【世说设计】如何设计更优质的脉搏血氧仪？

血氧浓度是医疗院所最常记录的生命体征指标之一，是血液中血氧饱和血红素在总血红素所占的比例。测量血氧浓度的黄金标准是量测动脉血氧浓度SaO2，然而这种方法需要在实验室对血液样本进行血液气体分析。末稍血管血氧浓度(SpO2)是使用脉搏式血氧仪测量身体末稍部位量测到的血氧浓度。

许多身体病状可能造成低血氧，其中包括哮喘、心脏疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重症等，因此可能需要在住家或医院进行持续或间歇性监视。患有低血氧的人可能出现头昏、感知混淆、呼吸费力或急促、以及头痛等症状。

传统上， SpO2都是在手指或耳朵这些身体末稍部位进行测量，通常会用夹具设备来判断血氧饱和血红素与总血红素的比值，来判断红血球从肺部将氧气输送到身体各部位的循环机能好坏。健康成年人的血氧饱和度正常值介于95%到100%之间，低于这个区间的代表低血氧(hypoxemia)，便意味着身体无法输送足够的氧气来维持健康器官与感知功能。如果这些量测值低于基准数(通常低于92%)，病患就需要住进急诊室。

隐形缺氧推动临床级便携血氧仪开发隐形缺氧可能在没有出现任何典型呼吸道症状下就对身体造成严重伤害，能够在病患出现呼吸困难病征之前及时侦测出这类隐伏形态的缺氧，对于遏止肺炎发展至危险程度至关重要。血氧浓度监视是诊断睡眠呼吸中止症(Sleep Apnea)的重要指标。阻塞性睡眠呼吸中止症会在睡眠期间导致呼吸道部分或完全阻塞，这会导致肺部停止呼吸或一段时间浅呼吸，造成暂时性缺氧。如果长期没有治疗，睡眠呼吸中止症可能增加心脏病发、中风、以及过度肥胖的机率。据估计1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止症。

随着病患照护的趋势朝向便携式以及家用监视发展，业界需要开发适用的生命体征监视设备，而不会妨碍使用者的日常生活作习。在血氧浓度方面，针对手指与耳垂以外的部位进行监视，会衍生许多设计挑战。隐形缺氧症状的出现便促使业界开发更高便携性的临床级脉搏式血氧仪。

基于光学信号分析的脉搏血氧仪脉搏血氧测定使用红光（通常为660nm波长）和红外（IR）LED（通常为940 nm波长）。脱氧血红蛋白主要吸收660nm波长的光，而氧合血红蛋白主要吸收940nm波长的光。光电二极管感知未被吸收的光，然后将感知到的信号分为直流分量和交流分量。直流分量代表组织、静脉血和非搏动性动脉血引起的光吸收，交流分量代表搏动性动脉血，可计算SpO2的百分比。

最基本的脉搏式血氧仪包含两个LED(一个红光660纳米LED以及一个红外线940纳米LED)，以及一个光二极管(PD)设置成反射或透射组态。脉搏式血氧仪会发出红光LED脉冲，并在PD上接收到信号。在红外线LED上重复上述程序，最终会归纳出两个LED在任何外部环境光源的量测基准值。这种方法会产生两种波长的光体积变化描记图法(PPG)曲线图。

图1 血氧量测仪基础电路图

信号中含有直流与交流元素。直流元素是由持续反射物体造成，像是皮肤、肌肉、骨头、以及静脉血液。当身体休息时，动作产生的影响就比较小。交流元素主要为动脉血液搏动所反射的光，取决于心律以及动脉血管厚度，在收缩(血泵)时反射或穿透的光量高于异位(舒张)状态。在收缩阶段，血液从心脏泵出，进而提高动脉血管的血压。增加的血压会扩张动脉，导致动脉血量增加，增加的血液会造成吸收光量提高。舒张阶段血压下降，吸收光量也随之减少。下图显示心跳造成的舒张以及心缩期高峰。

图2 经过组织的光衰减

借助计算PPG信号的交流与直流数据，我们能推算动脉血液中吸收光的变化，它是由心脏泵出血液造成，没有其他组织造成的影响。要开发高精准度血氧浓度算法，对量测系统进行校正是必要的动作。要校正血氧浓度系统，必须完成一项研究，由医疗专业人员针对病患血氧值透过医疗方法进行降低、监视以及观察，这种程序称为缺氧研究。SpO2测量系统的精准度可能仅能作为参考点，参考选项包括医疗级指夹式脉搏血氧计，以及黄金标准的CO血氧计。CO血氧计属于侵入式量测法，测得的血氧饱和度有极高的精准度，但大多数状况下量测并不便利。

图3 ADI 体征信号监测手表V4、隔板、以及LED PD数组

以ADPD144RI与ADPD1080

实现手指与耳垂血氧监测

手指与耳垂SpO2读数是最容易的设计，因为信号噪声高于手腕与胸部位置，两处的骨头与组织较少，进而减少直流元素的影响。基础测量方法是光学性的，测量使用来自最多三个LED的短脉冲信号。LED电流最高可达370mA，最小脉冲宽度为1μs。LED的最佳波长根据测量位置和测量方法来选择。手腕上只能测量表面动脉，故而选择绿光，耳朵则不同，可以使用红外光，从而获得更大的穿透深度和更高的SNR。光电二极管(其探测面积与其响应度直接相关)用于测量反射光。因此，它会同时测量信号和背景噪声。下游模拟前端提供更高的SNR，它用作信号滤波器，将检测到的电流转换为电压，进而转换为数字形式。除反射测量外，算法还包括用于通过加速度计滤除运动伪像的校正。

针对这类应用， ADPD144RI模块与ADPD1080是适合的组件产品。ADPD144RI是一款高度集成的光度学前端，它已进行优化，可通过同步检测红光和红外线波长，对血氧饱和度进行光学体积描记法 (PPG) 检测。同步测量能以极低的功耗消除直流和交流环境光干扰。

该模块将高效的LED发射器和灵敏的4通道深扩散光电二极管（PD1 至 PD4）与自定义ASIC组合在一个紧凑封装中，并在集成LED发射器和检测光电二极管之间提供光学隔离，以提高穿透组织的信噪比。ADPD144RI包含一个4通道模拟前端 (AFE)（具有两个可独立配置的数据路径，各有单独的增益和滤波器设置）、一个具有脉冲蓄能器的14位ADC、两个可独立配置的灵活LED驱动器和一个数字控制块。该数字控制块提供AFE和LED时序、信号处理和通信。数据输出和功能配置均通过1.8V I2C接口进行。

ADPD1080是一款整合式光学模拟前端组件，拥有3个LED驱动信道以及2个PD电流输入通道，提供17-ball的2.5mm×1.4mm WLLCSP封装。这款模拟前端组件适合进行客制化设计，开发机种空间有限的低信道数PPG产品。

基于ADPD4100的便携多生命体征参数监测脉搏血氧仪的测量使用位置会衍生许多挑战，腕带式SpO2设备则会衍生额外的设计挑战，因为目标交流信号仅是PD总接收光的1%到2%。为达到医疗级认证以及分辨氧合血红素的微幅变化，需要更高动态范围的交流信号。要达成这个目标，可降低环境光干扰以及减少LED驱动器与AFE噪声。ADI 为解决这项问题开发出ADPD4100。ADPD4100与ADPD4101可达到100 dB信号噪声。对于低灌流状态下测量SpO2，提高动态范围非常重要。这款整合式光学模拟前端组件有8个板载低噪声电流源，以及8个分立PD输出端。数字时序控制器有12个可编程时序插槽，让使用者能定义各种PD与LED程序，搭配特定LED电流、模拟与数字滤波、整合式选项以及时序限制。

ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴评估套件以及ADI生命体征监视研究手表提供支持。这款硬件能无缝链接到ADI Wavetool程序，执行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波长PPG量测，协助SpO2产品研发。研究手表为ADPD4100内嵌自动增益控制(AGC)算法，能调节TIA增益与LED电流，为所有选用的LED波长提供最合适的交流信号动态范围。

图4 光学模拟前端方案ADPD410X 模块图

本文小结随着电子技术的不断发展以及云计算、物联网和5G等通信技术的创新突破，数字医疗也得到了广泛应用和迅速发展。生命体征监测(VSM)功能已越来越多地内置于手机、手表、耳机和其他智能可穿戴设备中，这些设备能够测量各种生命体征和健康指标，例如体温、心率、呼吸、血氧饱和度、血压和身体成分等，同时由于优秀的功耗控制以及便携的使用体验，对身体进行24小时连续监测已成为可能。最近几年，血氧饱和度检测功能开始大规模出现在智能可穿戴设备上，不断优化算法，提高血氧饱和度检测数据的准确性，并以像智能手表、手环那样全天候佩戴与监测，正在为人类的健康提供随时随地的生命安全护航。

原文转自亚德诺半导体