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測(cè)量便攜式醫(yī)療和可穿戴設(shè)備的心率和血氧水平

星星科技指導(dǎo)員 ? 來(lái)源:嵌入式計(jì)算設(shè)計(jì) ? 作者:Zhang Feng,Marten S ? 2022-10-26 15:04 ? 次閱讀
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醫(yī)療和健身領(lǐng)域發(fā)生的變化,以及相關(guān)的電子和可穿戴設(shè)備,可以被稱為真正的革命性。當(dāng)今醫(yī)療保健設(shè)備市場(chǎng)的需求多種多樣且具有挑戰(zhàn)性。曾經(jīng)主要用于醫(yī)院的設(shè)備現(xiàn)在用于家庭醫(yī)療應(yīng)用以及健身監(jiān)測(cè)。

測(cè)量心率和血氧水平的能力現(xiàn)在更頻繁地出現(xiàn)在消費(fèi)品中。這些測(cè)量可以使用脈搏血氧儀進(jìn)行,脈搏血氧儀現(xiàn)在既可以作為家庭醫(yī)療設(shè)備,也可以作為集成可穿戴健身活動(dòng)追蹤器的一部分。

什么是血氧儀?

血氧飽和度是血液中氧飽和度的測(cè)量,通常以百分比表示(正常讀數(shù)通常為97%或更高)。脈搏血氧儀是一種非侵入性設(shè)備,用于測(cè)量人體血液的血氧飽和度以及心率。脈搏血氧儀很容易通過(guò)其相關(guān)的夾式探頭識(shí)別,該探頭通常應(yīng)用于患者的手指。

脈搏血氧儀可以是獨(dú)立的設(shè)備,是患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的一部分,也可以集成到可穿戴健身追蹤器中。因此,醫(yī)院的護(hù)士,家中的門診患者,健身房的健身愛好者,甚至非加壓飛機(jī)上的飛行員都使用脈搏血氧儀。

血氧飽和度

血氧飽和度是通過(guò)檢查血紅蛋白來(lái)測(cè)量的,血紅蛋白是紅細(xì)胞的攜氧色素,使它們呈紅色,并用于將氧氣輸送到組織中。血紅蛋白有兩種形式。第一種稱為氧化(氧基)血紅蛋白,表示為HbO2(也稱為“含氧”)。第二種稱為還原氧(脫氧)血紅蛋白,其表示為Hb(“缺氧”)。

血氧飽和度2) 是氧血紅蛋白與脫氧血紅蛋白的比率。這也可以表示為:斷續(xù)器2=血紅蛋白2/(血紅蛋白 + 血紅蛋白2)。

測(cè)量血氧飽和度

關(guān)于血紅蛋白的一個(gè)真正有趣的事情是它如何反射和吸收光。例如,Hb吸收更多(和反射更少)可見的紅光。人球蛋白2吸收更多(和反射更少)的紅外光。由于血氧飽和度可以通過(guò)比較 Hb 和 HbO 的值來(lái)確定2,一種方法是通過(guò)身體部位(例如手指或手腕)照射紅色LED和紅外LED,然后比較它們的相對(duì)強(qiáng)度。有兩種常見的方法可以做到這一點(diǎn):(1)測(cè)量通過(guò)組織透射的光稱為透射血氧儀,以及(2)測(cè)量組織反射的光稱為反射率血氧儀。

透射式脈搏血氧儀的一個(gè)例子是在醫(yī)院中發(fā)現(xiàn)的。通常,大多數(shù)醫(yī)院患者監(jiān)測(cè)系統(tǒng)都有一個(gè)集成的透射式脈搏血氧儀。另一方面,許多較新的高端可穿戴健身設(shè)備采用反射率-脈搏-血氧飽和度法。

測(cè)量脈率

當(dāng)你的心臟跳動(dòng)時(shí),它會(huì)將血液泵入你的身體。在每次心跳期間,血液被擠壓到毛細(xì)血管中,毛細(xì)血管的體積會(huì)略微增加。在檢測(cè)信號(hào)之間,音量減小。體積的這種變化會(huì)影響將通過(guò)組織透射的光量,例如紅光或紅外光的量。雖然這種波動(dòng)非常小,但它可以通過(guò)脈搏血氧儀使用與測(cè)量血氧飽和度相同的設(shè)置類型進(jìn)行測(cè)量。

血氧儀的解剖結(jié)構(gòu)

典型的脈搏血氧儀監(jiān)測(cè) SpO2基于紅光(使用600-750nm波長(zhǎng))和紅外光(使用850-1000nm波長(zhǎng))HbO吸收特性的人的血液2和血紅蛋白。這種類型的脈搏血氧儀將紅光和紅外光交替閃爍,通過(guò)身體部位(如手指)到光電二極管傳感器。

光電二極管通常用于接收來(lái)自每個(gè)LED的非吸收光。然后使用反相運(yùn)算放大器或運(yùn)算放大器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行反相。產(chǎn)生的信號(hào)表示手指吸收的光(圖2)。

圖 2:由示波器捕獲的實(shí)時(shí)紅色和紅外 (IR) 脈動(dòng)信號(hào)。

22

測(cè)量紅色和紅外信號(hào)的脈沖幅度(Vpp)并將其轉(zhuǎn)換為Vrms,以產(chǎn)生比率值:比率=(Red_AC_Vrms/Red_DC)/(IR_AC_Vrms/IR_DC)。

斯波2可以使用比率值和由經(jīng)驗(yàn)公式組成的查找表來(lái)確定。脈沖速率可以根據(jù)脈搏血氧儀的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC)樣本數(shù)和采樣率來(lái)計(jì)算。

查找臺(tái)是脈搏血氧儀的重要組成部分。查找表特定于特定的血氧儀設(shè)計(jì),通?;谛?zhǔn)曲線,這些曲線來(lái)自具有各種SpO的受試者的大量測(cè)量結(jié)果等。2水平。圖3顯示了校準(zhǔn)曲線的示例。

圖 3:血氧儀校準(zhǔn)曲線。

23

血氧儀電路設(shè)計(jì)

以下示例將詳細(xì)介紹透射式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)的不同部分。該設(shè)計(jì)如圖4所示,演示了脈搏率和血氧飽和度的測(cè)量。

圖 4:透射式脈搏血氧儀系統(tǒng)框圖。

24

探針

斯波2本例中使用的探頭是一個(gè)現(xiàn)成的指夾,集成了一個(gè)紅色LED和一個(gè)紅外LED,以及一個(gè)光電二極管。指示燈由 LED 驅(qū)動(dòng)器電路控制。

通過(guò)手指的紅光和紅外光由信號(hào)調(diào)理電路檢測(cè),然后饋入集成在數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)中的12位ADC模塊中,其中SpO的百分比2已計(jì)算。

發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)電路

雙通道單刀雙擲模擬開關(guān)由來(lái)自 DSC 的兩個(gè) PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng),可交替打開和關(guān)閉紅色和紅外 LED。為了獲得適當(dāng)數(shù)量的ADC樣本,并且在下一個(gè)LED導(dǎo)通之前仍然有足夠的時(shí)間處理數(shù)據(jù),LED根據(jù)圖5中的時(shí)序圖打開和關(guān)閉。

圖 5:血氧儀計(jì)時(shí)圖。

25

LED 電流/強(qiáng)度由 12 位數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC) 控制,該轉(zhuǎn)換器由 DSC 驅(qū)動(dòng)。

模擬信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路分為兩個(gè)階段。第一級(jí)是跨阻放大器,第二級(jí)是增益放大器。高通濾波器放置在兩級(jí)之間。

跨阻放大器將光電二極管產(chǎn)生的幾微安電流轉(zhuǎn)換為幾毫伏(mV)。然后,從該第一級(jí)放大器接收到的信號(hào)通過(guò)高通濾波器,該濾波器旨在減少背景光干擾。

然后,高通濾波器的輸出被發(fā)送到增益為22、直流失調(diào)電壓為220 mV的第二級(jí)放大器。放大器的增益和直流失調(diào)值被設(shè)置好,以便將增益放大器的輸出信號(hào)電平正確置于MCU的ADC范圍內(nèi)。

數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)

模擬信號(hào)調(diào)理電路的輸出連接到DSC的集成12位ADC模塊。此示例利用了微芯片技術(shù)DSPIC DSC。本設(shè)計(jì)中使用的 dsPIC33FJ128GP802 使開發(fā)人員能夠利用其集成的 DSP 功能和微芯片的數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具。

在每個(gè) LED 的導(dǎo)通時(shí)間段內(nèi)采集一個(gè) ADC 樣本,在兩個(gè) LED 的關(guān)斷時(shí)間段內(nèi)采集一個(gè) ADC 樣本。由于通過(guò)有機(jī)組織進(jìn)行基于光的測(cè)量具有挑戰(zhàn)性,濾波器設(shè)計(jì)工具用于實(shí)現(xiàn)513階數(shù)字FIR帶通濾波器,從而實(shí)現(xiàn)ADC數(shù)據(jù)的濾波。然后使用該濾波數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算脈沖幅度(圖6)。

該FIR帶通濾波器的規(guī)格是:

· 采樣頻率(赫茲): 500

· 通帶紋波:0.1

· 通帶頻率 (Hz):1 和 5

· 阻帶紋波(-分貝): 50

· 阻帶頻率 (Hz): 0.05 和 25

· 過(guò)濾長(zhǎng)度:513

· 遠(yuǎn)紅外窗口:凱撒

圖 6:輸入和篩選的數(shù)據(jù)。圖1(紅色)是FIR濾波器的輸入信號(hào)。圖2(綠色)是FIR濾波器的輸出信號(hào)。X軸顯示ADC樣本的數(shù)量。Y 軸顯示 ADC 代碼值。

26

嵌入式醫(yī)療設(shè)備的增長(zhǎng)。

家庭醫(yī)療和健身市場(chǎng)正在快速增長(zhǎng)。對(duì)能夠測(cè)量心率和血氧水平的設(shè)備的需求在未來(lái)幾年只會(huì)增加。脈搏血氧儀參考設(shè)計(jì)(如本文中描述的參考設(shè)計(jì))對(duì)于為醫(yī)療和健身設(shè)備設(shè)計(jì)人員提供將設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)和上市的良好開端非常有用。

審核編輯:郭婷

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