脉搏血氧仪

概述

脉搏血氧仪采用非介入的方式测量或连续监测动脉血液中的氧饱和度，以确保血液中存在足够的氧，这种设备常用于处在麻醉状态的呼吸道疾病患者、新生儿以及重症患者。脉搏血氧仪通常把带有光电器件的指夹与手指、脚趾或耳朵相连，使光线穿过夹子一侧的皮肤，然后被另一侧的光电二极管吸收。测量氧饱和度所要求的动脉血流。大多数应用采用透射光学技术，有些则采用反射技术。

血氧仪类型

血氧仪具有不同的大小和形状，主要分为三个类别。高端设备为便携式床旁监护仪，具有可拆卸电缆，包括一个指夹，指夹内包含用于测量血氧饱和度的光学器件。这些设备专用于脉搏血氧仪，或监测各种生命体征，例如脉搏、血压、呼吸率和体温。这些高端设备需要高性能、低噪声信号处理通路，是总体设计的关键。电源是随之考虑的事项，因为监护仪大部分时间由市电供电，只有患者移动时才采用电池供电。尺寸不是设计的关键。中端设备通常为电池供电的手持设备，带有可拆卸电缆。性能仍然非常重要，但是需要在尺寸、功率约束方面进行折中。手持式设备总是由电池供电，具有容纳正常大小电池的空间。低端设备为指夹式设备，包括主机和连接指夹的电缆，指夹足够大，可包住手指并容纳电子器件和电池。小尺寸意味着可能需要牺牲性能以实现小巧紧凑的结构和预期电池寿命。

工作原理

其工作原理基于血液中的血红蛋白对光的吸收特性。氧络血红蛋白吸收的红外光比红光多，而脱氧血红蛋白吸收的红光比红外光多。因此，血氧仪中的红光和红外线LED交替发出光线，光电二极管接收没有被吸收的光信号。光电二极管接收到的红光和红外光的比值用于计算血液中含氧的百分比。根据动脉血流的脉动特性，测量期间还确定、显示脉搏速率和强度。

传感器电缆校准

脉搏血氧仪的传感器电缆可拆卸，往往是一次性的。由于制造公差或传感器版本不同，电缆内的LED和光电二极管的性能可能不同。在传感器电缆内安装非易失存储器(例如EPROM或EEPROM)，用其储存校准系数，从而改善脉搏血氧仪的性能。主机利用校准数据优化传感器的特定光学性能。由于传感器电缆的机电连接器引脚有限，系统设计人员必须以最小的互连增加校准功能。最简单、最可靠的方式是在电缆连接器上添加一个1-Wire存储器。1-Wire协议是经过验证的串行接口，只通过一个引脚将校准及其它功能添加至端口受限系统。另外，由于所有1-Wire产品均内置高ESD保护，设计人员无需采用外部保护二极管。1-Wire存储器的附加优势是其可以把更新或新算法传送至主机，从而提供现场更新的载体。通过对传感器电缆的授权管理，只允许使用经过验证配件，实现产品的售后管理。每台1-Wire设备均刻有唯一的64位识别码。通过写存储器锁定位，制造商可以控制要求更换传感器之前的使用次数。

更换传感器是出于安全考虑，即防止患者感染。

脉搏血氧仪方案

发送通道：驱动LED 
利用高精度电流交替驱动红光和红外光LED；每次脉冲交替的时间间隔称为静态时间。重复率不高，通常低于10kHz；占空比也很低，以维持较低的整体功耗，同时关闭两个LED时允许环境光测量。大部分时间LED均位于电缆的一端，所以系统设计人员倾向于利用主机电流驱动LED，这种方式降低了电流误差，所需连线较少，从而降低成本和重量。用于驱动LED的电流必须具有最小噪声，因为有用带宽内的任何噪声均会降低系统的信噪比(SNR)，降低测量重症患者低血氧水平的能力。现有的LED通常不适合该类应用，原因是其分辨率很难准确设置LED电流，因为它们所面向的背光照明环境不要求高分辨率。而且，如果LED驱动器采用开关拓扑技术，则电流噪声过高。可以使用带线性拓扑的LED驱动器，但是由于可编程电流分辨率不足，这种方式也不理想。利用主机电源单独驱动LED，因为每个LED共用GND。或者，为了节省连接器引脚和电线，LED可以采用背靠背或反向平行配置。

图1. 红光和红外光LED偏压和控制电路简化图

图1所示为采用两个数/模转换器(DAC)驱动电缆中两个LED以单独设置LED电流的方法。使用两个DAC的优势在于可以对其进行严格的滤波，以降低噪声，确保干净的输出。在拓扑结构中，完成DAC滤波之后进行LED调制。所有拓扑结构中，加载-感应(FS)配置中的运算放大器需具备低噪声和足够的带宽，以支持LED调制。使用一个DAC可以降低成本，但是如果噪声增加，则会影响性能。根据LED和光电二极管的特性，流经每个LED的峰值电流随每次脉冲的持续时间而变化。实际上，尽管各个设备采用的电流范围较窄，但是血氧仪的峰值电流从几十mA到几百mA不等。

接收通道：光电二极管接口、信号调制与数据转换 
光电二极管接收环境光以及红光、红外光LED经过调制的光信号，然后生成电流，电流经过长期测量以确定氧饱和度。通常利用互阻放大器(TIA)将光电二极管电流转换为电压。光电二极管收到的光信号中含有大量环境光，环境光对确定氧饱和度或脉搏没有用处。没有被组织、静脉血或动脉血吸收的少量红光或红外光是目标信号，这些信号会淹没在环境光中。

 
图2. 光电二极管接收通道电路简化图

图2所示为将光电二极管电流转换为电压，以用于信号调制和模/数转换的简化电路。该电路将红光和红外光信号一起转化，然后在数字域对其进行处理。可选择其它拓扑结构，利用同步解调将红光和红外光在模拟域分开。这种技术允许使用低速，但分辨率很高的模/数转换器(ADC)，但其检测移动影像的能力较差。TIA的主要技术指标是具有极低的输入电流、输入电流噪声和输入电压噪声以及高压工作。这些特性可以最大程度地提高SNR，以便在较强的环境干扰电流中检测到小的目标电流信号。高压工作意味着可以使用较大的反馈电阻，在利用高通滤波器去除环境电流之前，轻松地放大环境电流以及接收到的LED电流。随后，再对剩余的小电流信号进一步放大，使其达到ADC的动态范围。应采用可编程增益级，补偿变化的环境电流和光学器件老化。ADC的关键技术指标包括：高SNR和采样率。采样率应足够高，以捕获调制信号并执行所要求的数字处理，具体取决于不同的制造商。

显示和背光照明

如果临床血氧仪是多功能患者监护仪的一部分，则不要求单独提供显示器，使用患者监护仪宽屏彩色显示器即可。专用的脉搏血氧仪临床监护仪通常采用中等尺寸的彩色显示屏，或采用触摸显示屏以增强用户界面，减少按钮数量。手持产品采用简单的LED或LED段式显示屏，或更先进的点阵显示屏。

LCD显示，指夹式设备只有供小且简单的LED或LCD显示屏使用的空间和电源。

简单的显示屏可由微处理器的显示驱动器驱动；点阵或更高级的显示屏将需专用电路驱动。LED显示屏不要求背光照明，几个白光LED即可用于小型LCD显示屏的背光。

数据接口

大多数手持式或临床设备均可连接计算机。通常由医护人员或技术人员(而非患者)执行数据传输。早期数据接口通常采用RS-232，数据格式由厂商决定。近期的脉搏血氧仪数据接口正逐步转向USB口或无线(Bluetooth®、Wi-Fi®)接口，而且未来的血氧仪需要利用这些标准接口实现安全的数据传输。

音频报警

音频报警可以是简单的蜂鸣器，也可以是发出不同音调/声级的扬声器。简单的蜂鸣器可以由脉宽调制(PWM)处理器I/O口控制。更高级别的音频报警可以通过添加音频DAC以及扬声器放大器实现。

电源和电池管理

脉搏血氧仪需要产生各种电源电压。如果存在单独供电的低压处理器，则需要独立的模拟电源(3V)和多路数字电源(3V、1.8V)。鉴于功耗、裕量和噪声等因素，通常需要独立、干净的电源为LED(5V)供电。有时连接至光电二极管的TIA需要高压(+30V或-30V)供电以提高SNR，有些显示屏也需要高压供电。指夹式设备采用两节AAA碱性电池，而手持设备采用两节AA碱性电池或可充电电池。这两种设备均要求升压型开关稳压器、低压差线性稳压器(LDO)，有时还需要反相开关型稳压器。临床监护仪主要由市电供电，但使用锂离子(Li+)或镍氢电池(NiMH)作为可充电的备用电池，通常提供经过稳压的5V直流电压，所以电源设计与指夹式和手持式设备不同。

可充电电池需要配备电池充电器和电量指示器，如果电池可拆卸，则需要安全认证以保障安全性和售后控制。

静电放电

传感器电缆插头处的静电放电(ESD)是需要考虑的一个因素。利用专用的ESD线路保护器以及严谨的电路板设计和布局，可以解决上述问题。使用ESD保护接口，允许设计人员节省分离保护器件的空间和成本。如果血氧仪配有数据端口和打印机端口，这两个端口也需要ESD保护。外壳开口处的按钮和显示屏还要考虑气隙放电问题，具体取决于不同血氧仪的设计。

电路图

脉搏血氧检测插件

脉搏血氧仪