脈搏血氧儀原理

脈搏血氧儀原理今日主要向大家介紹脈搏血氧儀，一個(gè)是介紹脈搏血氧儀的工作原理；此外，面對(duì)在精準(zhǔn)丈量時(shí)候的挑戰(zhàn)，也包含器件選型，最后我們會(huì)有幾張圖片介紹ADI的參照設(shè)計(jì)。做過監(jiān)護(hù)血氧儀、指甲式血氧儀都清楚，監(jiān)護(hù)儀里面是帶有血氧的模塊，還有比較小的指甲式的，就是傾向于家用、個(gè)人用的，模式是不相同的。什么是脈搏血氧儀第一講一下氧氣，大家知道人需要氧氣活著，氧氣怎么樣讓人活下去氧氣在血液中間的紅細(xì)胞，由紅細(xì)胞經(jīng)過動(dòng)脈奉養(yǎng)給毛細(xì)血管。脈搏血氧儀丈量的關(guān)于是血氧的飽和度，我們用SpO2，SpO2丈量怎么出來是代表實(shí)質(zhì)含氧量與全氧飽和度的比值。方才有介紹氧氣怎么樣傳達(dá)到人體各個(gè)器官、毛細(xì)血管，里面就是靠紅細(xì)胞，紅細(xì)胞其實(shí)很小，特別、特別小，我們這里列了尺寸，是6-8微米的直徑，厚度是2微米，每個(gè)細(xì)胞的壽命是100-120天，會(huì)回收重生。這些細(xì)胞是骨髓產(chǎn)生的，因此每個(gè)細(xì)胞需要7天的時(shí)間才能產(chǎn)生，跟電子不是直接相關(guān)，但假如不認(rèn)識(shí)的話講一講仍是有點(diǎn)意思。成人的體內(nèi)細(xì)胞產(chǎn)生是每秒鐘400萬個(gè)，我們由荷爾蒙EPO刺激產(chǎn)生的，運(yùn)動(dòng)員會(huì)注射這些激素，紅細(xì)胞越多攜帶氧氣的能力越強(qiáng)，比賽的過程中間對(duì)沒有注射的來講是不公正的，因此在體育激素里面的故事會(huì)聽到。每個(gè)成人有20-30萬億紅細(xì)胞，男人比女人多20%。主要功能是氧氣從肺里面送到人體的器官，保證各個(gè)器官的工作，每個(gè)紅細(xì)胞在體內(nèi)的循環(huán)從肺出去而后再回來，大體需要20秒的時(shí)間。什么是脈搏血氧儀在這個(gè)里面我們第一要認(rèn)識(shí)一下HbO2的定義。在肺里面，紅細(xì)胞是這樣的，自己附著血紅蛋白，符號(hào)是Hb，一種是氧合血紅蛋白，就是HbO2，還有復(fù)原血紅蛋白，從動(dòng)脈經(jīng)過毛細(xì)血管回到頸脈的時(shí)候，氧分子零落了。這是我紅細(xì)胞，附加血紅蛋白，里面包含四個(gè)氧分子，是飽和的血紅蛋白分子。血氧的飽和度，典型值是健康人，這個(gè)值90%-100%比較正常，但好多狀況下跌到60%，這取決于好多要素，此中最重要的要素是病人身體的供血能力比較差，HbO2的讀值會(huì)降落。丈量的原理，我們拿了最簡單的例子，這也是最往常的狀況，世界上大部分的血氧儀都是靠這樣的原理來做的，不過經(jīng)過紅光和紅外光，兩個(gè)波長值最常有，藍(lán)色的箭頭就是指這條線，復(fù)原血紅蛋白，也就是說血紅蛋白不帶氧分子的時(shí)候，對(duì)紅光的汲取比較長，縱軸越高汲取強(qiáng)度越強(qiáng)。而紅外光的汲取長度比較弱，這是波長，因此橫軸是波長，縱軸是汲取長度。反過來看，我們除了說復(fù)原血紅蛋白以外，還有氧合血紅蛋白，這是紅色箭頭指的，就是帶有血紅蛋白的，帶有氧分子的，對(duì)紅光的汲取比較弱，對(duì)紅外光的汲取比較強(qiáng)，我們說紅光是660納米，紅外光是610納米，用在血氧丈量中間。復(fù)原血紅蛋白和氧合血紅蛋白，對(duì)不同光的差別，差就是丈量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。這邊重申一下，最常有的就是兩個(gè)波長，實(shí)質(zhì)上要做到更高的精度，除了兩個(gè)波長以外還要增添，甚至高達(dá)主要的原由是人體血紅蛋白除了復(fù)原血紅蛋白和氧合血紅蛋白以外，還有其余的血紅蛋白，我們常常有的是碳氧血紅蛋白，更多的波長有益于你做的精度更好。8波長已經(jīng)在世界上有好多的產(chǎn)品，自然是偏高端的。

8個(gè)波長，最基本丈量的原理以下，這是一個(gè)手指頭，血氧的含量，飽和度的丈量在手指丈量是最多的，也能夠在腳趾、耳朵，這是最常有的丈量血氧的地方。原理就是用紅光和紅外光發(fā)射，這兩個(gè)要特別快要，保證他們在手指基本上特別靠近的地點(diǎn)，能夠保證檢測的正確度。這本身對(duì)傳感器技術(shù)，LED也是挑戰(zhàn)。紅光和紅外光是分動(dòng)工作的，當(dāng)紅光工作的時(shí)候，紅外光是封閉的，當(dāng)光二極管是同一個(gè)，能夠保證紅光和紅外光之間的工作特別擾亂，方才講距離要特別近，保證在同一個(gè)身體組織構(gòu)造里面獲得的信息。這里講丈量點(diǎn)主要包含手指、腳趾和耳垂，我們講是工作模式，發(fā)光體在這邊，光電變換是此外一邊，是穿透的。設(shè)計(jì)模式的時(shí)候不但對(duì)傳感器，對(duì)模式的挑戰(zhàn)更大。方才講到毛細(xì)血管，這是動(dòng)脈，這是靜脈回流，方才不過把電路傳感器的工作和血液放在一同，因此你血流的時(shí)候，為何叫能量因?yàn)閜ower，當(dāng)你有脈動(dòng)的時(shí)候，走過毛細(xì)血管的時(shí)候把氧分子丟掉了，回到這邊是復(fù)原的血紅蛋白。因此檢測的時(shí)候，紅光和紅外光都是一個(gè)光，一方面會(huì)遇到組織構(gòu)造的衰減，還有遇到靜脈血的衰減，還有動(dòng)脈的衰減，動(dòng)脈有兩個(gè)部分，一部分是存量的，老是在里面的，因?yàn)樾呐K的脈動(dòng)，有一部分脈動(dòng)的血紅蛋白，血紅蛋白會(huì)增添。把人體的血構(gòu)造和傳感器放在一同，我們看它們是怎么工作的。因?yàn)榫有奶脑?，就是脈動(dòng)了，經(jīng)過手指傳遞的光強(qiáng)會(huì)不停的增大，我們說體積描繪器，我方才講了算法，就是組織構(gòu)造，手指頭的肉、骨頭、皮膚都會(huì)它造成汲取，靜脈血會(huì)對(duì)它造成汲取，動(dòng)脈也會(huì)造成汲取，但動(dòng)脈里面分為存量和脈動(dòng)式的，假如丈量出來的數(shù)據(jù)是這樣的圖，全部體積描繪器。我方才主要介紹了對(duì)血氧丈量的基來源理和人體血液怎么攜帶氧原子，給人體供電。下邊講一下

LED和整流二極管的剖析，我們再看后邊的電路設(shè)計(jì)是怎么樣的，怎樣選擇元器件。這張圖比較簡單，這是

LED的工作電壓，這是輸出電流。正常來說需要比較大的電流才能產(chǎn)生比較強(qiáng)的光，

當(dāng)VF比較小的時(shí)候，就是曲線比較陡的時(shí)候效率比較高，

功耗比較低，LED更簡單幫助你實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能量，這不過一個(gè)觀點(diǎn)，選

LED基本的考慮。這里拿了廠家的型號(hào)做的例子，看

LED光的特點(diǎn)。

LED發(fā)射的單射光，用這個(gè)表征LED的特征，這個(gè)型號(hào)在這里，此外一個(gè)型號(hào)比較偏。峰值發(fā)送波長是最正確條件下規(guī)定的，這個(gè)值用作工作點(diǎn)。頻譜半帶寬特別窄，正常的狀況下電流必定要很穩(wěn)，If特別穩(wěn)固，防止發(fā)生波長的偏移，還有溫度比較穩(wěn)固，不然波長相同會(huì)造成很大的偏移。這設(shè)計(jì)中間不但是LED的選擇，還有系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到散熱。方才講到LED，待會(huì)波及到光電二極管，光電二極管不然是零偏值，要么就是負(fù)壓的，要保證很好的TIA，就是跨組放大器，保證能夠切合光電二極管的指標(biāo)，我們后邊會(huì)做一些剖析，來介紹怎么樣選擇TIA，保證光電二極管的指標(biāo)在系統(tǒng)里面獲得表現(xiàn)。這是最常有的互阻放大器的構(gòu)造。這里講一下光電二極管的電流電壓特征，我方才介紹了一般狀況是負(fù)壓的，加負(fù)壓以后P0、P1、P2是不同的光通量的狀況下工作曲線，橫軸是電壓，縱軸是電流，因此在不同的偏值電壓下，工作電流不相同。這里標(biāo)了然P0-P1的負(fù)壓狀況下有電流量的變化，這個(gè)電流量與什么相關(guān)系光通量，一個(gè)是光通量，一個(gè)是光到電的變換率，就能夠計(jì)算出數(shù)字了。這是光電二極管最簡單的原理，我們給了光電二極管的電路模型，這個(gè)模型跟我們在大學(xué)里面學(xué)的像三極管相同，把它打開了，拆成了電阻電流，這里面給好多參數(shù)，IL是入射光產(chǎn)生的電流，ID是暗電流，CJ是結(jié)電容，RSH是并聯(lián)電阻，還有串連電阻、并聯(lián)電阻電流，二極管上的電壓，輸出電流，輸出電壓，我們?yōu)槭裁匆值降刃щ娐纺Ｐ?，就要做后邊的噪聲剖析，讓大家有時(shí)機(jī)剖析噪聲是怎樣貢獻(xiàn)給整個(gè)系統(tǒng)的，哪些噪聲是很重要要考慮的，在選型和設(shè)計(jì)之中。噪聲加上TIA以后，這是光電二極管的等效電路，這是等項(xiàng)電阻和電熔，運(yùn)放自己帶來噪聲，我們把三部分的噪聲多字一些剖析，計(jì)算它對(duì)系統(tǒng)的貢獻(xiàn)，我們就能夠理解哪部分的噪聲要特別當(dāng)心。這里面自然有電壓、電流的噪聲，電壓、電流噪聲對(duì)系統(tǒng)帶來什么共性，我們在圖上邊會(huì)介紹，也能夠哪個(gè)指標(biāo)變?yōu)樘貏e重要。我們列了噪聲計(jì)算的工程，假定運(yùn)放電阻特別大，假定并聯(lián)電阻比串連電阻大好多，一般狀況下都是這樣的。我們分光電二極管的噪聲，光電二極管的噪聲由兩部分構(gòu)成，一個(gè)是散粒噪聲，分紅兩部分，這是光電二極管的噪聲構(gòu)造。這個(gè)公示看起來比較無聊，列在這里做一個(gè)參照。運(yùn)算放大器噪聲由電壓噪聲和電流噪聲構(gòu)成的，噪聲構(gòu)成是能量疊加，因此是平方根，次根波長與爭議都相關(guān)系。最后一個(gè)是反應(yīng)電阻的熱噪聲，反應(yīng)電阻的熱噪聲是4KbTBRF，已經(jīng)列在這里了。這些噪聲由哪些部分構(gòu)成為了保證光電二極管和TIA的優(yōu)秀配合，我們設(shè)了兩個(gè)條件，第一個(gè)條件是噪聲和噪聲比，就是光電二極管和TIA的總噪聲有多大。當(dāng)前是光電二極管的噪聲是，這個(gè)值我們下面用獲得，保證NNR足夠大。我們選擇一些放大器做剖析，放大器的電壓噪聲、電流噪聲，最后包含整個(gè)TIA的噪聲做剖析，你會(huì)看到這是一個(gè)往上走的，越往下電壓噪聲越大，越往上電流噪聲越大。因此光電二極管和NNR對(duì)比愈來愈大，但越大越好。這說明什么電流噪聲的重要性，相對(duì)電壓噪聲在這個(gè)狀況里面，對(duì)噪聲的貢獻(xiàn)更大。我們講光電二極管跟TIA優(yōu)秀配合，選擇一個(gè)好的TIA，第二是信噪比足夠大，你要做計(jì)算，要做我們已經(jīng)計(jì)算了一下輸出電壓的值，，相同是方才的型號(hào)，電壓噪聲、電流噪聲，這里是全部的噪聲，這里是

TIA和輸出電壓的噪聲比較要足夠大，SNR，等效分辨率是16-18位，，我們對(duì)系統(tǒng)計(jì)算是這樣的。我給大家分享一個(gè)方案，這是我們在美國做的設(shè)計(jì)，用的是ADuc7024，MCU有好多廠家，ADI優(yōu)點(diǎn)在模擬里面，我介紹一下對(duì)這個(gè)系統(tǒng)的利處，丈量關(guān)注特別好，放大器和開關(guān)保證背景光被移除，保證檢測的精度。這個(gè)方案我們做了一些剖析，這個(gè)方案帶來什么利處，國內(nèi)好多的血氧儀用OEM的模塊，這類成本特別高。ADI的ADUC是血氧儀的芯片，我們加了血氧儀和Cool在里面，抗擾亂的能力特別行，特別是Low灌輸能夠精準(zhǔn)到什么程度，還有靈巧性能夠客制化。這是一個(gè)芯片，前面加的不多，不過模擬的調(diào)制電路。這是我們給第三方的測試，我們跟同方案的比較，Low灌輸特別低，大家做血氧知道標(biāo)準(zhǔn)是，但數(shù)字越低越好，在病人血氧體征特別弱的狀況下，這個(gè)