低成本、小尺寸的脈搏血氧儀方案設(shè)計(jì)

血紅蛋白是血細(xì)胞的重要組成部分，它負(fù)責(zé)將氧氣從肺部輸送到身體的其它組織。血紅蛋白在任一時(shí)刻所含的氧氣量被稱為血氧飽和度(即SpO2)。

血氧飽和度是反映人體呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理參數(shù)，它是顯示我們?nèi)梭w各組織是否健康的一個(gè)重要生理參數(shù)。嚴(yán)重缺氧會(huì)直接導(dǎo)窒息、休克、死亡等悲劇的發(fā)生。

在肺部，氧氣附著在受紅細(xì)胞約束的蛋白質(zhì)上，稱為血色素（符號(hào)Hb），血液中的血色素有兩種形態(tài)：氧合血紅蛋白(HbO2)和還原血紅蛋白(Hb)，則

血氧飽和度SpO2= (HbO2x100)/( HbO2+Hb)x100%

血氧儀的測(cè)試原理是：氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在可見光和接近紅外線的頻譜范圍內(nèi)具有不同的吸收特性，還原血紅蛋白吸收較多的紅色頻率光線，吸收較少的紅外頻率光線；而氧合血紅蛋白吸收較少的紅色頻率光線，吸收較多的紅外頻率光線。這個(gè)區(qū)別是SpO2測(cè)量系統(tǒng)的最基本依據(jù)。

為測(cè)量人體對(duì)紅光和紅外光線的吸收。紅色和紅外線發(fā)光二極管位置相互靠得盡可能近，發(fā)射的光線可透過人體內(nèi)的單組織點(diǎn)。先由響應(yīng)紅色和紅外光線的單個(gè)光電二極管 接收光線，然后由互阻放大器產(chǎn)生正比于接收光強(qiáng)的電壓。紅色和紅外LED通常采用時(shí)間復(fù)用的方式，因此相互間不會(huì)干擾。環(huán)境光線經(jīng)估計(jì)將從每個(gè)紅色和紅外光線中扣除。測(cè)量點(diǎn)包括手指、腳趾和耳垂。

脈搏血氧儀提供了以無創(chuàng)方式測(cè)量血氧飽和度或動(dòng)脈血紅蛋白飽和度的方法。脈搏血氧儀的工作原理基于動(dòng)脈搏動(dòng)期間光吸收量的變化。分別位于可見紅光光譜(660納米)和紅外光譜(940納米)的兩個(gè)光源交替照射被測(cè)試區(qū)(一般為指尖或耳垂)。在這些脈動(dòng)期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關(guān)。微處理器計(jì)算所吸收的這兩種光譜的比率，并將結(jié)果與存在存儲(chǔ)器里的飽和度數(shù)值表進(jìn)行比較，從而得出血氧飽和度。

典型的血氧儀傳感器有一對(duì)LED，它們通過病人身體的半透明部位(通常是指尖或耳垂)正對(duì)著一個(gè)光電二極管。其中一個(gè)LED是紅光的，波長(zhǎng)為660nm；另一個(gè)是紅外線的，波長(zhǎng)是940nm。血氧的百分比是根據(jù)測(cè)量這兩個(gè)具有不同吸收率的波長(zhǎng)的光通過身體后計(jì)算出的。

圖1：基于ADI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。

上圖給出了基于ADI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。ADuC7024血氧儀芯片。這個(gè)精密模擬微控制器的微控制器內(nèi)核是ARM7TDMI，片內(nèi)集成有8KB的SRAM和62KB非易失性flash/EE存儲(chǔ)器。ADuC7024在單芯片內(nèi)集成了一個(gè)MSPS、12位、多通道高性能ADC的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、16位/32位MCU和Flash/EE存儲(chǔ)器。ADC具有多達(dá)12個(gè)單端輸入通道，另外還有4個(gè)ADC輸入通道也可以和4個(gè)DAC的輸出引腳復(fù)用。ADC可以工作在單端模式或差分輸入模式下，其輸入電壓為0 V至VREF。低漂移帶隙基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC外設(shè)設(shè)置。

這個(gè)方案具有低成本、小尺寸、具有出色的低灌注和自發(fā)抗干擾性能，以及高靈活性的。這個(gè)血氧儀芯片和一些模擬器件的成本要低于完整血氧儀OEM模塊的成本。可以通過固件的定制滿足用戶應(yīng)用需求，通過改變固件可以處理任何類型的通信、顯示和操作接口，還可以改變血氧儀算法的參數(shù)來滿足特殊應(yīng)用需求，如睡眠研究、家庭遙測(cè)等。該解決方案是單顆芯片，只需很少量的前端調(diào)節(jié)電路，因此整個(gè)設(shè)備體積會(huì)非常小。

下圖是ADI SpO2 演示系統(tǒng)。

圖2：ADI SpO2 演示系統(tǒng)。

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