醫療和健身領域發生的變化，以及相關的電子和可穿戴設備，可以被稱為真正的革命性。當今醫療保健設備市場的需求多種多樣且具有挑戰性。曾經主要用于醫院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能力現在更頻繁地出現在消費品中。這些測量可以使用脈搏血氧儀進行，脈搏血氧儀現在既可以作為家庭醫療設備，也可以作為集成可穿戴健身活動追蹤器的一部分。

什么是血氧儀？

血氧飽和度是血液中氧飽和度的測量，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，用于測量人體血液的血氧飽和度以及心率。脈搏血氧儀很容易通過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的設備，是患者監測系統的一部分，也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。因此，醫院的護士，家中的門診患者，健身房的健身愛好者，甚至非加壓飛機上的飛行員都使用脈搏血氧儀。

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攜氧色素，使它們呈紅色，并用于將氧氣輸送到組織中。血紅蛋白有兩種形式。第一種稱為氧化（氧基）血紅蛋白，表示為HbO2（也稱為“含氧”）。第二種稱為還原氧（脫氧）血紅蛋白，其表示為Hb（“缺氧”）。

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

測量血氧飽和度

關于血紅蛋白的一個真正有趣的事情是它如何反射和吸收光。例如，Hb吸收更多（和反射更少）可見的紅光。人球蛋白2吸收更多（和反射更少）的紅外光。由于血氧飽和度可以通過比較 Hb 和 HbO 的值來確定2，一種方法是通過身體部位（例如手指或手腕）照射紅色LED和紅外LED，然后比較它們的相對強度。有兩種常見的方法可以做到這一點：（1）測量通過組織透射的光稱為透射血氧儀，以及（2）測量組織反射的光稱為反射率血氧儀。

透射式脈搏血氧儀的一個例子是在醫院中發現的。通常，大多數醫院患者監測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采用反射率-脈搏-血氧飽和度法。

測量脈率

當你的心臟跳動時，它會將血液泵入你的身體。在每次心跳期間，血液被擠壓到毛細血管中，毛細血管的體積會略微增加。在檢測信號之間，音量減小。體積的這種變化會影響將通過組織透射的光量，例如紅光或紅外光的量。雖然這種波動非常小，但它可以通過脈搏血氧儀使用與測量血氧飽和度相同的設置類型進行測量。

血氧儀的解剖結構

典型的脈搏血氧儀監測 SpO2基于紅光（使用600-750nm波長）和紅外光（使用850-1000nm波長）HbO吸收特性的人的血液2和血紅蛋白。這種類型的脈搏血氧儀將紅光和紅外光交替閃爍，通過身體部位（如手指）到光電二極管傳感器。

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對該信號進行反相。產生的信號表示手指吸收的光（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）。

斯波2可以使用比率值和由經驗公式組成的查找表來確定。脈沖速率可以根據脈搏血氧儀的模數轉換器（ADC）樣本數和采樣率來計算。

查找臺是脈搏血氧儀的重要組成部分。查找表特定于特定的血氧儀設計，通常基于校準曲線，這些曲線來自具有各種SpO的受試者的大量測量結果等。2水平。圖3顯示了校準曲線的示例。

圖 3：血氧儀校準曲線。

血氧儀電路設計

以下示例將詳細介紹透射式脈搏血氧儀設計的不同部分。該設計如圖4所示，演示了脈搏率和血氧飽和度的測量。

圖 4：透射式脈搏血氧儀系統框圖。

探針

斯波2本例中使用的探頭是一個現成的指夾，集成了一個紅色LED和一個紅外LED，以及一個光電二極管。指示燈由 LED 驅動器電路控制。

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模塊中，其中SpO的百分比2已計算。

發光二極管驅動電路

雙通道單刀雙擲模擬開關由來自 DSC 的兩個 PWM 信號驅動，可交替打開和關閉紅色和紅外 LED。為了獲得適當數量的ADC樣本，并且在下一個LED導通之前仍然有足夠的時間處理數據，LED根據圖5中的時序圖打開和關閉。

圖 5：血氧儀計時圖。

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

模擬信號調理電路

信號調理電路分為兩個階段。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）。然后，從該第一級放大器接收到的信號通過高通濾波器，該濾波器旨在減少背景光干擾。

然后，高通濾波器的輸出被發送到增益為22、直流失調電壓為220 mV的第二級放大器。放大器的增益和直流失調值被設置好，以便將增益放大器的輸出信號電平正確置于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。此示例利用了微芯片技術的 DSPIC DSC。本設計中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開發人員能夠利用其集成的 DSP 功能和微芯片的數字濾波器設計工具。

在每個 LED 的導通時間段內采集一個 ADC 樣本，在兩個 LED 的關斷時間段內采集一個 ADC 樣本。由于通過有機組織進行基于光的測量具有挑戰性，濾波器設計工具用于實現513階數字FIR帶通濾波器，從而實現ADC數據的濾波。然后使用該濾波數據來計算脈沖幅度（圖6）。

該FIR帶通濾波器的規格是：

· 采樣頻率（赫茲）： 500

· 通帶紋波：0.1

· 通帶頻率 （Hz）：1 和 5

· 阻帶紋波（-分貝）： 50

· 阻帶頻率 （Hz）： 0.05 和 25

· 過濾長度：513

· 遠紅外窗口：凱撒

圖 6：輸入和篩選的數據。圖1（紅色）是FIR濾波器的輸入信號。圖2（綠色）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。對能夠測量心率和血氧水平的設備的需求在未來幾年只會增加。脈搏血氧儀參考設計（如本文中描述的參考設計）對于為醫療和健身設備設計人員提供將設計投入生產和上市的良好開端非常有用。

審核編輯：郭婷