系統硬體之架構

本研究採用精國醫療器材有限公司之 CK-A603T 聽診頭與鐵三角麥克風 AT9904 以硬橡皮管將其連接。一般的壓電麥克風或電子聽診器價格動輒要 上萬，由於本研究為了實現多頻道之肺音擷取，需要許多聽診器以及麥克風，

所以採用昂貴的電子聽診器及壓電麥克風並不符合經濟效應。再加上一般型 麥克風可以接到音效卡上由電腦錄製音訊，不必採用昂貴的資料擷取卡，可 以說是非常的節省資源。故本實驗採用最簡便的電子聽診器製作法，將麥克 風接上聽診器，並透過 USB 音效擷取卡來擷取肺音訊號，整體架構如圖 3-2 所示。

圖 3-2 系統硬體架構示意圖

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3.2.2 系統硬體之感測器

本研究採用精國醫療器材有限公司之 CK-A603T 聽診頭與鐵三角麥克風 AT9904 以硬橡皮管將其連接，如圖 3-3 所示，由左至右分別為全指向性麥 克風鐵三角 AT9904、橡皮管、精國醫療器材有限公司 CK-A603T 聽診器頭。

圖 3-3 感測器實體架構圖

鐵三角 AT9904 麥克風如圖 3-4 所示，為對應數位錄音機器的高音質超 小型麥克風，規格表如表 3-1 所示。鐵三角 AT9904 有著高靈敏度以及相對 於市面上販賣的電容麥克風的較廣頻率響應，非常適合作為電子聽診器之收 音頭使用。

圖 3-4 鐵三角 AT9904 麥克風[26]

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表 3-1 鐵三角 AT9904 麥克風規格表[26]

Element Mono Electret Condenser Polar Pattern Omnidirectional Frequency Response 30~18,000 Hz

Sensitivity -42 dB (7.9 mV) re 1V at 1 Pa

Impedance 1,500 Ω

Power Supply Plug in Power

Dimensions Ø6.4 mm x 18mm

Weight 1g

Cable 1.2 m

Connector Ø3.5 mm L-type gold-plated 3 pole mini jack

接著只要將麥克風與精國醫療器材有限公司之 CK-A603T 聽診器頭，如 圖 3-5 所示，使用橡皮管與其做連接，即完成本研究之感測器之設置。其中 橡皮管選擇較硬且厚之橡皮管，除了可以將外界噪音反射，也可以避免橡膠 管太軟造成聽診器之聲音被管壁吸收。

圖 3-5 精國醫療器材有限公司之 CK-A603T 聽診器頭

- 42 - 指向式(Hypercardioid)與槍型指向式(Shotgun)，如圖 3-6 所示。指向性代表 麥克風所收音的範圍，依照其作用之不同，所需要收音的方向也不同。本研 究所使用之麥克風屬於全指向式(Omnidirectional)，麥克風對於各方向之聲 音訊號概括全收，在本研究中，肺音被聽診器放大，在橡皮管理反射，而全 向性的麥克風可以將所有被反射的聲音吸收，加強肺音的錄取。麥克風對不 同頻率的聲音靈敏度，影響輸出訊號發生放大或衰減現象，可以用一條曲線 表示之，稱為頻率響應曲線(Frequency Response Curve) 。理想狀況的頻率響 應曲線為非常直的水平線，且涵蓋所有頻率範圍，此時意味著輸出訊號能完 全呈現出原始信號的特性，但麥克風通常沒有辦法使所有的頻率都能被接收。

本實驗所採取的麥克風雖然沒有理想的頻率響應水平線，但是頻率響應的取 線在肺音的範圍中沒有衰退，是非常適合肺音量測的麥克風。

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圖 3-6 麥克風指向性之常見規格，(a) 全指向式 (b) 雙指向式 (c) 心型

指向式 (d) 超心型指向式 (e) 槍型指向式

3.2.4 資料擷取卡

本研究採用 LEAD 3D Sound 5.1 TIDE PD552 USB 3d sound card

（如圖 3-7 所示，規格如表 3-2 所示）為資料擷取卡，將麥克風所收錄到的 類比訊號轉換成數位訊號，並傳送到電腦中。由於本研究使用過多頻道的肺 音擷取法來擷取肺音訊號，所以一般個人電腦所配予的 USB 插座不足，故 本研究也採用廣鼎 INTOPIC HB-16 USB Port（如圖 3-7 所示，規格如表 3-3 所示）。

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圖 3-7 LEAD 3D Sound 5.1 TIDE PD552 USB 3d sound card[27]

表 3-2 USB 3D sound card 規格表[27]

Interface Type USB

Channel 6

Detailed Description 1. Real USB plug & play

2. Drive 2CH speakers directly&

support 3D positional sound and virtual 5.1 CH sound track

3. Use USB port power directly

4. External power adapter NO NEED

5. Digital class-B power amplifier insider

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圖 3-8 廣鼎 INTOPIC HB-16 USB Port

表 3-3 INTOPIC HB-16 USB Port 規格表

Port number 7 Ports

Highest speed USB 2.0 High-Speed HUB , 480 Mbits

driver No driver , plug and play Power Comes with DC power adaptor

Dimension (L)160X(W)35X(H)20.5mm

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3.2.5 系統硬體實體配置情形

在介紹完本研究硬體之零件後，將其組合起來則為本研究之實際硬體配 置情形，其中本研究之聽診器陣列配置，參考 R. L. Murphy[29]論文中聽診 器之配置，使用 16 個聽診麥克風位置如圖 3-9 所示，14 個聽診器以肺部形 狀排列，來擷取肺部不同位置之肺音訊號。其中聽診器 8 為氣管音之訊號。

由於氣管音可以聽到清楚的呼氣音與吸氣音，所以可以利用聽診器 8 之訊號 辨別整組訊號之相位，而聽診器 16 則是擷取心音訊號，因為在肺音擷取的 部分，心音是不必要的，所以擷取心音有助於我們在對訊號做前處理時，可 以對於肺音訊號裡的心音訊號做一個過濾的處理，實際配置圖則如圖 3-9 所 示。

圖 3-9 聽診器配置示意圖[29]

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(a) (b)

圖 3-10 聽診器陣列實際配置圖，(a)正面(b)背面

綜合以上之說明，本研究之硬體實際架構如圖 3-11 所示，從聽診器終將 肺音訊號給放大，透過 AT9904 麥克風收錄,在經過 USB 3D sound card 將 訊號由類比轉為數位，再透過廣鼎 HB-16 USB PORT 將訊號傳至電腦裡。

整體系統大致來說還算穩定，只是背心可能沒辦法使聽診器貼緊背部，

這時用固定背部之固定帶可以解決此問題。而 USB 裝置太多容易造成電 流不穩,所以 USB PORT 必須額外接上電源，才能讓系統穩定。除了以上 16 個麥克風以外，也有配置一個麥克風錄製環境之聲音，透過這個麥克 風的聲音，增加去掉環境噪音之方便性。

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圖 3-11 系統硬體實際配置圖

3.3 軟體架構

本研究所使用軟體流程如圖 3-12 所示，首先肺音訊號經過 ASIO 驅動 程式以 Reaper 錄音軟體錄音並以 wav 格式檔案儲存。儲存後以 MATLAB 與 Visual Signal 做前處理以及時頻分析。

圖 3-12 系統軟體流程圖

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本研究透過 Visual Signal 與 MATLAB 來對已儲存之肺音訊號做前處理 及分析，主要以 Visual Signal 為主對肺音訊號做前處理如濾波，正規化以及 去噪之手續，並將前處理後之肺音訊號做時頻分析，而由 MATLAB 程式對 肺音訊號做不同方法或參數之前處理，來與被 Visual Signal 前處理之訊號做 比較。Visual Signal 為臺灣逸奇科技所開發之時頻分析軟體，它透過內附之 視覺化控制元件，來達成多元之訊號分析呈現。Visual Signal 也與中央大學 之訊號分析權威黃鍔博士合作，開發出以 HHT 分析法來分析訊號之程序法，

對本研究來說十分合適。MATLAB 為美國 The MathWorks 所開發的商業數

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學軟體，除了本身的計算能力外，也附有強大的演算法開發功能，能補足 Visual Signal 所不足的地方。

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圖 4-1 模擬肺音比較流程圖

析之特色，決定先將教學用之肺音檔案，使用時頻分析法來分析之；並且將 實際之肺音檔案（亦為教學用）同時做分析，並互相比較結果，流程如圖 4-1 所示。

將實際肺音以及模擬肺音兩種肺音以三種方法，分別為短時傅立葉轉換 法、Morlet 小波轉換、希爾伯‧黃轉換法來分析，所以一共 3x2 總共六種結 果，將結果比較後並且觀察其特色。本研究也使用了傅立葉轉換法將訊號轉 換成頻譜響應，並與時頻分析之結果做比較，以凸顯時頻分析之優點。

4.3 肺音測量流程設計

本節將介紹本研究之肺音量測與肺音比較之流程設計概念與想法。首先 介紹本研究所設計之肺音比較概念，接著介紹本研究所設計之肺音量測流程。

由於運動員之肺音量測必須要與運動相關聯，所以在肺音擷取的流程上也要 與肺病診斷之肺音量測流程有所不同，本研究參考了運動學相關論文，並在

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此節加以介紹。

4.3.1 肺音擷取與比較流程之設計

本研究為了確實觀察出運動員之肺音特色，將以圖 4-2 之流程圖來設計 實驗。為了確實觀察出運動員之肺音特色，有必要將運動員安靜無運動時之 肺音與運動後之肺音做比較，所以如圖 4-2 所表示，將運動員運動前運動後 之肺音都以電腦錄製，並皆加以分析，最後得知結果後再作比較。本研究也 將錄製一般人員（相較於運動員，並無較佳體能之一般人）之肺音，將其肺 音錄製並分析，並與運動員之肺音分析結果加以比較，以便更容易觀察出運 動員之肺音特色。

圖 4-2 實驗設計總流程圖

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4.3.2 肺音量測流程與運動方法之設計

本研究參考以往之研究[30]、[31]，先讓研究對象休息 5 分鐘，擷取研 究對象安靜時自然呼吸之肺音，姿勢為站姿，總共擷取 60 秒鐘肺音。擷取 完畢後，則採用中華民國國民體能測驗之標準，使研究對象跑 800M or 1000M 或伏地挺身 30 下 (本研究之研究對象並無 30 歲至 65 歲之間之對象，

故不採用三分鐘登階測驗)，結束運動後馬上擷取肺音，與安靜自然呼吸之 肺音一樣，也擷取 10 秒鐘之肺音。由流程圖 4-3 可以知道本實驗之設計流 程。為了使肺音可以更確實的被麥克風所收錄，本實驗在肺音錄製過程中，

設計了兩次不同速率的呼吸法，第一次為緩慢深呼吸，第二次則為速度加快 之深呼吸，都各擷取 60 秒的時間。分成這兩種呼吸收錄，除了可以使麥克 風確實收錄肺音外，不同的呼吸速率同時也代表了受測者之呼吸能力，透過 分析此兩次不同呼吸速率的肺音，可以讓運動習慣對肺音訊號的影響在實驗 結果上可以呈現的更為明顯。

圖 4-3 肺音量測之流程圖

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4.4 真實肺音之前處理與分析

肺音擷取後，由於真實肺音不如模擬肺音或資料所含的肺音一樣有經過 去噪等特殊的處理，所以我們必須對肺音做進一步的前處理與分析，以下將 對真實肺音的前處理以及分析方法做介紹。

4.4.1 肺音濾波與放大電路

肺音訊號擷取流程圖如圖 4-1 所示。由於肺音訊號屬於極微弱的生理訊 號，因此首先建構前級放大器將原訊號放大，根據文獻探討，本研究設定放 大增益為 100 倍[3]。本研究以 MATLAB 建構數位濾波器消除雜訊干擾，其 干擾來源包括肺音以外的生理訊號與環境雜訊。根據文獻探討，肺音發生的 主要頻率範圍於 80 Hz 至 2000 Hz[3]。為了避免肺音之外的高頻雜訊干擾，

肺音訊號擷取流程圖如圖 4-1 所示。由於肺音訊號屬於極微弱的生理訊 號，因此首先建構前級放大器將原訊號放大，根據文獻探討，本研究設定放 大增益為 100 倍[3]。本研究以 MATLAB 建構數位濾波器消除雜訊干擾，其 干擾來源包括肺音以外的生理訊號與環境雜訊。根據文獻探討，肺音發生的 主要頻率範圍於 80 Hz 至 2000 Hz[3]。為了避免肺音之外的高頻雜訊干擾，