关于便携式及可穿戴设备的心率和血氧水平测量技术的相关分析研究

医疗和健身领域，以及这些领域的相关电子设备，真可谓是在发生日新月异的变化。当今医疗保健设备市场的需求不仅巨大而多样，且极具挑战性。以往主要在医院使用的设备，现在也被用于家庭医疗和健康监测。

例如，在如今的消费类产品中，常常可以见到用于测量心率和血氧水平的设备。脉搏血氧计就可以完成这两项测量，目前这款设备在市面上以两种形式销售，分别是家用医疗设备和腕带式健身活动追踪器的集成部件。

本文介绍了医疗和健身应用中脉搏血氧计的基础知识。同时给出一个脉搏血氧计的设计示例，讲述测量心率和血氧水平的方法。

1什么是血氧定量法？

血氧定量法测量血氧饱和度，通常以百分比表示。脉搏血氧计是一种非侵入性设备，用于测量人的血氧饱和度和心率。通过设备的夹状探测头（通常夹到患者手指上），很容易对脉搏血氧计进行识别。

脉搏血氧计既可以是独立设备或患者监测系统的组成部分，也可以集成到可穿戴健身追踪器中。相应地，脉搏血氧计的使用者可以是医院的护士、回到家中的门诊病人、健身中心的健身爱好者甚至是低压环境中作业的飞行员。

2什么是血氧饱和度？

血氧饱和度通过测量血红蛋白得出，血红蛋白是红细胞中携带氧气的色素，这也是其呈现红色的原因所在。血红蛋白将氧气输送到人体各个组织，具有两种存在形式。第一种叫做氧合血红蛋白，表示为HbO2（即有氧）。另一种叫做去氧血红蛋白，表示为Hb（即无氧）。

因此，血氧饱和度（SpO2）为氧合血红蛋白与去氧血红蛋白之比。也可以表示为：

血氧饱和度的值以百分比表示。正常读数通常为97%或更高。

3脉搏血氧计如何测量血氧饱和度（SpO2）？

血红蛋白有个有趣之处是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收较多（反射较少）的可见红光。而HbO2可吸收较多（反射较少）的红外光。由于可通过比较Hb和HbO2的值来确定血氧饱和度，因此有一种测量方法就是让红色LED和红外LED光穿过身体的某个部位（如手指或手腕），然后比较这两种光的相对强度。有两种常用方法可以实现这一目的：(1)测量透过组织的光强度的方法叫做透射式血氧定量法，而(2)测量组织反射的光强度的方法叫做反射式血氧定量法（见图1）。

图1：两种血氧定量法

医院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多数医院使用的患者监测系统都集成了透射式脉搏血氧计。不过，许多新研发的高端可穿戴健身设备则采用反射式脉搏血氧定量法。

4脉搏血氧计如何测量心率？

心脏搏动时，会将血液泵向全身。每次心脏收缩时，都会将血液挤入毛细血管，使其容积略微增加。心脏舒张时，毛细血管容积会减小。这种容积上的改变会影响透射过组织的光量，如红光和红外光量。尽管这一波动很小，却可以通过脉搏血氧计进行测量，并且只需采用测量血氧饱和度时所用的同类装置即可。

5详细工作原理

典型的脉搏血氧计可根据氧合血红蛋白（HbO2）和去氧血红蛋白（Hb）对红光（采用600-750 nm波长）和红外光（采用850-1000 nm波长）的吸收特性来监测人血的血氧饱和度（SpO2）。此类脉搏血氧计会交替发射红光和红外光穿过身体部位（如手指）到达一个光电二极管传感器。

光电二极管通常用于接收来自每个LED的未吸收光线。随后，此信号会通过反向运算放大器（或运放）进行反相。所得到的信号代表被手指吸收的光，如图2所示。

图2：由示波器捕捉的实时红光和红外光（IR）脉动信号

红光和红外光信号的脉冲幅度（Vpp）经测量后转换为Vrms，以通过以下公式计算比率：

SpO2可通过该比值和依据经验设定的查找表来确定。可根据脉搏血氧计的模数转换器（ADC）采样数和采样率计算心率。

查找表是脉搏血氧计的重要组成部分。查找表与具体的血氧计设计相对应，它通常基于大量检测不同SpO2水平的对象所绘制的校准曲线。图3显示了校准曲线的一个示例。

图3：示例校准曲线

6电路设计说明

以下示例将详细介绍透射式脉搏血氧计设计的不同部分。如图4所示，该设计展示了心率和血氧饱和度水平的测量过程。

图4：透射式脉搏血氧计系统框图

7探测头

本示例中使用的SpO2探测头为一种现成的指夹，其中集成了一个红光LED、一个红外光LED和一个光电二极管。这些LED由LED驱动电路控制。

信号调理电路检测到穿过手指的红光和红外光后，将其馈入集成在数字信号控制器（DSC）中的12位ADC模块，以计算SpO2的百分比。

8LED驱动电路

DSC的两个PWM信号驱动一个双通道单刀双掷模拟开关，交替开关红光LED和红外光LED。为获取适量的ADC采样，且在下一次LED亮起前有足够的时间来处理数据，我们按照图5所示的时序图来控制LED的通断。

图5：时序图

LED电流/强度通过由DSC驱动的12位数模转换器（DAC）控制。

9模拟信号调理电路

信号调理电路包含两级。第一级为跨阻放大器，第二级为增益放大器。在这两级之间放置一个高通滤波器。

跨阻放大器将光电二极管产生的几微安电流转换为几毫伏电压。第一级放大器接收的信号随后通过一个高通滤波器，以减少背景光干扰。

高通滤波器输出的信号接着送至增益为22且直流偏压为220 mV的第二级放大器。该放大器的增益和直流偏压应设为适当值，以使增益放大器的输出信号电平处于MCU的ADC范围内。

10数字滤波器设计

模拟信号调理电路的输出与DSC的集成12位ADC模块相连。对于本示例，我们采用了Microchip Technology的dsPIC DSC。在该设计中采用dsPIC33FJ128GP802，使我们既可以利用它集成的DSP功能，又能方便地使用Microchip的数字滤波器设计工具。

在每个LED导通期间进行一次ADC采样，在这两种LED的关断期间也进行一次ADC采样。由于直接测量通过机体组织的光量比较困难，因此我们采用滤波器设计工具来实现513阶FIR带通数字滤波器，这样就可以对ADC数据进行滤波。然后，使用经滤波的数据计算脉冲幅度，如图6所示。

FIR带通滤波器的规格如下：

采样频率（Hz）：500                带通纹波（-dB）：0.1

带通频率（Hz）：1 & 5              阻带纹波（-dB）：50

阻带频率（Hz）：0.05 & 25       滤波器长度：513

FIR窗口：Kaiser

图6：输入和经滤波的数据

显示为红色的曲线图1是FIR滤波器的输入信号

显示为绿色的曲线图2是FIR滤波器的输出信号

X轴表示ADC采样数

Y轴表示ADC代码值

11结论

家庭医疗和健身市场正在快速增长。在未来几年内，对于可测量心率和血氧水平的设备的需求必然会上升。脉搏血氧计参考设计（如本文所述）对于医疗和健身设备的设计人员大有裨益，可帮助他们在将设计转化为产品并打入市场方面占尽先机。