便携式、可穿戴设备的心率和血氧水平测量技术及设计

例如，在如今的消费类产品中，常常可以见到用于测量心率和血氧水平的设备。脉搏血氧计就可以完成这两项测量，目前这款设备在市面上以两种形式销售，分别是家用医疗设备和腕带式健身活动追踪器的集成部件。

什么是血氧定量法？

血氧定量法测量血氧饱和度，通常以百分比表示。脉搏血氧计是一种非侵入性设备，用于测量人的血氧饱和度和心率。通过设备的夹状探测头（通常夹到患者手指上），很容易对脉搏血氧计进行识别。

脉搏血氧计既可以是独立设备或患者监测系统的组成部分，也可以集成到可穿戴健身追踪器中。相应地，脉搏血氧计的使用者可以是医院的护士、回到家中的门诊病人、健身中心的健身爱好者甚至是低压环境中作业的飞行员。

什么是血氧饱和度？

血氧饱和度通过测量血红蛋白得出，血红蛋白是红细胞中携带氧气的色素，这也是其呈现红色的原因所在。血红蛋白将氧气输送到人体各个组织，具有两种存在形式。第一种叫做氧合血红蛋白，表示为HbO2（即有氧）。另一种叫做去氧血红蛋白，表示为Hb（即无氧）。

因此，血氧饱和度（SpO2）为氧合血红蛋白与去氧血红蛋白之比。也可以表示为：
 
SpO2=HbO2/(Hb + HbO2)

血氧饱和度的值以百分比表示。正常读数通常为97%或更高。

脉搏血氧计如何测量血氧饱和度（SpO2）？

血红蛋白有个有趣之处是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收较多（反射较少）的可见红光。而HbO2可吸收较多（反射较少）的红外光。由于可通过比较Hb和HbO2的值来确定血氧饱和度，因此有一种测量方法就是让红色LED和红外LED光穿过身体的某个部位（如手指或手腕），然后比较这两种光的相对强度。有两种常用方法可以实现这一目的：(1)测量透过组织的光强度的方法叫做透射式血氧定量法，而(2)测量组织反射的光强度的方法叫做反射式血氧定量法（见图1）。

图1：两种血氧定量法

医院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多数医院使用的患者监测系统都集成了透射式脉搏血氧计。不过，许多新研发的高端可穿戴健身设备则采用反射式脉搏血氧定量法。

脉搏血氧计如何测量心率？

心脏搏动时，会将血液泵向全身。每次心脏收缩时，都会将血液挤入毛细血管，使其容积略微增加。心脏舒张时，毛细血管容积会减小。这种容积上的改变会影响透射过组织的光量，如红光和红外光量。尽管这一波动很小，却可以通过脉搏血氧计进行测量，并且只需采用测量血氧饱和度时所用的同类装置即可。

详细工作原理

典型的脉搏血氧计可根据氧合血红蛋白（HbO2）和去氧血红蛋白（Hb）对红光（采用600-750 nm波长）和红外光（采用850-1000 nm波长）的吸收特性来监测人血的血氧饱和度（SpO2）。此类脉搏血氧计会交替发射红光和红外光穿过身体部位（如手指）到达一个光电二极管传感器。

光电二极管通常用于接收来自每个LED的未吸收光线。随后，此信号会通过反向运算放大器（或运放）进行反相。所得到的信号代表被手指吸收的光，如图2所示。

图2：由示波器捕捉的实时红光和红外光（IR）脉动信号

红光和红外光信号的脉冲幅度（Vpp）经测量后转换为Vrms，以通过以下公式计算比率：

比率 = (Red_AC_Vrms/Red_DC)/(IR_AC_Vrms/IR_DC)

SpO2可通过该比值和依据经验设定的查找表来确定。可根据脉搏血氧计的模数转换器（ADC）采样数和采样率计算心率。

查找表是脉搏血氧计的重要组成部分。查找表与具体的血氧计设计相对应，它通常基于大量检测不同SpO2水平的对象所绘制的校准曲线。图3显示了校准曲线的一个示例。

图3：示例校准曲线

电路设计说明

以下示例将详细介绍透射式脉搏血氧计设计的不同部分。如图4所示，该设计展示了心率和血氧饱和度水平的测量过程。

图4：透射式脉搏血氧计系统框图

探测头

本示例中使用的SpO2探测头为一种现成的指夹，其中集成了一个红光LED、一个红外光LED和一个光电二极管。这些LED由LED驱动电路控制。

信号调理电路检测到穿过手指的红光和红外光后，将其馈入集成在数字信号控制器（DSC）中的12位ADC模块，以计算SpO2的百分比。

LED驱动电路

DSC的两个PWM信号驱动一个双通道单刀双掷模拟开关，交替开关红光LED和红外光LED。为获取适量的ADC采样，且在下一次LED亮起前有足够的时间来处理数据，我们按照图5所示的时序图来控制LED的通断。

图5：时序图

LED电流/强度通过由DSC驱动的12位数模转换器（DAC）控制。

模拟信号调理电路

信号调理电路包含两级。第一级为跨阻放大器，第二级为增益放大器。在这两级之间放置一个高通滤波器。

跨阻放大器将光电二极管产生的几微安电流转换为几毫伏电压。第一级放大器接收的信号随后通过一个高通滤波器，以减少背景光干扰。

高通滤波器输出的信号接着送至增益为22且直流偏压为220 mV的第二级放大器。该放大器的增益和直流偏压应设为适当值，以使增益放大器的输出信号电平处于MCU的ADC范围内。

数字滤波器设计

模拟信号调理电路的输出与DSC的集成12位ADC模块相连。对于本示例，我们采用了Microchip Technology的dsPIC® DSC。在该设计中采用dsPIC33FJ128GP802，使我们既可以利用它集成的DSP功能，又能方便地使用Microchip的数字滤波器设计工具。

在每个LED导通期间进行一次ADC采样，在这两种LED的关断期间也进行一次ADC采样。由于直接测量通过机体组织的光量比较困难，因此我们采用滤波器设计工具来实现513阶FIR带通数字滤波器，这样就可以对ADC数据进行滤波。然后，使用经滤波的数据计算脉冲幅度，如图6所示。

FIR带通滤波器的规格如下：

图6：输入和经滤波的数据

显示为红色的曲线图1是FIR滤波器的输入信号
显示为绿色的曲线图2是FIR滤波器的输出信号
X轴表示ADC采样数
Y轴表示ADC代码值

结论

家庭医疗和健身市场正在快速增长。在未来几年内，对于可测量心率和血氧水平的设备的需求必然会上升。脉搏血氧计参考设计（如本文所述）对于医疗和健身设备的设计人员大有裨益，可帮助他们在将设计转化为产品并打入市场方面占尽先机。

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