呼吸頻率的定義為在靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)量一個(gè)人每分鐘的呼吸次數(shù)，在臨床診斷上，呼吸頻率被廣泛用來(lái)評(píng)估生理狀態(tài)的信息指標(biāo)，尤其用于睡眠及壓力分析。由于現(xiàn)在穿戴式量測(cè)生理訊號(hào)的裝置日漸普及，也使得ECG心電訊號(hào)或PPG光體積訊號(hào)較為容易取得。目前不少穿戴式產(chǎn)品制造商開(kāi)始發(fā)展從ECG或PPG訊號(hào)中提取呼吸訊號(hào)成分，由ECG訊號(hào)中分析出呼吸頻率的方法為EDR (ECG-derived Respiration)，而由PPG訊號(hào)中分析出呼吸頻率的方法為PDR (PPG-derived Respiration)，兩種方法的共同優(yōu)點(diǎn)為非主動(dòng)式量測(cè)、訊號(hào)取得便利、安全且沒(méi)有危險(xiǎn)性。

EDR及PDR分析方法介紹

目前EDR (ECG-derived Respiration) 的分析主要是利用三種呼吸造成ECG的變化來(lái)偵測(cè)呼吸率。第一個(gè)是因?yàn)楹粑鼘?dǎo)致心軸變位，最后造成ECG的振幅變化(AM: Amplitude Modulation)。第二個(gè)是呼吸造成心跳改變(FM: Frequency Modulation)。第三個(gè)是呼吸造成肋骨及橫隔膜的肌肉變動(dòng)產(chǎn)生的肌電訊號(hào)(EMG)影響ECG的基線(xiàn)變化 (BM: Baseline Modulation)。

而PDR (PPG-derived Respiration) 的分析方法也是利用三種呼吸造成PPG的變化來(lái)偵測(cè)呼吸率。第一個(gè)是因?yàn)楹粑鼘?dǎo)致心臟的容積量變化，最后造成PPG 的振幅變化(AM)。第二個(gè)是呼吸造成心跳改變(FM)。第三個(gè)是呼吸造成胸腔壓力變化造成靜脈回血改變而影響到PPG的基線(xiàn)變化(BM)。

呼吸造成PPG的振幅變化(AM)

呼吸造成心跳改變(FM)

呼吸造成基線(xiàn)變化(BM)

EDR及PDR的技術(shù)是把這三種變化訊號(hào)擷取出呼吸訊號(hào)出來(lái)，并計(jì)算出每分鐘的呼吸率。通常一個(gè)設(shè)備只會(huì)存在偵測(cè)一種訊號(hào)變化的功能。下圖是從EDR及PDR算出來(lái)的呼吸訊號(hào)及實(shí)際呼吸訊號(hào)的比對(duì)。

如何驗(yàn)證 EDR 及 PDR 的準(zhǔn)確度

在EDR及PDR的算法開(kāi)發(fā)時(shí)，需要建立驗(yàn)證方法來(lái)確認(rèn)算法的有效性。我們提出二個(gè)步驟來(lái)驗(yàn)證。

第一步、利用仿真訊號(hào)驗(yàn)證基本功能及系統(tǒng)運(yùn)算效能。鯨揚(yáng)科技的SECG 5.0 AIO可將AM、FM及BM的呼吸調(diào)變訊號(hào)加在 ECG 訊號(hào)上。用戶(hù)可以選擇適合的調(diào)變訊號(hào)及不同參數(shù)(變動(dòng)比率、心跳數(shù)及呼吸率)驗(yàn)證。調(diào)整方法如下圖，其調(diào)整范圍為0~16%，以 AM 而言是指在一次呼吸周期下，ECG 波振幅變化為原來(lái)振幅的0~16%。FM是指在一次呼吸周期下，相隔心跳變化為原設(shè)定心跳的0~16%。BM是指在一次呼吸周期下，基線(xiàn)漂移范圍為ECG振幅的0~16%。呼吸率可以設(shè)定每分鐘7~150下。

第二步，透過(guò)真實(shí)ECG及PPG訊號(hào)來(lái)驗(yàn)證呼吸率的計(jì)算與實(shí)際透過(guò)阻抗式、溫度或壓電式呼吸量測(cè)法來(lái)做比對(duì)。目前在PhysioNet 的網(wǎng)站里有四個(gè)適合的數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)庫(kù)

由此四個(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)庫(kù)可取得ECG或PPG 的訊號(hào)，經(jīng)由鯨揚(yáng)科技的SECG 5.0 AIO或AECG100，可將數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)字檔案轉(zhuǎn)換成模擬訊號(hào)輸出。下圖是從Mimic II/III取得的ECG、PPG及呼吸的波形圖，可將經(jīng)過(guò)EDR/PDR算法所得到的每分鐘呼吸率與實(shí)際量測(cè)的每分鐘呼吸率來(lái)做比對(duì)。

結(jié)論

EDR及PDR的應(yīng)用日益增加，而呼吸率的準(zhǔn)確性亦是使用者所關(guān)注重點(diǎn)之一。鯨揚(yáng)科技提供有效率的驗(yàn)證方法，協(xié)助醫(yī)療器材制造商在進(jìn)入臨床測(cè)試前，能夠以重復(fù)且有效的方式做性能及算法效率的驗(yàn)證，提升臨床測(cè)試的成功率，也可以運(yùn)用在生產(chǎn)在線(xiàn)做為生產(chǎn)質(zhì)量的把關(guān)。