血氧仪的解剖

2021-04-14


典型的脉冲血氧计监测血氧饱和度2基于该红色光(使用600-750纳米波长)和红外光(使用850-1000纳米波长)高压氧吸收特性的一个人的血液2Hb。这种类型的脉搏血氧仪通过手指等身体部位交替闪烁红色和红外光到光电二极管传感器。

光电二极管通常用于接收来自每个LED的未吸收光。然后,使用反相运算放大器或运算放大器对该信号进行反相。产生的信号代表手指已吸收的光。

测量红色和红外信号的脉冲幅度(Vpp)并将其转换为Vrms,以产生比率值:Ratio =Red_AC_Vrms / Red_DC/IR_AC_Vrms / IR_DC)。

可以使用比率值和由经验公式组成的查找表确定SpO 2。可以基于脉搏血氧仪的模数转换器(ADC)采样数和采样率来计算脉冲率。

查询表是脉搏血氧仪的重要组成部分。查询表特定于特定的血氧饱和度测定仪,通常基于校准曲线,该校准曲线尤其是从具有不同SpO 2水平的受试者进行的大量测量中得出的。

血氧仪电路设计以下示例将详细介绍透射式脉搏血氧仪设计的不同部分。

探测

本示例中使用的SpO 2探针是一种现成的手指夹,其中集成了一个红色LED和一个IR LED,以及一个光电二极管。LEDLED驱动器电路控制。

信号调节电路检测到穿过手指的红光和IR光,然后将其馈入集成到数字信号控制器(DSC)中的12ADC模块,在其中计算SpO 2的百分比。

LED驱动电路

一个双单刀双掷模拟开关,由DSC的两个PWM信号驱动,交替打开和关闭红色和红外LED。为了获取适当数量的ADC样本并且仍然有足够的时间在下一个LED点亮之前处理数据,

LED电流/强度由DSC驱动的12位数模转换器(DAC)控制。

模拟信号调理电路

信号调节电路分为两个阶段。第一级是互阻放大器,第二级是增益放大器。在两个级之间放置一个高通滤波器。

跨阻放大器将光电二极管产生的几微安电流转换为几毫伏(mV)。然后,从该第一级放大器接收到的信号将通过一个高通滤波器,该滤波器旨在减少背景光干扰。

然后将高通滤波器的输出发送到增益为22且直流失调电压为220 mV的第二级放大器。设置放大器的增益和DC偏移值,以将增益放大器的输出信号电平正确地放置在MCUADC范围内。

数字滤波器设计

模拟信号调节电路的输出连接到DSC的集成12ADC模块。本示例利用了Microchip TechnologydsPIC DSC。该设计中使用的dsPIC33FJ128GP802使开发人员能够利用其集成的DSP功能和Microchip的数字滤波器设计工具。

在每个LED的导通时间段内采集一个ADC样本,在两个LED的关断时间段内采集一个ADC样本。由于通过有机组织进行基于光的测量存在挑战,因此使用了滤波器设计工具来实现513阶数字FIR带通滤波器,该滤波器可对ADC数据进行滤波。然后,将这些滤波后的数据用于计算脉冲幅度。