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貼片式動態心電圖監測模組及穿戴式血氧偵測系統驗證方法評估

貼片式動態心電圖監測模組及穿戴式血氧偵測系統驗證方法評估

林哲偉

摘要

醫療器材為應用穿戴式裝置極具潛力的發展方向,在各式的醫療器材中,穿戴式心電圖被視為最有可能成功的產品。穿戴式心電圖跟標準的十二導程心電圖的差異有多少?穿戴式心電圖可以達成哪些臨床疾病的篩檢?穿戴式心電圖應該符合哪些法規途徑?穿戴式心電圖有哪些主要的外觀種類?以上的問題本文將透過已取得美國/歐盟的穿戴式心電圖的歸納,來回答關於關於穿戴式心電圖的疑惑。

一、穿戴式心電圖及血氧量測裝置發展現況

由於半導體技術的突飛猛進,使得積體電路的運算能力大幅提升、功率消耗大幅下降、無線傳輸能力也大幅提昇。由於智慧型手機的普及、無線網路(WiFi)/藍芽通訊(Bluetooth)等標準化通訊方式的商用化,再配合雲端運算的蓬勃發展,給了穿戴式裝置一個天時地利的發展契機。自從 2014 年全球消費性電子大展中,在主辦單位特別規劃三個與穿戴式科技相關的展覽專區之後(wrist revolution, digital health, fitness-tech),穿戴式裝置正式進入商轉階段。在 2014 ~2015 之間國際上各電子大廠莫不在穿戴式裝置的研發上面推陳出新、市場百家爭鳴,從低價位的小米手環,到中價位的Fitbit/Garmin Vivo 手環,到高價位的 Apple watch,各式各樣的穿戴式裝置在消費性市場上百家爭鳴,市場看似潛力無窮。許多研究報告也看好穿戴式裝置的發展,如工研院產業技術知識服務計畫(ITIS)的預估資料:2018 年全球穿戴式裝置市場產值將達 206億美元。然而從 2016 下半年開始,全球穿戴式裝置市場成長勁道趨緩,許多研究人員探究其原因,認為目前市場上的穿戴式裝置大多是泛用型產品,如活動/睡眠偵測手環,或者是智慧型手機的延伸裝置(功能類似藍芽耳機)。這類的產品屬於 Nice to have的產品、並非 must to have 的產品,因此市場的成長勁道趨緩。若能針對某些特殊族群的痛點開發出專用的穿戴式裝置,則可望帶動另一波穿戴式裝置的發展,因此醫療器材將是穿戴式裝置未來開發的一個好方向。而貼片式心電圖以及血氧設備則為此方面重要的機會之一。

二、穿戴式心電圖的主要外型及領導產品

在文獻探討中,本報告首先將根據期中口頭報告會議中評審專家的建議,先從與生理訊號的穿戴式裝置的種類開始探討。在Elena等人發表的文獻中歸納了如表 1所示,穿戴式的種類包括了手環/手錶式、皮膚貼片式、袖帶式、指夾式、智慧織品衣物、頭套式等主要的樣式1。可感測的生理訊號主要包括身體活動量、心電圖、心律、皮膚溫度、心律變異性、呼吸、皮膚電導、血氧、腦電圖、肌電圖。從表 1中可得知心電圖或心律偵測是可穿戴式裝置的大重點。在心律以及血氧相關的產品中,光體積描述訊號(photoplethysmography, PPG)是穿戴式裝置常用的技術,使用光體積描述訊號量測心律時,此類光學式心律感測器適用即時獲得靜態心律資料,常用的應用情境包括護理、居家照顧、急救等臨床領域2。光體積描述積數的技術基礎為:使用高頻率閃爍的發光二極體(light emitting diode, LED)發出光線(一般為紅光或綠光)穿透皮膚,再從光源接收器來檢測發出光源被皮膚、組織、及血液吸收掉的成分。從光源接收器中分析血液流動的狀態中反推出心律的數值。在臨床使用情境上常面對的問題是許多變因都會對光體積描述訊號式的心律感測器產生心律量測的誤差,例如膚色、皮膚溫度等,因此在環境變因的控制上,是光學式心律監測穿戴式裝置的一大重點2。除了光體積描述訊號之外,使用單導程的心電圖是許多穿戴式裝置產品的特徵,穿戴式的心電圖主要可以分為兩種,一種為貼片式的穿戴式心電圖、另一種則為手錶式的穿戴式心電圖2。貼片式心電圖大多以兩個電極連貼於前胸,兩個電極位置的連線需要穿過心臟,以差動放大的方向來得到心電圖。而手錶式的穿戴式心電圖則在手錶的裝置上放置兩個電極,分別連接到配戴手錶的手以及另一隻手(另一隻手需要搭上手錶),形成兩個電極差動放大,進而得到心電圖。不管是貼片式的心電圖或者是手錶式的穿戴式的心電圖,都近似於標準心電圖中十二導程的Lead I導程。在市面上的穿戴式心電圖產品,例如Apple Watch3以及Kardia Band是手錶型的穿戴式心電圖4Apple Watch的一個心電電極配置於手錶錶面的背面、另一個心電電極則配置於手錶錶冠上。Kardia Band是一個相容於Apple Watch手錶的錶帶配件,其兩個心電感測電極分別配置於錶帶的正面以及背面。KardioBand即時的利用心臟跳動時產生的心電電位變化來量測心電圖並用來檢測患者是否有心房顫動(Atrial Fibrillation, AFib),其為目前在Apple Watch配件中上唯一通過美國食品藥物管理局FDA批准的醫療配件設備。Apple Watch Series 4的心電圖硬體並未通過醫療器材認證,而是其內建的心房顫動偵測軟體已通過美國食品藥物管理局的審核通過,被認可為用於心房顫動檢測的醫療器材軟體。在貼片式心電圖方面,QardioCore以及Hexoskin為市面上的代表性產品。Qardio為一個可穿戴式器材並利用胸前貼片的形式,量測心電圖,可即時的透過心電圖分析心律、心律變異性(heart rate variability, HRV)、呼吸頻率、體溫、活動強度等數據5Hexoskin則為智慧衣物型的心電圖,可量測受測者的心電圖、心律變異性(HRV)

1、穿戴式裝置的種類1

裝置類型

可收集的資料

範例

手環/
手錶

Actigraphy. HR (Heart Rate),
BP (Blood Pressure),
EDA (Electrodermal activity)

Actiwatch Spectrum by Phillips,
ActiGraph Link by ActiGraph,
E4 by Empatica,
ViSI Mobile by Sotera Wireless

皮膚貼片

ECG(Electrocardiography),
Actigraphy.
Skin temperature

BioStampRC by MC10,
HealthPatch by Vital Connect,
BodyGuardian by Preventice

袖帶式

BP, HR

Intellisense Digital BP Monitor by Omron Healthcare

指夾式

HR, Sp02

iSp02 Pulse Oximeter by Massimo

智慧織品衣物

HR,
HRV (Heart Rate Variability),
ECG,
Breathing Rate, Actigraphy

Smart shirt by Hexcskin

頭套式

EEG (Electroencephalogram),
EMG (Electromyography )

EMOTIV EPOC by Emotiv,
4D FOACE by 4D FORCE

三、穿戴式心電圖的精準度以及與傳統心電圖的比對

由於近年來眾多穿戴式心電圖的產品上市,國際上有相關研究於探討十二導程心電圖與穿戴式心電圖的相似度,例如Afrin等學者發表的論文提到7:近年來雖有許多穿戴式單導程的心電圖問世,但由於心臟疾病不單只是透過單導程的心電圖就可以診斷,大多是需要透過12導程的心電圖才能診斷,因此使用單導程的心電圖無法完全12導程的心電圖的診斷功能。因此單導程的穿戴式心電圖雖有方便配戴、長時間記錄的優點,但使用單導程心電圖用於診斷心臟疾病的能力仍然有一定限制。不過,若能藉由結合各個單導程的心電圖來取代12導程心電圖,在心臟疾病診斷上將能大幅降低成本並提升診斷能力,由心電向量描記法(VCG)的分析顯示,單導程的心電訊號與12導程或傳統Frank導程所估計的心電圖還是會有落差。但透過機械學習演算法的輔助,可以將穿戴式單導程的資料合成出近似12導程心電圖的辨識度,根據Afrin等人的研究,正確率及相似度可以超過90%7Nelson等人進行了穿戴式裝置(Apple Watch 3Fitbit Charge 2)及24小時動態心電圖(Vrije Universiteit ECG)的長時間(24小時)精確度比較。Nelson等人收集了五種日常活動,包括坐、走、跑、日常生活活動(例如:作家事,刷牙)、睡覺的生理數據。在此研究中,共收集了102,740的心跳,此研究結果顯示Apple Watch 3Fitbit Charge 2的長時間平均心跳結果與24小時心電圖比較起來都非常準確。具體來說,與標準的24小時心電圖相比,Apple Watch 3的平均差異為-1.80/分鐘(bpm)、平均絕對誤差百分比為5.86%、平均一致性為95%。而Fitbit Charge 2的平均差異為-3.47 bpm、平均絕對誤差為5.96%、平均一致性為918Tsukata等人的研究則進行了織品式心電圖智慧衣的耐久性測試與研究,Tsukata將塗有PEDOT-PSS聚合物的奈米纖維編織編成心電圖智慧衣,針對重複洗滌的耐受性測試高達150次,紡織電極的電導率在多達50次洗滌時仍保持有效。為了驗證心電圖智慧衣的心電波形品質,此研究針對66名健康成人的仰臥休息,坐下休息,直立軀幹旋轉(扭轉身體軀幹)和踩踏運動期間記錄傳統電極或紡織電極的單導聯ECG。利用Holter心電圖系統做數據存儲與分析。在傳統電極和紡織電極之中,P波,QRS波和T波的ECG模式是相當的,然而在軀幹扭轉期間,訊雜比在紡織電極中比在傳統電極中的品質更佳9

四、穿戴式心電圖的臨床應用

在應用面上,穿戴式心電圖也顯示對常見的心臟疾病篩檢的效果。穿戴式的心電圖以及光體積描述訊號在心房顫動篩檢研究顯示出高準確率。McConnell等人利用手持式單導程心電圖於381名參與者進行心房顫動篩檢,實驗結果為94%的敏感度以及99%的特異性。使用光體積描述訊號將手指放在手機的相機上進行心房顫動檢測,結果顯示了具有93%的靈敏度和98%的特異性10。然而,由於心律有眾多不同種類的不規律性(例如:早期心房收縮、早期心室收縮、心室上性心搏過速,房室傳導阻滯)可能被錯誤分類為心房顫動,亦有可能導致不正確的診斷和治療。此為穿戴式心電圖使用時必須注意的地方。

五、穿戴式心電圖建議符合之法規規範

IEC 60601-1:2005。包含有關基本安全和基本性能的要求,這些要求通常適用於醫療電氣設備。對於某些類型的醫療電氣設備,這些要求可以通過特定標準的特殊要求進行補充或修改18

IEC 60601-1: 2012IEC 60601-1標準第三版,介紹了風險管理(RM)和基本性能(EP)模組。這意味著製造商現在必須為每個器械列出超過150個風險管理的具體引用,並提供符合IEC 60601-1標準的風險管理表的證據。根據IEC 60601-1,醫療器材製造商還必須依ISO14971:2007標準建立一風險管理系統。但如上所述,製造商並不能單憑通過ISO14971:2007風險管理認證以達到IEC 60601-1第三版所規定的風險管理的要求。IEC 60601-1標準是針對產品相關的評估,與注重流程管理的ISO14971略有不同19

IEC 60601-1-2:2014 20。適用於醫療設備(ME)設備和ME系統在存在電磁干擾和我的設備和系統發出的電磁干擾時的基本安全性和基本性能。 IEC 60601-1的這一附屬標準規定了ME設備和ME系統的電磁干擾和電磁輻射的基本安全性和基本性能的一般要求和測試。它們是對通用標準IEC 60601-1的要求的補充,並作為特定標準的基礎。第四版取消並取代了IEC 60601-1-2的第三版,並構成了技術修訂。與上一版相比,最重大的變化包括以下修改:根據預期用途的環境規定抗擾度測試水平,根據與IEC 60601-1-11協調的位置進行分類:專業醫療設施環境,家庭醫療保健環境和特殊環境。當便攜式射頻通信設備靠近醫療電氣設備使用時,根據第三版規定的抗擾度測試水平,提高測試和測試水平的規範,以提高醫療電氣設備和醫療電氣系統的安全性。根據醫療電氣設備或醫療電氣系統的端口規定的抗擾度測試和抗擾度測試等級。基於在預期使用環境中可合理預見的最大電磁干擾水平的抗擾度測試水平的規範,導致一些免疫測試水平高於前一版本。和更好地協調基本安全和基本績效的風險概念,包括刪除定義的“生命支持”一詞。此新版本包括以下主要內容20:本國際標準適用於醫療電氣設備和醫療電氣系統的基本安全和基本性能,以下稱為ME設備和ME系統。該附帶標準適用於ME設備和ME系統的基本安全性和基本性能,存在電磁干擾和ME設備和ME系統發出的電磁干擾。關於電磁干擾的基本安全適用於所有ME設備和ME系統。該附屬標準的目的是規定關於電磁干擾和ME設備和ME系統的電磁發射的基本安全和基本性能的一般要求和測試21

CE-Medical device directiveCE醫療器材指令醫療器械指令旨在確保社區內貨物的自由流動,同時為患者,用戶和第三方提供高水平的保護,並達到製造商對醫療器械的性能水平。醫療器械指令定義哪些產品屬於其應用領域,它提供了其所涵蓋的醫療器械和配件必須遵守的基本要求,並概述了製造商必須應用的合格評定程序,以確保符合必要條件。根據CE,用於診斷和監測的有源器件歸類為IIa類,因此ECG屬於class IIa (中等風險) 22。如果設備屬於IIa類,除了客製化的或用於臨床研究的設備外,製造商執行合格評定並以自己的方式記錄評估。並且,為了加貼CE標誌,應遵循附件VII中規定的EC符合性聲明的程序23,24,並加上:與附件IV所列的歐共體核查有關的程序、與附件V(生產質量保證)中規定的EC合格聲明有關的程序、或附件VI(產品質量保證)中規定的EC合格聲明的程序、製造商也可以遵循附件II中規定的EC合格聲明程序(全面質量保證),而不是採用這些程序。

美國FDA診斷式心電圖設計指引(Diagnostic ECG Guidance):本指南旨在幫助準備或審查受以下規定的設備的上市前通知(510(k))申請25

六、穿戴式心電圖的臨床測試:

目前市面上的單導程穿戴式心電圖,其臨床測試大多是以實質等效的方式取得其FDA510(k)。也就是將單導程穿戴式心電圖仿照現有之合格心電圖產品,在510(k)申請時,對其設計外型、材料特性、製造過程、功效性及治療使用目的等相似處,與已上市之寄存的產品做一比較,在確認穿戴式心電圖與舊產品具「實質相等性」之後,即發與FDA的認證,目前幾乎所有的單導程穿戴式心電圖都是以實直等效方式取得510(k)的認證。

七、已上市穿戴式心電圖之心律不整偵測能力驗證:

為了測試市面上穿戴式心電圖偵測心律不整的能力,我們採用Whaleteq AECG心電圖模擬器結合心律不整訊號用於測試市面上宣稱可偵測心律不整的裝置。本實驗所採取的裝置樣品1、樣品2、樣品3宣稱有心搏過緩、心搏過速、心房震顫的警示功能,我們將心搏過緩的測試範圍設定為30~60 bpm( 5bpm 為一間隔),心搏過速的測試範圍設定為90~150 bpm( 5bpm 為一間隔),心房顫動則使用Physionet database (MIT-BIH Atrial Fibrillation Database, afdb)作為模擬的訊號來源,所擷取的訊號又分成三種狀態,分別為正常心律、心房顫動、混和(正常心律+心房顫動的狀況)。WE4WE6警示心搏過速、心搏過緩、心房顫動的正確比例如 2所示,樣品1以及樣品2警示心房震動測試結果之混淆矩陣如 3所示。

2、測試市面上穿戴式心電圖能警示心搏過速、心搏過緩、心房顫動的正確比例

測試裝置

測試狀態

樣品1

樣品2

樣品3

心搏過速

84%

82%

100%

心搏過緩

43%

43%

100%

心房顫動

86%

88%

74%

3、樣品1以及樣品2警示心房震動測試結果之混淆矩陣

辨識狀況

實際結果

正常

心律不整

過速

過緩

未分類

正常

15

(71.43%)

0

(0%)

1

(4.76%)

0

(0%)

5

(23.81%)

心房顫動

0

(0%)

20

(95.24%)

0

(0%)

0

(0%)

1

(4.76%)

混和各半

0

(0%)

13

(61.9%)

0

(0%)

0

(0%)

8

(38.10%)

結論與建議

綜觀目前全球通過審查的穿戴式心電圖或血氧感測器,由台灣廠商生產的裝置較少,而台灣的科技及醫療實力舉世知名,其可能的原因在於國內廠商對於穿戴式心電圖的臨床可用性、法規途徑、校正方式較少涉獵。在參考現有產品及文獻,單導程的穿戴式心電圖較適合用於偵測節律異常的心跳,例如心跳過速、心跳過緩、心房顫動等狀況。穿戴式心電圖雖還未有專有的醫療法規,但基於跟十二導程心電圖或類似產品進行實質等效比對,通過醫療器材認證並不困難,因此投入穿戴式心電圖醫療器材開發可為我國產商參考之發展方向。

參考文獻

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作者簡介

林哲偉副教授

成功大學 生物醫學工程學系副教授

成功大學前瞻醫療器材科技中心

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