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先進非接觸式患者監控技術:醫療保健監護的新範例 Advanced Non-contact Patient Monitoring Technologies: New Paradigm in Healthcare Monitoring
2020/05
Frost & Sullivan
https://ww2.frost.com/
非接觸式病患監測技術正在崛起,由於穿戴式監測設備有諸多不便與缺點的關係而造成此趨勢,例如:穿戴式設備經常使患者感到不適、穿戴式設備(如:心律偵測、電極監測設備等)通常需要患者去醫院診所現場就診才能使用導致時間成本浪費而效率不高、穿戴式設備的價格昂貴使消費者無法下手購買,因此穿戴式設備成為奢侈品而不是必需品。相較之下非接觸式病患監測技術有以下優點:設備不過度引人注目增加用戶接受度、設備不會接觸患者而不會帶來不適感、可用於監測多個用戶或患者、可長期使用性且低成本。穿戴式設備的種種使用不便使得非接觸式病患監測技術開始發展。目前非接觸式病患監測技術的開發可與物聯網(IoT)結合來傳遞醫護人員與患者之間的醫療疾病訊息,也與大數據技術中預測分析和機器學習結合,來提高對患者健康監測數據判讀與健康預測的準確性。接下來介紹五項新非接觸式病患監測技術的原理簡介、應用範疇與各項技術優勢,如下:

一、紅外線技術

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。應用範疇為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包括:
(一) TIR-1:TIR-1具有藍牙傳輸設備的臨床級非接觸式紅外線測溫儀。該設備只需要一個操作一個按鍵,即可在幾秒鐘內得到體溫量測結果,並啟用藍牙系統自動將數據傳輸到電子病歷(EMR)中。
(二) 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。如果測到的異常體溫者會發出持續警示聲響。
(三) 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。
(四) 近紅外光體積描記成像儀(Near-Infrared Photoplethysmography Imaging):近紅外光體積描記成像儀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)。HRV測量對於如:心肌梗塞,糖尿病或腎衰竭等,是一種重要的臨床疾病參數,安裝於醫院或家庭環境中,可作為罹患病監測與警示工具。

二、聲音分析技術

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。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:這項技術產品可以利用人工智慧(AI)或機器學習模型來分析咳嗽聲,從而分析類流感(ILI)和流感疾病趨勢。咳嗽聲之即時分析以用於預測例如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)中進行健康監視。
(二) 床頭前感測裝置(Bed-Mounted Sensing Device):這項裝置用於檢測睡眠阻塞性呼吸中止症(Obstructive Sleep Apnea, OSA)。透過收集呼吸和床上睡眠移動狀態訊號,並利用機器學習演算法進行訊號處理,歸類出OSA嚴重程度。該設備擁有82.9%的高準確度。
(三) 聲音探測雷達系統(Radar System for Sound Detection):這是非接觸式連續心音監測雷達系統,透過雷達系統發射的電磁波可以穿透衣服和床上用品並測量出心跳聲。此項系統優勢是可以用於監視多名醫院患者,或是對在家患者進行遠程監視。

三、影像分析技術

影像分析技術是利用遠端影像收集,將影像訊號,透過軟體,轉換成人體的生理現象資訊,以分析判斷身體健康狀態。主要應用範疇為家庭行動不便長者之遠距影像監護、幼兒患者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是一種生命體徵監測工具,這項技術使用具有信號處理和人工智慧(AI)的影像技術來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。適合廣泛用於家庭環境中以遠程監控COVID-19患者。此技術會處理從影像中收集的光電容積脈搏波訊號(Photoplethysmogram, PPG),並計算其心率、血氧飽和度、心率變異性、精神壓力和呼吸頻率。
(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,並運用移動變化分析推斷其呼吸模式。
(四)生命體徵監測影像技術(Video-based Vital Signs Monitoring):該技術是世界上第一個使用攝影機進行遠端監測患者生命體徵的技術。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。該技術使用光學感測器,可以根據人體周圍血液循環所引起的皮膚顏色變化來檢測脈搏頻率。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。

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來接收人體回傳的訊號以遠端分析健康狀況。該技術主要應用於製藥公司臨床試驗調查、透過無線電波來監測生命體徵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,以及可以追踪氣哮、慢性阻塞性肺疾病(COPD)等呼吸系統疾病監測。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,並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及其分量。
(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,以便對急性惡化發生之及早警示,以進行即時治療。當監測到呼吸頻率值與正常值不同時,該設備會向醫療機構發送通知。但目前此設備尚處於等待FDA核准階段。

五、超音波技術

超音波技術利用遠端發射波與其反射波來偵測訊號以分析身體狀態或即時成像。應用範疇為進階成像與人工智慧(AI)結合能早期預測未來併發症、手術中成像能提供即時圖像供外科醫生參考、生活方式疾病監測可用於長期追踪患有血壓和心臟併發症的患者且無需再使用傳統探頭超音波設備、癌症疾病監測可以創建腫瘤圖像以即早發現癌症如乳腺癌、胎兒超音波、腎結石檢測可以代替傳統的探頭檢測。目前有兩項超音波技術被應用於市面上:
(一) 雷射超音波(Laser Ultrasound, LUS):這是用於患者成像的非接觸LUS系統。此項創新設計可以最大程度地減少組織表面的光穿透和光波聲波間能量傳導,因此所產生的聲源振幅能被最大化。透過LUS系統獲得的結果等同於傳統的超音波圖像,且在美國已用於術中監測(Intraoperative Surgical Application),能夠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,在比較發射波和接收波的相位之後測量距離,因此可以檢測到由心臟收縮產生壓力波所引起的皮膚運動。
楊易軒
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