脉搏血氧仪原理

脉搏血氧仪原理今日主要向大家介绍脉搏血氧仪，一个是介绍脉搏血氧仪的工作原理；此外，面对在精准丈量时候的挑战，也包含器件选型，最后我们会有几张图片介绍ADI的参照设计。做过监护血氧仪、指甲式血氧仪都清楚，监护仪里面是带有血氧的模块，还有比较小的指甲式的，就是倾向于家用、个人用的，模式是不相同的。什么是脉搏血氧仪第一讲一下氧气，大家知道人需要氧气活着，氧气怎么样让人活下去氧气在血液中间的红细胞，由红细胞经过动脉奉养给毛细血管。脉搏血氧仪丈量的关于是血氧的饱和度，我们用SpO2，SpO2丈量怎么出来是代表实质含氧量与全氧饱和度的比值。方才有介绍氧气怎么样传达到人体各个器官、毛细血管，里面就是靠红细胞，红细胞其实很小，特别、特别小，我们这里列了尺寸，是6-8微米的直径，厚度是2微米，每个细胞的寿命是100-120天，会回收重生。这些细胞是骨髓产生的，因此每个细胞需要7天的时间才能产生，跟电子不是直接相关，但假如不认识的话讲一讲仍是有点意思。成人的体内细胞产生是每秒钟400万个，我们由荷尔蒙EPO刺激产生的，运动员会注射这些激素，红细胞越多携带氧气的能力越强，比赛的过程中间对没有注射的来讲是不公正的，因此在体育激素里面的故事会听到。每个成人有20-30万亿红细胞，男人比女人多20%。主要功能是氧气从肺里面送到人体的器官，保证各个器官的工作，每个红细胞在体内的循环从肺出去而后再回来，大体需要20秒的时间。什么是脉搏血氧仪在这个里面我们第一要认识一下HbO2的定义。在肺里面，红细胞是这样的，自己附着血红蛋白，符号是Hb，一种是氧合血红蛋白，就是HbO2，还有复原血红蛋白，从动脉经过毛细血管回到颈脉的时候，氧分子零落了。这是我红细胞，附加血红蛋白，里面包含四个氧分子，是饱和的血红蛋白分子。血氧的饱和度，典型值是健康人，这个值90%-100%比较正常，但好多状况下跌到60%，这取决于好多要素，此中最重要的要素是病人身体的供血能力比较差，HbO2的读值会降落。丈量的原理，我们拿了最简单的例子，这也是最往常的状况，世界上大部分的血氧仪都是靠这样的原理来做的，不过经过红光和红外光，两个波长值最常有，蓝色的箭头就是指这条线，复原血红蛋白，也就是说血红蛋白不带氧分子的时候，对红光的汲取比较长，纵轴越高汲取强度越强。而红外光的汲取长度比较弱，这是波长，因此横轴是波长，纵轴是汲取长度。反过来看，我们除了说复原血红蛋白以外，还有氧合血红蛋白，这是红色箭头指的，就是带有血红蛋白的，带有氧分子的，对红光的汲取比较弱，对红外光的汲取比较强，我们说红光是660纳米，红外光是610纳米，用在血氧丈量中间。复原血红蛋白和氧合血红蛋白，对不同光的差别，差就是丈量血氧饱和度最基本的数据。这边重申一下，最常有的就是两个波长，实质上要做到更高的精度，除了两个波长以外还要增添，甚至高达主要的原由是人体血红蛋白除了复原血红蛋白和氧合血红蛋白以外，还有其余的血红蛋白，我们常常有的是碳氧血红蛋白，更多的波长有益于你做的精度更好。8波长已经在世界上有好多的产品，自然是偏高端的。

8个波长，最基本丈量的原理以下，这是一个手指头，血氧的含量，饱和度的丈量在手指丈量是最多的，也能够在脚趾、耳朵，这是最常有的丈量血氧的地方。原理就是用红光和红外光发射，这两个要特别快要，保证他们在手指基本上特别靠近的地点，能够保证检测的正确度。这本身对传感器技术，LED也是挑战。红光和红外光是分动工作的，当红光工作的时候，红外光是封闭的，当光二极管是同一个，能够保证红光和红外光之间的工作特别扰乱，方才讲距离要特别近，保证在同一个身体组织构造里面获得的信息。这里讲丈量点主要包含手指、脚趾和耳垂，我们讲是工作模式，发光体在这边，光电变换是此外一边，是穿透的。设计模式的时候不但对传感器，对模式的挑战更大。方才讲到毛细血管，这是动脉，这是静脉回流，方才不过把电路传感器的工作和血液放在一同，因此你血流的时候，为何叫能量因为power，当你有脉动的时候，走过毛细血管的时候把氧分子丢掉了，回到这边是复原的血红蛋白。因此检测的时候，红光和红外光都是一个光，一方面会遇到组织构造的衰减，还有遇到静脉血的衰减，还有动脉的衰减，动脉有两个部分，一部分是存量的，老是在里面的，因为心脏的脉动，有一部分脉动的血红蛋白，血红蛋白会增添。把人体的血构造和传感器放在一同，我们看它们是怎么工作的。因为居心跳的原由，就是脉动了，经过手指传递的光强会不停的增大，我们说体积描绘器，我方才讲了算法，就是组织构造，手指头的肉、骨头、皮肤都会它造成汲取，静脉血会对它造成汲取，动脉也会造成汲取，但动脉里面分为存量和脉动式的，假如丈量出来的数据是这样的图，全部体积描绘器。我方才主要介绍了对血氧丈量的基来源理和人体血液怎么携带氧原子，给人体供电。下边讲一下

LED和整流二极管的剖析，我们再看后边的电路设计是怎么样的，怎样选择元器件。这张图比较简单，这是

LED的工作电压，这是输出电流。正常来说需要比较大的电流才能产生比较强的光，

当VF比较小的时候，就是曲线比较陡的时候效率比较高，

功耗比较低，LED更简单帮助你实现系统的设计能量，这不过一个观点，选

LED基本的考虑。这里拿了厂家的型号做的例子，看

LED光的特点。

LED发射的单射光，用这个表征LED的特征，这个型号在这里，此外一个型号比较偏。峰值发送波长是最正确条件下规定的，这个值用作工作点。频谱半带宽特别窄，正常的状况下电流必定要很稳，If特别稳固，防止发生波长的偏移，还有温度比较稳固，不然波长相同会造成很大的偏移。这设计中间不但是LED的选择，还有系统设计考虑到散热。方才讲到LED，待会波及到光电二极管，光电二极管不然是零偏值，要么就是负压的，要保证很好的TIA，就是跨组放大器，保证能够切合光电二极管的指标，我们后边会做一些剖析，来介绍怎么样选择TIA，保证光电二极管的指标在系统里面获得表现。这是最常有的互阻放大器的构造。这里讲一下光电二极管的电流电压特征，我方才介绍了一般状况是负压的，加负压以后P0、P1、P2是不同的光通量的状况下工作曲线，横轴是电压，纵轴是电流，因此在不同的偏值电压下，工作电流不相同。这里标了然P0-P1的负压状况下有电流量的变化，这个电流量与什么相关系光通量，一个是光通量，一个是光到电的变换率，就能够计算出数字了。这是光电二极管最简单的原理，我们给了光电二极管的电路模型，这个模型跟我们在大学里面学的像三极管相同，把它打开了，拆成了电阻电流，这里面给好多参数，IL是入射光产生的电流，ID是暗电流，CJ是结电容，RSH是并联电阻，还有串连电阻、并联电阻电流，二极管上的电压，输出电流，输出电压，我们为什么要分到等效电路模型，就要做后边的噪声剖析，让大家有时机剖析噪声是怎样贡献给整个系统的，哪些噪声是很重要要考虑的，在选型和设计之中。噪声加上TIA以后，这是光电二极管的等效电路，这是等项电阻和电熔，运放自己带来噪声，我们把三部分的噪声多字一些剖析，计算它对系统的贡献，我们就能够理解哪部分的噪声要特别当心。这里面自然有电压、电流的噪声，电压、电流噪声对系统带来什么共性，我们在图上边会介绍，也能够哪个指标变为特别重要。我们列了噪声计算的工程，假定运放电阻特别大，假定并联电阻比串连电阻大好多，一般状况下都是这样的。我们分光电二极管的噪声，光电二极管的噪声由两部分构成，一个是散粒噪声，分红两部分，这是光电二极管的噪声构造。这个公示看起来比较无聊，列在这里做一个参照。运算放大器噪声由电压噪声和电流噪声构成的，噪声构成是能量叠加，因此是平方根，次根波长与争议都相关系。最后一个是反应电阻的热噪声，反应电阻的热噪声是4KbTBRF，已经列在这里了。这些噪声由哪些部分构成为了保证光电二极管和TIA的优秀配合，我们设了两个条件，第一个条件是噪声和噪声比，就是光电二极管和TIA的总噪声有多大。当前是光电二极管的噪声是，这个值我们下面用获得，保证NNR足够大。我们选择一些放大器做剖析，放大器的电压噪声、电流噪声，最后包含整个TIA的噪声做剖析，你会看到这是一个往上走的，越往下电压噪声越大，越往上电流噪声越大。因此光电二极管和NNR对比愈来愈大，但越大越好。这说明什么电流噪声的重要性，相对电压噪声在这个状况里面，对噪声的贡献更大。我们讲光电二极管跟TIA优秀配合，选择一个好的TIA，第二是信噪比足够大，你要做计算，要做我们已经计算了一下输出电压的值，，相同是方才的型号，电压噪声、电流噪声，这里是全部的噪声，这里是

TIA和输出电压的噪声比较要足够大，SNR，等效分辨率是16-18位，，我们对系统计算是这样的。我给大家分享一个方案，这是我们在美国做的设计，用的是ADuc7024，MCU有好多厂家，ADI优点在模拟里面，我介绍一下对这个系统的利处，丈量关注特别好，放大器和开关保证背景光被移除，保证检测的精度。这个方案我们做了一些剖析，这个方案带来什么利处，国内好多的血氧仪用OEM的模块，这类成本特别高。ADI的ADUC是血氧仪的芯片，我们加了血氧仪和Cool在里面，抗扰乱的能力特别行，特别是Low灌输能够精准到什么程度，还有灵巧性能够客制化。这是一个芯片，前面加的不多，不过模拟的调制电路。这是我们给第三方的测试，我们跟同方案的比较，Low灌输特别低，大家做血氧知道标准是，但数字越低越好，在病人血氧体征特别弱的状况下，这个