測量便攜式醫(yī)療和可穿戴設(shè)備的心率和血氧水平

醫(yī)療和健身領(lǐng)域發(fā)生的變化，以及與之相關(guān)的電子和可穿戴設(shè)備，可以稱為真正的革命性變革。當今醫(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)主要在醫(yī)院發(fā)現(xiàn)的設(shè)備現(xiàn)在用于家庭醫(yī)療應用以及健身監(jiān)測。

測量心率和血氧水平的功能現(xiàn)在越來越多地出現(xiàn)在消費品中。可以使用脈搏血氧儀進行這些測量，脈搏血氧儀現(xiàn)在既可以作為家庭醫(yī)療設(shè)備使用，也可以作為集成可穿戴健身活動追蹤器的一部分。

什么是血氧飽和度？

血氧飽和度測量血液中的氧飽和度，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，可測量人血液的氧飽和度以及心率。脈搏血氧儀很容易被其相關(guān)的夾式探頭識別，該探頭通常應用于患者的手指。

脈搏血氧儀可以是獨立設(shè)備、患者監(jiān)測系統(tǒng)的一部分或集成到可穿戴健身追蹤器中。因此，脈搏血氧儀被醫(yī)院的護士、家中的門診病人、健身房的健身愛好者，甚至是無壓飛機上的飛行員使用。

血氧飽和度

血氧飽和度是通過檢查血紅蛋白來測量的，血紅蛋白是紅細胞的載氧色素，使紅細胞呈紅色并用于將氧氣輸送到組織。血紅蛋白有兩種形式。第一種稱為氧化（氧）血紅蛋白，表示為 HbO 2（也稱為“載氧”）。第二種稱為還原氧（脫氧）血紅蛋白，表示為 Hb（“缺氧”）。

血氧飽和度 （SpO 2 ） 是氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的比率。這也可以表示為：SpO 2 =HbO 2 /（Hb + HbO 2 ）。

測量血氧飽和度

關(guān)于血紅蛋白的真正有趣的事情之一是它如何反射和吸收光。例如，Hb 吸收更多（并且反射更少）可見紅光。HbO 2吸收更多（并且反射更少）紅外光。由于血氧飽和度可以通過比較 Hb 和 HbO 2的值來確定，因此一種方法是通過身體部位（例如手指或手腕）同時照射紅色 LED 和紅外 LED，然后比較它們的相對值。強度。有兩種常用的方法：（1） 測量透過組織的光稱為透射式血氧飽和度法，（2） 測量組織反射的光稱為反射式血氧飽和度法。

在醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)了透射式脈搏血氧儀的一個例子。通常，大多數(shù)醫(yī)院病人監(jiān)護系統(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)備都采用反射-脈搏-血氧測定法。

測量脈率

當您的心臟跳動時，它會將血液泵入您的身體。在每次心跳期間，血液都會被擠入毛細血管，毛細血管的體積會略微增加。在心跳之間，音量減小。這種體積變化會影響將通過組織傳輸?shù)墓饬?，例如紅光或紅外光的量。雖然這種波動非常小，但可以通過脈搏血氧儀使用與測量血氧飽和度相同的設(shè)置來測量。

血氧計的解剖

典型的脈搏血氧儀根據(jù) HbO 2和 Hb的紅光（使用 600-750 nm 波長）和紅外光（使用 850-1000 nm 波長）吸收特性監(jiān)測人血液的 SpO 2 。這種類型的脈搏血氧儀通過身體部位（例如手指）交替閃爍紅光和紅外光，到達光電二極管傳感器。

光電二極管通常用于接收來自每個 LED 的非吸收光。然后使用反相運算放大器或運算放大器將該信號反相。產(chǎn)生的信號代表已被手指吸收的光（圖 2）。

圖 2：由示波器捕獲的實時紅色和紅外 （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）。

SpO 2可以使用比率值和由經(jīng)驗公式組成的查找表來確定?？梢愿鶕?jù)脈搏血氧儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 采樣數(shù)和采樣率計算脈搏率。

查找表是脈搏血氧儀的重要組成部分。查找表特定于特定的血氧計設(shè)計，通常基于校準曲線，其中包括來自具有不同 SpO 2水平的受試者的大量測量值。圖 3 顯示了校準曲線的示例。

圖 3：血氧計校準曲線。

血氧儀電路設(shè)計

以下示例將詳細介紹透射式脈搏血氧計設(shè)計的不同部分。如圖 4 所示，這種設(shè)計演示了脈搏率和血氧飽和度水平的測量。

圖 4：透射式脈搏血氧儀系統(tǒng)框圖。

探測

本例中使用的 SpO 2探頭是現(xiàn)成的手指夾，集成了一個紅色 LED 和一個 IR LED，以及一個光電二極管。LED 由 LED 驅(qū)動電路控制。

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，計算 SpO 2的百分比。

LED驅(qū)動電路

由來自 DSC 的兩個 PWM 信號驅(qū)動的雙單刀雙擲模擬開關(guān)交替打開和關(guān)閉紅色和紅外 LED。為了獲取正確數(shù)量的 ADC 樣本并在下一個 LED 開啟之前仍有足夠的時間處理數(shù)據(jù)，LED 根據(jù)圖 5 中的時序圖進行開啟和關(guān)閉。

圖 5：血氧計時序圖。

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

模擬信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路有兩個階段。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）。從這個第一級放大器接收到的信號然后通過一個高通濾波器，該濾波器旨在減少背景光干擾。

高通濾波器的輸出然后被發(fā)送到增益為 22 和 DC 偏移電壓為 220 mV 的第二級放大器。放大器增益和 DC 偏移值的設(shè)置是為了將增益放大器的輸出信號電平適當?shù)刂糜?MCU 的 ADC 范圍內(nèi)。

數(shù)字濾波器設(shè)計

模擬信號調(diào)理電路的輸出連接到 DSC 的集成 12 位 ADC 模塊。此示例使用 Microchip Technology 的 dsPIC DSC。本設(shè)計中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開發(fā)人員能夠利用其集成的 DSP 功能和 Microchip 的數(shù)字濾波器設(shè)計工具。

在每個 LED 的開啟時間段內(nèi)采集一個 ADC 樣本，在兩個 LED 的關(guān)閉時間段內(nèi)采集一個 ADC 樣本。由于通過有機組織進行基于光的測量存在挑戰(zhàn)，因此使用濾波器設(shè)計工具來實現(xiàn) 513 階數(shù)字 FIR 帶通濾波器，該濾波器能夠過濾 ADC 數(shù)據(jù)。然后使用此過濾數(shù)據(jù)計算脈沖幅度（圖 6）。

此 FIR 帶通濾波器的規(guī)格為：

· 采樣頻率（Hz）：500

· 通帶紋波（-dB）：0.1

· 通帶頻率 （Hz）：1 和 5

· 阻帶紋波（-dB）：50

· 阻帶頻率（Hz）：0.05和25

· 過濾器長度：513

· FIR 窗口：Kaiser

圖 6：輸入和過濾的數(shù)據(jù)。圖 1 以紅色顯示，是 FIR 濾波器的輸入信號。圖 2 以綠色顯示，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。對可以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。脈搏血氧計參考設(shè)計（例如本文中描述的設(shè)計）非常有助于為醫(yī)療和健身設(shè)備設(shè)計人員提供將其設(shè)計投入生產(chǎn)和推向市場的良好開端。

審核編輯：郭婷