血氧水平監(jiān)測(cè)的原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)

血氧水平通常使用脈搏血氧儀測(cè)量，其中基于光的傳感器夾在手指上。雖然該技術(shù)已經(jīng)存在多年，但仍然存在技術(shù)挑戰(zhàn)，例如如何處理環(huán)境光，患者運(yùn)動(dòng)，血液脈動(dòng)效應(yīng)以及人體生理學(xué)的一般細(xì)微之處。

結(jié)合適當(dāng)?shù)男枰獎(jiǎng)討B(tài)范圍和低功耗操作都能避免自加熱和延長(zhǎng)電池壽命，不斷需要進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)。

本文將簡(jiǎn)要介紹SpO2監(jiān)測(cè)背后的理論和設(shè)計(jì)人員需要考慮成功的設(shè)計(jì)。然后，它將介紹Maxim Integrated的MAX30102，展示它如何與這些考慮相匹配，并展示如何使用現(xiàn)有的評(píng)估套件盡可能快速有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

SpO2監(jiān)測(cè)的工作原理

外周毛細(xì)血管血氧飽和度（SpO2）裝置可作為單功能裝置進(jìn)行包裝，作為健康/健康可穿戴設(shè)備的一部分進(jìn)行個(gè)人監(jiān)護(hù)，或用于復(fù)雜綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的醫(yī)療/醫(yī)院環(huán)境中。基于光學(xué)的SpO2方法在概念上優(yōu)雅而簡(jiǎn)單，但實(shí)際上實(shí)際上相當(dāng)復(fù)雜。實(shí)際實(shí)現(xiàn)使用一對(duì)LED，一個(gè)用于IR，一個(gè)用于紅色可見光，以及一個(gè)光電探測(cè)器（圖1）。

圖1：用于光學(xué)測(cè)定血氧（SpO2）的物理布置使用紅色LED和IR LED，兩者均由單個(gè)共用光電探測(cè)器測(cè)量。 （來源：Oximetry.org）

兩個(gè)波長(zhǎng)之間的相對(duì)衰減，而不是任何一個(gè)波長(zhǎng)的絕對(duì)衰減，是SpO2水平的關(guān)鍵標(biāo)志（圖2）。到達(dá)光電傳感器的光信號(hào)被轉(zhuǎn)換成電流（稱為光電容積脈搏波電流或更簡(jiǎn)單地稱為電流），數(shù)字化，然后由復(fù)雜，復(fù)雜，醫(yī)學(xué)驗(yàn)證的算法處理，以實(shí)時(shí)提供SpO2讀數(shù)。

圖2：SpO2測(cè)量開始于兩個(gè)光學(xué)波長(zhǎng)（紅色和紅外線）與SpO2水平的相對(duì)衰減（Hb是脫氧血液，HbO2是含氧血液） 。 （來源：Oximetry.org）

測(cè)量的血流量不是恒定的，而是用心臟驅(qū)動(dòng)泵送“脈沖”。在SpO2單元中，這種脈動(dòng)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樘幚硭惴梢允褂盟鼇泶_定脈搏率以及SpO2讀數(shù)。脈率跟蹤稱為光學(xué)心率監(jiān)測(cè)（OHRM）（圖3a和3b）。然而，在實(shí)現(xiàn)這些算法之前，必須處理來自光電傳感器的原始信號(hào)以解決諸如靈敏度，環(huán)境光，溫度漂移，校準(zhǔn)，濾波，噪聲和物理封裝之類的問題。

圖3（a）：紅光和紅外光的透射模式是循環(huán)的，由心臟泵浦引起的血流脈動(dòng)調(diào)制。該調(diào)制取決于類似DC的偏移。 （來源：德州儀器）

圖3（b）：相對(duì)強(qiáng)度和紅/紅外調(diào)制比是SpO2水平的函數(shù)。 （來源：德州儀器公司）

從LED到傳感器的光路根本不是一條直線，并且大部分LED光在到達(dá)另一側(cè)的光電探測(cè)器之前被吸收或散射。手指;因此，接收光子水平與實(shí)際SpO2水平之間的關(guān)系非常復(fù)雜。由于光是如此嚴(yán)重地散射，LED和光電傳感器甚至不必彼此面對(duì)，而是可以是直角或甚至彼此并排。當(dāng)然，必須調(diào)整算法以適應(yīng)這種安排。

前端權(quán)衡定義設(shè)計(jì)問題

使用LED到光電傳感器路徑來評(píng)估物理參數(shù)是很難適應(yīng)SpO2傳感的獨(dú)特需求（參考文獻(xiàn)1）。設(shè)計(jì)師和團(tuán)隊(duì)必須解決的問題包括：

環(huán)境光 - 即使LED/傳感器陣列在某種程度上受到機(jī)械屏蔽，也會(huì)有來自附近和頂燈的雜散光照射到光傳感器。導(dǎo)致LED輸出使手指發(fā)光的相同內(nèi)部散射效應(yīng)也起到另一種作用：整個(gè)指尖“看到”的任何環(huán)境光也將向光傳感器散射。這會(huì)導(dǎo)致光電傳感器輸出電流的偏移量變化，并降低其動(dòng)態(tài)輸出范圍。

事實(shí)上，如果環(huán)境光足夠亮，它會(huì)使光電傳感器飽和并使光通道無用。由于環(huán)境光不是恒定的，系統(tǒng)必須動(dòng)態(tài)地抑制這種偏移誤差，需要基于硬件的自適應(yīng)增益測(cè)距以及基于算法的校正。

溫度系數(shù) - 強(qiáng)度和波長(zhǎng)均為兩個(gè)LED是溫度的函數(shù)，光電傳感器的響應(yīng)曲線也是如此。因此，基于每個(gè)入射波長(zhǎng)的傳感器輸出的相對(duì)大小的數(shù)據(jù)分析必須考慮溫度并相應(yīng)地進(jìn)行補(bǔ)償。

LED驅(qū)動(dòng)電流和脈沖寬度 - 由于有最佳的LED驅(qū)動(dòng)電流和輸出電平將最大化動(dòng)態(tài)范圍和性能，每個(gè)LED的電流必須是動(dòng)態(tài)可調(diào)的。

此外，可見光和紅外LED交替脈沖，其脈沖寬度需要調(diào)整以平衡性能具有功耗和自熱問題。典型的脈沖重復(fù)頻率為100 Hz，占空比為25％。

采樣率 - 人體信號(hào)的頻率相對(duì)較低，因此SpO2采樣率在一百到幾千個(gè)樣本之間每秒。但是，所需的分辨率在中高范圍內(nèi)，最低16位，盡管大多數(shù)系統(tǒng)使用18到22位。此外，模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）子系統(tǒng)必須可在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行編程，以適應(yīng)將影響光電傳感器輸出的最小值/最大值的變量。

對(duì)于固定式醫(yī)療辦公儀器，移動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或小型個(gè)人設(shè)備，低功耗電路在電池供電儀器中至關(guān)重要。圖4顯示了一個(gè)完全獨(dú)立的電池供電脈搏血氧儀，手指夾組件內(nèi)置有讀數(shù)器。較大的單元可能包括通過無線或有線鏈接連接到智能手機(jī)或更大的醫(yī)療站。

圖4：使用現(xiàn)代，低功耗，高性能的光學(xué)，模擬和數(shù)字組件，完全集成的SpO2傳感系統(tǒng)和讀數(shù)可以裝入指尖夾。 （來源：維基百科）

實(shí)現(xiàn)真正的

成功的光學(xué)SpO2設(shè)計(jì)始于LED對(duì)/光電二極管路徑及其輸出的完整性。如果傳感器電流輸出在很寬的工作條件下是可重復(fù)的，則處理數(shù)據(jù)以提供最終讀數(shù)的算法可以是準(zhǔn)確的（參考文獻(xiàn)2,3和4）。

提供的傳感器輸出AFE必須提供兩種截然不同的功能。首先，它需要提供可調(diào)節(jié)的LED驅(qū)動(dòng)器，其次，它必須提供跨阻抗放大器（TIA）和放大器/濾波器級(jí)，將微小的光電二極管電流轉(zhuǎn)換為電壓。 TIA為光電二極管提供低阻抗，并將其與運(yùn)算放大器輸出電壓的變化隔離開來。它還必須具有低內(nèi)部噪聲，因此不會(huì)破壞光電二極管輸出，并且需要處理寬動(dòng)態(tài)范圍（80到100 dB）。

高性能SpO2專用IC的一個(gè)例子是Maxim Integrated的MAX30102，集成脈搏血氧儀和心率監(jiān)測(cè)模塊，包括內(nèi)部LED，光電探測(cè)器，光學(xué)元件和低噪聲AFE電子器件（圖5）。它還具有溫度傳感器和其他外圍功能。 MAX30102提供的完全調(diào)節(jié)，校準(zhǔn)和數(shù)字化光輸出數(shù)據(jù)通過I 2 C端口連接到實(shí)現(xiàn)SpO2算法的主微控制器。

圖5：MAX30102是一個(gè)多芯片IC，包含所有AFE功能，并通過I 2 C端口與其處理器通信。 （來源：Maxim Integrated）

該器件的物理結(jié)構(gòu)符合其應(yīng)用。它是一個(gè)微小的14針光學(xué)模塊，尺寸僅為5.6×3.3×1.55 mm，帶有集成蓋玻片，可安裝在指夾內(nèi)（圖6）。 MAX30102子部分的物理布局與應(yīng)用相匹配，LED位于一端，傳感器位于另一端?；颊叩氖种阜胖迷谠春蛡鞲衅鞯捻敳俊?/p>

Max30102在工作模式下的功率要求低于1 mW，在關(guān)斷模式下為0.7μA。它可以采用1.8 V電源供電，并為內(nèi)部LED提供單獨(dú)的5.0 V電源軌。

圖6：MAX30102子部分的物理布局與器件的應(yīng)用一致，將LED置于一端，將傳感器置于另一端。 （來源：Maxim Integrated）

對(duì)于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員而言，光學(xué)生物傳感設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)都需要相當(dāng)長(zhǎng)的開發(fā)周期和上市時(shí)間。因此，Maxim Integrated還提供MAX30102ACCEVKIT評(píng)估套件，其中包括兩塊板：USBOSMB主板和MAX30102DBEVKIT子板，其中包括MAX30102和一個(gè)三軸加速度計(jì)。在一些可穿戴應(yīng)用中需要加速度計(jì)來在進(jìn)行測(cè)量時(shí)補(bǔ)償用戶運(yùn)動(dòng)。該套件還包括可通過GUI訪問的數(shù)據(jù)采集和分析軟件，允許用戶評(píng)估算法并調(diào)整操作動(dòng)態(tài)（圖7）。

圖7：使用MAX30102ACCEVKIT評(píng)估套件的GUI，設(shè)計(jì)人員可以改變LED參數(shù)，如電流，并查看對(duì)光電傳感器輸出的影響。它們還可以調(diào)整ADC采樣率和其他AFE操作條件。 （來源：Maxim Integrated）

該套件還包括兩種不同的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)算法，PBA和SKA，設(shè)計(jì)人員可以將其作為開發(fā)和/或增強(qiáng)自己的代碼來計(jì)算SpO2和心率的起點(diǎn)。

PBA算法使用慢速閾值查找過零點(diǎn)，并使用每個(gè)采樣點(diǎn)完成其評(píng)估周期，從而導(dǎo)致無輸出延遲。相反，SKA算法等待三秒鐘，然后尋找峰值檢測(cè)。雖然算法每秒處理一次，但它需要更復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算。此外，與SKA相比，PBA需要的數(shù)據(jù)和代碼空間要少得多。

測(cè)試怎么樣？

可以通過在很寬的電流范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)LED來評(píng)估電路信號(hào)鏈。條件。然后，評(píng)估必須將不同量的環(huán)境光以及其他噪聲源添加到光學(xué)和電信號(hào)中。然而，沒有模擬器可以真實(shí)地復(fù)制患者的手指和血液，具有不同的SpO2水平。因此，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須制定使用醫(yī)學(xué)界和監(jiān)管機(jī)構(gòu)制定的方法和技術(shù)的驗(yàn)證計(jì)劃。

結(jié)論

使用基于光子的傳感來確定SpO2是使用光學(xué)生物傳感來測(cè)量許多患者組織和生物流體參數(shù)和標(biāo)記物的更大趨勢(shì)的一部分。原則上，它是一種極具吸引力的方法，因?yàn)樗乔秩胄?，易于設(shè)置，并提供實(shí)時(shí)結(jié)果和跟蹤。

成功的光學(xué)生物傳感需要適當(dāng)匹配的AFE，以及執(zhí)行數(shù)據(jù)處理的數(shù)據(jù)。復(fù)雜的算法，可將原始，未校準(zhǔn)和未校正的讀數(shù)轉(zhuǎn)換為有用的數(shù)據(jù)。正如我們所看到的，Maxim Integrated MAX30102和相關(guān)的評(píng)估套件解決了這些問題，并最大限度地減少了克服這些問題所需的設(shè)計(jì)工作。