测量便携式医疗和可穿戴设备的心率和血氧水平

医疗和健身领域发生的变化，以及与之相关的电子和可穿戴设备，可以称为真正的革命性变革。当今医疗保健设备市场的需求多种多样且具有挑战性。曾经主要在医院发现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功能现在越来越多地出现在消费品中。可以使用脉搏血氧仪进行这些测量，脉搏血氧仪现在既可以作为家庭医疗设备使用，也可以作为集成可穿戴健身活动追踪器的一部分。

什么是血氧饱和度？

血氧饱和度测量血液中的氧饱和度，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，可测量人血液的氧饱和度以及心率。脉搏血氧仪很容易被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设备、患者监测系统的一部分或集成到可穿戴健身追踪器中。因此，脉搏血氧仪被医院的护士、家中的门诊病人、健身房的健身爱好者，甚至是无压飞机上的飞行员使用。

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载氧色素，使红细胞呈红色并用于将氧气输送到组织。血红蛋白有两种形式。第一种称为氧化（氧）血红蛋白，表示为 HbO 2（也称为“载氧”）。第二种称为还原氧（脱氧）血红蛋白，表示为 Hb（“缺氧”）。

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

测量血氧饱和度

关于血红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）可见红光。HbO 2吸收更多（并且反射更少）红外光。由于血氧饱和度可以通过比较 Hb 和 HbO 2的值来确定，因此一种方法是通过身体部位（例如手指或手腕）同时照射红色 LED 和红外 LED，然后比较它们的相对值。强度。有两种常用的方法：（1） 测量透过组织的光称为透射式血氧饱和度法，（2） 测量组织反射的光称为反射式血氧饱和度法。

在医院中发现了透射式脉搏血氧仪的一个例子。通常，大多数医院病人监护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都采用反射-脉搏-血氧测定法。

测量脉率

当您的心脏跳动时，它会将血液泵入您的身体。在每次心跳期间，血液都会被挤入毛细血管，毛细血管的体积会略微增加。在心跳之间，音量减小。这种体积变化会影响将通过组织传输的光量，例如红光或红外光的量。虽然这种波动非常小，但可以通过脉搏血氧仪使用与测量血氧饱和度相同的设置来测量。

血氧计的解剖

典型的脉搏血氧仪根据 HbO 2和 Hb的红光（使用 600-750 nm 波长）和红外光（使用 850-1000 nm 波长）吸收特性监测人血液的 SpO 2 。这种类型的脉搏血氧仪通过身体部位（例如手指）交替闪烁红光和红外光，到达光电二极管传感器。

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将该信号反相。产生的信号代表已被手指吸收的光（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）。

SpO 2可以使用比率值和由经验公式组成的查找表来确定。可以根据脉搏血氧仪的模数转换器 （ADC） 采样数和采样率计算脉搏率。

查找表是脉搏血氧仪的重要组成部分。查找表特定于特定的血氧计设计，通常基于校准曲线，其中包括来自具有不同 SpO 2水平的受试者的大量测量值。图 3 显示了校准曲线的示例。

图 3：血氧计校准曲线。

血氧仪电路设计

以下示例将详细介绍透射式脉搏血氧计设计的不同部分。如图 4 所示，这种设计演示了脉搏率和血氧饱和度水平的测量。

图 4：透射式脉搏血氧仪系统框图。

探测

本例中使用的 SpO 2探头是现成的手指夹，集成了一个红色 LED 和一个 IR LED，以及一个光电二极管。LED 由 LED 驱动电路控制。

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，计算 SpO 2的百分比。

LED驱动电路

由来自 DSC 的两个 PWM 信号驱动的双单刀双掷模拟开关交替打开和关闭红色和红外 LED。为了获取正确数量的 ADC 样本并在下一个 LED 开启之前仍有足够的时间处理数据，LED 根据图 5 中的时序图进行开启和关闭。

图 5：血氧计时序图。

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

模拟信号调理电路

信号调理电路有两个阶段。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）。从这个第一级放大器接收到的信号然后通过一个高通滤波器，该滤波器旨在减少背景光干扰。

高通滤波器的输出然后被发送到增益为 22 和 DC 偏移电压为 220 mV 的第二级放大器。放大器增益和 DC 偏移值的设置是为了将增益放大器的输出信号电平适当地置于 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。此示例使用 Microchip Technology 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 Microchip 的数字滤波器设计工具。

在每个 LED 的开启时间段内采集一个 ADC 样本，在两个 LED 的关闭时间段内采集一个 ADC 样本。由于通过有机组织进行基于光的测量存在挑战，因此使用滤波器设计工具来实现 513 阶数字 FIR 带通滤波器，该滤波器能够过滤 ADC 数据。然后使用此过滤数据计算脉冲幅度（图 6）。

此 FIR 带通滤波器的规格为：

· 采样频率（Hz）：500

· 通带纹波（-dB）：0.1

· 通带频率 （Hz）：1 和 5

· 阻带纹波（-dB）：50

· 阻带频率（Hz）：0.05和25

· 过滤器长度：513

· FIR 窗口：Kaiser

图 6：输入和过滤的数据。图 1 以红色显示，是 FIR 滤波器的输入信号。图 2 以绿色显示，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。

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。对可以测量心率和血氧水平的设备的需求在未来几年只会增加。脉搏血氧计参考设计（例如本文中描述的设计）非常有助于为医疗和健身设备设计人员提供将其设计投入生产和推向市场的良好开端。

审核编辑：郭婷