一鍵發布任務
發布成功
發布成功
贊賞金額：
支付金額：5元
支付方式：
贊賞成功！
你的贊賞是對作者最大的肯定~?
例如，在如今的消費類產品中，常常可以見到用于測量心率和血氧水平的設備。脈搏血氧計就可以完成這兩項測量，目前這款設備在市面上以兩種形式銷售，分別是家用醫療設備和腕帶式健身活動追蹤器的集成部件。
什么是血氧定量法？
血氧定量法測量血氧飽和度，通常以百分比表示。脈搏血氧計是一種非侵入性設備，用于測量人的血氧飽和度和心率。通過設備的夾狀探測頭（通常夾到患者手指上），很容易對脈搏血氧計進行識別。
脈搏血氧計既可以是獨立設備或患者監測系統的組成部分，也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。相應地，脈搏血氧計的使用者可以是醫院的護士、回到家中的門診病人、健身中心的健身愛好者甚至是低壓環境中作業的飛行員。
什么是血氧飽和度？
血氧飽和度通過測量血紅蛋白得出，血紅蛋白是紅細胞中攜帶氧氣的色素，這也是其呈現紅色的原因所在。血紅蛋白將氧氣輸送到人體各個組織，具有兩種存在形式。第一種叫做氧合血紅蛋白，表示為HbO2（即有氧）。另一種叫做去氧血紅蛋白，表示為Hb（即無氧）。
因此，血氧飽和度（SpO2）為氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白之比。也可以表示為：
SpO2=HbO2/(Hb + HbO2)
血氧飽和度的值以百分比表示。正常讀數通常為97%或更高。
脈搏血氧計如何測量血氧飽和度（SpO2）？
血紅蛋白有個有趣之處是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收較多（反射較少）的可見紅光。而HbO2可吸收較多（反射較少）的紅外光。由于可通過比較Hb和HbO2的值來確定血氧飽和度，因此有一種測量方法就是讓紅色LED和紅外LED光穿過身體的某個部位（如手指或手腕），然后比較這兩種光的相對強度。有兩種常用方法可以實現這一目的：(1)測量透過組織的光強度的方法叫做透射式血氧定量法，而(2)測量組織反射的光強度的方法叫做反射式血氧定量法（見圖1）。
圖1：兩種血氧定量法
醫院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多數醫院使用的患者監測系統都集成了透射式脈搏血氧計。不過，許多新研發的高端可穿戴健身設備則采用反射式脈搏血氧定量法。
脈搏血氧計如何測量心率？
心臟搏動時，會將血液泵向全身。每次心臟收縮時，都會將血液擠入毛細血管，使其容積略微增加。心臟舒張時，毛細血管容積會減小。這種容積上的改變會影響透射過組織的光量，如紅光和紅外光量。盡管這一波動很小，卻可以通過脈搏血氧計進行測量，并且只需采用測量血氧飽和度時所用的同類裝置即可。
詳細工作原理
典型的脈搏血氧計可根據氧合血紅蛋白（HbO2）和去氧血紅蛋白（Hb）對紅光（采用600-750 nm波長）和紅外光（采用850-1000 nm波長）的吸收特性來監測人血的血氧飽和度（SpO2）。此類脈搏血氧計會交替發射紅光和紅外光穿過身體部位（如手指）到達一個光電二極管傳感器。
光電二極管通常用于接收來自每個LED的未吸收光線。隨后，此信號會通過反向運算放大器（或運放）進行反相。所得到的信號代表被手指吸收的光，如圖2所示。
圖2：由示波器捕捉的實時紅光和紅外光（IR）脈動信號
紅光和紅外光信號的脈沖幅度（Vpp）經測量后轉換為Vrms，以通過以下公式計算比率：
比率 = (Red_AC_Vrms/Red_DC)/(IR_AC_Vrms/IR_DC)
SpO2可通過該比值和依據經驗設定的查找表來確定。可根據脈搏血氧計的模數轉換器（ADC）采樣數和采樣率計算心率。
查找表是脈搏血氧計的重要組成部分。查找表與具體的血氧計設計相對應，它通?；诖罅繖z測不同SpO2水平的對象所繪制的校準曲線。圖3顯示了校準曲線的一個示例。
圖3：示例校準曲線
電路設計說明
以下示例將詳細介紹透射式脈搏血氧計設計的不同部分。如圖4所示，該設計展示了心率和血氧飽和度水平的測量過程。
圖4：透射式脈搏血氧計系統框圖
探測頭
本示例中使用的SpO2探測頭為一種現成的指夾，其中集成了一個紅光LED、一個紅外光LED和一個光電二極管。這些LED由LED驅動電路控制。
信號調理電路檢測到穿過手指的紅光和紅外光后，將其饋入集成在數字信號控制器（DSC）中的12位ADC模塊，以計算SpO2的百分比。
LED驅動電路
DSC的兩個PWM信號驅動一個雙通道單刀雙擲模擬開關，交替開關紅光LED和紅外光LED。為獲取適量的ADC采樣，且在下一次LED亮起前有足夠的時間來處理數據，我們按照圖5所示的時序圖來控制LED的通斷。
圖5：時序圖
LED電流/強度通過由DSC驅動的12位數模轉換器（DAC）控制。
模擬信號調理電路
信號調理電路包含兩級。第一級為跨阻放大器，第二級為增益放大器。在這兩級之間放置一個高通濾波器。
跨阻放大器將光電二極管產生的幾微安電流轉換為幾毫伏電壓。第一級放大器接收的信號隨后通過一個高通濾波器，以減少背景光干擾。
高通濾波器輸出的信號接著送至增益為22且直流偏壓為220 mV的第二級放大器。該放大器的增益和直流偏壓應設為適當值，以使增益放大器的輸出信號電平處于MCU的ADC范圍內。
數字濾波器設計
模擬信號調理電路的輸出與DSC的集成12位ADC模塊相連。對于本示例，我們采用了Microchip Technology的dsPIC® DSC。在該設計中采用dsPIC33FJ128GP802，使我們既可以利用它集成的DSP功能，又能方便地使用Microchip的數字濾波器設計工具。
在每個LED導通期間進行一次ADC采樣，在這兩種LED的關斷期間也進行一次ADC采樣。由于直接測量通過機體組織的光量比較困難，因此我們采用濾波器設計工具來實現513階FIR帶通數字濾波器，這樣就可以對ADC數據進行濾波。然后，使用經濾波的數據計算脈沖幅度，如圖6所示。
FIR帶通濾波器的規格如下：
圖6：輸入和經濾波的數據
顯示為紅色的曲線圖1是FIR濾波器的輸入信號
顯示為綠色的曲線圖2是FIR濾波器的輸出信號
X軸表示ADC采樣數
Y軸表示ADC代碼值
結論
家庭醫療和健身市場正在快速增長。在未來幾年內，對于可測量心率和血氧水平的設備的需求必然會上升。脈搏血氧計參考設計（如本文所述）對于醫療和健身設備的設計人員大有裨益，可幫助他們在將設計轉化為產品并打入市場方面占盡先機。
推薦閱讀：
【淘發布】淘方案發布十大可穿戴方案（4月）
速度！產品經理一小時內成功對接可穿戴APP開發
