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如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?

發(fā)布時間:2022-12-28 來源:亞德諾半導(dǎo)體 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】許多身體病狀可能造成低血氧,其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等,因此可能需要在住家或醫(yī)院進(jìn)行持續(xù)或間歇性監(jiān)視。患有低血氧的人可能出現(xiàn)頭昏、感知混淆、呼吸費(fèi)力或急促、以及頭痛等癥狀。


許多身體病狀可能造成低血氧,其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等,因此可能需要在住家或醫(yī)院進(jìn)行持續(xù)或間歇性監(jiān)視。患有低血氧的人可能出現(xiàn)頭昏、感知混淆、呼吸費(fèi)力或急促、以及頭痛等癥狀。


傳統(tǒng)上, SpO2都是在手指或耳朵這些身體末稍部位進(jìn)行測量,通常會用夾具設(shè)備來判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值,來判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環(huán)機(jī)能好壞。健康成年人的血氧飽和度正常值介于95%到100%之間,低于這個區(qū)間的代表低血氧(hypoxemia),便意味著身體無法輸送足夠的氧氣來維持健康器官與感知功能。如果這些量測值低于基準(zhǔn)數(shù)(通常低于92%),病患就需要住進(jìn)急診室。


隱形缺氧推動臨床級便攜血氧儀開發(fā)


隱形缺氧可能在沒有出現(xiàn)任何典型呼吸道癥狀下就對身體造成嚴(yán)重傷害,能夠在病患出現(xiàn)呼吸困難病征之前及時偵測出這類隱伏形態(tài)的缺氧,對于遏止肺炎發(fā)展至危險程度至關(guān)重要。


血氧濃度監(jiān)視是診斷睡眠呼吸中止癥(Sleep Apnea)的重要指標(biāo)。阻塞性睡眠呼吸中止癥會在睡眠期間導(dǎo)致呼吸道部分或完全阻塞,這會導(dǎo)致肺部停止呼吸或一段時間淺呼吸,造成暫時性缺氧。如果長期沒有治療,睡眠呼吸中止癥可能增加心臟病發(fā)、中風(fēng)、以及過度肥胖的機(jī)率。據(jù)估計1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止癥。


隨著病患照護(hù)的趨勢朝向便攜式以及家用監(jiān)視發(fā)展,業(yè)界需要開發(fā)適用的生命體征監(jiān)視設(shè)備,而不會妨礙使用者的日常生活作習(xí)。在血氧濃度方面,針對手指與耳垂以外的部位進(jìn)行監(jiān)視,會衍生許多設(shè)計挑戰(zhàn)。隱形缺氧癥狀的出現(xiàn)便促使業(yè)界開發(fā)更高便攜性的臨床級脈搏式血氧儀。

基于光學(xué)信號分析的脈搏血氧儀


脈搏血氧測定使用紅光(通常為660nm波長)和紅外(IR)LED(通常為940 nm波長)。脫氧血紅蛋白主要吸收660nm波長的光,而氧合血紅蛋白主要吸收940nm波長的光。光電二極管感知未被吸收的光,然后將感知到的信號分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動性動脈血引起的光吸收,交流分量代表搏動性動脈血,可計算SpO2的百分比。


最基本的脈搏式血氧儀包含兩個LED(一個紅光660納米LED以及一個紅外線940納米LED),以及一個光二極管(PD)設(shè)置成反射或透射組態(tài)。脈搏式血氧儀會發(fā)出紅光LED脈沖,并在PD上接收到信號。在紅外線LED上重復(fù)上述程序,最終會歸納出兩個LED在任何外部環(huán)境光源的量測基準(zhǔn)值。這種方法會產(chǎn)生兩種波長的光體積變化描記圖法(PPG)曲線圖。圖片圖片


如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?


如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?

血氧量測儀基礎(chǔ)電路圖


信號中含有直流與交流元素。直流元素是由持續(xù)反射物體造成,像是皮膚、肌肉、骨頭、以及靜脈血液。當(dāng)身體休息時,動作產(chǎn)生的影響就比較小。交流元素主要為動脈血液搏動所反射的光,取決于心律以及動脈血管厚度,在收縮(血泵)時反射或穿透的光量高于異位(舒張)狀態(tài)。在收縮階段,血液從心臟泵出,進(jìn)而提高動脈血管的血壓。增加的血壓會擴(kuò)張動脈,導(dǎo)致動脈血量增加,增加的血液會造成吸收光量提高。舒張階段血壓下降,吸收光量也隨之減少。下圖顯示心跳造成的舒張以及心縮期高峰。圖片


如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?

經(jīng)過組織的光衰減


借助計算PPG信號的交流與直流數(shù)據(jù),我們能推算動脈血液中吸收光的變化,它是由心臟泵出血液造成,沒有其他組織造成的影響。要開發(fā)高精準(zhǔn)度血氧濃度算法,對量測系統(tǒng)進(jìn)行校正是必要的動作。要校正血氧濃度系統(tǒng),必須完成一項研究,由醫(yī)療專業(yè)人員針對病患血氧值透過醫(yī)療方法進(jìn)行降低、監(jiān)視以及觀察,這種程序稱為缺氧研究。


SpO2測量系統(tǒng)的精準(zhǔn)度可能僅能作為參考點(diǎn),參考選項包括醫(yī)療級指夾式脈搏血氧計,以及黃金標(biāo)準(zhǔn)的CO血氧計。CO血氧計屬于侵入式量測法,測得的血氧飽和度有極高的精準(zhǔn)度,但大多數(shù)狀況下量測并不便利。


如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?

ADI 體征信號監(jiān)測手表V4、隔板、以及LED PD數(shù)組


以ADPD144RI與ADPD1080實現(xiàn)手指與耳垂血氧監(jiān)測


手指與耳垂SpO2讀數(shù)是最容易的設(shè)計,因為信號噪聲高于手腕與胸部位置,兩處的骨頭與組織較少,進(jìn)而減少直流元素的影響。基礎(chǔ)測量方法是光學(xué)性的,測量使用來自最多三個LED的短脈沖信號。LED電流最高可達(dá)370mA,最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長根據(jù)測量位置和測量方法來選擇。手腕上只能測量表面動脈,故而選擇綠光,耳朵則不同,可以使用紅外光,從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管(其探測面積與其響應(yīng)度直接相關(guān))用于測量反射光。因此,它會同時測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR,它用作信號濾波器,將檢測到的電流轉(zhuǎn)換為電壓,進(jìn)而轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。除反射測量外,算法還包括用于通過加速度計濾除運(yùn)動偽像的校正。


針對這類應(yīng)用, ADPD144RI模塊與ADPD1080是適合的組件產(chǎn)品。ADPD144RI是一款高度集成的光度學(xué)前端,它已進(jìn)行優(yōu)化,可通過同步檢測紅光和紅外線波長,對血氧飽和度進(jìn)行光學(xué)體積描記法 (PPG) 檢測。同步測量能以極低的功耗消除直流和交流環(huán)境光干擾。


該模塊將高效的LED發(fā)射器和靈敏的4通道深擴(kuò)散光電二極管(PD1 至 PD4)與自定義ASIC組合在一個緊湊封裝中,并在集成LED發(fā)射器和檢測光電二極管之間提供光學(xué)隔離,以提高穿透組織的信噪比。ADPD144RI包含一個4通道模擬前端 (AFE)(具有兩個可獨(dú)立配置的數(shù)據(jù)路徑,各有單獨(dú)的增益和濾波器設(shè)置)、一個具有脈沖蓄能器的14位ADC、兩個可獨(dú)立配置的靈活LED驅(qū)動器和一個數(shù)字控制塊。該數(shù)字控制塊提供AFE和LED時序、信號處理和通信。數(shù)據(jù)輸出和功能配置均通過1.8V I2C接口進(jìn)行。


ADPD1080是一款整合式光學(xué)模擬前端組件,擁有3個LED驅(qū)動信道以及2個PD電流輸入通道,提供17-ball的2.5mm×1.4mm WLLCSP封裝。這款模擬前端組件適合進(jìn)行客制化設(shè)計,開發(fā)機(jī)種空間有限的低信道數(shù)PPG產(chǎn)品。


基于ADPD4100的便攜多生命體征參數(shù)監(jiān)測


脈搏血氧儀的測量使用位置會衍生許多挑戰(zhàn),腕帶式SpO2設(shè)備則會衍生額外的設(shè)計挑戰(zhàn),因為目標(biāo)交流信號僅是PD總接收光的1%到2%。為達(dá)到醫(yī)療級認(rèn)證以及分辨氧合血紅素的微幅變化,需要更高動態(tài)范圍的交流信號。要達(dá)成這個目標(biāo),可降低環(huán)境光干擾以及減少LED驅(qū)動器與AFE噪聲。ADI 為解決這項問題開發(fā)出ADPD4100。


ADPD4100與ADPD4101可達(dá)到100 dB信號噪聲。對于低灌流狀態(tài)下測量SpO2,提高動態(tài)范圍非常重要。這款整合式光學(xué)模擬前端組件有8個板載低噪聲電流源,以及8個分立PD輸出端。數(shù)字時序控制器有12個可編程時序插槽,讓使用者能定義各種PD與LED程序,搭配特定LED電流、模擬與數(shù)字濾波、整合式選項以及時序限制。


ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴評估套件以及ADI生命體征監(jiān)視研究手表提供支持。這款硬件能無縫鏈接到ADI Wavetool程序,執(zhí)行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波長PPG量測,協(xié)助SpO2產(chǎn)品研發(fā)。研究手表為ADPD4100內(nèi)嵌自動增益控制(AGC)算法,能調(diào)節(jié)TIA增益與LED電流,為所有選用的LED波長提供最合適的交流信號動態(tài)范圍。


如何設(shè)計更優(yōu)質(zhì)的脈搏血氧儀?

光學(xué)模擬前端方案ADPD410X 模塊圖


本文小結(jié)


隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)和5G等通信技術(shù)的創(chuàng)新突破,數(shù)字醫(yī)療也得到了廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。生命體征監(jiān)測(VSM)功能已越來越多地內(nèi)置于手機(jī)、手表、耳機(jī)和其他智能可穿戴設(shè)備中,這些設(shè)備能夠測量各種生命體征和健康指標(biāo),例如體溫、心率、呼吸、血氧飽和度、血壓和身體成分等,同時由于優(yōu)秀的功耗控制以及便攜的使用體驗,對身體進(jìn)行24小時連續(xù)監(jiān)測已成為可能。最近幾年,血氧飽和度檢測功能開始大規(guī)模出現(xiàn)在智能可穿戴設(shè)備上,不斷優(yōu)化算法,提高血氧飽和度檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,并以像智能手表、手環(huán)那樣全天候佩戴與監(jiān)測,正在為人類的健康提供隨時隨地的生命安全護(hù)航。


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