脉搏血氧测量设计

血红蛋白是血细胞的重要组成部分，它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为血氧饱和度(即SpO2)。

血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数，它是显示我们人体各组织是否健康的一个重要生理参数。严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。

 

在肺部，氧气附着在受红细胞约束的蛋白质上，称为血色素（符号Hb），血液中的血色素有两种形态：氧合血红蛋白(HbO2)和还原血红蛋白(Hb)，则

 

血氧饱和度SpO2= (HbO2x100)/( HbO2+Hb)x100%

 

血氧仪的测试原理是：氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性，还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线；而氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。这个区别是SpO2测量系统的最基本依据。

 

为测量人体对红光和红外光线的吸收。红色和红外线发光二极管位置相互靠得尽可能近，发射的光线可透过人体内的单组织点。先由响应红色和红外光线的单个光电二极管 接收光线，然后由互阻放大器产生正比于接收光强的电压。红色和红外LED通常采用时间复用的方式，因此相互间不会干扰。环境光线经估计将从每个红色和红外光线中扣除。测量点包括手指、脚趾和耳垂。

 

脉搏血氧仪提供了以无创方式测量血氧饱和度或动脉血红蛋白饱和度的方法。脉搏血氧仪的工作原理基于动脉搏动期间光吸收量的变化。分别位于可见红光光谱(660纳米)和红外光谱(940纳米)的两个光源交替照射被测试区(一般为指尖或耳垂)。在这些脉动期间所吸收的光量与血液中的氧含量有关。微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。

 

典型的血氧仪传感器有一对LED，它们通过病人身体的半透明部位(通常是指尖或耳垂)正对着一个光电二极管。其中一个LED是红光的，波长为660nm；另一个是红外线的，波长是940nm。血氧的百分比是根据测量这两个具有不同吸收率的波长的光通过身体后计算出的。

 

 

图1：基于ADI的ADuC7024的血氧仪电路框图。

 

上图给出了基于ADI的ADuC7024的血氧仪电路框图。ADuC7024血氧仪芯片。这个精密模拟微控制器的微控制器内核是ARM7TDMI，片内集成有8KB的SRAM和62KB非易失性flash/EE存储器。ADuC7024在单芯片内集成了一个MSPS、12位、多通道高性能ADC的数据采集系统、16位/32位MCU和Flash/EE存储器。ADC具有多达12个单端输入通道，另外还有4个ADC输入通道也可以和4个DAC的输出引脚复用。ADC可以工作在单端模式或差分输入模式下，其输入电压为0 V至VREF。低漂移带隙基准电压源、温度传感器和电压比较器完善了ADC外设设置。

 

这个方案具有低成本、小尺寸、具有出色的低灌注和自发抗干扰性能，以及高灵活性的。这个血氧仪芯片和一些模拟器件的成本要低于完整血氧仪OEM模块的成本。可以通过固件的定制满足用户应用需求，通过改变固件可以处理任何类型的通信、显示和操作接口，还可以改变血氧仪算法的参数来满足特殊应用需求，如睡眠研究、家庭遥测等。该解决方案是单颗芯片，只需很少量的前端调节电路，因此整个设备体积会非常小。

 

下图是ADI SpO2 演示系统。

 

 

图2：ADI SpO2 演示系统。