如何設計更好的脈搏血氧儀

抽象的 

設計更方便、耗電更少的醫療設備比以往任何時候都更加重要。本文介紹了 SpO 2測量的基礎知識，並展示了新一代光學模擬前端 (AFE) 如何幫助創建更好的血氧計。新設備可以降低設計複雜性、減輕機械設計負擔並降低功耗。 

介紹 

傳統上，外圍血氧飽和度 (SpO 2 ) 是在手指或耳朵的身體外圍進行的測量，最常見的是使用夾子裝置來確定氧飽和血紅蛋白與總血紅蛋白的比率。該測量值用於判斷紅細胞將氧氣從肺部輸送到身體其他部位的能力。健康成人的正常 SpO 2水平從 95% 到 100% 不等。低於此範圍的水平表明稱為低氧血症的情況。這意味著身體沒有輸送足夠的氧氣來維持健康的器官和認知功能。 

患有低氧血症的人可能會出現頭暈、精神錯亂、呼吸急促和頭痛。幾種醫療狀況可能導致血液氧合不良，可能需要在家中或臨床環境中進行連續或間歇性監測。 

SpO 2是臨床環境中記錄的最常見的生命體徵之一。一些需要持續監測 SpO 2的疾病包括哮喘、心髒病、COPD、肺病、肺炎和 COVID-19 造成的缺氧。 

確定有症狀的 COVID-19 患者是否需要住院的方法之一是監測他們的 SpO 2水平。如果這些水平低於基線數字（通常低於 92%），則需要將其送入急診室。 

COVID-19 與缺氧之間的最新聯繫 

最近，COVID-19 患者被診斷出患有一種特別隱匿的疾病，稱為無聲缺氧（快樂缺氧）。在出現任何典型的 COVID-19 呼吸道症狀（如呼吸急促）之前，無聲缺氧會對身體造成嚴重損害。美國國家生物技術信息中心網站1上的一篇文章指出，“在 COVID-19 患者開始出現呼吸急促之前檢測出這種無聲的缺氧形式的能力對於防止肺炎發展到危險水平至關重要。” 

SpO 2監測也是診斷睡眠呼吸暫停的關鍵指標。阻塞性睡眠呼吸暫停會導致呼吸道在睡眠期間部分或完全阻塞。這可以通過長時間的呼吸暫停或導致暫時缺氧的淺呼吸期來觀察。如果不及時治療，睡眠呼吸暫停會增加心臟病發作、中風和肥胖的可能性。據估計，睡眠呼吸暫停影響總成年人口的 1% 至 6%。 

現在和未來迫切需要更好的脈搏血氧儀 

隨著患者護理趨向於動態和家庭監測，需要開發不會妨礙用戶完成日常任務的生命體徵監測設備。在 SpO 2的情況下，手指和耳朵以外的監測區域將面臨許多設計挑戰。最近出現的無聲缺氧使得開發更便攜的臨床級脈搏血氧儀裝置的理由更加引人注目。 

本文將解釋SpO 2測量的一些基本原理，並介紹 ADI 最新一代光學 AFE、ADPD4100 和ADPD4101，它們可降低醫療級SpO 2設備的設計複雜性。內置高性能自動環境光抑制功能減輕了機械和電子設計的負擔。ADPD4100 的高動態範圍以較低的功耗減少了設計中光電二極管或 LED 電流的數量，以確定患者 SpO 2的輕微變化有效水平。最後，數字積分器選項允許用戶進入極其高效的功耗模式，通過禁用光信號路徑中的模擬模組來延長便攜式 PPG 解決方案的運行時間。 

什麼是血氧飽和度？ 

血氧飽和度是血液中氧飽和血紅蛋白相對於總可用血紅蛋白的百分比。測量血氧飽和度的標準是心房血氧飽和度測量值 SaO 2。然而，這種方法需要對血液樣本進行基於實驗室的血氣分析。校準部分對此進行了更深入的介紹。 

SpO 2是使用脈搏血氧計在身體外圍測量的氧飽和度水平的估計值。直到最近，測量氧飽和度最常用的方法是使用放置在手指上的脈搏血氧儀。 

脈搏血氧儀如何工作？ 

脈搏血氧儀的工作原理是氧合血紅蛋白 (HbO 2 ) 和脫氧血紅蛋白 (RHb) 中的光吸收在特定光波長下顯著不同。圖 1 顯示了 HbO 2、Hb 和高鐵血紅蛋白 (MetHb) 在可見光和紅外光譜中的消光係數。消光係數是一種化學物質在給定波長下吸收光的強度的量度。從圖1可以看出，HbO 2吸收更多的紅光（600 nm），允許更多的紅外光（940 nm）通過。RHb 吸收更多紅外波長的光，與 HbO 2相比，它允許更多的紅光通過。 

最基本的脈搏血氧儀由反射或透射配置的兩個 LED（一個紅色 660 nm LED 和一個紅外 (IR) 940 nm LED）和一個光電二極管 (PD) 組成（參見圖 4）。脈搏血氧儀將脈衝紅色 LED 並測量 PD 上產生的信號。對 IR LED 重複此操作，最後關閉兩個 LED 以獲得任何環境外部光源的基線。這會為兩個波長生成一個光電容積脈搏波 (PPG) 信號。 

圖 1. 光通過血紅蛋白的消光因子。 

圖 2. 基本脈搏血氧儀電路。 

信號包含直流和交流分量。直流分量是由於皮膚、肌肉和骨骼以及靜脈血等不斷反射的物質造成的。當身體處於靜止狀態且運動不太重要時，交流分量主要包括來自動脈血脈動的反射光。AC 分量取決於心率和動脈厚度，收縮期（泵）的反射或透射光多於異位（鬆弛）。在收縮期，血液從心臟泵出，這會增加心房血壓。血壓升高會使動脈擴張並導致心房血容量增加。血液中的這種增加導致光吸收的增加。舒張期血壓下降，因此光的吸收也下降。 

Beer-Lambert 定律解釋了光在穿過吸收性材料時呈指數衰減。這可用於確定含氧血紅蛋白與總血紅蛋白的水平。 

舒張期和收縮期吸收的光強度與以下因素有關： 

其中 α 測量心房血液中光的吸收率，d2 是 PPG 信號的交流幅度（見圖 3）。I diastole等於標記為 d1 的 DC 分量。 

圖 3. 通過組織的光衰減。 

通過從 PPG 信號計算 AC 和 DC，我們能夠確定心房血液中的光吸收變化 -α.d2 是由心臟泵血引起的，而其他組織沒有影響。 

交流分量與直流分量的比值稱為灌注指數，它是脈動血流與非脈動靜態血流的比值。基於 PPG 的心率或 SpO 2測量系統的目標是增加 AC 與 DC 信號比。 

PI = 交流/直流 

紅外和紅色波長的灌注指數可用於計算比值比 (RoR)，即 PI red與 PL ir的比值。由於給定波長的光的吸收與 

理論上，RoR可以代入以下公式計算SpO 2： 

其中： E HbO2,red = HbO 2在 600 nm 的消光係數，E HbO2,ired = HbO 2在 940 nm的消光係數 

E RHb,ired = RHb 在 940 nm 的消光係數，E RHb,red = RHb 在 600 nm 的消光係數 

但是，不能直接使用 Beer-Lambert 定律，因為每個光學設計中都有許多可變因素會導致 RoR 與 SpO 2關係的變化。其中包括機械擋板設計、LED 到 PD 間距、電子和機械環境光抑制、PD 增益誤差等等。 

要從基於 PPG 的 SpO 2脈搏血氧儀獲得臨床等級準確度，必須針對 RoR 和 SpO 2之間的相關性開發查找表或算法。 

校準 

開發高精度 SpO 2算法需要校準測量系統。要校準 SpO 2系統，必須完成一項研究，其中參與者的血氧水平在醫學上被降低、監測和由醫療專業人員監督。這被稱為缺氧研究。 

SpO 2測量系統只能與參考一樣準確。參考選項包括醫療級指夾脈搏血氧儀和金標準血氧儀。血氧飽和度計是一種測量血液氧飽和度的侵入性方法，可產生高精度，但在大多數情況下不便於管理。 

校準過程用於生成從光學 SpO 2設備計算的 RoR 值與血氧計 SaO 2測量值的最佳擬合曲線。該曲線用於生成用於計算 SpO 2的查找表或方程。 

所有 SpO 2設計都需要校準，因為 RoR 取決於許多變量，例如 LED 波長和強度、PD 響應、身體位置和環境光抑制，這些變量會因每個設計而異。 

增加的灌注指數，反過來，紅色和 IR 波長上的高 AC 動態範圍將增加 RoR 計算的靈敏度，進而返回更準確的 SpO 2測量值。 

在缺氧研究期間，需要記錄 100% 和 70% 血氧飽和度之間等距的 200 次測量值。選擇具有各種膚色的受試者，以及年齡和性別的平等分佈。膚色、年齡和性別的這種變化導致不同的灌注指數是由個體傳播引起的。 

透射式脈搏血氧儀的總體誤差必須≤3.0%，反射式配置的總誤差必須≤3.5%。 

【設計注意事項 】

透射式與反射式 



可以使用透射或反射 LED 和 PD 配置獲得 PPG 信號。透射配置測量通過身體一部分的未被吸收的光。這種配置最適合手指和耳垂等區域，這些區域的測量受益於這些身體位置的毛細血管密度，這使得測量更加穩定、重複，並且對位置變化不太敏感。透射式配置可使灌注指數增加 40 dB 至 60 dB。 

當 PD 和 LED 必須彼此相鄰放置以實現實用性時，例如使用腕戴式或胸戴式設備時，會選擇反射式 PPG 配置。 

圖 4. LED-PD 配置。 

傳感器定位和灌注指數 

手腕和胸部的定位需要 PPG AFE 中更大的動態範圍，因為由於動脈深度低於皮膚、脂肪和骨骼等靜態反射組件，直流信號會大大增加。 

PPG 測量的更高分辨率將降低 SpO 2算法的不確定性。腕戴式 SpO 2傳感器的典型 PI 為 1% 至 2% ，脈搏血氧計設計的目標是通過機械設計增加 PI 或增加動態範圍。 

LED 到 PD 的間距將對 PI 產生重大影響。間距太小會增加 LED 到 PD 的串擾或反向散射。這將顯示為直流信號並使 AFE 飽和。 

增加此間距可降低反向散射和串擾的影響，但也會降低電流互感器比 (CTR)，即 LED 輸出到 PD 返回電流。這將影響 PPG 系統的效率，並需要更大的 LED 功率來最大化 AFE 動態範圍。 

快速脈沖一個或多個 LED 的好處是可以減少 1/f 噪聲對整體信號的影響。為 LED 提供脈衝還可以在接收端使用同步調製來消除環境光干擾。對多個脈衝進行積分會增加 PD 信號幅度並降低平均電流消耗。隨著更多的反射光被捕獲，增加總 PD 面積也會增加 CTR。 

對於心率 PPG 測量，許多 HR 設備製造商已採用單個大 PD 和多個節能綠色 LED 的組合，用於血流受限的地方。之所以選擇綠色 LED，是因為它們對運動偽影的抑制率很高。2然而，這是以電力為代價的。綠色 LED 具有比紅色和 IR 更高的正向電壓，並且在人體組織中具有高吸光度，這意味著需要更高的 LED 功率來返回有意義的心臟信息。 

由於 SpO 2需要多個波長，並且大多數係統仍然為 HR PPG 配備高效綠色 LED，因此 HR 和 SpO 2 PPG 系統最常見的配置是由多個 PD 包圍的單個綠色、紅色和 IR LED 陣列，如上所示圖 5 中的 ADI VSM 手錶。PD 到 LED 的間距已經過優化，以減少反向散射，擋板設計減少了 LED 到 PD 的串擾。 

對 ADI VSM 手錶的多個原型進行了試驗，以驗證我們的 HR PPG 和 SpO 2測量最有效的 PD 到 LED 間距。

圖 5. ADI VSM watch V4、擋板和 LED DP 陣列 

運動偽影 

運動偽影為 PPG 測量系統提供了最大的設計挑戰之一。當存在運動時，動脈和靜脈的寬度會因壓力而改變。光電二極管吸收的光量會發生變化，這會出現在 PPG 信號中，因為光子的吸收或反射與身體靜止時不同。 

對於覆蓋無限長深層組織樣本的無限寬光電二極管區域，所有光子最終都會反射到光電二極管。在這種情況下，不會檢測到由運動引起的偽影。然而，這是無法實現的；解決方案是在考慮電容的同時增加光電二極管面積——降低 AFE 並為運動偽影提供濾波。 

PPG 信號的正常頻率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之間，而運動偽影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之間。不能使用簡單的帶通濾波技術從 PPG 信號中去除運動偽影。為了實現高精度運動消除，需要為自適應濾波器提供高精度運動數據。為此，ADI 公司開發了ADXL362 3 軸加速度計。該加速度計提供 1 m g分辨率和高達 8 g的量程，同時在 100 Hz 時僅消耗 3.6 μW，並採用 3 mm × 3 mm 封裝。 

ADI 解決方案：ADPD4100 

脈搏血氧儀的定位產生了幾個挑戰。腕戴式 SpO 2設備帶來了額外的設計挑戰，因為感興趣的交流信號僅佔 PD 上總接收光的 1% 到 2%。為了獲得醫療級認證並區分氧合血紅蛋白水平的細微變化，需要更高的交流信號動態範圍。這可以通過減少環境光干擾和降低 LED 驅動器和 AFE 噪聲來實現。ADI 已經通過ADPD4100解決了這個問題。 

ADPD4100 和 ADPD41001 可實現高達 100 dB SNR。這種增加的動態範圍對於在低灌注情況下測量 SpO 2至關重要。這種集成的光學 AFE 具有八個板載低噪聲電流源和八個獨立的 PD 輸入。數字時序控制器具有 12 個可編程時序槽，使用戶能夠定義具有特定 LED 電流、模擬和數字濾波、集成選項和時序約束的 PD 和 LED 序列陣列。 

ADPD4100 的一個主要優勢是提高了 SNR/μW，這是電池供電連續監測的一個重要參數。這一關鍵指標已通過增加 AFE 動態範圍同時降低 AFE 電流消耗來解決。ADPD4100 現在擁有僅 30 μW 的總功耗，用於 75 dB、25 Hz 連續 PPG 測量（包括 LED 電源）。增加每個樣本的脈衝數 (n) 將導致 SNR 增加 (√ n )，而增加 LED 驅動電流將使 SNR 成比例增加。對於使用 4 V LED 電源的連續 PPG 測量，1 μW 的總系統消耗將返回 93 dB SNR。 

自動環境光抑制可減輕主機微處理器的負擔，同時實現 60 dB 的光抑制。這是通過使用快至 1 μs 的 LED 脈衝以及帶通濾波器來抑制干擾來實現的。在某些操作模式下，ADPD4100 會自動計算光電二極管暗電流或 LED 關閉狀態。在 ADC 中轉換之前從 LED 開啟狀態中減去該結果，以消除環境光以及光電二極管內的增益誤差和漂移。 

EVAL-ADPD4100-4101 可穿戴評估套件以及ADI 生命體徵監測研究手錶支援ADPD4100 。該硬件無縫連接到 ADI Wavetool 應用程序，以實現用於 SpO 2開發的生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波長 PPG 測量。 

研究手錶中嵌入了 ADPD4100 的自動增益控制 (AGC) 算法，該算法可調節 TIA 增益和 LED 電流，從而為所有選定的 LED 波長提供最佳的交流信號動態範圍。

圖 6. ADPD410X 框圖。

圖 7. ADPD4100 同時進行紅色（右）和 IR（左）PPG 測量。 

替代 ADI 解決方案 

基於手指和耳垂的 SpO 2讀數是最容易設計的，因為由於骨骼和組織減少，信噪比高於基於手腕或胸部的定位，這也降低了直流分量的貢獻。 

對於此類應用，ADPD144RI 模組和ADPD1080 是合適的器件。 

ADPD144RI 是一個完整的模組，在 2.8 mm × 5 mm 封裝中集成了一個紅色 660 nm LED 和 880 nm IR LED 以及四個 PD。LED 和 PD 之間的間距經過優化，可為 SpO 2高精度 PPG 測量提供最佳信噪比。該模組允許用戶快速跳過與 LED 和 PD 佈局和間距相關的設計挑戰，以實現最佳功率噪聲比。ADPD144RI 已在機械上進行了優化，以盡可能減少光學串擾。這提供了一個可靠的解決方案，即使傳感器放置在單個玻璃窗下也是如此。 

ADPD1080 是一款集成光學 AFE，在 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 中具有三個 LED 驅動通道和兩個 PD 電流輸入通道。該 AFE 非常適用於電路板空間至關重要的定制設計低通道數 PPG 產品。 

參考電路 

1田村俊代。“用於健康監測的光體積描記法和 SpO 2的當前進展。” 生物醫學工程快報，2019 年 2 月。 

2 Jihyoung Lee、Kenta Matsumura、Ken-Ichi Yamakoshi、Peter Rolfe、Shinobu Tanaka 和 Takehiro Yamakoshi。“紅綠光和藍光反射光體積描記法在運動過程中監測心率的比較。” 2013 年第 35屆IEEE 醫學與生物學工程學會 (EMBC) 年度國際會議，2013 年 7 月。 

作者 

羅伯特·芬納蒂 

Robert Finnerty 是一名系統應用工程師，在位於愛爾蘭利默里克的 Digital Healthcare Group 工作。他與生命體徵監測小組密切合作，專注於光學和阻抗測量解決方案。Rob 於 2012 年加入 ADI 的精密轉換器部門，專注於低帶寬精密測量。他擁有愛爾蘭戈爾韋國立大學 (NUIG) 的電子和電氣工程 (BEEE) 學士學位。