TW201309263A - 影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法 - Google Patents

Abstract

一種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，此種量測裝置包括：至少二個用以照射不同部位組織之光發射單元、至少二個分別接收並傳輸不同部位組織所反映出之光訊號的光傳輸單元、一將部位組織所反映出之光訊號轉換為影像訊號的影像感測單元、一用以量測部位組織間之距離的長度量測單元、以及一用以分析該影像訊號，以取得不同部位組織之光體積變化訊號的影像分析單元。影像分析單元可根據光體積變化訊號，計算不同部位組織之生理參數，包含：灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標，並根據不同部位組織間的距離與其光體積變化訊號，計算得其部位組織間之脈波傳導速度。

Description

影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法

本發明係有關於一種脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，特別是一種藉由影像感測元件分析光體積變化訊號，以獲取灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標及脈波傳導速度之影像式量測裝置及其量測方法。

現代醫學在新科技不斷的進步之下，醫療的技術與品質越來越高，伴隨手術所使用記錄的生理資訊也越來越多，除了必要的生理數據，像是：心跳、血壓、體溫與血氧濃度等，慢慢的也加入自主神經的檢測，例如：利用偵測腦電圖的BIS或者是使用聽覺神經偵測的AEP，得知手術中麻醉藥劑使用多寡的麻醉深度偵測。透過上述這些儀器的偵測，也讓醫生在手術的過程中，更能掌握病患的生理數據。

然而，在目前醫療手術的過程中，醫師除了可藉由紀錄許多人體的生理參數像是心電圖、血壓以及血氧濃度等來判斷接受手術的病人目前的生理狀態，脈波傳導速度(Pulse Wave Velocity，PWV)亦是現代醫學上常用來分析人體血管特性的一種非侵入式量測法。

現有的脈波傳導速度量測方法包括有：回聲追蹤法、都普勒法、壓力傳感法、與光感測法等等。不過，使用回聲追蹤法的設備相當昂貴，通常不敷成本；都普勒法則較難實施，其原因在於測試者無法輕易、準確地將儀器操作對準在欲量測的部位上；壓力傳感法所使用的壓力感測器需包覆在欲量測的動脈上，當不恰當應用時會造成量測波形的扭曲；利用光接收二極體接收光訊號之光感測法，其成本較高，且通常無法量測多種部位，因此上述各種習見之量測方法皆具有其一定操作上的困難度需要克服。

除此之外，當在量測脈波傳導速度時，其所使用的量測器材與傳感器皆須與對應的組織部位相對應，例如：量測頸動脈的傳感器價格昂貴，且需要較熟練的操作技巧，如有更換不同規格的感測器或是在不同的量測部位上使用，則可能會出現硬體規格無法對應的問題。

並且，這類型的感測器普遍價格昂貴，如此的量測架構不僅在使用上缺乏彈性，更導致不同的量測系統需更換對應規格的感測器方可正常運作，在無形中亦使得成本相對增加。

因此，如何提供一種既可解決上述問題，並可有效量測到脈波傳導速度之量測系統及其量測方法，係為熟習此項技術領域者亟需解決的問題之一。

本發明之主要目的係在提供一種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，其係採用普及的影像感測元件，同時接收來自身體多個部位之光訊號，不僅具備量測多種部位組織之功能，更具有量測部位選擇上之彈性。

本發明之另一目的係在提供一種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，其根據二待測部位之間的距離、及其個別之光體積變化訊號，計算出脈波傳導速度，以作為醫學上評估動脈硬化程度之指標。

本發明之再一目的係在提供一種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，其藉由影像處理裝置紀錄得之光體積變化訊號，更可進一步獲得不同部位組織之灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標及反射指標等生理參數。

為達到上述之目的，本發明係有關於一種影像式脈波傳導速度之量測裝置，包括：至少二光發射單元、至少二光傳輸單元、一影像感測單元、一長度量測單元、以及一影像分析單元。其中，光發射單元用以照射至少二部位組織；光傳輸單元分別接收並傳輸該至少二部位組織所反映出之光訊號；影像感測單元對應光傳輸單元，以將部位組織所反映出之光訊號轉換為一影像訊號；長度量測單元用以量測部位組織間的距離；影像分析單元連接於影像感測單元，影像分析單元分析該影像訊號，以取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號。影像分析單元根據該至少二部位組織間的距離與該二光體積變化訊號，計算得該至少二部位組織間之脈波傳導速度。

本發明另有關於一種影像式脈波傳導速度之量測方法，包括以下步驟：提供至少二部位組織，並量測該至少二部位組織間的距離；提供至少二光發射單元，以照射該至少二部位組織；接收並傳輸該至少二部位組織所反映出之光訊號，並將其轉換為一影像訊號；分析該影像訊號，以取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號；以及根據該至少二部位組織間的距離與該二光體積變化訊號，計算得該至少二部位組織間之脈波傳導速度。

底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明提供一種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，主要利用光發射單元照射至少二待測部位，影像分析單元紀錄上述待測部位個別的光體積變化(Photoplethysmography，PPG)訊號，以進一步找出該二待測部位之間的脈波傳導速度(PWV)。

此種影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，係採用普及的影像感測元件，同時接收來自身體不同部位的光訊號，因此具備量測多種部位之功效，並具有量測部位選擇上之彈性。

請參考第1圖，係為根據本發明實施例影像式脈波傳導速度之量測裝置之示意圖，其可用以量測二部位組織1、1’之間的脈波傳導速度。此種量測裝置包含有：至少二光發射單元10、10’、至少二光傳輸單元12、12’、一影像感測單元14、一長度量測單元16、以及一影像分析單元18。其中，光發射單元10、10’分別照射部位組織1、1’，光傳輸單元12、12’分別接收並傳輸部位組織1、1’所反映出之光訊號。影像感測單元14係對應設置於光傳輸單元12、12’以將部位組織1、1’所反映出之光訊號轉換為影像訊號，影像分析單元18連接影像感測單元14，以分析影像訊號，並取得部位組織1、1’之光體積變化訊號。

請參閱第2圖，係為根據本發明實施例之影像式脈波傳導速度之量測方法的步驟流程圖。以下關於此一實施例之實施方式的說明，請一併參照第1圖與第2圖所示，茲詳細說明如下。

如步驟S202所示，首先，提供至少二部位組織1、1’，並以長度量測單元16量測部位組織1、1’之間的距離。

在本實施例中，本發明係分別以具有頸動脈之頸部、以及食指末稍作為部位組織1、1’之一種實施態樣，然而本發明並不以此為限；在實際醫療的應用層面上，使用者可自行決定待測的部位組織1、1’為何，並非用以限定本發明之發明範疇。

並且，本發明所揭示長度量測單元16之一實施例亦可以採用皮尺量測部位組織1、1’之間的距離，但本發明並不以此為限。長度量測單元16當然也可以是其他具有量測功能之捲尺等。

接著，如步驟S204所示，提供至少二光發射單元10、10’，以分別照射部位組織1、1’。

詳細而言，請參閱第3A圖與第3B圖所示，其分別為根據本發明實施例之二光發射單元10、10’之內部示意圖。

如第3A圖與第3B圖所示，光發射單元10、10’係各自包含有：光源模組102、102’、以及控制模組104、104’。一般而言，光源模組102、102’用以提供光源，以照射部位組織1、1’。控制模組104、104’則用以控制驅動光源模組102、102’之光源強度，以使得光源模組102、102’根據不同的待測部位組織，可發射出不同強度之訊號。

舉例來說，光源模組102、102’可以是例如：發光二極體、雷射二極體、或白熾燈等發光元件，以發射出多波長或是單一波長的光線。

之後，如步驟S206所示，光傳輸單元12、12’開始接收並傳輸部位組織1、1’所反映出之光訊號。值得說明的是，本實施例中在此所指反映出之光訊號，包含有部位組織1、1’所反射或透射出之光訊號。根據本發明之實施例，光傳輸單元12、12’可以是例如：光纖(fiber)、反射鏡(reflector)、或折射鏡(refractor)等不受外界光干擾之光傳輸元件，並且光傳輸單元12、12’亦可用以傳輸多種波長之光訊號。

然後，光傳輸單元12、12’再將該些光訊號傳送到影像感測單元14，由影像感測單元14將其轉換為影像訊號。

其中，影像感測單元14可以是具有電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)等影像感測元件之數位型攝影裝置。影像感測單元14並可現場錄製一個或一個以上的影像，並現場調整其鏡頭之光圈、焦距、解析度、曝光率、白平衡等參數。影像感測單元14當然也可選擇性地將影像即時傳入影像處理裝置中，並顯示於顯示器上。

之後，如步驟S208所示，影像分析單元18分析影像感測單元14輸出的影像訊號，並繪製成如第4圖所示之光強度變化波形圖，以擷取得部位組織1、1’個別之光體積變化(PPG)訊號。

一般而言，由於PPG訊號就是利用光感測元件吸收光線能量的原理，來紀錄光線變化而感應出來的一種信號。因此，如第4圖所示，本發明即可得實線部分代表之波形為頸動脈所反映出之PPG訊號，而虛線部分代表之波形為食指所反映出之PPG訊號。

在得到上述之二PPG訊號之後，最後，在步驟S210中，影像分析單元18再根據長度量測單元16所量測到部位組織1、1’之間的距離、以及上述之二PPG訊號，而計算得部位組織1、1’之間的脈波傳導速度(PWV)。

詳細而言，影像分析單元18係先根據測量原理，找出第4圖中二PPG訊號之間的脈波傳導時間(Pulse Transit Time，PTT)。然後，代入下面的公式：

PWV=distance/PTT，其中distance為部位組織1、1’之間的距離，PTT為脈波傳導時間，本發明即可計算得到部位組織1、1’之間的脈波傳導速度。

其次，第5圖係為根據本發明另一實施例影像式脈波傳導速度之量測裝置之示意圖，如第5圖所示，除了上述之光發射單元10、10’、光傳輸單元12、12’、影像感測單元14、長度量測單元16、以及影像分析單元18之外，本發明另一實施例之量測裝置更可包括一電性連接於影像分析單元18之資料處理單元20。

其中，資料處理單元20可以是電腦、個人數位助理、或手機等裝置，以根據一參數演算法，對PPG訊號作進一步的分析，藉此獲取病理上灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標及脈波傳導速度之生理參數。

在一實施例中，由於傳統的非侵入式血管量測，必須藉由單一或特定的感測元件作為前端感測電路，常具有成本過高、缺乏使用彈性等問題。因此，根據本發明之實施例，資料處理單元20可根據其內部之參數演算法，針對PPG訊號進行影像特徵分析和濾波處理，進而計算出血管硬化之生理參數。

詳細來說，其執行流程包括：利用影像感測單元14與影像分析單元18擷取影像，然後藉由資料處理單元20之人機介面選取影像中欲分析的範圍(Region of Interest，ROI)，再透過參數演算法進行信號處理及參數計算，將其結果顯示在資料處理單元20之人機介面上，藉此完成一軟體流程。如有其他分析或計算之需求，則可重複執行該軟體流程。

第6圖係為根據本發明一實施範例之資料處理單元之參數演算法的流程示意圖。其中，在影像感測單元14與影像分析單元18擷取到影像之後，如步驟S602所示，該參數演算法首先利用一影像濾波器處理該影像訊號，然後，如步驟S604所示，擷取出該影像訊號中欲分析範圍(ROI)之像素，並將其轉換為時間軸信號。之後，如步驟S606所示，再利用一時間濾波器對該時間軸信號進行濾波。最後，如步驟S608所示，透過峰谷偵測找出該時間軸信號之信號特徵，以藉此信號特徵計算出反射指標(Reflection Index，RI)、血管硬化指標(Stiffness Index，SI)等參數。

其中，如第7圖所示，RI參數係定義為受測者之身高除以Δt之值，SI參數定義為a除以b之比值，以百分比表示之。

藉此，使用者即可根據資料處理單元20控制影像感測單元14與影像分析單元18擷取連續的影像訊號，並透過其參數演算之軟體流程，計算得到血管硬化之生理參數。

在另一實施例中，由於現今量測呼吸僅有溫度感測與胸帶式壓力感測二種，其中，溫度感測在測量上具有口鼻接觸之可能，容易增加傳染途徑之憂慮；胸帶式壓力感測在量測時容易鬆脫，且必須維持一定姿勢，二者皆具有其操作之困難度。

因此，根據本發明之另一實施例，資料處理單元20亦可根據其內部之參數演算法，針對PPG訊號進行自迴歸模型演算法，進而計算出呼吸率之生理參數。

詳細來說，此種參數演算法先利用自迴歸模型演算法，得到至少一自迴歸多項式的極值係數，然後再根據該自迴歸多項式極值係數，找出呼吸頻率範圍，以繪出自迴歸能量頻譜圖。最後，找出其最大值所對應之頻率，並利用公式計算：

呼吸率(BPM)=呼吸頻率(Hz)*60秒，以獲取呼吸率分析之生理參數。

綜上所述，本發明所揭示之影像式脈波傳導速度之量測裝置及其量測方法，係為一種以光學單元、長度量測單元、與影像感測單元為基礎的PWV測量技術。藉由上述之各元件，本發明不需依靠昂貴的感測儀器，即可有效地測得脈波傳導速度。

除此之外，本發明更可藉由一資料處理單元及其參數演算法來分析光體積變化訊號，藉此獲得灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標及脈波傳導速度之生理參數。

以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之內容並據以實施，當不能以之限定本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍內。

1、1’．．．部位組織

10、10’．．．光發射單元

12、12’．．．光傳輸單元

14．．．影像感測單元

16．．．長度量測單元

18．．．影像分析單元

20．．．資料處理單元

102、102’．．．光源模組

104、104’．．．控制模組

第1圖係為根據本發明實施例影像式脈波傳導速度之量測裝置之示意圖。

第2圖係為根據本發明實施例之影像式脈波傳導速度之量測方法的步驟流程圖。

第3A圖與第3B圖係為根據本發明實施例之光發射單元之內部示意圖。

第4圖係為根據本發明實施例之光體積變化訊號之波形時序圖。

第5圖係為根據本發明另一實施例影像式脈波傳導速度之量測裝置之示意圖。

第6圖係為根據本發明一實施範例之資料處理單元之參數演算法的流程示意圖。

第7圖係為根據本發明一實施範例之光體積變化訊號與其特徵擷取之示意圖。

1、1’．．．部位組織

10、10’．．．光發射單元

12、12’．．．光傳輸單元

14．．．影像感測單元

16．．．長度量測單元

18．．．影像分析單元

Claims (13)

1. 一種影像式脈波傳導速度之量測裝置，包括有：至少二光發射單元，係照射至少二部位組織；至少二光傳輸單元，分別接收並傳輸該至少二部位組織所反映出之光訊號；一影像感測單元，對應該至少二光傳輸單元，以將該至少二部位組織所反映出之光訊號轉換為一影像訊號；一長度量測單元，係量測該至少二部位組織間的距離；以及一影像分析單元，連接於該影像感測單元，該影像分析單元分析該影像訊號，以取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號，該影像分析單元根據該至少二部位組織間的距離與該二光體積變化訊號，計算得該至少二部位組織間之脈波傳導速度。
2. 如請求項1所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中該影像分析單元係根據該二光體積變化訊號，擷取出一脈波傳導時間，該脈波傳導速度係為該至少二部位組織間的距離除以該脈波傳導時間。
3. 如請求項1所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中該至少二光發射單元係各自包含有：一光源模組，可提供光源，以照射各該部位組織；以及一控制模組，可控制驅動該光源模組之光源強度，使得該光源模組根據不同之部位組織而發射不同強度之訊號。
4. 如請求項3所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中該光源模組所發射之訊號可為多波長或單一波長之光線，且該光源模組可為發光二極體、雷射二極體、或白熾燈。
5. 如請求項1所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中各該光傳輸單元可為光纖、反射鏡、或折射鏡等光傳輸元件。
6. 如請求項1所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中該影像感測單元可為具有電荷耦合元件或互補式金屬氧化物半導體等影像感測元件之數位型攝影裝置。
7. 如請求項1所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，更包括一電性連接於該影像分析單元之資料處理單元，該資料處理單元係根據一參數演算法，以對該二光體積變化訊號進行分析，獲得灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標及脈波傳導速度之生理參數。
8. 如請求項7所述之影像式脈波傳導速度之量測裝置，其中，該資料處理單元可為電腦、個人數位助理、或手機。
9. 一種影像式脈波傳導速度之量測方法，包括：提供至少二部位組織，並量測該至少二部位組織間的距離；提供至少二光發射單元，以照射該至少二部位組織；接收並傳輸該至少二部位組織所反映出之光訊號，並將其轉換為一影像訊號；分析該影像訊號，以取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號；以及根據該至少二部位組織間的距離與該二光體積變化訊號，計算得該至少二部位組織間之脈波傳導速度。
10. 如請求項9所述之影像式脈波傳導速度之量測方法，其中在取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號後，更包括步驟：根據該二光體積變化訊號，擷取出一脈波傳導時間，其中，該脈波傳導速度係為該至少二部位組織間的距離除以該脈波傳導時間。
11. 如請求項9所述之影像式脈波傳導速度之量測方法，其中在取得該至少二部位組織之二光體積變化訊號後，更包括步驟：根據一參數演算法，對該二光體積變化訊號進行特徵分析與濾波處理，以獲得灌流指標、呼吸率、脈搏速率、血管硬化指標、反射指標及脈波傳導速度之生理參數。
12. 如請求項11所述之影像式脈波傳導速度之量測方法，其中該參數演算法包括：利用一影像濾波器處理該影像訊號；擷取該影像訊號中欲分析範圍之像素，並將其轉換為時間軸信號；利用一時間濾波器對該時間軸信號進行濾波；以及透過峰谷偵測找出該時間軸信號之信號特徵，以作為血管硬化之生理參數。
13. 如請求項11所述之影像式脈波傳導速度之量測方法，其中該參數演算法包括：利用一自迴歸模型演算法，得到至少一自迴歸多項式極值係數；根據該自迴歸多項式極值係數，找出呼吸頻率範圍，以繪出一自迴歸能量頻譜圖；以及根據該自迴歸能量頻譜圖，找出其最大值所對應之頻率，以作為呼吸率分析之生理參數。