資料介紹
醫療和健身領域,以及這些領域的相關電子設備,真可謂是在發生日新月異的變化。當今醫療保健設備市場的需求不僅巨大而多樣,且極具挑戰性。以往主要在醫院使用的設備,現在也被用于家庭醫療和健康監測。
例如,在如今的消費類產品中,常??梢砸姷接糜跍y量心率和血氧水平的設備。脈搏血氧計就可以完成這兩項測量,目前這款設備在市面上以兩種形式銷售,分別是家用醫療設備和腕帶式健身活動追蹤器的集成部件。
本文介紹了醫療和健身應用中脈搏血氧計的基礎知識。同時給出一個脈搏血氧計的設計示例,講述測量心率和血氧水平的方法。
1 什么是血氧定量法?
血氧定量法測量血氧飽和度,通常以百分比表示。脈搏血氧計是一種非侵入性設備,用于測量人的血氧飽和度和心率。通過設備的夾狀探測頭(通常夾到患者手指上),很容易對脈搏血氧計進行識別。
脈搏血氧計既可以是獨立設備或患者監測系統的組成部分,也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。相應地,脈搏血氧計的使用者可以是醫院的護士、回到家中的門診病人、健身中心的健身愛好者甚至是低壓環境中作業的飛行員。
2 什么是血氧飽和度?
血氧飽和度通過測量血紅蛋白得出,血紅蛋白是紅細胞中攜帶氧氣的色素,這也是其呈現紅色的原因所在。血紅蛋白將氧氣輸送到人體各個組織,具有兩種存在形式。第一種叫做氧合血紅蛋白,表示為HbO2(即有氧)。另一種叫做去氧血紅蛋白,表示為Hb(即無氧)。
因此,血氧飽和度(SpO2)為氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白之比。也可以表示為:
血氧飽和度的值以百分比表示。正常讀數通常為97%或更高。
3 脈搏血氧計如何測量血氧飽和度(SpO2)?
血紅蛋白有個有趣之處是它反射和吸收光的方式。例如,Hb可吸收較多(反射較少)的可見紅光。而HbO2可吸收較多(反射較少)的紅外光。由于可通過比較Hb和HbO2的值來確定血氧飽和度,因此有一種測量方法就是讓紅色LED和紅外LED光穿過身體的某個部位(如手指或手腕),然后比較這兩種光的相對強度。有兩種常用方法可以實現這一目的:(1)測量透過組織的光強度的方法叫做透射式血氧定量法,而(2)測量組織反射的光強度的方法叫做反射式血氧定量法(見圖1)。
圖1:兩種血氧定量法
醫院一般采用透射式血氧定量法。通常,大多數醫院使用的患者監測系統都集成了透射式脈搏血氧計。不過,許多新研發的高端可穿戴健身設備則采用反射式脈搏血氧定量法。
4脈搏血氧計如何測量心率?
心臟搏動時,會將血液泵向全身。每次心臟收縮時,都會將血液擠入毛細血管,使其容積略微增加。心臟舒張時,毛細血管容積會減小。這種容積上的改變會影響透射過組織的光量,如紅光和紅外光量。盡管這一波動很小,卻可以通過脈搏血氧計進行測量,并且只需采用測量血氧飽和度時所用的同類裝置即可。
5 詳細工作原理
典型的脈搏血氧計可根據氧合血紅蛋白(HbO2)和去氧血紅蛋白(Hb)對紅光(采用600-750 nm波長)和紅外光(采用850-1000 nm波長)的吸收特性來監測人血的血氧飽和度(SpO2)。此類脈搏血氧計會交替發射紅光和紅外光穿過身體部位(如手指)到達一個光電二極管傳感器。
光電二極管通常用于接收來自每個LED的未吸收光線。隨后,此信號會通過反向運算放大器(或運放)進行反相。所得到的信號代表被手指吸收的光,如圖2所示。
圖2:由示波器捕捉的實時紅光和紅外光(IR)脈動信號
紅光和紅外光信號的脈沖幅度(Vpp)經測量后轉換為Vrms,以通過以下公式計算比率:
SpO2可通過該比值和依據經驗設定的查找表來確定??筛鶕}搏血氧計的模數轉換器(ADC)采樣數和采樣率計算心率。
查找表是脈搏血氧計的重要組成部分。查找表與具體的血氧計設計相對應,它通?;诖罅?a target='_blank' class='arckwlink_none'>檢測不同SpO2水平的對象所繪制的校準曲線。圖3顯示了校準曲線的一個示例。
圖3:示例校準曲線
6 電路設計說明
以下示例將詳細介紹透射式脈搏血氧計設計的不同部分。如圖4所示,該設計展示了心率和血氧飽和度水平的測量過程。
圖4:透射式脈搏血氧計系統框圖
7 探測頭
本示例中使用的SpO2探測頭為一種現成的指夾,其中集成了一個紅光LED、一個紅外光LED和一個光電二極管。這些LED由LED驅動電路控制。
信號調理電路檢測到穿過手指的紅光和紅外光后,將其饋入集成在數字信號控制器(DSC)中的12位ADC模塊,以計算SpO2的百分比。
8 LED驅動電路
DSC的兩個PWM信號驅動一個雙通道單刀雙擲模擬開關,交替開關紅光LED和紅外光LED。為獲取適量的ADC采樣,且在下一次LED亮起前有足夠的時間來處理數據,我們按照圖5所示的時序圖來控制LED的通斷。
圖5:時序圖
LED電流/強度通過由DSC驅動的12位數模轉換器(DAC)控制。
9 模擬信號調理電路
信號調理電路包含兩級。第一級為跨阻放大器,第二級為增益放大器。在這兩級之間放置一個高通濾波器。
跨阻放大器將光電二極管產生的幾微安電流轉換為幾毫伏電壓。第一級放大器接收的信號隨后通過一個高通濾波器,以減少背景光干擾。
高通濾波器輸出的信號接著送至增益為22且直流偏壓為220 mV的第二級放大器。該放大器的增益和直流偏壓應設為適當值,以使增益放大器的輸出信號電平處于MCU的ADC范圍內。
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