如何設(shè)計(jì)更好的脈搏血氧儀

設(shè)計(jì)更方便、耗電量更低的醫(yī)療設(shè)備比以往任何時(shí)候都更加重要。本文介紹了 SpO 的基礎(chǔ)知識(shí)2測(cè)量并演示新一代光學(xué)模擬前端 （AFE） 如何幫助創(chuàng)建更好的血氧儀。新器件可以降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，減輕機(jī)械設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，并降低功耗。

介紹

傳統(tǒng)上，外周血氧飽和度（SpO2）是在手指或耳朵的身體外圍進(jìn)行的測(cè)量，最常見的是使用夾子裝置來確定氧飽和血紅蛋白與總血紅蛋白的比例。該測(cè)量用于判斷紅細(xì)胞將氧氣從肺部輸送到身體其他部位的情況。正常 SpO2健康成人的水平從95%到100%不等。低于此范圍的水平表明一種稱為低氧血癥的病癥。這意味著身體沒有運(yùn)輸足夠的氧氣來維持健康的器官和認(rèn)知功能。

患有低氧血癥的人可能會(huì)出現(xiàn)頭暈、意識(shí)模糊、呼吸急促和頭痛。幾種疾病會(huì)導(dǎo)致血氧不足，可能需要在家中或臨床環(huán)境中進(jìn)行連續(xù)或間歇性監(jiān)測(cè)。

SpO2是臨床環(huán)境中記錄的最常見的生命體征之一。一些需要連續(xù)SpO的條件2監(jiān)測(cè)包括哮喘、心臟病、慢性阻塞性肺病、肺病、肺炎和 COVID-19 誘發(fā)的缺氧。

確定有癥狀的COVID-19患者是否需要住院治療的方法之一是監(jiān)測(cè)其SpO2水平。如果這些水平低于基線數(shù)字（通常低于92%），則需要將其檢查到急診室。

COVID-19與缺氧之間的最近聯(lián)系

最近，COVID-19 患者被診斷出患有一種特別隱蔽的疾病，稱為無聲缺氧。在出現(xiàn)任何典型的COVID-19呼吸道癥狀（如呼吸急促）之前，靜默缺氧會(huì)對(duì)身體造成嚴(yán)重?fù)p害。國(guó)家生物技術(shù)信息中心網(wǎng)站上的一篇文章1指出：“在COVID-19患者開始出現(xiàn)呼吸急促之前檢測(cè)出這種無聲缺氧的能力對(duì)于防止肺炎發(fā)展到危險(xiǎn)水平至關(guān)重要。

SpO2監(jiān)測(cè)也是診斷睡眠呼吸暫停的關(guān)鍵指標(biāo)。阻塞性睡眠呼吸暫停會(huì)導(dǎo)致氣道在睡眠期間部分或完全阻塞。這可以觀察到呼吸長(zhǎng)時(shí)間停頓或淺呼吸導(dǎo)致暫時(shí)缺氧。如果隨著時(shí)間的推移不治療，睡眠呼吸暫停會(huì)增加心臟病發(fā)作、中風(fēng)和肥胖的可能性。據(jù)估計(jì)，睡眠呼吸暫停影響了1%至6%的成年人口。

現(xiàn)在和將來迫切需要更好的脈搏血氧儀

隨著患者護(hù)理趨向于門診和家庭監(jiān)測(cè)，需要開發(fā)不會(huì)妨礙用戶完成日常任務(wù)的生命體征監(jiān)測(cè)設(shè)備。在SpO的情況下2，手指和耳朵以外的監(jiān)控區(qū)域?qū)碓S多設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。最近出現(xiàn)的無聲缺氧使得開發(fā)更便攜的臨床級(jí)脈搏血氧儀裝置的理由更加引人注目。

本文將解釋SpO的一些基本原則2測(cè)量并推出ADI最新一代光學(xué)AFE，ADPD4100和ADPD4101，可降低醫(yī)療級(jí)SpO的設(shè)計(jì)復(fù)雜性2設(shè)備。內(nèi)置高性能自動(dòng)環(huán)境光抑制功能，減輕了機(jī)械和電子設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)。ADPD4100在低功耗下的高動(dòng)態(tài)范圍減少了設(shè)計(jì)中光電二極管或LED電流的數(shù)量，以確定患者SpO的細(xì)微變化2高效水平。最后，數(shù)字積分器選項(xiàng)允許用戶進(jìn)入極其高效的功耗模式，通過禁用光信號(hào)路徑中的模擬模塊，在便攜式PPG解決方案中實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

什么是血氧飽和度？

氧飽和度是血液中氧飽和血紅蛋白占總可用血紅蛋白的百分比。測(cè)量血氧飽和度的金標(biāo)準(zhǔn)是心房血氧合測(cè)量，SaO2.然而，這種方法需要對(duì)血液樣本進(jìn)行基于實(shí)驗(yàn)室的血?dú)夥治?。校?zhǔn)部分對(duì)此進(jìn)行了更深入的介紹。

SpO2是使用脈搏血氧儀測(cè)量的身體外圍的氧飽和度水平的估計(jì)值。直到最近，測(cè)量氧飽和度的最常見方法是使用位于手指上的脈搏血氧儀。

脈搏血氧儀如何工作？

脈搏血氧儀的工作原理是吸收氧合血紅蛋白（HbO）中的光2）和脫氧血紅蛋白（RHb）在特定光波長(zhǎng)下顯著不同。圖1顯示了HbO的消光系數(shù)2、Hb 和高鐵血紅蛋白 （MetHb） 在可見光和紅外光譜中。消光系數(shù)是衡量化學(xué)物質(zhì)在給定波長(zhǎng)下吸收光的強(qiáng)度。從圖1可以看出，HbO2吸收更多的紅光（600 nm）并允許更多的紅外光（940 nm）通過。RHb在紅外波長(zhǎng)處吸收更多的光，這使得更多的紅光通過比HbO更多的紅光2.

最基本的脈搏血氧儀由兩個(gè) LED（一個(gè)紅色 660 nm LED 和一個(gè)紅外 （IR） 940 nm LED）和一個(gè)反射式或透射式配置的光電二極管 （PD） 組成（見圖 4）。脈搏血氧儀將脈沖紅色 LED 并測(cè)量 PD 上產(chǎn)生的信號(hào)。 對(duì)紅外 LED 重復(fù)此操作，最后關(guān)閉兩個(gè) LED，以獲得任何環(huán)境外部光源的基線。這將產(chǎn)生兩個(gè)波長(zhǎng)的光電容積脈搏波（PPG）信號(hào)。

圖1.光通過血紅蛋白的消光因子。

圖2.基本脈搏血氧儀電路。

信號(hào)包含直流和交流分量。直流分量是由于恒定的反射物質(zhì)，如皮膚、肌肉和骨骼以及靜脈血。當(dāng)身體處于靜止?fàn)顟B(tài)并且運(yùn)動(dòng)不是一個(gè)因素時(shí)，AC成分主要由來自動(dòng)脈血液脈動(dòng)的反射光組成。AC成分取決于心率和動(dòng)脈厚度，收縮壓（泵）中的反射光或透射光多于反托邦（松弛）。在收縮期，血液從心臟泵出，這會(huì)增加心房血壓。血壓升高會(huì)擴(kuò)張動(dòng)脈并導(dǎo)致心房血容量增加。血液的增加導(dǎo)致光吸收的增加。舒張期血壓下降，因此光的吸收也會(huì)下降。圖3顯示了由心臟跳動(dòng)引起的舒張期谷和收縮壓峰值。

比爾-朗伯定律解釋說，光在通過吸收性物質(zhì)傳播時(shí)呈指數(shù)衰減。這可用于確定氧合血紅蛋白與總血紅蛋白的水平。

舒張期和收縮期吸收的光強(qiáng)度與以下因素相關(guān)：

其中α測(cè)量心房血液中光的吸收率，d2是PPG信號(hào)的交流振幅（見圖3）。我舒張等于標(biāo)記為 d1 的直流分量。

圖3.通過組織的光衰減。

通過計(jì)算PPG信號(hào)的AC和DC，我們能夠確定由心臟泵血引起的心房血液吸收變化-α.d2，而沒有其他組織的貢獻(xiàn)。

AC分量與直流分量的比值稱為灌注指數(shù)，它是脈動(dòng)血流與非脈動(dòng)靜態(tài)血流的比值?；?PPG 的心率或 SpO 的目標(biāo)2測(cè)量系統(tǒng)是為了提高交流與直流的信號(hào)比。

PI = 交流/直流

紅外和紅色波長(zhǎng)的灌注指數(shù)可用于計(jì)算比率（RoR），即PI紅到 PL紅外.由于給定波長(zhǎng)的光吸收與

理論上，RoR可以代入以下公式來計(jì)算SpO2:

地點(diǎn)： E二氧化二氧乙烷，紅色= HbO 的消光系數(shù)2在 600 nm 處，E二氧化乙烷，二氧化氫= HbO 的消光系數(shù)2在 940 nm 處

ERHb，IRED= RHb 在 940 nm 處的消光系數(shù)，ERHb，紅色= RHb 在 600 nm 處的消光系數(shù)

然而，不能直接使用比爾-朗伯定律，因?yàn)槊總€(gè)光學(xué)設(shè)計(jì)中都有許多可變因素會(huì)導(dǎo)致RoR到SpO的變化2關(guān)系。其中包括機(jī)械擋板設(shè)計(jì)、LED 到 PD 間距、電子和機(jī)械環(huán)境光抑制、PD 增益誤差等等。

從基于 PPG 的 SpO 中獲得臨床級(jí)準(zhǔn)確度2脈搏血氧儀，必須為RoR和SpO之間的相關(guān)性開發(fā)查找表或算法2.

校準(zhǔn)

需要校準(zhǔn)測(cè)量系統(tǒng)以開發(fā)高精度SpO2算法。校準(zhǔn) SpO 的步驟2系統(tǒng)，必須完成一項(xiàng)研究，其中參與者的血氧水平在醫(yī)學(xué)上降低，監(jiān)測(cè)和由醫(yī)療專業(yè)人員監(jiān)督。這被稱為缺氧研究。

The SpO2測(cè)量系統(tǒng)只能與參考一樣準(zhǔn)確。參考選項(xiàng)包括醫(yī)用級(jí)指夾式脈搏血氧儀和黃金標(biāo)準(zhǔn)共血氧儀。共血氧儀是一種測(cè)量血液氧飽和度的侵入性方法，具有很高的準(zhǔn)確度，但在大多數(shù)情況下不方便給藥。

校準(zhǔn)過程用于生成根據(jù)光學(xué)SpO計(jì)算的RoR值的最佳擬合曲線2設(shè)備到共同血氧儀SaO2測(cè)量。該曲線用于生成用于計(jì)算SpO的查找表或方程2.

所有 SpO 都需要校準(zhǔn)2RoR的設(shè)計(jì)取決于許多變量，例如LED波長(zhǎng)和強(qiáng)度，PD響應(yīng)，身體位置和環(huán)境光抑制，這些變量因設(shè)計(jì)而異。

增加的灌注指數(shù)以及紅光和紅外波長(zhǎng)上的高交流動(dòng)態(tài)范圍將提高RoR計(jì)算的靈敏度，從而返回更準(zhǔn)確的SpO2測(cè)量。

在缺氧研究中，需要記錄 200 次等距間隔在 100% 和 70% 血氧飽和度之間的測(cè)量值。受試者的選擇具有各種膚色，年齡和性別分布相等。膚色、年齡和性別的這種變化解釋了個(gè)體分布導(dǎo)致不同的灌注指數(shù)結(jié)果。

透射式脈搏血氧儀的總誤差必須為 ≤3.0%，反射式配置的總誤差必須為 ≤3.5%。

設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

透射式與反射式

PPG信號(hào)可以使用透射式或反射式LED和PD配置獲得。透射式配置測(cè)量通過身體部位的非吸收光。這種配置最適合手指和耳垂等區(qū)域，在這些區(qū)域，測(cè)量受益于這些身體位置的毛細(xì)血管密度，這使得測(cè)量更穩(wěn)定、重復(fù)，并且對(duì)位置變化不太敏感。透射式配置使灌注指數(shù)增加 40 dB 至 60 dB。

當(dāng) PD 和 LED 必須并排放置以保持實(shí)用性時(shí)，例如使用腕戴式或胸部佩戴式設(shè)備時(shí)，會(huì)選擇反射式 PPG 配置。

圖4.指示燈-PD 配置。

傳感器定位和灌注指數(shù)

在手腕和胸部定位需要PPG AFE中的更大動(dòng)態(tài)范圍，因?yàn)橛捎陟o態(tài)反射組件（如皮膚，脂肪和骨骼）下方的動(dòng)脈深度，直流信號(hào)大大增加。

PPG測(cè)量中更高的分辨率將降低SpO中的不確定性2算法。腕戴式 SpO 的典型 PI 為 1% 至 2%2傳感器，脈搏血氧儀設(shè)計(jì)的目標(biāo)是通過機(jī)械設(shè)計(jì)增加PI或增加動(dòng)態(tài)范圍。

LED與PD的間距將對(duì)PI產(chǎn)生重大影響。間距太小會(huì)增加 LED 到 PD 的串?dāng)_或反向散射。這將顯示為直流信號(hào)并使AFE飽和。

增加此間距可降低反向散射和串?dāng)_的影響，但也降低了電流互感器比（CTR），即LED輸出到PD返回電流。這將影響PPG系統(tǒng)的效率，并需要更大的LED功率來最大化AFE動(dòng)態(tài)范圍。

快速脈沖一個(gè)或多個(gè) LED 具有降低 1/f 噪聲對(duì)整體信號(hào)的貢獻(xiàn)的好處。通過對(duì)LED進(jìn)行脈沖處理，還可以在接收側(cè)使用同步調(diào)制來消除環(huán)境光干擾。對(duì)多個(gè)脈沖進(jìn)行積分可增加PD信號(hào)幅度并降低平均電流消耗。隨著更多的反射光被捕獲，增加總PD面積也會(huì)增加CTR。

對(duì)于心率PPG測(cè)量，許多HR設(shè)備制造商已采用單個(gè)大型PD和多個(gè)節(jié)能綠色LED的組合，用于血流有限的場(chǎng)所。選擇綠色 LED 是因?yàn)樗鼈儗?duì)運(yùn)動(dòng)偽影的高抑制。2然而，這是以電力為代價(jià)的。綠色LED具有比紅色和紅外更高的正向電壓，并且在人體組織中具有高吸光度，這意味著需要更高的LED功率才能返回有意義的心臟信息。

作為 SpO2需要多個(gè)波長(zhǎng)，大多數(shù)系統(tǒng)仍然為HR PPG集成高效綠色LED，這是HR和SpO最常見的配置2PPG系統(tǒng)是一個(gè)由多個(gè)PD包圍的單個(gè)綠色、紅色和紅外LED陣列，如圖5中的ADI VSM手表所示。PD 到 LED 間距已經(jīng)過優(yōu)化，以減少反向散射，擋板設(shè)計(jì)減少了 LED 到 PD 的串?dāng)_。

對(duì)ADI VSM手表的多個(gè)原型進(jìn)行了試驗(yàn)，以驗(yàn)證我們的HR PPG和SpO最有效的PD到LED間距2測(cè)量。

運(yùn)動(dòng)偽像

運(yùn)動(dòng)偽像是PPG測(cè)量系統(tǒng)面臨的最大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一。當(dāng)存在運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)脈和靜脈的寬度會(huì)因壓力而改變。光電二極管吸收的光量會(huì)發(fā)生變化，這存在于PPG信號(hào)上，因?yàn)楣庾拥奈栈蚍瓷渑c物體靜止時(shí)不同。

對(duì)于覆蓋無限長(zhǎng)的深層組織樣品的無限寬光電二極管區(qū)域，所有光子最終都會(huì)反射到光電二極管。在這種情況下，不會(huì)檢測(cè)到由于運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的偽影。然而，這是無法實(shí)現(xiàn)的。解決方案是在考慮電容的同時(shí)增加光電二極管面積，降低AFE并為運(yùn)動(dòng)偽影提供濾波。

PPG 信號(hào)的正常頻率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之間，而運(yùn)動(dòng)偽影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之間。 簡(jiǎn)單的帶通濾波技術(shù)不能用于消除PPG信號(hào)中的運(yùn)動(dòng)偽影。為了實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動(dòng)消除，需要為自適應(yīng)濾波器提供高精度的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。為此，ADI公司開發(fā)了ADXL362 3軸加速度計(jì)。該加速度計(jì)提供 1 m g 分辨率和高達(dá) 8 g 的范圍，在 100 Hz 時(shí)功耗僅為 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封裝。

ADI解決方案：ADPD4100

脈搏血氧儀的定位帶來了一些挑戰(zhàn)。腕戴式 SpO2器件帶來了額外的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，因?yàn)槟繕?biāo)交流信號(hào)僅占PD上總接收光的1%至2%。為了獲得醫(yī)療級(jí)認(rèn)證并區(qū)分氧合血紅蛋白水平的細(xì)微變化，需要更高的交流信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。這可以通過減少環(huán)境光干擾和降低LED驅(qū)動(dòng)器和AFE噪聲來實(shí)現(xiàn)。ADI公司已通過ADPD4100解決了這一問題。

ADPD4100和ADPD41001可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 dB的SNR。這種增加的動(dòng)態(tài)范圍對(duì)于測(cè)量SpO至關(guān)重要2在低灌注情況下。這款集成式光學(xué) AFE 具有 8 個(gè)板載低噪聲電流源和 8 個(gè)獨(dú)立的 PD 輸入。數(shù)字時(shí)序控制器具有 12 個(gè)可編程時(shí)隙，使用戶能夠定義具有特定 LED 電流、模擬和數(shù)字濾波、集成選項(xiàng)和時(shí)序約束的 PD 和 LED 序列陣列。

ADPD4100的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是SNR/μW的增加，這是電池供電連續(xù)監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。通過增加AFE動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)降低AFE電流消耗，解決了這一關(guān)鍵指標(biāo)。ADPD4100現(xiàn)在的總功耗僅為30 μW，用于75 dB、25 Hz連續(xù)PPG測(cè)量（包括LED電源）。增加每個(gè)樣本的脈沖數(shù) （n） 將導(dǎo)致 SNR 增加 （√n），而增加 LED 驅(qū)動(dòng)電流將使 SNR 成比例增加。使用4 V LED電源進(jìn)行連續(xù)PPG測(cè)量時(shí)，系統(tǒng)總功耗為1 μW，將返回93 dB SNR。

自動(dòng)環(huán)境光抑制功能減輕了主機(jī)微處理器的負(fù)擔(dān)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了 60 dB 的光抑制。這是通過快至1 μs的LED脈沖與帶通濾波器一起抑制干擾來實(shí)現(xiàn)的。在某些工作模式下，ADPD4100會(huì)自動(dòng)計(jì)算光電二極管暗電流或LED關(guān)斷狀態(tài)。在ADC轉(zhuǎn)換之前，從LED導(dǎo)通狀態(tài)中減去該結(jié)果，以消除環(huán)境光以及光電二極管內(nèi)的增益誤差和漂移。

ADPD4100支持EVAL-ADPD4100-4101可穿戴評(píng)估套件以及ADI生命體征監(jiān)測(cè)研究手表。該硬件無縫連接到ADI Wavetool應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)SpO的生物阻抗、ECG、PPG心率和多波長(zhǎng)PPG測(cè)量。2發(fā)展。

研究手表中嵌入了ADPD4100的自動(dòng)增益控制（AGC）算法，該算法可調(diào)整TIA增益和LED電流，為所有選定的LED波長(zhǎng)提供最佳的交流信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍。

圖6.ADPD410X 框圖。

圖7.ADPD4100 同時(shí)進(jìn)行紅色（右）和紅外（左）PPG 測(cè)量。

ADI替代解決方案

基于手指和耳垂的 SpO2讀數(shù)是最容易設(shè)計(jì)的，因?yàn)橛捎诠趋篮徒M織的減少，信噪比高于基于手腕或胸部的定位，這也減少了直流分量的貢獻(xiàn)。

對(duì)于此類應(yīng)用，ADPD144RI模塊和ADPD1080是合適的器件。

ADPD144RI是一款完整的模塊，集成了一個(gè)紅色660 nm LED和880 nm IR LED，以及四個(gè)PD，采用2.8 mm×5 mm封裝。LED 和 PD 之間的間距已經(jīng)過優(yōu)化，可為 SpO 提供最佳的信噪比2高精度 PPG 測(cè)量。該模塊允許用戶快速跳過與LED和PD布局和間距相關(guān)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的功率噪聲比。ADPD144RI經(jīng)過機(jī)械優(yōu)化，可盡可能減少光串?dāng)_。這提供了可靠的解決方案，即使傳感器放置在單個(gè)玻璃窗下也是如此。

ADPD1080是一款集成式光學(xué)AFE，具有三個(gè)LED驅(qū)動(dòng)通道和兩個(gè)PD電流輸入通道，采用17引腳、2.5 mm×1.4 mm WLLCSP封裝。該AFE非常適合電路板空間至關(guān)重要的定制設(shè)計(jì)低通道數(shù)PPG產(chǎn)品。

審核編輯：郭婷