腦室外引流智慧調節系統

工研院資通所 黃咨翰,陳柏瑋

 

當有嚴重的腦部外傷或重症發生時,可能會造成頭顱內出現血塊或異物;因應腦室是由堅硬無彈性的頭骨形成的封閉空間,血塊與異物將會增加顱內壓力。一旦壓力過高,腦內血液供應量降低,將使得腦組織不僅會缺氧,也會產生損傷。因此必須透過腦室外引流系統長時間監測腦壓,以及適時引流腦脊液,降低顱內壓力。工研院現已和長庚大學脊椎神經外科醫生合作,改良傳統腦室外引流系統:以診療智慧化為目標,藉由整合資通訊專長的自動通報警告機制、自動感測生理數據紀錄、遠端自動控制引流以及脊椎神經外科專長之顱壓量測與顱內引流技術,減少醫護人員的繁雜操作,並將引流誤差率控制在1.5%以下。此系統將可增進照護人力的精準配置,並進一步地提升醫護人員於術前診斷、術後診療的精確性。

加護照顧受傷的腦部,藉由腦脊液的引流釋放壓力

目前主流的顱內壓量測方式如圖1所示:在顱內放入引流導管,再將導管接入三通閥,一端接入電子監控儀,另一部分通過壓力感測器再導入引流量筒內。然而顱內腦脊液壓力會隨不同測量部位高低而有所改變,所以在量測實務上,會定義將量測背板的零點對齊外耳洞,並設定腦室外引流系統壓力高度於10~15mmHg。由於連通管原理,當顱內壓力高於系統設定值時,護理人員將開啟旋轉閥鈕,使腦脊液自然引流至引流量筒內,並根據量筒內的液面高度來判斷目前引流的CC數[1-2]。同時,護理人員會告知醫生目前患者腦壓狀況,由醫生指示護理人員需在限定時間引流的次數與引流量。目前引流系統透過簡單物理性質的引流方式,非經由動力式的外力吸取引流液,能降低患者額外的傷害,也可適當引流過多的腦組織液,緩和釋放腦壓,將過高的腦壓降到標準數值。

 
圖1 腦室外引流系統[4]

長期監控顱內壓力,造成護理人員額外負擔

由於腦室外引流的目的是藉由連續不間斷的監測顱內壓的壓力變化曲線,隨時做出診斷治療及調整引流量,達到有效的引流出腦室內的血液或腦脊液,降低顱內壓,和腦水腫,減少腦功能的損傷。然而,為了達到長時間的監測,必須靠護理人員的按時紀錄壓力和引流量,並依循醫囑手動控制引流閥,每小時實施一至數次引流。然而引流閥開關是根據護理人員的巡房時間,因此就有實際提前引流完成,但卻未即時關掉引流閥,產生過度引流或是紀錄誤差等衍生問題。且當引流系統裝置好後,常因病人的晃動翻身,使得裝置需要重新校正與對齊,而繁複的校正及裝置的固定更需有經驗的廠商與護理人員來指導。因應現今台灣醫療人力的嚴重不足,在造成醫護人員的額外負擔的當下,也同步降低了醫療照護的品質。因此,如何自動量測與智慧監控,便是需要整合資通訊與醫療領域的當前課題。

監控智慧化,降低額外人力付出

工研院根據現有腦室外引流系統上的缺陷,提出基於視覺影像處理的腦室外引流智慧調節系統,系統架構如圖2分為A、B、C三部分。C是原有傳統式引流系統,經由引流管將腦脊液引流到觀測的量筒內,系統中心控制模組(A)為帶有藍芽和網路功能的系統微處理器,周邊感測器(B)架構在C部分則是使用鏡頭模組影像單元與壓力傳感器。操作原理為透過將影像數據傳至中心模組進行影像處理,自動判斷引流量筒內液面高度,並由此得知目前腦脊液引流數量;並藉由壓力傳感器收集顱內壓力值,使控制模組根據比對即時壓力與預設閥值,決定引流的與否;最後驅動馬達控制旋轉(C)引流閥打開開關,取代手動操作。系統顯示面板部分亦搭配人機介面的程式,經由網路或藍芽交換感測訊息:除了顯示病患實際引流情況、壓力提醒、引流完成通知,醫生也能透過程式,遠端設定壓力閥值和引流條件。

系統的自動化及智慧化,不僅帶來便利性,也提高醫療照護品質和監控的精準度和安全性。更進一步的好處還有:以往的紀錄透過人力的抄寫,現今透過程式來保存,間隔時間點可達每秒紀錄,記錄的資料更為詳細與確實。監控間隔的時間解決過度引流問題,醫生更能開更細微的引流醫矚,醫護人員無須頻繁的進入病房做巡視,只要根據系統發出的警報,再做相對應處理。

 

圖2  腦室外引流系統自動化

 

 

腦室外引流智慧調節系統核心技術

現今腦室外引流量操作方式是由醫護人員肉眼去判斷引流量筒內液面高度。故此,大多數的相關文獻皆是以影像處理方式辨別腦脊液的液面高度。由於腦脊液為幾乎透明無色的液體且盛裝在透明量筒內,受限於其影像特徵和背景色無差別,故無法使用如”邊緣偵測”或是”直線偵測”等傳統影像處理方式[3][5]找到引流液面高度。 有別於傳統影像識別,本系統利用量筒背後黏貼的標示元件與光線的折射原理(如圖3),利用介質中折射係數的差別進行液面量測。因應光線經過折射率較高的透明液體時焦距等效變長,因此影像將如凸透鏡成像,則觀測物在焦距內會有放大效果。如圖4,利用影像不連續特徵,計算影橫切面,便能推算引流的CC數,此精度以容量為120 CC的量筒中,在引流15 CC條件下,誤差小於0.2 CC,意即引流誤差小於1.5%。後續搭配網路或藍牙功能,將引流紀錄所需的生理和腦壓資訊自動記錄並傳至醫生,提供即時的輔助判斷依據,除了可免除人為紀錄所造成的誤差與時間延遲之外,更可使病患得到更精準的醫療診斷。值得一提的是,我們也嘗試利用電容式量測[6]:在量筒外貼上特殊的電極貼片,貼片以量測的液體作為電容質,根據電容特性與通電後電壓的變化來推測液面高度。但因為在腦引流的這個應用狀況下,引流液體之流量往往變化甚小,導致量測數值易因寄生電容、分布電容和環境溫度等影響,使得量測誤差過大。

圖3 光折射
圖4 影像式液面偵測原理

腦室外引流智慧調節系統 可降低勞動需求、提升醫療品質

目前台灣面臨人口老化、醫療照護的複雜度不斷提升以及醫療人力不足的窘境,導致醫療人員工時超時、過勞等議題不斷產生,社會亟需更有效運用人力資源分配。因此提高醫療的智慧化與術後照顧的自動化等方向,才能有效地降低勞動需求,提升醫療品質。本文所實現的腦室外引流智慧調節系統即為一個良好範例:我們與長庚大學脊椎神經外科醫生和腦室外引流系統的醫材商合作,從現有傳統的腦室外引流系統基礎上,架構影像量測感測、智慧控制器、精準紀錄、快速傳輸之智慧化醫療照護系統,可以將引流誤差率控制在1.5%以下,並簡化醫護人員工作事項:將繁瑣及例行的規則性任務交由智慧照護系統處理,醫護人員只需根據系統的發報通知再做緊急處理或是常態性的更換引流量筒。如此,省下的時間就能來做更為核心及專業的醫療服務,達到照護智慧化、人力最佳化的最終目的。

 

參考文獻

[1] 古菊梅、施春合、邱雅玲、林芳如、施國正(2008)‧神經外科護理人員腦室外

引流照護能力之改善‧台灣醫學,12(2),152-160。

[2] 黃勝堅、廖俊智、李定洲、高明見(2001)‧顱內壓監測在神經加護重症的應

用‧中華民國急救加護醫學會雜誌,12(3),93-102。

[3] 权诚一,金源,李瓒柱,金东求,李惠恩,柳民旭,使用影像在时间上的像素的浓度分布变

化的液体边界面识别方法和使用该方法的液体高度识别装置,中国专利:

102165288B, Mar. 27, 2010.

[4] Morton, Ryan, and Richard G. Ellenbogen. “Intracranial hypertension.” Principles

of Neurological Surgery. WB Saunders, 2012. 311-323.

[5] Jyh-Hong Wu,Fang-Pang Lin,Yi-Hao Hsiao,Te-Lin Chung,“Liquid level detection

method,” U.S. Patent 8,184,848, Dec. 23, 2010.

[6] “FDC1004EVM User’s Guide,” Texas Instruments,Oct,2016.

 

 

文章轉載自工業技術研究院電腦與通訊月刊