醫(yī)療和健身領域，以及這些領域的相關電子設備，真可謂是在發(fā)生日新月異的變化。當今醫(yī)療保健設備市場的需求不僅巨大而多樣，且極具挑戰(zhàn)性。以往主要在醫(yī)院使用的設備，現(xiàn)在也被用于家庭醫(yī)療和健康監(jiān)測。

例如，在如今的消費類產(chǎn)品中，常常可以見到用于測量心率和血氧水平的設備。脈搏血氧計就可以完成這兩項測量，目前這款設備在市面上以兩種形式銷售，分別是家用醫(yī)療設備和腕帶式健身活動追蹤器的集成部件。

本文介紹了醫(yī)療和健身應用中脈搏血氧計的基礎知識。同時給出一個脈搏血氧計的設計示例，講述測量心率和血氧水平的方法。

1什么是血氧定量法？

血氧定量法測量血氧飽和度，通常以百分比表示。脈搏血氧計是一種非侵入性設備，用于測量人的血氧飽和度和心率。通過設備的夾狀探測頭（通常夾到患者手指上），很容易對脈搏血氧計進行識別。

脈搏血氧計既可以是獨立設備或患者監(jiān)測系統(tǒng)的組成部分，也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。相應地，脈搏血氧計的使用者可以是醫(yī)院的護士、回到家中的門診病人、健身中心的健身愛好者甚至是低壓環(huán)境中作業(yè)的飛行員。

2什么是血氧飽和度？

血氧飽和度通過測量血紅蛋白得出，血紅蛋白是紅細胞中攜帶氧氣的色素，這也是其呈現(xiàn)紅色的原因所在。血紅蛋白將氧氣輸送到人體各個組織，具有兩種存在形式。第一種叫做氧合血紅蛋白，表示為HbO2（即有氧）。另一種叫做去氧血紅蛋白，表示為Hb（即無氧）。

因此，血氧飽和度（SpO2）為氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白之比。也可以表示為：

血氧飽和度的值以百分比表示。正常讀數(shù)通常為97%或更高。

3脈搏血氧計如何測量血氧飽和度（SpO2）？

血紅蛋白有個有趣之處是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收較多（反射較少）的可見紅光。而HbO2可吸收較多（反射較少）的紅外光。由于可通過比較Hb和HbO2的值來確定血氧飽和度，因此有一種測量方法就是讓紅色LED和紅外LED光穿過身體的某個部位（如手指或手腕），然后比較這兩種光的相對強度。有兩種常用方法可以實現(xiàn)這一目的：(1)測量透過組織的光強度的方法叫做透射式血氧定量法，而(2)測量組織反射的光強度的方法叫做反射式血氧定量法（見圖1）。

圖1：兩種血氧定量法

醫(yī)院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多數(shù)醫(yī)院使用的患者監(jiān)測系統(tǒng)都集成了透射式脈搏血氧計。不過，許多新研發(fā)的高端可穿戴健身設備則采用反射式脈搏血氧定量法。

4脈搏血氧計如何測量心率？

心臟搏動時，會將血液泵向全身。每次心臟收縮時，都會將血液擠入毛細血管，使其容積略微增加。心臟舒張時，毛細血管容積會減小。這種容積上的改變會影響透射過組織的光量，如紅光和紅外光量。盡管這一波動很小，卻可以通過脈搏血氧計進行測量，并且只需采用測量血氧飽和度時所用的同類裝置即可。

5詳細工作原理

典型的脈搏血氧計可根據(jù)氧合血紅蛋白（HbO2）和去氧血紅蛋白（Hb）對紅光（采用600-750 nm波長）和紅外光（采用850-1000 nm波長）的吸收特性來監(jiān)測人血的血氧飽和度（SpO2）。此類脈搏血氧計會交替發(fā)射紅光和紅外光穿過身體部位（如手指）到達一個光電二極管傳感器。

光電二極管通常用于接收來自每個LED的未吸收光線。隨后，此信號會通過反向運算放大器（或運放）進行反相。所得到的信號代表被手指吸收的光，如圖2所示。

圖2：由示波器捕捉的實時紅光和紅外光（IR）脈動信號

紅光和紅外光信號的脈沖幅度（Vpp）經(jīng)測量后轉(zhuǎn)換為Vrms，以通過以下公式計算比率：

SpO2可通過該比值和依據(jù)經(jīng)驗設定的查找表來確定。可根據(jù)脈搏血氧計的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采樣數(shù)和采樣率計算心率。

查找表是脈搏血氧計的重要組成部分。查找表與具體的血氧計設計相對應，它通?；诖罅?a target="_blank">檢測不同SpO2水平的對象所繪制的校準曲線。圖3顯示了校準曲線的一個示例。

圖3：示例校準曲線

6電路設計說明

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，該設計展示了心率和血氧飽和度水平的測量過程。

圖4：透射式脈搏血氧計系統(tǒng)框圖

7探測頭

本示例中使用的SpO2探測頭為一種現(xiàn)成的指夾，其中集成了一個紅光LED、一個紅外光LED和一個光電二極管。這些LED由LED驅(qū)動電路控制。

信號調(diào)理電路檢測到穿過手指的紅光和紅外光后，將其饋入集成在數(shù)字信號控制器（DSC）中的12位ADC模塊，以計算SpO2的百分比。

8LED驅(qū)動電路

DSC的兩個PWM信號驅(qū)動一個雙通道單刀雙擲模擬開關，交替開關紅光LED和紅外光LED。為獲取適量的ADC采樣，且在下一次LED亮起前有足夠的時間來處理數(shù)據(jù)，我們按照圖5所示的時序圖來控制LED的通斷。

圖5：時序圖

LED電流/強度通過由DSC驅(qū)動的12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）控制。

9模擬信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路包含兩級。第一級為跨阻放大器，第二級為增益放大器。在這兩級之間放置一個高通濾波器。

跨阻放大器將光電二極管產(chǎn)生的幾微安電流轉(zhuǎn)換為幾毫伏電壓。第一級放大器接收的信號隨后通過一個高通濾波器，以減少背景光干擾。

高通濾波器輸出的信號接著送至增益為22且直流偏壓為220 mV的第二級放大器。該放大器的增益和直流偏壓應設為適當值，以使增益放大器的輸出信號電平處于MCU的ADC范圍內(nèi)。

10數(shù)字濾波器設計

模擬信號調(diào)理電路的輸出與DSC的集成12位ADC模塊相連。對于本示例，我們采用了Microchip Technology的dsPIC DSC。在該設計中采用dsPIC33FJ128GP802，使我們既可以利用它集成的DSP功能，又能方便地使用Microchip的數(shù)字濾波器設計工具。

在每個LED導通期間進行一次ADC采樣，在這兩種LED的關斷期間也進行一次ADC采樣。由于直接測量通過機體組織的光量比較困難，因此我們采用濾波器設計工具來實現(xiàn)513階FIR帶通數(shù)字濾波器，這樣就可以對ADC數(shù)據(jù)進行濾波。然后，使用經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)計算脈沖幅度，如圖6所示。

FIR帶通濾波器的規(guī)格如下：

采樣頻率（Hz）：500 帶通紋波（-dB）：0.1

帶通頻率（Hz）：1 & 5 阻帶紋波（-dB）：50

阻帶頻率（Hz）：0.05 & 25 濾波器長度：513

FIR窗口：Kaiser

圖6：輸入和經(jīng)濾波的數(shù)據(jù)

顯示為紅色的曲線圖1是FIR濾波器的輸入信號

顯示為綠色的曲線圖2是FIR濾波器的輸出信號

X軸表示ADC采樣數(shù)

Y軸表示ADC代碼值

11結(jié)論

家庭醫(yī)療和健身市場正在快速增長。在未來幾年內(nèi)，對于可測量心率和血氧水平的設備的需求必然會上升。脈搏血氧計參考設計（如本文所述）對于醫(yī)療和健身設備的設計人員大有裨益，可幫助他們在將設計轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品并打入市場方面占盡先機。