教程：提高脈搏血氧儀設(shè)計(jì)中的傳感器性能和信噪比

本教程討論了不同類(lèi)型的脈搏血氧儀，包括光學(xué)和反射技術(shù)，以及在構(gòu)建高端便攜式床頭監(jiān)護(hù)儀或中低端電池供電型號(hào)時(shí)考慮的設(shè)計(jì)考慮因素。討論包括光吸收、傳感器校準(zhǔn)，并詳細(xì)介紹發(fā)射路徑內(nèi)的細(xì)節(jié)，從而深入發(fā)現(xiàn)光電二極管、接口、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換特性。還包括功能框圖和零件建議。

概述

脈搏血氧儀無(wú)創(chuàng)測(cè)量或連續(xù)監(jiān)測(cè)動(dòng)脈血中的氧飽和度，以確保有足夠的氧合。典型應(yīng)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(xué)電子設(shè)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(cè)通過(guò)皮膚傳輸，并通過(guò)光電二極管在另一側(cè)接收。測(cè)量血氧飽和度需要良好的動(dòng)脈血流。大多數(shù)應(yīng)用使用透射光學(xué)技術(shù)，但也有一些應(yīng)用使用反射技術(shù)。

血氧儀類(lèi)型

脈搏血氧儀有不同的形狀和尺寸，分為三大類(lèi)。

高端是便攜式床邊患者監(jiān)護(hù)儀，它有一根可拆卸的電纜，其中包括一個(gè)夾子，其中包含用于測(cè)量氧飽和度的光學(xué)元件。這些型號(hào)要么專(zhuān)用于脈搏血氧飽和度，要么監(jiān)測(cè)多個(gè)重要參數(shù)，如脈搏、血壓、呼吸頻率和溫度。這些高端型號(hào)要求高性能，其中低噪聲信號(hào)路徑是最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。電源是次要考慮因素，因?yàn)楸O(jiān)護(hù)儀大部分時(shí)間都是線路供電的，并且僅在患者移動(dòng)時(shí)才使用電池供電。尺寸不是這些設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)因素。

中檔型號(hào)通常是帶有可拆卸電纜的電池供電的手持設(shè)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(shè)備一直使用電池，但它們有足夠的空間來(lái)容納大小適中的電池。

低端是指尖型號(hào)，它將基本單元和電纜組合成一個(gè)足夠大的夾子，以覆蓋手指并容納電子設(shè)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(shí)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(jì)算血液中氧氣的百分比。根據(jù)動(dòng)脈血流的脈動(dòng)性質(zhì)，在測(cè)量周期中還確定并顯示脈搏率和強(qiáng)度。

傳感器電纜校準(zhǔn)

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(huì)因制造公差或傳感器的替代版本而異。通過(guò)將EPROM或EEPROM等非易失性存儲(chǔ)器集成到傳感器電纜中以存儲(chǔ)校準(zhǔn)系數(shù)，可以提高脈搏血氧儀的性能?；締卧褂么诵?zhǔn)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化傳感器中特定光學(xué)元件的性能。

由于傳感器電纜的機(jī)電連接器通常具有有限的引腳，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須以最少的互連來(lái)添加此校準(zhǔn)功能。最簡(jiǎn)單、最可靠的方法是在電纜連接器上添加一個(gè)1-Wire存儲(chǔ)器器件。1-Wire協(xié)議是一款經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的串行接口，僅使用一個(gè)連接器引腳即可為引腳受限的設(shè)計(jì)添加校準(zhǔn)和其他功能。

此外，由于每款1-Wire產(chǎn)品均內(nèi)置高ESD保護(hù)，因此設(shè)計(jì)人員無(wú)需使用外部保護(hù)二極管。

1-Wire存儲(chǔ)器器件的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它們可用于將更新或新算法傳遞到基礎(chǔ)單元，從而為現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)提供載體。它們還可以通過(guò)僅允許使用經(jīng)批準(zhǔn)的傳感器電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)售后控制。每個(gè)64-Wire器件中刻有唯一的1位序列號(hào)。通過(guò)寫(xiě)入存儲(chǔ)設(shè)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(shù)。更換是由安全問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的，更具體地說(shuō)，是由患者污染問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的。

脈搏血氧儀解決方案

傳輸路徑：驅(qū)動(dòng) LED

紅色和紅外 LED 以精確的電流交替驅(qū)動(dòng);安靜的時(shí)間占據(jù)每個(gè)交替脈沖之間的間隔。重復(fù)頻率不快，通常遠(yuǎn)低于10kHz。占空比也很低，以保持總功耗降低，并允許在兩個(gè)LED關(guān)閉時(shí)進(jìn)行環(huán)境光測(cè)量。大多數(shù)情況下，LED位于電纜的末端，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員更喜歡使用來(lái)自基本單元的電流驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)LED的電流必須具有最小的噪聲，因?yàn)槟繕?biāo)帶寬中的任何噪聲都會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比（SNR），并降低其測(cè)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(qū)動(dòng)器通常不用于此應(yīng)用。很難以所需的分辨率準(zhǔn)確和精確地對(duì)LED電流進(jìn)行編程，因?yàn)樗鼈冊(cè)O(shè)計(jì)的背光應(yīng)用不需要高分辨率。此外，如果LED驅(qū)動(dòng)器采用開(kāi)關(guān)拓?fù)洌瑒t電流噪聲將過(guò)高。可以使用具有線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器，但由于在電流編程時(shí)缺乏分辨率，這種方法并不理想。

LED可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，每個(gè)LED的基礎(chǔ)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(qū)動(dòng) LED。圖1顯示了使用兩個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）獨(dú)立設(shè)置LED中的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)電纜中的兩個(gè)LED的方法。使用兩個(gè)DAC的優(yōu)點(diǎn)是，它們可以被大量濾波以降低噪聲，因?yàn)樗鼈兊妮敵鱿鄬?duì)靜態(tài)。LED調(diào)制是在對(duì)這種拓?fù)渲械腄AC進(jìn)行濾波之后執(zhí)行的。

圖1.簡(jiǎn)化的紅色和紅外 LED 偏置和控制電路。

在所有拓?fù)渲?，?a target="_blank">檢測(cè)（FS）配置中使用的運(yùn)算放大器需要具有低電壓噪聲和足夠高的帶寬來(lái)調(diào)制LED?？梢允褂脝蝹€(gè)DAC來(lái)降低成本，但如果噪聲增加，性能可能會(huì)受到影響。通過(guò)每個(gè)LED的峰值電流根據(jù)每個(gè)LED和光電二極管的特性以及每個(gè)脈沖的持續(xù)時(shí)間而變化。實(shí)際上，所有血氧儀的峰值電流范圍從數(shù)十mA到數(shù)百mA不等，盡管單個(gè)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(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

光電二極管接收來(lái)自紅色和紅外LED的環(huán)境光和調(diào)制光，然后產(chǎn)生一個(gè)電流，該電流將隨著時(shí)間的推移進(jìn)行測(cè)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(yùn)算放大器（也稱(chēng)為跨阻放大器（TIA））轉(zhuǎn)換為電壓。光電二極管接收到的光主要包括環(huán)境光，這對(duì)于確定氧飽和度或脈沖沒(méi)有用。少量未被組織、靜脈血或動(dòng)脈血吸收的紅光或紅外光是感興趣的信號(hào)，并埋藏在環(huán)境光中。

圖2給出了一個(gè)簡(jiǎn)化的電路，用于將光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓、進(jìn)行信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換。該電路將紅色和紅外信號(hào)一起轉(zhuǎn)換，然后在數(shù)字域中處理它們。存在替代拓?fù)?，其中使用同步解調(diào)在模擬域中分離紅光和紅外光。該技術(shù)允許使用慢速但高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）;但是，它在檢測(cè)運(yùn)動(dòng)偽像方面很差。

圖2.簡(jiǎn)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(duì)于最大化SNR是必要的，以便在大環(huán)境電流中測(cè)量目標(biāo)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(biāo)小信號(hào)，以最大化ADC的動(dòng)態(tài)范圍。該增益級(jí)應(yīng)可編程，以補(bǔ)償不斷變化的環(huán)境因素和光學(xué)元件的老化。

ADC的主要規(guī)格是高SNR和采樣速率。采樣率應(yīng)足夠快，以捕獲調(diào)制信號(hào)并執(zhí)行所需的數(shù)字處理，每個(gè)制造商都不同。

顯示和背光

如果床邊脈搏血氧儀是多參數(shù)患者監(jiān)護(hù)儀的一部分，則不需要自己的顯示器，因?yàn)樗褂没颊弑O(jiān)護(hù)儀中包含的大型彩色顯示器。專(zhuān)用于脈搏血氧儀的床頭監(jiān)護(hù)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(yīng)顯示屏以增強(qiáng)用戶(hù)界面并減少專(zhuān)用按鈕的數(shù)量。手持式型號(hào)具有簡(jiǎn)單的 LED 或 LCD 段式顯示器或更高級(jí)的點(diǎn)陣 LCD 顯示屏。指尖裝置的空間和功率僅適用于小巧簡(jiǎn)單的 LED 或 LCD 顯示屏。簡(jiǎn)單的顯示器可以通過(guò)許多微控制器中的顯示驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng);點(diǎn)陣或更先進(jìn)的顯示器將需要專(zhuān)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(shù)據(jù)接口

大多數(shù)手持式和床頭式型號(hào)都能夠與計(jì)算機(jī)連接。這種數(shù)據(jù)傳輸通常由衛(wèi)生保健提供者或技術(shù)人員執(zhí)行，而不是由患者執(zhí)行。傳統(tǒng)上，數(shù)據(jù)接口使用RS-232，格式是制造商專(zhuān)有的。脈搏血氧儀現(xiàn)在正在向USB或無(wú)線（藍(lán)牙?，Wi-Fi?）接口遷移，未來(lái)血氧儀將能夠安全地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄哂羞@些標(biāo)準(zhǔn)接口的任何設(shè)備。

聲音警報(bào)

聲音警報(bào)的范圍從簡(jiǎn)單的蜂鳴器到輸出多種音調(diào)、電平和模式的揚(yáng)聲器。一個(gè)簡(jiǎn)單的蜂鳴器可以由一個(gè)或兩個(gè)具有脈寬調(diào)制（PWM）功能的微控制器端口引腳驅(qū)動(dòng)。通過(guò)添加音頻DAC和揚(yáng)聲器放大器，可以實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的聲音報(bào)警。

電源和電池管理

脈搏血氧儀需要產(chǎn)生多個(gè)電源軌。如果存在需要自己的電源的低壓內(nèi)核，則需要單獨(dú)的模擬 （3V） 和多個(gè)數(shù)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(gè)單獨(dú)的清潔電源來(lái)為 LED （5V） 供電。連接到光電二極管的TIA有時(shí)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(hào)使用兩節(jié) AAA 外形的原堿性電池，而手持型號(hào)使用兩節(jié) AA 原堿性電池或可充電電池。兩種型號(hào)都需要組合升壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、低壓差線性穩(wěn)壓器 （LDO），有時(shí)還需要反相開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。床頭監(jiān)護(hù)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(shè)計(jì)與指尖和手持型號(hào)不同。配備可充電電池的型號(hào)需要電池充電和電量計(jì)，如果電池可拆卸，則需要進(jìn)行安全和售后控制認(rèn)證。

靜電放電

靜電放電 （ESD） 是傳感器電纜插入的一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)潛在的問(wèn)題可以通過(guò)專(zhuān)用的ESD線路保護(hù)器以及電路板的精心設(shè)計(jì)和布局來(lái)解決。使用ESD保護(hù)接口使設(shè)計(jì)人員能夠避免與分立保護(hù)元件相關(guān)的空間和成本。如果血氧儀配備了血氧儀，則數(shù)據(jù)端口和打印機(jī)端口也可以進(jìn)行ESD?？赡苓€需要通過(guò)外殼上的小開(kāi)口解決按鈕和顯示器的空氣排放問(wèn)題，但這取決于單獨(dú)的血氧儀設(shè)計(jì)。

審核編輯：郭婷