脈搏血氧儀原理與全面解決方案

今天主要向大家介紹脈搏血氧儀，一個是介紹脈搏血氧儀的工作原理；另外，面臨在精確測量時候的挑戰(zhàn)，也包括器件選型，最后我們會有幾張圖片介紹ADI的參考設(shè)計。

　　
做過監(jiān)護血氧儀、指甲式血氧儀都清楚，監(jiān)護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？氧氣在血液當中的紅細胞，由紅細胞通過動脈供養(yǎng)給毛細血管。脈搏血氧儀測量的對于是血氧的飽和度，我們用SpO2，SpO2測量怎么出來？是代表實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器官、毛細血管，里面就是靠紅細胞，紅細胞其實很小，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，每個細胞的壽命是100-120天，會回收再生。這些細胞是骨髓產(chǎn)生的，所以每個細胞需要7天的時間才能產(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意思。成人的體內(nèi)細胞產(chǎn)生是每秒鐘400萬個，我們由荷爾蒙EPO刺激產(chǎn)生的，運動員會注射這些激素，紅細胞越多攜帶氧氣的能力越強，競賽的過程當中對沒有注射的來講是不公平的，所以在體育激素里面的故事會聽到。每個成人有20-30萬億紅細胞，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，保證各個器官的工作，每個紅細胞在體內(nèi)的循環(huán)從肺出去然后再回來，大概需要20秒的時間。

什么是脈搏血氧儀？在這個里面我們首先要了解一下HbO2的定義。在肺里面，紅細胞是這樣的，本身附著血紅蛋白，符號是Hb，一種是氧合血紅蛋白，就是HbO2，還有還原血紅蛋白，從動脈經(jīng)過毛細血管回到頸脈的時候，氧分子脫落了。這是我紅細胞，附帶血紅蛋白，里面包含四個氧分子，是飽和的血紅蛋白分子。血氧的飽和度，典型值是健康人，這個值90%-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的讀值會下降。

測量的原理，我們拿了最簡單的例子，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做的，只是通過紅光和紅外光，兩個波長值最常見，藍色的箭頭就是指這條線，還原血紅蛋白，也就是說血紅蛋白不帶氧分子的時候，對紅光的吸收比較長，縱軸越高吸收強度越強。而紅外光的吸收長度比較弱，這是波長，所以橫軸是波長，縱軸是吸收長度。反過來看，我們除了說還原血紅蛋白以外，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，對紅光的吸收比較弱，對紅外光的吸收比較強，我們說紅光是660納米，紅外光是610納米，用在血氧測量當中。還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白，對不同光的區(qū)別，差就是測量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。這邊強調(diào)一下，最常見的就是兩個波長，實際上要做到更高的精度，除了兩個波長以外還要增加，甚至高達8個波長，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)常見的是碳氧血紅蛋白，更多的波長有利于你做的精度更好。8波長已經(jīng)在世界上有很多的產(chǎn)品，當然是偏高端的。

基本測量的原理如下，這是一個手指頭，血氧的含量，飽和度的測量在手指測量是最多的，也可以在腳趾、耳朵，這是最常見的測量血氧的地方。原理就是用紅光和紅外光發(fā)射，這兩個要非常將近，保證他們在手指基本上非常接近的位置，可以保證檢測的準確度。這本身對傳感器技術(shù)，LED也是挑戰(zhàn)。紅光和紅外光是分開工作的，當紅光工作的時候，紅外光是關(guān)閉的，當光二極管是同一個，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，保證在同一個身體組織結(jié)構(gòu)里面取得的信息。

這里講測量點主要包括手指、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)計模式的時候不光對傳感器，對模式的挑戰(zhàn)更大。剛才講到毛細血管，這是動脈，這是靜脈回流，剛才只是把電路傳感器的工作和血液放在一起，所以你血流的時候，為什么叫能量？因為power，當你有脈動的時候，走過毛細血管的時候把氧分子丟下了，回到這邊是還原的血紅蛋白。所以檢測的時候，紅光和紅外光都是一個光，一方面會受到組織結(jié)構(gòu)的衰減，還有受到靜脈血的衰減，還有動脈的衰減，動脈有兩個部分，一部分是存量的，總是在里面的，由于心臟的脈動，有一部分脈動的血紅蛋白，血紅蛋白會增加。

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。因為有心跳的原因，就是脈動了，通過手指傳送的光強會不斷的增大，我們說體積描述器，我剛才講了算法，就是組織結(jié)構(gòu)，手指頭的肉、骨頭、皮膚都會它造成吸收，靜脈血會對它造成吸收，動脈也會造成吸收，但動脈里面分為存量和脈動式的，如果測量出來的數(shù)據(jù)是這樣的圖，所有體積描述器。我剛才主要介紹了對血氧測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，我們再看后面的電路設(shè)計是怎么樣的，如何選擇元器件。這張圖比較簡單，這是LED的工作電壓，這是輸出電流。正常來說需要比較大的電流才能產(chǎn)生比較強的光，當VF比較小的時候，就是曲線比較陡的時候效率比較高，功耗比較低，LED更容易幫助你實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計能量，這只是一個概念，選LED基本的考慮。這里拿了廠家的型號做的例子，看LED光的特征。LED發(fā)射的單射光，用這個表征LED的特性，這個型號在這里，另外一個型號比較偏。峰值發(fā)送波長是最佳條件下規(guī)定的，這個值用作工作點。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)生波長的偏移，還有溫度比較穩(wěn)定，否則波長一樣會造成很大的偏移。這設(shè)計當中不光是LED的選擇，還有系統(tǒng)設(shè)計考慮到散熱。

剛才講到LED，待會涉及到光電二極管，光電二極管否則是零偏值，要么就是負壓的，要確保很好的TIA，就是跨組放大器，確保可以符合光電二極管的指標，我們后面會做一些分析，來介紹怎么樣選擇TIA，保證光電二極管的指標在系統(tǒng)里面得到體現(xiàn)。這是最常見的互阻放大器的結(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壓的，加負壓之后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。這里標明了P0-P1的負壓情況下有電流量的變化，這個電流量與什么有關(guān)系？光通量，一個是光通量，一個是光到電的轉(zhuǎn)換率，就可以計算出數(shù)字了。這是光電二極管最簡單的原理，我們給了光電二極管的電路模型，這個模型跟我們在大學里面學的像三極管一樣，把它拆開了，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?，就要做后面的噪聲分析，讓大家有機會分析噪聲是如何貢獻給整個系統(tǒng)的，哪些噪聲是很重要要考慮的，在選型和設(shè)計之中。噪聲加上TIA之后，這是光電二極管的等效電路，這是等項電阻和電熔，運放本身帶來噪聲，我們把三部分的噪聲多字一些分析，計算它對系統(tǒng)的貢獻，我們就可以理解哪部分的噪聲要特別小心。這里面當然有電壓、電流的噪聲，電壓、電流噪聲對系統(tǒng)帶來什么共性，我們在圖上面會介紹，也可以哪個指標變成非常重要。

我們列了噪聲計算的工程，假設(shè)運放電阻非常大，假設(shè)并聯(lián)電阻比串聯(lián)電阻大很多，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)。這個公示看起來比較乏味，列在這里做一個參考。運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，次根波長與爭議都有關(guān)系。最后一個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，我們設(shè)了兩個條件，第一個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1.25uv，這個值我們下面用得到，確保NNR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TIA的噪聲做分析，你會看到這是一個往上走的，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相比越來越大，但越大越好。這說明什么？電流噪聲的重要性，相對電壓噪聲在這個情況里面，對噪聲的貢獻更大。

我們講光電二極管跟TIA良好配合，選擇一個好的TIA，第二是信噪比足夠大，你要做計算，要做TIA和輸出電壓的噪聲比較要足夠大，我們已經(jīng)計算了一下輸出電壓的值，14.95v，同樣是剛才的型號，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，，我們對系統(tǒng)計算是這樣的。

我給大家分享一個方案，這是我們在美國做的設(shè)計，用的是ADuc7024，MCU有很多廠家，ADI長處在模擬里面，我介紹一下對這個系統(tǒng)的好處，測量關(guān)注非常好，放大器和開關(guān)保證背景光被移除，保證檢測的精度。這個方案我們做了一些分析，這個方案帶來什么好處，國內(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試，我們跟同方案的比較，Low灌注非常低，大家做血氧知道標準是0.3，但數(shù)字越低越好，在病人血氧體征非常弱的情況下，這個指標非常重要。保證這個指標有兩點，一個是算法，一個是確保前端電路的噪聲有足夠的抑制，包括ADC有足夠好的模擬性能。最后一頁，我們展示了一張圖片，是對運動的干擾，血氧檢測除了Low灌注之外，人的監(jiān)護里面不能保證一點都不動，人類運動會帶來人工的運動干擾，所以在你的方案里面，很重要的還有一個功能，必須你能夠偵測到運動干擾，把干擾移除掉，同時有足夠的速度輸出血氧的檢測值，這是第三方的方案，跟同類型的產(chǎn)品做比較。