作者：Eugene Trosman and Eugene Palatnik

除了心率、血壓、呼吸頻率和體溫外，脈搏血氧飽和度（PO）被認為是健康狀況的“第五生命體征”。血紅蛋白（Hb）是紅細胞的重要組成部分，負責將氧氣從肺部輸送到組織。氧氣量（O2）在任何時候與Hb結合稱為氧飽和度。血氧飽和度（SpO2）以百分比表示，是與Hb結合的氧氣量與Hb的攜氧能力之比。 脈搏血氧飽和度提供了一種測量SpO2或動脈血紅蛋白飽和度的無創方法。脈搏血氧儀還可以檢測動脈血脈動，因此還可以計算和報告患者的心率。脈搏血氧儀是一種測量患者動脈血液中氧氣量的醫療設備。

典型的血氧飽和度傳感器具有一對發光二極管（LED），通過患者身體的半透明部位（通常是指尖或耳垂）面向光電二極管。一個 LED 為紅色，波長為 660 nm;另一種是紅外線，波長為940 nm。血氧的百分比是根據每個波長的光通過患者身體后的吸收率計算的。

脈搏血氧儀的一般結構如圖1所示。除模擬信號調理電路外，它還包括多個ADC和DAC，以及微控制器和相關存儲器。使用這種離散方法的實現在硬件、不動產和設計時間方面相對復雜且成本高昂。

圖1.離散脈搏血氧儀實現

ADI公司的精密模擬微控制器產品系列包括高端血氧飽和度設計所需的關鍵模擬構建模塊。此處使用的ADuC7024包括一個高性能、高速、多通道12位、1 MSPS ADC和兩個DAC。這些特征允許恢復通常在低外周血液循環期間看到的微弱動脈搏動信號。

微轉換器還包括一個32位ARM7TDMI內核。它以41.8 MHz運行，提供了一個非常強大的計算平臺。由ITEC工程公司開發的專有數字信號處理算法可檢測動脈血脈動，檢測并抑制運動偽影，計算SpO2和心率值，并過濾和縮放實時動脈血脈動波形（體積描記圖）。盡管如此，仍有大量的CPU性能用于其他功能，例如控制圖形LCD顯示屏，通過板載PWM生成音頻脈沖音等。

基于ADuC7024微型轉換器的血氧儀結構如圖2所示：

圖2.采用ADuC7024微型轉換器實現脈搏血氧儀

LED 通過 MOSFET 橋（開關 SW1 和 SW2）按順序供電。采用AMP1（1/2 AD8606）構建的恒流灌電流由微轉換器的DAC2輸出控制。

光電二極管放大器圍繞AMP2 （1/2 AD8606）構建。它將接收到的光轉換為與患者組織吸收的光成反比的電壓。該測量交替在紅色和紅外波長上進行。

可編程增益放大器（PGA）和失調級采用運算放大器AD8606和數字電位計AD5160構建。它由微轉換器動態控制。與可變電流LED驅動器（AMP1和DAC2）一起，它提供了血氧儀傳感器看到的寬范圍光學密度。

開關SW3（ADG779）去除了光電二極管看到的大部分環境光，從而允許利用ADC輸入通道的整個動態范圍。

ADC1的輸入由PGA/失調電路驅動。該ADC對放大的光電二極管信號進行數字化處理。光放大器AMP2的輸出是交流耦合的，因此ADC2監控AMP2的任何可能的環境光飽和度。

這種設計可用作獨立的血氧儀或各種醫療監測設備的構建模塊。

本設計選擇了具有7024個通用I/O（GPIO）的ADuC30微轉換器，因為與LCD接口需要大量I/O引腳。使用較少的I/O，使用ADuC7021（13個GPIO，無PWM）可以實現相同的性能水平。ADuC7021采用節省空間的6 mm×6 mm LFCSP封裝。

審核編輯：郭婷