測(cè)量便攜式醫(yī)療和可穿戴設(shè)備的心率和血氧水平

醫(yī)療和健身領(lǐng)域發(fā)生的變化，以及與之相關(guān)的電子和可穿戴設(shè)備，可以稱為真正的革命性變革。當(dāng)今醫(yī)療保健設(shè)備市場(chǎng)的需求多種多樣且具有挑戰(zhàn)性。曾經(jīng)主要在醫(yī)院發(fā)現(xiàn)的設(shè)備現(xiàn)在用于家庭醫(yī)療應(yīng)用以及健身監(jiān)測(cè)。

測(cè)量心率和血氧水平的功能現(xiàn)在越來(lái)越多地出現(xiàn)在消費(fèi)品中?？梢允褂妹}搏血氧儀進(jìn)行這些測(cè)量，脈搏血氧儀現(xiàn)在既可以作為家庭醫(yī)療設(shè)備使用，也可以作為集成可穿戴健身活動(dòng)追蹤器的一部分。

什么是血氧飽和度？

血氧飽和度測(cè)量血液中的氧飽和度，通常以百分比表示（正常讀數(shù)通常為 97% 或更高）。脈搏血氧儀是一種非侵入性設(shè)備，可測(cè)量人血液的氧飽和度以及心率。脈搏血氧儀很容易被其相關(guān)的夾式探頭識(shí)別，該探頭通常應(yīng)用于患者的手指。

脈搏血氧儀可以是獨(dú)立設(shè)備、患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分或集成到可穿戴健身追蹤器中。因此，脈搏血氧儀被醫(yī)院的護(hù)士、家中的門診病人、健身房的健身愛(ài)好者，甚至是無(wú)壓飛機(jī)上的飛行員使用。

血氧飽和度

血氧飽和度是通過(guò)檢查血紅蛋白來(lái)測(cè)量的，血紅蛋白是紅細(xì)胞的載氧色素，使紅細(xì)胞呈紅色并用于將氧氣輸送到組織。血紅蛋白有兩種形式。第一種稱為氧化（氧）血紅蛋白，表示為 HbO 2（也稱為“載氧”）。第二種稱為還原氧（脫氧）血紅蛋白，表示為 Hb（“缺氧”）。

血氧飽和度 （SpO 2 ） 是氧合血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的比率。這也可以表示為：SpO 2 =HbO 2 /（Hb + HbO 2 ）。

測(cè)量血氧飽和度

關(guān)于血紅蛋白的真正有趣的事情之一是它如何反射和吸收光。例如，Hb 吸收更多（并且反射更少）可見(jiàn)紅光。HbO 2吸收更多（并且反射更少）紅外光。由于血氧飽和度可以通過(guò)比較 Hb 和 HbO 2的值來(lái)確定，因此一種方法是通過(guò)身體部位（例如手指或手腕）同時(shí)照射紅色 LED 和紅外 LED，然后比較它們的相對(duì)值。強(qiáng)度。有兩種常用的方法：（1） 測(cè)量透過(guò)組織的光稱為透射式血氧飽和度法，（2） 測(cè)量組織反射的光稱為反射式血氧飽和度法。

在醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)了透射式脈搏血氧儀的一個(gè)例子。通常，大多數(shù)醫(yī)院病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)都有一個(gè)集成的透射式脈搏血氧儀。另一方面，許多較新的高端可穿戴健身設(shè)備都采用反射-脈搏-血氧測(cè)定法。

測(cè)量脈率

當(dāng)您的心臟跳動(dòng)時(shí)，它會(huì)將血液泵入您的身體。在每次心跳期間，血液都會(huì)被擠入毛細(xì)血管，毛細(xì)血管的體積會(huì)略微增加。在心跳之間，音量減小。這種體積變化會(huì)影響將通過(guò)組織傳輸?shù)墓饬浚缂t光或紅外光的量。雖然這種波動(dòng)非常小，但可以通過(guò)脈搏血氧儀使用與測(cè)量血氧飽和度相同的設(shè)置來(lái)測(cè)量。

血氧計(jì)的解剖

典型的脈搏血氧儀根據(jù) HbO 2和 Hb的紅光（使用 600-750 nm 波長(zhǎng)）和紅外光（使用 850-1000 nm 波長(zhǎng)）吸收特性監(jiān)測(cè)人血液的 SpO 2 。這種類型的脈搏血氧儀通過(guò)身體部位（例如手指）交替閃爍紅光和紅外光，到達(dá)光電二極管傳感器。

光電二極管通常用于接收來(lái)自每個(gè) LED 的非吸收光。然后使用反相運(yùn)算放大器或運(yùn)算放大器將該信號(hào)反相。產(chǎn)生的信號(hào)代表已被手指吸收的光（圖 2）。

圖 2：由示波器捕獲的實(shí)時(shí)紅色和紅外 （IR） 脈動(dòng)信號(hào)。

測(cè)量紅色和紅外信號(hào)的脈沖幅度 （Vpp） 并將其轉(zhuǎn)換為 Vrms，以產(chǎn)生比率值：比率 = （Red_AC_Vrms/Red_DC） / （IR_AC_Vrms/IR_DC）。

SpO 2可以使用比率值和由經(jīng)驗(yàn)公式組成的查找表來(lái)確定?？梢愿鶕?jù)脈搏血氧儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 采樣數(shù)和采樣率計(jì)算脈搏率。

查找表是脈搏血氧儀的重要組成部分。查找表特定于特定的血氧計(jì)設(shè)計(jì)，通常基于校準(zhǔn)曲線，其中包括來(lái)自具有不同 SpO 2水平的受試者的大量測(cè)量值。圖 3 顯示了校準(zhǔn)曲線的示例。

圖 3：血氧計(jì)校準(zhǔn)曲線。

血氧儀電路設(shè)計(jì)

以下示例將詳細(xì)介紹透射式脈搏血氧計(jì)設(shè)計(jì)的不同部分。如圖 4 所示，這種設(shè)計(jì)演示了脈搏率和血氧飽和度水平的測(cè)量。

圖 4：透射式脈搏血氧儀系統(tǒng)框圖。

探測(cè)

本例中使用的 SpO 2探頭是現(xiàn)成的手指夾，集成了一個(gè)紅色 LED 和一個(gè) IR LED，以及一個(gè)光電二極管。LED 由 LED 驅(qū)動(dòng)電路控制。

通過(guò)手指的紅光和紅外光由信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè)，然后饋入集成在數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）中的 12 位 ADC 模塊，計(jì)算 SpO 2的百分比。

LED驅(qū)動(dòng)電路

由來(lái)自 DSC 的兩個(gè) PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)的雙單刀雙擲模擬開(kāi)關(guān)交替打開(kāi)和關(guān)閉紅色和紅外 LED。為了獲取正確數(shù)量的 ADC 樣本并在下一個(gè) LED 開(kāi)啟之前仍有足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù)，LED 根據(jù)圖 5 中的時(shí)序圖進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉。

圖 5：血氧計(jì)時(shí)序圖。

LED 電流/強(qiáng)度由 DSC 驅(qū)動(dòng)的 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器 （DAC） 控制。

模擬信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路有兩個(gè)階段。第一級(jí)是跨阻放大器，第二級(jí)是增益放大器。高通濾波器放置在兩級(jí)之間。

跨阻放大器將光電二極管產(chǎn)生的幾微安電流轉(zhuǎn)換為幾毫伏 （mV）。從這個(gè)第一級(jí)放大器接收到的信號(hào)然后通過(guò)一個(gè)高通濾波器，該濾波器旨在減少背景光干擾。

高通濾波器的輸出然后被發(fā)送到增益為 22 和 DC 偏移電壓為 220 mV 的第二級(jí)放大器。放大器增益和 DC 偏移值的設(shè)置是為了將增益放大器的輸出信號(hào)電平適當(dāng)?shù)刂糜?MCU 的 ADC 范圍內(nèi)。

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)調(diào)理電路的輸出連接到 DSC 的集成 12 位 ADC 模塊。此示例使用 Microchip Technology 的 dsPIC DSC。本設(shè)計(jì)中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開(kāi)發(fā)人員能夠利用其集成的 DSP 功能和 Microchip 的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具。

在每個(gè) LED 的開(kāi)啟時(shí)間段內(nèi)采集一個(gè) ADC 樣本，在兩個(gè) LED 的關(guān)閉時(shí)間段內(nèi)采集一個(gè) ADC 樣本。由于通過(guò)有機(jī)組織進(jìn)行基于光的測(cè)量存在挑戰(zhàn)，因此使用濾波器設(shè)計(jì)工具來(lái)實(shí)現(xiàn) 513 階數(shù)字 FIR 帶通濾波器，該濾波器能夠過(guò)濾 ADC 數(shù)據(jù)。然后使用此過(guò)濾數(shù)據(jù)計(jì)算脈沖幅度（圖 6）。

此 FIR 帶通濾波器的規(guī)格為：

· 采樣頻率（Hz）：500

· 通帶紋波（-dB）：0.1

· 通帶頻率 （Hz）：1 和 5

· 阻帶紋波（-dB）：50

· 阻帶頻率（Hz）：0.05和25

· 過(guò)濾器長(zhǎng)度：513

· FIR 窗口：Kaiser

圖 6：輸入和過(guò)濾的數(shù)據(jù)。圖 1 以紅色顯示，是 FIR 濾波器的輸入信號(hào)。圖 2 以綠色顯示，是 FIR 濾波器的輸出信號(hào)。X 軸顯示 ADC 樣本的數(shù)量。Y 軸顯示 ADC 代碼值。

嵌入式醫(yī)療設(shè)備的增長(zhǎng)。

家庭醫(yī)療和健身市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)。對(duì)可以測(cè)量心率和血氧水平的設(shè)備的需求在未來(lái)幾年只會(huì)增加。脈搏血氧計(jì)參考設(shè)計(jì)（例如本文中描述的設(shè)計(jì)）非常有助于為醫(yī)療和健身設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供將其設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)和推向市場(chǎng)的良好開(kāi)端。

審核編輯：郭婷