前言
呼吸頻率的定義為在靜止狀態(tài)下測量一個(gè)人每分鐘的呼吸次數，在臨床診斷上，呼吸頻率被廣泛用來(lái)評估生理狀態(tài)的信息指標，尤其用于睡眠及壓力分析。由于現在穿戴式量測生理訊號的裝置日漸普及，也使得ECG心電訊號或PPG光體積訊號較為容易取得。目前不少穿戴式產(chǎn)品制造商開(kāi)始發(fā)展從ECG或PPG訊號中提取呼吸訊號成分，由ECG訊號中分析出呼吸頻率的方法為EDR (ECG-derived Respiration)，而由PPG訊號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、訊號取得便利、安全且沒(méi)有危險性。
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)偵測呼吸率。第一個(gè)是因為呼吸導致心軸變位，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(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)偵測呼吸率。第一個(gè)是因為呼吸導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擷取出呼吸訊號出來(lái)，并計算出每分鐘的呼吸率。通常一個(gè)設備只會(huì )存在偵測一種訊號變化的功能。下圖是從EDR及PDR算出來(lái)的呼吸訊號及實(shí)際呼吸訊號的比對。
如何驗證 EDR 及 PDR 的準確度
在EDR及PDR的算法開(kāi)發(fā)時(shí)，需要建立驗證方法來(lái)確認算法的有效性。我們提出二個(gè)步驟來(lái)驗證。
第一步、利用仿真訊號驗證基本功能及系統運算效能。我們的SECG 5.0 AIO可將AM、FM及BM的呼吸調變訊號加在 ECG 訊號上。用戶(hù)可以選擇適合的調變訊號及不同參數(變動(dòng)比率、心跳數及呼吸率)驗證。調整方法如下圖，其調整范圍為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%。呼吸率可以設定每分鐘7~150下。
第二步，透過(guò)真實(shí)ECG及PPG訊號來(lái)驗證呼吸率的計算與實(shí)際透過(guò)阻抗式、溫度或壓電式呼吸量測法來(lái)做比對。目前在PhysioNet 的網(wǎng)站里有四個(gè)適合的數據庫。
數據庫
由此四個(gè)公開(kāi)數據庫可取得ECG或PPG 的訊號，經(jīng)由我們的SECG 5.0 AIO或AECG100，可將數據庫的數字檔案轉換成模擬訊號輸出。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)際量測的每分鐘呼吸率來(lái)做比對。
結論
EDR及PDR的應用日益增加，而呼吸率的準確性亦是使用者所關(guān)注重點(diǎn)之一。我們提供有效率的驗證方法，協(xié)助醫療器材制造商在進(jìn)入臨床測試前，能夠以重復且有效的方式做性能及算法效率的驗證，提升臨床測試的成功率，也可以運用在生產(chǎn)在線(xiàn)做為生產(chǎn)質(zhì)量的把關(guān)。
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更新時(shí)間：2023-10-24 
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