TWI511702B - Methods for the measurement of endothelial cell dilatation - Google Patents

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內皮細胞擴張功能之量測方法
本發明是有關於一種量測方法,特別是指一種內皮細胞擴張功能的量測方法。
動脈血管內壁上的內皮細胞(Endothelium)之擴張功能會影響動脈血管的擴張程度,因此一些內皮細胞擴張功能之量測研究已被提出,並作為評估血管動脈彈性之依據,再藉由動脈血管之彈性程度來推論發生心血管疾病的可能性及作為預防該疾病的指標。
在論文‘John E.Deanfield,Julian P.Halcox and Ton J.Rabelink,“Endothelial Function and Dysfunction:Testing and Clinical Relevance,”Circulation,115:1285-1295,2007.’提出一種以超音波技術來測量血管內皮細胞的(Endothelial)血流調節擴張功能(Flow-mediated dilatation,FMD)之方法,惟該超音波技術具有以下缺點:
(一)須仰賴一套設備昂貴的高頻率超音波儀器,才能測量出血管的內部直徑。
(二)須藉由一位熟綀的醫生或者技術員,才能正確操作該儀器。
(三)須在專業的醫療院所才能進行該測量,無法達到一般居家之普及使用。
(四)由於利用高頻率超音波來測量動脈的內皮細胞擴張功能指標時,因受限於測量血管口徑之準確度,而大 大降低該內皮細胞擴張功能指標之準確度及可靠度。
(五)因受制於血管阻斷前後所產生血管口徑的變化量不大,導致由高頻率超音波所測得的內皮細胞擴張功能指標,其靈敏度不夠高。
因此,本發明之目的,即在提供一種避免上述缺失、降低設備成本和提高靈敏度的內皮細胞擴張功能量測方法。
內皮細胞擴張功能的量測方法,藉由一氣囊對一受測者肢體之一施壓來量測血管內皮細胞的擴張功能,且包含以下步驟:將該氣囊的內部氣體壓力設定為一低壓預設值,以對該受測者該肢體之一進行施壓;量測該氣囊內的氣壓以得到一血管常態期之氣囊內壓變化量;將該氣囊的內部氣體壓力設定為一高壓預設值,以對該受測者該肢體之一進行施壓;進而將該氣囊洩壓至該低壓預設值後,量測該氣囊內的氣壓以得到一血管反應性充血期之氣囊內壓變化量;比較該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量與該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一差異值;及將該差異值除以該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一血管內皮細胞擴張功能的指標值。
本發明之另一目的,即在提供一種避免上述缺失、和降低設備成本和提高靈敏度的內皮細胞擴張功能細胞擴張量測裝置。
內皮細胞擴張功能的量測裝置,適用於量測一受測者肢體之一的血管內皮細胞的擴張功能,且包含:一氣囊,包覆該受測者肢體之一且用於對該受測者肢體之一施壓;一氣壓調整電路,連接於該氣囊上且受控制以改變該氣囊之內部氣體壓力;一氣壓感測電路,連接於該氣囊上且用以量測該氣囊內的氣壓;及一處理器,電連接於該氣壓調整電路和該氣壓感測電路,且控制該氣壓調整電路將該氣囊的內部氣體壓力設定為一低壓預設值,以對該受測者肢體之一進行施壓,且接收該氣壓感測電路量測該氣囊時所得到的一血管常態期之氣囊內壓變化量;又該處理器更控制該氣壓調整電路將該氣囊的內部氣體壓力設定為一高壓預設值,以對該受測者肢體之一進行施壓,進而再控制該氣壓調整電路對該氣囊進行洩壓至該低壓預設值後,接收該氣壓感測電路量測該氣囊內的氣壓時所得到的一血管反應性充血期之氣囊內壓變化量;又該處理器更比較該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量與該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一差異值;進而該處理器將該差異值除以該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一血管內皮細胞擴張功能的指標值。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。
如圖1所示,本發明內皮細胞擴張功能量測裝置之較佳實施例,利用一氣囊袋或脈壓袋包覆在一受測者肢體(雙手或雙腳)之一的上半部或下半部,並充氣加壓該氣囊袋或脈壓袋,使其施壓於所包覆的肢體部位,進而量測內皮細胞擴張的功能,以進行早期血管硬化的評估,且包含:一氣囊5、一氣壓調整電路6、一處理器7、一氣壓感測電路8和一螢幕9。
氣囊5包覆該受測者之上臂上,且與該氣壓調整電路6和氣壓感測電路8相連接。
處理器7電連接於該氣壓調整電路6、氣壓感測電路8和螢幕9之間。
氣壓調整電路6包括一數位類比轉換器61、一幫浦控制器62和一幫浦63。
數位類比轉換器61電連接於該處理器7和幫浦控制器62之間,幫浦63電連接於幫浦控制器62和氣囊5之間。
氣壓感測電路8包括一感測器81、一帶通濾波器82、一放大器83和一類比數位轉換器84。
感測器81連接於該氣囊5和帶通濾波器82之間,放大器83連接於該類比數位轉換器84和帶通濾波器82之間,類比數位轉換器84電連接於該放大器83和處理器7之間。
參閱圖1及圖2,內皮細胞擴張功能量測裝置執行一種內皮細胞擴張功能的量測方法,該內皮細胞擴張功能量測方法包含以下步驟:
步驟1:處理器7控制氣壓調整電路6將該氣囊5的內部氣體壓力設定為一低壓預設值,以對該受測者之上臂進行施壓,且進而藉由氣壓感測電路8量測該氣囊5內的氣壓以得到一血管常態期之氣囊內壓變化量。
其中,血管常態期之氣囊內壓變化量的物理意義為:因為受測者之上臂血壓增減將造成血管體積的增減,進而使氣囊5之體積成反比變化,而氣囊5之體積的變化又將造成氣囊5的內部氣體壓力以該低壓預設值為準位上下變化,而此上下變化的值就是該血管常態期之氣囊內壓變化量,又在本實施例中,該低壓預設值的最佳範圍爲30~60毫米汞柱。
參閱圖1及圖3,步驟1包括以下子步驟:
步驟11:處理器7發出一用於致能的數位控制信號到該氣壓調整電路6。
步驟12:氣壓調整電路6接收該用於致能的數位控制信號,並根據該數位控制信號而使該氣囊5的內部氣體壓力由0遞增。
其中,於步驟12中使壓力由0遞增的詳細做法為:數位類比轉換器61將所接收的數位控制信號轉換成一具有致能電壓準位的類比控制信號提供給幫浦控制器62,使幫浦控制器62發出一加壓信號以使幫浦63提供一加壓機械力,該加壓機械力造成該氣囊5的內部氣體壓力由0遞增。
步驟13:氣壓感測電路8對該氣囊5內的氣壓進行量測以得到一特定週期氣壓值的數位量測信號。
其中,於步驟13中對該氣囊5內的氣壓進行量測的詳細做法為:感測器81將所量測到的氣壓值轉換成一電壓信號,該電壓信號先經過帶通濾波器82濾除雜訊,再經由該放大器83將該電壓信號之振幅放大以得到一類比量測信號,進而該類比量測信號於該特定週期中的之振幅值經由該類比數位轉換器84轉換成該具有該特定週期氣壓值的數位量測信號,其中,在本實施例中,該特定週期的最佳範圍為1~3個心週期,且帶通濾波器82的最佳頻寬範圍為0.01Hz~30Hz之間。
步驟14:處理器7接收該特定週期氣壓值的數位量測信號,且於根據該特定週期氣壓值以估算出一平均氣壓值,且比較該平均氣壓值是否達到該低壓預設值,若否,則回到步驟11,若是則進到步驟15。
步驟15:處理器7發出一用於暫停的數位控制信號到該氣壓調整電路6,且根據氣壓值中相對於每一個心週期的極大值與最小值之差異值作為該血管常態期氣囊內壓變化量。
其中步驟15的詳細做法為:處理器7找出在一血管常態期間內該氣壓值在每一心週期中相對的極高值與極低值,以計算出該氣壓值在每一心週期中相對的極高值與極低值以得到每一心週期的氣囊內壓差異值,更找出各心週期的氣囊內壓差異值中較穩定且連續之多數個心週期氣囊內壓差異值,進而將該多數個心週期氣囊內壓差異值之平均值作為該血管常態期之氣囊內壓變化量,其中,該血管常態期間的最佳範圍為3~30秒,又值得注意的是該較穩定且連續之多數個心週期氣囊內壓差異值,係指在血管常態期間,具有相對較穩定且連續之3~15個心週期氣囊內壓差異值。
步驟16:氣壓調整電路6接收該用於暫停的數位控制信號,並根據該數位控制信號而不再對該氣囊加壓。
其中,於步驟16中不再對該氣囊加壓的詳細做法為:數位類比轉換器61將所接收的該用於暫停的數位控制信號轉換成一具有暫停電壓準位的類比控制信號提供給幫浦控制器62,使幫浦控制器62停止發出該加壓信號而使幫浦63不提供加壓機械力,以避免影響該氣囊5的內部氣體壓力。
復參閱圖1及圖2,步驟2:處理器7控制該氣壓調整電路6將該氣囊5的內部氣體壓力設定為一高壓預設值,以對該受測者之上臂進行施壓,使該受測者之上臂血管於一高壓阻塞時間內血液無法流通,進而洩壓至一低壓預設值後於一反應性充血時間藉由氣壓感測電路8量測該氣囊5內的氣壓以得到一血管反應性充血期之氣囊內壓變化量。
又在本實施例中,上述高壓阻塞時間的最佳範圍為3~5分鐘內,該高壓預設值的最佳範圍爲150~200毫米汞柱,且反應充血時間的最佳範圍為3~15分鐘。
參閱圖1及圖4,又該步驟2包括多數個子步驟21~26,該等子步驟21、23與步驟11、13相同,而步驟22與步驟12的差別為從該低壓預設值開始增壓,而子步驟24~26如下:
步驟24:處理器7接收該特定週期氣壓值的數位量測信號,且於根據該特定週期氣壓值以估算出一平均氣壓值,且比較該平均氣壓值是否達到該高壓預設值,若否,則回到步驟21,若是則進到步驟25。
步驟25:處理器7發出一用於暫停的數位控制信號到該氣壓調整電路6。
步驟26:氣壓調整電路6接收該用於暫停的數位控制信號,並根據該用於暫停的數位控制信號而不再對該氣囊5加壓。
步驟27:於該高壓阻塞時間後,處理器7發出一用於洩壓的數位控制信號到該氣壓調整電路6。
步驟28:氣壓調整電路6接收該用於洩壓的數位控制信號,並根據該用於洩壓的數位控制信號而使該氣囊5由高壓預設值洩壓至該低壓預設值。
其中,於步驟28中使該氣囊5洩壓的詳細做法為:數位類比轉換器61將所接收的該用於洩壓的數位控制信號轉換成一具有洩壓準位的類比控制信號提供給幫浦控制器62,使幫浦控制器62發出該洩壓信號而使幫浦63提供一洩壓機械力,該洩壓機械力造成該氣囊5的內部氣體壓力由高壓預設值遞減,直到該氣壓量測信號的平均值等達到低壓預設值時,處理器7發出一用於暫停的數位控制信號使該調整氣壓電路6停止對該氣囊5洩壓。
步驟29:於高壓阻塞時間後,氣壓感測電路8量測該氣囊內的氣壓以得到一具有血管反應性充血期氣壓值的數位量測信號(因為類似步驟13,故在此不再纍述),並計算該血管反應性充血期中氣壓值的極大值與極小值之差異值,且以該血管反應性充血期中相對較大且連續之3~15個心週期氣囊內壓差異值之平均值作為該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量△PC ,因為得到血管反應性充血期之氣囊內壓變化量的詳細作法類似步驟15,故在此不再纍述。
又在該血管反應性充血期結束後,由該處理器控制該氣壓調整電路對該氣囊進行洩壓並比較該平均氣壓值是否達到0毫米汞柱左右,若是則停止洩壓,否則繼續洩壓直到該平均氣壓值達到該0毫米汞柱左右。
復參閱圖1及圖2,步驟3:處理器7比較該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量△PC 與該血管常態期之氣囊內壓變化量△PC,0 以得到一差異值(△PC -△PC,0 )。
步驟4:處理器7將該差異值(△PC -△PC,0 )除以該血管常態期之氣囊內壓變化量△PC,0 以得到一血管內皮細胞擴張功能的指標值(FMDC ),如式(1)所示,且將該血管內皮細胞擴張功能的指標值顯示於該螢幕9上。此外,也可重複此量測流程,處理器7在計算出該血管常態期及該血管反應性充血期間之各心週期的氣囊內壓變化量之後,便可得到一該血管常態期間及該血管反應性充血期間之隨時間變化的相對性血管體積變化波形,而可於螢幕9上顯示出一張隨時間變化的血管體積變化波形,且該處理器在計算出該血管反應性充血期間之各心週期的氣囊內壓變化量並除以該血管常態期之氣囊內壓變化量的平均值之後,便可得到一在血管反應性充血期間隨時間變化的內皮細胞擴張功能指標值的波形,而可於螢幕9上顯示出一張隨時間變化的血管反應性充血期間內皮細胞擴張功能指標的波形。
其中FMDC 的物理意義是指由氣囊5所推測的血管內皮細胞擴張功能的指標值,且常態內壓變化量△PC,0 的物理意義是指在高壓阻塞前血管常態期下氣囊內壓的最大振盪變動量。
如圖5、6所示,將一寬度為L的氣囊環繞於上臂時,氣囊5的內壓與體積之間成一非線性的關係,但是當氣囊的內壓維持在一較低的壓力時,且當其內壓變動或振盪極小時,則很明顯地在此狹窄範圍內的氣囊內壓與體積之間的關係,可視為是近似線性的。又肱動脈中的血液和介於肱動脈及氣囊之間的組織是屬於較不可壓縮的(Incompressable)物質,而氣囊袋中的空氣是屬於很容易被壓縮的(Compressable)的物質。將具有一固定低氣壓(30~60毫米汞柱之間)的氣囊環繞於上臂時,由於氣囊和動脈之間的交互作用(如圖6),肱動脈的體積在最大收縮點(A1)和最大擴張點(A2)時所產生的體積變化量(即△Va=Va,max-Va,min),會直接反映在氣囊5的體積變化上,也就是氣囊體積的最大擴張點(B1)應該要相對於血管的最大收縮點,而氣囊體積的最大收縮點(B2)應該要相對於肱動脈的最大擴張點,故有一定比例的肱動脈體積變化量會反映在氣囊體積的變化量(△Vc=Vc,max-Vc,min)上,如式(2)。
ΔVc =αVa ) .....................................(2)
其中α為一比例常數,位在0和1之間。由於在一個低內壓的氣囊5中,當其體積變動很小時,則壓力變動量(△Pc)與體積變動量之間的關係可視為一正比例的關係,如式(3)。
其中Cc為該氣囊5在此低壓時的順應性(Compliance),且在此窄範圍的變動量之內,Cc可視為一固定值。
而△VC 是阻斷後肱動脈產生反應性充血期之氣囊內壓的最大振盪變動量。將公式(1)中的△PC 及△PC,0 ,分別依公式(3)代入後,可推得式(4)
又將式(4)中的△VC 及△VC,0 ,依據公式(2)代入後,可得到:
故由公式(5)可得知,由氣囊5所計得的血管內皮細胞擴張功能指標值,其實是相當於肱動脈體積在阻塞前後之變化率。若將公式(5)中肱動脈變動的體積以直徑表示,則可推得式(6)。
其中,L為氣囊袋的寬度,D0,max 為肱動脈在常態下的最大直徑,D0,min 為肱動脈在常態下的最小直徑,Dmax為肱動脈在阻塞後反應性充血期間最大的直徑,而Dmin為肱動脈在阻塞後反應性充血期間最小的直徑。將式(6)的分母分子同除以(Lπ/4)可簡化為如式(7)
假設在常態下及在阻塞後反應性充血期間,血管最小直徑的變化差異很小,可忽略不計(即D0,min ≒Dmin );又假設D2 0,max >>D2 0,min (只有在直徑有很大變動時才合理),則公式(7)可簡化成如式(8)
其中,D0 為肱動脈在常態下的最大直徑,D為肱動脈在阻塞後反應性充血期間最大的直徑。
又如下式(9)為利用高頻超音波來測量上臂肱動脈(或稱臂動脈)的內皮細胞擴張功能指標值(FMDU )之計算方式。
將式(9)與式(8)作比較,可將公式(8)轉換如式(10)。
由式(10)可知,以氣囊5所測得的內皮細胞擴張功能指標之數值,遠大於以超音波所測得的內皮細胞擴張功能指標之數值。
綜上所述,本發明具有以下優點:
(一)以氣囊5來取得所需的數值,相較於使用超音波的方式可降低成本。
(二)不需要熟綀的醫生或者技術員即可操作本發明,又可於一般場所使用,能增加普及程度。
(三)由式(10)知氣囊5方式相較於超音波方式,在量測內皮細胞擴張功能指標值時具有較高的靈敏度。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧量常態內壓的步驟
11‧‧‧致能的步驟
12‧‧‧增壓的步驟
13‧‧‧量測信號的步驟
14‧‧‧比較的步驟
15‧‧‧暫停的步驟
16‧‧‧停止加壓的步驟
2‧‧‧量阻塞內壓的步驟
21‧‧‧致能的步驟
22‧‧‧增壓的步驟
23‧‧‧量測信號的步驟
24‧‧‧比較的步驟
25‧‧‧暫停的步驟
26‧‧‧停止加壓的步驟
27‧‧‧洩壓信號的步驟
28‧‧‧進行洩壓的步驟
29‧‧‧得到充血內壓的步驟
3‧‧‧算差異值的步驟
4‧‧‧算擴張值的步驟
5‧‧‧氣囊
6‧‧‧氣壓調整電路
61‧‧‧數位類比轉換器
62‧‧‧幫浦控制器
63‧‧‧幫浦
7‧‧‧處理器
8‧‧‧氣壓感測電路
81‧‧‧感測器
82‧‧‧帶通濾波器
83‧‧‧放大器
84‧‧‧類比數位轉換器
9‧‧‧螢幕
圖1是本發明之較佳實施例的功能方塊圖;
圖2是該較佳實施例的流程圖;
圖3是第一步驟中,子步驟的流程圖;
圖4是第二步驟中,子步驟的的流程圖;
圖5是氣囊環繞上臂的剖面示意圖;及
圖6是氣囊與肱動脈交互作用的示意圖。
5‧‧‧氣囊
6‧‧‧氣壓調整電路
61‧‧‧數位類比轉換器
62‧‧‧幫浦控制器
63‧‧‧幫浦
7‧‧‧處理器
8‧‧‧氣壓感測電路
81‧‧‧感測器
82‧‧‧帶通濾波器
83‧‧‧放大器
84‧‧‧類比數位轉換器
9‧‧‧螢幕

Claims (10)

  1. 一種內皮細胞擴張功能的量測方法,藉由一氣囊對一受測者肢體之一施壓來量測血管內皮細胞的擴張功能,且包含以下步驟:將該氣囊的內部氣體壓力設定為一低壓預設值,以對該受測者肢體之一進行施壓;量測該氣囊內的氣壓以得到一血管常態期之氣囊內壓變化量,其中,得到該血管常態期之氣囊內壓變化量的步驟包括:找出在一血管常態期間內該氣壓值在每一心週期中相對的極高值與極低值;計算出該氣壓值在每一心週期中相對的極高值與極低值以得到每一心週期氣囊內壓差異值;找出各心週期氣囊內壓差異值中較穩定且連續之多數個心週期氣囊內壓差異值;及將該多數個心週期氣囊內壓差異值之平均值作為該血管常態期之氣囊內壓變化量;將該氣囊的內部氣體壓力設定為一高壓預設值,以對該受測者肢體之一進行施壓;進而將該氣囊洩壓至該低壓預設值後,量測該氣囊內的氣壓以得到一血管反應性充血期之氣囊內壓變化量;比較該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量與該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一差異值;及 將該差異值除以該血管常態期之氣囊內壓變化量以得到一血管內皮細胞擴張功能的指標值,如下式: 其中,FMDC 是該血管內皮細胞擴張功能的指標值,△PC -△PC,0 是該差異值,且△PC,0 是該血管常態期之氣囊內壓變化量。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,設定為該低壓預設值的步驟包括:使該氣囊的內部氣體壓力由0遞增;對該氣囊內的氣壓進行量測以得到一氣壓值;比較該氣壓值是否達到該低壓預設值;及若是,則停止對該氣囊加壓。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,該血管常態期間的最佳範圍為3~30秒。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,該較穩定且連續之多數個心週期氣囊內壓差異值,係指在血管常態期間,具有相對較穩定且連續之3~15個心週期氣囊內壓差異值。
  5. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,設定為該高壓預設值的步驟包括:使該氣囊的內部氣體壓力由該低壓預設值遞增;對該氣囊內的氣壓進行量測以得到一氣壓值;比較該氣壓值是否達到該高壓預設值;及 若是,則停止對該氣囊加壓。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,當該氣囊內壓達到該高壓預設值後,更使該受測者肢體之一中的血管在一高壓阻塞時間內血液無法流通,再進行洩壓。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中該高壓阻塞時間的最佳範圍為3~5分鐘。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,進而洩壓至該低壓預設值後,量測該氣囊內的氣壓以得到該血管反應性充血期之氣囊內壓變化量的步驟包括:使該氣囊的內部氣體壓力由該高壓預設值遞減;對該氣囊內的氣壓進行量測以得到一氣壓值;比較該氣壓值是否達到該低壓預設值;若是,則停止對該氣囊洩壓;在該氣囊洩壓至該低壓預設值後之該血管反應性充血時間內,找出相對於每一心週期的該氣壓值之極高值與極低值;計算出各心週期中該氣壓值之極高值與極低值以得到各心週期的氣囊內壓差異值;找出各心週期氣囊內壓差異中較大且連續之多數個心週期氣囊內壓差異值;及將該多數個心週期氣囊內壓差異值之平均值作為該血管反應充血期之氣囊內壓變化量。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之內皮細胞擴張功能的量測方法,其中,該血管反應性充血時間的最佳範圍為3~15分鐘。
  10. 依據申請專利範圍第1項所述之內皮細胞擴張功能量測方法,將在得到該血管常態期及該血管反應性充血期間之各心週期的氣囊內壓變化量之後,便可得到一該血管常態期間及該血管反應性充血期間之隨時間變化的相對性血管體積變化波形,且將該血管反應性充血期間之各心週期的氣囊內壓變化量除以該血管常態期之氣囊內壓變化量的平均值之後,便可得到一在該血管反應性充血期間隨時間變化的內皮細胞擴張功能指標值的波形。
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