如何设计更好的脉搏血氧仪

设计更方便、耗电量更低的医疗设备比以往任何时候都更加重要。本文介绍了 SpO 的基础知识2测量并演示新一代光学模拟前端 （AFE） 如何帮助创建更好的血氧仪。新器件可以降低设计复杂性，减轻机械设计负担，并降低功耗。

介绍

传统上，外周血氧饱和度（SpO2）是在手指或耳朵的身体外围进行的测量，最常见的是使用夹子装置来确定氧饱和血红蛋白与总血红蛋白的比例。该测量用于判断红细胞将氧气从肺部输送到身体其他部位的情况。正常 SpO2健康成人的水平从95%到100%不等。低于此范围的水平表明一种称为低氧血症的病症。这意味着身体没有运输足够的氧气来维持健康的器官和认知功能。

患有低氧血症的人可能会出现头晕、意识模糊、呼吸急促和头痛。几种疾病会导致血氧不足，可能需要在家中或临床环境中进行连续或间歇性监测。

SpO2是临床环境中记录的最常见的生命体征之一。一些需要连续SpO的条件2监测包括哮喘、心脏病、慢性阻塞性肺病、肺病、肺炎和 COVID-19 诱发的缺氧。

确定有症状的COVID-19患者是否需要住院治疗的方法之一是监测其SpO2水平。如果这些水平低于基线数字（通常低于92%），则需要将其检查到急诊室。

COVID-19与缺氧之间的最近联系

最近，COVID-19 患者被诊断出患有一种特别隐蔽的疾病，称为无声缺氧。在出现任何典型的COVID-19呼吸道症状（如呼吸急促）之前，静默缺氧会对身体造成严重损害。国家生物技术信息中心网站上的一篇文章1指出：“在COVID-19患者开始出现呼吸急促之前检测出这种无声缺氧的能力对于防止肺炎发展到危险水平至关重要。

SpO2监测也是诊断睡眠呼吸暂停的关键指标。阻塞性睡眠呼吸暂停会导致气道在睡眠期间部分或完全阻塞。这可以观察到呼吸长时间停顿或浅呼吸导致暂时缺氧。如果随着时间的推移不治疗，睡眠呼吸暂停会增加心脏病发作、中风和肥胖的可能性。据估计，睡眠呼吸暂停影响了1%至6%的成年人口。

现在和将来迫切需要更好的脉搏血氧仪

随着患者护理趋向于门诊和家庭监测，需要开发不会妨碍用户完成日常任务的生命体征监测设备。在SpO的情况下2，手指和耳朵以外的监控区域将带来许多设计挑战。最近出现的无声缺氧使得开发更便携的临床级脉搏血氧仪装置的理由更加引人注目。

本文将解释SpO的一些基本原则2测量并推出ADI最新一代光学AFE，ADPD4100和ADPD4101，可降低医疗级SpO的设计复杂性2设备。内置高性能自动环境光抑制功能，减轻了机械和电子设计的负担。ADPD4100在低功耗下的高动态范围减少了设计中光电二极管或LED电流的数量，以确定患者SpO的细微变化2高效水平。最后，数字积分器选项允许用户进入极其高效的功耗模式，通过禁用光信号路径中的模拟模块，在便携式PPG解决方案中实现更长的运行时间。

什么是血氧饱和度？

氧饱和度是血液中氧饱和血红蛋白占总可用血红蛋白的百分比。测量血氧饱和度的金标准是心房血氧合测量，SaO2.然而，这种方法需要对血液样本进行基于实验室的血气分析。校准部分对此进行了更深入的介绍。

SpO2是使用脉搏血氧仪测量的身体外围的氧饱和度水平的估计值。直到最近，测量氧饱和度的最常见方法是使用位于手指上的脉搏血氧仪。

脉搏血氧仪如何工作？

脉搏血氧仪的工作原理是吸收氧合血红蛋白（HbO）中的光2）和脱氧血红蛋白（RHb）在特定光波长下显着不同。图1显示了HbO的消光系数2、Hb 和高铁血红蛋白 （MetHb） 在可见光和红外光谱中。消光系数是衡量化学物质在给定波长下吸收光的强度。从图1可以看出，HbO2吸收更多的红光（600 nm）并允许更多的红外光（940 nm）通过。RHb在红外波长处吸收更多的光，这使得更多的红光通过比HbO更多的红光2.

最基本的脉搏血氧仪由两个 LED（一个红色 660 nm LED 和一个红外 （IR） 940 nm LED）和一个反射式或透射式配置的光电二极管 （PD） 组成（见图 4）。脉搏血氧仪将脉冲红色 LED 并测量 PD 上产生的信号。 对红外 LED 重复此操作，最后关闭两个 LED，以获得任何环境外部光源的基线。这将产生两个波长的光电容积脉搏波（PPG）信号。

图1.光通过血红蛋白的消光因子。

图2.基本脉搏血氧仪电路。

信号包含直流和交流分量。直流分量是由于恒定的反射物质，如皮肤、肌肉和骨骼以及静脉血。当身体处于静止状态并且运动不是一个因素时，AC成分主要由来自动脉血液脉动的反射光组成。AC成分取决于心率和动脉厚度，收缩压（泵）中的反射光或透射光多于反托邦（松弛）。在收缩期，血液从心脏泵出，这会增加心房血压。血压升高会扩张动脉并导致心房血容量增加。血液的增加导致光吸收的增加。舒张期血压下降，因此光的吸收也会下降。图3显示了由心脏跳动引起的舒张期谷和收缩压峰值。

比尔-朗伯定律解释说，光在通过吸收性物质传播时呈指数衰减。这可用于确定氧合血红蛋白与总血红蛋白的水平。

舒张期和收缩期吸收的光强度与以下因素相关：

其中α测量心房血液中光的吸收率，d2是PPG信号的交流振幅（见图3）。我舒张等于标记为 d1 的直流分量。

图3.通过组织的光衰减。

通过计算PPG信号的AC和DC，我们能够确定由心脏泵血引起的心房血液吸收变化-α.d2，而没有其他组织的贡献。

AC分量与直流分量的比值称为灌注指数，它是脉动血流与非脉动静态血流的比值。基于 PPG 的心率或 SpO 的目标2测量系统是为了提高交流与直流的信号比。

PI = 交流/直流

红外和红色波长的灌注指数可用于计算比率（RoR），即PI红到 PL红外.由于给定波长的光吸收与

理论上，RoR可以代入以下公式来计算SpO2:

地点： E二氧化二氧乙烷，红色= HbO 的消光系数2在 600 nm 处，E二氧化乙烷，二氧化氢= HbO 的消光系数2在 940 nm 处

ERHb，IRED= RHb 在 940 nm 处的消光系数，ERHb，红色= RHb 在 600 nm 处的消光系数

然而，不能直接使用比尔-朗伯定律，因为每个光学设计中都有许多可变因素会导致RoR到SpO的变化2关系。其中包括机械挡板设计、LED 到 PD 间距、电子和机械环境光抑制、PD 增益误差等等。

从基于 PPG 的 SpO 中获得临床级准确度2脉搏血氧仪，必须为RoR和SpO之间的相关性开发查找表或算法2.

校准

需要校准测量系统以开发高精度SpO2算法。校准 SpO 的步骤2系统，必须完成一项研究，其中参与者的血氧水平在医学上降低，监测和由医疗专业人员监督。这被称为缺氧研究。

The SpO2测量系统只能与参考一样准确。参考选项包括医用级指夹式脉搏血氧仪和黄金标准共血氧仪。共血氧仪是一种测量血液氧饱和度的侵入性方法，具有很高的准确度，但在大多数情况下不方便给药。

校准过程用于生成根据光学SpO计算的RoR值的最佳拟合曲线2设备到共同血氧仪SaO2测量。该曲线用于生成用于计算SpO的查找表或方程2.

所有 SpO 都需要校准2RoR的设计取决于许多变量，例如LED波长和强度，PD响应，身体位置和环境光抑制，这些变量因设计而异。

增加的灌注指数以及红光和红外波长上的高交流动态范围将提高RoR计算的灵敏度，从而返回更准确的SpO2测量。

在缺氧研究中，需要记录 200 次等距间隔在 100% 和 70% 血氧饱和度之间的测量值。受试者的选择具有各种肤色，年龄和性别分布相等。肤色、年龄和性别的这种变化解释了个体分布导致不同的灌注指数结果。

透射式脉搏血氧仪的总误差必须为 ≤3.0%，反射式配置的总误差必须为 ≤3.5%。

设计注意事项：

透射式与反射式

PPG信号可以使用透射式或反射式LED和PD配置获得。透射式配置测量通过身体部位的非吸收光。这种配置最适合手指和耳垂等区域，在这些区域，测量受益于这些身体位置的毛细血管密度，这使得测量更稳定、重复，并且对位置变化不太敏感。透射式配置使灌注指数增加 40 dB 至 60 dB。

当 PD 和 LED 必须并排放置以保持实用性时，例如使用腕戴式或胸部佩戴式设备时，会选择反射式 PPG 配置。

图4.指示灯-PD 配置。

传感器定位和灌注指数

在手腕和胸部定位需要PPG AFE中的更大动态范围，因为由于静态反射组件（如皮肤，脂肪和骨骼）下方的动脉深度，直流信号大大增加。

PPG测量中更高的分辨率将降低SpO中的不确定性2算法。腕戴式 SpO 的典型 PI 为 1% 至 2%2传感器，脉搏血氧仪设计的目标是通过机械设计增加PI或增加动态范围。

LED与PD的间距将对PI产生重大影响。间距太小会增加 LED 到 PD 的串扰或反向散射。这将显示为直流信号并使AFE饱和。

增加此间距可降低反向散射和串扰的影响，但也降低了电流互感器比（CTR），即LED输出到PD返回电流。这将影响PPG系统的效率，并需要更大的LED功率来最大化AFE动态范围。

快速脉冲一个或多个 LED 具有降低 1/f 噪声对整体信号的贡献的好处。通过对LED进行脉冲处理，还可以在接收侧使用同步调制来消除环境光干扰。对多个脉冲进行积分可增加PD信号幅度并降低平均电流消耗。随着更多的反射光被捕获，增加总PD面积也会增加CTR。

对于心率PPG测量，许多HR设备制造商已采用单个大型PD和多个节能绿色LED的组合，用于血流有限的场所。选择绿色 LED 是因为它们对运动伪影的高抑制。2然而，这是以电力为代价的。绿色LED具有比红色和红外更高的正向电压，并且在人体组织中具有高吸光度，这意味着需要更高的LED功率才能返回有意义的心脏信息。

作为 SpO2需要多个波长，大多数系统仍然为HR PPG集成高效绿色LED，这是HR和SpO最常见的配置2PPG系统是一个由多个PD包围的单个绿色、红色和红外LED阵列，如图5中的ADI VSM手表所示。PD 到 LED 间距已经过优化，以减少反向散射，挡板设计减少了 LED 到 PD 的串扰。

对ADI VSM手表的多个原型进行了试验，以验证我们的HR PPG和SpO最有效的PD到LED间距2测量。

运动伪像

运动伪像是PPG测量系统面临的最大设计挑战之一。当存在运动时，动脉和静脉的宽度会因压力而改变。光电二极管吸收的光量会发生变化，这存在于PPG信号上，因为光子的吸收或反射与物体静止时不同。

对于覆盖无限长的深层组织样品的无限宽光电二极管区域，所有光子最终都会反射到光电二极管。在这种情况下，不会检测到由于运动而导致的伪影。然而，这是无法实现的。解决方案是在考虑电容的同时增加光电二极管面积，降低AFE并为运动伪影提供滤波。

PPG 信号的正常频率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之间，而运动伪影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之间。 简单的带通滤波技术不能用于消除PPG信号中的运动伪影。为了实现高精度运动消除，需要为自适应滤波器提供高精度的运动数据。为此，ADI公司开发了ADXL362 3轴加速度计。该加速度计提供 1 m g 分辨率和高达 8 g 的范围，在 100 Hz 时功耗仅为 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封装。

ADI解决方案：ADPD4100

脉搏血氧仪的定位带来了一些挑战。腕戴式 SpO2器件带来了额外的设计挑战，因为目标交流信号仅占PD上总接收光的1%至2%。为了获得医疗级认证并区分氧合血红蛋白水平的细微变化，需要更高的交流信号动态范围。这可以通过减少环境光干扰和降低LED驱动器和AFE噪声来实现。ADI公司已通过ADPD4100解决了这一问题。

ADPD4100和ADPD41001可实现高达100 dB的SNR。这种增加的动态范围对于测量SpO至关重要2在低灌注情况下。这款集成式光学 AFE 具有 8 个板载低噪声电流源和 8 个独立的 PD 输入。数字时序控制器具有 12 个可编程时隙，使用户能够定义具有特定 LED 电流、模拟和数字滤波、集成选项和时序约束的 PD 和 LED 序列阵列。

ADPD4100的一个关键优势是SNR/μW的增加，这是电池供电连续监测的一个重要参数。通过增加AFE动态范围，同时降低AFE电流消耗，解决了这一关键指标。ADPD4100现在的总功耗仅为30 μW，用于75 dB、25 Hz连续PPG测量（包括LED电源）。增加每个样本的脉冲数 （n） 将导致 SNR 增加 （√n），而增加 LED 驱动电流将使 SNR 成比例增加。使用4 V LED电源进行连续PPG测量时，系统总功耗为1 μW，将返回93 dB SNR。

自动环境光抑制功能减轻了主机微处理器的负担，同时实现了 60 dB 的光抑制。这是通过快至1 μs的LED脉冲与带通滤波器一起抑制干扰来实现的。在某些工作模式下，ADPD4100会自动计算光电二极管暗电流或LED关断状态。在ADC转换之前，从LED导通状态中减去该结果，以消除环境光以及光电二极管内的增益误差和漂移。

ADPD4100支持EVAL-ADPD4100-4101可穿戴评估套件以及ADI生命体征监测研究手表。该硬件无缝连接到ADI Wavetool应用，以实现SpO的生物阻抗、ECG、PPG心率和多波长PPG测量。2发展。

研究手表中嵌入了ADPD4100的自动增益控制（AGC）算法，该算法可调整TIA增益和LED电流，为所有选定的LED波长提供最佳的交流信号动态范围。

图6.ADPD410X 框图。

图7.ADPD4100 同时进行红色（右）和红外（左）PPG 测量。

ADI替代解决方案

基于手指和耳垂的 SpO2读数是最容易设计的，因为由于骨骼和组织的减少，信噪比高于基于手腕或胸部的定位，这也减少了直流分量的贡献。

对于此类应用，ADPD144RI模块和ADPD1080是合适的器件。

ADPD144RI是一款完整的模块，集成了一个红色660 nm LED和880 nm IR LED，以及四个PD，采用2.8 mm×5 mm封装。LED 和 PD 之间的间距已经过优化，可为 SpO 提供最佳的信噪比2高精度 PPG 测量。该模块允许用户快速跳过与LED和PD布局和间距相关的设计挑战，以实现最佳的功率噪声比。ADPD144RI经过机械优化，可尽可能减少光串扰。这提供了可靠的解决方案，即使传感器放置在单个玻璃窗下也是如此。

ADPD1080是一款集成式光学AFE，具有三个LED驱动通道和两个PD电流输入通道，采用17引脚、2.5 mm×1.4 mm WLLCSP封装。该AFE非常适合电路板空间至关重要的定制设计低通道数PPG产品。

审核编辑：郭婷