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非接觸式健康與病患偵測技術發展現況

楊易軒、洪立萍/ 發布日期:2020/07/31/ 瀏覽次數:321

近年來由於行動通訊的使用普及與個人化健康管理風潮的興起,穿戴式裝置之發展速度相當顯著。然而,在健康監測或病患監測應用領域上,除了穿戴式裝置外,非接觸式健康或病患監測(Non-Contact Health/Patient Monitoring)裝置,亦提供需求者另一項選擇。相較於穿戴式產品,非接觸式監測裝置有以下優點:裝置不過度引人注目,因而增加使用者之接受度;裝置並不直接接觸使用者或患者,因而不會帶來不適感。另外,其也具備同時監測多人,以及可長期使用且成本較低等特點。目前非接觸式健康監測之主要相關技術範疇包括:紅外線技術、聲音方析技術、影像分析技術、都卜勒雷達技術,以及超音波技術等,如圖ㄧ所示。以下針對非接觸式健康監測技術進行簡介,並說明相關產品之優勢。

 

 

ㄧ、紅外線技術(Infrared Technology)

紅外線技術是運用光電技術偵測物體的熱輻射訊號並轉成可辨識的形式,其應用範疇涵蓋COVID-19或流感症狀篩檢、於公共場所檢測大量人潮的體溫、藥物儲存監控,以及與體溫升高相關的疾病預測等。目前市面上運用紅外線技術之相關產品案例有:

(ㄧ) 非接觸式紅外線額溫儀(Non-contact Forehead Infrared Thermometer):該設備可從距額頭5公分處準確測量體溫,量測時間僅需0.5秒,並立即將結果顯示於LCD屏幕上,若發現異常體溫者會發出持續警示聲響。 
(二) FLIR A320 Tempscreen:該設備是一種紅外線熱像儀,具有高靈敏度,可顯示皮膚溫度的可視化圖,並可分辨出0.07 ℃的溫差。內建功能包括彩色圖像、溫度尺度和聲音警報。
(三) 近紅外光體積描記成像儀(Near-Infrared Photoplethysmography Imaging):該裝置是以相機的光電容積描記術(Photoplethysmography Imaging, PPGI)技術為基礎,以非接觸式和無干擾性的方式,監測心率變異性(Heart Rate Variability, HRV)。針對如心肌梗塞、糖尿病,與腎衰竭等疾病,HRV測量是一種重要的臨床參數。該裝置可安裝於醫院或家庭環境中,作為罹患疾病監測與警示工具。

二、聲音分析技術(Sound Analysis Technology)

聲音分析技術偵測器可收集聲波,並進行其與特定疾病關聯性之分析。主要應用於COVID-19咳嗽症狀篩檢、家中行動不便的長者或醫院重症患者之遠距監控、呼吸中止症監測、風濕熱的心跳監測等。目前有三種類型的聲音分析應用已被開發:

(一) FluSense流感偵測器:這項技術產品利用人工智慧(AI)或機器學習模型來分析咳嗽聲,以監控類流感(Influenza-like Illnesses, ILI)和流感(Flu)疾病趨勢。咳嗽聲音即時分析技術,除了用於預測如COVID-19之病毒性呼吸道疾病的爆發,亦可在大型公共區域,例如:醫院候診室,進行健康監視。
(二) 床頭前感測裝置(Bed-Mounted Sensing Device):這項裝置可透過收集呼吸聲響和床上睡眠移動狀態訊號,利用機器學習演算法進行訊號處理,進而歸類出罹患睡眠阻塞性呼吸中止症(Obstructive Sleep Apnea, OSA)的發生機率,同時亦具備早期患病警示的功能。
(三) 聲音探測雷達系統(Radar System for Sound Detection):該非接觸式連續心音監測雷達系統,透過雷達系統發射能夠穿透衣服和床上用品之電磁波,並藉由反射波測量出心跳聲。此項系統優勢是可以用於監視多名醫院患者,或是對居家護理之患者進行遠程監視。

三、影像分析技術(Video Analysis Technology)

影像分析技術是利用遠端影像收集,將影像訊號,透過軟體,轉換成人體的生理資訊,以分析判斷身體之健康狀態。主要應用範疇為家庭行動不便長者之遠距影像監護、用於幼兒患者之非接觸式醫療影像監測、COVID-19症狀非接觸式影像篩檢、心理壓力監測、神經疾病追踪、骨科術後傷口復原監測等。以下簡介四項技術應用產品:

(一) BVue Health Application:BVue是一種生命體徴監測工具,運用信號處理和人工智慧(AI)技術,分析連續影像記錄以收集量測值,並建立資料庫。該技術可以分析來自智慧型手機、平板電腦等設備記錄下的影像,適合廣泛地用於家庭環境之遠程監控。此技術會處理由影像中收集的光電容積脈搏波訊號(Photoplethysmogram, PPG),計算出其心率、血氧飽和度、心率變異性、精神壓力和呼吸頻率等。
(二)深度影像技術(Depth Video):這是一個運用Microsoft Kinect感測器的低成本、非接觸式健康監測方法。該感測器可週期性地偵測人體頭部因從心臟輸出血液所引起的振動,並透過訊號處理技術估算心跳與心律。
(三) Acquired Video Data:這是一種用於非接觸式測量呼吸模式和收集呼吸頻率的技術。該技術係由一台擁有RGB攝影鏡頭的機器和用於處理影像數據的演算法組成,攝影機記錄受試者的胸部運動,經由分析其移動變化,推斷呼吸模式。
(四)生命體徴監測影像技術(Video-based Vital Signs Monitoring):該技術使用光學感測器,根據人體周圍血液循環所引起的皮膚顏色變化,檢測脈搏頻率。除此之外,還可以根據人體呼吸時所造成的身體運動來計算呼吸頻率。此項技術被英國標準協會(British Standards Institute)認證為歐洲2A級醫療設備。

四、都卜勒雷達技術(Doppler Radar Technology)

都卜勒雷達技術是利用都卜勒效應,經由接收人體回傳的訊號,以遠端分析健康狀況。該技術主要應用於生命體徵監測,並提早預測可能的併發症、老年人居家日常連續心肺功能監測、跌倒風險監控,以及氣哮、慢性阻塞性肺疾病(COPD)等呼吸系統疾病之追蹤。以下為都卜勒雷達技術的應用案例:

(一) 感染篩選系統(Infection Screening System):此感染系統可用於檢測中東呼吸系統綜合症(MERS)和伊波拉出血熱等傳染病。其使用24.05至24.25 GHz頻率範圍之微波,結合機器學習模型處理器,來測量多個生命體徵,是個低成本非接觸式醫療雷達系統。主要原理為利用都卜勒效應,將微波射入人體胸腔再接收其反射波,藉此分析心臟動態和呼吸頻率等。
(二) 三通道都卜勒雷達感測器(3-Channel Doppler Radar Sensor):此3通道模組設備是為協助簡化非接觸式運動醫療檢測設備或產品之設計,都卜勒雷達感測器模組及其評估套件有助於快速開發非接觸式感測相關產品。此模組支援1Hz至1MHz範圍內的I / Q輸出信號(相位與強度),使其能檢測每秒6毫米至6公里速度下的運動。該都卜勒雷達可以針對患者動脈準確地檢測出其心跳。
(三) Circadia C100非接觸式監控設備:該技術是透過雷達預測急性臨床惡化呼吸系統併發症的工具。該技術可用於病房、療養院或家庭中的患者連續監測,以便對急性惡化之發生提出示警,以利於即時治療。目前此設備尚處於等待FDA核准階段。

五、超音波技術(Ultrasound Technology)

超音波技術係藉由遠端發射波,並偵測其反射波所傳送之訊號,以分析身體狀態,或進行即時成像。應用範疇為於手術中之即時圖像以供外科醫生參考、長期追踪患有血壓和心臟併發症患者之生活習性與病況、乳腺癌檢測、胎兒超音波、腎結石檢測等。以下為目前市場上之應用案例:

(一) 雷射超音波(Laser Ultrasound, LUS):此項創新設計可以大幅減少在組織表面上的光穿透和光波-聲波間之能量轉導(Transduction),因此所產生的聲源振幅能被最大化,且探測深度可達5cm。該非接觸式LUS系統之有效性以達到與傳統接觸式超音波圖像工具ㄧ致,且在美國已用於術中監測(Intraoperative Surgical Application),為醫師提供患者即時臨床圖像。
(二)非接觸超音波系統(Non-contact Ultrasound System):這項非接觸超音波系統用於心跳檢測,可以遠距監測心率和心率變異性(HRV)。該系統原理為對頸部特定位置發射超音波,並於超音波反射後接收其回波,藉由發射波和接收波之相位差,推斷由心臟收縮產生壓力波所引起的皮膚運動。

 

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