TWI495452B - 利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置及方法 - Google Patents

Description

利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置及方法

本揭露係關於一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置及方法。

由國內歷年來的疾病及死亡統計可知，心血管疾病是現代人健康最大的威脅。尤其動脈硬化疾病，廣為人知的是心肌梗塞和腦中風。臨床上，人體生理年齡與動脈硬化程度有著密不可分的關係，年齡於20至30歲之間便會開始有動脈硬化的現象出現，而40歲以後許多伴隨著動脈硬化的程度，逐漸明顯。事實上，動脈壁會隨著年齡的增長而老化增厚而失去彈性，所以動脈硬化在症狀未出現前，容易被一般人所忽視。因此，能有效的及早自主評估自身的血管健康，便能提早預防血管硬化所降低心血管疾病發生機率。

第一圖是習知的一種超音波連續性非侵入式血壓監測方法與裝置之示意圖。如第一圖所示，此裝置包含一電容式微加工超聲傳感器(capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers，CMUT)貼片(patch)110、一數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DPS)120、一可充氣手環(inflatable cuff)130、一空氣壓縮機(air compressor)140、壓力感應器(pressure sensor)150、以及 一類比-數位轉換器(analog-digital converter)160。將一有黏性的電容式微加工超聲傳感器貼片110貼在病人的皮膚上，以及一可充氣的手環(cuff)130環繞於病人的其中一手臂。電容式微加工超聲傳感器貼片110是放置在手臂的下方或其他接近皮膚的動脈(artery)的點上。電容式微加工超聲傳感器貼片110以一纜線連接至一行動個人電腦(圖中未顯示)，此行動個人電腦小到足以束附在病人身上。根據電容式微加工超聲傳感器貼片110的聲音資料與可充氣手環130的壓力資料，一數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DPS，合併在行動個人電腦中)120算出多種參數。此參數包含病人的估計血壓。數位訊號處理器120定期的對可充氣手環130充氣，以提供持續狀態壓力。再者，數位訊號處理器120啟動一空氣壓縮機140來對可充氣手環130充氣。一壓力感應器150偵測可充氣手環130的壓力。類比-數位轉換器160將壓力感應器150所輸出的類比轉換為數位值，數位值為類比-數位轉換器160中應用。

另一篇專利文獻所揭露的一種測量物理訊號的裝置與感應器和測量脈搏流速的裝置與方法，此裝置包含一第一介面，具有第一感應器，其裝設在一使用者身體的一預定部位，並測量此預定部位所產生的一第一物理訊號；以及一第二介面，具有一第二感應器，其裝設在此使用者的手指，並測量此手指所產生的一第二物理訊號。

目前現有針對動脈硬度量測之醫療產品，主要是以心電圖之R波(R-wave)作為基準並以心音當作輔助，於四肢裝上壓脈帶或手持式壓力感測器，先後依序量測出心臟至頸部及心臟至四肢壓力波傳遞時差後，才可計算脈波波速。以影像方式進行分析則需以血管攝影、超音波或核磁共振造影進而評估動脈硬度。此外，這些儀器脈波訊號需由專業人員操作，無法自行量測且產品價格偏高，並無法廣泛地推展至個人居家自我照護之用。

本揭露的實施範例可提供一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置與方法。

所揭露之實施例係關於一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，此裝置包含一訊號單元、一濾波/放大單元、以及一脈波訊號偵測/計算單元。此訊號單元至少包括一射頻產生器與一收發器。此射頻產生器發射一奈秒脈衝電波至一心血管，此收發器接收此心血管反射的一反射訊號，此反射訊號經由濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號，此脈波訊號偵測/計算單元偵測出此主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰及一第二脈波波峰，並算出至少一脈波參數。

在另一所揭露之實施例係關於一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，此方法包含：由一射頻產生器發 射一奈秒脈衝電波至一心血管；以一收發器接收此心血管產生的一反射訊號；此反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號；一脈波訊號偵測/計算單元偵測出此主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰；接著偵測出此主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰；算出至少一脈波參數。

茲配合下列圖示、實施範例之詳細說明及申請專利範圍，將上述及本揭露之其他特徵與優點詳述於後。

第二圖是利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置的一個範例示意圖，並與本揭露之某些實施例一致。如第二圖所示，利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置200包含一訊號單元210、一濾波/放大單元230、以及一脈波訊號偵測/計算單元250。訊號單元210至少包括一射頻產生器211與一收發器213。射頻產生器211發射一奈秒脈衝電波212至一心血管270，收發器213接收心血管270產生的一反射訊號271，反射訊號271經由一濾波/放大單元230產生一主動脈脈波訊號260，脈波訊號偵測/計算單元250偵測出此主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰及一第二脈波波峰，並算出至少一脈波參數280。

第三圖是本揭露裝置之詳細元件的一個範例示意圖，並與本揭露之某些實施範例一致。如第三圖範例所 示，訊號單元210還包括一第一、第二射頻開關(RF switch)214、216，一第一、第二、第三放大器(amplifier)215、217、218，以及一混波器(mixer)219。第一、第二射頻開關214與216以第一放大器215連接。第一射頻開關214並連接射頻產生器211與第三放大器218，第二射頻開關215並連接收發器213與第二放大器217。混波器219連接於第二放大器217、第三放大器218，並連接至濾波/放大單元230。濾波/放大單元230還包括一第一、一第二濾波器231、233、及一第一、一第二放大器232、234，依序排列為第一濾波器231、第一放大器232、第二濾波器233、以及第二放大器234，其中第一濾波器231與混波器219連接，第二放大器234連接至脈波訊號偵測/計算單元250。脈波訊號偵測/計算單元250可備有一第一脈波波峰偵測模組251、一第二脈波波峰偵測模組252、以及一計算模組253。

由射頻產生器211發射一奈秒脈衝電波212至一心血管270，收發器213接收心血管270產生的一反射訊號271，第二射頻開關216被切換至與第二放大器217導通，收發器213將反射訊號271經由第二射頻開關216、第二放大器217、以及混波器219傳輸至濾波/放大單元230。反射訊號214由第一濾波器231、第一放大器232、第二濾波器233、以及第二放大器234，進行前置濾波、前極放大、帶通濾波、以及後極放大後，產生一主動脈脈波訊號260，並傳輸至脈波訊號偵測/計算單元250。 脈波訊號偵測/計算單元250接受主動脈脈波訊號260，以第一脈波波峰偵測模組251先進行偵測一第一脈波波峰，然後第二脈波波峰偵測模組252以此主動脈脈波波峰再進行偵測第二脈波波峰，最後由計算模組253算出至少一脈波參數280。至少一脈波參數280可以是一脈波波速(Pulse Wave Velocity,PWV)參數或是一反射係數(Reflection Index,RI)等參數。其中，奈秒脈衝電波212是小於1千兆赫(GHZ)，約5奈秒(nanosecond)之電波。收發器213為一天線。第一放大器215為一功率放大器(power amplifier)。第二、第三放大器217、218為一低雜訊放大器(low-noise amplifier)。第一、第二濾波器231、233分別為一前置濾波器(Passive prefilter)、一帶通濾波器(Bandpass filter)。第一、第二放大器232、234為一前極放大器(Pre-amplifier)、一後極放大器(Post-Preamplifier)。

本揭露之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置可進一步包括一無線傳輸裝置，如藍芽等，以及一遠端監控器，如顯示器。此傳輸裝置將脈波參數280傳輸至此遠端監控器，並直接將脈波參數280顯示於此遠端監控器。

第四圖是說明一發射脈衝訊號與一返回脈衝訊號產生的變化，來判讀一待測物的狀況，並與本揭露之某些實施範例一致。如第四圖所示，當返回脈衝信號(scattered pulse)412與發射脈衝信號(radiated pulse)411的時間間距 τ_d 保持不變時，則表示待測物是保持靜止的狀態，所以返回脈衝訊號412經過訊號處理後得到是不變的直流訊號，如標號410所示。反之，當返回脈衝信號412與發射脈衝信號411的時間間距τ_d 會隨著振幅大小而變動時，則表示待測物產生動作與位移，所以返回脈衝訊號412經過訊號處理後，即可得到變動之物理活動訊號，亦即待測物移動與無移動的訊號，如標號420所示。

第五A圖是一範例流程圖，說明利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，並與本揭露之某些實施例一致。第五B圖是一主動脈脈波訊號之示意圖，並與本揭露之某些實施範例一致。如第五A圖流程圖所示，此心血管脈搏量測方法500是由一射頻產生器發射一奈秒脈衝電波至一心血管(步驟510)；以一收發器接收此心血管產生的一反射訊號(步驟520)；此反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號(步驟530)；一脈波訊號偵測/計算單元偵測出此主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰(步驟540)；接著偵測出此主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰(步驟550)；算出至少一脈波參數(步驟560)。其中在步驟530中，此反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號260，如第五B圖所示。

第六A圖是一個範例流程示意圖，進一步說明第五A圖中一脈波訊號偵測/計算單元如何偵測出一主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰，並與本揭露之某些實施例 一致。第六B圖是一範例示意圖，說明主動脈脈波訊號與第一脈波波峰相對位置，並與本揭露之某些實施範例一致。如第六A圖流程示意圖所示，定義出搜尋波峰區間大小(步驟610)；取得P1位置與值：算出此區間的一中心點，當此中心點為此區間的最大值時，則為P1的位置與值(步驟620)；取得P1’位置與值：依時間位移區間至下一點，計算出此區間之最大值，並為P1’的位置與值(步驟630)；比較P1與P1’：當P1’值>=P1值時，則紀錄P1’為波峰位置，反之，P1為波峰位置(步驟640)；當區間之中心點不是區間內最小值時，則重複步驟620~640；而當區間之中心點為區間內最小值時，則取得此主動脈脈波訊號之第一脈波波峰P1。如第六B圖所示，主動脈脈波訊號260包含一第一脈波600，第一脈波600之第一脈波波鋒為P1所標示處。其中，藉由分析主動脈脈波訊號260之壓力波訊號，可以計算出心率與心率變異參數。

第七A圖是一個範例流程示意圖，進一步說明第五A圖中一脈波訊號偵測/計算單元如何偵測出主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰，並與本揭露之某些實施例一致。第七B圖是一範例示意圖，說明主動脈脈波訊號與第二脈波波峰相對位置，並與本揭露之某些實施範例一致。請同時參考如第七A圖流程示意圖及第七B圖所示，計算出主動脈脈波波峰之兩側最小值處，V_L 與V_R 分別表示兩側波谷(步驟710)；計算出左、右兩側波谷距 主動脈脈波波峰的時距，T_LP 、T_RP 分別表示左、右側時距(步驟720)；當此右側時距T_RP >此左側時距T_LP 時，則以此主動脈波波峰為中心，並以左側時距為基準取得一對稱波(脈波1)701，取主動脈脈波訊號與此對稱波之相差訊號(脈波2)700(步驟730)；由主動脈脈波訊號之對稱波之相差訊號(脈波2)700取得第二脈波波峰P2(步驟740)。

第八圖是一個範例示意圖，說明主動脈脈波訊號、第一脈波訊號、及第二脈波訊號之間的相對位置，以及計算模組如何算出脈波參數，並與本揭露之某些實施範例一致。如第八圖所示，本揭露之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置200置放於主動脈820部位上方處，當心臟810收縮將血液送入主動脈820之時間為一量測基準點，在心臟收縮與舒張的瞬間於所量測到之訊號上呈現出第二個波峰，引此當心臟810完成一個收縮與舒張，所偵測到之主動脈脈波訊號260。主動脈脈波訊號260經由利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置200而產生一第一脈脈波訊號600與一第二脈脈波訊號700，其波峰分別為P1、P2，並利用波峰P1、P2算出至少一脈波參數280。至少一脈波參數280可以是一脈波波速參數、一反射係數參數、或是其他參數等。例如，計算出第一脈波600之波峰P1與第二脈波700之波峰P2之間的一時距(標號830)，此時距為脈波波速計算中的一時間參數，故利用血液流經距離與時距之除值可計算出此脈波 波速參數，並且還可利用此脈波波速參數來反映出一主動脈彈性指標(Stiffness Index,SI)參數。反射係數參數為第一脈波600的波峰P1之波峰值與第二脈波700的波峰P2之波峰值的一比例(標號840)，也就是說，將第二脈波700的波峰P2之波峰值除上第一脈波600的波峰P1之波峰值的比例百分比。

綜上所述，本揭露之實施例提供一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置與方法為一種非侵入式的裝置，且亦不需任何輔助黏貼元件來做固定此裝置，亦可使用無線傳輸裝置傳送至遠端監控裝置，進而對使用者是提供安全、彈性大的使用方式。

惟，以上所述者，僅為本揭露之實施範例而已，當不能依此限定本揭露實施之範圍。即大凡一本揭露申請專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應仍屬本揭露專利涵蓋之範圍內。

110‧‧‧電容式微加工超聲傳感器貼片

120‧‧‧數位訊號處理器

130‧‧‧可充氣手環

140‧‧‧空氣壓縮機

150‧‧‧壓力感應器

160‧‧‧類比-數位轉換器

200‧‧‧利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置

210‧‧‧訊號單元

211‧‧‧射頻產生器

212‧‧‧奈秒脈衝電波

213‧‧‧收發器

214‧‧‧第一射頻開關

215‧‧‧第一放大器

216‧‧‧第二射頻開關

217‧‧‧第二放大器

218‧‧‧第三放大器

219‧‧‧混波器

230‧‧‧濾波/放大單元

231‧‧‧第一濾波器

232‧‧‧第二濾波器

233‧‧‧第一放大器

234‧‧‧第二放大器

250‧‧‧脈波訊號偵測/計算單元

251‧‧‧第一脈波波峰偵測模組

253‧‧‧計算模組

252‧‧‧第二脈波波峰偵測模組

260‧‧‧主動脈脈波訊號

270‧‧‧心血管

271‧‧‧反射訊號

280‧‧‧脈波參數

500‧‧‧利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法

510‧‧‧一射頻產生器發射一奈秒脈衝電波至一心血管

520‧‧‧一收發器接收此心血管產生的一反射訊號

530‧‧‧此反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號

540‧‧‧一脈波訊號偵測/計算單元偵測出此主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰

550‧‧‧接著偵測出此主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰

560‧‧‧算出至少一脈波參數

600‧‧‧第一脈波

610‧‧‧定義出搜尋波峰區間大小

620‧‧‧取得P1位置與值：算出此區間的一中心點，當此中心點為此區間的最大值時，則為P1的位置與值

630‧‧‧取得P1’位置與值：依時間位移區間至下一點，計算出此區間之最大值，並為P1’的位置與值

640‧‧‧比較P1與P1’：當P1’值>=P1值時，則紀錄P1’為波峰位置，反之，P1為波峰位置

700‧‧‧第二脈波

710‧‧‧計算出主動脈脈波波峰之兩側最小值處

720‧‧‧計算出左、右兩側波谷距主動脈脈波波峰的時距

730‧‧‧當右側時距>左側時距時，則以此主動脈脈波波峰為中心，並以左側時距為基準取得一對稱波(脈波1)，取主動脈脈波訊號與對稱波之相差訊號(脈波2)

740‧‧‧由此主動脈脈波訊號之此對稱波之相差訊號(脈波2)取得第二脈波波峰P2

810‧‧‧心臟

820‧‧‧主動脈

830‧‧‧時距

840‧‧‧比例

第一圖是習知的一種超音波連續性非侵入式血壓監測方法與裝置之示意圖。

第二圖是一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置的一個範例示意圖，並與本揭露之某些實施範例一致。

第三圖是本揭露裝置之詳細元件的一範例示意圖，說明，並與本揭露之某些實施範例一致。

第四圖是說明一發射脈衝訊號與一返回脈衝訊號產生的變化，來判讀一待測物的狀況，並與本揭露之某些實施範例一致。

第五A圖是一範例流程圖，說明利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，並與本揭露之某些實施例一致。

第五B圖是一主動脈脈波訊號之示意圖，並與本揭露之某些實施例一致。

第六A圖是一個範例流程示意圖，進一步說明第五A圖中一脈波訊號偵測/計算單元如何偵測出一主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰，並與本揭露之某些實施例一致。

第六B圖是一範例示意圖，說明主動脈脈波訊號與第一脈波波峰相對位置，並與本揭露之某些實施範例一致。

第七A圖是一個範例流程示意圖，進一步說明第五A圖中一脈波訊號偵測/計算單元如何偵測出主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰，並與本揭露之某些實施例一致。

第七B圖是一範例示意圖，說明主動脈脈波訊號與第二 脈波波峰相對位置，並與本揭露之某些實施範例一致。

第八圖是一個範例示意圖，說明主動脈脈波訊號、第一脈波訊號、及第二脈波訊號之間的相對位置，以及計算模組如何算出脈波參數，並與本揭露之某些實施範例一致。

200‧‧‧利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置

210‧‧‧訊號單元

211‧‧‧射頻產生器

212‧‧‧奈秒脈衝電波

213‧‧‧收發器

271‧‧‧反射訊號

230‧‧‧濾波/放大單元

250‧‧‧脈波訊號偵測/計算單元

260‧‧‧主動脈脈波訊號

270‧‧‧心血管

280‧‧‧脈波參數

Claims (14)

1. 一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，該利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置包含：一訊號單元，至少包括一射頻產生器與一收發器，該射頻產生器發射一奈秒脈衝電波至一心血管，該收發器接收該心血管反射的一反射訊號，該反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號；以及一脈波訊號偵測/計算單元偵測出該主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰及一第二脈波波峰，並算出至少一脈波參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該奈秒脈衝電波小於1千兆赫。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該奈秒脈衝電波約5奈秒。
4. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該訊號單元還包括一第一、第二射頻開關，一第一、第二、第三放大器、以及一混波器，其中該第一、第二射頻開關以該第一放大器連接；該第一射頻開關並連接該射頻產生器與該第三放大器；該第二射頻開關並連接該收發器與該第二放大器；該混波器連接於該第二放大器、該第三放大器，並連接至該濾波/放大單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該濾波/放大單元還包括依序 排列之一第一濾波器、第一放大器、第二濾波器、以及第二放大器，其中該第一濾波器與該混波器連接，該第二放大器連接至該脈波訊號偵測/計算單元。
6. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該脈波訊號偵測/計算單元可備有一第一脈波波峰偵測模組、一第二脈波波峰偵測模組、以及一計算模組，該脈波訊號偵測/計算單元接受主動脈脈波訊號，以該第一脈波波峰偵測模組先進行偵測一第一脈波波峰，然後該第二脈波波峰偵測模組以該主動脈脈波波峰再進行偵測一第二脈波波峰，最後由該計算模組算出該至少一脈波參數。
7. 如申請專利範圍第1項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測裝置，其中該至少一脈波參數是一脈波波速參數、一反射係數參數、或是其他參數等。
8. 一種利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，該利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法包含：一射頻產生器發射一奈秒脈衝電波至一心血管；一收發器接收該心血管產生的一反射訊號；該反射訊號經由一濾波/放大單元產生一主動脈脈波訊號；一脈波訊號偵測/計算單元偵測出該主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰；該脈波訊號偵測/計算單元再偵測出該主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰；以及算出至少一脈波參數。
9. 如申請專利範圍第8項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中該脈波訊號偵測/計算單元偵測出該主動脈脈波訊號的一第一脈波波峰的步驟，還包括：定義出搜尋一波峰區間大小；取得P1位置與值：算出此該區間的一中心點，當該中心點為該區間的最大值時，則為P1的位置與值；取得P1’位置與值：依時間位移該區間至下一點，計算出該區間之最大值，並為P1’的位置與值；比較P1與P1’：當P1’值>=P1值時，則紀錄P1’為波峰位置，反之，P1為波峰位置；當該區間之中心點不是該區間內最小值時，則重複上述取得P1位置與值、取得P1’位置與值、與比較P1與P1’之步驟；以及而當該區間之中心點為該區間內最小值時，則取得該該主動脈脈波訊號之第一脈波波峰位置P1。
10. 如申請專利範圍第8項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中該脈波訊號偵測/計算單元在偵測出該主動脈脈波訊號的一第二脈波波峰的步驟，還包括：計算出該主動脈脈波之兩側最小值處；計算出左、右兩側波谷距該主動脈波波峰的時距；當該右側時距>該左側時距時，則以該主動脈脈波波峰為中心，並以左側時距為基準取得一對稱波(脈波1)，取主動脈脈波訊號與該對稱波之相差訊號(脈波 2)；由該主動脈脈波訊號之該對稱波之相差訊號(脈波2)取得該第二脈波波峰P2。
11. 如申請專利範圍第8項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中該至少一脈波參數是一脈波波速參數。
12. 如申請專利範圍第11項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中計算出該第一脈波之波峰與該第二脈波之波峰之間的一時距，該時距為一脈波波速計算中的一時間參數，故利用血液流經距離與該時距之除值則計算出該脈波波速參數。
13. 如申請專利範圍第8項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中該脈波參數是一反射係數參數。
14. 如申請專利範圍第13項所述之利用脈衝電波之心血管脈搏量測方法，其中該反射係數參數為該第一脈波的波峰之波峰值與該第二脈波的波峰之波峰值的一比例。