如何设计更好的脉搏血氧仪

2021-07-07

如何设计更好的脉搏血氧仪

设计更方便、耗电更少的医疗设备比以往任何时候都更加重要。本文介绍了 SpO2 测量的基础知识，并演示了新一代光学模拟前端 (AFE) 如何帮助创建更好的血氧计。新设备可以降低设计复杂性，减少机械设计的负担，并降低功耗。

传统上，外周血氧饱和度 (SpO2) 是在手指或耳朵上的身体外周进行的测量，最常见的是使用夹子设备来确定氧饱和血红蛋白与总血红蛋白的比率。该测量用于判断红细胞将氧气从肺部输送到身体其他部位的情况。健康成人的正常 SpO2 水平从 95% 到 100% 不等。低于此范围的水平表明存在称为低氧血症的状况。这意味着身体没有输送足够的氧气来维持健康的器官和认知功能。

患有低氧血症的人可能会出现头晕、意识模糊、呼吸急促和头痛。多种医疗状况会导致血氧不足，可能需要在家中或临床环境中进行持续或间歇性监测。

SpO2 是临床环境中记录的最常见的生命体征之一。一些需要连续 SpO2 监测的疾病包括哮喘、心脏病、COPD、肺病、肺炎和 COVID-19 引起的缺氧。

确定有症状的 COVID-19 患者是否需要住院的方法之一是监测他们的 SpO2 水平。如果这些水平低于基线数字（通常低于 92%），则需要将他们送入急诊室。

COVID-19 与缺氧之间的最新联系

最近，COVID-19 患者被诊断出患有一种特别阴险的疾病，称为无声缺氧。在出现任何典型的 COVID-19 呼吸道症状（如呼吸急促）之前，无声缺氧会对身体造成严重损害。国家生物技术信息中心网站1上的一篇文章指出，“在 COVID-19 患者开始出现呼吸急促之前检测到这种无声缺氧的能力对于防止肺炎发展到危险水平至关重要。”

SpO2 监测也是诊断睡眠呼吸暂停的关键指标。阻塞性睡眠呼吸暂停会导致呼吸道在睡眠期间部分或完全阻塞。这可以通过长时间的呼吸暂停或导致暂时缺氧的浅呼吸来观察到。如果不及时治疗，睡眠呼吸暂停会增加心脏病发作、中风和肥胖的可能性。据估计，睡眠呼吸暂停影响了总成年人口的 1% 至 6%。

现在和未来迫切需要更好的脉搏血氧仪

随着患者护理趋向于门诊和家庭监测，需要开发不会妨碍用户完成日常任务的生命体征监测设备。在 SpO2 的情况下，手指和耳朵以外的监测区域将带来许多设计挑战。最近出现的无声缺氧使得开发更便携的临床级脉搏血氧仪装置更加引人注目。

本文将解释 SpO2 测量的一些基本原理，并介绍 ADI 的最新一代光学 AFE ADPD4100 和 ADPD4101，它们降低了医疗级 SpO2 设备的设计复杂性。内置高性能自动环境光抑制减少了机械和电子设计的负担。ADPD4100 在低功耗下的高动态范围减少了设计中光电二极管或 LED 电流的数量，从而有效地确定患者 SpO2 水平的轻微变化。最后，数字积分器选项允许用户进入极其高效的功耗模式，通过禁用光信号路径中的模拟模块，在便携式 PPG 解决方案中实现更长的运行时间。

什么是氧饱和度？

氧饱和度是血液中氧饱和血红蛋白相对于总可用血红蛋白的百分比。测量氧饱和度的黄金标准是心房血氧饱和度测量值 SaO2。然而，这种方法需要对血液样本进行基于实验室的血气分析。校准部分更深入地介绍了这一点。

SpO2 是使用脉搏血氧计在身体外围测量的氧饱和度水平的估计值。直到最近，测量氧饱和度的最常用方法是使用放置在手指上的脉搏血氧仪。

脉搏血氧仪如何工作？

脉搏血氧仪的工作原理是氧合血红蛋白 (HbO2) 和脱氧血红蛋白 (RHb) 的光吸收在特定光波长下显着不同。图 1 显示了可见光和红外光谱中 HbO2、Hb 和高铁血红蛋白 (MetHb) 的消光系数。消光系数是对化学物质在给定波长下吸收光的强度的度量。从图 1 可以看出，HbO2 吸收更多的红光（600 nm）并允许更多的红外光（940 nm）通过。RHb 吸收更多红外波长的光，这比 HbO2 允许更多的红光通过。

最基本的脉搏血氧仪由两个 LED（一个红色 660 nm LED 和一个红外 (IR) 940 nm LED）和一个反射或透射配置的光电二极管 (PD) 组成（见图 4）。脉搏血氧仪将点亮红色 LED 并测量 PD 上的结果信号。对 IR LED 重复此操作，最后关闭两个 LED，以获得任何环境外部光源的基线。这会生成两个波长的光电容积脉搏波 (PPG) 信号。

该信号包含直流和交流分量。DC 分量是由不断反射的物质引起的，例如皮肤、肌肉和骨骼以及静脉血。当身体处于静止状态且运动的影响较小时，交流分量主要包括来自动脉血液脉动的反射光。AC 分量取决于心率和动脉厚度，收缩期（泵）比异位（松弛）更多的反射或透射光。在收缩期，血液从心脏泵出，这会增加心房血压。血压升高使动脉扩张并导致心房血容量增加。血液的这种增加导致光吸收的增加。血压在舒张期下降，因此对光的吸收也会下降。

Beer-Lambert 定律解释了光在穿过吸收性材料时呈指数衰减。这可用于确定氧合血红蛋白与总血红蛋白的水平。

舒张期和收缩期吸收的光强与以下相关：

其中 α 测量心房血液中光的吸收率，d2 是 PPG 信号的交流振幅（见图 3）。Idiastole 等于标记为 d1 的 DC 分量。

通过从 PPG 信号计算 AC 和 DC，我们能够确定由心脏泵血引起的心房血液中光吸收的变化 –α.d2，而没有来自其他组织的贡献。

交流分量与直流分量的比值称为灌注指数，它是脉动血流与非脉动静态血流的比值。基于 PPG 的心率或 SpO2 测量系统的目标是增加交流与直流信号的比率。

PI = 交流/直流

红外和红光波长的灌注指数可用于计算比值 (RoR)，即 PIred 与 PLir 的比值。因为在给定波长的光的吸收与

理论上，可以将 RoR 代入以下公式来计算 SpO2：

其中： EHbO2,red = HbO2 在 600 nm 处的消光系数，EHbO2,ired = HbO2 在 940 nm 处的消光系数

ERHb,ired = RHb 在 940 nm 处的消光系数，ERHb,red = RHb 在 600 nm 处的消光系数

但是，Beer-Lambert 定律不能直接使用，因为在每个光学设计中都有许多可变因素会导致 RoR 与 SpO2 的关系发生变化。其中包括机械挡板设计、LED 到 PD 的间距、电子和机械环境光抑制、PD 增益误差等等。

为了从基于 PPG 的 SpO2 脉搏血氧仪获得临床级精度，必须开发一个查找表或算法来确定 RoR 和 SpO2 之间的相关性。

校准

需要校准测量系统以开发高精度 SpO2 算法。要校准 SpO2 系统，必须完成一项研究，其中参与者的血氧水平在医学上降低、监测和由医疗专业人员监督。这被称为缺氧研究。

SpO2 测量系统只能与参考一样准确。参考选项包括医疗级指夹式脉搏血氧仪和黄金标准血氧仪。Co-oximeter 是一种测量血液氧饱和度的侵入性方法，具有很高的准确性，但在大多数情况下不方便管理。

校准过程用于生成从光学 SpO2 设备到 co-oximeter SaO2 测量计算的 RoR 值的最佳拟合曲线。该曲线用于生成用于计算 SpO2 的查找表或方程。

所有 SpO2 设计都需要校准，因为 RoR 取决于许多变量，例如 LED 波长和强度、PD 响应、身体放置和环境光抑制，这些变量因每个设计而异。

增加的灌注指数以及红色和 IR 波长的高 AC 动态范围将增加 RoR 计算的灵敏度，进而返回更准确的 SpO2 测量值。

在缺氧研究期间，需要记录 100% 和 70% 血氧饱和度之间等距的 200 次测量值。选择具有多种肤色、年龄和性别均等分布的受试者。肤色、年龄和性别的这种变化是由于个体分布导致灌注指数不同的原因。

透射式脉搏血氧仪的总误差必须≤3.0%，反射式配置的总误差必须≤3.5%。

设计注意事项

透射与反射

使用透射式或反射式 LED 和 PD 配置可以获得 PPG 信号。透射配置测量通过身体一部分的未被吸收的光。这种配置最适合手指和耳垂等区域，这些区域的测量受益于这些身体部位的毛细管密度，这使得测量更加稳定、重复，并且对位置变化的敏感度更低。透射配置实现了 40 dB 到 60 dB 的灌注指数增加。

当 PD 和 LED 出于实用性而必须彼此相邻放置时，例如腕戴式或胸戴式设备，则选择反射式 PPG 配置。

传感器定位和灌注指数

手腕和胸部的定位需要 PPG AFE 中更大的动态范围，因为由于皮肤、脂肪和骨骼等静态反射成分下方的动脉深度，直流信号大大增加。

PPG 测量中更高的分辨率将降低 SpO2 算法中的不确定性。腕戴式血氧饱和度传感器的典型 PI 为 1% 至 2%，脉搏血氧仪设计的目标是通过机械设计增加 PI 或增加动态范围。

LED 与 PD 的间距将对 PI 产生重大影响。间距太小会增加 LED 到 PD 的串扰或反向散射。这将显示为直流信号并使 AFE 饱和。

增加此间距会降低反向散射和串扰的影响，但也会降低电流互感器比 (CTR)，即 LED 输出与 PD 返回电流的比率。这将影响 PPG 系统的效率，并需要更大的 LED 功率来最大化 AFE 动态范围。

快速脉冲一个或多个 LED 的好处是减少 1/f 噪声对整个信号的贡献。脉冲 LED 还可以在接收端使用同步调制来消除环境光干扰。集成多个脉冲会增加 PD 信号幅度并降低平均电流消耗。随着更多的反射光被捕获，增加总 PD 面积也会增加 CTR。

对于心率 PPG 测量，许多 HR 设备制造商已采用单个大型 PD 和多个节能绿色 LED 的组合，用于血流有限的地方。选择绿色 LED 是因为它们对运动伪影的高度拒绝。2 然而，这是以功耗为代价的。绿色 LED 的正向电压高于红色和 IR，并且在人体组织中具有高吸光度，这意味着需要更高的 LED 功率才能返回有意义的心脏信息。

由于 SpO2 需要多个波长，而且大多数系统仍为 HR PPG 配备高效绿色 LED，因此 HR 和 SpO2 PPG 系统最常见的配置是单个绿色、红色和红外 LED 阵列，周围有多个 PD，如 ADI 所示VSM 观察图 5。PD 到 LED 的间距已经过优化以减少反向散射，挡板设计减少了 LED 到 PD 的串扰。

对 ADI VSM 手表的多个原型进行了试验，以验证我们 HR PPG 和 SpO2 测量中最有效的 PD 到 LED 间距。

运动伪影

运动伪影是 PPG 测量系统面临的最大设计挑战之一。当存在运动时，动脉和静脉的宽度会因压力而改变。光电二极管吸收的光量会发生变化，这会出现在 PPG 信号中，因为光子的吸收或反射与身体静止时不同。

对于覆盖无限长深层组织样本的无限宽光电二极管区域，所有光子最终都会反射到光电二极管。在这种情况下，不会检测到由于运动引起的伪影。然而，这是无法实现的；解决方案是在考虑电容的同时增加光电二极管面积——降低 AFE 并为运动伪影提供过滤。

PPG 信号的正常频率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之间，而运动伪影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之间。不能使用简单的带通滤波技术从 PPG 信号中去除运动伪影。为了实现高精度运动消除，需要为自适应滤波器提供高精度运动数据。为此，ADI 公司开发了 ADXL362 3 轴加速度计。该加速度计提供 1 mg 分辨率和高达 8 g 的量程，同时在 100 Hz 下仅消耗 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封装。

ADI 解决方案：ADPD4100

脉搏血氧仪的定位产生了几个挑战。腕戴式 SpO2 设备带来了额外的设计挑战，因为感兴趣的交流信号仅占 PD 上接收到的总光的 1% 到 2%。为了获得医疗级认证并区分氧合血红蛋白水平的细微变化，需要更高的交流信号动态范围。这可以通过减少环境光干扰和降低 LED 驱动器和 AFE 噪声来实现。ADI 通过 ADPD4100 解决了这个问题。

ADPD4100 和 ADPD41001 可实现高达 100 dB 的 SNR。这种增加的动态范围对于在低灌注情况下测量 SpO2 至关重要。这种集成光学 AFE 具有八个板载低噪声电流源和八个独立的 PD 输入。数字时序控制器具有 12 个可编程时序槽，使用户能够定义具有特定 LED 电流、模拟和数字滤波、集成选项和时序约束的 PD 和 LED 序列阵列。

ADPD4100 的一个主要优势是提高了 SNR/μW，这是电池供电连续监测的一个重要参数。这一关键指标已通过增加 AFE 动态范围同时降低 AFE 电流消耗得到解决。ADPD4100 现在在 75 dB、25 Hz 连续 PPG 测量（包括 LED 电源）中的总功耗仅为 30 μW。增加每个样本的脉冲数 (n) 将导致 SNR 增加 (√n)，而增加 LED 驱动电流将使 SNR 成比例增加。对于使用 4 V LED 电源的连续 PPG 测量，1 μW 总系统消耗将返回 93 dB SNR。

自动环境光抑制减少了主机微处理器的负担，同时实现了 60 dB 的光抑制。这是通过使用最快 1 μs 的 LED 脉冲以及带通滤波器来抑制干扰来实现的。在某些工作模式下，ADPD4100 会自动计算光电二极管暗电流或 LED 关闭状态。该结果在 ADC 转换之前从 LED 开启状态中减去，以消除环境光以及光电二极管内的增益误差和漂移。

ADPD4100 受 EVAL-ADPD4100-4101 可穿戴评估套件和 ADI 生命体征监测研究手表的支持。该硬件无缝连接到 ADI Wavetool 应用程序，以实现生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波长 PPG 测量，以进行 SpO2 开发。

学习手表中嵌入了 ADPD4100 的自动增益控制 (AGC) 算法，该算法可调整 TIA 增益和 LED 电流，以为所有选定的 LED 波长提供最佳交流信号动态范围。

替代 ADI 解决方案

基于手指和耳垂的 SpO2 读数是最容易设计的，因为由于骨骼和组织的减少，信噪比高于基于手腕或胸部的定位，这也减少了直流分量的贡献。

对于此类应用，ADPD144RI 模块和 ADPD1080 是合适的器件。

ADPD144RI 是一个完整的模块，在 2.8 mm × 5 mm 封装中集成了一个红色 660 nm LED 和 880 nm IR LED 以及四个 PD。LED 和 PD 之间的间距经过优化，可为 SpO2 高精度 PPG 测量提供最佳信噪比。该模块允许用户快速跳过与 LED 和 PD 放置和间距相关的设计挑战，以实现最佳的功率噪声比。ADPD144RI 已在机械上进行了优化，以尽可能减少光学串扰。这提供了一个可靠的解决方案，即使传感器放置在单个玻璃窗下也是如此。

ADPD1080 是一款集成光学 AFE，在 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 中具有三个 LED 驱动通道和两个 PD 电流输入通道。该 AFE 非常适合电路板空间至关重要的定制设计低通道数 PPG 产品。