脉搏血氧仪

概述

脉搏血氧仪检测血流中的血氧饱和度。由于血氧饱和度能反应心、肺等早期医疗问题,所以该读数作为一项通用健康监测指标非常有用。

其工作原理基于血液中的血红蛋白对光的吸收特性。氧合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。

对反射的光信号进行算法处理,确定血氧饱和度。大多数脉搏血氧仪显示检测到的血氧水平和脉搏。有些产品提供记录功能,有些产品则提供无线功能,与主机进行通信,以用于较大的显示屏。

旧式产品采用连接至脉搏血氧仪主机的传感器电缆。现代化设计在单机内即将信号数字化,在许多情况下不再需要主机。现代化设计也提供标准化无线接口选件,例如低功耗蓝牙,向平板电脑或智能手机等捕获或显示设备发送数据。

现在,高精度消费级脉搏血氧仪的价位适中、功能丰富,例如数据记录功能。记录功能支持监测血氧水平(比如检测睡眠呼吸暂停),以及支持跟踪心率随时间的变化,有助于确定是否患有某些心脏疾病。

关于如何设计现代化脉搏血氧监护仪的更多信息,请点击“设计注意事项”、“电路图”和“框图”标签。


从模拟设计角度看,最具挑战性的设计部分是构建光发送器和检测电路。一般要使用两种波长的光信号——红外光和红光,所以需要两个发送器和两个检测器电路。此外,两个LED中每次只有一个点亮;该功能内置在控制电路中。微控制器准确接收到信号后,内部算法对信号进行处理,以确定血氧指标和心率。

LED发送和接收通路


可以想象,由于接收信号非常小,就要求设计的检测电路具有极高准确度和精度。现在,大多数高容量脉搏血氧传感器采用高度集成的电路,其中包含支持两种波长的发送LED和光电检测器。传感器的来源较多,在单片IC中提供完备的检测和数字转换功能。除非设计要求超出了标准脉搏血氧仪应用,最好是选择带有数字输出的集成光传感器。

对于需要设计自身传感器信号链的用户,以下示意图可提供一定的指导。

Figure 1. Simplified red and infrared LED bias and control circuit.

该驱动器设计支持通过设置DAC来方便地设定驱动电流。两个相位信号为数字开、关信号,控制LED的导通和关断。更多信息请参考应用笔记4671: Improve Sensor Performance and SNR in Pulse Oximeter Designs

Figure 2. Simplified photodiate receive path circuit.

图2中,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。然后,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要求的数字处理,具体取决于不同的制造商。

由于LED的光学特性会随时间变化发生漂移,脉搏血氧仪内置校准方法非常重要。

产品选择

MAX30100是集成的脉搏血氧仪和心率监测仪传感器方案,集成两个LED、一个光电检测器、优化的光学元件以及低噪声模拟信号处理,以检测脉搏血氧和心率信号。

请参考框图中的产品推荐。

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微控制器


微控制器的选择取决于所需的模拟功能和精度,后者又取决于传感器信号链的结构——是否为带有数字输出的单芯片传感器,或者具有定制模拟信号链的专用传感器。如果来自于传感器的输入为串行数字输入,那么较低成本的处理器,比如低功耗、32位ARM控制器,就足够了。如果设备中包括显示屏,其他需要考虑的功能还有显示屏驱动能力。

产品选择

MAX32600微控制器基于行业标准的ARM® Cortex®-M3 32位RISC CPU,工作频率高达24MHz。器件包括256KB闪存、32KB SRAM、2KB指令缓存,以及集成的高性能模拟外设。如果需要在单片微控制器中集成极高精度的模拟处理能力,以满足产品尺寸要求,这款产品就非常合适。

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电源


根据设计的不同,移动或可穿戴设备将由单节Li+电池供电,或通过“壁式”变压器由电网采用较传统的方式供电。

对于移动或可穿戴设备,电源将可能只包括电池(可更换)或可充电电池与微型USB端口的组合,USB端口用于充电或传输数据。

无论哪种情况,均通过独立的降压型、升压型或LDO电压转换器提供电源。

产品选择

MAX14676/MAX14676AIC为电池充电管理方案,可理想用于低功耗可穿戴应用。器件包括线性电池充电器,带有智能电源选择器、ModelGauge™电量计和多种经过功率优化的外设。器件具有超低功耗buck调节器,静态电流仅为900nA (典型值),10μA输出时的效率高达74%。

关于更多设计信息,请参考右侧所列的应用笔记、“电路图”标签中列出的电路,以及“框图”标签中列出的方框图。

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3.5V至36V、2A/3A、同步Buck转换器,15µA静态电流和低EMI

MAX17242

工作可靠(42V输入瞬态保护)、长电池寿命(15µA IQ)和EN55022 EMI性能

2.75V至4.8V输入、10mA输出、35µVRMS 超低噪声和纹波升压调节器

MAX77231

小尺寸升压器,纹波和噪声仅35µVRMS

300mA、降压转换器,1.1μA IQ

MAX77596

小尺寸、同步降压转换器,内置开关。在3.5V至24V输入电压时,可提供高达300mA电流,而空载时的静态电流仅为1.1μA。

0.4V至5.5V输入、同步升压调节器

MAX17222

提供300nA IQ、95%峰值效率,方案尺寸减小高达50%

RTC Integrated Pulse OX Sensor µC Buttons Backlight ESD Protection Multi-Rail PMIC with Battery Management Battery Authentication 脉搏血氧仪框图
Type Part Number Title
Evaluation Board MAXQ622-KIT Evaluation Kit for the MAXQ622
Evaluation Board MAX9945EVKIT Evaluation Kit for the MAX9945
Evaluation Board MAX9940EVKIT Evaluation Kit for the MAX9940
Evaluation Board MAX9939EVKIT Evaluation Kit for the MAX9939
Evaluation Board MAX5134EVKIT Evaluation Kit for the MAX5134, MAX5135, MAX5136, and MAX5137
Evaluation Board MAX2830EVKIT MAX2830 Evaluation Kit
Evaluation Board MAX1162EVC16, MAX1162EVKIT Evaluation System/ Evaluation Kit for the MAX1162 and MAX1062