如何設計更好的脈搏血氧儀

2021-07-07

如何設計更好的脈搏血氧儀

設計更方便、耗電更少的醫療設備比以往任何時候都更加重要。本文介紹了 SpO2 測量的基礎知識，并演示了新一代光學模擬前端 (AFE) 如何幫助創建更好的血氧計。新設備可以降低設計復雜性，減少機械設計的負擔，并降低功耗。

傳統上，外周血氧飽和度 (SpO2) 是在手指或耳朵上的身體外周進行的測量，最常見的是使用夾子設備來確定氧飽和血紅蛋白與總血紅蛋白的比率。該測量用于判斷紅細胞將氧氣從肺部輸送到身體其他部位的情況。健康成人的正常 SpO2 水平從 95% 到 100% 不等。低于此范圍的水平表明存在稱為低氧血癥的狀況。這意味著身體沒有輸送足夠的氧氣來維持健康的器官和認知功能。

患有低氧血癥的人可能會出現頭暈、意識模糊、呼吸急促和頭痛。多種醫療狀況會導致血氧不足，可能需要在家中或臨床環境中進行持續或間歇性監測。

SpO2 是臨床環境中記錄的最常見的生命體征之一。一些需要連續 SpO2 監測的疾病包括哮喘、心臟病、COPD、肺病、肺炎和 COVID-19 引起的缺氧。

確定有癥狀的 COVID-19 患者是否需要住院的方法之一是監測他們的 SpO2 水平。如果這些水平低于基線數字（通常低于 92%），則需要將他們送入急診室。

COVID-19 與缺氧之間的最新聯系

最近，COVID-19 患者被診斷出患有一種特別陰險的疾病，稱為無聲缺氧。在出現任何典型的 COVID-19 呼吸道癥狀（如呼吸急促）之前，無聲缺氧會對身體造成嚴重損害。國家生物技術信息中心網站1上的一篇文章指出，“在 COVID-19 患者開始出現呼吸急促之前檢測到這種無聲缺氧的能力對于防止肺炎發展到危險水平至關重要。”

SpO2 監測也是診斷睡眠呼吸暫停的關鍵指標。阻塞性睡眠呼吸暫停會導致呼吸道在睡眠期間部分或完全阻塞。這可以通過長時間的呼吸暫?；驅е聲簳r缺氧的淺呼吸來觀察到。如果不及時治療，睡眠呼吸暫停會增加心臟病發作、中風和肥胖的可能性。據估計，睡眠呼吸暫停影響了總成年人口的 1% 至 6%。

現在和未來迫切需要更好的脈搏血氧儀

隨著患者護理趨向于門診和家庭監測，需要開發不會妨礙用戶完成日常任務的生命體征監測設備。在 SpO2 的情況下，手指和耳朵以外的監測區域將帶來許多設計挑戰。最近出現的無聲缺氧使得開發更便攜的臨床級脈搏血氧儀裝置更加引人注目。

本文將解釋 SpO2 測量的一些基本原理，并介紹 ADI 的最新一代光學 AFE ADPD4100 和 ADPD4101，它們降低了醫療級 SpO2 設備的設計復雜性。內置高性能自動環境光抑制減少了機械和電子設計的負擔。ADPD4100 在低功耗下的高動態范圍減少了設計中光電二極管或 LED 電流的數量，從而有效地確定患者 SpO2 水平的輕微變化。最后，數字積分器選項允許用戶進入極其高效的功耗模式，通過禁用光信號路徑中的模擬模塊，在便攜式 PPG 解決方案中實現更長的運行時間。

什么是氧飽和度？

氧飽和度是血液中氧飽和血紅蛋白相對于總可用血紅蛋白的百分比。測量氧飽和度的黃金標準是心房血氧飽和度測量值 SaO2。然而，這種方法需要對血液樣本進行基于實驗室的血氣分析。校準部分更深入地介紹了這一點。

SpO2 是使用脈搏血氧計在身體外圍測量的氧飽和度水平的估計值。直到最近，測量氧飽和度的最常用方法是使用放置在手指上的脈搏血氧儀。

脈搏血氧儀如何工作？

脈搏血氧儀的工作原理是氧合血紅蛋白 (HbO2) 和脫氧血紅蛋白 (RHb) 的光吸收在特定光波長下顯著不同。圖 1 顯示了可見光和紅外光譜中 HbO2、Hb 和高鐵血紅蛋白 (MetHb) 的消光系數。消光系數是對化學物質在給定波長下吸收光的強度的度量。從圖 1 可以看出，HbO2 吸收更多的紅光（600 nm）并允許更多的紅外光（940 nm）通過。RHb 吸收更多紅外波長的光，這比 HbO2 允許更多的紅光通過。

最基本的脈搏血氧儀由兩個 LED（一個紅色 660 nm LED 和一個紅外 (IR) 940 nm LED）和一個反射或透射配置的光電二極管 (PD) 組成（見圖 4）。脈搏血氧儀將點亮紅色 LED 并測量 PD 上的結果信號。對 IR LED 重復此操作，最后關閉兩個 LED，以獲得任何環境外部光源的基線。這會生成兩個波長的光電容積脈搏波 (PPG) 信號。

該信號包含直流和交流分量。DC 分量是由不斷反射的物質引起的，例如皮膚、肌肉和骨骼以及靜脈血。當身體處于靜止狀態且運動的影響較小時，交流分量主要包括來自動脈血液脈動的反射光。AC 分量取決于心率和動脈厚度，收縮期（泵）比異位（松弛）更多的反射或透射光。在收縮期，血液從心臟泵出，這會增加心房血壓。血壓升高使動脈擴張并導致心房血容量增加。血液的這種增加導致光吸收的增加。血壓在舒張期下降，因此對光的吸收也會下降。

Beer-Lambert 定律解釋了光在穿過吸收性材料時呈指數衰減。這可用于確定氧合血紅蛋白與總血紅蛋白的水平。

舒張期和收縮期吸收的光強與以下相關：

其中 α 測量心房血液中光的吸收率，d2 是 PPG 信號的交流振幅（見圖 3）。Idiastole 等于標記為 d1 的 DC 分量。

通過從 PPG 信號計算 AC 和 DC，我們能夠確定由心臟泵血引起的心房血液中光吸收的變化 –α.d2，而沒有來自其他組織的貢獻。

交流分量與直流分量的比值稱為灌注指數，它是脈動血流與非脈動靜態血流的比值?；?span> PPG 的心率或 SpO2 測量系統的目標是增加交流與直流信號的比率。

PI = 交流/直流

紅外和紅光波長的灌注指數可用于計算比值 (RoR)，即 PIred 與 PLir 的比值。因為在給定波長的光的吸收與

理論上，可以將 RoR 代入以下公式來計算 SpO2：

其中： EHbO2,red = HbO2 在 600 nm 處的消光系數，EHbO2,ired = HbO2 在 940 nm 處的消光系數

ERHb,ired = RHb 在 940 nm 處的消光系數，ERHb,red = RHb 在 600 nm 處的消光系數

但是，Beer-Lambert 定律不能直接使用，因為在每個光學設計中都有許多可變因素會導致 RoR 與 SpO2 的關系發生變化。其中包括機械擋板設計、LED 到 PD 的間距、電子和機械環境光抑制、PD 增益誤差等等。

為了從基于 PPG 的 SpO2 脈搏血氧儀獲得臨床級精度，必須開發一個查找表或算法來確定 RoR 和 SpO2 之間的相關性。

校準

需要校準測量系統以開發高精度 SpO2 算法。要校準 SpO2 系統，必須完成一項研究，其中參與者的血氧水平在醫學上降低、監測和由醫療專業人員監督。這被稱為缺氧研究。

SpO2 測量系統只能與參考一樣準確。參考選項包括醫療級指夾式脈搏血氧儀和黃金標準血氧儀。Co-oximeter 是一種測量血液氧飽和度的侵入性方法，具有很高的準確性，但在大多數情況下不方便管理。

校準過程用于生成從光學 SpO2 設備到 co-oximeter SaO2 測量計算的 RoR 值的最佳擬合曲線。該曲線用于生成用于計算 SpO2 的查找表或方程。

所有 SpO2 設計都需要校準，因為 RoR 取決于許多變量，例如 LED 波長和強度、PD 響應、身體放置和環境光抑制，這些變量因每個設計而異。

增加的灌注指數以及紅色和 IR 波長的高 AC 動態范圍將增加 RoR 計算的靈敏度，進而返回更準確的 SpO2 測量值。

在缺氧研究期間，需要記錄 100% 和 70% 血氧飽和度之間等距的 200 次測量值。選擇具有多種膚色、年齡和性別均等分布的受試者。膚色、年齡和性別的這種變化是由于個體分布導致灌注指數不同的原因。

透射式脈搏血氧儀的總誤差必須≤3.0%，反射式配置的總誤差必須≤3.5%。

設計注意事項

透射與反射

使用透射式或反射式 LED 和 PD 配置可以獲得 PPG 信號。透射配置測量通過身體一部分的未被吸收的光。這種配置最適合手指和耳垂等區域，這些區域的測量受益于這些身體部位的毛細管密度，這使得測量更加穩定、重復，并且對位置變化的敏感度更低。透射配置實現了 40 dB 到 60 dB 的灌注指數增加。

當 PD 和 LED 出于實用性而必須彼此相鄰放置時，例如腕戴式或胸戴式設備，則選擇反射式 PPG 配置。

傳感器定位和灌注指數

手腕和胸部的定位需要 PPG AFE 中更大的動態范圍，因為由于皮膚、脂肪和骨骼等靜態反射成分下方的動脈深度，直流信號大大增加。

PPG 測量中更高的分辨率將降低 SpO2 算法中的不確定性。腕戴式血氧飽和度傳感器的典型 PI 為 1% 至 2%，脈搏血氧儀設計的目標是通過機械設計增加 PI 或增加動態范圍。

LED 與 PD 的間距將對 PI 產生重大影響。間距太小會增加 LED 到 PD 的串擾或反向散射。這將顯示為直流信號并使 AFE 飽和。

增加此間距會降低反向散射和串擾的影響，但也會降低電流互感器比 (CTR)，即 LED 輸出與 PD 返回電流的比率。這將影響 PPG 系統的效率，并需要更大的 LED 功率來最大化 AFE 動態范圍。

快速脈沖一個或多個 LED 的好處是減少 1/f 噪聲對整個信號的貢獻。脈沖 LED 還可以在接收端使用同步調制來消除環境光干擾。集成多個脈沖會增加 PD 信號幅度并降低平均電流消耗。隨著更多的反射光被捕獲，增加總 PD 面積也會增加 CTR。

對于心率 PPG 測量，許多 HR 設備制造商已采用單個大型 PD 和多個節能綠色 LED 的組合，用于血流有限的地方。選擇綠色 LED 是因為它們對運動偽影的高度拒絕。2 然而，這是以功耗為代價的。綠色 LED 的正向電壓高于紅色和 IR，并且在人體組織中具有高吸光度，這意味著需要更高的 LED 功率才能返回有意義的心臟信息。

由于 SpO2 需要多個波長，而且大多數系統仍為 HR PPG 配備高效綠色 LED，因此 HR 和 SpO2 PPG 系統最常見的配置是單個綠色、紅色和紅外 LED 陣列，周圍有多個 PD，如 ADI 所示VSM 觀察圖 5。PD 到 LED 的間距已經過優化以減少反向散射，擋板設計減少了 LED 到 PD 的串擾。

對 ADI VSM 手表的多個原型進行了試驗，以驗證我們 HR PPG 和 SpO2 測量中最有效的 PD 到 LED 間距。

運動偽影

運動偽影是 PPG 測量系統面臨的最大設計挑戰之一。當存在運動時，動脈和靜脈的寬度會因壓力而改變。光電二極管吸收的光量會發生變化，這會出現在 PPG 信號中，因為光子的吸收或反射與身體靜止時不同。

對于覆蓋無限長深層組織樣本的無限寬光電二極管區域，所有光子最終都會反射到光電二極管。在這種情況下，不會檢測到由于運動引起的偽影。然而，這是無法實現的；解決方案是在考慮電容的同時增加光電二極管面積——降低 AFE 并為運動偽影提供過濾。

PPG 信號的正常頻率在 0.5 Hz 到 5 Hz 之間，而運動偽影通常在 0.01 Hz 到 10 Hz 之間。不能使用簡單的帶通濾波技術從 PPG 信號中去除運動偽影。為了實現高精度運動消除，需要為自適應濾波器提供高精度運動數據。為此，ADI 公司開發了 ADXL362 3 軸加速度計。該加速度計提供 1 mg 分辨率和高達 8 g 的量程，同時在 100 Hz 下僅消耗 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封裝。

ADI 解決方案：ADPD4100

脈搏血氧儀的定位產生了幾個挑戰。腕戴式 SpO2 設備帶來了額外的設計挑戰，因為感興趣的交流信號僅占 PD 上接收到的總光的 1% 到 2%。為了獲得醫療級認證并區分氧合血紅蛋白水平的細微變化，需要更高的交流信號動態范圍。這可以通過減少環境光干擾和降低 LED 驅動器和 AFE 噪聲來實現。ADI 通過 ADPD4100 解決了這個問題。

ADPD4100 和 ADPD41001 可實現高達 100 dB 的 SNR。這種增加的動態范圍對于在低灌注情況下測量 SpO2 至關重要。這種集成光學 AFE 具有八個板載低噪聲電流源和八個獨立的 PD 輸入。數字時序控制器具有 12 個可編程時序槽，使用戶能夠定義具有特定 LED 電流、模擬和數字濾波、集成選項和時序約束的 PD 和 LED 序列陣列。

ADPD4100 的一個主要優勢是提高了 SNR/μW，這是電池供電連續監測的一個重要參數。這一關鍵指標已通過增加 AFE 動態范圍同時降低 AFE 電流消耗得到解決。ADPD4100 現在在 75 dB、25 Hz 連續 PPG 測量（包括 LED 電源）中的總功耗僅為 30 μW。增加每個樣本的脈沖數 (n) 將導致 SNR 增加 (√n)，而增加 LED 驅動電流將使 SNR 成比例增加。對于使用 4 V LED 電源的連續 PPG 測量，1 μW 總系統消耗將返回 93 dB SNR。

自動環境光抑制減少了主機微處理器的負擔，同時實現了 60 dB 的光抑制。這是通過使用最快 1 μs 的 LED 脈沖以及帶通濾波器來抑制干擾來實現的。在某些工作模式下，ADPD4100 會自動計算光電二極管暗電流或 LED 關閉狀態。該結果在 ADC 轉換之前從 LED 開啟狀態中減去，以消除環境光以及光電二極管內的增益誤差和漂移。

ADPD4100 受 EVAL-ADPD4100-4101 可穿戴評估套件和 ADI 生命體征監測研究手表的支持。該硬件無縫連接到 ADI Wavetool 應用程序，以實現生物阻抗、ECG、PPG 心率和多波長 PPG 測量，以進行 SpO2 開發。

學習手表中嵌入了 ADPD4100 的自動增益控制 (AGC) 算法，該算法可調整 TIA 增益和 LED 電流，以為所有選定的 LED 波長提供最佳交流信號動態范圍。

替代 ADI 解決方案

基于手指和耳垂的 SpO2 讀數是最容易設計的，因為由于骨骼和組織的減少，信噪比高于基于手腕或胸部的定位，這也減少了直流分量的貢獻。

對于此類應用，ADPD144RI 模塊和 ADPD1080 是合適的器件。

ADPD144RI 是一個完整的模塊，在 2.8 mm × 5 mm 封裝中集成了一個紅色 660 nm LED 和 880 nm IR LED 以及四個 PD。LED 和 PD 之間的間距經過優化，可為 SpO2 高精度 PPG 測量提供最佳信噪比。該模塊允許用戶快速跳過與 LED 和 PD 放置和間距相關的設計挑戰，以實現最佳的功率噪聲比。ADPD144RI 已在機械上進行了優化，以盡可能減少光學串擾。這提供了一個可靠的解決方案，即使傳感器放置在單個玻璃窗下也是如此。

ADPD1080 是一款集成光學 AFE，在 17 球、2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP 中具有三個 LED 驅動通道和兩個 PD 電流輸入通道。該 AFE 非常適合電路板空間至關重要的定制設計低通道數 PPG 產品。