如何設計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀？

血氧濃度是醫(yī)療院所最常記錄的生命體征指標之一，是血液中血氧飽和血紅素在總血紅素所占的比例。測量血氧濃度的黃金標準是量測動脈血氧濃度SaO2，然而這種方法需要在實驗室對血液樣本進行血液氣體分析。末稍血管血氧濃度(SpO2)是使用脈搏式血氧儀測量身體末稍部位量測到的血氧濃度。

許多身體病狀可能造成低血氧，其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等，因此可能需要在住家或醫(yī)院進行持續(xù)或間歇性監(jiān)視?；加械脱醯娜丝赡艹霈F(xiàn)頭昏、感知混淆、呼吸費力或急促、以及頭痛等癥狀。

傳統(tǒng)上， SpO2都是在手指或耳朵這些身體末稍部位進行測量，通常會用夾具設備來判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值，來判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環(huán)機能好壞。健康成年人的血氧飽和度正常值介于95%到100%之間，低于這個區(qū)間的代表低血氧(hypoxemia)，便意味著身體無法輸送足夠的氧氣來維持健康器官與感知功能。如果這些量測值低于基準數(shù)(通常低于92%)，病患就需要住進急診室。

隱形缺氧推動臨床級便攜血氧儀開發(fā)

隱形缺氧可能在沒有出現(xiàn)任何典型呼吸道癥狀下就對身體造成嚴重傷害，能夠在病患出現(xiàn)呼吸困難病征之前及時偵測出這類隱伏形態(tài)的缺氧，對于遏止肺炎發(fā)展至危險程度至關(guān)重要。 血氧濃度監(jiān)視是診斷睡眠呼吸中止癥(Sleep Apnea)的重要指標。阻塞性睡眠呼吸中止癥會在睡眠期間導致呼吸道部分或完全阻塞，這會導致肺部停止呼吸或一段時間淺呼吸，造成暫時性缺氧。如果長期沒有治療，睡眠呼吸中止癥可能增加心臟病發(fā)、中風、以及過度肥胖的機率。據(jù)估計1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止癥。

隨著病患照護的趨勢朝向便攜式以及家用監(jiān)視發(fā)展，業(yè)界需要開發(fā)適用的生命體征監(jiān)視設備，而不會妨礙使用者的日常生活作習。在血氧濃度方面，針對手指與耳垂以外的部位進行監(jiān)視，會衍生許多設計挑戰(zhàn)。隱形缺氧癥狀的出現(xiàn)便促使業(yè)界開發(fā)更高便攜性的臨床級脈搏式血氧儀。

基于光學信號分析的脈搏血氧儀

脈搏血氧測定使用紅光(通常為660nm波長)和紅外(IR)LED(通常為940 nm波長)。脫氧血紅蛋白主要吸收660nm波長的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940nm波長的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動性動脈血引起的光吸收，交流分量代表搏動性動脈血，可計算SpO2的百分比。

最基本的脈搏式血氧儀包含兩個LED(一個紅光660納米LED以及一個紅外線940納米LED)，以及一個光二極管(PD)設置成反射或透射組態(tài)。脈搏式血氧儀會發(fā)出紅光LED脈沖，并在PD上接收到信號。在紅外線LED上重復上述程序，最終會歸納出兩個LED在任何外部環(huán)境光源的量測基準值。這種方法會產(chǎn)生兩種波長的光體積變化描記圖法(PPG)曲線圖。

圖1 血氧量測儀基礎(chǔ)電路圖

信號中含有直流與交流元素。直流元素是由持續(xù)反射物體造成，像是皮膚、肌肉、骨頭、以及靜脈血液。當身體休息時，動作產(chǎn)生的影響就比較小。交流元素主要為動脈血液搏動所反射的光，取決于心律以及動脈血管厚度，在收縮(血泵)時反射或穿透的光量高于異位(舒張)狀態(tài)。在收縮階段，血液從心臟泵出，進而提高動脈血管的血壓。增加的血壓會擴張動脈，導致動脈血量增加，增加的血液會造成吸收光量提高。舒張階段血壓下降，吸收光量也隨之減少。下圖顯示心跳造成的舒張以及心縮期高峰。

圖2 經(jīng)過組織的光衰減

借助計算PPG信號的交流與直流數(shù)據(jù)，我們能推算動脈血液中吸收光的變化，它是由心臟泵出血液造成，沒有其他組織造成的影響。要開發(fā)高精準度血氧濃度算法，對量測系統(tǒng)進行校正是必要的動作。要校正血氧濃度系統(tǒng)，必須完成一項研究，由醫(yī)療專業(yè)人員針對病患血氧值透過醫(yī)療方法進行降低、監(jiān)視以及觀察，這種程序稱為缺氧研究。 SpO2測量系統(tǒng)的精準度可能僅能作為參考點，參考選項包括醫(yī)療級指夾式脈搏血氧計，以及黃金標準的CO血氧計。CO血氧計屬于侵入式量測法，測得的血氧飽和度有極高的精準度，但大多數(shù)狀況下量測并不便利。

圖3 ADI 體征信號監(jiān)測手表V4、隔板、以及LED PD數(shù)組

以ADPD144RI與ADPD1080

實現(xiàn)手指與耳垂血氧監(jiān)測

手指與耳垂SpO2讀數(shù)是最容易的設計，因為信號噪聲高于手腕與胸部位置，兩處的骨頭與組織較少，進而減少直流元素的影響?；A(chǔ)測量方法是光學性的，測量使用來自最多三個LED的短脈沖信號。LED電流最高可達370mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長根據(jù)測量位置和測量方法來選擇。手腕上只能測量表面動脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管(其探測面積與其響應度直接相關(guān))用于測量反射光。因此，它會同時測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR，它用作信號濾波器，將檢測到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，進而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測量外，算法還包括用于通過加速度計濾除運動偽像的校正。

針對這類應用， ADPD144RI模塊與ADPD1080是適合的組件產(chǎn)品。ADPD144RI是一款高度集成的光度學前端，它已進行優(yōu)化，可通過同步檢測紅光和紅外線波長，對血氧飽和度進行光學體積描記法 (PPG) 檢測。同步測量能以極低的功耗消除直流和交流環(huán)境光干擾。

該模塊將高效的LED發(fā)射器和靈敏的4通道深擴散光電二極管(PD1 至 PD4)與自定義ASIC組合在一個緊湊封裝中，并在集成LED發(fā)射器和檢測光電二極管之間提供光學隔離，以提高穿透組織的信噪比。ADPD144RI包含一個4通道模擬前端 (AFE)(具有兩個可獨立配置的數(shù)據(jù)路徑，各有單獨的增益和濾波器設置)、一個具有脈沖蓄能器的14位ADC、兩個可獨立配置的靈活LED驅(qū)動器和一個數(shù)字控制塊。該數(shù)字控制塊提供AFE和LED時序、信號處理和通信。數(shù)據(jù)輸出和功能配置均通過1.8V I2C接口進行。

ADPD1080是一款整合式光學模擬前端組件，擁有3個LED驅(qū)動信道以及2個PD電流輸入通道，提供17-ball的2.5mm×1.4mm WLLCSP封裝。這款模擬前端組件適合進行客制化設計，開發(fā)機種空間有限的低信道數(shù)PPG產(chǎn)品。

基于ADPD4100的 便攜多生命體征參數(shù)監(jiān)測

脈搏血氧儀的測量使用位置會衍生許多挑戰(zhàn)，腕帶式SpO2設備則會衍生額外的設計挑戰(zhàn)，因為目標交流信號僅是PD總接收光的1%到2%。為達到醫(yī)療級認證以及分辨氧合血紅素的微幅變化，需要更高動態(tài)范圍的交流信號。要達成這個目標，可降低環(huán)境光干擾以及減少LED驅(qū)動器與AFE噪聲。ADI 為解決這項問題開發(fā)出ADPD4100。 ADPD4100與ADPD4101可達到100 dB信號噪聲。對于低灌流狀態(tài)下測量SpO2，提高動態(tài)范圍非常重要。這款整合式光學模擬前端組件有8個板載低噪聲電流源，以及8個分立PD輸出端。數(shù)字時序控制器有12個可編程時序插槽，讓使用者能定義各種PD與LED程序，搭配特定LED電流、模擬與數(shù)字濾波、整合式選項以及時序限制。

ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴評估套件以及ADI生命體征監(jiān)視研究手表提供支持。這款硬件能無縫鏈接到ADI Wavetool程序，執(zhí)行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波長PPG量測，協(xié)助SpO2產(chǎn)品研發(fā)。研究手表為ADPD4100內(nèi)嵌自動增益控制(AGC)算法，能調(diào)節(jié)TIA增益與LED電流，為所有選用的LED波長提供最合適的交流信號動態(tài)范圍。

圖4 光學模擬前端方案ADPD410X 模塊圖

本文小結(jié)

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)和5G等通信技術(shù)的創(chuàng)新突破，數(shù)字醫(yī)療也得到了廣泛應用和迅速發(fā)展。生命體征監(jiān)測(VSM)功能已越來越多地內(nèi)置于手機、手表、耳機和其他智能可穿戴設備中，這些設備能夠測量各種生命體征和健康指標，例如體溫、心率、呼吸、血氧飽和度、血壓和身體成分等，同時由于優(yōu)秀的功耗控制以及便攜的使用體驗，對身體進行24小時連續(xù)監(jiān)測已成為可能。最近幾年，血氧飽和度檢測功能開始大規(guī)模出現(xiàn)在智能可穿戴設備上，不斷優(yōu)化算法，提高血氧飽和度檢測數(shù)據(jù)的準確性，并以像智能手表、手環(huán)那樣全天候佩戴與監(jiān)測，正在為人類的健康提供隨時隨地的生命安全護航。

審核編輯：湯梓紅