脈搏血氧測量方案設計

血紅蛋白是血細胞的重要組成部分，它負責將氧氣從肺部輸送到身體的其它組織。血紅蛋白在任一時(shí)刻所含的氧氣量被稱(chēng)為血氧飽和度(即SpO2)。

血氧飽和度是反映人體呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理參數，它是顯示我們人體各組織是否健康的一個(gè)重要生理參數。嚴重缺氧會(huì )直接導窒息、休克、死亡等悲劇的發(fā)生。

在肺部，氧氣附著(zhù)在受紅細胞約束的蛋白質(zhì)上，稱(chēng)為血色素（符號Hb），血液中的血色素有兩種形態(tài)：氧合血紅蛋白(HbO₂)和還原血紅蛋白(Hb)，則

血氧飽和度SpO2= (HbO₂x100)/( HbO₂+Hb)x100%

血氧儀的測試原理是：氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在可見(jiàn)光和接近紅外線(xiàn)的頻譜范圍內具有不同的吸收特性，還原血紅蛋白吸收較多的紅色頻率光線(xiàn)，吸收較少的紅外頻率光線(xiàn)；而氧合血紅蛋白吸收較少的紅色頻率光線(xiàn)，吸收較多的紅外頻率光線(xiàn)。這個(gè)區別是SpO2測量系統的最基本依據。

為測量人體對紅光和紅外光線(xiàn)的吸收。紅色和紅外線(xiàn)發(fā)光二極管位置相互靠得盡可能近，發(fā)射的光線(xiàn)可透過(guò)人體內的單組織點(diǎn)。先由響應紅色和紅外光線(xiàn)的單個(gè)光電二極管 接收光線(xiàn)，然后由互阻放大器產(chǎn)生正比于接收光強的電壓。紅色和紅外LED通常采用時(shí)間復用的方式，因此相互間不會(huì )干擾。環(huán)境光線(xiàn)經(jīng)估計將從每個(gè)紅色和紅外光線(xiàn)中扣除。測量點(diǎn)包括手指、腳趾和耳垂。

脈搏血氧儀提供了以無(wú)創(chuàng )方式測量血氧飽和度或動(dòng)脈血紅蛋白飽和度的方法。脈搏血氧儀的工作原理基于動(dòng)脈搏動(dòng)期間光吸收量的變化。分別位于可見(jiàn)紅光光譜(660納米)和紅外光譜(940納米)的兩個(gè)光源交替照射被測試區(一般為指尖或耳垂)。在這些脈動(dòng)期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關(guān)。微處理器計算所吸收的這兩種光譜的比率，并將結果與存在存儲器里的飽和度數值表進(jìn)行比較，從而得出血氧飽和度。

典型的血氧儀傳感器有一對LED，它們通過(guò)病人身體的半透明部位(通常是指尖或耳垂)正對著(zhù)一個(gè)光電二極管。其中一個(gè)LED是紅光的，波長(cháng)為660nm；另一個(gè)是紅外線(xiàn)的，波長(cháng)是940nm。血氧的百分比是根據測量這兩個(gè)具有不同吸收率的波長(cháng)的光通過(guò)身體后計算出的。

圖1：基于A(yíng)DI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。

上圖給出了基于A(yíng)DI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。ADuC7024血氧儀芯片。這個(gè)精密模擬微控制器的微控制器內核是ARM7TDMI，片內集成有8KB的SRAM和62KB非易失性flash/EE存儲器。ADuC7024在單芯片內集成了一個(gè)MSPS、12位、多通道高性能ADC的數據采集系統、16位/32位MCU和Flash/EE存儲器。ADC具有多達12個(gè)單端輸入通道，另外還有4個(gè)ADC輸入通道也可以和4個(gè)DAC的輸出引腳復用。ADC可以工作在單端模式或差分輸入模式下，其輸入電壓為0 V至VREF。低漂移帶隙基準電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC外設設置。

這個(gè)方案具有低成本、小尺寸、具有出色的低灌注和自發(fā)抗干擾性能，以及高靈活性的。這個(gè)血氧儀芯片和一些模擬器件的成本要低于完整血氧儀OEM模塊的成本?？梢酝ㄟ^(guò)固件的定制滿(mǎn)足用戶(hù)應用需求，通過(guò)改變固件可以處理任何類(lèi)型的通信、顯示和操作接口，還可以改變血氧儀算法的參數來(lái)滿(mǎn)足特殊應用需求，如睡眠研究、家庭遙測等。該解決方案是單顆芯片，只需很少量的前端調節電路，因此整個(gè)設備體積會(huì )非常小。

下圖是ADI SpO2 演示系統。

圖2：ADI SpO2 演示系統。