以步阶激发方法推估血管顺应性及其他特徵

以步阶激发方法推估血管顺应性及其他特徵 以步階激發方法推估血管順應性及其他特徵,,與 ,床應用(1/3) Assessment of Arterial Compliance and Other Characteristics Using the Step Excitation Method and Its Clinical Application (1/3) 計畫編號, NSC98,2221,E,214,005,MY3 執行期限,98年8月1日至99年7月31日 主持人,王家鍾 義守大學生物醫學工程學系wangjj@isu.edu.tw 共同主持人,劉俊鵬 高雄榮民總醫院心臟內科 計畫參與人員,郭姵君、陳鈞健、林良育、王任帆 excited by an external step stimulus, we can determine its corresponding compliance index and 一、中文摘要 other parameters by analyzing its dynamic response 本計畫之目的就是要在不同的特定時序下,waveform induced by the step input. We have derived the step excitation-realted 對淺的動脈施於一步階型的輸入激發,而由所theories, constructed a displacement sensing device, 擷取到的暫態響應波形中,出該段動脈血管established a semi-automatic measuring prototype for registering the vascular compliance, performed 的順應性指標及其他特徵參數。本年度主要完成the experiments with different excitation locations 了步階激發,,之推演,血管壁微振動感測裝置and timings, and analyzed the step response of the radial arteries. Twenty healthy subjects were 之研製,半自動步階血管順應性擷取系統雛型之included in the study. The results showed that the 建立,,同激發時間點之測試實驗,橈動脈步階natural frequencies of the radial arterial wall were 8.99,0.73 and 8.86,1.08 Hz for the timings of R 響應之分析及與脈波速度之比較。在二十位自願and T waves in these subjects, respectively. In 者測試中,相對於心電圖R波及T波之橈動脈管壁addition, the pulse wave velocities from the shoulder notch to the upper arm, the wrist, and the finger were 自然頻率分別為8.99, 0.73及8.86,1.08 Hz,而肩窩found to be 1.23,0.21, 2.10,0.28, and 2.09,0.23 至上臂、手腕、及手指的脈波速度,分別為1.23 m/sec, respectively. Meanwhile, an index of around 0.122 specifically for the radial vascular compliance ,0.21, 2.10 ,0.28,及 2.09 ,0.23 m/sec,且經由was yielded using the curve fitting method. Those 曲線逼近方法得知,橈動脈血管的順應性指標在results demonstrated the feasibility of the semi-automatic measuring system proposed in the 0.122左右。經由初步的測試證實,本年度所研製study. In brief, one journal paper and four 的半自動步階血管順應性擷取系統之可行性,並conference papers associated with the current results have been published in this fiscal year. 達成年度的預期目標。同時,本年度計畫執行期Keywords: Vascular Compliance, Dynamic 間共發表乙篇期刊論文及四篇國內外研討會會議Response, Elastance, Step Excitation, Minute Vibration Method 論文。 關鍵詞,血管順應性、動態響應、抗彈性力、步二、緣由與目的 階激發、微振動技術 人類隨著年齡的增長,動脈血管的彈性反而 會降低,其中除了自然老化的因素之外,許多疾Abstract The purpose of the three-year proposal is to 病也會引起動脈血管彈性降低的現象,例如國人develop a noninvasive system for early measuring 十大死因中的腦血管疾病 (Cerebral vessel disease) the arterial wall properties by means of a step excitation method. When a superficial artery is [1],心臟病 (Cardiac disease) [2],糖尿病 (Diabetes mellitus) [3],高血壓(Hypertension) [4],2dy(t)dy(t)以及相當比例的腎臟病(Renal disease) [5],都直接M，,，Ey(t),f(t) (1)2dtdt 或間接肇因於動脈血管硬化,所以動脈硬化可以 說是國人最大健康威脅之一。動脈血管硬化現象其中M為被測動脈段的有效質量,η為黏滯係數,不僅是老人的專利,也是現代人的文明病之一。而E為抗彈性力(等於順應性的倒數)。 根據先前文獻報導,血管的順應性 (Vascular 依方程式 (1) 的關係來看,此一段動脈血管的特compliance )(硬化程度的倒數),可作為許多病變徵,猶如一個低阻尼的二階機械系統。因此,若的主要預測因子(Predictor)。 對此段動脈血管施於一步階形式的外力,也就是 國內大部份相關的研究,大都採用超音波技f(t)=u(t),則此系統之步階響應 y(t),應為一呈指術來量測血管的特性。而在現有國外研究中,尚數衰減型式的弦波波形,可表示成, 未發現以本計畫所擬應用之技術來測量人體血管t,, (2)y(t),Aecos(,t)d之順應性及其他參數者,而大部份先前相關文獻 都是利用類同的技術,對侵入式血壓測量系統之 其中A為最高振幅,α為衰減係數, 和ωd 為有阻尼自然頻率(Natural freqency)及阻尼係數(Damping 的自然角頻率ωd。ωd與系統的特性參數之關係式coefficient)等特徵參數,進行測試及評估。例如, 為, Gardner 與Idvall等學者發現,心導管-轉換器系統 (Catheter-transducer system)的響應特性猶如一簡E2,,,(,) (3)d單型的二階低阻尼機械系統( Underdamped M mechanical system)的特徵,並證實侵入式心導管 由於對一般人而言,血液的黏滯係數的差異不血壓系統的自然頻率及阻尼係數,可由類似於動 大,故若將它視為一固定值,則血管的順應性C態機械系統之三項參數(即Elasticity, Mass 及 為, Friction)來推得。 因此,如何預防血管硬化,以減少上述疾病,2C, (4)22之發生率(Morbidity)與死亡率(Mortality),以及延，,,d 長透析瘻管的使用壽命,是值得大家重視的問 依據公式(2),在已知A 及ωd的初始條件下,題,但是如何又可靠且準確地的測出受試者的動 來進行曲線逼近(Curve fitting),並求出指數衰減係脈順應性(或者硬化程度),發揮「早期診斷,早期 數α ,再由公式(4)算出該段血管順應性指標的相治療」之效果,達到「預防保健」之目標,將是 對大小值。 關鍵所在。本計畫之目的就是要在不同的特定時 序下,對表淺的動脈施於一步階型的輸入激發,四、結果與討論 而由所擷取到的暫態響應波形中,分析出該段動,、 完成血管壁微振動感測裝置之研製 脈血管的順應性指標及其他特徵參數。 本計畫已製作完成一感測動脈管壁微振動之 量測裝置(如圖一),來感測血管因步階激發而產生三、研究方法 的動態響應波形。本裝置主要是由壓電感測元一段動脈血管的特性可由三個並聯的機械元 件、儀錶放大器、帶通濾波器、通用放大器、類件(阻尼,黏滯性及抗彈性力)所模擬,又依據力平 比/數位(A/D)轉換器及個人電腦所組成。衡的觀念,對此動脈段所施加的力f(t),應該相等 血管動態響應波形的振幅,常會因個別差異於上述三項阻力之和, 而幅度變化可能很大,故將此處通用放大器的電力量,來完成將激發棒瞬間移離血管的目的。結 壓放大倍率,設計成具有多段選擇的功能(電壓增合該步階位移激發裝置,本計畫已完成一半自動 益在10和300之間)。同時,發現在經過通用放步階位血管順應性擷取系統之雛型(如圖二)。 大器放大後之態響應波形,仍然含有頗高的60 Hz 雜訊時,故於A/D轉換器之前,加入一60 Hz帶 拒濾波器,以有效濾除電源線的干擾雜訊。 (a) (a) (b) (b) 圖一、血管壁微振動感測裝置之硬體研製裝: (a) 置內部電路之佈置,感測裝置之實體圖。(b) ,、建立半自動步階位血管順應性擷取系統之雛 型 為了能客觀地對血管進行步階位移的激發, 本計畫已設計完成一半自動手控式步階位移激發 裝置。我們利用此裝置對血管進行步階激發的動 作,以手動的方式向下移動激發棒,直接加壓推 凹血管,然後再讓激發棒瞬間往上彈,以便達到 (c) 步階激發的效果。所設計的半自動手控式步階位 圖二、半自動步階位血管順應性擷取系統之雛型: 移激發裝置,其推凹血管的位移量可藉由限制激 (a) 半自動偵測系統之實體圖,(b) 受測者測試情發棒的最大位移量來達到,而可應用彈簧的回彈 形; (c) 橈動脈步階響應之擷取。20位受測者肩窩至上臂、手腕、手指的PWV。如 圖五所示,為各區域所擷取的氣囊壓振盪波或光,、完成,同激發位置及,同激發時間點之測試體積脈動波形(PPG,photo-plethysmogram)。 實驗 距離感測點公分、公分及公分進行步階122.5(a) 刺激測試實驗時,我們發現,同的激發位置並不 會產生不同的血管自然頻率。但是,針對不同的(b) 激發時間點,依心電圖,,則會獲得不同的血管 自然頻率如圖三。() (c) ,、橈動脈步階響應之分析與脈波速度之比較(d) 依據心電圖作為時間的參考,由所擷取的管 壁步階響應波形,測量兩個弦波波峰之時間差Time 如圖四,再由其倒數即推算出血管的自,T()(1/,T)圖五、用於計算PWV之各區域所擷取的波形: (a) 然頻率。(ωd) 由手腕氣囊所測得之氣囊壓振盪波,(b) 心電圖; (c) 手指之PPG; (d) 由手臂氣囊所測得之氣囊壓 振盪波。 橈動脈的心電圖表一為各時間點血管自然頻率和各脈波速度力反應 之比較,其中Fd1=相對於R波的自然頻率,Fd2= 相對於T波的自然頻率,PWV1=肩窩至上臂的脈 波速度,PWV2=肩窩至手腕的脈波速度,PWV3=步階響應步階響應 肩窩至手指的脈波速度。R波時的自然頻率略大 刺激點刺激點刺激點刺激點刺激點於T波時的自然頻率,而PWV2> PWV3> PWV1。 時間 圖三、依心電圖作為時間的時序,進行不同激發 表一、血管自然頻率和脈波速度之比較 時間點之血管壁反應力的步階響應。 Fd1 Fd2 PWV1 PWV2 PWV3 (Hz) (Hz) (m/s) (m/s) (m/s) Mean 8.99 8.86 1.23 2.10 2.09 STD 0.73 1.08 0.21 0.28 0.23 我們以公式(2)作為曲線逼近(Curve fitting)方 程式,將管壁步階響應波形於SigmaPlot套裝軟體 進行曲線逼近,並求出指數衰減係數α及其廻歸 係數r,進而依公式(4)來算出血管順應性的指標。圖四、從管壁步階響應波形中測得血管的 如圖六所示,為一典型步階響應波形之曲線逼近自然頻率。 -4.91t示意圖,所得的廻歸曲線為y(t)= 2.67*e 為了比較血壓脈波速度(PWV, pulse wave cos(7.52t),廻歸係數r高達0.97,而指數衰減係數velocity)與橈動脈管壁自然頻率之差異,我們計算α為4.91,經由公式(4)可算出該血管順應性指標為 National Yang-Ming University, Taoyuan, Taipei, 0.122。 ROC, Dec. 11~12, 2009. 3 -4.91ty(t)=2.67*e*cos(7.52t)研討會論文(二)郭姵君,王家鍾,”以虛擬儀控開2r=0.97發動脈硬度量測與分析平台,” CD ROMs, 2009 年1 生物醫學工程國際研討會暨中華民國生物醫學工0 程學會學術、國科會醫學工程學門研究成果發表-1Reactive force [Volt]會, Institute of Biomedical Engineering, National -2Yang-Ming University, Taipei, Taiwan, ROC, Dec. 11~12, 2009. -30.00.10.20.30.40.50.6 Time [s]研討會論文(三)王家鍾,王仕帆,張瑋鑫,劉俊鵬,” 以動脈血壓依賴型反應力作為時序基準之可行性圖六、步階響應波形之曲線逼近結果,其中藍點 研究--與血壓波形及心電圖作比較,” CD ROMs, 表示實驗值而紅色曲線表示廻歸曲線。 2009 年生物醫學工程國際研討會暨中華民國生 五、計畫成果自評 物醫學工程學會學術、國科會醫學工程學門研究 本年度計畫為三年期之第一年,主要完成了成果發表會, Institute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan, 步階激發,,之推演,血管壁微振動感測裝置之 ROC, Dec. 11~12, 2009. 研製,半自動步階血管順應性擷取系統雛型之建 立,,同激發時間點之測試實驗,橈動脈步階響研討會論文(四)Jia-Jung Wang, Steven Chang, and Chun-Peng Liu, “Regional cold stress leads to an 應之分析及與脈波速度之比較。 upforward shift in the whole elastance curve of 迄今已利用所研發之系統,對二十位正常血arterial wall,” The 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, 壓自願者成功進行步階響應之量測,並分析其血 Chengdu, China, June 18~20, 2010. (EI conference 管壁在不同時間點的自然頻率之變化,初步證實paper) 本年度所研製的半自動步階血管順應性擷取系統 六、參考文獻 之可行性。因此,整體而言,本年度所完成的項[1] L. H. Henskens, A. A. Kroon, R. J. van 目,已符合原先的預期目標。同時,本年度計畫Oostenbrugge, et al., “Increased aortic pulse wave velocity is associated with silent cerebral 執行期間共發表(或已接受)乙篇期刊論文及四篇small-vessel disease in hypertensive patients,” 國內外研討會會議論文,詳列如下:Hypertension, 52: 1120-1126, 2008. [2] M. Briand, J. G. Dumesnil, L. Kadem, A. G. Tongue, et al., ”Reduced systemic arterial 期刊論文(一) compliance impacts significantly on left ventricular 王家鍾, 林良育, 張瑋鑫, “由微振動技術所量測afterload and function in aortic stenosis: implications for diagnosis and treatment,” J. Am. Coll. Cardiol., 血管硬度之自動分析軟體設計,” International 46: 291-298, 2005. Journal of Advanced Information Technologies, [3] I. Wakabayashi and H. Masuda, “Relationships June, 2010. between vascular indexes and atherosclerotic risk factors in patients with type 2 diabetes mellitus,” 研討會論文(一)王家鍾,陳鈞健,,青釗,”估測Angiology, 59: 567-573, 2008. [4] G. Uehara and H. Takeda, “Relative effects of 周邊動脈管壁自然振動頻,之研究,”CD ROMs, telmisartan, candesartan and losartan on alleviating 2009 年生物醫學工程國際研討會暨中華民國生arterial stiffness in patients with hypertension complicated by diabetes mellitus: an evaluation 物醫學工程學會學術、國科會醫學工程學門研究using the cardio-ankle vascular index (CAVI),” J. Int. 成果發表會, Institute of Biomedical Engineering, Med. Res., 36: 1094-1102, 2008. [5] A. P. GuérinP, B. Pannier, F. Métivier, S. J. Marchais and G. M. London, ”Assessment and significance of arterial stiffness in patients with chronic kidney disease,” Curr. Opin. Nephrol. Hypertens., 17: 635-641, 2008.