呼吸流量記錄器
62
0
0
全文
(2) （呼吸流量記錄器）. 逢. 甲. 大. 學. 自動控制工程學系專題製作 專. 題. 論. 文. 呼吸流量記錄器 Air Flow Meter. 指導教授：劉益瑞 學. 生：張君賢. 中 華 民 國 九 十 五 年 五 月. iii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(3) （呼吸流量記錄器）. ii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(4) （呼吸流量記錄器）. 誌謝 在短短的一年多內就完成了這個系統，最大的功勞當然是我的指導老師劉 益瑞，讓我學習到許多東西或是對任何事情的態度，都讓我受益良多，還有洪 三山老師不厭其煩的讓我問很多問題，林育徳老師也從中指導許多，還有很多 優秀的學長姐幫忙。而自己從自控拔河隊中學到最重要的東西，就是堅持的意 志力，靠著這份毅力讓我不論在專題、課業或是運動上，都有一定的水準，所 以對於自動控制系真的是由衷的感謝！. i. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(5) （呼吸流量記錄器）. 中文摘要 由於工業化的影響使得空氣污染越來越嚴重，肺方面的疾病也有增加的趨 勢，本專題嘗試開發小型呼吸流量記錄器，目的是可以達到居家檢測且操作方 便。本研究以壓克力孔口板製成差壓式氣壓流速計，來得到呼吸時的氣流壓力 差，並經過差壓式的感測器和濾波放大電路，測得呼吸氣體流速之電壓信號。而 後利用呼吸機（Puritan-Bennett 7200） ，分別打出不同的流量和容積，做為本系統 的電壓信號和實際流速間的校正，以及容積計算的驗證。再以LabVIEW作為程式 的撰寫，建立電壓與流速的圖表，進而求取轉換函數，計算並顯示出呼吸的流量、 容積和時間等重要訊號。 未來可依循美國胸腔協會ATS (American Thoracic Society)的呼吸量計標準，建 立一套呼吸流量計，依據所定出來的容積標準來觀察受測者的肺功能狀況，並做 即時的容積和流速顯示，測量有用的生理參數，未來會再將系統多做延伸和相關 發展。. 關鍵詞：呼吸功能，流量感測器，美國胸腔協會. ii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(6) （呼吸流量記錄器）. Abstract Due to the influence of industrialization, the air is becoming serious and the number of people who suffer lung diseases also increases. The research tries to create an abbreviated Air Flow Meter to achieve the goal that the DIY examination at home is feasible and easy to operate. The research uses the acrylic orifice to make a Pneumotachometer of differential pressure to acquire differential airflow when we breathe and measure voltage signal of breath flow via differential sensors and circuits that combine filters and amplifiers. And then use the Mechanical ventilation (Puritan-Bennett 7200) to exhale differential volume and flow to calibrate voltage signals and actual flow and demonstrate the volume of the system. Use LabVIEW as the program to build diagram of voltage versus flow and then get transmission equation to calculate and show the important signal that Volume, Flow and Time of breath.. In the future the system will depend on the standard Spirometer of ATS (American Thoracic Society) to build a complete Air Flow Meter. We can observe lung function based on the spirogram that detects the lung fettle of a tested person and simultaneously the meter shows the flow and volume immediately, and measures useful parameter of physiology. Then the system will be extended and has correlative development.. Keywords: Breathing function、Flow sensor、ATS(American Thoracic Society). iii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(7) （呼吸流量記錄器）. 目錄 誌謝……………………………………………………….……………………........…i 中文摘要……………………………….…………………………….…....…….….…ii Abstract………………………………………………………………………….........iii 目錄…...…………………………………………………………………...…….……iv 圖目錄…...…………………………………………………………………..….....….vi 表目錄……………………………………………………………………...….…….viii 第一章 前言..…………………..………...…………………………………………01 1.1 研究動機…………………………….……………...………….…………01 1.2 研究方法….………………………………………………………………01 1.3 論文架構….………………………………………………….……...……03 第二章 呼吸功能……………………………………………………...……………04 2.1 呼吸生理系統..…………………………………………...………………04 2.2 呼吸功能的基礎理論….…………………………………………………05 2.3 呼吸功能檢查的意義….…………………………………………………07 2.4 呼 吸 功 能 檢 查 的 基 本 原 理 …..………………………………………10 第三章 氣體流量感測器………………...……...……………………………....….11 3.1 呼吸流量裝置.………………….…………………………...……………11 3.2 壓力量測的參考點…………………………...……………….….………13 3.3 壓力感測器原理與構造………..…………….……......……….…...……14 3.4 壓力感測器型號選擇..………………………………………….………..15 第四章 系統設計與研製…………………………………………..….………...….18 4.1 放大器的選用………………………………………………….…………18 4.2 濾波器之設計與製作…………………….………………………………20 4.3 電阻電容值的選取與模擬……………………………………….………22. iv. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(8) （呼吸流量記錄器）. 4-4 硬體電路製作……………………….……………………...….…....……24 第五章 系統設計與研製…………………………………………..….…………....26 5.1 校正設備…………………………………………...………….………...…26 5.2 流速校正…………………………………………...………...………....…28 5.3 容積計算與驗證……..………………………...……………..…….…..…33 5.3 軟體設計與開發……..………………………...………….…..………..…36 第六章 系統設計與研製…………………………………………..….………...….40 6.1 目前系統的測量應用……..…………………...………….…..………..…40 6.2 未來發展……..…………………...……….…………………..………..…40 參考文獻………………………………………………...……………………....…...42 附錄 A. SenS ym 差 壓 感 測 器 之 規 格 表 ……………………………………44. 附 錄 B 壓力感測器之相關用語………………………………………………..…46 附 錄 C 使用壓力感測器時的注意事項…………………………..………………47 附 錄 D 呼 氣 和 吸 氣 及 肺 容 積 驗 證 的 實 驗 數 據 ……………...……………48. v. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(9) （呼吸流量記錄器）. 圖目錄 圖 1-1 系統研製示意圖…………………………...………….……………...………02 圖 2-1 呼吸系統生理構造……………………………………………………...……05 圖 2-2 肺功能量測理論示意圖…………………………………………………...…05 圖 2-3 開放呼吸道細部模型………………………………………………………...06 圖 2-4 肺容量及其組成示意圖…………………………………………………...…09 圖 3-1 管路造成壓力差的方法…………………………………………………...…11 圖 3-2 孔口板之種類……………………………………………………………...…12 圖 3-3 各種大小的孔口板………………………………………………………...…12 圖 3-4 自製壓克力孔管…………………………………………………………...…13 圖 3-5 差壓式感應測與等效電路和接腳圖……………………………………...…16 圖 3-6 SCX 系列的差壓式感測器………………………………….……….…….…16 圖 4-1 儀表放大電路示意圖………………………………………………...………18 圖 4-2 AD620 腳位示意圖…..……………………………..………………….……19 圖 4-3 各種主動濾波器的頻率響應比較圖 (增益對頻率) …………………….…22 圖 4-4 4 階的巴特威士……..…………………………………….……………..…..22 圖 4-5 模擬 4 階低通巴特威士並且頻率截止在 5Hz ………….…………….…..…24 圖 4-6 模擬軟體的電路…………………………………………………………...…24 圖 4-7 雕刻檔案………………………………………………………….………..…25 圖 4-8 雕刻機……………………………………………………………….…..……25 圖 4-9 實際硬體電路…………………………………………………………...……25 圖 5-1 系統示意圖………………………………...…………………….…...………26 圖 5-2 A/D 卡…………………………………………………………....…….......…26 圖 5-3 呼吸機 PB 7200…………………………..………………….…….…...….…27 圖 5-4 空氣壓縮機與氣瓶……………...……….…………….…………….…....…..27. vi. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(10) （呼吸流量記錄器）. 圖 5-5 人工測試肺……………………………………………...….…………….......27 圖 5-6 曲線圖方程式介面…………………………………...………………………30 圖 5-7 吸氣和吐氣訊號對流速之曲線圖…………………………….……………...31 圖 5-8 吐氣之電壓對流速的曲線方程式……………………...…….……………....32 圖 5-9 吸氣之電壓對流速的曲線方程式……….…………………..……………….33 圖 5-10 吸氣和吐氣對應流速的曲線圖...…………………………….………………33 圖 5-11 程式設計流程圖…………………...…………………………………………36 圖 5-12. Sequence 結構之流一...…………………………………….……………..38. 圖 5-12. Sequence 結構之流二...…………………………………….……………..38. 圖 5-14 量測介面………………………...………………………………………....…39. vii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(11) （呼吸流量記錄器）. 表目錄 表 2-1 健康正常人的標準肺容積………………….……………...….………...…...09 表 4-1 AD 620 規格特性說明表…...……………………….…..…..………...…...…20 表 4-2 濾波器形式比較………………………………...……………………………21 表 4-3 巴特威士濾波器特性函數………………………….…..……………………23 表 5-1 PB 7200 呼吸機功能設定範圍………….……….…..…...…………….……28 表 5-2 吐氣和吸氣的平均值和標準差……….………..……...………………….…29 表 5-3 方程式階數與方均根誤差關係表……..…...…………………….…….……31 表 5-4 十次量測肺容積之平均值與標準差……..………………………....…….…34 表 5-5 肺容積之平均值與相對誤差……………………………………………..….34 表 5-6 肺容積之平均值與相對誤差數據(經方程式改善後) …………………....…35. viii. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(12) （呼吸流量記錄器）. 第一章 前言 1.1 研究動機 由 於 社會工業化的成長，也帶來了不少環境污染的問題，像是空氣污染就 是很明顯的問題，而且也有日益嚴重的趨勢，也因此引起許多呼吸的疾病產生。 根據世界衛生組織的統計，像是慢性阻塞肺疾病（chronic Obstructive Pulmonary Disease COPD）將在 2020 年變成第四重大疾病，又根據中華民國胸暨重症加護 醫學會指出慢性阻塞肺疾病一直是國人十大死因之ㄧ【1】、【2】，這些慢性阻塞 性肺疾病包含哮喘、肺氣腫以及慢性支氣管炎，因此呼吸方面的疾病正逐漸的威 脅到國人的健康。 在臨床上經呼吸道氣體激發測試(trans-airway gas challenge test) ，需記錄測 試過程連續的呼吸數據，得到肺功能的各項參數，可以藉由動態肺容積或是靜態 肺容積來測的呼吸功能是否有異常【3】 。然而市面上連續的吸氣流量測量儀器大 都與呼吸機結合在一起，而呼吸機大都是進口的，因此價格都相當昂貴，另外有 一些進口的小型呼吸流量測量儀器，雖然價格較呼吸機便宜許多，大多數只能紀 錄一次或數次呼吸的測量數值，無法提供一段連續的呼吸數據。所以本專題將自 行研發較小型的連續呼吸流量記錄儀，以方便臨床應用或相關研究使用， 達到 可以準確量測之效，並降低後續相關呼吸量測研究的採購成本。. 1.2 研究方法 本 專 題 研 發 的 呼 吸 流 量 記 錄 器 所 需 研 製 的 部 分 如 圖 1-1， 以 下 針 對這七部份做說明：. 1. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(13) （呼吸流量記錄器）. 1.管路 A. 3.管路 B. 2.氣壓式流速. 6.A/D 卡. 7.電腦軟體分析. 4.壓力感測器. 5.濾波放大電路. 圖 1-1 系 統 研 製 示 意 圖 1. 管 路 A 由 於 要 接 到 差 壓 傳 送 器 ， 所 以 盡 可 能 需 要 用 硬 度 夠 的 管 子， 不 至 於 在 壓 到 管 子 時，會 產 生 而 外 的 壓 力 變 化 而 影 響 準 確 度。 另 外 會 再 接 上 咬 嘴，基 本 上 是 可 拋 棄 式 的，為 了 下 一 位 量 測 者 的 衛 生 安 全和方便使用。 2. 氣壓式流速計的目的是要造成壓力差，因 此 內 部 會 裝 置 濾 網 或 是 造 成 壓 力差的板子，以便得到明顯的壓力差。 3. 管 路 B 是 將 不 同 的 壓 力 差 送 入 壓 力 感 測 器 ， 因 此 比 要 需 要 注 意 的 是長度問題，如果過長可能會造成響應變慢。 4. 壓 力 感 測 器 的 挑 選，依 據 氣 壓 式 流 速 計 所 送 出 來 的 壓 力 差 值 決 定。 5. 由 於 壓 力 感 測 器 的 輸 出 只 有 mV，為 了 有 明 顯 的 訊 號 輸 出，所 以 需 經過放大和濾波電路的處理。 6. 在 數 為 信 號 擷 取 部 分 ， 自 行 製 作 A/D 轉 換 器 ， 或 以 現 成 的 A/D 卡 來做轉換。 7. 電 腦 介 面 上 會 做 到 可 以 記 錄 或 儲 存 所 顯 示 波 形 ， 也 可 以 做 波 形 的 平均值或是積分等的功能，進而求取出有用的生理參數。. 1.3 論文架構 本論文於第一章說明研究之背景，並說明研究方法。第二章針對呼吸生理、. 2. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(14) （呼吸流量記錄器）. 功能、肺功能的相關參數做介紹，還有一些肺功能量測儀器，以及所採用哪種方 法來取得流量和容積的訊號。第三章首先對呼吸流量裝置的原理做介紹，如何造 成壓力差、孔口版的製作等，然後再對壓力感測器的構造、原理做說明，還有型 號的選取。第四章對系統的設計加以介紹，像是電路方面所需的放大器和濾波 器，還有對設計的電路做模擬，並說明電路板的製作。第五章則是對流速校正方 法與容積的計算驗證加以做說明，還有軟體的撰寫構想。第六章是對於所研製的 系統做運用層面及未來發展的說明，最後就是參考文獻與附錄。. 3. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(15) （呼吸流量記錄器）. 第二章 呼吸功能 2.1 呼吸生理系統 呼吸系統做主要是做氣體交換，主要藉由肺臟的運作來做交換氣體，肺臟只 是胸腔內柔軟、彈性的氣囊，完全沒肌肉，所以要靠著呼吸肌肉協助，當胸腔壓 力降低，使肺臟內的氣體壓力小於大氣壓，此時空氣自然被吸入肺臟，此動作就 稱為吸氣；反之就為呼氣。當氧氣分子進入粒腺體以產生三磷酸腺甘酸（adenosine triphosphate , ATP）作為身體能量來源。 呼吸系統根據生理作用的不同大略分成二個次構成要素：傳導氣道 (conducting airways)及呼吸單位(respiratory units)。傳導氣道包括鼻腔、口腔、 咽、喉、氣管及支氣管（圖 2-1A）。顧名思義，此構成要素的功用是傳送氣體 到呼吸單位。呼吸單位則包括細支氣管、肺泡間通道及肺泡（終端氣囊）（圖 2-1B）。肺泡是吸入氣體與血液行氣體交換的解剖位置。吸入氣體沿著傳導氣道 到達肺泡時，平均速度會因氣流可利用截面積的增加而大幅降低。例如在正常成 年人的氣管截面積大約是 2.0cm2 而在肺泡則達 700,000cm2。這面積的大幅改變 及接著產生的氣流速度改變深深影響呼吸系統中粒子及氣體的沈積。在氣管和肺 泡之間有無數管狀構造分支，氣體即經由這些構造輸送。在每一分支，氣流的截 面積變大了而平均氣流速度則降低了【4】。. 4. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(16) （呼吸流量記錄器）. 圖 2-1 呼吸系統生理構造【4】. 2.2 呼吸功能的基礎理論 肺功能的計算主要理論如圖 2-2 所示，我們可以根據開放呼吸道（Airway Opening, AWO）中的特性密度（σ）、及氣體流速（Flow rate, Q），在忽略微血 管的影響下以二區間理論的分析模型肺量計（Spirometer）端應與肺中（Lung, L） 的數值相等的假設，其細部模型如圖 2-3，可以由下列方程式表示（式 2-1~2-4） 【5】，其中 BTPS(body temperature and pressure saturated)表示體溫、壓力和蒸氣 壓處於體內狀態；ATPS(ambient temperature and pressure saturated)指環境狀態。. 圖 2-2 肺功能量測理論示意圖 5. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(17) （呼吸流量記錄器）. .. .. N AWO = ρ AWO Q AWO = ρ L VL ………………..……….……………………………（2-1） t . ρ AWO t Q dt = AWO ∫0 V L dt = VL (t ) − VL (t 0 ) = VL ………...…………………………（2-2） ρ L ∫0 . .. .. .. ρ L VL + U = − ρ S VS −U abs ………………………………..………………………（2-3）. VL = −. ρS (VS − drift ) = − ρ S ρL ρL. ' V S ………………………………………………（2-4） . 圖 2-3 開放呼吸道細部模型 根據理想氣體方程式，氣體體積、溫度和密度間的關係可由（式 2-5）表示：. P=. N ρRT ………………………………….……………………………………(2-5） V 針對在肺中恆溫與飽和水蒸汽壓的狀況，在以呼吸功能量測儀器測得的體積. VS' ，係根據以下的兩個理論： 1.. 查理定律（Charles’s Law）即定量氣體在定壓條件下，其體積與溫度成正比。. 2.. 水蒸氣壓縮（water vapor condenses）的原理。 由這兩個理論可知，所得測量值必須在對體溫（ TL ）與週遭溫度（ TS ）進. 行飽和蒸氣壓（saturated water vapor, Patm , PSH 2 O ）進行修正而修正式如（式 2-6） 。 6. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(18) （呼吸流量記錄器）. ( P − PSH 2 O )TL ' VL = − atm VS ………………………………………...……………（2-6） ( Patm − PSH 2 O )TS . 2-3 呼吸功能檢查的意義 由呼吸功能量測儀器所得的容積、流速和時間訊號，以「容積對時間」的方 式繪圖，稱為肺量圖（spirogram），若以「流速對容積」的方式繪圖，則稱為流 速容積圖（flow-volume curve）。此兩種圖形所量測的肺容積（lung volume），可 得到肺功能的相關參數，例如肺活量（vital capacity, VC） 、最大吸氣量（inspiratory capacity, IC） 、潮氣容積（tidal volume, VT）等，經由肺量圖或流速容積所量測的 檢查值，統稱為肺量計檢查，再經由醫療人員判斷，便可以觀測出是否有神經肌 肉不全的通氣障礙或是呼吸道阻塞等的疾病。 肺功能的量測都是在平靜呼氣基線進行，其組成共有八項，潮氣容積、吸氣 儲備容積、吐氣儲備容積與肺餘容積為不可分割的最小單位稱為肺容積；肺活 量、功能肺餘量、肺容量和最大吸氣量是由一個以上的肺容積組成稱為肺容量， 肺容量及其組成如圖 2-4 所示，各具有不同的臨床意義，而肺容積都有一定的標 準值如表 2-1，依據此標準值來對照便可以看出肺功能的健康與否，詳細說明如 下所述【3】。 （1） 潮氣容積（tidal volume, VT） ：每次吸氣流入肺的氣體量（或呼氣流出者） ， 會受到體內代謝率、運動與情緒變化等影響而增加或減小。 （2） 吸氣儲備容積（inspiratory reserve volume, IRV）：以最大力超過潮氣容積 部分吸氣吸入之氣體量，反映出肺、胸彈性與呼吸肌力。 （3） 呼吸儲備容積（expiratory reserve volume, ERV）：平靜吐氣後再以主動呼 氣作用排出之氣體容積，反映出肺、胸彈性與呼吸肌力。 （4） 最大吸氣量（inspiratory capacity, IC） ：在安靜呼氣之末，用力作最大吸氣. 7. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(19) （呼吸流量記錄器）. 所能吸入之氣量，包括潮氣容積及吸氣儲備容積，反映呼吸肌力與胸腹壁 的活動度。 （5） 肺活量（vital capacity, VC）：即用力做最大吸氣後再用力做最大呼氣所呼 出的最大氣量，包括吸氣儲備容積、潮氣容積、呼吸儲備容積，反映肺與 胸的彈性，因肺活量與性別、年齡等生理因素有相關性、判斷時應以實際 量測值佔預計值的百分比為標準，正常為 100±20%，肺活量明顯降低為侷 限性通氣功能障礙的特徵。 （6） 功能肺餘量（functional residual capacity, FRC） ：在安靜吸氣之末，肺內所 停留之氣量，包括肺餘容積與呼氣儲備容積。 （7） 肺餘容積（residual volume, RV） ：經最大呼吸努力後還留在肺內的氣體體 積，臨床常以肺餘容積佔肺總量的百分比（RV/TLC）作為判斷指標，正 常為 20%~30%，高於 35%為異常，常見於肺氣腫疾病。 （8） 肺容量（total lung capacity, TLC）：即用作最大吸氣後，肺內所儲留之氣 體，包括肺餘容積、吸氣儲備容積、潮氣容積、呼氣容積，肺氣腫患者因 為肺餘容積增加其肺總量也增加，肺纖維化與肺部切除患者則減少。. 圖 2-4 肺量圖 8. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(20) （呼吸流量記錄器）. 表 2-1 健康正常人的標準肺容積 肺容量. 一般正常值. 肺總量(TLC). 6000mL. 肺餘容積(RV). 1200mL. 肺活量(VC). 4800mL. 吸氣儲備容積(IRV). 3600mL. 呼氣儲備容積(ERV). 1200mL. 功能肺餘量(FRC). 2400mL. 解剖的無效腔(Anatomical VD ). 150 mL. 上呼吸道容積(Upper Airways Volume). 80 mL. 下呼吸道容積(Lower Airways Volume). 70 mL. 生理的無效腔(Physiological VD). 180 mL. .. 每分鐘呼吸量( VE )在休息時. 6000 mL/min. 呼吸週期(T)在休息時. 4sec. 潮氣容積(V T )在休息時. 400 mL. 肺泡通氣容積(V A )在休息時. 250 mL. 每分鐘呼吸量在劇烈運動時. 10000ml/min. 呼吸週期在劇烈運動時. 1.2sec. 潮氣容積在劇烈運動時. 2000mL. 肺泡通氣容積在劇烈運動時. 1820mL. 9. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(21) （呼吸流量記錄器）. 2-4 呼 吸 功 能 檢 查 的 基 本 原 理 而 肺 量 計 檢 查 是 利 用 肺 量 計（ spiro met er）測 量 通 氣 時 肺 的 容 積 和 流 速，一 般 肺 功 能 量 測 的 儀 器 可 歸 為 兩 大 類，一 個 是 直 接 量 測 容 積 變 化 ， 目 前 常 見 的 有 三 種 ： 水 封 式 （ Wat er Sealed ）、 風 鼓 式 （ Wedge bello ws） 以 及 活 塞 式 （ Ro lling Seal）； 另 一 種 為 直 接 量 測 呼 吸 流 量 裝 置 ， 大 致 可 以 分 為 四 種 ： 氣 壓 式 流 速 計 （ P neumot acho met er ）、 渦 輪 式 流 速 計 （ Turbine- Blande device ）、 超 音 波 流 速 計 （ Ult rasonic Flo w met er ） 以 及 熱 絲 式 流 速 計 （ Hot -wire）。 而 這 些 量 測 儀 器 基 本 上 都 必 須 能 量 測 容 積 （ vo lume）、 流 量 （ mass flow） 和 時 間 （ t ime） 等 三種訊號。 雖然一般的體積感測式之呼吸功能量測儀可以量測一些流量式所 無 法 偵 測 的 參 數 ， 如 肺 內 死 腔 （ dead space） 體 積 ， 但 是 這 種 儀 器 所 佔 的 空 間 較 大 且 製 作 不 易，所 以 採 用 流 量 感 測 儀 器 來 製 作，而 後 面 的 章節會對流量感測儀器的製作和原理做詳細的說明。. 10. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(22) （呼吸流量記錄器）. 第三章 氣體流量感測器 3.1 呼吸流量裝置 本專題採用流 量 感 測 儀 器 之 氣壓式流速計，也就是在特定的管路內，當有 氣流經過時會造成壓力差，而造成壓力差的方法大致為三種如圖 3-1，第一是將 中間放置板子，而中間有許多小孔，第二是中間的材質採用毛細管，第三是放置 孔口板造成壓力差，一般較常使用孔口板，因為製作方便並且造成的壓力差較明 顯，因此吾人採用第三種方法來造成壓力差。. 圖 3-1 管路造成壓力差的方法 管流中，通常以孔口板（Orifice）來限制流體流動，進而觀察其壓力，速度 與流量變化。圖 3-2 所示三種不同類型之孔口板，同心孔口板，偏心孔口板與弓 形孔口板。其中以同心孔口板運用最多。弓形孔口板和偏心孔口板僅用來量測帶 有固體的流體，此兩種孔口板的孔口與管道底部較接近，使用時須經特殊之校 正，因為標準流量係數只能用於標準同心孔口板【6】。. 11. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(23) （呼吸流量記錄器）. 圖 3-2 孔口板之種類【6】 同心孔口板以平直金屬板製成，中心有一圓孔，此孔圓心應置於管道中心線 上。孔口板材料為鋼，不銹鋼、鎳銅合金、磷青銅或任何可以抗流體腐蝕作用之 材料；孔口板厚度必須支持壓力差不使板面因受力而起皺。 一般市面上的孔口板如圖 3-3，依據不同的需求所採用的版面就會有大小的 差別，但外部的管路需要自行加裝，由於市面的材質多為鋼鐵，而且加裝外部管 路不易，因此吾人特製一個孔口板於管路內，並採用壓克力材質以避免鋼鐵對電 路造成磁場的影響如圖 3-4，而吾人稱此為壓克力孔口管。. 圖 3-3 各種大小的孔口板【7】. 12. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(24) （呼吸流量記錄器）. 圖 3-4 自製壓克力孔口管 而此孔口管的流量和差壓的關係如式 3-1 所示，而因為多種的係數計算較麻 煩，因此常簡化為式 3-2 只有係數 K，而計算上依據孔口管的特性找出適當的係 數，而此係數會在第四章做流速對電壓的曲線方程式，來找出適當的數值【8】。. Q = C 0YA0. 2 g c ∆P ……………………………….……..………………………（3-1） ρ. Q = K ∆P …………………………………….…………………………………（3-2） 其中 Q：流量（m 3 /sec） C 0 ：孔口流量係數(Orifice coefficient) Y：氣體膨脹因數 A0 ：孔口面積（m 2 ） ∆P ：孔口管造成的壓力差（m 2 ） g c ：重力加速度（9.8kgm/kg sec 2 ） ρ ：流體密度（kg/m 3 ） K：自訂係數 13. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(25) （呼吸流量記錄器）. 3.2 壓力量測的參考點 當經過壓克力孔口管後會造成不同的壓力輸出，一般壓力量測有兩個參考 點，一為絕對零點，另一為大氣壓力，而依據此兩個參考點，壓力測量有以下三 種標度【9】； （1） 錶壓力（Gauge pressure） ：以大氣壓力為標度之零點，用於表示高於大氣 壓之壓力，以 psig 或錶壓來表示。 （2） 真空度（Vacuum） ：以大氣壓力為標度之零點，用於表示低於大氣壓力之 壓力，以真空度來表示。 （3） 絕對壓力（Absolute Pressure） ：以絕對零點為標度之零點，以 psia 或絕對 壓力表示。 其中錶壓力主要用於表示正壓，真空度用來表示負壓，但對應於錶壓力或真 空度之壓力亦可以絕對壓力表示，而絕對壓力與錶壓力的關係為： 絕對壓力=錶壓力+大氣壓力 但大氣壓力常因為場所及時間的因素變動之下而有所差異，所以使用錶壓力 計是有困難獲得正確絕對壓力的，所以從壓力量測目的看理論上應該分別考量絕 對壓力和錶壓力之用途以選擇適用之儀器。 而一般的工業測量上使用錶壓力的場合相當多，但大多未特別標示的場合即 表示是錶壓力計，而錶壓力計於價格及保養上較具優勢，所以實用上若差異不大 時，可以選擇較有利的錶壓力計作量測。 另外還有一種是以量測兩個測定點間之壓力差為目的，但對於低壓端保持真 空狀態下作為參考點時即作為絕對壓力之量測，或低壓端開放於大氣壓下作為參 考點即作為錶壓力之量測，通常以 psid 來表示。而目前所使用的自製的孔口管， 14. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(26) （呼吸流量記錄器）. 當有氣流通過時會造成兩端有不同壓力的氣流輸出，因此吾人採用量測兩個測定 點間之壓力差來測得壓力差。. 3.3 壓力感測器原理與構造 當氣流通過孔口管造成不同壓力的氣流輸出後，透過一般的軟管接到壓力感 測器，此時就有電壓的信號輸出，而壓力感測器的原理是利用受壓元件之變形， 來改變元件的電阻值，而一般此受壓元件稱謂應變計，若能將此電阻值以電量方 式加以偵測，即可測試到壓力大小。應變計又分為金屬體和半導體兩種，而目前 因為半導體的價格較便宜，所以金屬體元件多半被半導體元件所取代【10】、 【11】，通常應變計之變形所引起的電阻變化，可以由(式 3-3)可知 ∆R ∆δ = Kε ={ 1 + 2ν + }ε …………………….…………………………………(3-3) R δ a項. b項. 其中 R：元件之電阻 ∆R ：因變形而引起的電阻變化量 K：應變靈敏度係數（gauge factor） ε：撓曲量（受力後物體改變的長度） ν：怕松(Poisson)比(橫向變形係數) δ：元件之電阻率(resistivity) ∆δ ：由變形所引起的電阻率變化 其中 a 項為電阻體之尺寸變化所產生，而 b 項為電阻率之變化所產生。金屬 體應變計只會引起 a 項之尺寸變化，K 最多大約為 2。而半導體應變計會因壓電 效應，電阻引起很大變化，K 將在 100~500 之範圍內。而壓電效應是指晶體受壓 變形，導致加於半導體之載子的漂移度發生變化，而產生電荷的現象。. 15. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(27) （呼吸流量記錄器）. 一般都會將應變計做成膜片（diaphragm）形狀，當膜片受壓力變形因而產 生撓曲。如同式(3-1)所示，受壓電效應而引起電阻變化，將產生比例於壓力之 電橋電壓，將此電壓加以放大即可得壓力。 壓力感測器的種類眾多，一般大致可分為接著型和擴散型兩種。前者接著型 是在金屬網框（diaframe）上直接攤放張力量規（strain-gauge） ，構造簡單且高精 確度的壓力感測器，但因張力規的裝配不容易，所以無法大量生產。後者擴散型 是用 IC 的製造技術延伸，故大量製造容易，成本也跟著降低，成為目前壓力感 測器的主流。而輸出的電壓比接著型大，但如果完全不配用放大器，則輸出電壓 仍然不夠實用，所以通常又加上一個 OP AMP 做高增益的放大。. 3.4 壓力感測器型號選擇 依目前研究的需求，由於呼氣經過孔口管所測得的壓力差範圍很小，大約在 6 Psid 以內，而採用的品牌為 SenSym 的差壓式感測器型號為 SCX05DN 如圖 3-5。. 圖 3-5 差壓式感測器與等效電路和接腳圖 其量測範圍符合要求，因此採用此差壓式感測器，而 SCX 系列的壓力感測 器能輸出一大小幅度與所施加之壓力成正比的輸出電壓。此元件的壓力入口端 PB（如圖 3-6）施加以遞增之壓力時，會輸出一正值而呈比例遞增的輸出電壓。 若變更壓力輸入端，則輸出電壓將隨著壓力的減少而增加。而輸出信號與電源電 16. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(28) （呼吸流量記錄器）. 壓呈一定比例關係，輸入電壓之任何變化均將造成零點電壓（Offset Voltage）及 全跨距（Full-Scale Span）的一定比例變化。由於 SCX 系列產品之 Offset 及 Span 的輸出皆有校正過，故在大部分的應用場合，使用者幾乎不需另行校正。. SCX元件能與大部份非腐蝕性氣體共容，至於電路上因塗有一層具有保護作 用之矽膠，所以感應器本體能與大多數之具有腐蝕性的環境共容。由圖的結構可 以看出，經由B端口測量之氣體，一般而言，必須能與矽膠、塑膠、鋁、RTV、 矽及玻璃共容。外殼之所以採用尼龍製品，主要著眼點為了利於壓力之接續，及 PC 板安裝上的便利性。而外部有兩個導管，就差壓之應用情況而言，為取得適 當之輸出訊號的極性，PB端口應作為高壓端使用，而PA端口則應作為低壓端使 用。. 圖 3-6 SCX系列的差壓式感測器. 17. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(29) （呼吸流量記錄器）. 第四章 系統設計與研製 當經過壓克力孔口管後造成壓力差，並透過軟管傳送到差壓感測器，再經過 儀表放大器將訊號放大並做低通濾波。由於一般人在呼吸時頻率並不高，即使呼 吸急促時，頻率也差不多為 2Hz，保守估計我們呼吸最快在 5Hz 內，因此以儀表 放大器作訊號的放大後再經過 4 階的 Butterworth 來做低通濾波，並把截止頻率 設定在 5Hz。. 4.1 放大器的選用 由於差壓感測器所輸出的訊號為 10mV 左右，因此需要放大 100 倍左右比較 合適，所以採取目前市面上現成的 AD620 儀表放大器作為放大【12】 。儀表放大 電路是由三個放大器所共同組成如圖 4-1，其中的電阻 R 與 Rx 需在放大器的電阻 適用範圍內(1kΩ~10kΩ)。藉由固定的電阻 R，我們可以調整 Rx 來調整放大的增 益值，其關係式如（式 4-1）所示， 2R V 0 = 1 + Rx . (V 1 − V 2 ) . ………………………...…………………………（4-1）. 圖 4-1 儀表放大電路示意圖. 18. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(30) （呼吸流量記錄器）. 一般而言，上述儀表放大器都有包裝好的成品可以買到，我們只需外接一個 電阻（即(式 4-1)中之 Rx），依照其特有的關係式去調整至所需的放大倍率即可。 以下即介紹 AD620 儀表放大器的使用方法。 圖 4-2 所示為 AD620 儀表放大器的腳位圖。其中 1、8 接腳要跨接一個電阻 來調整放大倍率（作用同(式 4-1)中之 Rx） ，4、7 接腳需提供正負相等的工作電壓， 由 2、3 接腳輸入的放大的電壓即可從接腳 6 輸出放大後的電壓值。接腳 5 則是 參考基準，如果接地則接腳 6 的輸出即為與地之間的相對電壓。AD620 的放大 增益關係式如(式 4-2、式 4-3)所示，藉由此二式我們即可推算出各種增益所要使 用的電阻值 R G 。. 圖 4-2 AD620 腳位示意圖. G=. 49.4kΩ +1 RG ………………………………………………………………………………..……………………（4-2）. RG =. 49.4kΩ G −1. ………………………………………………………………………………………….……………（4-3）. AD620 的基本特點為精確度高、使用簡易、低雜訊，應用十分廣泛，表 4-1 為 AD620 的規格特性總覽。. 19. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(31) （呼吸流量記錄器）. 表 4-1 AD620 規格特性說明表【12】. 項目. 規格特性. 備註 只需一個電阻即可設. 增益範圍. 1~1000 定. 電源供應範圍. ± 2.3V ~ ±18V. 低耗電量. max supply current =1.3mA. 可用電池驅動，方便應 用於可攜式器材中 40 ppm maximum nonlinearity; low offset 精確度高. voltage of 50μV max.; offset drift of 0.6μ V/℃ max.. 低雜訊. Low input voltage noise of 9nV/. Hz at. 1kHz. ECG 量測與醫療器材、壓力量測、V/I 轉 應用場合 換、資料擷取系統…等。. 4.2 濾波器之設計與製作 濾波器一般分為主動和被動，被動是指使用電容器、電阻器或電感器，而主 動濾波器是指含有放大器和被動元件。而吾人選用主動濾波器是因為它的截止頻 率點容易調整，也可以提供電壓增益，同時具有高輸入阻抗和低的輸出阻抗特性。 主動濾波器又分為六大類如表 4-2 所示，從表可以比較出各種濾波器優缺 點，而目前就呼吸的頻率而言，只需要把截止頻率設在 5Hz 內通過即可，在 5Hz 以上的頻率盡量去除，因此選擇巴特威士來做低通濾波，使得在 5Hz 內的頻率有 最大平坦振幅響應，而為了使得 5Hz 以上的頻率可以衰減的很快，此時的階數越 高則在截止頻率衰減的越快，如果階數越高越趨近於理想的濾波器特性，但也會 20. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(32) （呼吸流量記錄器）. 造成明顯的延遲失真，因此採取 4 階層並且電路較不會複雜。 表 4-2 濾波器形式比較【13】 濾波器形式名稱. 顯著特性. 附記. 1.巴特威士. 最大的平坦振幅響應. 廣為採用的一般目的濾 波器. 2.柴比雪夫. 3.反柴比雪夫. 4.完全反柴比雪夫. 通過頻帶有相等振幅連. 接近截止時衰減斜率較. 波. 巴特威士陡峭. 阻滯頻帶有相等振幅連. 無通過頻帶連波：阻滯頻. 波. 帶有傳輸零點. 通過頻帶和阻滯頻帶皆. 阻滯頻帶有傳輸零點. 有相等振幅連波 5.勒讓德爾. 無通過頻帶連波，但較巴 無最大的平坦振幅響應 特威士有較陡峭衰減斜 率. 6.貝索. 通過區域有近似線性的. 適合於脈衝電路，因為波. 相位特性曲線，會使最大 環和尖突以經最小化：最. 巴特威士. 平坦區造成延遲. 差的衰減斜率. 柴比雪夫. 反柴比雪夫. 21. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(33) （呼吸流量記錄器）. 完全柴比雪夫. 勒讓德爾. 貝索. 圖 4-3 各種主動濾波器的頻率響應比較圖（增益對頻率）【13】. 4.3 電阻電容值的選取與模擬 4 階的巴特威士如圖 4-4 所示，可以推導出輸出比輸入的方程式如(式 4-4） ， 而巴特威士的特徵方程式在不同的階下的特性函數如表 4-3。 VO (S ) = VI (S ). 1. C ( R + R2 )S 1 S + 1 1 + R1 R2 C1C 2 R1 R2 C1C 2 2. ×. 1. C (R + R4 )S 1 S + 3 3 + R3 R4 C 3 C 4 R3 R4 C 3 C 4. …..（4-4）. 2. 圖 4-4 4 階的巴特威士. 22. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(34) （呼吸流量記錄器）. 表 4-3 巴特威士濾波器特性函數【14】 階數. 特徵方程式（標準化）. 1. (S + 1). 2. (S. 3. (S + 1) (S 2 + S + 1). 4. (S. 5. (S + 1) (S 2 + 0.6180 S + 1)(S 2 + 1.6180 S + 1). 6. (S. 2. 2. 2. ). + 2S + 1. )(. ). + 0.76536S + 1 S 2 + 1.8477S + 1. )(. )(. ). + 0.5176 S + 1 S 2 + 2 S + 1 S 2 + 1.9318S + 1. 因此依據表 4-3 可以算出設計時，電阻和電容的值，首先先設定全部的電阻 為 10K 可以推算出 C1 到 C 4 的值分別為 2.9μF、3.45μF、1.219μF 和 8.32μF，由於 市面上電容值的範圍較少而電阻值較廣泛，因此在重新設計 C1 到 C 4 的值，設定 的值依目前市面現有的電容值去決定，所以可以得到 C1 到 C 4 的近似值分別為 2.2μF、3.3μF、1μF 和 10μF，此時再推算回去電阻的值可以得到 R1 到 R4 的近似 值分別為 7K、20K、5K 和 20K。 以目前現有 PSpice 模擬電路軟體來進行模擬，將上述所算出的值帶入，可 以得到其頻率響應圖如圖 4-5，而模擬時的電路圖如圖 4-6，可以明顯看出在頻率 5Hz 以後的頻率都衰減的很快，因此可以驗證電阻和電容所算出來的數據是可行 的。. 23. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(35) （呼吸流量記錄器）. 圖 4-5 模擬 4 階低通巴特威士並且頻率截止在 5Hz. 圖 4-6 模擬軟體的電路. 4-4 硬體電路製作 以目前常用來畫電路板的軟體 Protel 99 SE 來繪製電路圖，首先把所要的電 路圖畫好後(大致如圖 4-6)，在應用此軟體將此電路圖轉成雕刻檔案圖（圖 4-7） ，. 24. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(36) （呼吸流量記錄器）. 再將此檔案在雕刻機（圖 4-8）開起，經過一些設定後即可雕刻完畢，而線路完 成後再將零件接上後即可完成硬體部分。 而在電源供應方面，由於先前以電池供應電源，即使不同廠牌電池所供應的 電壓一樣，但電流仍有差距，所以會造成 OP 的飽和電壓不同。因此改用電源供 應器可供應 ± 12 V，而電源供應器和硬體電路加裝機殼完成圖如 4-9。. 圖 4-7 雕刻檔案. 圖 4-8 雕刻機. 圖 4-9 實際硬體電路. 25. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(37) （呼吸流量記錄器）. 第五章 系統校正 5.1 校正設備 當硬體電路都完成後，需要經過 A/D 卡轉換到電腦做分析，而完整的系統 示意圖如圖 5-1，當受測者呼吸氣時，便可以藉由電腦分析出有用的生理參數， 但首先要先驗證此系統的準確度和誤差，因此需要做校正的動作來確定此系統所 測得的流速和容積是否精確。所採用的 A/D 轉換是以 National instruments(NI)的 DAQPad-6015(圖 5-2)來做轉換，它的特色是採用 USB 介面並且具有 16 個類比 輸入、2 個類比輸出、8 個數位 I/O，並支援 LabVIEW 軟體。. 圖 5-1 系統示意圖. 圖 5-2 A/D 卡 所採用的校正系統為目前該系上醫工實驗室擁有的呼吸機 Puritan-Bennett 7200（圖 5-3）、空氣壓縮機與氣瓶（圖 5-4）與人工測試肺（圖 5-5），來做系統 26. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(38) （呼吸流量記錄器）. 校正。空氣壓縮機的作用是將壓力打入氣瓶後，再將氣體送至 PB 7200 內，此時 透過管路接往人工測試肺，而人工測試肺基本上只是個雙風箱的被動系統，不需 外接任何電源即可動作，因此當 PB 7200 將氣體送入時，相對的人工測試肺會將 一樣的氣體送回，而 PB 7200 送氣端和收氣端的管路是不同的，為了避免人工肺 送回氣體的流速和容積會有差距，所以將吾人的孔口管只接到 PB 7200 的送氣 端，不測量人工肺所得到的訊號。而 PB 7200 是以機械通氣的目的來提供病人生 理所需的適當通氣量，可以調整不同的流速和流量或是呼吸頻率等的參數，而實 際參數設定範圍如表 5-1【15】。. 圖 5-3 呼吸機 PB 7200. 圖 5-4 空氣壓縮機與氣瓶. 圖 5-5 人工測試肺. 27. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(39) （呼吸流量記錄器）. 表 5-1. Puritan-Bennett 7200 呼吸機功能設定範圍 項目. 範圍. 潮氣容積. 0.1~2.5 Liters. 呼吸次數. 0.5~70 BPM. 最高流量. 10~120 LPM. 靈敏度. 0.5~20 CM- H 2 O. 氧氣濃度. 21~100%. 吸氣停滯. 0~2 sec. 最高壓力限制. 10~120 CM- H 2 O. 低吸氣壓力. 3~99 CM- H 2 O. 最低吐氣末端正壓/持續氣道正壓. 0~45 CM- H 2 O. 最低吐氣容積. 0~2.5 Liters. 一分鐘最低吐氣容積. 0~60 LPM. 最高呼吸次數. 0~70 BPM H 2 O. 吐氣末端正壓/持續氣道正壓. 0~45 CM- H 2 O. 5.2 流速校正 透過 A/D 卡後將訊號擷取到電腦上做分析，分析軟體採用 LabVIEW7.1 來做 訊號分析，首先要對流速作校正，因此先用 PB 7200 分別產生不同流速並且容積 要固定，而輸入不同的流速後產生不同的電壓，此時用軟體來建立流速對電壓的 圖表，當受測者呼氣或吸氣時所產生的電壓大小，可以依據這張表來將電壓轉換 成流速的大小。 首先以 PB 7200 產生不同的流速，由最低的 10LPM 到 100LPM，由於我們平 時吸吐氣的氣流並不高，所以不用到 120LPM，而每增加 5LPM 測量上升的電壓 28. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(40) （呼吸流量記錄器）. 值，而為了測量某流速所得到的定電壓，因此輸出波形採用方波，而容積的大小 只會影響產生方波的週期，容積越大則方波的週期越長，並不會影響信號的大小。 為了確認每次定流速所得的電壓大小差距都不會太大，因此每次在不同的流 速下做了十次的測量，另外也為了測試孔口管的對稱性，將孔口管一樣接到 7200 送氣端但要反向，而另一端所得到的電壓大小會一樣並且會差一個負號。而實驗 的數據可參考附錄 D，最後求出平均值和標準差如表 5-2，其中吐氣代表由 7200 送氣出去；吸氣則是由人工肺所回流的氣體，但先前提到為了避免人工肺的回流 氣體有誤差，吾人仍採取 7200 的送氣端，但要將孔口管的兩端互換，此時的訊 號視為吸氣。 表 5-2 吐 氣 和 吸 氣 的 平 均 值 和 標 準 差 流速. 吐氣之. 吐氣之. 吸氣之. 吸氣之. LPM. 平 均 值 (V). 標 準 差 (V). 平 均 值 (V). 標 準 差 (V). 10. 0.0618. 0.000919. -0.0741. 0.000568. 15. 0.1391. 0.002025. -0.1477. 0.000949. 20. 0.2697. 0.001889. -0.2759. 0.001663. 25. 0.4310. 0.001155. -0.4282. 0.002486. 30. 0.5412. 0.004367. -0.5581. 0.003281. 35. 0.8412. 0.004940. -0.6629. 0.009279. 40. 1.0109. 0.005280. -0.8707. 0.008097. 45. 1.2702. 0.003736. -1.2362. 0.002616. 50. 1.5248. 0.005922. -1.4909. 0.009146. 55. 1.7038. 0.010497. -1.6764. 0.010189. 60. 1.9034. 0.007589. -1.9583. 0.007861. 65. 2.2613. 0.010531. -2.2141. 0.011050. 29. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(41) （呼吸流量記錄器）. 70. 2.6373. 0.016473. -2.5537. 0.006816. 75. 2.9401. 0.028996. -2.7683. 0.009274. 80. 3.3993. 0.018992. -3.197. 0.011245. 85. 3.7829. 0.013568. -3.5477. 0.023080. 90. 4.2698. 0.029877. -4.0442. 0.021994. 95. 4.6939. 0.019186. -4.5477. 0.024148. 100. 5.1508. 0.021514. -4.9693. 0.016627. 由表 5-2 可 以 觀 察 出 每 次 的 測 量 都 不 會 有 很 大 的 變 動 ， 因 此 這 些 數 據 的 可 信 度 很 高，在 後 面 會 由 LabVIEW 的程式撰寫（圖 5-6）來 找 出 最 符合的曲線方程式還有方均根誤差值最小時的方程式階數。. 圖 5-6 曲線方程式介面 另外再做出不同流速對吸氣和吐氣信號大小的平均值之對應 圖，為 觀 察 方 便 所 以 將 吐 氣 的 訊 號 轉 取 絕 對 值 看，而 關 係 圖 如 圖 5-7。. 30. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(42) （呼吸流量記錄器）. 6. 吐氣 吸氣. 5. Volt. 4 3 2 1 0 0. 10. 20. 30. 40. 50 LPM. 60. 70. 80. 90. 100. 圖 5-7 吸 氣 和 吐 氣 訊 號 對 流 速 之 曲 線 圖 由圖 5-7 可以觀察出吐氣和吸氣的訊號大小在同一流速下仍有差距，而此 差距最有可能是來自孔口管的設計，中間的孔口板可能不夠對稱，因此在做流速 對電壓的方程式上會需要兩組分別適用於孔口管兩端。而經過程 式 的 計 算 ， 在 每 次 方 程 式 的 階 數 增 加 ， 方 均 根 誤 差 也 有 所 改 變 如 表 5-3。 表 5-3 方 程 式 階 數 與 方 均 根 誤 差 關 係 表 吐氣. 第一、三列：階數 第二、四列方均根誤差. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 6.0198. 2.70398. 1.96428. 1.78374. 1.5347. 1.20319. 0.92816. 0.82035. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 0.79661. 0.73453. 0.63217. 0.48725. 0.48339. 0.52503. 0.57505. 0.62272. 吸氣. 第一、三列：階數 第二、四列方均根誤差. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 6.05089. 2.86368. 2.20704. 1.73655. 1.15234. 0.98914. 0.94881. 0.93656. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 0.89737. 0.72192. 0.50305. 0.31914. 0.24928. 0.24808. 0.26381. 0.35322. 31. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(43) （呼吸流量記錄器）. 由 表 5-3 可 知 方 程 式 均 在 階 數 為 10 以 上 的 方 均 根 誤 較 小，但 卻 沒 有 明 顯 小 很 多，因 此 不 用 取 到 太 高 的 階 數，而 階 數 越 高 所 取 的 小 數 點 位 數 要 越 多，才 會 更 精 確 因 此 較 麻 煩。因 此 選 取 吸 氣 和 吐 氣 的 階 數 為 9， 再 由 程 式 可 得 到 吐 氣 （ 式 5-1） 和 吸 氣 （ 式 5-2） 的 方 程 式 如 下 ：. y = +1.3995E+0 + 122.8962E+0*x - 257.6763E+0*x^2 + 336.4143E+0*x^3 250.5200E+0*x^4 + 112.8912E+0*x^5 - 31.4637E+0*x^6 + 5.3065E+0*x^7 496.2809E-3*x^8 + 19.7503E-3*x^9.....................................................................（5-1）. y = -1.2873E+0 + 109.4126E+0*x + 198.4727E+0*x^2 + 269.7848E+0*x^3 + 229.6623E+0*x^4 + 122.0732E+0*x^5 + 40.1202E+0*x^6 + 7.8812E+0*x^7 + 845.6357E-3*x^8 + 38.0630E-3*x^9.....................................................................（5-2） 而 X 為電壓、Y 為流速，因此當受測者呼氣或吹氣時所得到的電壓訊號， 便可以經過此方程式的運算後，得到當時的流速為多少，而此方程式來找出的吸 氣 和 吐 氣 之 電 壓 平 均 值 對 流 速 的 曲 線 圖 如 圖 5-8、 5-9。. 圖 5-8 吐 氣 之 電 壓 對 流 速 的 曲 線 方 程 式. 32. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(44) （呼吸流量記錄器）. 圖 5-9 吸 氣 之 電 壓 對 流 速 的 曲 線 方 程 式 另外也可以將吸氣和吐氣的訊號合併在一起，也是取平均值來對流速來做曲 線圖（圖 5-10） ，再用程式找出一個方程式即可，但發現在階數 15 以上的方均根 誤差仍然很大，由於階數大很多而且方均根誤差也較大，因此仍然使用兩個程式 來由電壓訊號轉換為流速。. 6 4 Volt. 2 0 -2 -4 -6 -100. -80. -60. -40. -20. 0. 20. 40. 60. 80. 100. LPM. 圖 5-10 吸氣和吐氣對應流速的曲線圖. 5.3 容積計算與驗證 由於流速是指單位時間所通過的容積，因此當我們由電壓訊號大小得到流速 大小後，再乘上時間便是該時間的容積，而介面是屬於即時顯示的，所以還要將 每一次時間點的容積作累加，而先前所得的流速都是取絕對值，因此作累加時會 33. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(45) （呼吸流量記錄器）. 不停的往上做累加，不容易觀測出容積的大小，所以我們將吐氣的所得的流速轉 為原來的負值。 在容積的驗證上，仍然以 PB7200 來做驗證，首先輸出採用方波並且將容積 由最小的 0.5Liter 調整到最大的 2Liter，而流速大小並不會影響容積大小，吾人 採用流速分別為 20、50、80LPM 來測量驗證，實驗數據仍然採取十次再做平均， 標準差、平均值相對誤差如表 5-4、5-5，實際數據可參考附錄 D。 表 5-4 十 次 量 測 肺 容 積 之 平 均 值 與 標 準 差 20LPM 實際供應. 平均值. 50LPM. 標準差. 平均值. 80LPM. 標準差. 平均值. 標準差. 0.5L. 0.53186. 0.0011. 0.5017. 0.000834. 0.49782. 0.000676. 0.9L. 0.97706. 0.001037. 0.92202. 0.001682. 0.90538. 0.000861. 1.3L. 1.41006. 0.00163. 1.3424. 0.001998. 1.3135. 0.002055. 1.7L. 1.8331. 0.005709. 1.7685. 0.006689. 1.72224. 0.001715. 2.1L. 2.23422. 0.030911. 2.18622. 0.001677. 2.11758. 0.002856. 2.5L. 2.67482. 0.00321. 2.58656. 0.006401. 2.52772. 0.005446. 表 5-5 肺 容 積 之 平 均 值 與 相 對 誤 差 20LPM 實際供應. 平均值. 相對誤差. 50LPM 平均值. 80LPM. 相對誤差. 平均值. 相對誤差. 0.5L. 0.53186. 6.372%. 0.5017. 0.34%. 0.49782. 0.436%. 0.9L. 0.97706. 8.562%. 0.92202. 2.447%. 0.90538. 0.597%. 1.3L. 1.41006. 8.466%. 1.3424. 3.262%. 1.3135. 1.039%. 1.7L. 1.8331. 7.829%. 1.7685. 4.03%. 1.72224. 1.308%. 2.1L. 2.23422. 6.391%. 2.18622. 4.106%. 2.11758. 0.837%. 34. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(46) （呼吸流量記錄器）. 2.5L. 2.67482. 6.99%. 2.58656. 3.462%. 2.52772. 1.108%. 由表 5-5 可以觀測出流速慢的誤差較大，而流速快的誤差較小，可能的原因 為流速慢時，流過孔口管所造成的壓力差不大，所以流速為 50LPM 以下的曲線 線性度不夠，而流速為 50LPM 仍有不小的誤差，可能是方程式的影響。另外由 圖 5-7 其實可以觀測出在流速高於 50LPM 的曲線比較趨近於線性，所以就吸氣 或吐氣的方程式而言，或許需要兩段方程式來做曲線的符合，吾人取流速由 0 到 50LPM 和 55 到 100LPM 兩段方程式做為曲線的符合。並另外再作一次驗證如表 5-6。 表 5-6 肺 容 積 之 平 均 值 與 相 對 誤 差 (經 方 程 式 改 善 後 ). 20LPM 實際供應. 平均值. 相對誤差. 50LPM 平均值. 80LPM. 相對誤差. 平均值. 相對誤差. 0.5L. 0.50184. 0.368%. 0.4989. 0.22%. 0.49214. 1.572%. 0.9L. 0.91504. 1.671%. 0.91912. 2.124%. 0.90068. 0.076%. 1.3L. 1.33014. 2.318%. 1.34002. 3.078%. 1.3081. 0.623%. 1.7L. 1.73888. 2.287%. 1.75672. 3.336%. 1.71196. 0.704%. 2.1L. 2.14194. 1.997%. 2.16544. 3.116%. 2.10972. 0.463%. 2.5L. 2.54116. 1.646%. 2.56458. 2.583%. 2.51912. 0.765%. 由知道表 5-6 得知所造成的誤差確實是來自於方程式的問題，不論在高流速 或低流速的相對誤差都改善許多，因此可以依據未來的需求來設計方程式的分段 次數，進而減少相對誤差的百分比。. 5.4 軟體設計與開發 LabVIEW 是一個很容易上手的圖控程式，在此節將介紹軟體的撰寫，其流 35. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(47) （呼吸流量記錄器）. 程圖如 5-11 而程式部分如圖 5-12、5-13，並從圖 5-13 開始說明，為方便了解以 下分為十個部分做詳細的說明：. 方程式計算. 設定量測時間. 資料讀取. 流速. 和時間相乘並 做累加轉. 經格式轉 換成數據. 容積 是否為呼 吸訊號 是否到達 量測時間. 結束. 圖 5-11 程式設計流程圖 A：最外圍的框架是一個 Sequence 結構，可依照結構的順序去做流程的控制。目 前所使用到的流程主要有兩部分，第一部份是每次開始測量時，都可將時間從零 秒開始(圖 5-12)量測，避免銜接上一次量測時間，第二部份才開始作資料的分析 (圖 5-13)。. B：第二個框架是一個 While Loop，是讓迴圈裡的程式，以連續且循環的方式進 行。而在此框架的左下角有個 i 的圖案，是用來顯示迴圈執行的次數。而此迴圈 停止的條件會在 J 做說明。 C：用來讀取 A/D 卡的資料並轉換成陣列式的資料，並設定 A/D 介面的取樣頻率 1000 Hz 和迴圈內每秒讀取 10 筆資料，所以每秒會有 100 筆資料。 36. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(48) （呼吸流量記錄器）. D：讀取第零列的陣列資料，所以會將陣列的資料變成一個一個的數字輸出做分 析。 E：用來判斷是否為雜訊，此系統的雜訊差不多會有 ± 0.01V 左右的跳動，因此 保守估計將範圍設到 0.025V，如果設計的太小，每當雜訊超過設定值會被帶入 方程式計算成流速，也會進階的做轉換成容積的累加，因此會造成在未量測時就 有容積出現。 F：將電壓值的大小經方程式轉換成流速，如果訊號大於 0.025V 是吐氣的訊號， 此時小於-0.025V 為吸氣的訊號輸出為零，也代表只有吐氣的訊號，所以訊號小 於-0.025V 則反之，而內部還有做一次是否小於 1.7V，就是 5.3 節最後提到的將 流速方程式分段。. G：圖示為流速(LPM)指的是轉換成圖表在人機介面做顯示，可以知道呼氣時的 流速為何，正的流速為吐氣；負的則反之。另外取絕對值轉換成流速表以便觀察， 也會在人機介面做顯示，最後除以 60 便是當時的容積。. H：流速經過時間的轉換後便為容積，再做累加便可以即時的顯示出當時的容 積，而旁邊的三角形是一個移位暫存器，是屬於 While Loop 的附加功能，可將 數據暫存於此並可將上一次的數據由左邊的到三角形輸出，左邊的零是指每次重 新做測量時會歸零。另外下方有乘上-1 只是做訊號的反向，觀測有時會希望在吐 氣時，會有向上或向下累加的容積訊號。. I：可用來記錄容積或流速的資料，並自行選擇記錄地方，由目前圖的牽線來看， 只是記錄輸入的資料。. J：主要執行程式是在迴圈內，而迴圈外為正常的時間，因此迴圈內外的時間差 為測量的時間，因此將此條件接線到 While Loop 的停止條件，再經過判斷後，. 37. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(49) （呼吸流量記錄器）. 到達量測時間後程式便會停止。. 圖 5-12 Sequence 結構之流程一. 圖 5-13 Sequence 結構之流程二 將程式撰寫完畢後，再將人機介面規劃並加以設計，最後便可以得到如圖 5-14 的量測介面。 38. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(50) （呼吸流量記錄器）. 圖 5-14 量測介面 透過此量測界面設定好量測時間後，程式便可以開始執行，訊號經過方程式 換算成流速，在此介面可以表現出流速表或是流速的波形，再轉換成容積並做累 加便可以在最下方觀察出容積值，在程式部分就可以選取記錄流速或容積的資 料。. 39. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(51) （呼吸流量記錄器）. 第六章 系統的應用及未來發展 6.1 目前系統的測量應用 目前此系統可以測量出我們呼吸時的流速和流量，在醫療診斷上最常以容積 對時間做圖來觀察肺功能，如 2-3 節所述的呼吸功能檢查意義，因此目前系統可 以做到長時間偵測受測者的容積及流速，並做即時的顯示功能，而容積的誤差大 小是取決於流速對電壓的線性度，因此在使用上欲得較小的誤差，可以在曲線方 程式多做分段來換算流速如 5.3 節所提的，使其流速更精確進而使得容積誤差更 小。 但目前系統在測量最大用力吐氣或吸氣量時，由於孔口管的內部造成壓力差 的孔口板內徑不夠大，因此在用力吹氣時流速已超過呼吸機 PB7200 所能校正的 範圍(0~120LPM)也很容易達到飽和電壓。但如果孔口板內徑夠大便不易飽和， 但在做平時呼吸的偵測上可能造成的壓力差不夠，使得電壓對流速的線性度不 夠，進而造成容積計算的誤差大。因此目前的系統還不能做最大吐氣和吸氣的測 量，在未來發展會談到如何做改善。. 6.2 未來發展 如上所述，希望能偵測一般呼吸或最大用力吐氣或吸氣量的參數，此時孔口 板的內徑大小便是關鍵，為了測量一般的呼吸需要內徑較小，可以造成明顯的壓 力差，另外為了量測最大用力吐氣或吸氣量需要內徑較大，以防止造成的流速過 高，使得呼吸機 PB7200 沒辦法達到校正的範圍。基於此因素吾人想到將孔口管 內的孔口板改為可替換式的，因此在測量一般呼吸或是用力的呼吸狀態下，都可 以符合需求，當然換不同的孔口板都需要再重新校正電壓對流速的曲線表，所以 在未來這樣的系統是可行的。 40. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(52) （呼吸流量記錄器）. 另外呼吸參數除了流速流量外，其中呼吸的氧氣和二氧化碳含量也是重要的 數據，目前市面上常用來測量此參數的方法多以光學的方式進行，當光線打入氣 體，另一端接收反射訊號，來比較入射光和反射光的強度衰減多少，便可以測得 氧氣或二氧化碳含量，如果可以買到現成的感測器便可以加裝於此系統，可以將 感測器加裝於孔口管的兩端，呼吸經由孔口管造成壓力差並且可測量氧氣和二氧 化碳含量，可以節省空間並且方便使用。. 41. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(53) （呼吸流量記錄器）. 參考文獻 [1] 林 孟 志 ， 長 期 咳 嗽 呼 吸 困 難 別 忽 略 慢 性 阻 塞 性 肺 疾 ， 網 址 ： http://www.astrazeneca.com.tw/。 [2] 鄭國柱、陳毅達、許仲生，慢性阻塞性肺疾，仁愛醫，18，5，網址： http://www.jah.org.tw。 [3] 彭俞禎、王正一主編，呼吸輔助裝置作業技術規範，教育部，1993。 [4] IOSH 勞工安全衛生研究所，生理回顧為了使讀者認識人體不同部位對危害， 網址：http://www.iosh.gov.tw/netbook/occdea/occdea32.htm。 [5] John G. Webster，.Medical instrumentation: application and design. New York : John Wiley & Sons，1995。 [6] 日 本 電 器 計 測 器 工 業 會 編 ， 差 壓 傳 送 器 的 正 確 使 用 方 法 ， 中 國 生 產 力 中 心 ， 1992。 [7] Orifice，MAT TECH，網 址：ht t p://www.matt ech.cz/cz/cent r_clo ny. ht m。 [8] 吳 瀧 川、陳 慶 鐘、涂 漢 欽 ，工 業 儀 錶 ，正 文 書 局 有 限 公 司 ，1980 。 [9] 壓 力 、 差 壓 量 測 運 用 ， 中 美 科 學 股 份 有 限 公 司 ， 網 址 ： ht t p://www.zimmer man.co m.t w/ news_main04. ht ml#t op。 [10] 蘇 奕 肇 ， 感 測 器 應 用 電 路 精 選 ， 全 華 科 技 圖 書 公 司 ， 1993 。 [11] 孫 清 華 ， 感 測 器 應 用 電 路 的 設 計 與 製 作 ， 全 華 科 技 圖 書 公 司 ， 1992。 [12] 黃 凱 ，元智大學之最佳化設計實驗之 AD620 儀表放大器使用說明，網址： http://designer.mech.yzu.edu.tw，2002。 [13] Humphr ies S heet s （ 陳 世 寬 、 楊 尚 霖 、 鍾 秋 嬌 譯 ）， 工 業 電 子 學 （ Ind ust r ial E lect ronics）， 全 威 圖 書 有 限 公 司 ， 2004。 [14] 何 中 庸 ， 濾 波 器 分 析 與 設 計 ， 全 華 科 技 圖 書 公 司 ， 1999。 [15] 丁 崑 祥，PB7200 呼 吸 器 之 最 佳 化 正 弦 波 送 氣 氣 流 參 數 設 定 研 究 ，. 42. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(54) （呼吸流量記錄器）. 碩 士 論 文 ， 私 立 逢 甲 大 學 ， 台 中 市 ， 2005。. 43. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(55) （呼吸流量記錄器）. 附錄 A. SenSym 差 壓 感 測 器 之 規 格 表. 標準壓力糧測範圍：. 最大額定值：（適用所有型號） 供應電壓 Vs +20Vdc 共模壓力 50psid 焊接耐溫（2-4 秒） 250℃. 環境條件：（適用所有型號） 補償溫度範圍 0~70℃ 操作溫度範圍 -40℃~+85℃ 儲存溫度範圍 -55℃~+125℃ 濕度範圍 0~100%RH. 規格表：. 44. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(56) （呼吸流量記錄器）. 典型工作曲線圖. 外觀尺寸圖. 45. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
(57) （呼吸流量記錄器）. 附 錄 B 壓力感測器之相關用語 （1） 額定壓力範圍：指能滿足所有規格之壓力範圍。 （2） 過大壓力範圍：指能滿足直線性及磁滯性以外的規格，可以經常施加之最 大壓力。而就半導體壓力感測器而言，為了直線性和溫度特性之關係，故意將壓 力定在較狹窄的範圍點內，因此施加額定壓力值以上，雖然會偏離所規定精確 度，尚可連續施加壓力測試也不至於損壞之壓力。所以通常壓力範圍為額定壓力 範圍的 2~3 倍。 （3） 最大破壞壓力：指一瞬間超出此一壓力，將會導致壓力感測器損壞之壓 力。 也就是指壓力之絕對額定壓力直之 10 倍。 （4） 直線性與磁滯性：直線性係指輸出電壓偏離基準線有多遠，其最大值以﹪ FS 表示，另外磁滯係指當壓力增加時與壓力減少時，對同一壓力值而有不同之 壓力指示。 （5） 溫度範圍：壓力感測器之溫度範圍，有補償溫度範圍及工作溫度範圍，前 者指壓力感測器受到跨距或零點溫度補償後，其精確度能回到規格內之溫度範 圍。後者指壓力感測器在正常工作時，溫度回復到常溫時，其特性亦能復原之溫 度範圍。 （6） 測試對象物之種類：通常半導體壓力感測器所能測到或處理之對象物，係 以空氣等非腐蝕性流體為主。. 46. 逢甲大學學生報告 ePaper(2005 年).
數據
+7
Outline
相關文件
吹箭是瞬間吹 氣，壓縮空氣 使吹管內之箭 矢射出，射程 遠近決定於膛 壓大小。所以 吹氣時要瞬間 吹出極大壓強 才能射得遠。..
鍵正值鍵或低於大氣壓力鍵鍵值鍵。通常鍵鍵的壓力也鍵為吸入壓力或真鐪壓力 鍵suction 或 vacuum pressure鍵。例如：當地大氣壓力為 14.7 psi 時，某壓力值為 10
能正確使用電瓶試驗 器、比重計檢測電瓶電 壓、蓄電量及電解液比 重。..
能正確使用壓力錶、真空 錶、轉速計、比重計、溫度 計、三用電表、電流表、電 壓表、瓦特小時表及胎壓計
、給水加熱器、蒸汽式空 氣加熱器、脫氣槽、水位 計、燃燒器等蒸汽連接管
爆炸而造成人員之傷亡、環境之破壞。依據「勞工安全衛生法」第十五條
四、裝配 系統裝配 能正確依照氣壓迴路設計圖裝配
二、高壓氣體用途甚廣，各事業單位大多使用以作為生產製程之消耗性原、物
