作者：Eugene Trosman and Eugene Palatnik

除了心率、血壓、呼吸頻率和體溫外，脈搏血氧飽和度（PO）被認(rèn)為是健康狀況的“第五生命體征”。血紅蛋白（Hb）是紅細(xì)胞的重要組成部分，負(fù)責(zé)將氧氣從肺部輸送到組織。氧氣量（O2）在任何時(shí)候與Hb結(jié)合稱為氧飽和度。血氧飽和度（SpO2）以百分比表示，是與Hb結(jié)合的氧氣量與Hb的攜氧能力之比。 脈搏血氧飽和度提供了一種測量SpO2或動(dòng)脈血紅蛋白飽和度的無創(chuàng)方法。脈搏血氧儀還可以檢測動(dòng)脈血脈動(dòng)，因此還可以計(jì)算和報(bào)告患者的心率。脈搏血氧儀是一種測量患者動(dòng)脈血液中氧氣量的醫(yī)療設(shè)備。

典型的血氧飽和度傳感器具有一對發(fā)光二極管（LED），通過患者身體的半透明部位（通常是指尖或耳垂）面向光電二極管。一個(gè) LED 為紅色，波長為 660 nm;另一種是紅外線，波長為940 nm。血氧的百分比是根據(jù)每個(gè)波長的光通過患者身體后的吸收率計(jì)算的。

脈搏血氧儀的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示。除模擬信號調(diào)理電路外，它還包括多個(gè)ADC和DAC，以及微控制器和相關(guān)存儲器。使用這種離散方法的實(shí)現(xiàn)在硬件、不動(dòng)產(chǎn)和設(shè)計(jì)時(shí)間方面相對復(fù)雜且成本高昂。

圖1.離散脈搏血氧儀實(shí)現(xiàn)

ADI公司的精密模擬微控制器產(chǎn)品系列包括高端血氧飽和度設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵模擬構(gòu)建模塊。此處使用的ADuC7024包括一個(gè)高性能、高速、多通道12位、1 MSPS ADC和兩個(gè)DAC。這些特征允許恢復(fù)通常在低外周血液循環(huán)期間看到的微弱動(dòng)脈搏動(dòng)信號。

微轉(zhuǎn)換器還包括一個(gè)32位ARM7TDMI內(nèi)核。它以41.8 MHz運(yùn)行，提供了一個(gè)非常強(qiáng)大的計(jì)算平臺。由ITEC工程公司開發(fā)的專有數(shù)字信號處理算法可檢測動(dòng)脈血脈動(dòng)，檢測并抑制運(yùn)動(dòng)偽影，計(jì)算SpO2和心率值，并過濾和縮放實(shí)時(shí)動(dòng)脈血脈動(dòng)波形（體積描記圖）。盡管如此，仍有大量的CPU性能用于其他功能，例如控制圖形LCD顯示屏，通過板載PWM生成音頻脈沖音等。

基于ADuC7024微型轉(zhuǎn)換器的血氧儀結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2.采用ADuC7024微型轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)脈搏血氧儀

LED 通過 MOSFET 橋（開關(guān) SW1 和 SW2）按順序供電。采用AMP1（1/2 AD8606）構(gòu)建的恒流灌電流由微轉(zhuǎn)換器的DAC2輸出控制。

光電二極管放大器圍繞AMP2 （1/2 AD8606）構(gòu)建。它將接收到的光轉(zhuǎn)換為與患者組織吸收的光成反比的電壓。該測量交替在紅色和紅外波長上進(jìn)行。

可編程增益放大器（PGA）和失調(diào)級采用運(yùn)算放大器AD8606和數(shù)字電位計(jì)AD5160構(gòu)建。它由微轉(zhuǎn)換器動(dòng)態(tài)控制。與可變電流LED驅(qū)動(dòng)器（AMP1和DAC2）一起，它提供了血氧儀傳感器看到的寬范圍光學(xué)密度。

開關(guān)SW3（ADG779）去除了光電二極管看到的大部分環(huán)境光，從而允許利用ADC輸入通道的整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍。

ADC1的輸入由PGA/失調(diào)電路驅(qū)動(dòng)。該ADC對放大的光電二極管信號進(jìn)行數(shù)字化處理。光放大器AMP2的輸出是交流耦合的，因此ADC2監(jiān)控AMP2的任何可能的環(huán)境光飽和度。

這種設(shè)計(jì)可用作獨(dú)立的血氧儀或各種醫(yī)療監(jiān)測設(shè)備的構(gòu)建模塊。

本設(shè)計(jì)選擇了具有7024個(gè)通用I/O（GPIO）的ADuC30微轉(zhuǎn)換器，因?yàn)榕cLCD接口需要大量I/O引腳。使用較少的I/O，使用ADuC7021（13個(gè)GPIO，無PWM）可以實(shí)現(xiàn)相同的性能水平。ADuC7021采用節(jié)省空間的6 mm×6 mm LFCSP封裝。

審核編輯：郭婷