脉搏血氧仪原理与全面解决方案

脉搏血氧仪原理与全面解决方案本文导读]：脉搏血氧仪采用无创式技术测量血氧中的氧气含量，测量对象更准确的叫法是血氧饱和度，即SpO2。今天主要向大家介绍脉搏血氧仪，一个是介绍脉搏血氧仪的工作原理；另外，面临在精确测量时候的挑战，也包括器件选型，最后我们会有几张图片介绍ADI的参考设计。做过监护血氧仪、指甲式血氧仪都清楚，监护仪里面是带有血氧的模块，还有比较小的指甲式的，就是偏向于家用、个人用的，模式是不一样的。什么是脉搏血氧仪？首先讲一下氧气，大家知道人需要氧气活着，氧气怎么样让人活下去？氧气在血液当中的红细胞，由红细胞通过动脉供养给毛细血管。脉搏血氧仪测量的对于是血氧的饱和度，我们用SpO2，SpO2测量怎么出来？是代表实际含氧量与全氧饱和度的比值。刚才有介绍氧气怎么样传递到人体各个器官、毛细血管，里面就是靠红细胞，红细胞其实很小，非常、非常小，我们这里列了尺寸，是6-8微米的直径，厚度是2微米，每个细胞的寿命是100-120天，会回收再生。这些细胞是骨髓产生的，所以每个细胞需要7天的时间才能产生，跟电子不是直接有关，但如果不了解的话讲一讲还是有点意思。成人的体内细胞产生是每秒钟400万个，我们由荷尔蒙EPO刺激产生的，运动员会注射这些激素，红细胞越多携带氧气的能力越强，竞赛的过程当中对没有注射的来讲是不公平的，所以在体育激素里面的故事会听到。每个成人有20-30万亿红细胞，男人比女人多20%。主要功能是氧气从肺里面送到人体的器官，保证各个器官的工作，每个红细胞在体内的循环从肺出去然后再回来，大概需要20秒的时间。什么是脉搏血氧仪？在这个里面我们首先要了解一下HbO2的定义。在肺里面，红细胞是这样的，本身附着血红蛋白，符号是Hb，一种是氧合血红蛋白，就是HbO2，还有还原血红蛋白，从动脉经过毛细血管回到颈脉的时候，氧分子脱落了。这是我红细胞，附带血红蛋白，里面包含四个氧分子，是饱和的血红蛋白分子。血氧的饱和度，典型值是健康人，这个值90%-100%比较正常，但很多情况下跌到60%，这取决于很多因素，其中最重要的因素是病人身体的供血能力比较差，HbO2的读值会下降。测量的原理，我们拿了最简单的例子，这也是最通常的情况，世界上大多数的血氧仪都是靠这样的原理来做的，只是通过红光和红外光，两个波长值最常见，蓝色的箭头就是指这条线，还原血红蛋白，也就是说血红蛋白不带氧分子的时候，对红光的吸收比较长，纵轴越高吸收强度越强。而红外光的吸收长度比较弱，这是波长，所以横轴是波长，纵轴是吸收长度。反过来看，我们除了说还原血红蛋白以外，还有氧合血红蛋白，这是红色箭头指的，就是带有血红蛋白的，带有氧分子的，对红光的吸收比较弱，对红外光的吸收比较强，我们说红光是660纳米，红外光是610纳米，用在血氧测量当中。还原血红蛋白和氧合血红蛋白，对不同光的区别，差就是测量血氧饱和度最基本的数据。这边强调一下，最常见的就是两个波长，实际上要做到更高的精度，除了两个波长以外还要增加，甚至高达8个波长，最主要的原因是人体血红蛋白除了还原血红蛋白和氧合血红蛋白之外，还有其他的血红蛋白，我们经常见的是碳氧血红蛋白，更多的波长有利于你做的精度更好。8波长已经在世界上有很多的产品，当然是偏高端的。基本测量的原理如下，这是一个手指头，血氧的含量，饱和度的测量在手指测量是最多的，也可以在脚趾、耳朵，这是最常见的测量血氧的地方。原理就是用红光和红外光发射，这两个要非常将近，保证他们在手指基本上非常接近的位置，可以保证检测的准确度。这本身对传感器技术，LED也是挑战。红光和红外光是分开工作的，当红光工作的时候，红外光是关闭的，当光二极管是同一个，可以保证红光和红外光之间的工作非常干扰，刚才讲距离要非常近，保证在同一个身体组织结构里面取得的信息。这里讲测量点主要包括手指、脚趾和耳垂，我们讲是工作模式，发光体在这边，光电转换是另外一边，是穿透的。设计模式的时候不光对传感器，对模式的挑战更大。刚才讲到毛细血管，这是动脉，这是静脉回流，刚才只是把电路传感器的工作和血液放在一起，所以你血流的时候，为什么叫能量？因为power，当你有脉动的时候，走过毛细血管的时候把氧分子丢下了，回到这边是还原的血红蛋白。所以检测的时候，红光和红外光都是一个光，一方面会受到组织结构的衰减，还有受到静脉血的衰减，还有动脉的衰减，动脉有两个部分，一部分是存量的，总是在里面的，由于心脏的脉动，有一部分脉动的血红蛋白，血红蛋白会增加。把人体的血结构和传感器放在一起，我们看它们是怎么工作的。因为有心跳的原因，就是脉动了，通过手指传送的光强会不断的增大，我们说体积描述器，我刚才讲了算法，就是组织结构，手指头的肉、骨头、皮肤都会它造成吸收，静脉血会对它造成吸收，动脉也会造成吸收，但动脉里面分为存量和脉动式的，如果测量出来的数据是这样的图，所有体积描述器。我刚才主要介绍了对血氧测量的基本原理和人体血液怎么携带氧原子，给人体供电。下面讲一下LED和整流二极管的分析，我们再看后面的电路设计是怎么样的，如何选择元器件。这张图比较简单，这是LED的工作电压，这是输出电流。正常来说需要比较大的电流才能产生比较强的光，当VF比较小的时候，就是曲线比较陡的时候效率比较高，功耗比较低，LED更容易帮助你实现系统的设计能量，这只是一个概念，选LED基本的考虑。这里拿了厂家的型号做的例子，看LED光的特征。LED发射的单射光，用这个表征LED的特性，这个型号在这里，另外一个型号比较偏。峰值发送波长是最佳条件下规定的，这个值用作工作点。频谱半带宽非常窄，正常的情况下电流一定要很稳，If非常稳定，避免发生波长的偏移，还有温度比较稳定，否则波长一样会造成很大的偏移。这设计当中不光是LED的选择，还有系统设计考虑到散热。刚才讲到LED，待会涉及到光电二极管，光电二极管否则是零偏值，要么就是负压的，要确保很好的TIA，就是跨组放大器，确保可以符合光电二极管的指标，我们后面会做一些分析，来介绍怎么样选择TIA，保证光电二极管的指标在系统里面得到体现。这是最常见的互阻放大器的结构。这里讲一下光电二极管的电流电压特性，我刚才介绍了一般情况是负压的，加负压之后P0、P1、P2是不同的光通量的情况下工作曲线，横轴是电压，纵轴是电流，所以在不同的偏值电压下，工作电流不一样。这里标明了P0-P1的负压情况下有电流量的变化，这个电流量与什么有关系？光通量，一个是光通量，一个是光到电的转换率，就可以计算出数字了。这是光电二极管最简单的原理，我们给了光电二极管的电路模型，这个模型跟我们在大学里面学的像三极管一样，把它拆开了，拆成了电阻电流，这里面给很多参数，IL是入射光产生的电流，ID是暗电流，CJ是结电容，RSH是并联电阻，还有串联电阻、并联电阻电流，二极管上的电压，输出电流，输出电压，我们为什么要分到等效电路模型，就要做后面的噪声分析，让大家有机会分析噪声是如何贡献给整个系统的，哪些噪声是很重要要考虑的，在选型和设计之中。噪声加上TIA之后，这是光电二极管的等效电路，这是等项电阻和电熔，运放本身带来噪声，我们把三部分的噪声多字一些分析，计算它对系统的贡献，我们就可以理解哪部分的噪声要特别小心。这里面当然有电压、电流的噪声，电压、电流噪声对系统带来什么共性，我们在图上面会介绍，也可以哪个指标变成非常重要。我们列了噪声计算的工程，假设运放电阻非常大，假设并联电阻比串联电阻大很多，一般情况下都是这样的。我们分光电二极管的噪声，光电二极管的噪声由两部分组成，一个是散粒噪声，分成两部分，这是光电二极管的噪声结构。这个公示看起来比较乏味，列在这里做一个参考。运算放大器噪声由电压噪声和电流噪声组成的，噪声组成是能量叠加，所以是平方根，次根波长与争议都有关系。最后一个是反馈电阻的热噪声，反馈电阻的热噪声是4KbTBRF，已经列在这里了。这些噪声由哪些部分组成？为了保证光电二极管和TIA的良好配合，我们设了两个条件，第一个条件是噪声和噪声比，就是光电二极管和TIA的总噪声有多大。目前是光电二极管的噪声是1.25uv，这个值我们下面用得到，确保NNR足够大。我们选择一些放大器做分析，放大器的电压噪声、电流噪声，最后包括整个TIA的噪声做分析，你会看到这是一个往上走的，越往下电压噪声越大，越往上电流噪声越大。所以光电二极管和NNR相比越来越大，但越大越好。这说明什么？电流噪声的重要性，相对电压噪声在这个情况里面，对噪声的贡献更大。我们讲光电二极管跟TIA良好配合，选择一个好的TIA，第二是信噪比足够大，你要做计算，要做TIA和输出电压的噪声比较要足够大，我们已经计算了一下输出电压的值，14.95v，同样是刚才的型号，电压噪声、电流噪声，这里是所有的噪声，这里是SNR，等效分辨率是16-18位，，我们对系统计算是这样的。我给大家分享一个方案，这是我们在美国做的设计，用的是ADuc7024，MCU有很多厂家，ADI长处在模拟里面，我介绍一下对这个系统的好处，测量关注非常好，放大器和开关保证背景光被移除，保证检测的精度。这个方案我们做了一些分析，这个方案带来什么好处，国内很多的血氧仪用OEM的模块，这种成本非常高。ADI的ADUC是血氧仪的芯片，我们加了血氧仪和Cool在里面，抗干扰的能力非常行，尤其是Low灌注可以精确到什么程度，还有灵活性可以客制化。这是一个芯片，前面加的不多，只是模拟的调制电路。这是我们给第三方的测试，我们跟同方案的比较，Low灌注非常低，大家做血氧知道标准是0.3，但数字越低越好，在病人血氧体征非常弱的情况下，这个指标非常重要。保证这个指标有两点，一个是算法，一个是确保前端电路的噪声有足够的抑制，包括ADC有足够好的模拟性能。最后