CN106422205B - 呼吸功能检测系统及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种呼吸功能检测系统及其检测方法。呼吸功能检测系统包括气体转换装置、收音装置以及运算装置。气体转换装置用以在默认期间内持续接收吹气气体并因应所接收到的吹气气体而产生全波段声音讯号。收音装置用以接收并记录所接收到的全波段声音讯号。运算装置与收音装置之间具有通讯连接，透过此通讯连接以接收并对收音装置所记录全波段声音讯号中超音波讯号进行运算之后产生呼吸功能参数。

Description

呼吸功能检测系统及其检测方法
技术领域
本发明涉及一种呼吸功能检测系统及其检测方法，尤其是有关于一种利用呼气所产生的超音波的呼吸功能检测系统及其检测方法。
背景技术
目前市面上常见的肺量计主要是以塑料阻抗压力式以及涡轮式为主。塑料阻抗压力式的肺量计是透过吹入肺量计所产生的风压来带动肺量计末端或是侧边的传感器而产生对应的呼气讯号，此种肺量计构造简单，但是难以在呼气期间内持续检测吹气讯号。而涡轮式的肺量计则是利用吹入肺量计所产生的风压来带动肺量计内部的扇叶，并借此产生电流或是透过红外线的技术来计算扇叶转动的次数以及转动的速度，且可更进一步利用扇叶转动的次数以及转动的速度来计算出一次的呼气期间内的肺活量数据。
发明内容
本发明的目的在于提供一种呼吸功能检测系统，其采用的呼吸功能检测技术有别于先前技术所提及的肺量计。
本发明另一目的在于提供一种适用于上述呼吸功能检测系统的呼吸功能检测方法。
本发明提出的一种呼吸功能检测系统，其包括气体转换装置、收音装置以及运算装置。气体转换装置用以在默认期间内持续接收吹气气体并因应所接收的吹气气体而产生全波段声音讯号，且全波段声音讯号至少包含超音波讯号。收音装置用以接收并记录由气体转换装置产生的全波段声音讯号。运算装置与收音装置之间具有通讯连接，借由此通讯连接以接收并对收音装置所记录全波段声音讯号中的超音波讯号进行运算之后产生呼吸功能参数。
本发明提出的一种呼吸功能检测方法，适用于上述的呼吸功能检测系统，呼吸功能检测方法包括：在预设时间内持续接收吹气气体并因应所接收的吹气气体而产生全波段声音讯号，且全波段声音讯号至少包含超音波讯号；接收并记录所产生的全波段声音讯号；以及，计算该全波段声音讯号中的超音波讯号并产生对应的呼吸功能参数。
本发明采用了可因应吹气而产生超音波讯号的气体转换装置，并借由收音装置的收音而记录吹气的持续时间，再借由运算装置来计算此吹气的持续时间内所因应而生的超音波讯号以得到对应的呼吸功能参数。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举优选实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例的呼吸功能检测系统的示意图。
图2为本发明一实施例的全波段声音讯号的曲线图。
图3为本发明一实施例的音压值-时间的曲线图。
图4为本发明一实施例的流速-时间的曲线图。
图5为本发明一实施例的体积-时间的曲线图。
图6为本发明一实施例的呼吸功能检测方法的流程图。
具体实施方式
图1为本发明一实施例的呼吸功能检测系统的示意图。如图1所示，呼吸功能检测系统100包括气体转换装置10、收音装置11以及运算装置12。气体转换装置10用以在默认期间内持续接收吹气气体并因应所接收到的吹气气体而产生全波段声音讯号，且全波段声音讯号中至少包含超音波讯号。在本实施例中，上述的预设期间例如是用户对着气体转换装置10所持续吹气的时间。收音装置11用以接收并记录由气体转换装置10所产生的全波段声音讯号。在本实施例中，气体转换装置10因应用户吹气而产生的全波段声音讯号所涵盖的频率包含了20KHz以上的频段，而收音装置11即是在所述的预设期间内持续接收此全波段声音讯号，虽然不同用户因为呼吸功能的差异而造成吹气的持续时间有所不同，但是都能够借由本发明的呼吸功能检测系统100来持续检测吹气时间内的呼吸功能。
承上述，在本实施例中，收音装置11例如是微机电系统(MicroelectromechanicalSystems，MEMS)或麦克风，且特别是具有全波段声音讯号收音功能的高灵敏性麦克风，选自下列组群之一：全指向性(Omnidirectional)麦克风、心型指向性(Cardioid)麦克风、超心型指向性(Hypercardioid)麦克风、枪型指向(Shotgun)麦克风及双指向(Bi-directional)麦克风。所述麦克风因收音功能灵敏，因此可以用来接收并记录全波段声音讯号，并将所记录下来的全波段声音讯号储存为音频档案，音频档案的音频长度也就是所述的预设期间。运算装置12与收音装置11之间具有通讯连接以接收并对收音装置11所记录的全波段声音讯号中的超音波讯号进行运算之后产生呼吸功能参数。在本实施例中，运算装置12例如是透过蓝牙或无线网络(wireless)的通讯方式与收音装置11建立通讯连接，以借由此通讯连接来接收由收音装置11所储存的音频档案，且运算装置12可以是例如利用智能型手机、平板计算机或是其它具有类似运算功能的电子装置来实现，因此以上说明仅为举例之用而非用以限制本发明。
本发明一实施例的气体转换装置10当中包含一至多支静音笛(silent whistle)或高尔顿笛(Galton’s whistle)，因此当用户对着气体转换装置10吹气的时候，静音笛或高尔顿笛会因应使用者的吹气而产生超音波讯号。气体转换装置10亦可以是包含除了静音笛或高尔顿笛以外的超音波产生装置，只要是能够因应用户吹气而产生超音波讯号的装置均属于本发明的精神以及保护范围。
请参阅图2，其为全波段声音讯号的曲线图。当运算装置12从收音装置11接收了全波段声音讯号(图2)的音讯档案之后，用户可以透过安装于运算装置12内的应用程序来选择特定频率做运算，选择特定频率的目的是在于可以减少来自环境中的背景音所造成的干扰而提升运算的精确度。因此，运算装置12用以撷取超音波讯号在默认频率所对应的音压值，所述的默认频率可以借由应用程序自动判定或是由使用者自行设定，而所述的音压值为音波讯号的音量大小，单位为分贝(dB)或快速傅立叶变换参数(Fast FourierTransform,FFT)，在不同频率之下的音压值可能会有所不同，因此透过频率的选定可以让吹气量较小的用户的吹气在适当频率之下进行运算以取得较佳的运算结果。
图3为本发明一实施例的音压值-时间的曲线图。如图3所示，当运算装置12选定某个特定频率之后，曲线A表示同一位使用者在0～3秒内的吹气所对应的音压值，横轴表示时间(单位为second)，纵轴表示音压值(dB)。如前所述，运算装置12会对收音装置11所储存的全波段声音讯号中的超音波音频档案进行转换运算而产生呼吸功能参数，此呼吸功能参数包含尖峰吐气流量(PEF)信息、第一秒吐气量(FEV1)信息以及用力肺活量(FVC)信息。
具体来说，本发明所提出呼吸功能检测系统100所取得音压值的曲线图经由对比回归方程式(一次或多式方程式，y＝ax+b,y＝ax2+bx+c)来与美国食品与药品管理局(FDA)所认证通过的肺量计做验证，y为现行FDA认证通过的肺量计的检测数值，x则为本发明的呼吸功能检测系统100的检测数值，透过上述方程式可以将音压值(图3)转换为流速-时间曲线图(图4)。如图4所示，尖峰吐气流量信息指的是在默认时间内的最大吹气流量，也就是在大约时间0.22秒的时候所对应的最大流速约为614.78L/min。
参阅图5，将流速-时间曲线图(图4)的曲线B所涵盖的面积借由例如是梯形公式面积积分法累加转换成体积-时间曲线图(图5)，而第一秒吐气量指的是使用者在吹气一秒内的所有吹气量，以图5来做说明，也就是时间1秒所对应的数值。至于用力肺活量信息则是指用户在0～3秒内的所有吹气量，即在一次呼吸功能检测的默认期间内总吹气量，也就是时间3秒所对应的数值。
当尖峰吐气流量信息、第一秒吐气量信息以及肺活量信息都计算出来之后，就可以各自根据预设的标准值来判断用户的呼吸功能正常与否，例如：正常人的尖峰吐气流量是标准值的80％以上，用力肺活量与第一秒吐气量的比值(FVC/FEV1)为标准值的70％以上。而对于气喘患者而言，尖峰吐气流量信息的变异率在20％以下则表示治疗的情况良好，变异率在20％～30％之间则表示可能需要增加治疗的药剂量，若变异率在30％以上则表示气喘正急性发作，需要即刻就诊并重新调配药剂。所述的变异率(％)指的是(每日最高尖峰吐气流量-每日最低尖峰吐气流量)/(每日最高尖峰吐气流量+每日最低尖峰吐气流量)*100％。
图6为本发明一实施例的呼吸功能检测方法的流程图。将上述说明整理之后，可以归纳出一种呼吸功能检测方法，如图6所示，此呼吸功能检测方法，适用于前述的呼吸功能检测系统，并包含步骤401～403。步骤401：在预设时间内持续接收吹气气体并因应吹气气体而产生全波段声音讯号，全波段声音讯号至少包含超音波讯号。步骤402：接收并记录全波段声音讯号。步骤403：计算超音波讯号并产生对应的呼吸功能参数。
参阅表一，本发明所提出呼吸功能检测系统换算取得尖峰吐气流量(PEF)与美国食品与药品管理局(FDA)所认证通过的肺量计(比较例)，统计13个受试者，每个受试者皆对本发明及比较例的产品各别都做三重复吹气试验，其结果显示本发明与比较例的产品的相差的误差率在7％以下。因此，显示本发明的所提出的测量系统其准确度与美国食品与药品管理局(FDA)所认证通过的肺量计相近。
表一、本发明与比较例在尖峰吐气流量的比较
综上所述，本发明所提出的呼吸功能检测系统以及呼吸功能检测方法，其利用可以因应用户吹气而产生超音波讯号的气体转换装置、可接收并记录超音波讯号的收音装置以及具有数据运算能力的运算装置来将该次吹气所得的超音波讯号转换成对应的呼吸功能参数，因此可以判断用户的呼吸功能是否正常。
虽然本发明以前述的实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的专利保护范围须视本说明书所附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (8)

1.一种呼吸功能检测系统，其特征在于，包括：
气体转换装置，用以在默认期间内持续接收吹气气体并因应所述吹气气体而产生全波段声音讯号，所述全波段声音讯号至少包含超音波讯号；
收音装置，用以接收并记录所述全波段声音讯号；以及
运算装置，与所述收音装置之间具有通讯连接以接收并对所述收音装置所记录所述全波段声音讯号中的所述超音波讯号进行运算之后产生呼吸功能参数，
其中所述全波段声音讯号所涵盖的频率包含20KHz以上的频段，所述呼吸功能参数包含尖峰吐气流量信息、第一秒吐气量信息以及用力肺活量信息，所述运算装置将所撷取的音压值进行运算后分别产生所述尖峰吐气流量信息、所述第一秒吐气量信息以及所述用力肺活量信息。
2.如权利要求1所述的呼吸功能检测系统，其特征在于，所述气体转换装置包含静音笛或高尔顿笛。
3.如权利要求1所述的呼吸功能检测系统，其特征在于，所述收音装置包含微机电系统或麦克风，所述麦克风选自下列组群之一：全指向性麦克风、心型指向性麦克风、超心型指向性麦克风、枪型指向麦克风及双指向麦克风。
4.如权利要求1所述的呼吸功能检测系统，其特征在于，所述运算装置用以撷取所述超音波讯号在默认频率所对应的音压值，所述默认频率所对应出所述音压值用以区隔背景所产生的背景音。
5.一种呼吸功能检测方法，适用于呼吸功能检测系统，所述呼吸功能检测系统具有气体转换装置、收音装置以及运算装置，其特征在于，所述呼吸功能检测方法包括：
在默认期间内持续接收吹气气体并因应所述吹气气体而产生全波段声音讯号，所述全波段声音讯号至少包含超音波讯号；
接收并记录所述全波段声音讯号；以及
计算所述全波段声音讯号中的所述超音波讯号并产生对应的呼吸功能参数，
其中所述全波段声音讯号所涵盖的频率包含20KHz以上的频段，所述呼吸功能参数包含尖峰吐气流量信息、第一秒吐气量信息以及用力肺活量信息，所述运算装置将所撷取的音压值进行运算后分别产生所述尖峰吐气流量信息、所述第一秒吐气量信息以及所述用力肺活量信息。
6.如权利要求5所述的呼吸功能检测方法，其特征在于，所述气体转换装置包含静音笛或高尔顿笛而借此因应该吹气气体而产生所述全波段声音讯号。
7.如权利要求5所述的呼吸功能检测方法，其特征在于，所述收音装置包含微机电系统或麦克风而借此接收并记录所述全波段声音讯号。
8.如权利要求5所述的呼吸功能检测方法，其特征在于，更包括：
撷取所述超音波讯号在默认频率所对应的音压值。
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