测量便携式医疗和可穿戴设备的心率和血氧水平

作者：Zhang Feng，Marten S

医疗和健身领域发生的变化，以及相关的电子和可穿戴设备，可以被称为真正的革命性。当今医疗保健设备市场的需求多种多样且具有挑战性。曾经主要用于医院的设备现在用于家庭医疗应用以及健身监测。

测量心率和血氧水平的能力现在更频繁地出现在消费品中。这些测量可以使用脉搏血氧仪进行，脉搏血氧仪现在既可以作为家庭医疗设备，也可以作为集成可穿戴健身活动追踪器的一部分。

什么是血氧仪？

血氧饱和度是血液中氧饱和度的测量，通常以百分比表示（正常读数通常为97%或更高）。脉搏血氧仪是一种非侵入性设备，用于测量人体血液的血氧饱和度以及心率。脉搏血氧仪很容易通过其相关的夹式探头识别，该探头通常应用于患者的手指。

脉搏血氧仪可以是独立的设备，是患者监测系统的一部分，也可以集成到可穿戴健身追踪器中。因此，医院的护士，家中的门诊患者，健身房的健身爱好者，甚至非加压飞机上的飞行员都使用脉搏血氧仪。

血氧饱和度

血氧饱和度是通过检查血红蛋白来测量的，血红蛋白是红细胞的携氧色素，使它们呈红色，并用于将氧气输送到组织中。血红蛋白有两种形式。第一种称为氧化（氧基）血红蛋白，表示为HbO2（也称为“含氧”）。第二种称为还原氧（脱氧）血红蛋白，其表示为Hb（“缺氧”）。

血氧饱和度2） 是氧血红蛋白与脱氧血红蛋白的比率。这也可以表示为：断续器2=血红蛋白2/（血红蛋白 + 血红蛋白2）。

测量血氧饱和度

关于血红蛋白的一个真正有趣的事情是它如何反射和吸收光。例如，Hb吸收更多（和反射更少）可见的红光。人球蛋白2吸收更多（和反射更少）的红外光。由于血氧饱和度可以通过比较 Hb 和 HbO 的值来确定2，一种方法是通过身体部位（例如手指或手腕）照射红色LED和红外LED，然后比较它们的相对强度。有两种常见的方法可以做到这一点：（1）测量通过组织透射的光称为透射血氧仪，以及（2）测量组织反射的光称为反射率血氧仪。

透射式脉搏血氧仪的一个例子是在医院中发现的。通常，大多数医院患者监测系统都有一个集成的透射式脉搏血氧仪。另一方面，许多较新的高端可穿戴健身设备采用反射率-脉搏-血氧饱和度法。

测量脉率

当你的心脏跳动时，它会将血液泵入你的身体。在每次心跳期间，血液被挤压到毛细血管中，毛细血管的体积会略微增加。在检测信号之间，音量减小。体积的这种变化会影响将通过组织透射的光量，例如红光或红外光的量。虽然这种波动非常小，但它可以通过脉搏血氧仪使用与测量血氧饱和度相同的设置类型进行测量。

血氧仪的解剖结构

典型的脉搏血氧仪监测 SpO2基于红光（使用600-750nm波长）和红外光（使用850-1000nm波长）HbO吸收特性的人的血液2和血红蛋白。这种类型的脉搏血氧仪将红光和红外光交替闪烁，通过身体部位（如手指）到光电二极管传感器。

光电二极管通常用于接收来自每个LED的非吸收光。然后使用反相运算放大器或运算放大器对该信号进行反相。产生的信号表示手指吸收的光（图2）。

图 2：由示波器捕获的实时红色和红外 （IR）脉动信号。

测量红色和红外信号的脉冲幅度（Vpp）并将其转换为Vrms，以产生比率值：比率=（Red_AC_Vrms/Red_DC）/（IR_AC_Vrms/IR_DC）。

斯波2可以使用比率值和由经验公式组成的查找表来确定。脉冲速率可以根据脉搏血氧仪的模数转换器（ADC）样本数和采样率来计算。

查找台是脉搏血氧仪的重要组成部分。查找表特定于特定的血氧仪设计，通常基于校准曲线，这些曲线来自具有各种SpO的受试者的大量测量结果等。2水平。图3显示了校准曲线的示例。

图 3：血氧仪校准曲线。

血氧仪电路设计

以下示例将详细介绍透射式脉搏血氧仪设计的不同部分。该设计如图4所示，演示了脉搏率和血氧饱和度的测量。

图 4：透射式脉搏血氧仪系统框图。

探针

斯波2本例中使用的探头是一个现成的指夹，集成了一个红色LED和一个红外LED，以及一个光电二极管。指示灯由 LED 驱动器电路控制。

通过手指的红光和红外光由信号调理电路检测，然后馈入集成在数字信号控制器（DSC）中的12位ADC模块中，其中SpO的百分比2已计算。

发光二极管驱动电路

双通道单刀双掷模拟开关由来自 DSC 的两个 PWM 信号驱动，可交替打开和关闭红色和红外 LED。为了获得适当数量的ADC样本，并且在下一个LED导通之前仍然有足够的时间处理数据，LED根据图5中的时序图打开和关闭。

图 5：血氧仪计时图。

LED 电流/强度由 12 位数模转换器 （DAC） 控制，该转换器由 DSC 驱动。

模拟信号调理电路

信号调理电路分为两个阶段。第一级是跨阻放大器，第二级是增益放大器。高通滤波器放置在两级之间。

跨阻放大器将光电二极管产生的几微安电流转换为几毫伏（mV）。然后，从该第一级放大器接收到的信号通过高通滤波器，该滤波器旨在减少背景光干扰。

然后，高通滤波器的输出被发送到增益为22、直流失调电压为220 mV的第二级放大器。放大器的增益和直流失调值被设置好，以便将增益放大器的输出信号电平正确置于MCU的ADC范围内。

数字滤波器设计

模拟信号调理电路的输出连接到DSC的集成12位ADC模块。此示例利用了微芯片技术的 DSPIC DSC。本设计中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使开发人员能够利用其集成的 DSP 功能和微芯片的数字滤波器设计工具。

在每个 LED 的导通时间段内采集一个 ADC 样本，在两个 LED 的关断时间段内采集一个 ADC 样本。由于通过有机组织进行基于光的测量具有挑战性，滤波器设计工具用于实现513阶数字FIR带通滤波器，从而实现ADC数据的滤波。然后使用该滤波数据来计算脉冲幅度（图6）。

该FIR带通滤波器的规格是：

· 采样频率（赫兹）： 500
· 通带纹波：0.1
· 通带频率 （Hz）：1 和 5
· 阻带纹波（-分贝）： 50
· 阻带频率 （Hz）： 0.05 和 25
· 过滤长度：513
· 远红外窗口：凯撒

图1（红色）是FIR滤波器的输入信号。图2（绿色）是FIR滤波器的输出信号。X轴显示ADC样本的数量。Y 轴显示 ADC 代码值。

图 6：输入和筛选的数据。

嵌入式医疗设备的增长。

家庭医疗和健身市场正在快速增长。对能够测量心率和血氧水平的设备的需求在未来几年只会增加。脉搏血氧仪参考设计（如本文中描述的参考设计）对于为医疗和健身设备设计人员提供将设计投入生产和上市的良好开端非常有用。