TWI454294B - 基於腦波訊號之呼吸輔助裝置及其方法 - Google Patents

Description

基於腦波訊號之呼吸輔助裝置及其方法

本發明係關於一種呼吸輔助裝置及其方法，尤其是根據一腦波訊號調整一正壓呼吸輔助器之輸出壓力的呼吸輔助裝置及其方法。

習知之連續正壓呼吸輔助器[Continuous Positive Airway Pressure，CPAP]係用於輔助使用者或患者之呼吸，尤其是將其應用於睡眠呼吸中止症[Obstructive Sleep Apnea，OSA]的治療上，乃是當前醫界公認具有最佳療效的方法。一般而言，習知之連續正壓呼吸輔助器乃在吸氣模式[inhale mode]時輸出氣體[例如氧氣]，並以固定的氣壓供予使用者，以便增加使用者之呼吸道內的壓力，進而將該氣體送入使用者的肺部；反之，在呼氣模式[exhale mode]時，該習知之連續正壓呼吸輔助器即停止輸出氣體，則使用者之肺部收縮恢復為原形狀，將肺部內在氣體交換作用後所產生的氣體[例如二氧化碳]。惟，當使用者在睡眠狀態下時，並非自始至終均以固定的吸氣壓力進行呼吸，因此當使用者在睡眠狀態下使用該連續正壓呼吸輔助器時，必須配合使用者之睡眠情況，由他人專責控制該連續正壓呼吸輔助器在該吸氣模式時所提供的壓力。因此，此種習知的連續正壓呼吸輔助器係造成使用上的極大不便。

另一種習用的連續正壓呼吸輔助器係另設有一氣流偵測單元，並以該氣流偵測單元偵測使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，以便對應於該使用者的氣流量即時調整在該吸氣模式時所提供的壓力，進而確保使用者的呼吸氣流順暢。然而，由於此種習用之連續正壓呼吸輔助器僅偵測使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，因此雖然可保持使用者在睡眠狀態下的呼吸氣流順暢，但仍無法確保使用者可在使用該連續正壓呼吸輔助器時保有良好的睡眠品質。故上述習用之連續正壓呼吸輔助器顯然有加以改善之必要。

本發明係提供一種基於腦波訊號之呼吸輔助裝置及其方法，主要係利用即時偵測使用者之腦波訊號，以判斷是否調整一正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值，進而使不同的使用者均可獲得較佳的睡眠品質，為其發明目的。

本發明係提供一種基於腦波訊號之呼吸輔助裝置及其方法，主要係利用一最佳化搜尋演算法，由一睡眠品質指標值與輸出氣體之氣壓值的關係表取得一最適氣壓值，以進一步確保不同的使用者均可獲得較佳的睡眠品質，為其另一發明目的。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術手段及藉由該技術手段所能達到之功效包含有：一種基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其包含一正壓呼吸輔助器、一睡眠狀態監測單元及一控制單元。該正壓呼吸輔助器係於一吸氣模式時輸出氣體，以產生具有一氣壓值之氣體及一氣壓訊號，並於一呼氣模式時停止輸出氣體。該睡眠狀態監測單元係供偵測一使用者的睡眠狀態，並根據該睡眠狀態產生一狀態訊號。該控制單元連接於該正壓呼吸輔助器及睡眠狀態監測單元，以接收該氣壓訊號及該狀態訊號，且該控制單元另接收該使用者的腦波訊號，以根據該氣壓訊號、狀態訊號及腦波訊號產生一調控訊號控制該正壓呼吸輔助器。其中，該控制單元由該腦波訊號計算獲得一睡眠品質指標值，並於接獲該狀態訊號且該睡眠品質指標值超出一預設範圍時，產生該調控訊號。

所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置的睡眠品質指標值係為循環交替模式率。

所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置的控制單元利用一最佳化搜尋演算法進行計算，以該循環交替模式率具有最低值時的氣壓值作為一最適氣壓值，並產生該調控訊號控制該正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值為該最適氣壓值。

一種基於腦波訊號之呼吸輔助方法，其步驟包含一氣流調壓步驟、一睡眠狀態監測步驟、一睡眠品質感測步驟及一腦波調壓步驟。該氣流調壓步驟偵測一使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，並調整一正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值，直到各次偵測所得之氣流量的變化量低於一預設值時，則維持該氣壓值。該睡眠狀態監測步驟偵測該使用者之睡眠狀態，再判斷該使用者是否在一非快速動眼睡眠狀態之下維持一預定時間，且計算並儲存該使用者之一睡眠品質指標值與該輸出氣體的氣壓值的關係表，其中若該使用者未在該非快速動眼睡眠狀態下維持該預定時間，即執行該氣流調壓步驟，否則發出一狀態訊號。該睡眠品質感測步驟於該睡眠狀態監測步驟發出該狀態訊號時，即時檢測該睡眠品質指標值是否超出一預設範圍，若該睡眠品質指標值未超出該預設範圍，即執行該睡眠狀態監測步驟，而若該睡眠品質指標值超出該預設範圍，則執行該腦波調壓步驟。該腦波調壓步驟係以一最佳化搜尋演算法由該關係表求得一最適氣壓值，並控制該正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值為該最適氣壓值，再執行該睡眠狀態監測步驟。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第1圖所示，其係繪示本發明較佳實施例之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置的系統方塊圖。該呼吸輔助裝置包含一正壓呼吸輔助器1、一睡眠狀態監測單元2及一控制單元3。該正壓呼吸輔助器1係於一吸氣模式時輸出氣體，以供給具有一氣壓值之氣體予一使用者，並於一呼氣模式時停止輸出氣體；該睡眠狀態監測單元2偵測該使用者的睡眠狀態，並根據該睡眠狀態產生一狀態訊號；該控制單元3連接於該正壓呼吸輔助器1及睡眠狀態監測單元2之間，以接收該正壓呼吸輔助器1之輸出氣體的氣壓訊號及該睡眠狀態監測單元2輸出之狀態訊號，且該控制單元3另連接至一腦波感測器〔未繪示〕，以接收該腦波 感測器所偵測之該使用者的腦波訊號。藉此，該控制單元3係根據該氣壓訊號、腦波訊號及狀態訊號進行運算，以產生一調控訊號送至該正壓呼吸輔助器1，進而調整該正壓呼吸輔助器1在該吸氣模式時的輸出氣體之氣壓值。

詳言之，本發明之正壓呼吸輔助器1係在未接獲該控制單元3所產生之調控訊號時，偵測該使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，以決定該輸出氣體的氣壓值；而在接獲該調控訊號時，該正壓呼吸輔助器1即根據該調控訊號決定該輸出氣體的氣壓值。

另，關於本發明之睡眠狀態監測單元2，其係可透過一眼動感測器〔未繪示〕偵測該使用者之眼部電壓變化，進而檢知該使用者的眼球移動情形並產生一眼動訊號，或者亦可藉由該腦波感測器偵測該使用者之腦波訊號。藉此，該睡眠狀態監測單元2即可根據該眼動訊號或腦波訊號判斷該使用者是否處於一非快速動眼〔non-rapid eye movement，NREM〕睡眠的狀態下維持一預定時間。若上述判斷結果為「是」，即發出該狀態訊號，否則即不發出該狀態訊號。此外，為求得更為精確的判斷結果，甚至可同時透過該眼動感測器及腦波感測器而分別偵測獲得該眼動訊號及該腦波訊號，以利綜合該二種訊號一併判斷該使用者之睡眠狀態。

本發明之控制單元3於未接獲該狀態訊號時，以該腦波訊號及氣壓訊號計算獲得一睡眠品質指標值與該氣壓值之間的關係表，其中該睡眠品質指標值係可選擇為一循環交替模式〔cyclic alternating pattern，CAP〕率，且其與該氣壓值的關係表之曲線係略如第2圖所示；而若該控制單元3接獲該狀態訊號，且在該睡眠品質指標值超出一預設範圍時，即以一最佳化搜尋演算法根據該關係表進行計算，以便取得一最適氣壓值，並根據該最適氣壓值產生該調控訊號，以調整該正壓呼吸輔助器1在該吸氣模式時的輸出氣體為該最適氣壓值。其中，若選擇該睡眠品質指標值為該循環交替模式率，則較佳係設定該預設範圍為0.5以下，且在該循環交替模式率為最低值時，該輸出氣體的氣壓值為該最適氣壓值，係使該使用者係具有較佳的睡眠品質。此外，該最佳化搜尋演算法係可選擇為習知之最佳化搜尋方法，例如黃金分割搜尋法[Golden Search]或二分搜尋法[Binary Search]。

承上所述，藉由該控制單元3接收該使用者之腦波訊號而產生該調控訊號，該正壓呼吸輔助器1係可針對不同的使用者將該輸出氣體的氣壓值調整至該最適氣壓值，使不同的使用者均可藉由本發明的呼吸輔助裝置獲得較佳的睡眠品質。

請參照第3圖所示，其係為本發明較佳實施例之基於腦波訊號之呼吸輔助方法的流程圖。該呼吸輔助方法係執行一氣流調壓步驟S1、一睡眠狀態監測步驟S2、一睡眠品質感測步驟S3及一腦波調壓步驟S4，以達到使該使用者獲得較佳的睡眠品質之目的。該氣流調壓步驟S1以該正壓呼吸輔助器1偵測該使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，並調整該正壓呼吸輔助器1之輸出氣體的氣壓值，直到各次偵測所得之氣流量的變化量低於一預設值，則維持該氣壓值。該睡眠狀態監測步驟S2藉由該睡眠狀態監測單元2偵測該使用者之睡眠狀態，再判斷該使用者之睡眠狀態是否在該NREM睡眠狀態之下維持該預定時間，且藉由該控制單元3計算並儲存該睡眠品質指標值與該氣壓值的關係表。其中，若該使用者未在該NREM睡眠狀態下維持該預定時間，即執行該氣流調壓步驟S1，而若該使用者處於該NREM睡眠狀態達該預定時間，則由該睡眠狀態監測單元2發出該狀態訊號。該睡眠品質感測步驟S3係於該睡眠狀態監測單元2發出該狀態訊號時，以該控制單元3即時檢測該睡眠品質指標值是否超出該預設範圍。若該睡眠品質指標值未超出該預設範圍，即重新執行該睡眠狀態監測步驟S2；而若該睡眠品質指標值超出該預設範圍，則執行該腦波調壓步驟S4。該腦波調壓步驟S4係利用該控制單元3所儲存之該睡眠品質指標值與該氣壓值的對應關係表，以該最佳化搜尋演算法求得該最適氣壓值，並由該控制單元3控制該正壓呼吸輔助器1在該吸氣模式時的輸出氣體為該最適氣壓值，最後再重新執行該睡眠狀態監測步驟S2。

綜上所述，相較於習用的連續正壓呼吸輔助器僅能對應於該使用者的氣流量調整輸出氣體的氣壓值，本發明之呼吸輔助裝置係可藉由該控制單元3以該氣壓訊號、腦波訊號及狀態訊號進行運算，進而在該使用者呈現NREM睡眠狀態且維持該預定時間之後，維持該使用者之睡眠品質指標值在該預設範圍內，達到使不同的使用者均可獲得較佳的睡眠品質之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，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之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，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。

1‧‧‧正壓呼吸輔助器

2‧‧‧睡眠狀態監測單元

3‧‧‧控制單元

S1‧‧‧氣流調壓步驟

S2‧‧‧睡眠狀態監測步驟

S3‧‧‧睡眠品質感測步驟

S4‧‧‧腦波調壓步驟

第1圖：本發明較佳實施例之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置的系統方塊圖。

第2圖：循環交替模式率與氣壓值之關係表的曲線圖。

第3圖：本發明較佳實施例之基於腦波訊號之呼吸輔助方法的流程圖。

1．．．正壓呼吸輔助器

2．．．睡眠狀態監測單元

3．．．控制單元

Claims (10)

1. 一種基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其包含：一正壓呼吸輔助器，係於一吸氣模式時輸出氣體，以產生具有一氣壓值之氣體及一氣壓訊號，並於一呼氣模式時停止輸出氣體；一睡眠狀態監測單元，係供偵測一使用者的睡眠狀態，並根據該睡眠狀態產生一狀態訊號；一控制單元，係連接於該正壓呼吸輔助器及睡眠狀態監測單元以接收該氣壓訊號及該狀態訊號，且該控制單元另接收該使用者的腦波訊號，以根據該氣壓訊號、狀態訊號及腦波訊號產生一調控訊號控制該正壓呼吸輔助器；其中，該控制單元由該腦波訊號計算獲得一睡眠品質指標值，並於接獲該狀態訊號且該睡眠品質指標值超出一預設範圍時，產生該調控訊號，其中該睡眠品質指標值係為循環交替模式率，該控制單元利用一最佳化搜尋演算法進行計算，以該循環交替模式率具有最低值時的氣壓值作為一最適氣壓值，並產生該調控訊號控制該正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值為該最適氣壓值，該預設範圍係為該循環交替模式率為0.5以下。
2. 依申請專利範圍第1項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其中該最佳化搜尋演算法係選自黃金分割搜尋法或二分搜尋法。
3. 依申請專利範圍第1項所述之基於腦波訊號之呼吸輔 助裝置，其中該睡眠狀態監測單元偵測並判斷該使用者是否處於一非快速動眼睡眠狀態。
4. 依申請專利範圍第3項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其中該睡眠狀態監測單元接收一眼動訊號以進行判斷，該眼動訊號由一眼動感測器偵測該使用者之眼部電壓變化而產生。
5. 依申請專利範圍第3項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其中該睡眠狀態監測單元接收該使用者之腦波信號以進行判斷。
6. 依申請專利範圍第3項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助裝置，其中該睡眠狀態監測單元於判斷得知該使用者於該非快速動眼睡眠狀態下維持一預定時間時，產生該狀態訊號。
7. 一種基於腦波訊號之呼吸輔助方法，係用於輔助不同使用者獲得較佳睡眠品質之非治療目的，其步驟包含：一氣流調壓步驟，係偵測一使用者在吸氣或呼氣時的氣流量，並調整一正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值，直到各次偵測所得之氣流量的變化量低於一預設值時，則維持該氣壓值；一睡眠狀態監測步驟，係偵測該使用者之睡眠狀態，再判斷該使用者是否在一非快速動眼睡眠狀態之下維持一預定時間，且計算並儲存該使用者之一睡眠品質指標值與該輸出氣體的氣壓值的關係表，其中若該使用者未在該非快速動眼睡眠狀態下維持該預定時間，即執行該氣流調壓步驟，否則發出一狀態訊號； 一睡眠品質感測步驟，係於該睡眠狀態監測步驟發出該狀態訊號時，即時檢測該睡眠品質指標值是否超出一預設範圍，若該睡眠品質指標值未超出該預設範圍，即執行該睡眠狀態監測步驟，而若該睡眠品質指標值超出該預設範圍，則執行一腦波調壓步驟；其中，該腦波調壓步驟係以一最佳化搜尋演算法由該關係表求得一最適氣壓值，並控制該正壓呼吸輔助器之輸出氣體的氣壓值為該最適氣壓值，再執行該睡眠狀態監測步驟。
8. 依申請專利範圍第7項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助方法，其中該睡眠品質指標值係為循環交替模式率。
9. 依申請專利範圍第8項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助方法，其中該最佳化搜尋演算法以該循環交替模式率具有最低值時的氣壓值作為該最適氣壓值。
10. 依申請專利範圍第8項所述之基於腦波訊號之呼吸輔助方法，其中該預設範圍係為該循環交替模式率為0.5以下。