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同为抗疫医疗设备的血氧仪,在原理和方案上有何异同?
那么血氧仪的工作原理是什么?常规的血氧仪设计方案又有哪些呢? 血氧仪的原理 血氧仪是针对对血氧饱和度(SpO2)的无创测量仪器。氧气饱和度定义为溶解在血液中的氧气含量,主要是对血红蛋白(HbO2)和脱氧血红蛋白(Hb)的探测。两种不同波长的光用于测量这两者在吸收光谱上的差异。血流会被两者的浓度影响,而它们的吸收系数可以通过红光光谱和红外光谱测量。HbO2和Hb对不同波长的光线吸收程度不一。脱氧血红蛋白对红光吸收强,而血红蛋白对红外光线吸收强。 不同波长下 HbO2 与 Hb 的消光系数差异 / NXP Semiconductors 由上图可以看出,两种血红蛋白在特定波长下的消光系数相差很大,所以一般的血氧仪中,红光波长一般在660nm,而红外光波长一般在940nm。 Microchip:AN1525 AN1525 设计原理图 / Microchip Technology 该设计包含了红色LED,红外LED以及光电二极管组成的血氧饱和度传感电路,再加上LED驱动电路。红光和红外光透射手指后,被信号处理电路检测到,之后再传入单片机的12位ADC模块,进一步算出血氧饱和度的百分比。 在内置dsPIC的帮助下,数字FIR带通滤波器可以过滤ADC数据,得到的过滤数据则用于计算脉冲幅度。 通过UART接口,测得的血氧饱和度与脉率可以传输给电脑,WiFi或蓝牙。 Maxim:MAX30102 MAX30102 设计原理图 / Maxim Integrated MAX30102集成了脉搏血氧仪和心率监控的生物传感器,不仅有多个LED,光电检测器,还带有抑制环境光的低噪声电路,采用了I2C的传输协议。 我们从上图可以看出,MAX30102选取的红外光波长为880nm,这个波长下和940nm的差异不大,也是常用的血氧仪波长之一。 而其中的环境光抑制(ALC)则由连续时间的Sigma-Delta ADC和一个专用离散时间滤波器组成。ALC内部有一个跟踪/保持电路抑制环境光,从而提高有效的动态测量范围。 而血氧饱和度的采样速率也可以通过编程控制,范围在50到3200sps。LED的脉冲宽度也可以在69μs到411μs编程控制,从而根据用例让算法优化血氧饱和度的测量精度和总体功耗。 MAX30102也适用于可穿戴设备的场景,低功耗的心率监控(《1mW),而且通过软件关断模块,可以实现零待机电流。 TI:TIDA-010029 TIDA-010029 设计原理图 / Texas Instruments TI的TIDA-010029是一款兼容蓝牙BLE 4.2和5.0的血氧仪设计。可以提供为心率和血氧饱和度测量提供原始测量数据,并通过I2C或SPI通信。 该设计采用了AFE4420的模拟前端用于生物测量,采用了光电容积脉搏波描记法进行测量。不仅支持4个LED灯和4个光电二极管,同样配备了环境光抑制提高信噪比(SNR)。 TIDA-010029由CR3032(纽扣电池)供电,电池寿命长达30天。而且内置低电量检测算法,从而减少了额外的外部组件。 从以上方案看来,这几家大厂的血氧仪的测试原理都大致相同,都是采用红光,红外光LED和光电二极管等光敏元件,对指端和耳垂进行透射测量。区别之处在于信号处理和滤波,功耗,至于数据传输都或多或少采用了蓝牙或WiFi的传输方案,以适应智能穿戴产品。 而消除误差也是血氧仪精密测量的关键要素之一,手指的移动和血液的流动都会产生一定的干扰分量。如何消除这些误差就看工程师对光电数据转换的考量了。同样,模数转换上的时延也会限制血氧仪的应用场景。 如今市面上消费类的血氧仪更注重于智能穿戴和专业健身的扩展性,而专业医疗血氧仪更倾向于高精度测量,数据监控与预警。 |
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