道及頭部。
- 如請求項8所述之方法，其中該第一及第二位置是分別放置於該個體之口腔及頭部。
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