//Logo Image
作者:陳明周(2003-07-22);推薦:徐業良(2003-07-22)

鼾聲感測器之設計

睡眠品質是評估個人心理與生理狀態的重要指標,評估睡眠疾病與睡眠品質常見的方式是藉由腦波圖、眼動圖、肌電圖、心電圖、鼻口腔呼吸流量、腹胸呼吸運動、血氧、打鼾次數…等生理訊號,進行綜合性的評估。本文重點著重於鼾聲次數之監測,敘述一能監測鼾聲次數的感測系統之設計與製作。

根據調查,我國四十歲以上的人口至少有10~50%會打呼,大部分會打呼的人基本上並沒有立即醫療的考量,但其中約有5%的人(通常是過胖及中年男性)是每晚鼾聲如雷,並且潛藏著危及生命的阻塞型睡眠呼吸中止症候群(OSAS)【彰化基督教醫院睡眠醫學中心,﹍﹍﹍﹍】。睡眠呼吸中止症候群之定義為,睡眠中在一個小時內有超過五次呼吸停止十秒以上,或在連續七小時的睡眠中有超過卅次呼吸停止十秒以上。由於呼吸中斷,身體缺氧,容易造成心肺功能疾病、心臟病、中風甚至猝死,因此本監測裝置亦將特別注意鼾聲與呼吸中止症的關係。

鼾聲監測裝置屬於睡眠監測與評估系統的一部份,技術上必需以非察覺性方式進行監測,並記錄睡眠時打鼾的情形,擷取後的生理訊號經由放大、濾波等處理後,以數位方式由睡眠監測與評估系統進行睡眠品質評估。

1.         設計需求與目的

先前的文件上有許多非常好的背景資料要填入!

睡眠健康監測系統將針對睡眠時的鼾聲、體溫、活動量及呼吸訊號進行監測,不過由於上列感測器乃互相獨立,因此需要一個平台整合處理四組訊號。本系統將採用PIC Server作為此整合平台。PIC Server將內建有「睡眠監測與評估系統之智慧型判讀程式」,彙整鼾聲、呼吸、體溫與活動量四組訊號,判斷受測者是處於深眠、淺眠、REM、或NREM時期,並且將訊號透過網路傳送到遠端資料庫進行儲存,若擁有權限亦可經由網路直接登入至PIC Server得知即時訊息。

而本鼾聲感測器為睡眠健康監測系統的一部份,預計達成功能有:

(1)   能計算輸出下列資料:

l          鼾聲次數

l          總啟動時間、累積打鼾時間、兩者之比值

l          由等級15顯示呼吸中止症可能性指標,提供使用者參考

(2)   歷史資料查詢、比對

(3)   兼具時鐘與鬧鐘功能

其與外界溝通的方式可分為兩大類,分別為PIC Server溝通界面和人機界面。PIC Server溝通界面採用RS232傳輸模式,人機界面則可分成下列幾項:

(1)      總電源開關

(2)      LCD字幕顯示

(3)      LED燈即時鼾聲顯示

(4)      按鈕功能(按鈕功能控制螢幕背光、重置系統、取得歷史資訊…,如果要整合鬧鐘的話,也由此控制,不過有點難整合)

 

上面這一段敘述已經不是mission statement,而是設計概念了。

2.         整體設計概念

2.1 整體設計概念的描述(標題3

以文獻探討、專利分析、市售產品分析等方法,探討現有技術與產品中,是否已有可以達成類似功能的產品。由前述討論,搭配如QFD及各種創意方法、創意評估方法(詳見【機械設計教材-概念設計的創意與表達】),產生一個整體設計概念,以一個“故事”的方式描述出來,例如:

“將待測防護眼鏡佩戴在一假頭上,以一固定位置的光源照射防護眼鏡,以照度計量測透過防護眼鏡鏡片之光線照度,將量測訊號經由送入電腦計算評估鏡片的透光率。接著以一超音波起霧機產生室溫的霧氣,並使霧氣噴至防護眼鏡內使其緩慢起霧,起霧穩定之後再以先前之固定光源照射防護眼鏡,以照度計量測起霧後透過防護眼鏡鏡片之光線照度,將訊號送入電腦,以起霧前後透光率的差異,評估防護眼鏡是否容易起霧。為了操作上的方便,整體程序包括光源明滅、霧氣產生與停止、照度量測訊號輸送等、都經由同一電源盒透過電腦控制。”

以“故事”方式描述設計概念的目的有三:

(1)   確立此設計中計畫採用之概念、方法、與技術。

(2)   設計者可反覆演練此“故事”,檢視是否有不合理或思考不周全的地方。

(3)   確立此設計中所將包含的元件,以進入下面的設計程序。

在建立設計概念的“故事”時,應檢視是否達成此三項目的,必要時可以手繪草圖、流程圖等方式輔助敘述。設計過程中整體設計概念必定也可能隨著新發現而有所修改。

2.2 產品架構的建立

整體概念設計建立完成後,則進一步建立「產品架構」,包括建立「產品概要圖」、「產品群組圖」、及「大略幾何佈置圖」,其中重要的設計思考為模組化與整體化之產品架構(詳見【機械設計教材-細部設計的考量】)。

1所示為圖表格式用法,圖形說明出現在圖形下方,以阿拉伯數字編號。文章中必須先提到圖號後,再放置圖片,所有的圖都必須在文章中有所說明。每張圖縮放比例儘量一致,且圖中的字形、字體大小儘量與內文相同。為縮小檔案大小且避免編輯及網頁展現上的困難,以編輯確定之圖形儘量在不影響圖片品質的前提下以較小之檔案格式如“JPEG”“PNG”的格式置於文件中。此外編輯確定之圖形以「文繞圖的方式」設定,“選擇圖形-【格式】-【圖片】-【配置】-【與文字排列】”置於文件中。

(圖表)

1. 防護眼鏡起霧測試機台之群組圖(圖表說明)

至此,應可歸納出此設計中所包含之子系統,以及子系統之間的交互作用。此處對於每一個子系統應有一完整描述,包括所欲達成功能、與其他子系統輸入、輸出之介面、以及大略之幾何限制等

接下來必須選擇一個或少數幾個關鍵的子系統作為起始點,這裡所謂“關鍵”子系統,通常是功能最難達成,或影響整體性能最大的子系統。決定了關鍵子系統的設計概念之後,也在某種程度上給定了其他次要子系統部份設計條件,也就是說次要子系統的概念設計必須配合關鍵子系統的設計概念。

3.         關鍵子系統的設計

3.1 子系統設計概念的描述

根據前對對子系統功能、介面、幾何限制之定義,這裡又重新開始產生關鍵子系統的設計概念,還是以前段類似手法,以文獻探討、專利分析、市售產品分析等方法,探討現有技術與產品中,是否已有可以達成此特定子系統類似功能的產品,搭配各種創意方法、創意評估方法,產生此關鍵子系統之設計概念,以一個“故事”的方式描述出來,必要時可以手繪草圖、流程圖等方式輔助敘述。。

接下來除非複雜度很高的設計,還要進一步分出次系統,否則在此應可開始進行子系統之細部設計。在投入時間、成本進行細部設計之前,必須要以簡單的原型如樂高、簡易模型、麵包版電路、或電腦分析模型等設計原型,證實此設計概念是可行的(原型製作相關思考詳見【機械設計教材-概念設計的創意與表達】)。

3.2 子系統細部設計

特定子系統可能使用一重要關鍵技術,描述此子系統所使用之重要技術,如有必要,獨立撰寫一篇有關該技術應用之文件。接下來詳細計算子系統中各元件尺寸及規格,列出詳細計算程序,必要時使用電腦輔助分析工具如ANSYSWorking Model輔助之,或製作簡易原型測試之。

數學方程式及特殊數學符號無論出現為單獨一行或出現在文句中,應使用方程式編輯器編輯。數學方程式出現為單獨一行,使用內文縮排樣式,並以tab調整位置,方程式應編號,且在格式上應與上下文連貫,如

                                                                                                           (1)

where F is the force. Note that the single character “F” is in italic. 數字用法例子如下:民國851028,上午1010分,1cm5kg,用1/3,不用,大的數目使用逗點符號加以分節,如2,350,000

最後各元件設計以詳細工程圖或元件規格表表達。表1為表格格式。表格說明出現在表格上方,以阿拉伯數字編號。表說明樣式可選“圖表”,“圖表”和“圖表說明”兩樣式差異在於“圖表”設定與下段同一頁,“圖表說明”則無作此設定。

1. 表說明(圖表)

表格內文樣式為“表格內文”

圖表編號用阿拉伯數字

3.3 子系統原型製作與功能測試

此段描述子系統原型製作方式,並以照片展示製作成果,此處原型製作必須特別注意其強健性,必要時可發給外界廠商訂作,但須特別注意時間及成本。原型製作完成後接下來進行子系統功能測試,需以實際數據表達測試結果,必要時可以影片表達。

4.         其他子系統的設計

其他子系統如有同等重要性和關鍵性,可以前段同樣程序敘述,或多項子系統整合在同一段敘述。

5.         系統整合與測試

5.1 空間規劃

依據各子系統原型實際製作完成之尺寸,做細部之空間規劃,重新繪製詳細之幾何佈置圖,並檢視在此幾何佈置圖下各元件間是否有干涉或其他不預期之交互作用(incidental interaction),必要時並應回頭修改相關設計。

5.2 介面整合與測試

將完成之各子系統原型整合,首先測試其子系統介面是否正常運作,以實際數據表達測試結果,必要時並應回頭修改相關設計。接下來測試系統整體功能,檢視原先設定之功能是否均已達成,以實際數據表達測試結果,必要時並應回頭修改相關設計。最後進行使用者操作測試,實際使用角度反覆測試,以初步驗證其動作的流暢性和強健性,並找出實際操作上可能發生的問題,必要時並應回頭修改相關設計。

6.         結論與討論

總結敘述本設計計畫中完成成品之設計、功能、與測試結果,並討論重要之發現與心得。

參考資料(標題3

經建會人力規劃處,民八十六年,“未來人口高齡化趨勢之國際比較”,http://cepd.spring.org.tw/News/newinform/970902.html

Graafmans, J.A.M. and Bouma, H., 1993, “Gerontechnology, fitting task and environment to the elderly,” Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society, v 1, p 182-186.