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。
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。
举报
