健康評估再進化:開發降低風險的無接觸呼吸率量測系統

十一月 10, 2017
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馬來西亞太空科學研究所使用 LabVIEW 和光學位移感測器,執行無接觸呼吸率量測作業
針對接受健康評估的病人,醫療人員必須收集病人的生命徵象。 生命徵象暗示了病人的狀態。 為了評估病人的健康狀態,醫療人員經常使用的生命徵象包含呼吸率 (RR)、心跳率、血壓、體溫、氧飽和度、疼痛。 RR 是最敏感也最重要的生命徵象,因為只要出現緊急情況,RR 就會有所變化。
Hans Husum 在一篇 2003 年收錄於 Journal of Trauma 的文章中指出,RR 和呼吸道障礙都是受傷嚴重度與死亡的重要預測指標。 根據 David Isaacs 和 J.P. McFadden 於 BMJ 所發表的文章,以及 Thomas R. Gravelyn 於 JAMA 所發表的文章,RR 是一種有效的呼吸系統感染指標,而且適用於各種年齡層。 不過,還是需要準確的量測方式。 除了人工觀察之外,現有的 RR 量測工具是二氧化碳量測儀 (Capnography),可量測呼吸氣體內二氧化碳 (CO2) 的濃度或分壓。 波形提供了呼氣與吸氣資訊,以及動脈的吐氣末端 CO2 差異。 Jacqueline D’Mello 和 Manju Butani 在 Indian Journal of Anesthesia 主張,臨床實驗所呼出的 CO2 也反映了新陳代謝、循環、呼吸、呼吸道和呼吸系統的變化。 雖然就大多數的研究而言,二氧化碳量測儀被視為最準確的 RR 量測方式,但根據 C.V. Egleston 和 Michael C. Plewa 在 Emergency Medicine Journal 所發表的文章,這種方式其實屬於侵入式技巧。

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醫療人員也可使用其他技巧來量測 RR,比如說透過胸腔電阻、感應體積描記法和床墊感測器,進一步量測動作、體積和組織濃度。 不過,因為速度的關係,急診部門完全不會採用這些方式。 急診部門的分類人員必須在兩分鐘內判斷病患類型。 一般來說,分類人員必須手動量測 RR,這麼做可能會出現量測誤差。 此外,大部分的呼吸量測裝置都會需要醫療人員把感測器安裝到病人身上。 這樣一來不但浪費時間,病人得到傳染性疾病的風險也會增加。 病人還會因為身上裝了感測器而覺得不適,此外也可能造成壓力並影響呼吸。

我們的主要專案目標就是使用 LabVIEW 和光學位移感測器,開發出無接觸的 RR 量測系統。 我們使用 NI-VISA 依序把感測器銜接至電腦, 同時透過峰值偵測演算法,判斷本端的最大值並計算 RR。 本文說明了初步研究狀況,以及採用 LabVIEW 和 NI-VISA 的硬體設定。

量測方法
我們主要是量測因為呼吸活動而造成的少量胸腔位移。 我們使用 LK-G507 這種高速、高精度的光學位移雷射感測器,偵測胸壁的位移狀況。 雷射光源的長度是 650 nm,隨意產生的光點類型有助於穩定量測粗糙的表面,量測範圍介於 250 ~ 1,000 mm 之間。 取樣率為 50 kHz,準確度為 ±0.05%,可重複性則是 0.5 mm。
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圖 1:LKG-507 雷射位移感測器 (Keyence Corp.)

LK-G507 感測器 (圖 1) 會產生 0.95 MW 的光學功率 (Class II)。 使用者不可直接注視雷射光源。 這款感測器包含了電荷偶合裝置 (CCD) 感測器、鏡片和光學系統。 目標物所反射的光線會通過接收器的鏡頭,並且集中對準 CCD 感測器。 CCD 感測器會針對每個圖素,偵測光束光點的光線分佈峰值,並且判定為目標位置。 只要胸壁因為呼吸而移動位置,光線反射至 CCD 感測器的位置也會跟著變化。
位移感測器會連接至感測器控制器,並且使用 NI-VISA 依序銜接至電腦。 NI-VISA 不僅簡化了序列儀器的程式設計作業,還加快設計速度。 LabVIEW 提供的基本 VISA 函式有 VISA Open、VISA Read、VISA Write 和 VISA Close。 我們用 LabVIEW 開發出客制化軟體,以便即時呈現所擷取到的訊號、即時計算呼吸率、把資料儲存至電腦並於日後分析。 我們使用峰值偵測演算法,偵測本端光學位移波形的最大值,並且根據正峰值的差值算出瞬間 RR。
可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。
我們在馬來西亞國民大學 (Universiti Kebangsaan Malaysia) 的系統設計實驗室執行資料擷取的部分。 共有 17 名介於 24 歲到 55 歲的健康受試者 (男性 12 人,女性 5 人) 參與此研究。 在我們清楚解釋整個程序之後,他們全都簽署了知情同意書。 我們請受試者坐在距離感測器 500 mm 的椅子上。 製造商明訂感測器的量測範圍是 250 ~ 750 mm。 雷射光會持續放射至受試者的胸壁,大約維持 179 秒。 感測器會偵測到受試者胸壁所反射的雷射光,並且以 45.45 Hz 的速度 (製造商設定) 傳送至電腦。圖 2 是無接觸呼吸率量測系統,位於系統設計實驗室。
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圖2:實驗室內的無接觸呼吸率量測設定

結果與討論
圖 3 是資料擷取期間系統的圖形化使用者介面 (GUI),以及胸壁所反射的光學訊號。 同一個 GUI 也顯示了瞬間呼吸率,以每分鐘呼吸次數 (BPM) 為單位。
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圖3:無接觸呼吸率量測裝置的圖形化使用者介面

初步結果顯示,透過光學技術與健康的隨機受試者所量測到的呼吸率介於 12 ~ 34 BPM,如圖 4 所示。 請注意,使用此技術所量測到的呼吸率仍然介於人類呼吸率的最大值與最小值之間,也就是 6 ~ 70 BPM。 然而,我們仍需藉助醫療資料與參考量測方式,才能進一步檢驗上述結果。
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使用光學技術所擷取到的呼吸率。 紅線代表人類呼吸率的上限和下限,綠線代表健康受試者的呼吸率

這項先導性研究證明了使用光學位移感測器來量測 RR 確實可行。 之後的重點在於加強數位訊號處理技巧,並且使用心電圖或壓電呼吸感測器,建立標準的 RR 量測作業,藉此提升 RR 的運動效度。

作者資訊:
Beng Gan Kok
Institute of Space Science 
Faculty of Engineering & Built Environment, UKM, UKM Bangi, Selangor


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