在医疗应用领域,脉搏检测是一项常规测试。血氧饱和度Spo2指标能够显示病人的氧循环和呼吸循环系统状况,同样是一项重要的生理指标。现在,利用半导体电子设备,我们只需要在身体表面进行简单的接触式测试,就可以在短时间内得到这两项数据。检测设备本身也非常便携。本文简单介绍一下其检测芯片的原理。

脉搏即是心跳。每次心跳会将血液输送到全身。传统的触诊(压力)和听诊(声音)所利用的信号不适合于利用小型电子设备检测。在电子检测中,采用监测光线变化的方式来获得心跳数据。 enter image description here

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每次心跳,血液被心脏挤压到身体终端血管,血液浓度增加,血管变形。同时由于血液内的含氧量变化,其颜色同样发生变化。因此,利用芯片内部LED发出光,并检测反射光,就可以检测到周期性的变化,从而得到脉搏数据。

血氧饱和度指标Spo2,其含义为血液中被氧结合的氧合血红蛋白(HbO2)的容量占全部可结合的血红蛋白(Hb,hemoglobin)容量的百分比,即血液中血氧的浓度。在上图中可以看到,HbO2和Hb在IR(红外光)和红光照射下其反射系数有很大的差别。因此,可以利用两个光谱下获得的反射系数来计算得到Spo2指标。 这样,一次检测就可以同时得到脉搏和Spo2数据。

在检测芯片内部,大致结构如下图: enter image description here 芯片内部含有一个或多个(不同波长的)LED。控制器控制LED周期性的发光,检测二极管检测反射光线强度。信号(放大后)进入ADC。 采样到的一个典型脉搏波形可能是这样的: enter image description here 部分图片来自网络

控制器控制LED发光和关断。脉搏产生的反射变化如顶部瞬态波形所示。可以通过时序控制跳过检测的瞬态不稳定时间。得到波形后可以通过检测脉冲的周期得到脉搏。 检测Spo2需要得到AC波形的峰峰值。一般做两次光照,常规光线和红外光,获取峰峰值后进入数字逻辑计算。 一个问题是反射信号有很大部分是DC信号。DC信号主要来源于环境光,并且随着接触介质,个体差别,人的行动等等因素而变化。一般我们需要的反射信号不到DC信号的1%。因此,消除DC信号是决定检测精度的重要部分。消除DC信号可以通过关闭发光LED的周期进行采样进行。 由于脉搏信号的频率较低,ADC一般只需要工作在<1KHz频率,同时需要很好的消除噪声特性。这是一个很适合Sigma-Delta ADC的应用。后续的滤波可以放在逻辑部分进行,包括消除AC电源噪声等。 另一个需要考虑的因素是,Spo2的计算需要随着温度变化而变化,因此在芯片内部会内置一个温度检测单元。

数据会通过SPI或者I2C等数字接口通过电缆输出到主机。在更新的设计中也可以通过蓝牙等接口直接无线发送数据。