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TheWorldLeaderinHighPerformanceSignalProcessingSolutions脉搏血氧仪介绍脉搏血氧仪一览u人类需要在整个身体内保持连续氧气供应才能维持生命。这个功能是由血液中的红细胞完成的。u脉搏血氧仪采用无创式技术测量血液中的氧气含量。u脉搏血氧仪测量的对象更准确地叫法是血氧饱和度，即所谓的SpO2。u测量得到的是单个数字结果，代表了实际含氧量与全氧饱和度的比值，用百分比表示。什么是“脉搏血氧仪”？红细胞u直径大约6至8um，厚2umu每个细胞寿命为100至120天，然后再生。u这些细胞主要是由骨髓产生的，每个细胞需要7天时间才能生成u在健康的成人体内，这些细胞的生产速度是200万个/秒（生产受荷尔蒙EPO的刺激）u每个成人有20至30万亿个红细胞。男人要比女人多约20%u它们的功能是将氧气从肺运送到各个细胞。每个红细胞在体内循环一次约需20秒原始血样经过离心机分离后的血样u在肺部，氧气附着在受红细胞约束的蛋白质上，称为血色素（符号Hb)u血液中的血色素有两种形态：u氧合血红蛋白(HbO2)u还原血红蛋白(Hb)u高度饱和的血色素分子包括4个氧分子什么是“脉搏血氧仪”血氧饱和度,SpO2=HbO2x100HbO2+Hb%•典型的健康值为90至100%，但可以低至60%测量原理•氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性•还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线。•氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。•这个区别是SpO2测量系统的最基本依据。波长(nm)吸收如何测量人体对红光和红外光线的吸收？•红色和红外线发光二极管位置相互靠得尽可能近，发射的光线可透过人体内的单组织点。•先由响应红色和红外光线的单个光电二极管接收光线，然后由互阻放大器产生正比于接收光强的电压。•红色和红外LED通常采用时间复用的方式，因此相互间不会干扰。环境光线经估计将从每个红色和红外光线中扣除。•测量点包括手指、脚趾和耳垂。基本测量系统手指血管系统u由于心跳的原因，透过手指传送的光强是随时间不断变化的脉动式背景典型接收信号(“体积描记器”)LED驱动器uLED具有与整流二极管相似的IF－VF特性u各种LED的特性曲线稍有不同Ø曲线1：典型的低阻LEDØ曲线2：普通LEDØ需要更大的电流才能产生更强的光线Ø具有较低VF的LED更容易实现余量设计，并具有更低的功耗ØLED发射的基本上是单色光，可以用峰值波长λP表征Ø峰值发射波长是在最佳IF条件下规定的。这个值用作工作点。Ø频谱半带宽Δλ特别窄Ø因此，应该用恒定电流IF馈入LED以避免波长漂移Ø波长将随温度变化而发生漂移，漂移量取决于具体LED类型LED光特性接收侧互阻放大器（TIA）12光电二极管的电流－电压特性13电路等效模型14ØIL:入射光产生的电流ØID:暗电流ØCJ:结电容ØRSH:并联电阻ØRS:串联电阻ØI’:并联电阻电流ØVD:二极管上的电压ØIO:输出电流ØVO:输出电压15噪声考虑16v光电二极管总噪声))(11()42(__FSHFSHBPphotodiodenoiseoRRRRBTkBIqV++=v运算放大器噪声22__)])([()]1()[(FnSHFnopampnoiseoRBiRRBeV++=v反馈电阻热噪声FBRnoiseoRBTkVF4__=IfRin(RSH+RS),andRSHRS,then….噪声公式17u保证光电二极管与TIA良好匹配的第一个条件是：噪声与噪声比1:1__________+==FRnoiseoopampnoiseophotodiodenoiseoTIAnoiseophotodiodenoiseoVVVVVNNRu例如：AWAWRIPPPmmfll5/5.010min=×=×=Ω=Ω=Ω=MRRMRIfFSSH1;100;100:))(25.1(__BHzVVphotodiodenoiseom≈18放大器en(nV/√Hz)in(pA/√Hz)Vo_noise_TIA(μV/√Hz)PD/TIANNRAD7970.9220.6ADA4004-41.81.21.21.0OP2730.40.423.0OP1134.70.40.423.0AD861060.0050.139.8OP11777.90.20.245.3AD820160.0180.139.6AD8065110.0010.139.7AD8067100.00060.139.719u保证光电二极管与TIA良好匹配的第二个条件是：信噪比1:1______+=TIAnoiseophotodiodenoiseoTIAIoVVVSNRPu由光电流IP产生的运算放大器输出电压：VRRRIVFSHFPTIAIoP95.4)()11(__=+=20放大器en(nV/√Hz)in(pA/√Hz)Vo_noise_total(μV)@BW=100HzPD/TIASNRdB@BW=100HzBITS精确系统@BW=100HzAD7970.922410616ADA4004-41.81.21710918OP2730.41311118OP1134.70.41311118AD861060.0051311218OP11777.90.21311218AD820160.0181311218AD8065110.0011311218AD8067100.00061311218ADISpO2演示系统血氧仪框图ADuC7024ARM7TDMIMCU45MIPSFlashCode&DataMemory62KBytesSPI/I2CWatchdogTimerSupplyMonitorTimers/CountersRAM8KBytesJTAGEmulationUARTSerialDownload16Bit3-PhasePWMBandgapReferencePLATemperatureMonitorDACCOMPARATORVREF12bitADC1MSPSMUX12bitDAC12bitDAC30GPIOOnChipOscillatorPLLADuC7024优点u低成本l血氧仪芯片和一些模拟器件的成本要低于完整血氧仪OEM模块的成本u更高的技术性能l通过横向对比发现，血氧仪芯片具有出色的低灌注和自发抗干扰性能。u灵活性l可以通过固件的定制满足用户应用需求。通过改变固件可以处理任何类型的通信、显示和操作接口。还可以改变血氧仪算法的参数来满足特殊应用需求，如睡眠研究、家庭遥测等。u具有小外形尺寸的单板解决方案l解决方案是单颗芯片，只需很少量的前端调节电路，因此整个设备体积会非常小。低灌注（血流）性能结论：ADI解决方案具有最佳性能PerfusionPerformanceComparison00.050.10.150.20.25ADI/ITECCompACompBCompCModelPerfusionADI运动干扰性能样本初次测试图案ADIA公司B公司C公司通过通过失败失败运动干扰