本教程討論了不同類型的脈搏血氧儀，包括光學和反射技術，以及在構建高端便攜式床頭監(jiān)護儀或中低端電池供電型號時考慮的設計考慮因素。討論包括光吸收、傳感器校準，并詳細介紹發(fā)射路徑內的細節(jié)，從而深入發(fā)現(xiàn)光電二極管、接口、信號轉換和數據轉換特性。還包括功能框圖和零件建議。

概述

脈搏血氧儀無創(chuàng)測量或連續(xù)監(jiān)測動脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合。典型應用包括麻醉下的呼吸系統(tǒng)疾病患者、新生兒和危重患者。

在脈搏血氧儀系統(tǒng)中，帶有光學電子設備的夾子通常連接到手指、腳趾或耳朵上，以便光可以從夾子的一側通過皮膚傳輸，并通過光電二極管在另一側接收。測量血氧飽和度需要良好的動脈血流。大多數應用使用透射光學技術，但也有一些應用使用反射技術。

血氧儀類型

脈搏血氧儀有不同的形狀和尺寸，分為三大類。

高端是便攜式床邊患者監(jiān)護儀，它有一根可拆卸的電纜，其中包括一個夾子，其中包含用于測量氧飽和度的光學元件。這些型號要么專用于脈搏血氧飽和度，要么監(jiān)測多個重要參數，如脈搏、血壓、呼吸頻率和溫度。這些高端型號要求高性能，其中低噪聲信號路徑是最重要的設計參數。電源是次要考慮因素，因為監(jiān)護儀大部分時間都是線路供電的，并且僅在患者移動時才使用電池供電。尺寸不是這些設計的驅動因素。

中檔型號通常是帶有可拆卸電纜的電池供電的手持設備。性能仍然很重要，但需要與尺寸和功率限制相平衡。雖然手持設備一直使用電池，但它們有足夠的空間來容納大小適中的電池。

低端是指尖型號，它將基本單元和電纜組合成一個足夠大的夾子，以覆蓋手指并容納電子設備和電池。小尺寸意味著可能需要犧牲性能以保持小尺寸并實現(xiàn)所需的電池壽命。

脈搏血氧儀的功能框圖。

工作原理

操作基于血液中血紅蛋白的光吸收特性。氧合血紅蛋白比紅光吸收更多的紅外光， 脫氧血紅蛋白比紅外光吸收更多的紅光.因此，血氧儀中的紅色和紅外LED交替?zhèn)鬏敼猓怆姸O管接收未被吸收的光。光電二極管接收到的紅光和紅外光的比率用于計算血液中氧氣的百分比。根據動脈血流的脈動性質，在測量周期中還確定并顯示脈搏率和強度。

傳感器電纜校準

脈搏血氧儀傳感器電纜是可拆卸的，通常是一次性的。電纜中LED和光電二極管的性能可能會因制造公差或傳感器的替代版本而異。通過將EPROM或EEPROM等非易失性存儲器集成到傳感器電纜中以存儲校準系數，可以提高脈搏血氧儀的性能。基本單元使用此校準數據來優(yōu)化傳感器中特定光學元件的性能。

由于傳感器電纜的機電連接器通常具有有限的引腳，因此系統(tǒng)設計人員必須以最少的互連來添加此校準功能。最簡單、最可靠的方法是在電纜連接器上添加一個1-Wire存儲器器件。1-Wire協(xié)議是一款經過驗證的串行接口，僅使用一個連接器引腳即可為引腳受限的設計添加校準和其他功能。

此外，由于每款1-Wire產品均內置高ESD保護，因此設計人員無需使用外部保護二極管。

1-Wire存儲器器件的另一個優(yōu)點是，它們可用于將更新或新算法傳遞到基礎單元，從而為現(xiàn)場升級提供載體。它們還可以通過僅允許使用經批準的傳感器電纜來實現(xiàn)售后控制。每個64-Wire器件中刻有唯一的1位序列號。通過寫入存儲設備中的鎖定位，制造商能夠控制在需要更換之前可以使用傳感器的次數。更換是由安全問題驅動的，更具體地說，是由患者污染問題驅動的。

脈搏血氧儀解決方案

傳輸路徑：驅動 LED

紅色和紅外 LED 以精確的電流交替驅動;安靜的時間占據每個交替脈沖之間的間隔。重復頻率不快，通常遠低于10kHz。占空比也很低，以保持總功耗降低，并允許在兩個LED關閉時進行環(huán)境光測量。大多數情況下，LED位于電纜的末端，因此系統(tǒng)設計人員更喜歡使用來自基本單元的電流驅動LED。這種方法減少了電流誤差，并且需要更少的電纜線路，從而降低了成本和重量。用于驅動LED的電流必須具有最小的噪聲，因為目標帶寬中的任何噪聲都會降低系統(tǒng)的信噪比（SNR），并降低其測量危重患者低氧飽和度水平的能力。

由于多種原因，現(xiàn)成的LED驅動器通常不用于此應用。很難以所需的分辨率準確和精確地對LED電流進行編程，因為它們設計的背光應用不需要高分辨率。此外，如果LED驅動器采用開關拓撲，則電流噪聲將過高。可以使用具有線性拓撲結構的LED驅動器，但由于在電流編程時缺乏分辨率，這種方法并不理想。

LED可以獨立驅動，每個LED的基礎單元都有一條線以及共享接地。或者，為了節(jié)省連接器引腳和線路，可以以背靠背或反并聯(lián)配置驅動 LED。圖1顯示了使用兩個數模轉換器（DAC）獨立設置LED中的電流來驅動電纜中的兩個LED的方法。使用兩個DAC的優(yōu)點是，它們可以被大量濾波以降低噪聲，因為它們的輸出相對靜態(tài)。LED調制是在對這種拓撲中的DAC進行濾波之后執(zhí)行的。

圖1.簡化的紅色和紅外 LED 偏置和控制電路。

在所有拓撲中，力檢測（FS）配置中使用的運算放大器需要具有低電壓噪聲和足夠高的帶寬來調制LED。可以使用單個DAC來降低成本，但如果噪聲增加，性能可能會受到影響。通過每個LED的峰值電流根據每個LED和光電二極管的特性以及每個脈沖的持續(xù)時間而變化。實際上，所有血氧儀的峰值電流范圍從數十mA到數百mA不等，盡管單個儀表將使用更窄的電流范圍。

接收路徑：光電二極管接口、信號調理和數據轉換

光電二極管接收來自紅色和紅外LED的環(huán)境光和調制光，然后產生一個電流，該電流將隨著時間的推移進行測量以確定氧飽和度。光電二極管電流通常使用跨阻配置中的運算放大器（也稱為跨阻放大器（TIA））轉換為電壓。光電二極管接收到的光主要包括環(huán)境光，這對于確定氧飽和度或脈沖沒有用。少量未被組織、靜脈血或動脈血吸收的紅光或紅外光是感興趣的信號，并埋藏在環(huán)境光中。

圖2給出了一個簡化的電路，用于將光電二極管電流轉換為電壓、進行信號調理和模數轉換。該電路將紅色和紅外信號一起轉換，然后在數字域中處理它們。存在替代拓撲，其中使用同步解調在模擬域中分離紅光和紅外光。該技術允許使用慢速但高分辨率的模數轉換器（ADC）;但是，它在檢測運動偽像方面很差。

圖2.簡化的光電二極管接收路徑電路。

TIA 的主要規(guī)格是極低的輸入電流、輸入電流噪聲和輸入電壓噪聲，以及高壓操作。這些特性對于最大化SNR是必要的，以便在大環(huán)境電流中測量目標小電流。高壓工作意味著在使用高通濾波器移除環(huán)境部分之前，可以使用更大的反饋電阻輕松放大環(huán)境和接收的LED電流。然后放大剩余的目標小信號，以最大化ADC的動態(tài)范圍。該增益級應可編程，以補償不斷變化的環(huán)境因素和光學元件的老化。

ADC的主要規(guī)格是高SNR和采樣速率。采樣率應足夠快，以捕獲調制信號并執(zhí)行所需的數字處理，每個制造商都不同。

顯示和背光

如果床邊脈搏血氧儀是多參數患者監(jiān)護儀的一部分，則不需要自己的顯示器，因為它使用患者監(jiān)護儀中包含的大型彩色顯示器。專用于脈搏血氧儀的床頭監(jiān)護儀通常具有中等大小的彩色顯示屏，或者它們可以合并觸摸感應顯示屏以增強用戶界面并減少專用按鈕的數量。手持式型號具有簡單的 LED 或 LCD 段式顯示器或更高級的點陣 LCD 顯示屏。指尖裝置的空間和功率僅適用于小巧簡單的 LED 或 LCD 顯示屏。簡單的顯示器可以通過許多微控制器中的顯示驅動器驅動;點陣或更先進的顯示器將需要專用電路或交鑰匙顯示解決方案。LED顯示屏不需要背光;一些白光LED可用于為小型LCD顯示器提供背光。

數據接口

大多數手持式和床頭式型號都能夠與計算機連接。這種數據傳輸通常由衛(wèi)生保健提供者或技術人員執(zhí)行，而不是由患者執(zhí)行。傳統(tǒng)上，數據接口使用RS-232，格式是制造商專有的。脈搏血氧儀現(xiàn)在正在向USB或無線（藍牙?，Wi-Fi?）接口遷移，未來血氧儀將能夠安全地將數據傳輸到具有這些標準接口的任何設備。

聲音警報

聲音警報的范圍從簡單的蜂鳴器到輸出多種音調、電平和模式的揚聲器。一個簡單的蜂鳴器可以由一個或兩個具有脈寬調制（PWM）功能的微控制器端口引腳驅動。通過添加音頻DAC和揚聲器放大器，可以實現(xiàn)更高級的聲音報警。

電源和電池管理

脈搏血氧儀需要產生多個電源軌。如果存在需要自己的電源的低壓內核，則需要單獨的模擬 （3V） 和多個數字 （3V、1.8V） 電源。由于電源、裕量和噪聲方面的考慮，通常需要一個單獨的清潔電源來為 LED （5V） 供電。連接到光電二極管的TIA有時需要高電壓（+30V或-30V）以提高SNR，在某些情況下，還需要顯示器。

指尖型號使用兩節(jié) AAA 外形的原堿性電池，而手持型號使用兩節(jié) AA 原堿性電池或可充電電池。兩種型號都需要組合升壓型開關穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器 （LDO），有時還需要反相開關穩(wěn)壓器。床頭監(jiān)護儀主要由線路供電，但將使用鋰離子（Li+）或鎳氫（NiMH）可充電備用電池。通常提供穩(wěn)定的 5V 直流電壓，因此電源設計與指尖和手持型號不同。配備可充電電池的型號需要電池充電和電量計，如果電池可拆卸，則需要進行安全和售后控制認證。

靜電放電

靜電放電 （ESD） 是傳感器電纜插入的一個問題。這個潛在的問題可以通過專用的ESD線路保護器以及電路板的精心設計和布局來解決。使用ESD保護接口使設計人員能夠避免與分立保護元件相關的空間和成本。如果血氧儀配備了血氧儀，則數據端口和打印機端口也可以進行ESD。可能還需要通過外殼上的小開口解決按鈕和顯示器的空氣排放問題，但這取決于單獨的血氧儀設計。

審核編輯：郭婷