如何設計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀？

許多身體病狀可能造成低血氧，其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等，因此可能需要在住家或醫院進(jìn)行持續或間歇性監視?；加械脱醯娜丝赡艹霈F頭昏、感知混淆、呼吸費力或急促、以及頭痛等癥狀。

許多身體病狀可能造成低血氧，其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等，因此可能需要在住家或醫院進(jìn)行持續或間歇性監視?；加械脱醯娜丝赡艹霈F頭昏、感知混淆、呼吸費力或急促、以及頭痛等癥狀。

傳統上， SpO2都是在手指或耳朵這些身體末稍部位進(jìn)行測量，通常會(huì )用夾具設備來(lái)判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值，來(lái)判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環(huán)機能好壞。健康成年人的血氧飽和度正常值介于95%到100%之間，低于這個(gè)區間的代表低血氧(hypoxemia)，便意味著(zhù)身體無(wú)法輸送足夠的氧氣來(lái)維持健康器官與感知功能。如果這些量測值低于基準數(通常低于92%)，病患就需要住進(jìn)急診室。

隱形缺氧推動(dòng)臨床級便攜血氧儀開(kāi)發(fā)

隱形缺氧可能在沒(méi)有出現任何典型呼吸道癥狀下就對身體造成嚴重傷害，能夠在病患出現呼吸困難病征之前及時(shí)偵測出這類(lèi)隱伏形態(tài)的缺氧，對于遏止肺炎發(fā)展至危險程度至關(guān)重要。

血氧濃度監視是診斷睡眠呼吸中止癥(Sleep Apnea)的重要指標。阻塞性睡眠呼吸中止癥會(huì )在睡眠期間導致呼吸道部分或完全阻塞，這會(huì )導致肺部停止呼吸或一段時(shí)間淺呼吸，造成暫時(shí)性缺氧。如果長(cháng)期沒(méi)有治療，睡眠呼吸中止癥可能增加心臟病發(fā)、中風(fēng)、以及過(guò)度肥胖的機率。據估計1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止癥。

隨著(zhù)病患照護的趨勢朝向便攜式以及家用監視發(fā)展，業(yè)界需要開(kāi)發(fā)適用的生命體征監視設備，而不會(huì )妨礙使用者的日常生活作習。在血氧濃度方面，針對手指與耳垂以外的部位進(jìn)行監視，會(huì )衍生許多設計挑戰。隱形缺氧癥狀的出現便促使業(yè)界開(kāi)發(fā)更高便攜性的臨床級脈搏式血氧儀。

基于光學(xué)信號分析的脈搏血氧儀

脈搏血氧測定使用紅光（通常為660nm波長(cháng)）和紅外（IR）LED（通常為940 nm波長(cháng)）。脫氧血紅蛋白主要吸收660nm波長(cháng)的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940nm波長(cháng)的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動(dòng)性動(dòng)脈血引起的光吸收，交流分量代表搏動(dòng)性動(dòng)脈血，可計算SpO2的百分比。

最基本的脈搏式血氧儀包含兩個(gè)LED(一個(gè)紅光660納米LED以及一個(gè)紅外線(xiàn)940納米LED)，以及一個(gè)光二極管(PD)設置成反射或透射組態(tài)。脈搏式血氧儀會(huì )發(fā)出紅光LED脈沖，并在PD上接收到信號。在紅外線(xiàn)LED上重復上述程序，最終會(huì )歸納出兩個(gè)LED在任何外部環(huán)境光源的量測基準值。這種方法會(huì )產(chǎn)生兩種波長(cháng)的光體積變化描記圖法(PPG)曲線(xiàn)圖。圖片圖片

血氧量測儀基礎電路圖

信號中含有直流與交流元素。直流元素是由持續反射物體造成，像是皮膚、肌肉、骨頭、以及靜脈血液。當身體休息時(shí)，動(dòng)作產(chǎn)生的影響就比較小。交流元素主要為動(dòng)脈血液搏動(dòng)所反射的光，取決于心律以及動(dòng)脈血管厚度，在收縮(血泵)時(shí)反射或穿透的光量高于異位(舒張)狀態(tài)。在收縮階段，血液從心臟泵出，進(jìn)而提高動(dòng)脈血管的血壓。增加的血壓會(huì )擴張動(dòng)脈，導致動(dòng)脈血量增加，增加的血液會(huì )造成吸收光量提高。舒張階段血壓下降，吸收光量也隨之減少。下圖顯示心跳造成的舒張以及心縮期高峰。圖片

經(jīng)過(guò)組織的光衰減

借助計算PPG信號的交流與直流數據，我們能推算動(dòng)脈血液中吸收光的變化，它是由心臟泵出血液造成，沒(méi)有其他組織造成的影響。要開(kāi)發(fā)高精準度血氧濃度算法，對量測系統進(jìn)行校正是必要的動(dòng)作。要校正血氧濃度系統，必須完成一項研究，由醫療專(zhuān)業(yè)人員針對病患血氧值透過(guò)醫療方法進(jìn)行降低、監視以及觀(guān)察，這種程序稱(chēng)為缺氧研究。

SpO2測量系統的精準度可能僅能作為參考點(diǎn)，參考選項包括醫療級指夾式脈搏血氧計，以及黃金標準的CO血氧計。CO血氧計屬于侵入式量測法，測得的血氧飽和度有極高的精準度，但大多數狀況下量測并不便利。

ADI 體征信號監測手表V4、隔板、以及LED PD數組

以ADPD144RI與ADPD1080實(shí)現手指與耳垂血氧監測

手指與耳垂SpO2讀數是最容易的設計，因為信號噪聲高于手腕與胸部位置，兩處的骨頭與組織較少，進(jìn)而減少直流元素的影響?；A測量方法是光學(xué)性的，測量使用來(lái)自最多三個(gè)LED的短脈沖信號。LED電流最高可達370mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長(cháng)根據測量位置和測量方法來(lái)選擇。手腕上只能測量表面動(dòng)脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管(其探測面積與其響應度直接相關(guān))用于測量反射光。因此，它會(huì )同時(shí)測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR，它用作信號濾波器，將檢測到的電流轉換為電壓，進(jìn)而轉換為數字形式。除反射測量外，算法還包括用于通過(guò)加速度計濾除運動(dòng)偽像的校正。

針對這類(lèi)應用， ADPD144RI模塊與ADPD1080是適合的組件產(chǎn)品。ADPD144RI是一款高度集成的光度學(xué)前端，它已進(jìn)行優(yōu)化，可通過(guò)同步檢測紅光和紅外線(xiàn)波長(cháng)，對血氧飽和度進(jìn)行光學(xué)體積描記法 (PPG) 檢測。同步測量能以極低的功耗消除直流和交流環(huán)境光干擾。

該模塊將高效的LED發(fā)射器和靈敏的4通道深擴散光電二極管（PD1 至 PD4）與自定義ASIC組合在一個(gè)緊湊封裝中，并在集成LED發(fā)射器和檢測光電二極管之間提供光學(xué)隔離，以提高穿透組織的信噪比。ADPD144RI包含一個(gè)4通道模擬前端 (AFE)（具有兩個(gè)可獨立配置的數據路徑，各有單獨的增益和濾波器設置）、一個(gè)具有脈沖蓄能器的14位ADC、兩個(gè)可獨立配置的靈活LED驅動(dòng)器和一個(gè)數字控制塊。該數字控制塊提供AFE和LED時(shí)序、信號處理和通信。數據輸出和功能配置均通過(guò)1.8V I2C接口進(jìn)行。

ADPD1080是一款整合式光學(xué)模擬前端組件，擁有3個(gè)LED驅動(dòng)信道以及2個(gè)PD電流輸入通道，提供17-ball的2.5mm×1.4mm WLLCSP封裝。這款模擬前端組件適合進(jìn)行客制化設計，開(kāi)發(fā)機種空間有限的低信道數PPG產(chǎn)品。

基于A(yíng)DPD4100的便攜多生命體征參數監測

脈搏血氧儀的測量使用位置會(huì )衍生許多挑戰，腕帶式SpO2設備則會(huì )衍生額外的設計挑戰，因為目標交流信號僅是PD總接收光的1%到2%。為達到醫療級認證以及分辨氧合血紅素的微幅變化，需要更高動(dòng)態(tài)范圍的交流信號。要達成這個(gè)目標，可降低環(huán)境光干擾以及減少LED驅動(dòng)器與AFE噪聲。ADI 為解決這項問(wèn)題開(kāi)發(fā)出ADPD4100。

ADPD4100與ADPD4101可達到100 dB信號噪聲。對于低灌流狀態(tài)下測量SpO2，提高動(dòng)態(tài)范圍非常重要。這款整合式光學(xué)模擬前端組件有8個(gè)板載低噪聲電流源，以及8個(gè)分立PD輸出端。數字時(shí)序控制器有12個(gè)可編程時(shí)序插槽，讓使用者能定義各種PD與LED程序，搭配特定LED電流、模擬與數字濾波、整合式選項以及時(shí)序限制。

ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴評估套件以及ADI生命體征監視研究手表提供支持。這款硬件能無(wú)縫鏈接到ADI Wavetool程序，執行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波長(cháng)PPG量測，協(xié)助SpO2產(chǎn)品研發(fā)。研究手表為ADPD4100內嵌自動(dòng)增益控制(AGC)算法，能調節TIA增益與LED電流，為所有選用的LED波長(cháng)提供最合適的交流信號動(dòng)態(tài)范圍。

光學(xué)模擬前端方案ADPD410X 模塊圖

本文小結

隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)和5G等通信技術(shù)的創(chuàng )新突破，數字醫療也得到了廣泛應用和迅速發(fā)展。生命體征監測(VSM)功能已越來(lái)越多地內置于手機、手表、耳機和其他智能可穿戴設備中，這些設備能夠測量各種生命體征和健康指標，例如體溫、心率、呼吸、血氧飽和度、血壓和身體成分等，同時(shí)由于優(yōu)秀的功耗控制以及便攜的使用體驗，對身體進(jìn)行24小時(shí)連續監測已成為可能。最近幾年，血氧飽和度檢測功能開(kāi)始大規模出現在智能可穿戴設備上，不斷優(yōu)化算法，提高血氧飽和度檢測數據的準確性，并以像智能手表、手環(huán)那樣全天候佩戴與監測，正在為人類(lèi)的健康提供隨時(shí)隨地的生命安全護航。