醫療和健身領域，以及這些領域的相關電子設備，真可謂是在發生日新月異的變化。當今醫療保健設備市場的需求不僅巨大而多樣，且極具挑戰性。以往主要在醫院使用的設備，現在也被用于家庭醫療和健康監測。 例如，在如今的消費類產品中，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測系統的組成部分，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境中作業的飛行員。 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 醫院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多數醫院使用的患者監測系統都集成了透射式脈搏血氧計。不過，許多新研發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）的吸收特性來監測人血的血氧飽和度（SpO2）。此類脈搏血氧計會交替發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）經測量后轉換為Vrms，以通過以下公式計算比率： SpO2可通過該比值和依據經驗設定的查找表來確定。可根據脈搏血氧計的模數轉換器（ADC）采樣數和采樣率計算心率。 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，它通常基于大量檢測不同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框圖 7 探測頭 本示例中使用的SpO2探測頭為一種現成的指夾，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驅動電路控制。 信號調理電路檢測到穿過手指的紅光和紅外光后，將其饋入集成在數字信號控制器（DSC）中的12位ADC模塊，以計算SpO2的百分比。 8 LED驅動電路 DSC的兩個PWM信號驅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據，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驅動的12位數模轉換器（DAC）控制。 9 模擬信號調理電路 信號調理電路包含兩級。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生的幾微安電流轉換為幾毫伏電壓。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。