脈搏血氧儀原理與全面解決方案

1、脈搏血氧儀原理與全面解決方案本文導(dǎo)讀 ：脈搏血氧儀采用無(wú)創(chuàng)式 技術(shù)測(cè)量 血氧中的氧氣含量， 測(cè)量對(duì)象更準(zhǔn)確的叫 法是血氧飽和度，即 SpO2。今天主要向大家介紹脈搏血氧儀，一個(gè)是介紹脈搏血氧儀的工作原理；另外，面臨在 精確測(cè)量時(shí)候的挑戰(zhàn)，也包括器件選型，最后我們會(huì)有幾張圖片介紹ADI 的參考 設(shè)計(jì) 。做過(guò)監(jiān)護(hù)血氧儀、 指甲式血氧儀都清楚， 監(jiān)護(hù)儀里面是帶有血氧的模塊， 還有比較小的指甲 式的，就是偏向于家用、 個(gè)人用的， 模式是不一樣的。 什么是脈搏血氧儀？首先講一下氧氣， 大家知道人需要氧氣活著， 氧氣怎么樣讓人活下去？氧氣在血液當(dāng)中的紅細(xì)胞， 由紅細(xì)胞通 過(guò)動(dòng)脈供養(yǎng)給毛細(xì)血管。脈搏血氧儀測(cè)

2、量的對(duì)于是血氧的飽和度，我們用SpO2， SpO2測(cè)量怎么出來(lái)？是代表實(shí)際含氧量與全氧飽和度的比值。 剛才有介紹氧氣怎么樣傳遞到人體各個(gè) 器官、 毛細(xì)血管， 里面就是靠紅細(xì)胞， 紅細(xì)胞其實(shí)很小， 非常、非常小， 我們這里列了尺寸， 是 6-8 微米的直徑， 厚度是 2 微米， 每個(gè)細(xì)胞的壽命是 100-120 天，會(huì)回收再生。 這些細(xì)胞 是骨髓產(chǎn)生的， 所以每個(gè)細(xì)胞需要 7 天的時(shí)間才能產(chǎn)生， 跟電子不是直接有關(guān)， 但如果不了 解的話講一講還是有點(diǎn)意思。成人的體內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生是每秒鐘 400 萬(wàn)個(gè)，我們由荷爾蒙 EPO 刺激產(chǎn)生的， 運(yùn)動(dòng)員會(huì)注射這些激素， 紅細(xì)胞越多攜帶氧氣的能力越強(qiáng)， 競(jìng)賽的過(guò)

3、程當(dāng)中對(duì) 沒(méi)有注射的來(lái)講是不公平的， 所以在體育激素里面的故事會(huì)聽(tīng)到。 每個(gè)成人有 20-30 萬(wàn)億紅 細(xì)胞，男人比女人多 20%。主要功能是氧氣從肺里面送到人體的器官， 保證各個(gè)器官的工作， 每個(gè)紅細(xì)胞在體內(nèi)的循環(huán)從肺出去然后再回來(lái)，大概需要 20 秒的時(shí)間。什么是脈搏血氧儀？在這個(gè)里面我們首先要了解一下HbO2的定義。在肺里面，紅細(xì)胞是這樣的，本身附著血紅蛋白，符號(hào)是Hb，一種是氧合血紅蛋白，就是 HbO2，還有還原血紅蛋白，從動(dòng)脈經(jīng)過(guò)毛細(xì)血管回到頸脈的時(shí)候，氧分子脫落了。這是我紅細(xì)胞，附帶血紅蛋白， 里面包含四個(gè)氧分子，是飽和的血紅蛋白分子。血氧的飽和度，典型值是健康人，這個(gè)值 90%-

4、100%比較正常，但很多情況下跌到 60%，這取決于很多因素，其中最重要的因素是病人 身體的供血能力比較差， HbO2的讀值會(huì)下降。測(cè)量的原理， 我們拿了最簡(jiǎn)單的例子， 這也是最通常的情況， 世界上大多數(shù)的血氧儀都是靠 這樣的原理來(lái)做的， 只是通過(guò)紅光和紅外光， 兩個(gè)波長(zhǎng)值最常見(jiàn)， 藍(lán)色的箭頭就是指這條線， 還原血紅蛋白， 也就是說(shuō)血紅蛋白不帶氧分子的時(shí)候， 對(duì)紅光的吸收比較長(zhǎng)， 縱軸越高吸收 強(qiáng)度越強(qiáng)。而紅外光的吸收長(zhǎng)度比較弱，這是波長(zhǎng)，所以橫軸是波長(zhǎng)，縱軸是吸收長(zhǎng)度。反 過(guò)來(lái)看，我們除了說(shuō)還原血紅蛋白以外， 還有氧合血紅蛋白， 這是紅色箭頭指的， 就是帶有 血紅蛋白的，帶有氧分子的，對(duì)紅光

5、的吸收比較弱，對(duì)紅外光的吸收比較強(qiáng)，我們說(shuō)紅光是 660 納米，紅外光是 610 納米，用在血氧測(cè)量當(dāng)中。還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白，對(duì)不同 光的區(qū)別，差就是測(cè)量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。這邊強(qiáng)調(diào)一下，最常見(jiàn)的就是兩個(gè)波長(zhǎng)， 實(shí)際上要做到更高的精度， 除了兩個(gè)波長(zhǎng)以外還要增加， 甚至高達(dá) 8個(gè)波長(zhǎng)， 最主要的原因 是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外， 還有其他的血紅蛋白， 我們經(jīng)常見(jiàn) 的是碳氧血紅蛋白， 更多的波長(zhǎng)有利于你做的精度更好。 8 波長(zhǎng)已經(jīng)在世界上有很多的產(chǎn)品， 當(dāng)然是偏高端的?；緶y(cè)量的原理如下，這是一個(gè)手指頭，血氧的含量，飽和度的測(cè)量在手指測(cè)量是最 多的，也可以在腳趾

6、、 耳朵，這是最常見(jiàn)的測(cè)量血氧的地方。 原理就是用紅光和紅外光發(fā)射， 這兩個(gè)要非常將近， 保證他們?cè)谑种富旧戏浅＝咏奈恢茫?可以保證檢測(cè)的準(zhǔn)確度。 這本 身對(duì)傳感器 技術(shù)， LED也是挑戰(zhàn)。紅光和紅外光是分開(kāi)工作的，當(dāng)紅光工作的時(shí)候，紅外光 是關(guān)閉的， 當(dāng)光二極管是同一個(gè)， 可以保證紅光和紅外光之間的工作非常干擾， 剛才講距離 要非常近，保證在同一個(gè)身體組織結(jié)構(gòu)里面取得的信息。這里講測(cè)量點(diǎn)主要包括手指、腳趾和耳垂，我們講是工作模式，發(fā)光體在這邊，光電轉(zhuǎn) 換是另外一邊， 是穿透的。設(shè)計(jì)模式的時(shí)候不光對(duì)傳感器，對(duì)模式的挑戰(zhàn)更大。剛才講到毛 細(xì)血管，這是動(dòng)脈， 這是靜脈回流， 剛才只是把電路傳感

7、器的工作和血液放在一起，所以你 血流的時(shí)候，為什么叫能量？因?yàn)?power ，當(dāng)你有脈動(dòng)的時(shí)候，走過(guò)毛細(xì)血管的時(shí)候把氧分 子丟下了， 回到這邊是還原的血紅蛋白。 所以檢測(cè)的時(shí)候，紅光和紅外光都是一個(gè)光， 一方 面會(huì)受到組織結(jié)構(gòu)的衰減，還有受到靜脈血的衰減，還有動(dòng)脈的衰減， 動(dòng)脈有兩個(gè)部分，一 部分是存量的， 總是在里面的， 由于心臟的脈動(dòng)， 有一部分脈動(dòng)的血紅蛋白，血紅蛋白會(huì)增 加。把人體的血結(jié)構(gòu)和傳感器放在一起，我們看它們是怎么工作的。因?yàn)橛行奶脑颍?就是脈動(dòng)了，通過(guò)手指?jìng)魉偷墓鈴?qiáng)會(huì)不斷的增大， 我們說(shuō)體積描述器， 我剛才講了算法，就 是組織結(jié)構(gòu)，手指頭的肉、骨頭、皮膚都會(huì)它造成吸收，靜

8、脈血會(huì)對(duì)它造成吸收，動(dòng)脈也會(huì) 造成吸收， 但動(dòng)脈里面分為存量和脈動(dòng)式的， 如果測(cè)量出來(lái)的數(shù)據(jù)是這樣的圖， 所有體積描 述器。我剛才主要介紹了對(duì)血氧測(cè)量的基本原理和人體血液怎么攜帶氧原子，給人體供電。下面講一下 LED和整流二極管的分析， 我們?cè)倏春竺娴碾娐吩O(shè)計(jì)是怎么樣的， 如何選擇 元器件。這張圖比較簡(jiǎn)單，這是 LED的工作電壓， 這是輸出電流。 正常來(lái)說(shuō)需要比較大的電 流才能產(chǎn)生比較強(qiáng)的光，當(dāng) VF 比較小的時(shí)候，就是曲線比較陡的時(shí)候效率比較高，功耗比 較低， LED更容易幫助你實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能量，這只是一個(gè)概念，選LED基本的考慮。這里拿了廠家的型號(hào)做的例子，看 LED光的特征。 LED發(fā)

9、射的單射光，用這個(gè)表征 LED的特性， 這個(gè)型號(hào)在這里， 另外一個(gè)型號(hào)比較偏。 峰值發(fā)送波長(zhǎng)是最佳條件下規(guī)定的， 這個(gè)值用作工 作點(diǎn)。頻譜半帶寬非常窄，正常的情況下電流一定要很穩(wěn)， If 非常穩(wěn)定，避免發(fā)生波長(zhǎng)的 偏移，還有溫度比較穩(wěn)定， 否則波長(zhǎng)一樣會(huì)造成很大的偏移。 這設(shè)計(jì)當(dāng)中不光是 LED的選擇， 還有系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到散熱。剛才講到 LED，待會(huì)涉及到光電二極管，光電二極管否則是零偏值，要么就是負(fù)壓的， 要確保很好的 TIA ，就是跨組放大器，確?？梢苑瞎怆姸O管的指標(biāo)，我們后面會(huì)做一些 分析，來(lái)介紹怎么樣選擇 TIA ，保證光電二極管的指標(biāo)在系統(tǒng)里面得到體現(xiàn)。這是最常見(jiàn)的 互阻放大器的

10、結(jié)構(gòu)。這里講一下光電二極管的電流電壓特性， 我剛才介紹了一般情況是負(fù)壓的， 加負(fù)壓之后 P0、 P1、P2 是不同的光通量的情況下工作曲線，橫軸是電壓，縱軸是電流，所以在不同的 偏值電壓下， 工作電流不一樣。 這里標(biāo)明了 P0-P1 的負(fù)壓情況下有電流量的變化， 這個(gè)電流 量與什么有關(guān)系？光通量，一個(gè)是光通量，一個(gè)是光到電的轉(zhuǎn)換率，就可以計(jì)算出數(shù)字了。 這是光電二極管最簡(jiǎn)單的原理， 我們給了光電二極管的電路模型， 這個(gè)模型跟我們?cè)诖髮W(xué)里 面學(xué)的像三極管一樣，把它拆開(kāi)了，拆成了電阻電流，這里面給很多參數(shù)， IL 是入射光產(chǎn) 生的電流， ID 是暗電流， CJ 是結(jié)電容， RSH是并聯(lián)電阻，還有串

11、聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻電流， 二極管上的電壓，輸出電流，輸出電壓， 我們?yōu)槭裁匆值降刃щ娐纺Ｐ停?就要做后面的噪 聲分析， 讓大家有機(jī)會(huì)分析噪聲是如何貢獻(xiàn)給整個(gè)系統(tǒng)的， 哪些噪聲是很重要要考慮的， 在 選型和設(shè)計(jì)之中。噪聲加上 TIA 之后，這是光電二極管的等效電路，這是等項(xiàng)電阻和電熔， 運(yùn)放本身帶來(lái)噪聲， 我們把三部分的噪聲多字一些分析， 計(jì)算它對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)， 我們就可以 理解哪部分的噪聲要特別小心。 這里面當(dāng)然有電壓、電流的噪聲， 電壓、 電流噪聲對(duì)系統(tǒng)帶 來(lái)什么共性，我們?cè)趫D上面會(huì)介紹，也可以哪個(gè)指標(biāo)變成非常重要。我們列了噪聲計(jì)算的工程， 假設(shè)運(yùn)放電阻非常大， 假設(shè)并聯(lián)電阻比串聯(lián)電阻大很多，

12、 一 般情況下都是這樣的。 我們分光電二極管的噪聲， 光電二極管的噪聲由兩部分組成， 一個(gè)是 散粒噪聲， 分成兩部分， 這是光電二極管的噪聲結(jié)構(gòu)。這個(gè)公示看起來(lái)比較乏味， 列在這里 做一個(gè)參考。 運(yùn)算放大器噪聲由電壓噪聲和電流噪聲組成的， 噪聲組成是能量疊加， 所以是 平方根，次根波長(zhǎng)與爭(zhēng)議都有關(guān)系。最后一個(gè)是反饋電阻的熱噪聲，反饋電阻的熱噪聲是 4KbTBRF，已經(jīng)列在這里了。這些噪聲由哪些部分組成？為了保證光電二極管和TIA 的良好配合，我們?cè)O(shè)了兩個(gè)條件， 第一個(gè)條件是噪聲和噪聲比， 就是光電二極管和 TIA 的總噪聲有 多大。 目前是光電二極管的噪聲是， 這個(gè)值我們下面用得到， 確保 N

13、NR足夠大。我們選擇一 些放大器做分析，放大器的電壓噪聲、電流噪聲， 最后包括整個(gè) TIA 的噪聲做分析，你會(huì)看 到這是一個(gè)往上走的，越往下電壓噪聲越大，越往上電流噪聲越大。所以光電二極管和 NNR 相比越來(lái)越大， 但越大越好。 這說(shuō)明什么？電流噪聲的重要性， 相對(duì)電壓噪聲在這個(gè)情況里 面，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)更大。我們講光電二極管跟 TIA 良好配合， 選擇一個(gè)好的 TIA ，第二是信噪比足夠大， 你要做 計(jì)算，要做 TIA 和輸出電壓的噪聲比較要足夠大， 我們已經(jīng)計(jì)算了一下輸出電壓的值， ，同 樣是剛才的型號(hào)， 電壓噪聲、電流噪聲， 這里是所有的噪聲， 這里是 SNR，等效分辨率是 16-18 位

14、，我們對(duì)系統(tǒng)計(jì)算是這樣的。我給大家分享一個(gè)方案，這是我們?cè)诿绹?guó)做的設(shè)計(jì)，用的是ADuc7024， MCU有很多廠家，ADI 長(zhǎng)處在模擬里面，我介紹一下對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的好處，測(cè)量關(guān)注非常好，放大器和開(kāi)關(guān) 保證背景光被移除， 保證檢測(cè)的精度。 這個(gè)方案我們做了一些分析， 這個(gè)方案帶來(lái)什么好處， 國(guó)內(nèi)很多的血氧儀用 OEM的模塊，這種成本非常高。 ADI 的 ADUC是血氧儀的芯片，我們加 了血氧儀和 Cool 在里面，抗干擾的能力非常行，尤其是Low 灌注可以精確到什么程度，還有靈活性可以客制化。這是一個(gè)芯片，前面加的不多，只是模擬的調(diào)制電路。這是我們給第三方的測(cè)試， 我們跟同方案的比較， Low 灌注非常低， 大家做血氧知道標(biāo) 準(zhǔn)是， 但數(shù)字越低越好， 在病人血氧體征非常弱的情況