人體呼吸功能視聽覺回饋訓練平台開發與應用測試Development and Assessment of Visual and Auditory Feedback Human

Respiration Function Training System

指導教授：李明義教授 研究生：王建霖

研究背景、動機與目的

研究方法與進行步驟

肺容積與胸廓活動度先導研究實驗

人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台軟硬韌體製作

人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台應用測試

結論

高位脊髓損傷患者頸椎以下中樞神經受損，導致其交感神經失調、心血管功能不足、呼吸功能低落、體感覺異常、肌肉癱瘓和動作失能等。其中呼吸功能低落會造成排痰功能不足，導致肺炎等相關肺部併發症的發生，嚴重時將會危害患者生命。因此對於高位脊髓損傷患者來說，呼吸復健便成為臨床上重要之治療工作。目前呼吸訓練方式分為綁帶式與吹吸式兩類，綁帶式在裝配上步驟繁瑣需將綁帶環繞過身體，使用在癱瘓病人身上較為不便；而吹吸式的呼吸訓練設備需經由使用者口部接觸固定吹嘴，有病菌感染之虞。除此，上述訓練設備所測得結果無法量化，常須由治療師主觀判斷，易造成評估判斷不一之現象。因此本研究之目的係開發一套「人體呼吸功能視聽覺回饋訓練平台」，擬整合慣性感測元件量測受測者呼吸時胸廓活動變化，透過生物回饋、無線傳輸及視聽覺回饋機制，達到呼吸功能訓練之效果。

研究工作分為三部份，第一部分為肺容積與胸廓活動度先導研究實驗，第二部份為人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台軟硬韌體製作，第三部分人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台應用測試，工作細項如圖。Diagram

2

第一部份肺容積與胸廓活動度先導研究實驗

第三部份人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台應用測試第二部份人體呼吸功能視聽覺回饋呼吸訓練平台軟硬韌體製作

實驗流程設計與規劃胸廓活動敏感度測試

信效度與相關性實驗信效度與相關性分析

胸廓活動度電路設計單晶片主控韌體撰寫

視聽覺回饋軟體製作系統整合校正

系統配置校正實驗臨床應用實驗設計

人體呼吸訓練實驗實驗數值統計分析

脊髓損傷患者胸廓活動度監測視聽覺回饋呼吸訓練平台

研究工作係確立人體胸廓在呼吸狀況下，其胸廓活動量與胸腔內肺部容積的變化量是否相關。實驗過程係使用肺量計（ QRS, SpirOxCard® PC Spirometer, U.S.A. ）擷取受測者肺部容積參數例如：用力呼氣肺活量 (FVC) 與第一秒用力呼氣體積 (FEV1) 等；同時亦使用人體動作分析儀 (Zebris CMS-HS system, Zebris Medizintechnik Gmbh, Germany) 量測受測者胸廓體表第二肋間、第四肋間、劍突水準線等表體解剖標記點與乳頭垂直線交叉點之三維空間位移量。接著，將肺部容積參數與上述表體解剖標記點之三維空間位移量進行相關分析。本研究共徵召十名健康年輕人，先教導其使用肺功能儀之方法，配合人體動作分析儀，在執行肺量計之標準化呼吸動作下，進行肺部容積參數擷取以及前述體表標記點三維空間位移量之量測實驗，實驗設置如下圖。

本研究係開發一套「人體呼吸功能視聽覺回饋訓練平台」，此平台構件主要包括三維無線慣性感測單元及呼吸訓練遊戲軟體等兩項。其中三維無線慣性感測單元之硬體模組包含三維直線加速度感測模組、微電腦控模組 (AT89S52) 、類比數位轉換模組、藍芽無線傳輸模組及電源供應模組等。本研究係使用電路設計軟體設計慣性感測電路，經由感光、顯影、蝕刻、裁切及焊接等工作完成電路板製作。至於三維無線慣性量測單元韌體程式模組共分為多工器頻道切換、類比數位轉換、無線傳輸控制等。本研究係使用 C語言，在 Keil C應用程式下進行主控晶片韌體程式設計，透過線上燒錄將程式燒錄至晶片中，並進行模擬與除錯。至於呼吸訓練遊戲軟體則包含硬體參數設定介面、使用者資料庫管理介面、視聽覺回饋呼吸訓練介面、使用者資料比對介面。本研究使用軟體開發工具進行程式設計與除錯，透過遊戲軟體中胸廓活動加速度閥值與單位時間內呼吸次數的調控，可將物理治療之肌力和肌耐力訓練概念融入遊戲中，在參與遊戲同時進行呼吸肌群肌

針對呼吸訓練前後用力呼氣肺活量(FVC) 、第一秒用力呼氣體積(FEV1) 及胸廓活動度等數據運用SPSS統計分析軟體進行配對 T檢定，並探討其他相關呼吸參數與胸廓位移量的相關性。實驗結果發現，在經過一週的呼吸功能訓練後，肺部容積參數訓練前後有達到統計上的差異 (P<0.05) ，胸廓活動度變化有進步趨勢，但未達統計意義 (P<0.05) 。

本研究所開發之「人體呼吸功能視聽覺回饋訓練平台」將能提供使用者一種新型且有效的呼吸訓練方式。具有視聽覺回饋、簡單的佩戴方式以及免更換吹嘴無衛生顧慮的使用模式，希望在臨床上提供復健部門在訓練運動員、一般人甚至脊髓損傷患者時，有一種新型且效益顯著的呼吸訓練設備，幫助使用者提昇或是快速恢復呼吸功能。