TW201705905A - 呼吸功能檢測系統及其檢測方法 - Google Patents

Abstract

一種呼吸功能檢測系統，其包括氣體轉換裝置、收音裝置以及運算裝置。氣體轉換裝置用以在預設期間內持續接收吹氣氣體並因應所接收到的吹氣氣體而產生全波段聲音訊號。收音裝置用以接收並記錄所接收到的全波段聲音訊號。運算裝置與收音裝置之間具有通訊連接，透過此通訊連接以接收並對收音裝置所記錄全波段聲音訊號中超音波訊號進行運算之後產生呼吸功能參數。

Description

呼吸功能檢測系統及其檢測方法

本發明是有關於一種呼吸功能檢測系統及其檢測方法，尤其是有關於一種利用呼氣所產生之超音波的呼吸功能檢測系統及其檢測方法。

目前市面上常見的肺量計主要是以塑膠阻抗壓力式以及渦輪式為主。塑膠阻抗壓力式的肺量計是透過吹入肺量計所產生的風壓來帶動肺量計末端或是側邊的感測器而產生對應的呼氣訊號，此種肺量計構造簡單，但是難以在呼氣期間內持續檢測吹氣訊號。而渦輪式的肺量計則是利用吹入肺量計所產生的風壓來帶動肺量計內部的扇葉，並藉此產生電流或是透過紅外線的技術來計算扇葉轉動的次數以及轉動的速度，且可更進一步利用扇葉轉動的次數以及轉動的速度來計算出一次的呼氣期間內的肺活量數據。

本發明提供一種呼吸功能檢測系統，其採用的呼吸功能檢測技術有別於先前技術所提及的肺量計。

本發明另提供一種適用於上述呼吸功能檢測系統的呼吸功能檢測方法。

本發明提出的一種呼吸功能檢測系統，其包括氣體轉換裝置、收音裝置以及運算裝置。氣體轉換裝置用以在預設期間內持續接收吹氣氣體並因應所接收的吹氣氣體而產生全波段聲音訊號，且全波段聲音訊號至少包含超音波訊號。收音裝置用以接收並記錄由氣體轉換裝置產生的全波段聲音訊號。運算裝置與收音裝置之間具有通訊連接，藉由此通訊連接以接收並對收音裝置所記錄全波段聲音訊號中的超音波訊號進行運算之後產生呼吸功能參數。

本發明提出的一種呼吸功能檢測方法，適用於上述的呼吸功能檢測系統，呼吸功能檢測方法包括：在預設時間內持續接收吹氣氣體並因應所接收的吹氣氣體而產生全波段聲音訊號，且全波段聲音訊號至少包含超音波訊號；接收並記錄所產生的全波段聲音訊號；以及，計算該全波段聲音訊號中的超音波訊號並產生對應的呼吸功能參數。

本發明採用了可因應吹氣而產生超音波訊號的氣體轉換裝置，並藉由收音裝置的收音而記錄吹氣的持續時間，再藉由運算裝置來計算此吹氣的持續時間內所因應而生的超音波訊號以得到對應的呼吸功能參數。

圖1為本發明一實施例之呼吸功能檢測系統的示意圖。如圖1所示，呼吸功能檢測系統100包括氣體轉換裝置10、收音裝置11以及運算裝置12。氣體轉換裝置10用以在預設期間內持續接收吹氣氣體並因應所接收到的吹氣氣體而產生全波段聲音訊號，且全波段聲音訊號中至少包含超音波訊號。在本實施例中，上述的預設期間例如是使用者對著氣體轉換裝置10所持續吹氣的時間。收音裝置11用以接收並記錄由氣體轉換裝置10所產生的全波段聲音訊號。在本實施例中，氣體轉換裝置10因應使用者吹氣而產生的全波段聲音訊號所涵蓋的頻率係包含了20KHz以上的頻段，而收音裝置11即是在所述的預設期間內持續接收此全波段聲音訊號，雖然不同使用者因為呼吸功能的差異而造成吹氣的持續時間有所不同，但是都能夠藉由本發明的呼吸功能檢測系統100來持續檢測吹氣時間內的呼吸功能。

承上述，在本實施例中，收音裝置11例如是微機電系統(Microelectromechanical Systems，MEMS)或麥克風，且特別是具有全波段聲音訊號收音功能的高靈敏性麥克風，選自下列組群之一者：全指向性(Omnidirectional)麥克風、心型指向性(Cardioid)麥克風、超心型指向性(Hypercardioid) 麥克風、槍型指向(Shotgun)麥克風及雙指向(Bi-directional)麥克風。所述麥克風因收音功能靈敏，因此可以用來接收並記錄全波段聲音訊號，並將所記錄下來的全波段聲音訊號儲存為音訊檔案，音訊檔案的音訊長度也就是所述的預設期間。運算裝置12與收音裝置11之間具有通訊連接以接收並對收音裝置11所記錄的全波段聲音訊號中的超音波訊號進行運算之後產生呼吸功能參數。在本實施例中，運算裝置12例如是透過藍芽或無線網路(wireless)的通訊方式與收音裝置11建立通訊連接，以藉由此通訊連接來接收由收音裝置11所儲存的音訊檔案，且運算裝置12可以是例如利用智慧型手機、平板電腦或是其它具有類似運算功能的電子裝置來實現，因此以上說明僅為舉例之用而非用以限制本發明。

本發明一實施例之氣體轉換裝置10當中包含一至多支靜音笛(silent whistle)或高爾頓笛(Galton’s whistle)，因此當使用者對著氣體轉換裝置10吹氣的時候，靜音笛或高爾頓笛會因應使用者的吹氣而產生超音波訊號。氣體轉換裝置10亦可以是包含除了靜音笛或高爾頓笛以外的超音波產生裝置，只要是能夠因應使用者吹氣而產生超音波訊號的裝置均屬於本發明之精神以及保護範圍。

請參閱圖2，其為全波段聲音訊號的曲線圖。當運算裝置12從收音裝置11接收了全波段聲音訊號(圖2)的音訊檔案之後，使用者可以透過安裝於運算裝置12內的應用程式來選擇特定頻率做運算，選擇特定頻率的目的是在於可以減少來自環境中的背景音所造成的干擾而提升運算的精確度。因此，運算裝置12係用以擷取超音波訊號在預設頻率所對應之音壓值，所述的預設頻率可以藉由應用程式自動判定或是由使用者自行設定，而所述的音壓值係為音波訊號的音量大小，單位為分貝(dB)或快速傅立葉變換參數（Fast Fourier Transform, FFT），在不同頻率之下的音壓值可能會有所不同，因此透過頻率的選定可以讓吹氣量較小的使用者之吹氣在適當頻率之下進行運算以取得較佳的運算結果。

圖3為本發明一實施例之音壓值-時間的曲線圖。如圖3所示，當運算裝置12選定某個特定頻率之後，曲線A表示同一位使用者在0~3秒內的吹氣所對應的音壓值，橫軸表示時間(單位為second)，縱軸表示音壓值(dB)。如前所述，運算裝置12會對收音裝置11所儲存的全波段聲音訊號中的超音波音訊檔案進行轉換運算而產生呼吸功能參數，此呼吸功能參數包含尖峰吐氣流量(PEF)資訊、第一秒吐氣量(FEV1)資訊以及用力肺活量(FVC)資訊。

具體來說，本發明所提出呼吸功能檢測系統100所取得音壓值的曲線圖經由對比回歸方程式(一次或多式方程式，y=ax+b, y=ax² +bx+c)來與美國食品與藥品管理局(FDA)所認證通過的肺量計做驗證，y係為現行FDA認證通過的肺量計之檢測數值，x則為本發明之呼吸功能檢測系統100之檢測數值，透過上述方程式可以將音壓值(圖3)轉換為流速-時間曲線圖(圖4)。如圖4所示，尖峰吐氣流量資訊指的是在預設時間內的最大吹氣流量，也就是在大約時間0.22秒的時候所對應的最大流速約為614.78 L/min。

參閱圖5，將流速-時間曲線圖(圖4)的曲線B所涵蓋的面積藉由例如是梯形公式面積積分法累加轉換成體積-時間曲線圖(圖5)，而第一秒吐氣量指的是使用者在吹氣一秒內的所有吹氣量，以圖5來做說明，也就是時間1秒所對應的數值。至於用力肺活量資訊則是指使用者在0~3秒內的所有吹氣量，係在一次呼吸功能檢測的預設期間內總吹氣量，也就是時間3秒所對應的數值。

當尖峰吐氣流量資訊、第一秒吐氣量資訊以及肺活量資訊都計算出來之後，就可以各自根據預設的標準值來判斷使用者的呼吸功能正常與否，例如：正常人的尖峰吐氣流量是標準值的80%以上，用力肺活量與第一秒吐氣量的比值(FVC/FEV1)為標準值的70%以上。而對於氣喘患者而言，尖峰吐氣流量資訊的變異率在20%以下則表示治療的情況良好，變異率在20%~30%之間則表示可能需要增加治療的藥劑量，若變異率在30%以上則表示氣喘正急性發作，需要即刻就診並重新調配藥劑。所述的變異率(%)指的是(每日最高尖峰吐氣流量-每日最低尖峰吐氣流量)/(每日最高尖峰吐氣流量+每日最低尖峰吐氣流量) *100%。

圖6為本發明一實施例之呼吸功能檢測方法的流程圖。將上述說明整理之後，可以歸納出一種呼吸功能檢測方法，如圖6所示，此呼吸功能檢測方法，適用於前述的呼吸功能檢測系統，並包含步驟401~403。步驟401：在一預設時間內持續接收一吹氣氣體並因應該吹氣氣體而產生一全波段聲音訊號，該全波段聲音訊號至少包含一超音波訊號。步驟402：接收並記錄該全波段聲音訊號。步驟403：計算該超音波訊號並產生對應的呼吸功能參數。

參閱表一，本發明所提出呼吸功能檢測系統換算取得尖峰吐氣流量(PEF)與美國食品與藥品管理局(FDA)所認證通過的肺量計(比較例)，統計13個受試者，每個受試者皆對本發明及比較例的產品各別都做三重複吹氣試驗，其結果顯示本發明與比較例的產品的相差的誤差率在7%以下。因此，顯示本發明的所提出的測量系統其準確度與美國食品與藥品管理局(FDA)所認證通過的肺量計相若。   表一、本發明與比較例在尖峰吐氣流量的比較

綜上所述，本發明所提出的呼吸功能檢測系統以及呼吸功能檢測方法，其係利用可以因應使用者吹氣而產生超音波訊號的氣體轉換裝置、可接收並記錄超音波訊號的收音裝置以及具有數據運算能力的運算裝置來將該次吹氣所得的超音波訊號轉換成對應的呼吸功能參數，因此可以判斷使用者的呼吸功能是否正常。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧呼吸功能檢測系統
10‧‧‧氣體轉換裝置
11‧‧‧收音裝置
12‧‧‧運算裝置
A‧‧‧音壓值-時間曲線
B‧‧‧流速-時間曲線
401、402、403‧‧‧步驟

圖1為本發明一實施例之呼吸功能檢測系統的示意圖； 圖2為本發明一實施例之全波段聲音訊號的曲線圖； 圖3為本發明一實施例之音壓值-時間的曲線圖； 圖4為本發明一實施例之流速-時間的曲線圖； 圖5為本發明一實施例之體積-時間的曲線圖； 圖6為本發明一實施例之呼吸功能檢測方法的流程圖。

100‧‧‧呼吸功能檢測系統

10‧‧‧氣體轉換裝置

11‧‧‧收音裝置

12‧‧‧運算裝置

Claims (10)

1. 一種呼吸功能檢測系統，包括： 一氣體轉換裝置，用以在一預設期間內持續接收一吹氣氣體並因應該吹氣氣體而產生一全波段聲音訊號，該全波段聲音訊號至少包含一超音波訊號； 一收音裝置，用以接收並記錄該全波段聲音訊號；以及 一運算裝置，與該收音裝置之間具有一通訊連接以接收並對該收音裝置所記錄該全波段聲音訊號中的該超音波訊號進行運算之後產生一呼吸功能參數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸功能檢測系統，其中該氣體轉換裝置包含一靜音笛或一高爾頓笛。
3. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸功能檢測系統，其中該收音裝置包含一微機電系統或一麥克風，該麥克風選自下列組群之一者：全指向性麥克風、心型指向性麥克風、超心型指向性麥克風、槍型指向麥克風及雙指向麥克風。
4. 如申請專利範圍第1項所述之呼吸功能檢測系統，其中該運算裝置係用以擷取該超音波訊號在一預設頻率所對應之一音壓值，該預設頻率所對應出該音壓值係用以區隔背景所產生的背景音。
5. 如申請專利範圍第4項所述之呼吸功能檢測系統，其中該呼吸功能參數包含一尖峰吐氣流量資訊、一第一秒吐氣量資訊以及一用力肺活量資訊，該運算裝置將所擷取的音壓值進行運算後分別產生該尖峰吐氣流量資訊、該第一秒吐氣量資訊以及該用力肺活量資訊。
6. 一種呼吸功能檢測方法，適用於一呼吸功能檢測系統，該呼吸功能檢測系統具有一氣體轉換裝置、一收音裝置以及一運算裝置，該呼吸功能檢測方法包括： 在一預設時間內持續接收一吹氣氣體並因應該吹氣氣體而產生一全波段聲音訊號，該全波段聲音訊號至少包含一超音波訊號； 接收並記錄該全波段聲音訊號；以及 計算該全波段聲音訊號中的該超音波訊號並產生對應的呼吸功能參數。
7. 如申請專利範圍第6項所述之呼吸功能檢測方法，其中該氣體轉換裝置包含一靜音笛或一高爾頓笛而藉此因應該吹氣氣體而產生該全波段聲音訊號。
8. 如申請專利範圍第6項所述之呼吸功能檢測方法，其中該收音裝置包含一微機電系統或一麥克風而藉此接收並記錄該全波段聲音訊號。
9. 如申請專利範圍第6項所述之呼吸功能檢測方法，更包括： 擷取該超音波訊號在一預設頻率所對應之一音壓值。
10. 如申請專利範圍第9項所述之呼吸功能檢測方法，其中該呼吸功能參數包含一尖峰吐氣流量資訊、一第一秒吐氣量資訊以及一用力肺活量資訊，藉由該運算裝置擷取該音壓值並進行運算後分別產生該尖峰吐氣流量資訊、該第一秒吐氣量資訊以及該用力肺活量資訊。