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技術領先國際,造福洗腎病患 世界首創.手持非侵入式AI血流感測系統

日期:108年11月13日

發稿單位:工程技術研究發展司

聯絡人:杜青駿副研究員

電話:(02)2737-7527

e-mail:cctu@most.gov.tw

在科技部經費補助下,國立交通大學電機系趙昌博特聘教授團隊,成功運用PPG光學、電子電路、以大數據建立AI演算模型等不同領域技術,開發出世界首支手持「非侵入式血流感測器」,可讓洗腎病患於第一時間得知瘻管的健康狀況。創新技術著重於精確的心率、血流、血壓與心房顫動數值的即時量測與監控,有效的掌握使用者的生理狀況,並研發裝置出現警訊時能盡快至醫院進行診察。

國人自主研發,世界首支高準確度之手持非侵入式血流感測器

趙昌博特聘教授團隊成功設計實現世界首支手持「非侵入式血流感測器」,類似Apple Watch表背以感光方式偵測使用者心跳,本感測器以特殊波長陣列設計光學感測器,以光學感應皮下血管傳來的訊號,因血液流動對光的吸收會有所變化,藉由量測血管的光體積變化描記圖訊號(photoplethysmography,簡稱PPG),用於偵測血管血流情況。感測器尺寸約為手機的一半,體積小巧且操作容易,過程無輻射且非侵入性,並且可精準地偵測血流量(Blood Flow Volume)。可運用此技術於即時偵測脫水、中暑、高山症及洗腎病患之瘻管健康狀況。同時透過專利演算法得到心率、血流、血壓與心房顫動數值,可提供病患居家量測,並將資料雲端化,使得醫生也能隨地掌握健康狀態。並透過日常監測,及早發現血管血流不足的狀況,及時安排相關治療。

藉由大數據、AI演算法等創新科技,大幅提升使用便利性

自2017年研發出第一代手持「非侵入式血流感測器」以來,不斷借助新科技,持續強化其功能。相較上一代,強化之處例如改善感測器之光學設計與光罩,讓量測更加便利,不會因為擺置於手腕的位置稍有偏差而影響量測結果,同時亦可避免環境光對量測結果的影響。此外,與兩所醫學中心的腎臟科醫師合作,目前已累積二百餘名病患使用本項手持「非侵入式血流感測器」與侵入式血流感測器之量測數據比對資料,藉由大數據建立AI演算模型,提高量測準確度,同時讓第一次使用本項手持「非侵入式血流感測器」者,可直接使用,不須校正,大幅提升使用的便利性。

造福洗腎病患,可隨時得知瘻管的健康狀況

根據衛生福利部中央健康保險署統計資料,2018年醫療支出前十大疾病,慢性腎病蟬聯第一名,就醫人數約36.4萬人,醫療費用約513億元。去年有9萬人洗腎,創歷年新高,一年花費449億元。暢通的透析血管通路俗稱「瘻管」,為洗腎病人的生命線,但在長期血液透析後會導致瘻管阻塞而產生血管併發症。目前對於瘻管堵塞的診斷,最準確的方法是採用侵入式血流感測器,然而須由醫務人員操作,且為侵入式,較為不便,目前醫院通常是使用非侵入式的超音波都普勒血流儀來量測血流狀況,此儀器價格昂貴、體積較大,且同樣須由醫務人員操作。趙昌博特聘教授團隊研發體積小、價格親民且可居家量測的高精準度之手持「非侵入式血流感測器」,與侵入式血流感測器的量測結果相較,相關性高達91%,且已與兩所醫學中心進行臨床試驗,其準確度皆符合商品化之標準規範。初期以「手持式光學血流計及APP」切入市場,其輕便、簡易的量測方式可讓洗腎病患於第一時間得知瘻管的健康狀況,可取代現有的醫院大型超音波血流儀,讓洗腎病人可以在家裡監控瘻管健康狀況,同時透過與醫院系統連線,讓醫院可以提前為瘻管堵塞的病人安排用藥或氣球擴張手術,以免耽誤血液透析療程。

技術深耕六年有成,榮獲國家新創獎、IEEE國際大獎的肯定

趙昌博特聘教授團隊自103年開始投入「非侵入式血流感測器」相關研究,技術深耕六年有成,研究成果超越國際研究水準,自103年來已獲得國內24家廠商青睞,進行36件產學合作、技術移轉與技術諮詢,產學效益豐碩。

在國內獎項的肯定方面,榮獲2次國家生技醫療產業策進會之「國家新創獎」。「創新光學式之可穿戴連續無束帶血壓計」榮獲第13屆(2016年)國家新創獎,「創新非侵入式之血流感測器」榮獲第15屆(2018年)國家新創獎。在國際獎項的肯定方面,本項「非侵入式血流感測器」榮獲2019 IEEE Sensors Council Technical Achievement Award (in the field of Sensor Systems or Networks - Advanced Career)國際大獎的肯定,此獎項於國際上Sensor Systems領域每年僅1位學者獲獎,亦為國內第一位獲得此國際殊榮的學者。

守護民眾健康,深具市場潛力

在過去十多年以來,世界上各種新型智慧健康裝置不斷問世。在2025年全球智慧健康裝置市場預估達2,446萬美元。根據世界衛生組織(WHO)調查,每年約有1,770萬人因心血管疾病(CVD)而喪生,大約占全球死亡人數的31%。

本項手持「非侵入式血流感測器」,目前已應用於量測洗腎病患之瘻管健康狀況,預計於明年完成FDA認證及開始銷售,造福洗腎病患。此外,亦可應用於一般民眾隨時掌握自己的心率、血流、血壓與心房顫動數值,降低因心血管疾病而喪生的可能性。

趙昌博特聘教授團隊獲得本部108年度價創計畫的補助,進一步研發可撓式軟性PPG感測貼片,此亦為世界首創,可克服市售穿戴式手錶或手環無法在運動中量測心率及其他生理資訊,並且可達到24小時連續量測,同時結合雲端巨量量測資料服務平台,提供個人居家健康管理服務,即時監控個人健康狀況,連線醫院醫師,並可即時採取醫療行為,預防併發症。 

參考資料:

  1. Yung-Hua Kao, Paul C.-P. Chao* and Chin-Long Wey, 2019, “Design and Validation of a New PPG Module to Acquire High-Quality Physiological Signals for High-Accuracy Biomedical Sensing,” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 25, no. 1, pp. 69000210.2019.
  2. Eric P.-Y. Chiang, Paul C.-P. Chao*, Der-Cherng Tarng, Chih-Yu Yang, 2017, “A Novel Wireless Photoplethysmography Blood Flow Volume Sensor for Assessing Arteriovenous Fistula of Hemodialysis Patients,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 64, iss. 12, pp. 9626-9635, 2017.
  3. IEEE Sensors Council Award獲獎名單公告 https://newsletters.ieee.org/society/SensorsCouncil/July%202019/SEN_nltr_070319_ONLIIII.html  

研究成果聯絡人

趙昌博特聘教授 國立交通大學電機工程學系

電話: (03)5131377 , (03)5712121分機54442

E-mail:pchao@mail.nctu.edu.tw