血氧濃度是醫療院所最常記錄的生命體征指標之一，是血液中血氧飽和血紅素在總血紅素所占的比例。測量血氧濃度的黃金標準是量測動脈血氧濃度SaO2，然而這種方法需要在實驗室對血液樣本進行血液氣體分析。末稍血管血氧濃度(SpO2)是使用脈搏式血氧儀測量身體末稍部位量測到的血氧濃度。

許多身體病狀可能造成低血氧，其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎重癥等，因此可能需要在住家或醫院進行持續或間歇性監視。患有低血氧的人可能出現頭昏、感知混淆、呼吸費力或急促、以及頭痛等癥狀。

傳統上， SpO2都是在手指或耳朵這些身體末稍部位進行測量，通常會用夾具設備來判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值，來判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環機能好壞。健康成年人的血氧飽和度正常值介于95%到100%之間，低于這個區間的代表低血氧(hypoxemia)，便意味著身體無法輸送足夠的氧氣來維持健康器官與感知功能。如果這些量測值低于基準數(通常低于92%)，病患就需要住進急診室。

隱形缺氧推動臨床級便攜血氧儀開發隱形缺氧可能在沒有出現任何典型呼吸道癥狀下就對身體造成嚴重傷害，能夠在病患出現呼吸困難病征之前及時偵測出這類隱伏形態的缺氧，對于遏止肺炎發展至危險程度至關重要。血氧濃度監視是診斷睡眠呼吸中止癥(Sleep Apnea)的重要指標。阻塞性睡眠呼吸中止癥會在睡眠期間導致呼吸道部分或完全阻塞，這會導致肺部停止呼吸或一段時間淺呼吸，造成暫時性缺氧。如果長期沒有治療，睡眠呼吸中止癥可能增加心臟病發、中風、以及過度肥胖的機率。據估計1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止癥。

隨著病患照護的趨勢朝向便攜式以及家用監視發展，業界需要開發適用的生命體征監視設備，而不會妨礙使用者的日常生活作習。在血氧濃度方面，針對手指與耳垂以外的部位進行監視，會衍生許多設計挑戰。隱形缺氧癥狀的出現便促使業界開發更高便攜性的臨床級脈搏式血氧儀。

基于光學信號分析的脈搏血氧儀脈搏血氧測定使用紅光（通常為660nm波長）和紅外（IR）LED（通常為940 nm波長）。脫氧血紅蛋白主要吸收660nm波長的光，而氧合血紅蛋白主要吸收940nm波長的光。光電二極管感知未被吸收的光，然后將感知到的信號分為直流分量和交流分量。直流分量代表組織、靜脈血和非搏動性動脈血引起的光吸收，交流分量代表搏動性動脈血，可計算SpO2的百分比。

最基本的脈搏式血氧儀包含兩個LED(一個紅光660納米LED以及一個紅外線940納米LED)，以及一個光二極管(PD)設置成反射或透射組態。脈搏式血氧儀會發出紅光LED脈沖，并在PD上接收到信號。在紅外線LED上重復上述程序，最終會歸納出兩個LED在任何外部環境光源的量測基準值。這種方法會產生兩種波長的光體積變化描記圖法(PPG)曲線圖。

圖1 血氧量測儀基礎電路圖

信號中含有直流與交流元素。直流元素是由持續反射物體造成，像是皮膚、肌肉、骨頭、以及靜脈血液。當身體休息時，動作產生的影響就比較小。交流元素主要為動脈血液搏動所反射的光，取決于心律以及動脈血管厚度，在收縮(血泵)時反射或穿透的光量高于異位(舒張)狀態。在收縮階段，血液從心臟泵出，進而提高動脈血管的血壓。增加的血壓會擴張動脈，導致動脈血量增加，增加的血液會造成吸收光量提高。舒張階段血壓下降，吸收光量也隨之減少。下圖顯示心跳造成的舒張以及心縮期高峰。

圖2 經過組織的光衰減

借助計算PPG信號的交流與直流數據，我們能推算動脈血液中吸收光的變化，它是由心臟泵出血液造成，沒有其他組織造成的影響。要開發高精準度血氧濃度算法，對量測系統進行校正是必要的動作。要校正血氧濃度系統，必須完成一項研究，由醫療專業人員針對病患血氧值透過醫療方法進行降低、監視以及觀察，這種程序稱為缺氧研究。SpO2測量系統的精準度可能僅能作為參考點，參考選項包括醫療級指夾式脈搏血氧計，以及黃金標準的CO血氧計。CO血氧計屬于侵入式量測法，測得的血氧飽和度有極高的精準度，但大多數狀況下量測并不便利。

圖3 ADI 體征信號監測手表V4、隔板、以及LED PD數組

以ADPD144RI與ADPD1080

實現手指與耳垂血氧監測

手指與耳垂SpO2讀數是最容易的設計，因為信號噪聲高于手腕與胸部位置，兩處的骨頭與組織較少，進而減少直流元素的影響。基礎測量方法是光學性的，測量使用來自最多三個LED的短脈沖信號。LED電流最高可達370mA，最小脈沖寬度為1μs。LED的最佳波長根據測量位置和測量方法來選擇。手腕上只能測量表面動脈，故而選擇綠光，耳朵則不同，可以使用紅外光，從而獲得更大的穿透深度和更高的SNR。光電二極管(其探測面積與其響應度直接相關)用于測量反射光。因此，它會同時測量信號和背景噪聲。下游模擬前端提供更高的SNR，它用作信號濾波器，將檢測到的電流轉換為電壓，進而轉換為數字形式。除反射測量外，算法還包括用于通過加速度計濾除運動偽像的校正。

針對這類應用， ADPD144RI模塊與ADPD1080是適合的組件產品。ADPD144RI是一款高度集成的光度學前端，它已進行優化，可通過同步檢測紅光和紅外線波長，對血氧飽和度進行光學體積描記法 (PPG) 檢測。同步測量能以極低的功耗消除直流和交流環境光干擾。

該模塊將高效的LED發射器和靈敏的4通道深擴散光電二極管（PD1 至 PD4）與自定義ASIC組合在一個緊湊封裝中，并在集成LED發射器和檢測光電二極管之間提供光學隔離，以提高穿透組織的信噪比。ADPD144RI包含一個4通道模擬前端 (AFE)（具有兩個可獨立配置的數據路徑，各有單獨的增益和濾波器設置）、一個具有脈沖蓄能器的14位ADC、兩個可獨立配置的靈活LED驅動器和一個數字控制塊。該數字控制塊提供AFE和LED時序、信號處理和通信。數據輸出和功能配置均通過1.8V I2C接口進行。

ADPD1080是一款整合式光學模擬前端組件，擁有3個LED驅動信道以及2個PD電流輸入通道，提供17-ball的2.5mm×1.4mm WLLCSP封裝。這款模擬前端組件適合進行客制化設計，開發機種空間有限的低信道數PPG產品。

基于ADPD4100的便攜多生命體征參數監測脈搏血氧儀的測量使用位置會衍生許多挑戰，腕帶式SpO2設備則會衍生額外的設計挑戰，因為目標交流信號僅是PD總接收光的1%到2%。為達到醫療級認證以及分辨氧合血紅素的微幅變化，需要更高動態范圍的交流信號。要達成這個目標，可降低環境光干擾以及減少LED驅動器與AFE噪聲。ADI 為解決這項問題開發出ADPD4100。ADPD4100與ADPD4101可達到100 dB信號噪聲。對于低灌流狀態下測量SpO2，提高動態范圍非常重要。這款整合式光學模擬前端組件有8個板載低噪聲電流源，以及8個分立PD輸出端。數字時序控制器有12個可編程時序插槽，讓使用者能定義各種PD與LED程序，搭配特定LED電流、模擬與數字濾波、整合式選項以及時序限制。

ADPD4100背后有EVAL-ADPD4100-4101穿戴評估套件以及ADI生命體征監視研究手表提供支持。這款硬件能無縫鏈接到ADI Wavetool程序，執行生物阻抗、ECG、PPG、以及多波長PPG量測，協助SpO2產品研發。研究手表為ADPD4100內嵌自動增益控制(AGC)算法，能調節TIA增益與LED電流，為所有選用的LED波長提供最合適的交流信號動態范圍。

圖4 光學模擬前端方案ADPD410X 模塊圖

本文小結隨著電子技術的不斷發展以及云計算、物聯網和5G等通信技術的創新突破，數字醫療也得到了廣泛應用和迅速發展。生命體征監測(VSM)功能已越來越多地內置于手機、手表、耳機和其他智能可穿戴設備中，這些設備能夠測量各種生命體征和健康指標，例如體溫、心率、呼吸、血氧飽和度、血壓和身體成分等，同時由于優秀的功耗控制以及便攜的使用體驗，對身體進行24小時連續監測已成為可能。最近幾年，血氧飽和度檢測功能開始大規模出現在智能可穿戴設備上，不斷優化算法，提高血氧飽和度檢測數據的準確性，并以像智能手表、手環那樣全天候佩戴與監測，正在為人類的健康提供隨時隨地的生命安全護航。

原文轉自亞德諾半導體