血氧水平监测的原理及应用设计

血氧水平通常使用脉搏血氧仪测量，其中基于光的传感器夹在手指上。虽然该技术已经存在多年，但仍然存在技术挑战，例如如何处理环境光，患者运动，血液脉动效应以及人体生理学的一般细微之处。

结合适当的需要动态范围和低功耗操作都能避免自加热和延长电池寿命，不断需要进行设计改进。

本文将简要介绍SpO2监测背后的理论和设计人员需要考虑成功的设计。然后，它将介绍Maxim Integrated的MAX30102，展示它如何与这些考虑相匹配，并展示如何使用现有的评估套件尽可能快速有效地实现设计。

SpO2监测的工作原理

外周毛细血管血氧饱和度（SpO2）装置可作为单功能装置进行包装，作为健康/健康可穿戴设备的一部分进行个人监护，或用于复杂综合监测系统的医疗/医院环境中。基于光学的SpO2方法在概念上优雅而简单，但实际上实际上相当复杂。实际实现使用一对LED，一个用于IR，一个用于红色可见光，以及一个光电探测器（图1）。

图1：用于光学测定血氧（SpO2）的物理布置使用红色LED和IR LED，两者均由单个共用光电探测器测量。 （来源：Oximetry.org）

两个波长之间的相对衰减，而不是任何一个波长的绝对衰减，是SpO2水平的关键标志（图2）。到达光电传感器的光信号被转换成电流（称为光电容积脉搏波电流或更简单地称为电流），数字化，然后由复杂，复杂，医学验证的算法处理，以实时提供SpO2读数。

图2：SpO2测量开始于两个光学波长（红色和红外线）与SpO2水平的相对衰减（Hb是脱氧血液，HbO2是含氧血液） 。 （来源：Oximetry.org）

测量的血流量不是恒定的，而是用心脏驱动泵送“脉冲”。在SpO2单元中，这种脉动是一个优势，因为处理算法可以使用它来确定脉搏率以及SpO2读数。脉率跟踪称为光学心率监测（OHRM）（图3a和3b）。然而，在实现这些算法之前，必须处理来自光电传感器的原始信号以解决诸如灵敏度，环境光，温度漂移，校准，滤波，噪声和物理封装之类的问题。

图3（a）：红光和红外光的透射模式是循环的，由心脏泵浦引起的血流脉动调制。该调制取决于类似DC的偏移。 （来源：德州仪器）

图3（b）：相对强度和红/红外调制比是SpO2水平的函数。 （来源：德州仪器公司）

从LED到传感器的光路根本不是一条直线，并且大部分LED光在到达另一侧的光电探测器之前被吸收或散射。手指;因此，接收光子水平与实际SpO2水平之间的关系非常复杂。由于光是如此严重地散射，LED和光电传感器甚至不必彼此面对，而是可以是直角或甚至彼此并排。当然，必须调整算法以适应这种安排。

前端权衡定义设计问题

使用LED到光电传感器路径来评估物理参数是很难适应SpO2传感的独特需求（参考文献1）。设计师和团队必须解决的问题包括：

环境光 - 即使LED/传感器阵列在某种程度上受到机械屏蔽，也会有来自附近和顶灯的杂散光照射到光传感器。导致LED输出使手指发光的相同内部散射效应也起到另一种作用：整个指尖“看到”的任何环境光也将向光传感器散射。这会导致光电传感器输出电流的偏移量变化，并降低其动态输出范围。

事实上，如果环境光足够亮，它会使光电传感器饱和并使光通道无用。由于环境光不是恒定的，系统必须动态地抑制这种偏移误差，需要基于硬件的自适应增益测距以及基于算法的校正。

温度系数 - 强度和波长均为两个LED是温度的函数，光电传感器的响应曲线也是如此。因此，基于每个入射波长的传感器输出的相对大小的数据分析必须考虑温度并相应地进行补偿。

LED驱动电流和脉冲宽度 - 由于有最佳的LED驱动电流和输出电平将最大化动态范围和性能，每个LED的电流必须是动态可调的。

此外，可见光和红外LED交替脉冲，其脉冲宽度需要调整以平衡性能具有功耗和自热问题。典型的脉冲重复频率为100 Hz，占空比为25％。

采样率 - 人体信号的频率相对较低，因此SpO2采样率在一百到几千个样本之间每秒。但是，所需的分辨率在中高范围内，最低16位，尽管大多数系统使用18到22位。此外，模数转换器（ADC）子系统必须可在很宽的范围内进行编程，以适应将影响光电传感器输出的最小值/最大值的变量。

对于固定式医疗办公仪器，移动现场设备或小型个人设备，低功耗电路在电池供电仪器中至关重要。图4显示了一个完全独立的电池供电脉搏血氧仪，手指夹组件内置有读数器。较大的单元可能包括通过无线或有线链接连接到智能手机或更大的医疗站。

图4：使用现代，低功耗，高性能的光学，模拟和数字组件，完全集成的SpO2传感系统和读数可以装入指尖夹。 （来源：维基百科）

实现真正的

成功的光学SpO2设计始于LED对/光电二极管路径及其输出的完整性。如果传感器电流输出在很宽的工作条件下是可重复的，则处理数据以提供最终读数的算法可以是准确的（参考文献2,3和4）。

提供的传感器输出AFE必须提供两种截然不同的功能。首先，它需要提供可调节的LED驱动器，其次，它必须提供跨阻抗放大器（TIA）和放大器/滤波器级，将微小的光电二极管电流转换为电压。 TIA为光电二极管提供低阻抗，并将其与运算放大器输出电压的变化隔离开来。它还必须具有低内部噪声，因此不会破坏光电二极管输出，并且需要处理宽动态范围（80到100 dB）。

高性能SpO2专用IC的一个例子是Maxim Integrated的MAX30102，集成脉搏血氧仪和心率监测模块，包括内部LED，光电探测器，光学元件和低噪声AFE电子器件（图5）。它还具有温度传感器和其他外围功能。 MAX30102提供的完全调节，校准和数字化光输出数据通过I 2 C端口连接到实现SpO2算法的主微控制器。

图5：MAX30102是一个多芯片IC，包含所有AFE功能，并通过I 2 C端口与其处理器通信。 （来源：Maxim Integrated）

该器件的物理结构符合其应用。它是一个微小的14针光学模块，尺寸仅为5.6×3.3×1.55 mm，带有集成盖玻片，可安装在指夹内（图6）。 MAX30102子部分的物理布局与应用相匹配，LED位于一端，传感器位于另一端。患者的手指放置在源和传感器的顶部。

Max30102在工作模式下的功率要求低于1 mW，在关断模式下为0.7μA。它可以采用1.8 V电源供电，并为内部LED提供单独的5.0 V电源轨。

图6：MAX30102子部分的物理布局与器件的应用一致，将LED置于一端，将传感器置于另一端。 （来源：Maxim Integrated）

对于大多数设计人员而言，光学生物传感设计的挑战都需要相当长的开发周期和上市时间。因此，Maxim Integrated还提供MAX30102ACCEVKIT评估套件，其中包括两块板：USBOSMB主板和MAX30102DBEVKIT子板，其中包括MAX30102和一个三轴加速度计。在一些可穿戴应用中需要加速度计来在进行测量时补偿用户运动。该套件还包括可通过GUI访问的数据采集和分析软件，允许用户评估算法并调整操作动态（图7）。

图7：使用MAX30102ACCEVKIT评估套件的GUI，设计人员可以改变LED参数，如电流，并查看对光电传感器输出的影响。它们还可以调整ADC采样率和其他AFE操作条件。 （来源：Maxim Integrated）

该套件还包括两种不同的医疗标准算法，PBA和SKA，设计人员可以将其作为开发和/或增强自己的代码来计算SpO2和心率的起点。

PBA算法使用慢速阈值查找过零点，并使用每个采样点完成其评估周期，从而导致无输出延迟。相反，SKA算法等待三秒钟，然后寻找峰值检测。虽然算法每秒处理一次，但它需要更复杂的数学运算。此外，与SKA相比，PBA需要的数据和代码空间要少得多。

测试怎么样？

可以通过在很宽的电流范围内驱动LED来评估电路信号链。条件。然后，评估必须将不同量的环境光以及其他噪声源添加到光学和电信号中。然而，没有模拟器可以真实地复制患者的手指和血液，具有不同的SpO2水平。因此，设计团队必须制定使用医学界和监管机构制定的方法和技术的验证计划。

结论

使用基于光子的传感来确定SpO2是使用光学生物传感来测量许多患者组织和生物流体参数和标记物的更大趋势的一部分。原则上，它是一种极具吸引力的方法，因为它非侵入性，易于设置，并提供实时结果和跟踪。

成功的光学生物传感需要适当匹配的AFE，以及执行数据处理的数据。复杂的算法，可将原始，未校准和未校正的读数转换为有用的数据。正如我们所看到的，Maxim Integrated MAX30102和相关的评估套件解决了这些问题，并最大限度地减少了克服这些问题所需的设计工作。