【世說(shuō)設(shè)計(jì)】如何設(shè)計(jì)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(biāo)之一，是血液中血氧飽和血紅素在總血紅素所占的比例。測(cè)量血氧濃度的黃金標(biāo)準(zhǔn)是量測(cè)動(dòng)脈血氧濃度SaO2，然而這種方法需要在實(shí)驗(yàn)室對(duì)血液樣本進(jìn)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(cè)量身體末稍部位量測(cè)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(jìn)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(fèi)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(jìn)行測(cè)量，通常會(huì)用夾具設(shè)備來(lái)判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值，來(lái)判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環(huán)機(jī)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(gè)區(qū)間的代表低血氧(hypoxemia)，便意味著身體無(wú)法輸送足夠的氧氣來(lái)維持健康器官與感知功能。如果這些量測(cè)值低于基準(zhǔn)數(shù)(通常低于92%)，病患就需要住進(jìn)急診室。

隱形缺氧推動(dòng)臨床級(jí)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(duì)身體造成嚴(yán)重傷害，能夠在病患出現(xiàn)呼吸困難病征之前及時(shí)偵測(cè)出這類隱伏形態(tài)的缺氧，對(duì)于遏止肺炎發(fā)展至危險(xiǎn)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(biāo)。阻塞性睡眠呼吸中止癥會(huì)在睡眠期間導(dǎo)致呼吸道部分或完全阻塞，這會(huì)導(dǎo)致肺部停止呼吸或一段時(shí)間淺呼吸，造成暫時(shí)性缺氧。如果長(zhǎng)期沒有治療，睡眠呼吸中止癥可能增加心臟病發(fā)、中風(fēng)、以及過(guò)度肥胖的機(jī)率。據(jù)估計(jì)1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止癥。

隨著病患照護(hù)的趨勢(shì)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(shè)備，而不會(huì)妨礙使用者的日常生活作習(xí)。在血氧濃度方面，針對(duì)手指與耳垂以外的部位進(jìn)行監(jiān)視，會(huì)衍生許多設(shè)計(jì)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(jí)脈搏式血氧儀。

基于光學(xué)信號(hào)分析的脈搏血氧儀脈搏血氧測(cè)定使用紅光（通常為660nm波長(zhǎng)）和紅外（IR）LED（通常為940 nm波長(zhǎng)）。脫氧血紅蛋白主要吸收660nm波長(zhǎng)的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940nm波長(zhǎng)的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號(hào)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(dòng)性動(dòng)脈血引起的光吸收，交流分量代表搏動(dòng)性動(dòng)脈血，可計(jì)算SpO2的百分比。

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

圖1 血氧量測(cè)儀基礎(chǔ)電路圖

信號(hào)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(dāng)身體休息時(shí)，動(dòng)作產(chǎn)生的影響就比較小。交流元素主要為動(dòng)脈血液搏動(dòng)所反射的光，取決于心律以及動(dòng)脈血管厚度，在收縮(血泵)時(shí)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(jìn)而提高動(dòng)脈血管的血壓。增加的血壓會(huì)擴(kuò)張動(dòng)脈，導(dǎo)致動(dòng)脈血量增加，增加的血液會(huì)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(guò)組織的光衰減

借助計(jì)算PPG信號(hào)的交流與直流數(shù)據(jù)，我們能推算動(dòng)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(zhǔn)度血氧濃度算法，對(duì)量測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行校正是必要的動(dòng)作。要校正血氧濃度系統(tǒng)，必須完成一項(xiàng)研究，由醫(yī)療專業(yè)人員針對(duì)病患血氧值透過(guò)醫(yī)療方法進(jìn)行降低、監(jiān)視以及觀察，這種程序稱為缺氧研究。SpO2測(cè)量系統(tǒng)的精準(zhǔn)度可能僅能作為參考點(diǎn)，參考選項(xiàng)包括醫(yī)療級(jí)指夾式脈搏血氧計(jì)，以及黃金標(biāo)準(zhǔn)的CO血氧計(jì)。CO血氧計(jì)屬于侵入式量測(cè)法，測(cè)得的血氧飽和度有極高的精準(zhǔn)度，但大多數(shù)狀況下量測(cè)并不便利。

圖3 ADI 體征信號(hào)監(jiān)測(cè)手表V4、隔板、以及LED PD數(shù)組

以ADPD144RI與ADPD1080

實(shí)現(xiàn)手指與耳垂血氧監(jiān)測(cè)

手指與耳垂SpO2讀數(shù)是最容易的設(shè)計(jì)，因?yàn)樾盘?hào)噪聲高于手腕與胸部位置，兩處的骨頭與組織較少，進(jìn)而減少直流元素的影響?；A(chǔ)測(cè)量方法是光學(xué)性的，測(cè)量使用來(lái)自最多三個(gè)LED的短脈沖信號(hào)。LED電流最高可達(dá)370mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長(zhǎng)根據(jù)測(cè)量位置和測(cè)量方法來(lái)選擇。手腕上只能測(cè)量表面動(dòng)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(cè)面積與其響應(yīng)度直接相關(guān))用于測(cè)量反射光。因此，它會(huì)同時(shí)測(cè)量信號(hào)和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR，它用作信號(hào)濾波器，將檢測(cè)到的電流轉(zhuǎn)換為電壓，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測(cè)量外，算法還包括用于通過(guò)加速度計(jì)濾除運(yùn)動(dòng)偽像的校正。

針對(duì)這類應(yīng)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(xué)前端，它已進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò)同步檢測(cè)紅光和紅外線波長(zhǎng)，對(duì)血氧飽和度進(jìn)行光學(xué)體積描記法 (PPG) 檢測(cè)。同步測(cè)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(kuò)散光電二極管（PD1 至 PD4）與自定義ASIC組合在一個(gè)緊湊封裝中，并在集成LED發(fā)射器和檢測(cè)光電二極管之間提供光學(xué)隔離，以提高穿透組織的信噪比。ADPD144RI包含一個(gè)4通道模擬前端 (AFE)（具有兩個(gè)可獨(dú)立配置的數(shù)據(jù)路徑，各有單獨(dú)的增益和濾波器設(shè)置）、一個(gè)具有脈沖蓄能器的14位ADC、兩個(gè)可獨(dú)立配置的靈活LED驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)數(shù)字控制塊。該數(shù)字控制塊提供AFE和LED時(shí)序、信號(hào)處理和通信。數(shù)據(jù)輸出和功能配置均通過(guò)1.8V I2C接口進(jìn)行。

ADPD1080是一款整合式光學(xué)模擬前端組件，擁有3個(gè)LED驅(qū)動(dòng)信道以及2個(gè)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(jìn)行客制化設(shè)計(jì)，開發(fā)機(jī)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(cè)脈搏血氧儀的測(cè)量使用位置會(huì)衍生許多挑戰(zhàn)，腕帶式SpO2設(shè)備則會(huì)衍生額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟繕?biāo)交流信號(hào)僅是PD總接收光的1%到2%。為達(dá)到醫(yī)療級(jí)認(rèn)證以及分辨氧合血紅素的微幅變化，需要更高動(dòng)態(tài)范圍的交流信號(hào)。要達(dá)成這個(gè)目標(biāo)，可降低環(huán)境光干擾以及減少LED驅(qū)動(dòng)器與AFE噪聲。ADI 為解決這項(xiàng)問(wèn)題開發(fā)出ADPD4100。ADPD4100與ADPD4101可達(dá)到100 dB信號(hào)噪聲。對(duì)于低灌流狀態(tài)下測(cè)量SpO2，提高動(dòng)態(tài)范圍非常重要。這款整合式光學(xué)模擬前端組件有8個(gè)板載低噪聲電流源，以及8個(gè)分立PD輸出端。數(shù)字時(shí)序控制器有12個(gè)可編程時(shí)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(xiàng)以及時(shí)序限制。

ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴評(píng)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(wú)縫鏈接到ADI Wavetool程序，執(zhí)行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波長(zhǎng)PPG量測(cè)，協(xié)助SpO2產(chǎn)品研發(fā)。研究手表為ADPD4100內(nèi)嵌自動(dòng)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(zhǎng)提供最合適的交流信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

圖4 光學(xué)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(jì)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(yīng)用和迅速發(fā)展。生命體征監(jiān)測(cè)(VSM)功能已越來(lái)越多地內(nèi)置于手機(jī)、手表、耳機(jī)和其他智能可穿戴設(shè)備中，這些設(shè)備能夠測(cè)量各種生命體征和健康指標(biāo)，例如體溫、心率、呼吸、血氧飽和度、血壓和身體成分等，同時(shí)由于優(yōu)秀的功耗控制以及便攜的使用體驗(yàn)，對(duì)身體進(jìn)行24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)已成為可能。最近幾年，血氧飽和度檢測(cè)功能開始大規(guī)模出現(xiàn)在智能可穿戴設(shè)備上，不斷優(yōu)化算法，提高血氧飽和度檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并以像智能手表、手環(huán)那樣全天候佩戴與監(jiān)測(cè)，正在為人類的健康提供隨時(shí)隨地的生命安全護(hù)航。

原文轉(zhuǎn)自亞德諾半導(dǎo)體