設計更方便、耗電量更低的醫療設備比以往任何時候都更加重要。本文介紹了 SpO 的基礎知識2測量并演示新一代光學模擬前端 （AFE） 如何幫助創建更好的血氧儀。新器件可以降低設計復雜性，減輕機械設計負擔，并降低功耗。

介紹

傳統上，外周血氧飽和度（SpO2）是在手指或耳朵的身體外圍進行的測量，最常見的是使用夾子裝置來確定氧飽和血紅蛋白與總血紅蛋白的比例。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。正常 SpO2健康成人的水平從95%到100%不等。低于此范圍的水平表明一種稱為低氧血癥的病癥。這意味著身體沒有運輸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。幾種疾病會導致血氧不足，可能需要在家中或臨床環境中進行連續或間歇性監測。

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SpO的條件2監測包括哮喘、心臟病、慢性阻塞性肺病、肺病、肺炎和 COVID-19 誘發的缺氧。

確定有癥狀的COVID-19患者是否需要住院治療的方法之一是監測其SpO2水平。如果這些水平低于基線數字（通常低于92%），則需要將其檢查到急診室。

COVID-19與缺氧之間的最近聯系

最近，COVID-19 患者被診斷出患有一種特別隱蔽的疾病，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，靜默缺氧會對身體造成嚴重損害。國家生物技術信息中心網站上的一篇文章1指出：“在COVID-19患者開始出現呼吸急促之前檢測出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氣道在睡眠期間部分或完全阻塞。這可以觀察到呼吸長時間停頓或淺呼吸導致暫時缺氧。如果隨著時間的推移不治療，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1%至6%的成年人口。

現在和將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SpO的情況下2，手指和耳朵以外的監控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的理由更加引人注目。

本文將解釋SpO的一些基本原則2測量并推出ADI最新一代光學AFE，ADPD4100和ADPD4101，可降低醫療級SpO的設計復雜性2設備。內置高性能自動環境光抑制功能，減輕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，以確定患者SpO的細微變化2高效水平。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。

什么是血氧飽和度？

氧飽和度是血液中氧飽和血紅蛋白占總可用血紅蛋白的百分比。測量血氧飽和度的金標準是心房血氧合測量，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。校準部分對此進行了更深入的介紹。

SpO2是使用脈搏血氧儀測量的身體外圍的氧飽和度水平的估計值。直到最近，測量氧飽和度的最常見方法是使用位于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吸收氧合血紅蛋白（HbO）中的光2）和脫氧血紅蛋白（RHb）在特定光波長下顯著不同。圖1顯示了HbO的消光系數2、Hb 和高鐵血紅蛋白 （MetHb） 在可見光和紅外光譜中。消光系數是衡量化學物質在給定波長下吸收光的強度。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在紅外波長處吸收更多的光，這使得更多的紅光通過比HbO更多的紅光2.

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）和一個反射式或透射式配置的光電二極管 （PD） 組成（見圖 4）。脈搏血氧儀將脈沖紅色 LED 并測量 PD 上產生的信號。 對紅外 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。這將產生兩個波長的光電容積脈搏波（PPG）信號。

圖1.光通過血紅蛋白的消光因子。

圖2.基本脈搏血氧儀電路。

信號包含直流和交流分量。直流分量是由于恒定的反射物質，如皮膚、肌肉和骨骼以及靜脈血。當身體處于靜止狀態并且運動不是一個因素時，AC成分主要由來自動脈血液脈動的反射光組成。AC成分取決于心率和動脈厚度，收縮壓（泵）中的反射光或透射光多于反托邦（松弛）。在收縮期，血液從心臟泵出，這會增加心房血壓。血壓升高會擴張動脈并導致心房血容量增加。血液的增加導致光吸收的增加。舒張期血壓下降，因此光的吸收也會下降。圖3顯示了由心臟跳動引起的舒張期谷和收縮壓峰值。

比爾-朗伯定律解釋說，光在通過吸收性物質傳播時呈指數衰減。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度與以下因素相關：

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）。我舒張等于標記為 d1 的直流分量。

圖3.通過組織的光衰減。

通過計算PPG信號的AC和DC，我們能夠確定由心臟泵血引起的心房血液吸收變化-α.d2，而沒有其他組織的貢獻。

AC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。基于 PPG 的心率或 SpO 的目標2測量系統是為了提高交流與直流的信號比。

PI = 交流/直流

紅外和紅色波長的灌注指數可用于計算比率（RoR），即PI紅到 PL紅外.由于給定波長的光吸收與

理論上，RoR可以代入以下公式來計算SpO2:

地點： E二氧化二氧乙烷，紅色= HbO 的消光系數2在 600 nm 處，E二氧化乙烷，二氧化氫= HbO 的消光系數2在 940 nm 處

ERHb，IRED= RHb 在 940 nm 處的消光系數，ERHb，紅色= RHb 在 600 nm 處的消光系數

然而，不能直接使用比爾-朗伯定律，因為每個光學設計中都有許多可變因素會導致RoR到SpO的變化2關系。其中包括機械擋板設計、LED 到 PD 間距、電子和機械環境光抑制、PD 增益誤差等等。

從基于 PPG 的 SpO 中獲得臨床級準確度2脈搏血氧儀，必須為RoR和SpO之間的相關性開發查找表或算法2.

校準

需要校準測量系統以開發高精度SpO2算法。校準 SpO 的步驟2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。

The SpO2測量系統只能與參考一樣準確。參考選項包括醫用級指夾式脈搏血氧儀和黃金標準共血氧儀。共血氧儀是一種測量血液氧飽和度的侵入性方法，具有很高的準確度，但在大多數情況下不方便給藥。

校準過程用于生成根據光學SpO計算的RoR值的最佳擬合曲線2設備到共同血氧儀SaO2測量。該曲線用于生成用于計算SpO的查找表或方程2.

所有 SpO 都需要校準2RoR的設計取決于許多變量，例如LED波長和強度，PD響應，身體位置和環境光抑制，這些變量因設計而異。

增加的灌注指數以及紅光和紅外波長上的高交流動態范圍將提高RoR計算的靈敏度，從而返回更準確的SpO2測量。

在缺氧研究中，需要記錄 200 次等距間隔在 100% 和 70% 血氧飽和度之間的測量值。受試者的選擇具有各種膚色，年齡和性別分布相等。膚色、年齡和性別的這種變化解釋了個體分布導致不同的灌注指數結果。

透射式脈搏血氧儀的總誤差必須為 ≤3.0%，反射式配置的總誤差必須為 ≤3.5%。

設計注意事項：

透射式與反射式

PPG信號可以使用透射式或反射式LED和PD配置獲得。透射式配置測量通過身體部位的非吸收光。這種配置最適合手指和耳垂等區域，在這些區域，測量受益于這些身體位置的毛細血管密度，這使得測量更穩定、重復，并且對位置變化不太敏感。透射式配置使灌注指數增加 40 dB 至 60 dB。

當 PD 和 LED 必須并排放置以保持實用性時，例如使用腕戴式或胸部佩戴式設備時，會選擇反射式 PPG 配置。

圖4.指示燈-PD 配置。

傳感器定位和灌注指數

在手腕和胸部定位需要PPG AFE中的更大動態范圍，因為由于靜態反射組件（如皮膚，脂肪和骨骼）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SpO中的不確定性2算法。腕戴式 SpO 的典型 PI 為 1% 至 2%2傳感器，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。

增加此間距可降低反向散射和串擾的影響，但也降低了電流互感器比（CTR），即LED輸出到PD返回電流。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 具有降低 1/f 噪聲對整體信號的貢獻的好處。通過對LED進行脈沖處理，還可以在接收側使用同步調制來消除環境光干擾。對多個脈沖進行積分可增加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，用于血流有限的場所。選擇綠色 LED 是因為它們對運動偽影的高抑制。2然而，這是以電力為代價的。綠色LED具有比紅色和紅外更高的正向電壓，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。

作為 SpO2需要多個波長，大多數系統仍然為HR PPG集成高效綠色LED，這是HR和SpO最常見的配置2PPG系統是一個由多個PD包圍的單個綠色、紅色和紅外LED陣列，如圖5中的ADI VSM手表所示。PD 到 LED 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，以驗證我們的HR PPG和SpO最有效的PD到LED間距2測量。

運動偽像

運動偽像是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，這存在于PPG信號上，因為光子的吸收或反射與物體靜止時不同。

對于覆蓋無限長的深層組織樣品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而導致的偽影。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并為運動偽影提供濾波。

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。 簡單的帶通濾波技術不能用于消除PPG信號中的運動偽影。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的運動數據。為此，ADI公司開發了ADXL362 3軸加速度計。該加速度計提供 1 m g 分辨率和高達 8 g 的范圍，在 100 Hz 時功耗僅為 3.6 μW，采用 3 mm × 3 mm 封裝。

ADI解決方案：ADPD4100

脈搏血氧儀的定位帶來了一些挑戰。腕戴式 SpO2器件帶來了額外的設計挑戰，因為目標交流信號僅占PD上總接收光的1%至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公司已通過ADPD4100解決了這一問題。

ADPD4100和ADPD41001可實現高達100 dB的SNR。這種增加的動態范圍對于測量SpO至關重要2在低灌注情況下。這款集成式光學 AFE 具有 8 個板載低噪聲電流源和 8 個獨立的 PD 輸入。數字時序控制器具有 12 個可編程時隙，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的一個關鍵優勢是SNR/μW的增加，這是電池供電連續監測的一個重要參數。通過增加AFE動態范圍，同時降低AFE電流消耗，解決了這一關鍵指標。ADPD4100現在的總功耗僅為30 μW，用于75 dB、25 Hz連續PPG測量（包括LED電源）。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。使用4 V LED電源進行連續PPG測量時，系統總功耗為1 μW，將返回93 dB SNR。

自動環境光抑制功能減輕了主機微處理器的負擔，同時實現了 60 dB 的光抑制。這是通過快至1 μs的LED脈沖與帶通濾波器一起抑制干擾來實現的。在某些工作模式下，ADPD4100會自動計算光電二極管暗電流或LED關斷狀態。在ADC轉換之前，從LED導通狀態中減去該結果，以消除環境光以及光電二極管內的增益誤差和漂移。

ADPD4100支持EVAL-ADPD4100-4101可穿戴評估套件以及ADI生命體征監測研究手表。該硬件無縫連接到ADI Wavetool應用，以實現SpO的生物阻抗、ECG、PPG心率和多波長PPG測量。2發展。

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

圖6.ADPD410X 框圖。

圖7.ADPD4100 同時進行紅色（右）和紅外（左）PPG 測量。

ADI替代解決方案

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是一款完整的模塊，集成了一個紅色660 nm LED和880 nm IR LED，以及四個PD，采用2.8 mm×5 mm封裝。LED 和 PD 之間的間距已經過優化，可為 SpO 提供最佳的信噪比2高精度 PPG 測量。該模塊允許用戶快速跳過與LED和PD布局和間距相關的設計挑戰，以實現最佳的功率噪聲比。ADPD144RI經過機械優化，可盡可能減少光串擾。這提供了可靠的解決方案，即使傳感器放置在單個玻璃窗下也是如此。

ADPD1080是一款集成式光學AFE，具有三個LED驅動通道和兩個PD電流輸入通道，采用17引腳、2.5 mm×1.4 mm WLLCSP封裝。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。

審核編輯：郭婷