呼吸訊號是臨床監測的重要生理參數之一，在重症病房、手術中，是評估病患即時生理狀態不可或缺的一項指標，亦用於追蹤病情，觀察長期狀態是否改善或惡化。
本文將介紹現行主流的兩種呼吸訊號測試原理，以及模擬呼吸訊號的技術如何幫助測試生理監護儀（patient monitor）和穿戴式裝置的呼吸功能。
測試原理
目前主要的兩種呼吸訊號測試方式為阻抗式（Impedance Pneumography，IP）和波形調變式（Wave Modulation），以下將分別說明其量測原理。
1. 阻抗式（Impedance Pneumography，IP）
人體吸氣和呼氣造成的胸腔起伏變化，會連帶產生阻抗的增減。而生理監護儀會發送一個固定的高頻電流，經由導聯 I 或導聯 II 或導聯 III 量測此阻抗變化，並推算出呼吸率。
以模擬器來說明，它是透過基線和時間變異的阻抗電路，來模擬人體胸腔阻抗變化：送出一個代表電極片貼在人體上、且維持不動的固定阻抗，以及一個因呼吸起伏造成的變異阻抗（variation）。
而生理監護儀透過送出固定高頻電流，來偵測模擬器發送的固定和變異阻抗，便可以推算呼吸率。
2. 波形調變式（Wave Modulation）
波形調變式分為 EDR（ECG-derived Respiration）和 PDR（PPG-derived Respiration）兩種類型，分別使用 ECG 和 PPG 推導呼吸訊號，說明如下。
EDR（ECG-derived Respiration）
透過 ECG 推導的呼吸訊號包含以下參數：
(1) 振幅調變（Amplitude Modulation，AM）
呼吸時，不僅人體的胸腔會變化，心臟的大小也會隨之變動，所以心電訊號的電軸會產生一些位置的偏移，導致心電訊號的振幅出現變化。
(2) 頻率調變（Frequency Modulation，FM）
因心臟跳動時的頻率而產生的變化。此變化因人而異，不一定會出現，例如有些人在吸氣時，心臟會跳得比較快，頻率就變高。
(3) 基線調變（Baseline Modulation，BM）
呼吸時，肋骨和橫膈膜的位置會移動，這個移動產生的肌電訊號（EMG）會造成心電訊號的基線變化。
PDR（PPG-derived Respiration）
透過 PPG 推導的呼吸訊號亦包含和 EDR 相同的參數：
(1) 振幅調變（Amplitude Modulation，AM）
心臟體積的變化造成動脈的體積變動，進而影響光反射的強弱度出現改變，所以導致 PPG 振幅的變化。
(2) 頻率調變（Frequency Modulation，FM）
和 EDR 的頻率調變相同，因心臟跳動時的頻率而產生的變化。此變化因人而異，不一定會出現，例如有些人在呼氣時，心臟會跳得比較慢，頻率就變低。
(3) 基線調變（Baseline Modulation，BM）
呼吸時，胸腔壓力的變化造成血流的變動，進而導致基線的改變，亦稱為直流（DC）調變。
模擬技術
在生理監護儀或部分穿戴式裝置的呼吸監測功能測試上，可以利用模擬器進行性能驗證，以確保設備對訊號的判斷能力和靈敏度。
目前鯨揚科技針對阻抗式和波形調變式呼吸訊號，提供以下解決方案。
1. 阻抗式（Impedance Pneumography，IP）
SECG 5.0 AIO 專門輸出心電類比訊號，同時模擬阻抗式呼吸，可一併疊加至心電訊號上進行測試。並具備模擬呼吸中止的功能，且可設定吐氣和吸氣的比例，執行更精細的測試設定。
使用呼吸模組搭配 SECG 5.0 AIO 的話，可進一步提升阻抗式呼吸量測範圍至 100Ω–4500Ω、阻抗變異值至 0.0Ω–10.0Ω，且在 0.0Ω–5Ω 範圍中可以 0.05Ω 為單位調整。
同時，呼吸模組支援播放原始數據功能，可載入及播放臨床錄製或自行編製的呼吸波形，快速驗證呼吸訊號處理系統及演算法。
AECG100 專為驗證穿戴式裝置的心電圖功能設計，輸出心電類比訊號，並可疊加起搏、輸入阻抗等訊號一併測試。
啟用阻抗式呼吸模擬功能，便可設定呼吸率、基礎值、變異值、吸氣和呼氣比值，亦能模擬呼吸中止的時間。
2. 波形調變式（Wave Modulation）
EDR（ECG-derived Respiration）―― SECG 5.0 AIO 多生理訊號模擬器
SECG 5.0 AIO 除了阻抗式呼吸模擬，亦提供 EDR 模擬，可設定振幅調變（AM）、頻率調變（FM）、基線調變（BM）的變化。
PDR（PPG-derived Respiration）―― SECG 5.0 AIO 多生理訊號模擬器、AECG100 多功能綜合性能測試儀、PPG 模組（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 模組，例如 PPG-2TF-660 穿透式血氧性能測試模組、PPG-2R-880/PPG-2R-940 反射式血氧性能測試模組、PPG-1R-525 反射式綠光心率性能測試模組，皆可提供 PPG 推導的呼吸訊號（PDR），並選擇振幅調變（AM）、頻率調變（FM）和基線調變（BM）進行設定。
此文介紹的呼吸量測方法屬於生物電阻抗（bioelectrical impedance）的範疇，而透過各式模擬器，可協助測試待測物使用的不同呼吸量測方式是否靈敏，以更有效地驗證準確度，為最終的實際使用把關。
參考產品
單機式多生理訊號模擬器，適合硬體和系統工程師研發測試使用。
輸出單通道 ECG 心電類比訊號，並可疊加多種呼吸、起搏和雜訊模擬訊號，提供貼近真實情境的模擬；亦可播放單通道的臨床數據，協助測試心電圖設備的性能。
搭配 SECG 5.0 AIO 使用，可提升阻抗式呼吸訊號的量測範圍和解析度，並支援播放臨床呼吸數據，協助工程師模擬更多測試情境。
輸出 ECG 心電類比訊號，並可疊加多種起搏、直流偏移和雜訊模擬訊號，有效模擬真實使用情境。搭配 PPG 模組時，可同時輸出 ECG 和 PPG 訊號，進行 PWTT 或 PWV 功能測試，驗證待測物非侵入式血壓量測演算法的精確度。
- PPG 模組
包含 PPG-2TF-660 穿透式血氧性能測試模組、PPG-2R-880/PPG-2R-940 反射式血氧性能測試模組，除了 PPG 心率測試，亦可調整紅光和紅外光的 AC、DC、PI 值模擬 PPG 訊號，測試 SpO2 血氧飽和度功能的精確度；以及 PPG-1R-525 反射式綠光心率性能測試模組，可輸出綠光類比訊號模擬 PPG 訊號。