心律與心音同步診斷 智慧聽診系統化身貼身守護神

作者 : 李順裕,國立成功大學電機系教授

為了快速、有效地區別心雜音位置與心律不整症狀,一個具「心律與心音同步診斷之智慧聽診系統」(簡稱:智慧醫療聽診器)顯得格外重要…

對於心血管系統的檢測與判別中,心臟聽診是一個相當快速且基本的診斷方式。心音主要由第一心音與第二心音所構成,因此在有其他外界雜音與額外的心雜音干擾下,區別第一心音與第二心音,以及同時判讀心雜音位置與心律不整是一個困難且重要的議題。

為了快速、有效地區別心雜音位置與心律不整症狀,一個具「心律與心音同步診斷之智慧聽診系統」(簡稱:智慧醫療聽診器)顯得格外重要。在聽診時,病人可穿戴心律偵測器並搭配無線電子聽診器進行診斷,醫生可觀察在行動裝置上呈現的心律與心音訊號並同時聽取心音聲音,經由將心律與心音訊號視覺化且保留原本的診斷方式,即時判讀心律不整與心雜音位置,以了解心臟相關疾病,將可有效提升醫生臨床與健檢聽診的效率。以下將針對市場需求與技術創新兩部分進行說明:

市場需求

目前國內外研究領域與市場,並未有相關研究是關於同步顯示心電與心音訊號,且能夠即時進行疾病分析的系統。此技術的開發將具新穎性與創造性,若能完成技術開發與成功導入市場,將會是一個相當前瞻之產品技術,並造福具心臟疾病的患者,整個聽診系統與診斷情境如圖1所示。

 

圖1:「心律與心音同步診斷之智慧聽診系統」應用概念。

 

下列將詳述傳統(電子)聽診器與智慧醫療聽診器的比較、市場層面與社會需求:

傳統(電子)聽診器與「智慧醫療聽診器」比較

1.傳統(電子)聽診器,缺乏量化的資料與顯示介面,醫師往往只能憑自身所累積的經驗,進行疾病的診斷。然而,對於剛起步的醫學系學生、實習醫師,這樣的診斷經驗,往往需要一段時間的累積與學習;

2.「智慧醫療聽診器」可將心音與心電訊號進行量化與視覺化,並可以透過電腦使用者介面、智慧型手機使用者介面,提供醫師可參考的診斷依據。此外,不僅視覺化與量化心音與心電訊號的功能,「智慧醫療聽診器」更可透過更深入的機器學習與疾病演算法分析,進一步提供疾病辨識功能,如心律不整與心雜音,提供醫師更多樣的診斷依據;

3.據衛生福利部提供的數據,老年人慢性疾病,以呼吸和心血管疾病為最大宗。若能採用「智慧醫療聽診器」,除能滿足遠距醫療需求,醫師可透過受加密保護的使用者介面,對遠距及行動不便利的慢性病患者,進行遠距的生理訊號監測並提供適時的診療,減少舟車勞頓的辛苦看診過程。

 

表1:傳統聽診器與智慧醫療聽診器的比較。

 

市場層面:穿戴式物聯網市場商機

在8年前(2013年),Google推出了跨時代的穿戴式產品Google Glasses,從那年起,各家科技大廠,無不紛紛投入穿戴式裝置應用的開發,舉凡耳機、手錶、手環、衣物、臂帶…等具備智慧電子的裝置,皆陸續成為健康照護的載具。

穿戴式裝置擁有短小、輕薄、多功能服務,並普遍與智慧型手機綁定,一舉便利了使用者的日常生活,其功能、樣式,更是不斷推陳出新、與時俱進。截至目前,穿戴式裝置已成為現今與未來主流發展趨勢,其所應用的領域,不僅包含了資訊娛樂、運動休閒、安全與專業利基,更能進一步應用於人類醫療照護領域。雖在目前發展階段,大多集中於資訊娛樂與運動休閒方面,但也意味著,在專業醫療照護市場尚未被開發,也吸引世界各知名大廠積極投入此研究領域。

2018年11月Apple Watch Series 4在台上市,進一步將穿戴式產品導入心律偵測,顯示了此潮流趨勢。根據IEK資料,2014年全球穿戴式行動裝置市場規模為55 億美元,佔全球電子式裝置比重0.3%,但至2018年全球穿戴式電子裝置市場規模,已達350億美元。

穿戴式裝置開發包含三大領域,感測硬體裝置、使用者平台介面、雲端資料整合。「智慧醫療聽診器」同時涵蓋此三大領域,是一個將穿戴式裝置與智慧醫療技術整合的典範,可讓心臟疾病的監控與診斷從醫院邁向居家環境。

社會需求:行動健康照護系統在國外的發展趨勢

關於生理資訊監測服務系統,主要是透過生理檢測醫材,進行遠距、居家生理監控,針對使用者健康狀況,進行事件性或持續的偵測與觀察,以便在健康狀況出現變異時,提出相關警示。其最終目標在於,能讓使用者在居家端,進行有效的擷取、正確的傳送、完善的儲存與監控相關生理數據。

目前生理數據監測服務系統,乃是以基礎生理訊號為主(例如:心跳、血壓、心電圖、血氧比等),並逐步朝向監控疾病因子發展(如肝功能、糖尿病、膽固醇及癌症因子…等)。此類遠距醫療照護系統,已有數十年開發歷程,顯見對於近代醫學相當重要。

「智慧醫療聽診器」雖然僅能擷取心電與心音訊號,但此二類生理訊號,實為基礎理學檢查的項目,對於患有心血管慢性病患者,定期的接受檢查,為必須且必要性事項。然實際情形,因醫療資源分配並非平衡,許多慢性病患者,須花費大量通勤與看診排隊時間,到地區大醫院接受檢查,往往數十分鐘的看診時間,需要數小時的通勤、等待時間,十足影響日常生活與時間安排。

「智慧醫療聽診器」相當符合行動健康照護系統之需求,透過智慧連網的設計,並搭配智慧型手機,即可達成具即時性、互動性地遠距醫療行為。慢性病患者可在家依照醫師所指示步驟使用「智慧醫療聽診器」,或透過家庭護理師協助,醫師便能即時的為患者診療;患者也不再受距離、時間所限制,更能安排自己的生活。

以台灣醫療需求為例,衛生福利部統計處統計,106年底台灣西醫師共46,356人(主要客戶× 1)、護理師共141,425人(潛在客戶× 0.5),醫學院學生約7,200人(主要客戶× 1),若以新台幣5,000元為例,產值近新台幣621,342,500元,若以10%佔有率為例,約有新台幣62,134,000元。且可進一步推廣至心血管疾病族群,衛生福利部紀錄目前心臟疾病部門住診人數每年約923,000人,以10%使用率為例,產值近新台幣461,500,000元,足見「智慧醫療聽診器」技術的價值。

技術創新

「智慧醫療聽診器」除了視覺化與量化心音與心電訊號的功能,系統可透過更深入的機器學習與疾病演算法分析,並進一步提供疾病辨識功能,提供醫師更多樣的診斷依據,透過視覺化可診斷的項目將包含心律不整:心房顫動(Atrial fibrillation,AF)、心室早發收縮(Ventricular Premature Contraction,VPC)、心房早發收縮(Atrial Premature Contraction,APC),以及心雜音:瓣膜閉鎖不全、二尖瓣脫垂。整個創新技術可歸納如下:

同步量測心電及心音訊號

「智慧醫療聽診器」可提供心電及心音訊號的同步量測,並且同步顯示於使用者介面。使用者能依照心電訊號之波型,更輕易地對應出心音訊號之第一心音(S1)處,以及第二心音(S2)處,找出心雜音的發生位置。此種新型的聽診系統提供使用者全新的聽診方式,幫助醫生進行更全面的診斷。

視覺化心音訊號

「智慧醫療聽診器」將主觀的聽覺心音訊號,轉換成視覺化訊號並顯示於使用者介面上。使用者能以更客觀地方式描述所聽見的心音訊號,協助診斷,以及醫學系學生的教育訓練。

視覺化心律訊號

「智慧醫療聽診器」採用24小時無線心律偵測器,可即時偵測使用者的心律(ECG)訊號,提供心臟科醫師診斷心律不整的參考。

環境抗噪設計

「智慧醫療聽診器」可透過電路與機構進行環境抗噪設計,以解決環境噪音對聽診頭的收音品質。此外,透過類比前端與數位訊號處理,可讓聲音與傳統有線聽診器一樣,無需讓資深醫師重新學習心音辨識。

除以上所介紹創新設計概念外,IC設計技術與軟、硬體整合的創新也顯得相當重要,圖2為系統方塊圖,分別敘述如下:

 

圖2:「智慧醫療聽診器」晶片與系統整合方塊圖。

 

類比積體電路設計部分

類比前端檢測電路需嘗試利用差動電路提供抗共模雜訊能力,提高檢測的準確度,此外因系統整合類比與訊號處理器,彼此的雜訊相互干擾會影響效能,此為進行心電與心音同步檢測時需面對的問題。解決的方式可將兩者在電路佈局上,盡可能利用大地當保護圈將彼此分隔,同時讓走線儘量分開,來減少耦合過來的雜訊,此外,選擇高性能的類比電路進行模組設計,如三角積分調變器(圖3),將有助於改善系統效能。

 

圖3:高解析度三角積分調變器方塊圖。

 

數位系統設計部分

三角積分調變器需搭配降頻率波器才能成為一個完整的類比數位轉換器,由於有無線傳輸的需求,需將解析後數位訊號以UART形式包裝供藍牙處理,整個數位訊號處理方塊如圖4所示。此外,演算法實施上可能會因局部心音與心電波形特徵不明顯,或是個體的心音與心電訊號差異造成誤判,此時除了找尋更有判斷能力的演算法外,同時亦可將此形態資料建檔,未來可利用此資料庫建立索引比對,減少錯誤發生率,並藉由人體試驗,得到更多的心電與心音訊號資料,以最佳化辨識演算法,含訊號前處理與人工智慧技術。

 

圖4:數位訊號處理系統方塊圖。

 

智慧醫療聽診器整合設計

智慧醫療聽診器在整合上可能遭遇一些問題,如人體移動的干擾(Motion Artifact)、系統整合彼此電路的互擾(Interference)、電性安規測試的規範要求。電子元件異質整合的不匹配,此部分需透過實際測試得到的回饋,進一步改良,如微小化模組及加入靜電防護措施,以達成高品質的產品雛形製作。圖5為晶片與整合測試示意圖,為方便醫師操作使用,亦可將心律與心音分別置於不同載具上,如心律貼片與電子聽筒,透過傳輸同步技術將訊號顯示於智慧型裝置上(圖6),讓整個系統使用上更有彈性與人性化。

 

圖5:(a)晶片圖與(b)系統測試系統示意圖。

 

圖6:心律與心音同步顯示測試情境。

 

結語

為了協助醫師能更迅速且準確地診斷,以及幫助醫學院學生在聽診經驗的養成與學習上有更可靠的依據,開發「智慧醫療聽診器」變得相當重要。此系統可具備同時量測心音訊號與心電訊號之能力,並將訊號視覺化呈現於智慧型手機上,進而確認心音訊號的狀態。

倘若有異常情形出現,傳統上只能完全仰賴醫生的經驗,然「智慧醫療聽診器」具有視覺化記錄的優勢,醫師即能藉由訊號結果來判斷可能的心臟疾病。若病患於診斷期間有心律不整的情形發生,也能藉此驗證理學檢查所可能衍生的異常心音表現。期待此系統能盡早被開發完成,並提供給醫療院所進行輔助診斷與民眾進行居家照護。

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年9月號

 

 

 

 

 

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