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1 逢甲大學自動控制工程學系專題製作專題論文呼吸器送氣波形最佳化模擬之圖形介面整合 Interface Integration for the Waveform Optimization of the Mechanical Ventilation 指導教授 : 林賢龍教授學生 : 葉峻明郭顗廷中華民國九十六年六月二十七日

3 致謝首先要感謝指導老師 - 林賢龍教授林老師在剛開始的時候, 說明了什麼是專題, 大意是說 : 大學生的專題就是研究別人做過的事情, 把那些都做會就好了 ; 碩士或博士則是要創造學問, 要做別人都沒做過的, 使得學生在做專題的時候, 沒有大方向的迷惘, 也比較有心理準備平時在路上遇到老師時, 老師也會關心一下, 現在做的怎樣? 再來是感謝鉅強學長, 學長是專門教導細部的工作, 從剛開始要學程式 MATLAB 時, 就曾問學長許多問題, 程式要怎麼寫? 這樣寫可不可以? 這樣寫會不會太單調了等, 只要有問題, 學長都會給予解釋, 要是遇到不太了解的問題, 也會下次再解答在找資料方面, 學長也教導了如何到網路上找別人的論文要怎麼尋找期刊要到其他學校定期刊要怎麼利用其他地區的圖書館在看資料方面, 學長則是教了要怎麼看論文找期刊的方法這跟以前學的型態不一樣, 因為以前都是老師上課教新知識, 然後再自己去找新資料現在則是到未知的領域裡面找資料, 如果一不小心就會找到許多沒有相關的資訊, 要怎麼正確的找到資料, 這正是所要學到看文章的摘要及結論, 最後看內容的方法, 這樣的話, 可以銷去一半以上沒有相關的資料, 要是將文章內容全部看完, 那可能已經花三十分鐘後, 才發現這份資料沒相關, 這就花太多時間了還有要感謝實驗室的學長姐和所有自控四乙的同學朋友, 總會在有疑難雜症時, 給予適時的幫助, 使得學生充滿勇氣去面對更大的挑戰 i

4 中文摘要從之前的研究 [1] 中得到正弦波的最佳化圖形後, 接著本專題中新增加了方波和漸減波, 並把最佳化的結果以 GUI 介面的方式來呈現, 而且在 GUI 介面上可以設定各項參數設定以達到直接且視覺化的使用方式在這次的專題中, 主要使用 MATLAB 這套數學分析軟體進行呼吸系統模型數學模式的建立, 然後再使用內建之指令 GUIDE 做出一介面將呼吸系統氣流壓力以及肺容積曲線變化表現出來在本論文中, 首先做呼吸方程式的解讀, 進而從呼吸流速體積與壓力的關係, 再由化學及機械模式構成之最小耗能目標函數, 做最佳化運算求得 V T PF 及 F, 當得到最佳化的值後, 就可以把關係圖展示出來, 之後再把資料存成 Microsoft Office Excel, 這樣基本數據都有了之後, 便可以利用 MATLAB GUI 介面功能表現出來 ii

5 Abstract Recently, GUI system has successfully been utilized and applied to numerous applications. For example, Windows Vista has drawn more interest for its dramatic interface although only few people are benefited from the product as far. In current study, the signal monitoring interface has be intended on the MATLAB platform, and the GUIDE system is then utilized to implement a GUI interface for the system. The mathematical modeling for the ventilator s airflow waveforms have firstly been programmed and then been optimized through the control model which was previous studied. Through the use of the implemented system, the ventilator s setting, such as flow rate, flow volume, and pressure can further be derived and display instantaneously. The comparisons and analysis are also to be demonstrated successfully with the use of fulfilled system. iii

6 目錄致謝...i 中文摘要...ii Abstract... iii 目錄...iv 圖目錄...vi 第一章序論前言文獻研究研究目的論文架構...5 第二章呼吸系統呼吸系統的名稱與定義呼吸的系統響應呼吸的機械學順應性 (Compliance) 呼吸道的阻抗...11 第三章呼吸系統的控制模式呼吸氣的送氣氣流模式正弦波漸減波方波化學模式機械模式系統架構...18 iv

7 第四章 MATLAB 的特色特色與功能指令解說...23 第五章 GUI 介面 GUI 的特色使用者的目標圖形 GUIDE 功能設定圖形功能...31 第六章結論與討論...41 參考文獻...42 v

8 圖目錄圖 1.1 人體呼吸系統的即時控制模擬器與訊號波形監視系統架構圖...5 圖 2.1 V E 對 V CO2 的變化關係...9 圖 2.2 在 V CO2 與 P ICO2 的狀態,V E 對 P aco2 的變化關係...10 圖 2.3 氣流型態與呼吸道阻力的關係圖...12 圖 3.1 正弦波之流速時間之曲線圖...13 圖 3.2 漸減波之流速時間之曲線圖...14 圖 3.3 方波之流速時間之曲線圖...15 圖 3.4 呼吸控制的基本化學模式...15 圖 3.5 呼吸控制的典型化學模式...16 圖 3.6 簡化呼吸系統的機械模式...18 圖 3.7 人體呼吸的即時控制模式器與訊號波形監視系統架構圖二...20 圖 4.1 指令 hold 圖...24 圖 4.2 指令 subplot 圖...26 圖 4.3 指令 set 圖...28 圖 5.1 設定功能的區域...32 圖 5.2 正弦波的圖形...33 圖 5.3 方波的圖形...33 圖 5.4 漸減波的圖形...34 圖 5.5 吸入二氧化碳的壓力 3 種的正弦波...35 圖 5.6 吸入二氧化碳的壓力 3 種的方波...35 圖 5.7 吸入二氧化碳的壓力 3 種的漸減波...36 圖 5.8 新陳代謝率 3 種的正弦波...36 圖 5.9 新陳代謝率 3 種的方波...37 圖 5.10 新陳代謝率 3 種的漸減波...37 圖 5.11 阻抗值 NL CRL 的正弦波...38 圖 5.12 阻抗值 NL CRL 的方波...38 圖 5.13 阻抗值 NL CRL 的漸減波...39 圖 5.14 在正弦波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL...39 圖 5.15 在方波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL...40 圖 5.16 在漸減波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL...40 vi

9 表目錄表 2.1 用來描述肺容積和肺容量的名稱...8 vii

10 第一章序論 1.1 前言呼吸系統是人體上最重要的調節系統, 但是在使用呼吸器時, 會發現固有的呼吸器在輸出氣流模式上僅僅提供於少數的氣流模式 ( 通常是正弦波方形波及漸減波 ), 而單純的化學或機械模式無法完整的模擬出人體正確的呼吸系統, 因為一個呼吸系統的調節得分成兩部份同時考慮 :(1) 化學部份, 用來調節血液中的化學成分 ;(2) 機械部份, 用來處理換氣的機械運動目前在醫學上使用呼吸器, 最主要有下列的目的 : 1. 能早期診斷及適當處置急性呼吸衰竭病患, 故使其存活率增加 2. 呼吸照顧技術進步, 促使此專業由急性呼吸領域擴展至慢性呼吸復健的領域 3. 信賴度高的攜帶型呼吸器不斷的改進, 並使之成為接受度高的居家呼吸器 4. 醫院工作人員復健理念增加, 病人教育知識水準提高, 家屬較能接受呼吸器患者在家中休養 5. 長期住院醫療費用以成一筆龐大的社會經濟成本負擔, 早期出院可減少此項費用最常見的危急病人使用呼吸器的原因有 : 1. 肺泡換氣不足 2. 肺擴張不全 3. 呼吸肌力量不夠 4. 呼吸所做的功太大 5. 不穩定的呼吸驅動力 6. 重度動脈血缺氧血症 1

11 而在使用呼吸器時, 可以獲得下列的好處 [1,2]: 1. 延長生命 2. 改善生活品質 3. 提供ㄧ適當環境 4. 減少致病率 5. 增進身體上及生理上的功能 6. 降低醫療負擔 2

12 1.2 文獻研究在專業的醫療上, 呼吸治療的技術越來越重要, 而呼吸器中最基本也最重要的是因為科技的發展, 可使呼吸器的設計亦趨精良, 呼吸器是一種用以取代人體呼吸器官幫浦作用的機械裝置, 可以一直反覆的送氣給病人, 幫助病人再呼吸衰竭的期間內維持生命以及氣體交換的工具, 但是由於機械的供氣模式無法完全的適合人體的呼吸模式, 所以在使用呼吸器的時候, 必須設定許多參數和最佳化的計算後, 來模擬人體自行呼吸的狀態, 且當病人肺部組織有變化時, 整體的呼吸功能也會因而改變, 所以呼吸器的改良一直以如何使送氣模式的過程能舒適與安全一流速型態對吸器時間的影響 [4] 呼吸器使用的目的在於提供足夠的機械通氣, 讓病患縮短治療時間或維持適當的肺功能目前新型呼吸器提供有容積控制通氣 (VCV) 與壓力控制通氣 (PCV) 兩種主要模式流速型態在壓力控制通氣為遞減波形, 其型態受病人的氣道阻力及相對壓力差影響, 且波形固定為遞減波不能任意更改而在容積控制通氣下, 流速型態則有多種選擇如方型波遞減波與正弦波 ; 不同的流速波形對吸氣時間有不同的影響, 在本論文中我們模擬了最常用的正弦波方波與漸減波二呼吸生理學 [3] 為了使吸氣能夠發生, 當肺部被拉張時必須能夠擴張 ; 他們必須具有高的順應性為了使呼氣能夠發生, 當拉張的力量釋出時, 肺部必須變小, 它們必須具有彈性肺變小的趨勢, 同時也受肺泡內表面張力的幫助三 PB7200 呼吸器之最佳化正弦波送氣氣流波形參數設定研究 [1] 在最佳化控制器方面, 雖已能成功模擬人體呼吸系統的換氣響應, 然而在進行控制模擬的過程中, 牽涉到一個非線性函數的最佳化, 由於最佳化性能指標函數複雜度高, 運算耗時且不易尋得最佳呼吸化的結果的結果, 使得 3

13 進行即時控制的難度增加目前能模擬出在運動及吸入二氧化碳狀態之人體呼吸系統換氣響應, 未來將陸續完成各種生理呼吸系統的換氣響應四 GUI 圖形使用者介面 [7] GUI 是一種以圖形化為基礎的使用者介面, 利用統一的圖形與操作方式, 如可移動的視窗選項與滑鼠游標, 作為使用者與作業系統的溝通橋樑 GUI 最重要的優勢在於讓不會使用命令行指令的使用者對作業系統進行指令輸入, 不僅可以調整對話框尺寸, 還能改變樣式與尺寸此外, 設計得當的圖形畫面得以幫助使用者快速瞭解與尋找功能, 且透過統一的操作方式, 讓使用者在學習使用一次後, 即可快速熟悉其他程式的操作 GUI 已成為一種使用者與電腦互動的標準, 是目前多數主要的電腦系統所採用的電腦, 包含微軟視窗系統麥金塔系統 1.3 研究目的此研究的目的, 是在參考了歷年的研究資料後, 發現所獲取的資料在氣流波形方面只包含了正弦波的最佳化且未以圖形介面呈現, 而在常用呼吸器, 有最主要的三種波形, 分別為正弦波方波以及漸減波, 所以本研究目的就是將三種波形, 利用 MATLAB 寫出人性化的 GUI 介面, 呈現出經過最佳化處理後的值, 用圖形來表達, 並加入了許多控制列, 可以調整其中的值來達到所需要的條件這次研究的整個架構可以由圖 1.1 呈現, 三種波形為輸入, 經過 RC 電路的模擬, 在經過最佳化的處理後, 將所得到的值經由 MATLAB 轉換成容易理解的圖形, 再藉由 GUI 介面來完成一個人性化的介面 4

14 . 氣流波形 V(t) 肌肉運動. V CO 2 程度吸入 CO 2 P ICO 2 程度 R rs C rs P(t) RC 模型 Rrs. V(t) C rs V(t) P aco 2 = P ICO2 863 V& CO2 + VD V& E (1 ) V T 休息狀態 J M 機械耗能 = l n W& 化學耗能 2 C = ( α PaCO ) J 2 β P(t) 壓力呼吸耗能 J=J C+J M V T : Tidal Volume PF : Peak Flow F : Respiratory Frequency. V(t) 氣流控制器最佳化呼吸範型 V(t) 肺體積模擬結果 Poon&Lin Model 模型鑑別圖 1.1 人體呼吸系統的即時控制模擬器與訊號波形監視系統架構圖 1.4 論文架構在本論文第一章緒論中, 主要說明呼吸控制與模擬背景, 進而提出本論文的研究動機與相關研究之文獻探討第二章為呼吸系統的背景介紹, 主要說明呼吸系統理的一些呼吸術語上的定義與呼吸系統響應, 說明呼吸系統裡新陳代謝的增加與改變吸入氣體的性質之兩因素第三章為呼吸系統的控制模式, 包含化學控制機械控制 PB7200 呼吸器第四章為 MATLAB 的相關介紹, 主要在說明選用 MATLAB 的優點, 與指令的介紹第五章為 GUI 介面, 主要為介紹研究的介面系統第六章是結論與討論, 及未來研究方向, 最後則是參考文獻 5

15 第二章呼吸系統呼吸系統是人體最重要的調節器官, 最主要的工作是功給身體細胞氧氣, 並排除掉過多的二氧化碳不同種類的動物有不同的呼吸方式 ; 例如單細胞生物只是依靠著最簡單的擴散作用就可以從周圍的環境獲得氧氣, 並排出二氧化碳而包括人類以及其他類型的大型動物, 則需利用兩種系統來達到呼吸的作用 : 1. 血液循環系統藉由化學物質及血液中的血紅素幫助, 可使血液能運送大量的氧和二氧化碳 2. 呼吸系統利用氣體攜帶氧並除去二氧化碳呼吸系統又區分為三個部份 : 1. 呼吸區域 (repiratory): 氣體與血液之間的氣體交換場所 2. 傳導區 (conducting zone): 傳遞空氣到呼吸區氣體與血液之間的氣體交換是在肺裡的肺泡, 肺泡僅有一層細胞厚, 有較大的接觸面積, 能使氣體快速的擴散在呼吸時, 有包含三個步驟 [4]: 1. 換氣 (ventilation) 2. 氣體交換 (gas exchange) 發生在肺臟內氣體和血液之間與血液和人體組織之間 3. 氧氣利用 (oxygen utilization) 指組織內的細胞呼吸以及利用氧氣在空氣和血液之間換氣和氣體的交換, 統稱為外呼吸 (external respiration) 在血液和組織的氣體交換及組織的氧氣利用統稱為內呼吸 (internal respiration) 換氣是指氣體經由口鼻進出肺臟的機械過程, 因為肺內空氣中氧氣的濃度比血液高, 氧氣從空氣中擴散至血液裡相反的, 二氧化碳順著濃度梯度由血液擴散至肺泡中氣體交換的結果, 吸入的空氣和呼出的空氣相比, 包含較多的氧氣 6

16 和較少的二氧化碳更重要的是, 離開肺臟的血液比送到肺臟的血液, 具有較高量的氧和較少的二氧化碳濃度從此可以看出, 肺臟的主要功能就是使血液中的氣體濃度與外界的氣體達成平衡人體可以藉由換氣的動作, 從外界獲得氧氣, 將體內的二氧化碳排出 [1] 在氣體和血液之間的氣體交換, 是靠擴散的方式傳遞擴散作用的發生很迅速, 因為肺臟有很大的擴散表面積以及血液和空氣之間有非常短的擴散距離 2.1 呼吸系統的名稱與定義肺是人體呼吸作用中最基本的組織, 在接下會介紹一些基本的肺容積與肺容量肺容量有四種, 每一種肺容量包含兩個或兩個以上的肺容積 1. 肺活量 ( Vital Capacity ), 在最大吸氣後氣體能夠呼出的最大量, 包括肺餘容量呼氣儲備容積潮氣容積及呼氣儲備容積,TLC=VC+RV 2. 肺總量 ( Total lung capacity ), 在最大吸氣結束後氣體在肺部內的總量, 包括吸氣儲備容積潮氣容積及呼氣儲備容積,VC=IRV+VT+ERV 3. 呼氣容量 ( Inspiratory capacity ), 在潮氣呼氣結束後氣體能夠吸入最大量, 包括潮氣容積及吸氣儲備容積,IC=VT+ERV 4. 功能肺餘容量 ( Functional residual capacity ), 在潮氣呼氣結束後氣體殘留在肺臟內的量, 包括肺餘容量與呼氣儲備容積,FRC=RV+ERV 肺有四種基本的容積, 單獨存在而不重複 1. 潮氣容積 ( Tidal Volume VT ), 在普通的狀態下, 在呼吸週期中吸入或呼出氣體的體積潮氣容積可用肺量計測定, 亦可由視診觸診打診聽診與應用帶尺等方法, 觀測胸廓動作程度橫膈肌移動情形呼吸音之強弱以及測量胸圍縮張差, 以決定潮氣容積之大小 2. 吸氣儲備容積 ( Inspiratory reserve volume ), 在用力呼吸的期間, 減去 7

17 潮氣容積以外, 所能吸入氣體的最大體積 3. 呼器儲備容積 ( Expiratory reserve volume ), 在用力呼吸期間, 減去潮氣容積以外, 所能呼出氣體的最大體積肺餘容積 ( Residual volume ), 在最大呼氣後氣體在肺臟內殘餘的體積, RV=FRC-ERV 呼吸系統的主要功能是在於維持動脈血液中的二氧化碳 (P aco2 ) 分壓與氧 (P ao2 ) 分壓的正常 P aco2 和 P ao2 是否正常, 與肺泡血二氧化碳分壓及肺泡血氧分壓有很大的關連而 P aco2 及 P ao2 是否正常, 則又決定於肺通氣量之大小 1. 呼吸頻率 (Respiratory Frequency or Breathing Rate 呼吸率 ): 呼吸頻率的定義為每單位分鐘內所呼吸的次數 (Breaths Per Minute, BMP/min), 普通的成年人在休息的狀態下, 每分鐘約為 14~18 次 2. 每分鐘呼吸量 (Minute Volume of Breathing)( 即通氣總量 Total Ventilation): 每分鐘呼吸量即每分鐘經由鼻或口進出肺的空氣量, 依潮氣容積的大小及每分鐘呼吸次數會使通氣量有所差異, 其關係式以 (2.1) 表示 : VE=V T F (2.1) 3. 肺泡通氣量 (Alveolar Ventilation): 肺泡通氣量為總通氣量經過氣道 (Conducting Airways) 進入肺泡, 與肺泡壁毛細血管血液接觸, 有氣體交換作用的通氣量而下表是在上列所相關的名詞介紹表 2. 1 用來描述肺容積和肺容量的名稱名稱肺容積 (Lung Volumes) 潮氣容積 (Tidal volume) 定義總肺容量的四個未重疊部分在未用力呼吸週期中吸入或呼出的氣體體積吸氣儲備容積 (Inspiratory reserve volume) 在用力呼吸期間, 除去潮氣容積以外, 所能吸入氣體之最大體積呼氣儲備容積 (Expiratory reserve volume) 在用力呼吸期間, 除去潮氣容積以外, 所能呼出氣體之最大體積 8

18 肺餘容積 (Residual volume) 肺容量 (Lung Capacities) 肺總量 (Total lung capacity) 肺活量 (Vital capacity) 呼氣容量 (Inspiratory capacity) 在最大呼氣後氣體在肺臟內殘餘的體積測量兩個或更多個肺體積的總和在最大吸氣結束後氣體在肺部內的總量在最大吸氣後氣體能夠呼出的最大量在潮氣呼氣結束後氣體能夠吸入最大量功能肺餘容量 (Functional residual capacity) 在潮氣呼氣結束後氣體殘留在肺臟內的量 2.2 呼吸的系統響應在人體的呼吸響應中, 化學刺激包含了 P aco2 P ao2 及 [H + ] a, 這些指數都是代表二氧化碳氧氣與氫離子在人體的血液中的濃度, 在符號中 P aco2 與 P ACO2 中, 小寫的 a 是代表在動脈中的氣體分壓, 而大寫的 A 是代表肺泡中的氣體分壓, 而在呼吸時, 因為氣體交換系統的運行下, 將會造成 P aco2 與 P ao2 的濃度改變, 這些濃度的改變, 也會影響整個人體的呼吸頻率與深度而最主要會影響呼吸中濃度的改變因素有兩種 1. 新陳代謝率 (Metabolic Rate,V CO2) 新陳代謝率的上升, 會由肌肉運動而增加在運動響應中, 會發現新陳代謝率的增加會使得 V E 為線性增加 ( 圖 2.1) 在圖 2.2 裡 P aco2 會維持在一個固定的值, 而 V E 是單獨獨立的, 並不會受到 P aco2 的變化而改變. VE (L/min). V CO2 (L/min) 圖 2.1 V E 對 V CO2 的變化關係 9

19 運動的響應吸入二氧化碳的響應 V E (L/min) PaCO 2 (Torr) 圖 2.2 在 V CO2 與 P ICO2 的狀態,V E 對 P aco2 的變化關係 2. 改變吸入氣體的性質 : 包含吸入氣體中對於氧和二氧化碳的部份在吸入二氧化碳的響應中, 由圖 2.2 可以了解這是一個大範圍的線性反應, 而且此限的斜率則是對二氧化碳的靈敏度 2.3 呼吸的機械學肺部的換氣作用目的是與吸入的空氣和肺泡進行氣體的交換, 最主要是要從吸入的空氣獲得到氧氣, 並將肺泡中的二氧化碳排至於空氣中而肺部有吸氣與呼氣的動作, 最主要是靠著肺臟改變其體積, 而產生壓力差來達成其目的在吸氣時, 橫膈膜會下降, 使得胸腔的體積增加, 肺部的壓力減少, 促使外面的氣體經由氣管達到肺部平衡肺部的壓力而在吐氣時, 橫膈膜上升, 肺部中的體積減少使得體內壓力大於外界壓力, 於是氣體也是經由氣管將肺部中的氣體排至體外, 而使得體內外的壓力達成平衡, 這樣一吸ㄧ吐就完成了一個呼吸的循環肺內的體積改變除了受呼吸肌的控制外, 還有受到肺部組織的特性而影響, 譬如肺部的順應性彈性以及肺泡的表面張力, 所以當這些組織的特性改變時, 會影響整個肺部的機械功能 [3] 10

20 2.3.1 順應性 (Compliance) 人體的肺臟是可以被拉張的 ( 膨脹 ), 肺臟可被拉張的能力, 約為氣球的一百倍左右, 對於這個能力還有另一個名稱, 稱為順應性, 這邊是指在一定壓力下, 肺部能夠擴張的程度, 就是肺泡所能容納氣體的量其定義為每單位肺間壓改變 Δ V 所造成肺部容積的變化, 簡單表示為 [1] 組成肺泡壁的結締組織主要的成分 ΔP 為膠原和彈性蛋白纖維, 這兩種成分與肺部的擴張能力有強烈的關係, 這個會隨著年紀的增加而增加, 但是肺泡也會因為疾病, 破壞了肺部中的彈性纖維而使肺部的擴張能力降低, 例如肺氣腫 ; 然而限制性肺部疾病, 則會使順應性降低, 反而彈性增加, 使得肺部變得僵硬, 例如肺纖維化肋膜積水所以當肺部的順應性有所改變, 皆會影響通氣肺順應性的決定因素在於 : 1. 肺部組織的伸展性 : 特別的是彈性組織, 當肺部的組織變厚後, 會使得肺部的順應性降低 2. 塗在肺泡表面的表面張力物質 : 肺泡表面是處於潮濕的狀態, 由於水分子會凝聚在一起, 所以會使的肺泡具有皺在一起的現象, 這稱為表面張力所以肺泡必須用掉一些能量來克服肺泡上的表面張力, 才能使肺泡張開而表面作用物質可以大幅的降低水分子在肺泡表面的凝聚力, 藉此減少表面張力, 增加順應性肺部彈性則是指在伸展後組織恢復至原來大小的能力肺部具有彈性是因為有高含量的彈性蛋白, 並可以抵抗肺的伸展肺的彈性和胸腔結構在呼吸時可以幫助推擠空氣出去呼吸道的阻抗呼吸道阻力是指氣體經過氣道壁時, 氣體分子與分子之間的摩擦力假設忽略呼吸道不均質系統的複雜性, 呼吸道阻力可以簡單的定義為驅動壓力 (Driving 11

21 Pressure) 除以流量, 驅動壓力是吸氣末尖峰壓力與肺泡壓力的差值 [3] 呼吸道阻力會影響通氣, 當阻力增加時, 通氣會較差, 正常呼吸道阻抗為 0.5~3 cm-h 2 O/L/sec 而呼吸阻力會受到下列因素的影響 : 1. 呼吸道半徑 : 通常呼吸道半徑減少 1, 阻力就會增加 16 倍 2 2. 呼吸道長度 : 呼吸道長度增加一倍, 阻力也會增加一倍 3. 氣流型態 : 氣流型態通常包括三類, 如圖 B 所示, 分別為 (A) 分層型氣流 (B) 紊流型氣流及 (C) 過度型氣流圖中空氣流速高低為 :(B)>(C)>(A); 氣流阻力大小為 :(B)>(C)>(A) 圖 2.3 氣流型態與呼吸道阻力的關係圖 12

22 第三章呼吸系統的控制模式在過去的數十年間, 對一些化學刺激已有成功的呼吸響應模式產生, 這些模式是跟物質上量的控制有關, 譬如人體組織中, 肺血液中的氧二氧化碳及氫離子, 這就是所謂的化學模式, 也稱做為化學反射模式由於這有排除掉呼吸的身體和機械的影響, 單獨的化學模式很難模擬出運動狀態下的呼吸系統響應對呼吸系統響應的化學刺激, 吸入二氧化碳時是非常緩慢的, 但是在運動中, 自然呼吸是如何控制的一些問題仍未獲得充分的解決所以在呼吸調節系統方面, 可以分成兩個部份 : 一個是調解人體中某些化學量的化學部份, 另一個是處理換氣的機械的機械部份 3.1 呼吸氣的送氣氣流模式目前的呼吸氣的流速模式, 最主要有三種, 分別是正弦波方波與漸減波, 每種波形都會有其各自的特色正弦波正弦波在吸氣初期, 流速遞增至中期達到所設定的 Peak flow 後, 會在遞減到末期流速為止, 其遞減的正弦波角度會影響吸氣時間的長短圖 3.1 正弦波之流速時間之曲線圖 VT 3 VT 呼吸時間 : Ti = = (3.1) MF 2 PF 13

23 氣流波形 : V & ( t i ) = PF sin( ωt) (3.2) 其中 PF 為尖峰氣流量,V T 為潮氣容積,MF 為平均氣流量且由圖中可以瞭解在正弦波的平均氣流量為 MF = 2/3PF 漸減波吸氣初期流速由 Peak flow 決定, 在依直線地減至內定的末期流速為止 ; 具有最低的尖峰氣道壓最高的平均氣道壓 PF MF=(PF+TF)/2 TF=5 L/min=1/12 L/sec Time (sec) 吸氣吐氣圖 3.2 漸減波之流速時間之曲線圖 VT 吸氣時間 : Ti = MF = 2V T PF + TF = 2V T PF (3.3) 2 2 PF PF 氣流波形 : V& ( ti ) = t + PF = t + PF (3.4) Ti 2V 其中 TF 代表末期氣流量 T 方波吸氣初期中期及末期之流速相同其流速由 Peak flow 參數決定 ; 方形波是三種波形中尖峰氣道壓最高平均氣道壓力最低 14

24 V T 圖 3.3 方波之流速時間之曲線圖吸氣模式 : Ti = (3.5) MF 氣流波形 : V & ( t i ) = PF (3.6) 3.2 化學模式呼吸系統的化學控制模式通常是檢查動脈血液中二氧化碳和氧的調節在過去大部分的化學模式中都必須假設血液中二氧化碳及氧的呼吸系統控制的反射控制定理 ( 圖 3.4) 呼吸控制系統控制肺主要的肺泡微血管邊界來輸送二氧化碳與氧藉由控制肺的換氣量來達到圖 3.4 呼吸控制的基本化學模式在 1950 年代,Gray 提出一個被認為最早的呼吸系統的化學模式之一 ( 圖 3.5) 為了助於瞭解 P aco2 P ao2 及氫離子濃度層次的控制,Gray 的模式企圖模擬對外部的二氧化碳氧及氫離子濃度刺激的生理響應不同於圖 3.4 中只包含二氧化碳的基本化學模式,Gray 的模式採用了動脈中氫離子濃度 P aco2 及 P ao2 做回授信號另一方面, 近來的化學模式也沒有假設一個不被生理學支持的新陳代謝參考訊號 15

25 圖 3.5 呼吸控制的典型化學模式在 1960 年代,Grodins 等人建立了一個非常複雜的模式來模擬改變二氧化碳氧及氫離子濃度層次的動態呼吸響應因為它包含了處理新陳代謝的氫離子濃度上升和下降的方程式, 而這些是由人體呼吸系統所造成在酸度改變的特徵, 這個模式對於研究的過程而言過於複雜化學反射模式是有模擬外部模擬化學響應的能力在另一方面, 許多研究已發展相似的模式來模擬對於吸入二氧化碳時的呼吸響應變化, 但古典的化學模式已由於簡化, 並更進一步結合化學機械模式而變的更適於研究長久以來總換氣量控制被假設成以人體新陳代謝的需求作為控制根據古典的化學反射理論, 換氣輸出是由呼吸控制器中的總化學驅動器所設定觀察所得 V & E 在運動時的增加是伴隨著動脈血液中氣體壓力然而, 化學模式不能模擬在運動中的換氣量響應, 此無力感也成為更進一步研究呼吸控制系統的動機下一節將列出呼吸系統的機械模式和下一章介紹一個組合的最佳機化控制模式, 而此最佳機化控制模式包含了總化學需求和呼吸的機械消耗的最小化的方法 3.3 機械模式除了調節血液中 P aco2 和 P ao2, 在呼吸控制的其他面, 通常用呼吸機械耗能的最小化來檢查模擬的呼吸系統呼吸的機械耗能是由於當肺及胸腔的彈性壁的延伸在氣道中氣流的摩擦阻抗為了帶空氣進入肺中, 胸部的體積增加而造成胸部的壓力下降呼出藉由橫 16

26 隔膜肌肉的收縮要求橫隔膜減少彎曲在正常的換氣層次, 呼出通常是被動的過程, 且包含橫隔膜及肋間肌肉的放鬆, 並增加橫隔膜的上升及下降胸部體積此動作增加了胸腔的壓力, 排出肺中的空氣如此呼吸的機械問題可由類似的電路來研究, 利用電路的解答來預知機械的響應因此機械耗能的最小化可被模擬成肺體積 ( 電荷 ) 和氣 ( 電流 ) 電的模式圖 3.6 簡化呼吸系統的機械模型被 Otis 等人第一次介紹它是基於肺的體積及流量是獨立的, 且慣性因數是可忽略的假設因此這個 RC 模式可利用簡化的一階微分方程來表示, 如式 (3.7) 所示 P (t) = V(t) & R + V(t) (3.7) rs E rs 在任一呼吸過程的時間 t 裡, 淨呼吸壓力 P(t)( 胸擴壓力,Thoracic Pressure) 係用來克服肺的彈性力與氣流阻力 ( 忽略慣性力量 ), 而 E rs 是呼吸系統的倒電容 (C rs 的倒數 ) 其中 V(t) 和 V & (t) 分別代表肺體積和氣流 ; 而 R rs 和 E rs 代表呼吸系統中的氣流阻力與被動性彈性係數將式 (3.1) 經由拉普拉氏 (Laplace) 轉換後, 可以得到下列式 (3.8) 與式 (3.9) 之形式 : P(s) = R rs [sv(s) V0 ] + E rs V(s) (3.8) P(s) P(s) V0 R rs V0 V(s) = + = + (3.9) R rss + E rs E rs 1 1 s + s + s + R τ τ rs 在此,V 0 是初始的肺容積, 並且 τ rs 是在 RC 電路模型中, 電容的充電 ( 放電 ) 時間常數, 可以表示如下 : R rs rs τ rs = R rs Crs = (3.10) Ers 近年來,Poon 和 Lin 提出一個以不同方法來解釋呼吸系統控制器關鍵假設 : rs 17

27 一個以離散的刺激訊號代替傳統的回授方法的運動和化學響應的單一化預測, 這是最佳化模式利用血液中二氧化碳及機械耗能的回授來將結合化學機械呼吸消耗最小化 3.4 系統架構圖 3.6 簡化呼吸系統的機械模式在研究中, 我們把研究分為三個部分, 第一個部分是機械控制模式, 第二個部分是化學控制模式, 第三個部分則是結合機械控制模式和化學控制模式與所得到的模擬結果第一個部分包含 RC 模型機械耗能 ; 第二個部分是屬於化學耗能 ; 第三個部分則是總耗能最佳化系統結果開始時, 先設定參數, 參數有 R C 吸入二氧化碳的濃度肌肉運動的程度以及在休息狀態時選擇想要的波形在第一部分中, 先設定想要的波形, 再設定 R 與 C, 先使用 RC 模型把 R 與 C 結合在一起, 再用相關系統把機械耗能求出使用 RC 模型的原因則是因為它是基於肺的體積及流量是獨立的, 且慣性因數是可忽略的假設因此這個 RC 模式可利用簡化的一階微分方程來表示此呼吸的機械問題可由類似的電路來研究, 利用電路的解答來預知機械的響應因此機械耗能的最小化可被模擬成肺體積 ( 電荷 ) 和氣 ( 電流 ) 電的模式第二部分中, 是先設定吸入二氧化碳的濃度肌肉運動的程度以及在休息狀態時的參數, 再使用控制系統結合在一起, 之後再求出化學耗能化學耗能通常是檢查動脈血液中二氧化碳和氧的調節呼吸控制系統控制肺主要的肺泡微血 18

28 管邊界來輸送二氧化碳與氧藉由控制肺的換氣量來達到吸入二氧化碳的濃度肌肉運動的程度以及在休息狀態時的三者可以求得化學耗能第三部分中求出物理耗能與化學耗能後, 就可以把他們相加成為呼吸總耗能有了呼吸總耗能就可以用最佳化系統把最佳值找出來在最佳化系統裡, 是先把所有參數拿來設定, 裡頭包含了 R C 吸入二氧化碳的濃度肌肉運動的程度以及在休息狀態時, 把尖峰氣流量潮氣容積頻率來做最佳化設計, 而目標函數是呼吸總耗能, 這樣就可以求得最佳的尖峰氣流量潮氣容積頻率經過參數設定和最佳化的設計, 可以求得許多相關的數值, 如 : 死腔的數值肺泡通氣量呼吸的工作週期每分鐘的通氣量壓力容積流速等有了壓力容積流速就可以把圖型給畫出來, 最後再把輸入的參數與需要的數值與圖形以 GUIDE 指令撰寫其 GUI 介面已呈現其相關曲線圖形, 其系統架構如圖

29 V & (t) V & CO2 PICO2 P aco2 = P ICO V& CO2 + VD V& E (1 ) V T J M = l n W& 2 C = ( α PaCO ) J 2 β 圖 3.7 人體呼吸的即時控制模式器與訊號波形監視系統架構圖二 20

30 第四章 MATLAB 的特色 MATLAB 是 Math Works 公司推出的數學軟體, 其名稱是由矩陣實驗室 (MATrix LABoratory) 所合成, 因此可以知道其最早的目標是提供一套非常完善的矩陣運算指令, 但隨著數值運算需求的演變以及個人電腦運算速度的倍增, MATLAB 已成為各種動態系統模擬數位訊號處理科學計算科學目視自動控制等領域的標準程式語言 4.1 特色與功能 MATLAB 為一高度整合之程式運算軟體, 其程式語言是一結合數值運算及繪圖軟體之高階程式語言, 以下略舉其特色及功能說明 : 1. 功能強大的數值運算 : 它有兩個特色, 一是矩陣運算便利, 二是數學運算與平時思考接近一. 矩陣的運算是一大特色, 可以矩陣對矩陣做四則運算, 如果想要使用裡面單一的目標, 更有兩種方式可以呼叫 ; 也可以把方程式看成矩陣, 做矩陣運算, 達到方程式運算的效果二. 在 MATLAB 環境中, 含有多許多數學統計科學和工程方面的函數, 這樣可以把想出來的數學運算, 直接使用在 matlab 裡面, 不用再對運算式子做進一步修改讓使用者可以全力發揮在解題方面, 而非浪費心力在指令運用方面 2. 高階且簡單的程式環境 : 這是一種高階直譯式的程式語言, 不需要像 C++ 語言一樣要做編譯的動作, 這可以節省操作時間, 同時包含許多以編譯好的內建函數供使用者運用, 以加速程式的使用 3. 豐富的程式工具箱 : 工具箱是一種架構在 MATLAB 下面的軟體, 就像是 WINDOWS 中的 OFFICE 一樣工具箱可以幫助學者做更新一步的理論, 更可以幫助業界做軟體的模擬, 發展到目前為止 MATLAB 已經有上百個工具箱 21

31 4. 先進的資料視覺化功能 : MATLAB 的物件導向圖形架構讓使用者可執行視覺化數據分析, 並製作高品質的圖形 5. 開放及可延伸的架構 : MATLAB 容許使用者接觸它大多數的數學原始碼, 檢視運算法, 更改現存函數, 甚至加入自己的函數, 以符合使用者的個別所需求 6. 資料擷取工具 : Data Acquisition Toolbox 能直接將外部硬體中的資料讀取至 MATLAB 環境中 ; 再透過 Database Toolbox 做更進一步與 JDBC/ODBC 相容資料庫產生互動 7. MATLAB 應用程式介面 : 可從 MATLAB 環境中呼叫 C 或 FORTRAN 語言所撰寫的函式, 也可以將 MATLAB 當成計算引擎, 並從獨立的 C 或 FORTRAN 程式來呼叫此 MATLAB 引擎, 進行各種運算或圖形顯示 8. 網路化 : MATLAB Web Server toolbox 和 NT 的 IIS 合作, 使用者可以透過網路 CGI 之功能在 Server 端執行 MATLAB 的運算或繪圖, 並將結果以 HTML 呈現於 Client 9. 方便使用的內建編輯器 : 這是 MATLAB 專屬的程式編譯器, 可以提供程式編譯和除錯功能特別是對於一些關鍵字或語法敘述都以不同的顏色代表, 方便程式的撰寫與除錯 10. 人性化的圖形使用著介面設計環境 : 利用 MATLAB 內建的 GUIDE, 可以輕易的設計出所需的人機介面, 可大幅節省設計介面及設定物件特性所需的時間 11. 與文字處理軟體溝通容易 : 利用 MATLAB 中的 Notebook 功能可以在不離開 Microsoft Word 環境下執行 MATLAB 的數值計算, 所產生之數據與圖形可同時方便地融合呈現於 Word 22

32 的文章中 12. 與數據處理軟體溝通容易 : 利用 MATLAB 中的 Excel Link 功能, 可將 Microsoft Excel 和 Matlab 在 Microsoft Windows 的計算環境下結合, 利用兩者的連結, 可以利用 Excel 中的 worksheet 和巨集指令來發揮 MATLAB 的數值運算和繪圖軟體 13. 報告容易產生 : 利用 MATLAB 中的軟體套件 - 報告產生器可取得 workspace 中的任何資料, 然後將取得的資料以報告的格式輸出到文件中, 這報告的內容包含了 models 或 M-files 中的圖形數據變數和函數 4.2 指令解說在 MATLAB 中, 有些重要的指令視需要注意到的 1. hold 用來比較圖形的指令, 使用後可以比較兩張圖形的差異在 matlab 中, 如果沒有使用 hold, 那每次舊的圖形都會被新的圖形覆蓋, 不會有比較的效果, 使用的方法是 hold on 和 hold off, 如圖 4.1 就是表示 hold on 指令的圖形舉例 : a=1:1:10; plot(a) hold on plot(2*a) 23

33 圖 4.1 指令 hold 圖 2. length 這是用來做找矩陣大小的指令, 由於 MATLAB 不能做不同大小矩陣的相加, 所以先做判斷大小, 然後再做設定與相加舉例 :A=[ ] B=[ ] if length(a)>length(b) c=length(a)-length(b); C=zeros(1,c); K1=[B C]; C1=A+K1 end if length(a)<length(b) c=length(b)-length(a); C=zeros(1,c); K1=[A C]; C1=B+K1 end 結果 : 24

34 A = B = C1 = 在這裡 C1 是 A 和 B 的相加, 由於在 MATLAB 裡的矩陣用途非常方便, 可是有優點就會有缺點, 缺點就是長度不同時不能做處理, 可是要是小缺點可以造成更大的優勢, 那小缺點也是可以適度的接受 3. plot plot 是很常用的指令, 用途就是把圖形畫出來, 可以畫出 2D 或 3D 的圖形, 比較常用的是代入點和矩陣, 然後就直接畫出圖形 4. subplot 這是用來顯示多個圖形的指令, 把畫面切成想要的比例大小, 然後在顯示出來用途是 subplot(1,3,2), 在裡面 1 和 3 代表的是畫面的長和寬, 這可以看成一個矩陣,2 是代表矩陣的編號, 如圖 4.2 就是表示 subplot 指令的圖形舉例 :subplot(1,3,1); plot(a); subplot(1,3,2); plot(2*a); subplot(1,3,3); plot(3*a) 25

35 圖 4.2 指令 subplot 圖 5. fmincon 這一個指令是用來做最佳化程式, 用法是 x0=[1 2 3]; A=[ ] B=0 lb=[ ] ub=[ ] options = optimset('display','iter'); x = fmincon(@myfun,x0,a,b,aeq,beq,lb,ub,@mynonlcon,options) myfun 是目標函數, 通常目標函數會另外做一個 m 檔來表示, 號, 表示 myfun 不是個變數, 而是 m 函數名稱 x0 是假設的初始值,A 是線性不等式的係數矩陣, 線性不等式的係數為常數 B 是線性不等式的允許值向量, 允許值都是純量,matlab 優化工具盒定義不等式限制函數都是小於等於的形式, 兩者的關係是是 A*x<=B Aeq 和 Beq 是線性等式限制函數, 關係是 Aeq*x=Beq lb 和 ub 是 x 的上下界限, 關係為 lb<=x<=ub Options 是細部參數定義, 包含迭代數值訊息最佳化相關參數, 一般不用改 26

36 6. global global 是代表全域變數的指令, 可以在資料夾裡隨意呼叫相同的變數, 使用這個指令後就可以更加輕鬆的傳遞數值但是缺點是之後要修改時, 不易修改資料, 因為程式碼龐大時, 用的時候通常不只使用一兩個全域變數, 要找出相同的, 反而要難找出來所以當用的時候要寫一份記事本, 把用到的指令清楚的寫出來, 這樣子, 不管是別人要看, 或是自己要改寫都可以清清楚楚 7. xlswrite 這是用來存檔的指令, 可以把檔案存成 excel 檔, 然後使用者可以再對 excel 做其他方面的處理用法是 :status=xlswrite(' 檔案名稱 ',PP,1,'A'); PP 是 MATLAB 所含的矩陣,1 是 Office Excel 的 sheet, 可以設為變數, 要是加上一個計數器, 那可以持續增加 Excel 的 sheet A 則是存在 Excel 的哪一列 8. get get 是取出握把值, 在 MATLAB 中, 每做一個指令都會有一個握把值, 譬如 : 輸入 :h=plot(a) 輸出 :h = 這當中 h 就是 plot 的握把值, 這有點像是 c++ 的記憶空間, 而想要修改 plot 的相關參數, 則可以從握把值開始 9. set set 是設定握把值的指令, 通常它都與 get 混合著用如果想要直接修改圖形, 可以打 set(h,'linestyle','--'); 這一步表示修改圖的形狀, 變成虛線的形狀通常第二項是想要改什麼, 第三項是要做的動作, 如圖 4.3 就是表示 set 指令的圖形舉例來說 :h=plot(a) h = set(h,'linestyle','--'); 27

37 圖 4.3 指令 set 圖 10. axes 在這邊代表的是 GUIDE 的圖表, 在 GUIDE 中, 由於圖表的位置都是已經設定好的, 所以必須用指令來傳達想要在哪個圖表畫圖, 設定的方式為 axes(handles. 名稱 ) 28

38 第五章 GUI 介面如果想要做出一個完整的程式應用, 必須先具備一個便利且有效率的程式介面若程式介面不完善, 那就不能表現出程式的優異, 這樣就連簡單的表達和應用, 也都無法表達清楚這樣說來, 介面設計可以說是程式之母如果依使用者的目標來說, 介面必須要給不同人使用, 當使用者用了以後, 必須感覺好用有效率, 其中提到了幾個特點 : 一介面必須可以適應每個人的需求二介面可以學習到新概念和技術三介面可以預期使用者的需求 5.1 GUI 的特色在 MATLAB 的歷史中, 有一段進展是非常重要的, 那就是在 MATLAB 的第四版推出了握把式圖形 (Handle Griphics), 自此之後, 所有的 Demos 都包含和善親切的圖形使用者介面這裡表示了 GUI 在當今社會的重要性是越來越龐大, 因為在設計的眼光裡, 有需求才會去設計, 沒有需求當然不會花心力去設計, 所以說如果發展取向已經偏向親切的圖形介面, 那則表示現在的社會或是未來的世界將佔有一席之地如果想要設計一個人機介面, 就必須了解以下步驟 : 一瞭解使用者本身以及使用的目的二設立可用性的目標三分析設計四製作五測試六評估 5.2 使用者的目標如果依使用者的目標來分, 可以分為介面的實用性介面的效率介面的美 29

39 觀一介面的實用性 : 這點可以說是介面的根本, 如果介面的實用性低的話, 那這個程式就缺乏意義這就好像是在做偵測圖形時, 最重要的事是要求出數學方程式, 因為有了方程式才可以進一步改善不足的地方又或者是在做系統控制時, 必須要找出特性方程式舉一個例子, 小明今天在寫作業的時候, 發現有一題工程數學作業不會寫, 所以就到圖書館想要找書看當到圖書館的工程數學區時, 發現有一本書的書名是工程數學, 然後就拿到座位上去翻, 可是當他翻開目錄時, 卻找不到要的內容, 所以就只好重新到櫃子上拿這個例子就是剛好少了實用性, 因為沒有想要的那一章節, 所以馬上就把書放回去, 其它的連看都不會去看, 雖然其它的章節寫的非常棒, 沒有想要的就是沒意義寫出來的介面也是如此, 如果沒有使用者所需要的, 即使寫出來的速度非常快, 記憶體的使用非常稀少, 還是沒有人會想用二介面的效率 : 效率就是使用記憶體少, 速度快當使用者在求解答案時, 要是跑出來的速度太久, 那使用者的第一個想法就是電腦差, 並不會想說方程式是不是太複雜了, 所以必須要先幫使用者想出解決機制, 必須先想哪邊可能會出問題會跑太久等三介面的美觀..在現在這個時代, 由於每個創造者都非常優秀, 所以功能都差不多, 如果要讓使用者用好的產品, 那就必須做到精緻可愛等顏色則不可以用全紅全綠, 因為會使系統感到特別單調四介面的簡單操作 : 介面就是要給其使用者用, 而因為學習環境和成長環境的關係, 會使得每個人的思想都不盡相同, 所以想要把不同思想的人們做同一種想法就必須要越簡單這就像操作手冊一樣, 要如何一步一步把步奏寫下來, 並且使用者要很清楚, 而想要簡單操作的方法就是直接操作, 也就是一件事就做一個按鈕 5.3 圖形 30

40 在生醫資訊的世界裡, 注意到 GIGO 的產生是絕對必要的 GIGO 是 Garbage In Garbage Out 的縮寫, 這個理論強調的是, 無論電腦的能力多強, 假使輸入電腦當中的資料是垃圾 ( 指錯誤的資料 ), 則輸出來的必定是沒有用的資料所以為了排除 GIGO 情況的發生, 資訊必須是正確的訊息輸入, 才會有正確的訊息輸出要是輸入的訊號有錯誤, 那輸出的訊號將會沒有意義依照這個條件, 系統必須要有限制, 介面不過於便利, 因此我們把系統的參數限制住 GUIDE 功能設定在 GUIDE 介面中, 有許多便利的功能, 裡面大多都只需選擇想要的物件, 以及設定一些參數, 就可以達到想要的介面可是也有不盡理想的狀況, 如 : 一比較不適用於複雜的 GUI 介面, 譬如牽涉到多個視窗的應用程式二無法將 GUI 應用程式集中於一個檔案三執行效率可能會差一點雖然有這些缺點, 可是這個工具對使用者還是非常好用常用的物件有按鈕拉霸可編譯文字欄位... 等圖形功能在介面中, 可以分為兩部分, 一個部分為設定的部分, 這可由圖 5.1 看出, 另一個部分為顯示的部分, 而在介面中的功能有 : 一可以顯示圖形二可以比較圖形三可以比較不同圖形的功四改變不同的環境與生理狀態五清除圖形六儲存檔案 31

41 圖 5.1 設定功能的區域顯示圖形是先輸入初始值在運動狀態下吸入二氧化碳下 CEL CRL 的四個數值, 然後選擇想要求得哪一種圖形, 這樣子就會經過一連串的計算和顯示出正弦波 ( 圖 5.2) 方波 ( 圖 5.3) 漸減波 ( 圖 5.4) 的圖形, 而在其他地方也會顯示相關的計算數值與參數 32

42 圖 5.2 正弦波的圖形圖 5.3 方波的圖形 33

43 圖 5.4 漸減波的圖形比較圖形是先輸入初始值在運動狀態下吸入二氧化碳下 CEL CRL 的四個數值, 然後選擇想要求得哪一種圖形, 這樣子就會經過一連串的計算和顯示出正弦波方波漸減波的圖形, 而在其他地方也會顯示相關的計算數值與參數, 之後再重複以上步驟, 如此一來就可以做到比較的功能, 而以下就是正弦波 ( 圖 5.5) 或方波 ( 圖 5.6) 或漸減波 ( 圖 5.7) 的吸入 2 氧化碳壓力的 3 種比較正弦波 ( 圖 5.8) 或方波 ( 圖 5.9) 或漸減波 ( 圖 5.10) 的新陳代謝率 3 種圖比較正弦波 ( 圖 5.11) 或方波 ( 圖 5.12) 或漸減波 ( 圖 5.13) 的阻抗值 NL CRL 比較與正弦波 ( 圖 5.14) 或方波 ( 圖 5.15) 或漸減波 ( 圖 5.16) 的在正弦波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL 比較的介面 34

44 圖 5.5 吸入二氧化碳的壓力 3 種的正弦波圖 5.6 吸入二氧化碳的壓力 3 種的方波 35

45 圖 5.7 吸入二氧化碳的壓力 3 種的漸減波圖 5.8 新陳代謝率 3 種的正弦波 36

46 圖 5.9 新陳代謝率 3 種的方波圖 5.10 新陳代謝率 3 種的漸減波 37

47 圖 5.11 阻抗值 NL CRL 的正弦波圖 5.12 阻抗值 NL CRL 的方波 38

48 圖 5.13 阻抗值 NL CRL 的漸減波圖 5.14 在正弦波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL 39

49 圖 5.15 在方波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL 圖 5.16 在漸減波下, 連續性肺彈性係數 NL CEL 40

50 第六章結論與討論在本論文中, 主要是針對呼吸器系統來做系統介面的模擬, 在呼吸器方面, 希望能夠以機械系統能夠代替呼吸器的功能, 保障病患的安全 ; 在介面系統方面, 希望能有細膩精確簡單具美感等特色在未來的研究方面, 我們歸納幾個重點問題 : 一由於顯示的種類過於繁雜, 所以必須考慮把較不重要的數據不顯示, 或把數據全部分類別分區塊來做處理二對於程式方面, 程式碼過於雜亂, 不利修改, 所以必須考慮寫一份功能表, 詳細說明功能與行數, 放在哪一個檔案裡面三在存檔方面, 現在只能把檔案存成單一個 Excel 檔案, 不能隨意打自己喜歡的名稱四在速度方面, 由於有加入最佳化程式, 所以速度方面不盡理想, 略嫌過慢我的想法是希望可以在最佳化過的數值中, 取得的數值的速度也要算在最佳化系統裡, 希望可以加快速度 41

51 參考文獻 [1] 丁崑祥,PB7200 呼吸器之最佳化正弦波送氣氣流波形參數設定研究, 逢甲大學碩士論文,2005 [2] 李顯宏,Martlab 7.X 程式開發與應用技巧, 文魁,2005 [3] 林茂村, 人體生理學, 文京圖書有限公司,1998 [4] 李金川, 流速型態對吸氣時間的影響, 中華民國呼吸照護簡訊,pp. 6-12,2000 [5] 江玲玲, 長期呼吸器使用, 長庚護理 [6] 張智星,MATLAB 程式設計與應用, 清蔚科技,2001 [7]GUI 圖形使用者介面 glossary/term/0, , ,00.htm 42

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