醫療和健身領域發生的變化，以及與之相關的電子和可穿戴設備，可以稱為真正的革命性變革。當今醫療保健設備市場的需求多種多樣且具有挑戰性。曾經主要在醫院發現的設備現在用于家庭醫療應用以及健身監測。

測量心率和血氧水平的功能現在越來越多地出現在消費品中。可以使用脈搏血氧儀進行這些測量，脈搏血氧儀現在既可以作為家庭醫療設備使用，也可以作為集成可穿戴健身活動追蹤器的一部分。

什么是血氧飽和度？

血氧飽和度測量血液中的氧飽和度，通常以百分比表示（正常讀數通常為 97% 或更高）。脈搏血氧儀是一種非侵入性設備，可測量人血液的氧飽和度以及心率。脈搏血氧儀很容易被其相關的夾式探頭識別，該探頭通常應用于患者的手指。

脈搏血氧儀可以是獨立設備、患者監測系統的一部分或集成到可穿戴健身追蹤器中。因此，脈搏血氧儀被醫院的護士、家中的門診病人、健身房的健身愛好者，甚至是無壓飛機上的飛行員使用。

血氧飽和度

血氧飽和度是通過檢查血紅蛋白來測量的，血紅蛋白是紅細胞的載氧色素，使紅細胞呈紅色并用于將氧氣輸送到組織。血紅蛋白有兩種形式。第一種稱為氧化（氧）血紅蛋白，表示為 HbO 2（也稱為“載氧”）。第二種稱為還原氧（脫氧）血紅蛋白，表示為 Hb（“缺氧”）。

血氧飽和度 （SpO 2 ） 是氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的比率。這也可以表示為：SpO 2 =HbO 2 /（Hb + HbO 2 ）。

測量血氧飽和度

關于血紅蛋白的真正有趣的事情之一是它如何反射和吸收光。例如，Hb 吸收更多（并且反射更少）可見紅光。HbO 2吸收更多（并且反射更少）紅外光。由于血氧飽和度可以通過比較 Hb 和 HbO 2的值來確定，因此一種方法是通過身體部位（例如手指或手腕）同時照射紅色 LED 和紅外 LED，然后比較它們的相對值。強度。有兩種常用的方法：（1） 測量透過組織的光稱為透射式血氧飽和度法，（2） 測量組織反射的光稱為反射式血氧飽和度法。

在醫院中發現了透射式脈搏血氧儀的一個例子。通常，大多數醫院病人監護系統都有一個集成的透射式脈搏血氧儀。另一方面，許多較新的高端可穿戴健身設備都采用反射-脈搏-血氧測定法。

測量脈率

當您的心臟跳動時，它會將血液泵入您的身體。在每次心跳期間，血液都會被擠入毛細血管，毛細血管的體積會略微增加。在心跳之間，音量減小。這種體積變化會影響將通過組織傳輸的光量，例如紅光或紅外光的量。雖然這種波動非常小，但可以通過脈搏血氧儀使用與測量血氧飽和度相同的設置來測量。

血氧計的解剖

典型的脈搏血氧儀根據 HbO 2和 Hb的紅光（使用 600-750 nm 波長）和紅外光（使用 850-1000 nm 波長）吸收特性監測人血液的 SpO 2 。這種類型的脈搏血氧儀通過身體部位（例如手指）交替閃爍紅光和紅外光，到達光電二極管傳感器。

光電二極管通常用于接收來自每個 LED 的非吸收光。然后使用反相運算放大器或運算放大器將該信號反相。產生的信號代表已被手指吸收的光（圖 2）。

圖 2：由示波器捕獲的實時紅色和紅外 （IR） 脈動信號。

測量紅色和紅外信號的脈沖幅度 （Vpp） 并將其轉換為 Vrms，以產生比率值：比率 = （Red_AC_Vrms/Red_DC） / （IR_AC_Vrms/IR_DC）。

SpO 2可以使用比率值和由經驗公式組成的查找表來確定。可以根據脈搏血氧儀的模數轉換器 （ADC） 采樣數和采樣率計算脈搏率。

查找表是脈搏血氧儀的重要組成部分。查找表特定于特定的血氧計設計，通常基于校準曲線，其中包括來自具有不同 SpO 2水平的受試者的大量測量值。圖 3 顯示了校準曲線的示例。

圖 3：血氧計校準曲線。

血氧儀電路設計

以下示例將詳細介紹透射式脈搏血氧計設計的不同部分。如圖 4 所示，這種設計演示了脈搏率和血氧飽和度水平的測量。

圖 4：透射式脈搏血氧儀系統框圖。

探測

本例中使用的 SpO 2探頭是現成的手指夾，集成了一個紅色 LED 和一個 IR LED，以及一個光電二極管。LED 由 LED 驅動電路控制。

通過手指的紅光和紅外光由信號調理電路檢測，然后饋入集成在數字信號控制器（DSC）中的 12 位 ADC 模塊，計算 SpO 2的百分比。

LED驅動電路

由來自 DSC 的兩個 PWM 信號驅動的雙單刀雙擲模擬開關交替打開和關閉紅色和紅外 LED。為了獲取正確數量的 ADC 樣本并在下一個 LED 開啟之前仍有足夠的時間處理數據，LED 根據圖 5 中的時序圖進行開啟和關閉。

圖 5：血氧計時序圖。

LED 電流/強度由 DSC 驅動的 12 位數模轉換器 （DAC） 控制。

模擬信號調理電路

信號調理電路有兩個階段。第一級是跨阻放大器，第二級是增益放大器。高通濾波器放置在兩級之間。

跨阻放大器將光電二極管產生的幾微安電流轉換為幾毫伏 （mV）。從這個第一級放大器接收到的信號然后通過一個高通濾波器，該濾波器旨在減少背景光干擾。

高通濾波器的輸出然后被發送到增益為 22 和 DC 偏移電壓為 220 mV 的第二級放大器。放大器增益和 DC 偏移值的設置是為了將增益放大器的輸出信號電平適當地置于 MCU 的 ADC 范圍內。

數字濾波器設計

模擬信號調理電路的輸出連接到 DSC 的集成 12 位 ADC 模塊。此示例使用 Microchip Technology 的 dsPIC DSC。本設計中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開發人員能夠利用其集成的 DSP 功能和 Microchip 的數字濾波器設計工具。

在每個 LED 的開啟時間段內采集一個 ADC 樣本，在兩個 LED 的關閉時間段內采集一個 ADC 樣本。由于通過有機組織進行基于光的測量存在挑戰，因此使用濾波器設計工具來實現 513 階數字 FIR 帶通濾波器，該濾波器能夠過濾 ADC 數據。然后使用此過濾數據計算脈沖幅度（圖 6）。

此 FIR 帶通濾波器的規格為：

· 采樣頻率（Hz）：500

· 通帶紋波（-dB）：0.1

· 通帶頻率 （Hz）：1 和 5

· 阻帶紋波（-dB）：50

· 阻帶頻率（Hz）：0.05和25

· 過濾器長度：513

· FIR 窗口：Kaiser

圖 6：輸入和過濾的數據。圖 1 以紅色顯示，是 FIR 濾波器的輸入信號。圖 2 以綠色顯示，是 FIR 濾波器的輸出信號。X 軸顯示 ADC 樣本的數量。Y 軸顯示 ADC 代碼值。

嵌入式醫療設備的增長。

家庭醫療和健身市場正在快速增長。對可以測量心率和血氧水平的設備的需求在未來幾年只會增加。脈搏血氧計參考設計（例如本文中描述的設計）非常有助于為醫療和健身設備設計人員提供將其設計投入生產和推向市場的良好開端。

審核編輯：郭婷