TWM460634U - 監控生理狀態之裝置 - Google Patents

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TWM460634U TW102205060U TW102205060U TWM460634U TW M460634 U TWM460634 U TW M460634U TW 102205060 U TW102205060 U TW 102205060U TW 102205060 U TW102205060 U TW 102205060U TW M460634 U TWM460634 U TW M460634U
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    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording pulse, heart rate, blood pressure or blood flow; Combined pulse/heart-rate/blood pressure determination; Evaluating a cardiovascular condition not otherwise provided for, e.g. using combinations of techniques provided for in this group with electrocardiography or electroauscultation; Heart catheters for measuring blood pressure
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Description

監控生理狀態之裝置
本創作係關於一種監控生理狀態之裝置，尤指一種將測量到血壓訊號透過一非穩態非線性轉換函數轉換之監控生理狀態之裝置。
按，心血管疾病目前在國人十大死因中，約佔有30%的高比例，其已成為威脅國人健康的頭號殺手。構成心血管疾病之危險因子有糖尿病、高血壓、高血脂、吸菸等。另外，目前許多研究報告更指出勃起功能障礙(Erectile dysfunction,ED)往往比相關心血管疾病的發生更早，但卻因文化背景與傳統觀念的影響而使得男性病患羞於尋找醫療求助，因此喪失早期診斷和預防心血管疾病的機會。依據美國國家衛生研究院的定義，當男性沒有能力達到勃起、或無法維持勃起以達滿意的性行為則稱為勃起功能障礙。
勃起功能障礙與心血管疾病都是屬於血管疾病，其致病根源皆源自於血管內皮細胞功能異常所致，因此內皮細胞功能的評估可被視為是一項領先指標。除了內皮細胞功能異常可作為相關血管疾病的早期預警外，最近的研究報告也顯示出自律神經功能異常將是疾病產生的另一項徵兆。兩者在生理系統作用上皆是扮演著非常重要的角色，但目前仍需要有更進一步的研究探討才能分別釐清影響因子的權重比。
簡單來說，血管內皮細胞功能的正常與否，將直接影響到血管擴張的程度，因此可由血管擴張程度的測量以間接反映出內皮細胞功能是否良好。
目前就量測方法而論，超音波與Endo PAT2000量測儀器仍 是血管內皮細胞功能的標準評估方法，而在自律神經功能評估上則需仰賴如心率變異性(Heart rate variability,HRV)、壓感反射靈敏度(Baroreflex sensitivity,BRS)與肌肉交感神經活性(Muscle sympathetic nervous activity)等儀器。儘管，血管內皮細胞功能異常已經被視為是早期血管疾病的一項徵兆，但有礙於目前兩種標準量測儀器的昂貴與不便利，僅被適用於學術研究中，是較為可惜之處。現階段仍須透過醫院中不同儀器的檢測，才可分別獲得內皮細胞功能與自律神經功能的狀況，對於受試者而言是極為不便。因此，若能發展出適於居家檢測的量測裝置與評估指標，勢必能增加受試者量測的意願，而較全面達到預防勝於治療的成效。
由是，本創作之主要目的，即在於提供一種監控生理狀態之裝置，以達到適用於居家檢測之功效者。
為達上述目的，本創作之技術實現手段如下：一種監控生理狀態之裝置，該裝置係包含：一訊號擷取單元，係用以擷取一生物體之特定部位的一第一標準狀態脈波資料與一第一反應性充血狀態脈波資料；一加洩壓單元，係用以對該生物體之特定部位加壓與洩壓；以及一中央處理單元，係與該訊號擷取單元以及該加洩壓單元電性耦接，可運用一非穩態非線性轉換函數將該第一標準狀態脈波資料轉換為一第二標準狀態脈波資料以及該第一反應性充血狀態脈波資料轉換為一第二反應性充血狀態脈波資料，並根據該第二標準狀態脈波資料與該第二反應性充血狀態脈波資料決定該生物體的一內皮功能係數，以分析該生物體之生理狀態。
10‧‧‧監控生理狀態之裝置
11‧‧‧訊號擷取單元
12‧‧‧加洩壓單元
13‧‧‧中央處理單元
131‧‧‧中央處理器
132‧‧‧記憶體與周邊單元
133‧‧‧軟體單元
14‧‧‧顯示單元
15‧‧‧壓脈帶
20‧‧‧生物體
S10~S14‧‧‧步驟
第1圖為本創作監控生理狀態之裝置之方塊圖。
第2圖為本創作之反應性充血狀態前、後手臂脈波振幅變化示意圖。
第3圖為本創作之血管擴張的變化趨勢分量示意圖。
第4圖為本創作之手臂血壓脈波訊號的時間間距計算示意圖。
第5圖為本創作之連續手臂脈波時間間距序列示意圖。
第6圖為本創作之能量-頻譜變化示意圖
第7圖為本創作之實施流程圖。
目前生理異常疾病包含有勃起功能障礙、睡眠中止症、高血壓或動脈硬化等等，這大多是屬於心血管疾病的一種。早期預防是要從多方角度來進行，才能將預防醫學真正落實於社會基層中。透過本創作所揭示的裝置不但可以量測血管內皮細胞功能與自律神經功能，而且該裝置的使用方式類似血壓計，並具有體積較小、低成本等優勢，因而適用於一般家庭的居家檢測。
第1圖為本創作監控生理狀態之裝置之方塊圖，如圖所示：監控生理狀態之裝置10主要由一訊號擷取單元11、一加洩壓單元12、一中央處理單元13以及一顯示單元14所組成。訊號擷取單元11係以直接或間接之方式與一生物體20之特定部位接觸，用以擷取生物體20之特定部位的一第一標準狀態脈波資料與一第一反應性充血狀態脈波資料，加洩壓單元12係以直接或間接之方式與生物體20之特定部位接觸，用以對生物體20之特定部位進行加壓與洩壓。訊號擷取單元11與加洩壓單元12的操作非常類似一般的電子血壓計，即使用者(生物體20)控制使加洩壓單元12對其手臂進行充氣而加壓至一標準壓力(40±3mmHg)時，訊號擷取單元11則取得第一標準狀態脈波資料。隨後加洩壓單元12對其手臂進行充氣並加壓至一阻斷血流壓力，且該阻斷血流壓力為該標準壓力加上使用者(生物體20)的一血管收縮壓。等到加洩壓單元12對其手臂進行洩氣並洩壓至標準壓力後，訊號擷取單元11則取得第一反應性充血狀態脈波資料。
中央處理單元13與訊號擷取單元11以及加洩壓單元12係電性耦接，其中，中央處理單元13係包含中央處理器131、記憶體與周邊單元132以及軟體單元133，並運用一非穩態非線性轉換函數將第一標準狀態脈波資料轉換為一第二標準狀態脈波資料以及第一反應性充血狀態脈波 資料轉換為一第二反應性充血狀態脈波資料，並根據第二標準狀態脈波資料與第二反應性充血狀態脈波資料決定使用者(生物體20)的一內皮功能係數，以分析及顯示使用者(生物體20)之生理狀態是否異常。
此外，監控生理狀態之裝置10更包含一壓脈帶15，用以包覆生物體20之特定部位(手臂)，其中訊號擷取單元11以及加洩壓單元12係配置於壓脈帶15上，以利針對生物體20之特定部位(手臂)擷取第一標準狀態脈波資料與第一反應性充血狀態脈波資料以及進行加壓與洩壓的動作。
第2圖為本創作之反應性充血狀態前、後手臂脈波振幅變化示意圖，如圖所示：在血管內皮細胞功能(內皮功能係數)分析上，主要能以靜態與動態觀點來進行指標的量化，就靜態指標而言，依據肱動脈血流測試(Flow-mediated dilation，FMD)理論而定義出血管擴張指數(dilatation index,DI)。本創作監控生理狀態之裝置可擷取手臂加壓阻斷前、後的連續脈波訊號變化，血管擴張指數的計算為將反應性充血階段(RH)內第2分鐘開始的1分鐘平均脈波振幅除以標準壓力階段(Baseline)的平均脈波振幅，再將整體數值取自然對數來表示。血管擴張指數數值顯示愈大代表內皮細胞功能愈好，反之則愈差。
當手臂因阻斷血流壓力後洩壓而產生反應性充血效應後，會誘發內皮細胞生成與釋放出NO，血管因此產生擴張的現象。儘管，靜態指標在臨床研究上，已被證實是具有良好的敏感度與準確度，但人體其實是一種動態且複雜度極高的系統，僅以靜態指標來量化內皮細胞功能恐仍會遺漏更多隱藏或細微的生理現象。舉例而言，當內皮細胞受到阻斷血流壓力刺激後，由於每位受試者其NO釋放量並不相同，也造成血管擴張至最大的反應速度與維持時間是有所差異的。
第3圖為本創作之血管擴張的變化趨勢分量示意圖，其係以動態觀點以進行指標的量化，如圖所示：本創作在內皮細胞功能動態評估為使用一非穩態非線性轉換函數，其中非穩態非線性轉換函數係為希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang transformation,HHT)演算法，特別為HHT的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)來實現將第一標準狀態脈波資 料轉換為一第二標準狀態脈波資料以及第一反應性充血狀態脈波資料轉換為一第二反應性充血狀態脈波資料後，進行內皮細胞功能的動態分析。經驗模態分解法係利用訊號內部本身的瞬間變化尺度視為能量並直接分解之，將原來訊號資料分解成多個內建模態函數(Intrinsic Mode Function,IMF)，每段的IMF視為原信號本身的基底，因此被分析的訊號就可以為非線性或非平穩性，如此一來這些基底就可以完全顯示原來訊號的物理特性。將阻斷血流階段前的標準壓力階段(Baseline)波形振幅(即為第二標準狀態脈波資料)取一平均值作為整體趨勢變化的水平基準閥值，利用閥值線分別求出第二反應性充血狀態脈波資料中的A、B及P三點的位置之時間(秒)與振幅(毫伏特)。計算A點至B點(第一區間)的上升斜率與時間差(T1)，以及計算B點至P點(第二區間)的下降斜率及時間差(T2)。上升斜率定義為內皮細胞釋放NO後至血管產生最大擴張時的爬升速率與時間，下降斜率定義為血管產生最大擴張後至恢復正常血管狀態時的恢復速率與時間。藉由計算上升斜率與下降斜率兩項動態指標以進行血管內皮細胞釋放NO後的血管擴張的動態變化評估，這樣的動態指標便可用以評估生物體之生理狀態，例如陰莖從鬆弛至完全勃起的時間及勃起的維持時間。而後，透過靜態與動態的觀點以進行指標的量化，勢必較能完整呈現出內皮細胞功能的變化程度。因此，可利用上升斜率以及下降斜率決定內皮功能係數。
本創作已針對內皮細胞功能評估系統與指標量化，提出了具創新與差異性的方法，但若能輔以量化出自律神經功能的指標，對於勃起功能障礙與心血管疾病的評估與預防將可達到最佳功效。本創作在自律神經功能評估為使用一非穩態非線性轉換函數，其中非穩態非線性轉換函數係為希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transformation,HHT)演算法，特別為HHT的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)以及希爾伯特轉換(Hilbert Transformation,HT)，從第一標準狀態脈波資料中運算出一標準狀態自律神經參數以及從第一反應性充血狀態脈波資料中運算出一反應性充血狀態自律神經參數，並根據標準狀態自律神經參數和反應性充血狀態自律神經參數判斷生物體的自律神經功能是否異常。
第4圖為本創作之手臂血壓脈波訊號的時間間距計算示意 圖，如圖所示：本創作在自律神經功能評估作法上，主要是將第2圖中的標準壓力階段(Baseline)與反應性充血階段(RH)區間中的每個血壓脈波予以紀錄，並計算出脈波與下一個脈波之間的峰值時間差，紀錄為T={T1,T2,T3,T4,…,Tn}的時間序列以進行時頻分析。
第5圖為本創作之連續手臂脈波時間間距序列示意圖，如圖所示：由於訊號的非穩態性會增加時間序列(T)的不規則程度進而影響頻譜分析的準確性，所以在進行頻譜轉換時先將時間序列經由希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang Transformation,HHT)演算法中的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)將趨勢部份去除，以利求得正確的頻譜分析結果。
第6圖為本創作之能量-頻譜變化示意圖，如圖所示：將經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)後的訊號經由希爾伯特頻譜轉換，可得到每段頻率範圍的能量變化，例如：高頻功率(High frequency power,HF)截取之頻率為0.15-0.4Hz，係指高頻範圍的正常心跳間期的變異數，代表副交感神經活性的指標，低頻功率(Low frequency power,LF)截取之頻率為0.04-0.15Hz，係指低頻範圍的正常心跳間期的變異數，代表交感神經活性或交感神經與副交感神經同時調控的指標，極低頻功率(Very low frequency power,VLF)截取頻率為0.003-0.04Hz，指極低頻範圍的正常心跳間期的變異數。藉此觀察出經阻斷血流壓力阻斷前、後其交感與副交感神經活性平衡的狀態。
由於血管內皮細胞功能與自律神經功能在生理系統運作上是具有相互協調的特性，兩者功能異常已被視為是勃起功能障礙與心血管疾病發展的早期徵兆。本創作提供一種隨時用以進行內皮細胞功能與自律神經功能檢測的儀器，深信日後疾病發生的風險將大為降低。
第7圖為本創作之實施流程圖，如圖所示：本創作監控生理狀態之方法，於操作時，首先利用一訊號擷取單元11擷取一生物體20之特定部位的一第一標準狀態脈波資料(步驟S10)，其中，第一標準狀態脈波資料係可為加洩壓單元12對生物體20之特定部位加壓至一標準壓力時，透過訊號擷取單元11取得第一標準狀態脈波資料。接著利用一加洩壓單元12在一特定時間內(大約2分鐘)對生物體20之特定部位加壓至一阻斷血流壓 力(步驟S11)，其中，阻斷血流壓力為一標準壓力加上生物體20的血管收縮壓。利用加洩壓單元12對生物體20之特定部位洩壓至標準壓力後，訊號擷取單元11即擷取生物體20之特定部位的一第一反應性充血狀態脈波資料(步驟S12)，其中，第一反應性充血狀態脈波資料係可為加洩壓單元12對生物體20之特定部位洩壓至一標準壓力時，透過訊號擷取單元11取得第一反應性充血狀態脈波資料。一中央處理單元13再運用一非穩態非線性轉換函數將第一標準狀態脈波資料轉換為一第二標準狀態脈波資料以及第一反應性充血狀態脈波資料轉換為一第二反應性充血狀態脈波資料(步驟S13)，其中，非穩態非線性轉換函數係為希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang transformation,HHT)演算法，特別為HHT的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)。最後中央處理單元13再根據第二標準狀態脈波資料與第二反應性充血狀態脈波資料決定生物體20的一內皮功能係數，以分析生物體之生理狀態(步驟S14)。
此外，訊號擷取單元11以及加洩壓單元12係配置於一壓脈帶15上，壓脈帶15用以包覆生物體20之特定部位。
又，監控生理狀態之方法，其中將第二反應性充血狀態脈波資料可進一步區分為一第一區間以及一第二區間，並取得第一區間的一上升斜率以及第二區間的一下降斜率，上升斜率以及下降斜率用以決定內皮功能係數的步驟。上升斜率定義為內皮細胞釋放NO後至血管產生最大擴張時的爬升速率與時間，下降斜率定義為血管產生最大擴張後至恢復正常血管狀態時的恢復速率與時間。
再者，監控生理狀態之方法更包含運用一非穩態非線性轉換函數，其中非穩態非線性轉換函數係為希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang transformation,HHT)演算法，特別為HHT的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition,EMD)以及希爾伯特轉換(Hilbert Transformation,HT)，從標準狀態脈波資料中運算出一標準狀態自律神經參數以及從第一反應性充血狀態脈波資料中運算出一反應性充血狀態自律神經參數，並根據標準狀態自律神經參數和反應性充狀態自律神經參數判斷生物體的自律神經功能的步驟。
雖然本創作已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本創作，任何熟習此技藝者，在不脫離本創作之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本創作之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧監控生理狀態之裝置
11‧‧‧訊號擷取單元
12‧‧‧加洩壓單元
13‧‧‧中央處理單元
131‧‧‧中央處理器
132‧‧‧記憶體與周邊單元
133‧‧‧軟體單元
14‧‧‧顯示單元
15‧‧‧壓脈帶
20‧‧‧生物體

Claims (9)

  1. 一種監控生理狀態之裝置，包含：一訊號擷取單元，係用以擷取一生物體之特定部位的一第一標準狀態脈波資料與一第一反應性充血狀態脈波資料；一加洩壓單元，係用以對該生物體之特定部位加壓與洩壓；以及一中央處理單元，係與該訊號擷取單元以及該加洩壓單元電性耦接，可運用一非穩態非線性轉換函數將該第一標準狀態脈波資料轉換為一第二標準狀態脈波資料以及該第一反應性充血狀態脈波資料轉換為一第二反應性充血狀態脈波資料，並根據該第二標準狀態脈波資料與該第二反應性充血狀態脈波資料決定該生物體的一內皮功能係數，以分析該生物體之生理狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之監控生理狀態之裝置，其中該加洩壓單元對該生物體之特定部位加壓至一標準壓力時，該訊號擷取單元則取得該第一標準狀態脈波資料。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之監控生理狀態之裝置，其中該加洩壓單元可對該生物體之特定部位加壓至一阻斷血流壓力，且該阻斷血流壓力為該標準壓力加上該生物體的一血管收縮壓。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之監控生理狀態之裝置，其中該加洩壓單元對該生物體之特定部位洩壓至該標準壓力時，該訊號擷取單元則取得該第一反應性充血狀態脈波資料。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之監控生理狀態之裝置，更包含一壓脈帶，用以包覆該生物體之特定部位，其中該訊號擷取單元以及該加洩壓單元係配置於該壓脈帶上。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之監控生理狀態之裝置，其中該中央處理單元更進一步將該第二反應性充血狀態脈波資料區分為一第一區間以及一第二區間，並取得該第一區間的一上升斜率以及該第二區間的一下降斜率，該上升斜率以及該下降斜率係用以決定該內皮功能係數。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之監控生理狀態之裝置，其中該中央處理單元更包含運用該非穩態非線性轉換函數從該第一標準狀態脈波資料中運算出一標準狀態自律神經參數以及從該第一反應性充血狀態脈波資料中 運算出一反應性充血狀態自律神經參數，並根據該標準狀態自律神經參數以及該反應性充血狀態自律神經參數判斷該生物體的自律神經功能。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之監控生理狀態之裝置，其中該生理狀態包含勃起功能障礙、睡眠中止症、高血壓或動脈硬化。
  9. 如申請專利範圍第1項或第7項所述之監控生理狀態之裝置，其中該非穩態非線性轉換函數為希爾伯特-黃轉換(Hilbert-Huang transformation,HHT)演算法。
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