以步阶激发方法推估血管顺应性及其他特徵参数与

1、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： NSC982221E214005MY3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.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、王任帆一、中文摘要本計畫之目的就是要在不同的特

2、定時序下，對表淺的動脈施於一步階型的輸入激發，而由所擷取到的暫態響應波形中，分析出該段動脈血管的順應性指標及其他特徵參數。本年度主要完成了步階激發之推演，血管壁微振動感測裝置之研製，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，橈動脈步階響應之分析及與脈波速度之比較。在二十位自願者測試中，相對於心電圖R波及T波之橈動脈管壁自然頻率分別為8.99± 0.73及8.86±1.08 Hz，而肩窩至上臂、手腕、及手指的脈波速度，分別為1.23 ±0.21， 2.10 ±0.28，及 2.09 ±0.23 m/sec，且經由曲線逼近方法

3、得知，橈動脈血管的順應性指標在0.122左右。經由初步的測試證實，本年度所研製的半自動步階血管順應性擷取系統之可行性，並達成年度的預期目標。同時，本年度計畫執行期間共發表乙篇期刊論文及四篇國內外研討會會議論文。關鍵詞：血管順應性、動態響應、抗彈性力、步階激發、微振動技術AbstractThe purpose of the three-year proposal is to develop a noninvasive system for early measuring the arterial wall properties by means of a step excitation meth

4、od. When a superficial artery is excited by an external step stimulus, we can determine its corresponding compliance index and other parameters by analyzing its dynamic response waveform induced by the step input.We have derived the step excitation-realted theories, constructed a displacement sensin

5、g device, established a semi-automatic measuring prototype for registering the vascular compliance, performed the experiments with different excitation locations and timings, and analyzed the step response of the radial arteries. Twenty healthy subjects were included in the study. The results showed

6、 that the natural frequencies of the radial arterial wall were 8.99±0.73 and 8.86±1.08 Hz for the timings of R and T waves in these subjects, respectively. In addition, the pulse wave velocities from the shoulder notch to the upper arm, the wrist, and the finger were found to be 1.23±

7、0.21, 2.10±0.28, and 2.09±0.23 m/sec, respectively. Meanwhile, an index of around 0.122 specifically for the radial vascular compliance was yielded using the curve fitting method. Those results demonstrated the feasibility of the semi-automatic measuring system proposed in the study. In br

8、ief, one journal paper and four conference papers associated with the current results have been published in this fiscal year.Keywords: Vascular Compliance, Dynamic Response, Elastance, Step Excitation, Minute Vibration Method二、緣由與目的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，許多疾病也會引起動脈血管彈性降低的現象，例如國人十大死因中的

9、腦血管疾病 (Cerebral vessel disease) 1，心臟病 (Cardiac disease) 2，糖尿病 (Diabetes mellitus) 3，高血壓(Hypertension) 4，以及相當比例的腎臟病(Renal disease) 5，都直接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。動脈血管硬化現象不僅是老人的專利，也是現代人的文明病之一。根據先前文獻報導，血管的順應性 (Vascular compliance )(硬化程度的倒數)，可作為許多病變的主要預測因子(Predictor)。國內大部份相關的研究，大都採用超音波技術來量測血管的特性

10、。而在現有國外研究中，尚未發現以本計畫所擬應用之技術來測量人體血管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自然頻率(Natural freqency)及阻尼係數(Damping coefficient)等特徵參數，進行測試及評估。例如，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單型的二階低阻尼機械系統( Underdamped mechanical system)的特徵，並證實侵入式心導管血壓系統的自然頻率及阻尼係數，可由類似於動態機械系統之三項參數(即Ela

11、sticity, Mass 及Friction)來推得。因此，如何預防血管硬化，以減少上述疾病之發生率(Morbidity)與死亡率(Mortality)，以及延長透析瘻管的使用壽命，是值得大家重視的問題；但是如何又可靠且準確地的測出受試者的動脈順應性(或者硬化程度)，發揮早期診斷，早期治療之效果，達到預防保健之目標，將是關鍵所在。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，而由所擷取到的暫態響應波形中，分析出該段動脈血管的順應性指標及其他特徵參數。三、研究方法一段動脈血管的特性可由三個並聯的機械元件(阻尼，黏滯性及抗彈性力)所模擬，又依據力平衡的觀念，對此動脈段

12、所施加的力f(t)，應該相等於上述三項阻力之和： (1)其中M為被測動脈段的有效質量，為黏滯係數，而E為抗彈性力(等於順應性的倒數)。依方程式 (1) 的關係來看，此一段動脈血管的特徵，猶如一個低阻尼的二階機械系統。因此，若對此段動脈血管施於一步階形式的外力，也就是f(t)=u(t)，則此系統之步階響應 y(t)，應為一呈指數衰減型式的弦波波形，可表示成： (2)其中A為最高振幅，為衰減係數, 和d 為有阻尼的自然角頻率d。d與系統的特性參數之關係式為： (3)由於對一般人而言，血液的黏滯係數的差異不大，故若將它視為一固定值，則血管的順應性C為： (4)依據公式(2)，在已知A 及d的初始條件

13、下，來進行曲線逼近(Curve fitting)，並求出指數衰減係數 ，再由公式(4)算出該段血管順應性指標的相對大小值。四、結果與討論、 完成血管壁微振動感測裝置之研製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的動態響應波形。本裝置主要是由壓電感測元件、儀錶放大器、帶通濾波器、通用放大器、類比/數位(A/D)轉換器及個人電腦所組成。血管動態響應波形的振幅，常會因個別差異而幅度變化可能很大，故將此處通用放大器的電壓放大倍率，設計成具有多段選擇的功能(電壓增益在10和300之間)。同時，發現在經過通用放大器放大後之態響應波形，仍然含有頗高的60 Hz雜訊

14、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)(b)圖一、血管壁微振動感測裝置之硬體研製: (a) 裝置內部電路之佈置；(b) 感測裝置之實體圖。、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，以便達到步階激發的效果。所設計的半自動手控式步階位移激發裝置，其推凹血管的位移量可藉由限制激發棒的最大位移量來達到，而可應用彈簧的回彈力量，來完成將激發棒瞬間移離血管的目的

15、。結合該步階位移激發裝置，本計畫已完成一半自動步階位血管順應性擷取系統之雛型(如圖二)。(a)(b)(c)圖二、半自動步階位血管順應性擷取系統之雛型: (a) 半自動偵測系統之實體圖；(b) 受測者測試情形; (c) 橈動脈步階響應之擷取。、完成同激發位置及同激發時間點之測試實驗距離感測點1公分、2公分及2.5公分進行步階刺激測試實驗時，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)。、橈動脈步階響應之分析與脈波速度之比較 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DT(如圖四)

16、，再由其倒數(即1/DT)推算出血管的自然頻率(d)。圖三、依心電圖作為時間的時序，進行不同激發時間點之血管壁反應力的步階響應。圖四、從管壁步階響應波形中測得血管的自然頻率。為了比較血壓脈波速度(PWV, pulse wave velocity)與橈動脈管壁自然頻率之差異，我們計算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體積脈動波形(PPG,photo-plethysmogram)。圖五、用於計算PWV之各區域所擷取的波形: (a) 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。

17、表一為各時間點血管自然頻率和各脈波速度之比較，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=肩窩至手指的脈波速度。R波時的自然頻率略大於T波時的自然頻率，而PWV2> PWV3> PWV1。表一、血管自然頻率和脈波速度之比較Fd1(Hz)Fd2(Hz)PWV1(m/s)PWV2(m/s)PWV3(m/s)Mean8.99 8.86 1.23 2.10 2.09 STD0.73 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

18、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及其廻歸係數r，進而依公式(4)來算出血管順應性的指標。如圖六所示，為一典型步階響應波形之曲線逼近示意圖，所得的廻歸曲線為y(t)= 2.67*e-4.91t cos(7.52t)，廻歸係數r高達0.97，而指數衰減係數為4.91，經由公式(4)可算出該血管順應性指標為0.122。圖六、步階響應波形之曲線逼近結果，其中藍點表示實驗值而紅色曲線表示廻歸曲線。五、計畫成果自評本年度計畫為三年期之第一年，主要完成了步階激發之推演，血管壁微振動感測裝置之研製，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

19、應之分析及與脈波速度之比較。迄今已利用所研發之系統，對二十位正常血壓自願者成功進行步階響應之量測，並分析其血管壁在不同時間點的自然頻率之變化，初步證實本年度所研製的半自動步階血管順應性擷取系統之可行性。因此，整體而言，本年度所完成的項目，已符合原先的預期目標。同時，本年度計畫執行期間共發表(或已接受)乙篇期刊論文及四篇國內外研討會會議論文，詳列如下:期刊論文(一)王家鍾, 林良育, 張瑋鑫, “由微振動技術所量測血管硬度之自動分析軟體設計,” International Journal of Advanced Information Technologies, June, 2010.研討會論文

20、(一)王家鍾，陳鈞健，青釗，”估測周邊動脈管壁自然振動頻之研究,”CD ROMs, 2009 年生物醫學工程國際研討會暨中華民國生物醫學工程學會學術、國科會醫學工程學門研究成果發表會, Institute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taoyuan, Taipei, ROC, Dec. 1112, 2009. 研討會論文(二)郭姵君，王家鍾，”以虛擬儀控開發動脈硬度量測與分析平台,” CD ROMs, 2009 年生物醫學工程國際研討會暨中華民國生物醫學工程學會學術、國科會醫學工程學門研究成果發表會, In

21、stitute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taipei, Taiwan, ROC, Dec. 1112, 2009. 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研究-與血壓波形及心電圖作比較,” CD ROMs, 2009 年生物醫學工程國際研討會暨中華民國生物醫學工程學會學術、國科會醫學工程學門研究成果發表會, Institute of Biomedical Engineering, National Yang-Ming University, Taip

22、ei, Taiwan, ROC, Dec. 1112, 2009. 研討會論文(四)Jia-Jung Wang, Steven Chang, and Chun-Peng Liu, “Regional cold stress leads to an upforward shift in the whole elastance curve of arterial wall,” The 4th International Conference on Bioinformatics and Biomedical Engineering, Chengdu, China, June 1820, 2010.

23、(EI conference paper)六、參考文獻1 L. H. Henskens, A. A. Kroon, R. J. van Oostenbrugge, et al., “Increased aortic pulse wave velocity is associated with silent cerebral small-vessel disease in hypertensive patients,” Hypertension, 52: 1120-1126, 2008.2 M. Briand, J. G. Dumesnil, L. Kadem, A. G. Tongue, et al., ”Reduced systemic arterial compliance impacts significantly on left ventricular afterload and function in aortic stenos