呼吸信号是临床监测的重要生理参数之一，在重症病房、手术中，是评估病患实时生理状态不可或缺的一项指标，亦用于追踪病情，观察长期状态是否改善或恶化。
本文将介绍现行主流的两种呼吸信号测试原理，以及模拟呼吸信号的技术如何帮助测试生理监护仪（patient monitor）和穿戴式装置的呼吸功能。
测试原理
目前主要的两种呼吸信号测试方式为阻抗式（Impedance Pneumography，IP）和波形调变式（Wave Modulation），以下将分别说明其量测原理。
1. 阻抗式（Impedance Pneumography，IP）
人体吸气和呼气造成的胸腔起伏变化，会连带产生阻抗的增减。而生理监护仪会发送一个固定的高频电流，经由导联 I 或导联 II 或导联 III 量测此阻抗变化，并推算出呼吸率。
以模拟器来说明，它是透过基线和时间变异的阻抗电路，来模拟人体胸腔阻抗变化：送出一个代表电极片贴在人体上、且维持不动的固定阻抗，以及一个因呼吸起伏造成的变异阻抗（variation）。
而生理监护仪透过送出固定高频电流，来侦测模拟器发送的固定和变异阻抗，便可以推算呼吸率。
2. 波形调变式（Wave Modulation）
波形调变式分为 EDR（ECG-derived Respiration）和 PDR（PPG-derived Respiration）两种类型，分别使用 ECG 和 PPG 推导呼吸信号，说明如下。
EDR（ECG-derived Respiration）
透过 ECG 推导的呼吸信号包含以下参数：
(1) 振幅调变（Amplitude Modulation，AM）
呼吸时，不仅人体的胸腔会变化，心脏的大小也会随之变动，所以心电信号的电轴会产生一些位置的偏移，导致心电信号的振幅出现变化。
(2) 频率调变（Frequency Modulation，FM）
因心脏跳动时的频率而产生的变化。此变化因人而异，不一定会出现，例如有些人在吸气时，心脏会跳得比较快，频率就变高。
(3) 基线调变（Baseline Modulation，BM）
呼吸时，肋骨和横膈膜的位置会移动，这个移动产生的肌电信号（EMG）会造成心电信号的基线变化。
PDR（PPG-derived Respiration）
透过 PPG 推导的呼吸信号亦包含和 EDR 相同的参数：
(1) 振幅调变（Amplitude Modulation，AM）
心脏体积的变化造成动脉的体积变动，进而影响光反射的强弱度出现改变，所以导致 PPG 振幅的变化。
(2) 频率调变（Frequency Modulation，FM）
和 EDR 的频率调变相同，因心脏跳动时的频率而产生的变化。此变化因人而异，不一定会出现，例如有些人在呼气时，心脏会跳得比较慢，频率就变低。
(3) 基线调变（Baseline Modulation，BM）
呼吸时，胸腔压力的变化造成血流的变动，进而导致基线的改变，亦称为直流（DC）调变。
模拟技术
在生理监护仪或部分穿戴式装置的呼吸监测功能测试上，可以利用模拟器进行性能验证，以确保设备对信号的判断能力和灵敏度。
目前鲸扬科技针对阻抗式和波形调变式呼吸信号，提供以下解决方案。
1. 阻抗式（Impedance Pneumography，IP）
SECG 5.0 AIO 专门输出心电模拟信号，同时模拟阻抗式呼吸，可一并叠加至心电信号上进行测试。并具备模拟呼吸中止的功能，且可设定吐气和吸气的比例，执行更精细的测试设定。
使用呼吸模块搭配 SECG 5.0 AIO 的话，可进一步提升阻抗式呼吸量测范围至 100Ω–4500Ω、阻抗变异值至 0.0Ω–10.0Ω，且在 0.0Ω–5Ω 范围中可以 0.05Ω 为单位调整。
同时，呼吸模块支持播放原始数据功能，可加载及播放临床录制或自行编制的呼吸波形，快速验证呼吸信号处理系统及算法。
AECG100 专为验证穿戴式装置的心电图功能设计，输出心电模拟信号，并可叠加起搏、输入阻抗等信号一并测试。
启用阻抗式呼吸模拟功能，便可设定呼吸率、基础值、变异值、吸气和呼气比值，亦能模拟呼吸中止的时间。
2. 波形调变式（Wave Modulation）
EDR（ECG-derived Respiration）―― SECG 5.0 AIO 多生理信号模拟器
SECG 5.0 AIO 除了阻抗式呼吸模拟，亦提供 EDR 模拟，可设定振幅调变（AM）、频率调变（FM）、基线调变（BM）的变化。
PDR（PPG-derived Respiration）―― SECG 5.0 AIO 多生理信号模拟器、AECG100 多功能综合性能测试仪、PPG 模块（PPG-2TF-660、PPG-2R-880/PPG-2R-940、PPG-1R-525）
SECG 5.0 AIO 和 AECG100 都能搭配不同的 PPG 模块，例如 PPG-2TF-660 穿透式血氧性能测试模块、PPG-2R-880/PPG-2R-940 反射式血氧性能测试模块、PPG-1R-525 反射式绿光心率性能测试模块，皆可提供 PPG 推导的呼吸信号（PDR），并选择振幅调变（AM）、频率调变（FM）和基线调变（BM）进行设定。
此文介绍的呼吸量测方法属于生物电阻抗（bioelectrical impedance）的范畴，而透过各式模拟器，可协助测试待测物使用的不同呼吸量测方式是否灵敏，以更有效地验证准确度，为最终的实际使用把关。
参考产品
单机式多生理信号模拟器，适合硬件和系统工程师研发测试使用。
输出单信道 ECG 心电模拟信号，并可叠加多种呼吸、起搏和噪声模拟信号，提供贴近真实情境的模拟；亦可播放单信道的临床数据，协助测试心电图设备的性能。
搭配 SECG 5.0 AIO 使用，可提升阻抗式呼吸信号的量测范围和分辨率，并支持播放临床呼吸数据，协助工程师模拟更多测试情境。
输出 ECG 心电模拟信号，并可叠加多种起搏、直流偏移和噪声模拟信号，有效模拟真实使用情境。搭配 PPG 模块时，可同时输出 ECG 和 PPG 信号，进行 PWTT 或 PWV 功能测试，验证待测物非侵入式血压量测算法的精确度。
- PPG 模块
包含 PPG-2TF-660 穿透式血氧性能测试模块、PPG-2R-880/PPG-2R-940 反射式血氧性能测试模块，除了 PPG 心率测试，亦可调整红光和红外光的 AC、DC、PI 值模拟 PPG 信号，测试SpO2 血氧饱和度功能的精确度；以及 PPG-1R-525 反射式绿光心率性能测试模块，可输出绿光模拟信号模拟 PPG 信号。