醫(yī)療和健身領(lǐng)域發(fā)生的變化，以及相關(guān)的電子和可穿戴設(shè)備，可以被稱為真正的革命性。當(dāng)今醫(yī)療保健設(shè)備市場的需求多種多樣且具有挑戰(zhàn)性。曾經(jīng)主要用于醫(yī)院的設(shè)備現(xiàn)在用于家庭醫(yī)療應(yīng)用以及健身監(jiān)測。

測量心率和血氧水平的能力現(xiàn)在更頻繁地出現(xiàn)在消費(fèi)品中。這些測量可以使用脈搏血氧儀進(jìn)行，脈搏血氧儀現(xiàn)在既可以作為家庭醫(yī)療設(shè)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(shù)通常為97%或更高）。脈搏血氧儀是一種非侵入性設(shè)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(guān)的夾式探頭識別，該探頭通常應(yīng)用于患者的手指。

脈搏血氧儀可以是獨(dú)立的設(shè)備，是患者監(jiān)測系統(tǒng)的一部分，也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。因此，醫(yī)院的護(hù)士，家中的門診患者，健身房的健身愛好者，甚至非加壓飛機(jī)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(xì)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(xù)器2=血紅蛋白2/（血紅蛋白 + 血紅蛋白2）。

測量血氧飽和度

關(guān)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(qiáng)度。有兩種常見的方法可以做到這一點(diǎn)：（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(yī)院中發(fā)現(xiàn)的。通常，大多數(shù)醫(yī)院患者監(jiān)測系統(tǒng)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(shè)備采用反射率-脈搏-血氧飽和度法。

測量脈率

當(dāng)你的心臟跳動時(shí)，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(xì)血管中，毛細(xì)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(shè)置類型進(jìn)行測量。

血氧儀的解剖結(jié)構(gòu)

典型的脈搏血氧儀監(jiān)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(yùn)算放大器或運(yùn)算放大器對該信號進(jìn)行反相。產(chǎn)生的信號表示手指吸收的光（圖2）。

圖 2：由示波器捕獲的實(shí)時(shí)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(zhuǎn)換為Vrms，以產(chǎn)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(jīng)驗(yàn)公式組成的查找表來確定。脈沖速率可以根據(jù)脈搏血氧儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）樣本數(shù)和采樣率來計(jì)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(shè)計(jì)，通常基于校準(zhǔn)曲線，這些曲線來自具有各種SpO的受試者的大量測量結(jié)果等。2水平。圖3顯示了校準(zhǔn)曲線的示例。

圖 3：血氧儀校準(zhǔn)曲線。

血氧儀電路設(shè)計(jì)

以下示例將詳細(xì)介紹透射式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)的不同部分。該設(shè)計(jì)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(tǒng)框圖。

探針

斯波2本例中使用的探頭是一個現(xiàn)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(qū)動器電路控制。

通過手指的紅光和紅外光由信號調(diào)理電路檢測，然后饋入集成在數(shù)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(jì)算。

發(fā)光二極管驅(qū)動電路

雙通道單刀雙擲模擬開關(guān)由來自 DSC 的兩個 PWM 信號驅(qū)動，可交替打開和關(guān)閉紅色和紅外 LED。為了獲得適當(dāng)數(shù)量的ADC樣本，并且在下一個LED導(dǎo)通之前仍然有足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù)，LED根據(jù)圖5中的時(shí)序圖打開和關(guān)閉。

圖 5：血氧儀計(jì)時(shí)圖。

LED 電流/強(qiáng)度由 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 控制，該轉(zhuǎn)換器由 DSC 驅(qū)動。

模擬信號調(diào)理電路

信號調(diào)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(chǎn)生的幾微安電流轉(zhuǎn)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(fā)送到增益為22、直流失調(diào)電壓為220 mV的第二級放大器。放大器的增益和直流失調(diào)值被設(shè)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(nèi)。

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

模擬信號調(diào)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(shù)的 DSPIC DSC。本設(shè)計(jì)中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開發(fā)人員能夠利用其集成的 DSP 功能和微芯片的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具。

在每個 LED 的導(dǎo)通時(shí)間段內(nèi)采集一個 ADC 樣本，在兩個 LED 的關(guān)斷時(shí)間段內(nèi)采集一個 ADC 樣本。由于通過有機(jī)組織進(jìn)行基于光的測量具有挑戰(zhàn)性，濾波器設(shè)計(jì)工具用于實(shí)現(xiàn)513階數(shù)字FIR帶通濾波器，從而實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)的濾波。然后使用該濾波數(shù)據(jù)來計(jì)算脈沖幅度（圖6）。

該FIR帶通濾波器的規(guī)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(yuǎn)紅外窗口：凱撒

圖 6：輸入和篩選的數(shù)據(jù)。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(shù)量。Y 軸顯示 ADC 代碼值。

嵌入式醫(yī)療設(shè)備的增長。

家庭醫(yī)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(shè)備的需求在未來幾年只會增加。脈搏血氧儀參考設(shè)計(jì)（如本文中描述的參考設(shè)計(jì)）對于為醫(yī)療和健身設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供將設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)和上市的良好開端非常有用。

審核編輯：郭婷