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脉搏血氧仪原理与全面解决方案本文导读脓持血制仪采用无创式技术m领中的氧气含量.测僦对我更准确的叫法是血触他和度,即SpO2.今天主要向大家介绍脉期血氧仪，一个是介绍脉搏血氧仪的工作原理；另外，面临在粕确测盘时候的挑战，也包括涔件选型，最后我们会有几张图片介绍AD1.的参考设计.什么是“麻播加氧仪”？疏绊皿ss经蒙55SsKaTIMiS尸R做过赛护血氧仪、指甲式加氢仪都清楚,监护仪里面是指有血氧的模块,还有比拟小的指甲式的，就是偏向于家用、个人用的，模式是不一样的。什么是脉掳血软仪？首先讲一下氧气，大家知道人需要找气活薪，氧气怎么样让人活下去？氧气在血液当中的红细帼，由红细腮通过动脉供养给毛细血管。脉搏血毓仪测盘的对于是血魁的饱和度,我们用SPO2,SpO2测量怎么出来？是代表实际含翻盘与全M饱和度的比t刚刚彳I1介绍氧气怎么样传递到人体各个器官、毛细血管，里面就是寿红细胞.红细胞其实很小,非常、非常小，我们这里列了尺寸，是68微米的且径，厚度是2微米，摊个细胞的寿命是100120天,会回收再生。这些细胞是骨It产牛.的,所以每个细脆需要7天的时间才能产生，跟电子不是直接有关.但如果不广解的话讲一讲还是有点意思.成人的体内细胞产生是舟秒钟4()0万个.我们H1.荷尔蒙EPO刺法,女生的.迈发动会注射这些激素，红细胞越妥携带氧气的能力越强，宽费的过程当中对没有注射的来讲是不公平的,所以在体育激素里面的故亦会听到，好个成人行20-30万亿红细胞，男人比女人多20%.主要功能是氧气从肺里面送到人体的器官,保证各个器官的工作，每个红细恂在体内的循环从肺出去然后再回来,大概儒要20秒的时间.A惬"*SpO2什么是“脉搏IiI氧仪”弼部，氧气附看有受组昭约束的生as±.底为工苞法符号HW液中的色水有两冷彩我氯合血红量白(HboJ还原值红蛋白(Hto)高度悒和的直色素分子包括个氧分子HM.X199tO,Hb型的句»能为90至100%包胃以低至60%什么是脉搏血就仪？在这个里面我们首先要1解一下HbO2的定义.在肺里面.红细胞是这样的.本身附器血红蛋白，符号是Hb.一种毡氯合血红蛋白，就是HhO2,还彳原血红蛋白，从动脉经过毛细血管回到颈脉的时候，敏分子脱落了。这是我红细胞，附带血红蛋白，里面包含四个男分子，是饱和的血红货白分子。血1的饱和度，典型值是健康人，这个值90%-100%比拟正常,但很多情况下跣到60%,这取决于很多因案.其中以用要的因索是病人身体的供血能力比拟差,HbO2的读值会下降.测量原理三111SSWtfStnSB？XWgatt外It的WS1.aA"不Mnanm.a1eB<iftff>nft*a<M¼rWMM<tt.仪$近*1季8"软夕的“*收*4CMMSpO,JMI*rru4KW三.测m的原理，我们食了最简单的例子，这也是城通常的情况，世界上大多数的血气仪都是毒这样的原理来做的,只是通过红光和红外光，两个波长值最常见，黄色的箭头就是指这条线，女原血红蛋白,也就是说血红蛋白不带氧分子的时候.对纣光的吸收比拟长.纵轴越高吸收强度越强.而红外光的吸收长衣比拟的.这是波长,所以横轴是波氏,纵轴是吸收长度.反过来看我们除了说复原血红蛋白以外，还有家合血红蛋臼，这是红色箭头指的，就是带有血红强白的，带有史分子的，对红光的吸收比拟弱，对红外光的吸收比拟强，我们说红光是660纳米，红外光是610纳米，用在血氧测附当中。发原血红蛋白和氧合If1.1.红蛋白.对不同光的区别差就是测盘血氧饱和度G根本的数据,这边强调一下,最常见的就是两个波长，实际上要做到更高的精度，除了两个波长以外还要增加.甚至高达8个波长,最主要的原因是人体血红蛋白除了及原血红击臼和气合血红蛋白之外，还有其他的血红蛋白，我们羟行见的是碳敏血红蛋白，更多的波长有利于你做的精衣更好。8波长己经在世界上有很多的产品，当然是偏高端的。基本测量系统UftWUMXW<ROPXra*W*50dC的3«，A立当Eo*A*r«+艮二*A女*大*产*W*+4*入*CQ任.ca*nEo三t三rmejrnb<i¥«4号丸将<69等M1.1.畲色q”外人根本测敬的阻理如卜，这是一个手指头,血氧的含量，泡和度的测量在手指测Ift是G多的，也可以在脚趾、耳朵，这是最常见的测玳血氧的地方，原理就是用红光和红外光发射，这两个要非常将近，保让他们在手指根本上非常接近的位置，可以保证检测的准确度.这本身对传感泰技术.皿也是挑战.红光和红外光是分开工作的,当红光工作的时候，红外光是关闭的,当光二极管是同一个,可以保证红光和红外光之间的工作非常干扰，刚刚讲由岗要非常近，保证在同一个身体殂织结构里面取得的信息，660nm940m手指血管系统rdkEmittersr'J11Vascu1.arVenOUSRetufn口"fcjPboto-OetectorIDetectorCapt1.anes-1这里讲测星点主要包括手指、脚趾和耳垂，我们讲是工作模式，发光体在这边,光电转换是另外一边.是穿透的.设计模式的时候不光对传感渊.对模式的挑战更大.刚刚讲到毛细血管,这是动脉.这是静脉口1液，刚刚只是把电路传出器的工作和Im液放在一起，所以你血流的时候，为什么叫熊献？因为power,当你彳i脉动的时候，走过毛细由管的时候把辄分子丢下了，回到这边是更原的血红蛋白。所以拉测的时候，红光和红外光都是一个光，一方面会受到组织结构的袁战，还有受到静肽血的袁诚，还有动脉的衰减.动脉有两个局部,一局都是存量的,总是在里面的由于心脏的脉动,有一局部脉动的If1.1.红蛋白,曲红蛋白会增加.典型接收信号（“体积描记器M）由于心跳的爆囚，透过手指传送的光S3加洞不断变化的把人体的血结构和传感器放在一起，我们看它们是怎么工作的.因为有心跳的原因，就是脉动了,通过手指传送的光强会不断的增大，我们说体枳描述湍.我刚刚讲/算法，就是组织结构手指头的肉、骨头、皮肤都会它造成吸收加膝Ih1.会对它造成吸收,动脓也会造成吸收.但动脉里面分为存量和豚动式的，如果测跳出来的数据是这样的图，所有体积描述器.我刚刚主要介绍了对血氧测量的根本原理和人体血液怎么携带氧原子，给人体供电.1.ED驱动器1.ED光特性1.ED£»处瑾本上晶单色就，可以用卜面讲一下1.ED和整流二极管的分析，我们再看后面的电路设计是怎么样的,如何选择元器件.这张图比拟简单.这是1.ED的工作电乐.这是辎出电流.正常来说需要比拟大的电流才能产生比拟强的光,当VF比拟小的时候,就是曲线比拟映的时候效率比拟高，功耗比拟低，1.ED更容易帮助你实现系统的设计能依，这只是一个概念，选1.ED根本的考虑，这里拿了厂家的型号做的例子，看1.ED光的特征。1.ED发射的单射光，用这个表征1.ED的特性，这个型号在这里，另外一个型号比拟信峥值发送波长是最正确条件下规定的,这个（ft用作工作点.版谱半带宽非常常,正常的情况下电流一定要做枪.If1.I怖桧定，防止发生波长的偏移，还有温度比拟稳定，否加么波长样会造成很大的偏移,这设计当中不光是1.ED的选择，还有系统设计考虑到散然.接收他互用放大器T1.A)12口瑞海刚刚讲到1.ED,待会涉及到光电二极管，光电二极管否那么是零但值,要么就是负压的，要确保很好的TIA,就是跨祖放大涔，确保可以符合光电：极管的指标，我In后面会做一些分析，来介绍怎么样选择T1.A,保证光电二极管的指标在系统里面得到友达.这是最常见的互阻放大器的结构.光电二极管的电流一电压特性13RfVERSERIASKtAKUOWNVO1.TAFORWARDBIAS电路等效模型1:入川光产生的心A1.t>:限电流ACj：络电H>RH：拼麻申Jn>R,：京电Jn>:M<,ffiAV:二做直上的电压X。：事出申及AV：”出电压他(3瑞部这里讲一下光电二极管的电流电压特性，我刚刚介绍了一般情况是负压的，加负压之后PO.PKP2是不同的光通盘的情况下工作曲线,横轴是电压,纵轴是电流,所以在不同的倒(ft电压下,工作电流不一样.这里标明了POp1.的负压情况下有电流盘的变化，这个电流最与什么有关系？光通信.一个是光通小，一个是光到电的转换率，就可以计算出数字了.这是光电：极管取荷单的原理，我们给了光电二极管的电路模？8,这个模型跟我们在大学里面学的像二极管一样，把它拆开了,拆成了电阻电流，这里面给很多参数.I1.是入射光产生的电流,ID是瞰电流,CJ是结电容.RSH是并联电阻,还有串联电阻、井联电阻电腌，二极管上的电压,输出电漉，输出电压，我的为什么要分到等效电路模型，就要被后面的噪声分析，让大家有时机分析噪声是如何奉献给整个系统的，哪些噪泮是很H1.要要考虑的，在选型和设计之中,唯声加上T1.A之后,这是光电二极管的等效电路，这是等项电阻和电熔.运放本身带来噪声,我们把三局部的噪声多字一些分析,计算它对系统的奉献我们就可以理解哪局部的噪声要特别小心.这里面当然有电压'电流的噪声，电压、电流噪声对系统带来什么共性，我们在图上面会介绍,也可以哪个指标变成非常困要.噪声公式IfR,11»(R.m4RJ.11dRr>>then.光电二极管总财运算放大器味声%-WG)a+急寸+ombxz)j反情电闲则噪声匕_m“j,4'kiTBRF1我们列了噪声计豫的工程,假设运放电阻非常大，黄设并联电阻比申联电阻大很多.-般情况下都是这样的.我们分光电二极管的噪声,光电二极管的噪声由两局部组成.一个是散粒噪声.分成两局部.这是光电二极管的映向结构.这个公示看起来比拟乏味，列在这里做一个参考.运算放大器啖声由电压噪声和电波噪声组成的，噪声组成是能量段和，所以是平方根，次根波长与争议都行关系，以后一个是反应电阻的热啾声，反应电阻的热噪声是4KbTBRF.已经列在这里了。这些嘤声由哪些局部如成？为了保证光电二极管和TIA的良好配合.我的设了两个条件.第一个条件是噪声和噪声比.就是光电二板管和T1.A的总(声有多大.目前是光电二极管的映向是1.25uv,这个值我们下面用得到,确保NNR足纷大.我们选择一些放大器做分析，放大器的电压噪泮、电流噪声，以后包括整个T1.A的噪声做分析，你会看到这是一个往上走的,越往下电压噪再越大,越往上电流噪声越大。所以光电二极管和NNR相比越来越大.但越大越好.这说明什么？电波噪声的重要性,相对电压噪声在这个情况里而.对噪声的奉献更大.皿、HiV,中atfc次&vIKTIANMhAD797092206ADA4004-418121210827304042300P113470404230AC61O6000501398OP1177790202453AD82016001801396ADO6511000101397A0067W000060139.718我们讲光电二极管跟TIA好配合，选择一个好的TIA,第二是信噪比足奶大，你要做汁能,要做TM和给出电压的噪声比拟要足修大，我的已经计算一下输出电乐的值14.95、同样是刚刚的型号.电压噪声、电源噪声,这里是所有的噪声,这里是SNR,等效分辨率是16-18位，我们对系统计算是这样的。ADISpO2演示系统我给大家分享一个方案，这是我外在美国做的设计.用的是AI)UC7024,Mei有很多厂家，ADI长处在模拟里面.我介绍一下对这个系统的好处,测量关注非常好,放大零和开关保证背景光被格除.保证检测的精度。这个方案我。J做了一也分析,这个方案带来什么好处，国内很多的血氧仪用OEY的模块，这种本钱非常高.API的AIKC是血氧仪的芯片，我们加了血氧仪和Coo1.在里面，抗扰的能力非常行,尤其是1.OW灌注可以精确到什么程度,还有灵活性可以客制化.这是一个芯片.曲面加的不多.只是模拟的调制电路。这是我们给第三方的涮试，我们跟同方案的比拟，1.oW玳注非常低，大家做血氧知道标准是0.3,但数字越低越好，在病人血氧体征非常则的情况下，这个指标非常笫要保证这个指标有两点，一个是算法,一个是确保前端电路的噪声有足终的抑制，包括ADC有足鲂好的模拟性能.蜃后一页.我们展示了一张图片,是对运动的干扰，血氧检测除了EW灌注之外，人的监护里面不能保证一点都不动,人类运动会带来人工的运动干扰，所以在你的方案里面，很柬要的还有一个功能，必须你能券侦测到运动干优，把干扰移除掉，同时有足终的速度蝌出血虢的检刈位,这是第：方的方案，跟同类型的产都做比拟.