2018年3月12日

心臟微弱的生理訊號-利用心電圖辨識身分

沈祖望/威斯康辛大學生物醫學工程博士,曾獲選史丹福臺灣醫療人才培訓,常進行跨領域研究,積極參與醫療設計之相關議題。



根據國外科技研究中心(Interstate Technology & Regulatory Council, ITRC)的報告,越來越多的身分竊取犯罪案件,像是ID 被偷取、帳戶被盜、密碼遭竊等,所以資訊安全是現代人很重要的課題。根據統計,世界上平均每4.3 秒鐘就有人的身分被他人盜用,目前最常用的資訊保全方法是利用密碼保護,但是密碼容易被人破解、盜用或是不小心遺忘,而生物辨識就是可以取代密碼,提供更方便、更安全、不會遺忘的解決方案。

生物辨識是利用人體的特徵去做身分的辨認,尋找每個人不一樣特徵元素,利用自身的特殊指標來分辨個人。所謂的人體特徵可以包含簽名、動作行為、生理特徵、影像特徵和基因序列等,而常用的生物辨識包含行走的步態、聲紋、臉部特徵、臉部表情、指紋、掌紋、血管紋路、虹膜、眼底視網膜和DNA 等辨識。用此方法辨認身分,其安全性與便利性會勝過以前只靠密碼的資訊系統,而且科學家還在積極繼續尋找更佳的生物辨識元素,讓生物辨識技術更加多元與成熟,而心電圖身分辨認就是一種新的生物辨識元素。


什麼是心電圖?
心電圖是心臟傳導系統在進行離子交換時,帶動整個心臟肌肉纖維而產生運動,進而發出微弱的神經電生理訊號,此微弱的訊號會擴散至全身,若將心電圖記錄器的電極連接到身上不同的部位,就可描繪出「心電圖」,是今日心臟科醫生很重要的診斷指標。

心臟中的單一細胞有律動的特性,進而形成整個心臟產生整體律動。埃因托芬(Willem Einthoven)發現一個以非侵入式的方式觀察心臟器官的方法,是運用埃因托芬三角形,將心臟的電偶包在三導程形成的向量三角形中,以不同的投影方向來觀察心臟組織是否正常。埃因托芬把心電圖中的一系列波分別命名為P波、Q 波、R 波、S 波和T 波,並且描述了一些心血管系統疾病的心電圖特點。其中P 波為竇房結啟動的點,代表心房去極化(心房收縮);QRS 為心室去極化(心室收縮);而T 波為心室再極化(心室舒張)現象。他於1924 年榮獲諾貝爾醫學與生理學獎,由此可見心電圖對醫療上產生了極大的貢獻。醫師可以用心電圖從不同的面向、方向去判斷心臟到底哪裡出了問題,面向越多越能精確定位病灶所在,故從一開始的三導程,進展至十二導程。十二導程包含有極性的六個導程,在加上六個單電極的導程(V1、V2~V6)所形成,在胸口前將心臟圍繞起來,成為一個完整的檢查。心電圖檢查十分安全,不會傷害人體,包含孕婦與胎兒都可以進行心電圖量測。

目前來說,心電圖最常被使用在醫療與健康照護上,而心電圖記錄的方法是用導電電極接到身上,形成迴路,描出心電圖,它是一種微弱的電壓訊號,心電圖的波形大約是1 毫伏(millivolt, mV),也就是10-3伏特(volt)。然後藉由放大器把它放大,放大至大約1000 倍後讓電路可以讀到這種自體微量的電生理訊號,再運用訊號處理技術,可以計算心跳次數與解析不正常心跳。在醫療診斷上,由於每個人一日心電圖總量相當龐大,且型態上都有或多或少的差異,對醫師工作量是相當的負擔,所以醫療上的發展趨勢,是運用人工智慧或是機器學習技術輔助醫師診斷。


心電圖不僅可以做醫療診斷還可以作為身分辨認之用。
 


從醫療化作身分辨識
心電圖從原來醫療用途化作身分辨識之用,是大約在1996 年才開始進行相關的研究。一開始大家並不認為心電圖是一個生物辨識的元素,主要原因是覺得心電圖會隨著生理狀態不同而產生變化,而心跳快慢變化與心律不整等不確定因素,會讓心電圖成為身分辨識的元素有所疑慮。但是隨著研究持續的發現,證明心電圖生物辨識的獨特性、與時間上的持續性。心電圖生物辨識優點很多,正常人心電圖受心臟的位置、大小、解剖結構影響,此外,......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

沒有留言: