血氧水平監(jiān)測的原理及應用設計

血氧水平通常使用脈搏血氧儀測量，其中基于光的傳感器夾在手指上。雖然該技術已經(jīng)存在多年，但仍然存在技術挑戰(zhàn)，例如如何處理環(huán)境光，患者運動，血液脈動效應以及人體生理學的一般細微之處。

結(jié)合適當?shù)男枰獎討B(tài)范圍和低功耗操作都能避免自加熱和延長電池壽命，不斷需要進行設計改進。

本文將簡要介紹SpO2監(jiān)測背后的理論和設計人員需要考慮成功的設計。然后，它將介紹Maxim Integrated的MAX30102，展示它如何與這些考慮相匹配，并展示如何使用現(xiàn)有的評估套件盡可能快速有效地實現(xiàn)設計。

SpO2監(jiān)測的工作原理

外周毛細血管血氧飽和度（SpO2）裝置可作為單功能裝置進行包裝，作為健康/健康可穿戴設備的一部分進行個人監(jiān)護，或用于復雜綜合監(jiān)測系統(tǒng)的醫(yī)療/醫(yī)院環(huán)境中?；?a target="_blank">光學的SpO2方法在概念上優(yōu)雅而簡單，但實際上實際上相當復雜。實際實現(xiàn)使用一對LED，一個用于IR，一個用于紅色可見光，以及一個光電探測器（圖1）。

圖1：用于光學測定血氧（SpO2）的物理布置使用紅色LED和IR LED，兩者均由單個共用光電探測器測量。 （來源：Oximetry.org）

兩個波長之間的相對衰減，而不是任何一個波長的絕對衰減，是SpO2水平的關鍵標志（圖2）。到達光電傳感器的光信號被轉(zhuǎn)換成電流（稱為光電容積脈搏波電流或更簡單地稱為電流），數(shù)字化，然后由復雜，復雜，醫(yī)學驗證的算法處理，以實時提供SpO2讀數(shù)。

圖2：SpO2測量開始于兩個光學波長（紅色和紅外線）與SpO2水平的相對衰減（Hb是脫氧血液，HbO2是含氧血液） 。 （來源：Oximetry.org）

測量的血流量不是恒定的，而是用心臟驅(qū)動泵送“脈沖”。在SpO2單元中，這種脈動是一個優(yōu)勢，因為處理算法可以使用它來確定脈搏率以及SpO2讀數(shù)。脈率跟蹤稱為光學心率監(jiān)測（OHRM）（圖3a和3b）。然而，在實現(xiàn)這些算法之前，必須處理來自光電傳感器的原始信號以解決諸如靈敏度，環(huán)境光，溫度漂移，校準，濾波，噪聲和物理封裝之類的問題。

圖3（a）：紅光和紅外光的透射模式是循環(huán)的，由心臟泵浦引起的血流脈動調(diào)制。該調(diào)制取決于類似DC的偏移。 （來源：德州儀器）

圖3（b）：相對強度和紅/紅外調(diào)制比是SpO2水平的函數(shù)。 （來源：德州儀器公司）

從LED到傳感器的光路根本不是一條直線，并且大部分LED光在到達另一側(cè)的光電探測器之前被吸收或散射。手指;因此，接收光子水平與實際SpO2水平之間的關系非常復雜。由于光是如此嚴重地散射，LED和光電傳感器甚至不必彼此面對，而是可以是直角或甚至彼此并排。當然，必須調(diào)整算法以適應這種安排。

前端權(quán)衡定義設計問題

使用LED到光電傳感器路徑來評估物理參數(shù)是很難適應SpO2傳感的獨特需求（參考文獻1）。設計師和團隊必須解決的問題包括：

環(huán)境光 - 即使LED/傳感器陣列在某種程度上受到機械屏蔽，也會有來自附近和頂燈的雜散光照射到光傳感器。導致LED輸出使手指發(fā)光的相同內(nèi)部散射效應也起到另一種作用：整個指尖“看到”的任何環(huán)境光也將向光傳感器散射。這會導致光電傳感器輸出電流的偏移量變化，并降低其動態(tài)輸出范圍。

事實上，如果環(huán)境光足夠亮，它會使光電傳感器飽和并使光通道無用。由于環(huán)境光不是恒定的，系統(tǒng)必須動態(tài)地抑制這種偏移誤差，需要基于硬件的自適應增益測距以及基于算法的校正。

溫度系數(shù) - 強度和波長均為兩個LED是溫度的函數(shù)，光電傳感器的響應曲線也是如此。因此，基于每個入射波長的傳感器輸出的相對大小的數(shù)據(jù)分析必須考慮溫度并相應地進行補償。

LED驅(qū)動電流和脈沖寬度 - 由于有最佳的LED驅(qū)動電流和輸出電平將最大化動態(tài)范圍和性能，每個LED的電流必須是動態(tài)可調(diào)的。

此外，可見光和紅外LED交替脈沖，其脈沖寬度需要調(diào)整以平衡性能具有功耗和自熱問題。典型的脈沖重復頻率為100 Hz，占空比為25％。

采樣率 - 人體信號的頻率相對較低，因此SpO2采樣率在一百到幾千個樣本之間每秒。但是，所需的分辨率在中高范圍內(nèi)，最低16位，盡管大多數(shù)系統(tǒng)使用18到22位。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）子系統(tǒng)必須可在很寬的范圍內(nèi)進行編程，以適應將影響光電傳感器輸出的最小值/最大值的變量。

對于固定式醫(yī)療辦公儀器，移動現(xiàn)場設備或小型個人設備，低功耗電路在電池供電儀器中至關重要。圖4顯示了一個完全獨立的電池供電脈搏血氧儀，手指夾組件內(nèi)置有讀數(shù)器。較大的單元可能包括通過無線或有線鏈接連接到智能手機或更大的醫(yī)療站。

圖4：使用現(xiàn)代，低功耗，高性能的光學，模擬和數(shù)字組件，完全集成的SpO2傳感系統(tǒng)和讀數(shù)可以裝入指尖夾。 （來源：維基百科）

實現(xiàn)真正的

成功的光學SpO2設計始于LED對/光電二極管路徑及其輸出的完整性。如果傳感器電流輸出在很寬的工作條件下是可重復的，則處理數(shù)據(jù)以提供最終讀數(shù)的算法可以是準確的（參考文獻2,3和4）。

提供的傳感器輸出AFE必須提供兩種截然不同的功能。首先，它需要提供可調(diào)節(jié)的LED驅(qū)動器，其次，它必須提供跨阻抗放大器（TIA）和放大器/濾波器級，將微小的光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓。 TIA為光電二極管提供低阻抗，并將其與運算放大器輸出電壓的變化隔離開來。它還必須具有低內(nèi)部噪聲，因此不會破壞光電二極管輸出，并且需要處理寬動態(tài)范圍（80到100 dB）。

高性能SpO2專用IC的一個例子是Maxim Integrated的MAX30102，集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測模塊，包括內(nèi)部LED，光電探測器，光學元件和低噪聲AFE電子器件（圖5）。它還具有溫度傳感器和其他外圍功能。 MAX30102提供的完全調(diào)節(jié)，校準和數(shù)字化光輸出數(shù)據(jù)通過I 2 C端口連接到實現(xiàn)SpO2算法的主微控制器。

圖5：MAX30102是一個多芯片IC，包含所有AFE功能，并通過I 2 C端口與其處理器通信。 （來源：Maxim Integrated）

該器件的物理結(jié)構(gòu)符合其應用。它是一個微小的14針光學模塊，尺寸僅為5.6×3.3×1.55 mm，帶有集成蓋玻片，可安裝在指夾內(nèi)（圖6）。 MAX30102子部分的物理布局與應用相匹配，LED位于一端，傳感器位于另一端。患者的手指放置在源和傳感器的頂部。

Max30102在工作模式下的功率要求低于1 mW，在關斷模式下為0.7μA。它可以采用1.8 V電源供電，并為內(nèi)部LED提供單獨的5.0 V電源軌。

圖6：MAX30102子部分的物理布局與器件的應用一致，將LED置于一端，將傳感器置于另一端。 （來源：Maxim Integrated）

對于大多數(shù)設計人員而言，光學生物傳感設計的挑戰(zhàn)都需要相當長的開發(fā)周期和上市時間。因此，Maxim Integrated還提供MAX30102ACCEVKIT評估套件，其中包括兩塊板：USBOSMB主板和MAX30102DBEVKIT子板，其中包括MAX30102和一個三軸加速度計。在一些可穿戴應用中需要加速度計來在進行測量時補償用戶運動。該套件還包括可通過GUI訪問的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，允許用戶評估算法并調(diào)整操作動態(tài)（圖7）。

圖7：使用MAX30102ACCEVKIT評估套件的GUI，設計人員可以改變LED參數(shù)，如電流，并查看對光電傳感器輸出的影響。它們還可以調(diào)整ADC采樣率和其他AFE操作條件。 （來源：Maxim Integrated）

該套件還包括兩種不同的醫(yī)療標準算法，PBA和SKA，設計人員可以將其作為開發(fā)和/或增強自己的代碼來計算SpO2和心率的起點。

PBA算法使用慢速閾值查找過零點，并使用每個采樣點完成其評估周期，從而導致無輸出延遲。相反，SKA算法等待三秒鐘，然后尋找峰值檢測。雖然算法每秒處理一次，但它需要更復雜的數(shù)學運算。此外，與SKA相比，PBA需要的數(shù)據(jù)和代碼空間要少得多。

測試怎么樣？

可以通過在很寬的電流范圍內(nèi)驅(qū)動LED來評估電路信號鏈。條件。然后，評估必須將不同量的環(huán)境光以及其他噪聲源添加到光學和電信號中。然而，沒有模擬器可以真實地復制患者的手指和血液，具有不同的SpO2水平。因此，設計團隊必須制定使用醫(yī)學界和監(jiān)管機構(gòu)制定的方法和技術的驗證計劃。

結(jié)論

使用基于光子的傳感來確定SpO2是使用光學生物傳感來測量許多患者組織和生物流體參數(shù)和標記物的更大趨勢的一部分。原則上，它是一種極具吸引力的方法，因為它非侵入性，易于設置，并提供實時結(jié)果和跟蹤。

成功的光學生物傳感需要適當匹配的AFE，以及執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)。復雜的算法，可將原始，未校準和未校正的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)據(jù)。正如我們所看到的，Maxim Integrated MAX30102和相關的評估套件解決了這些問題，并最大限度地減少了克服這些問題所需的設計工作。