便携式及可穿戴设备的心率和血氧水平测量技术

时间：2022-03-15来源：佚名

医疗和健身领域，以及这些领域的相关电子设备，真可谓是在发生日新月异的变化。当今医疗保健设备市场的需求不仅巨大而多样，且极具挑战性。以往主要在医院使用的设备，现在也被用于家庭医疗和健康监测。

例如，在如今的消费类产品中，常常可以见到用于测量心率和血氧水平的设备。脉搏血氧计就可以完成这两项测量，目前这款设备在市面上以两种形式销售，分别是家用医疗设备和腕带式健身活动追踪器的集成部件。

本文介绍了医疗和健身应用中脉搏血氧计的基础知识。同时给出一个脉搏血氧计的设计示例，讲述测量心率和血氧水平的方法。

什么是血氧定量法?

血氧定量法测量血氧饱和度，通常以百分比表示。脉搏血氧计是一种非侵入性设备，用于测量人的血氧饱和度和心率。通过设备的夹状探测头(通常夹到患者手指上)，很容易对脉搏血氧计进行识别。

脉搏血氧计既可以是独立设备或患者监测系统的组成部分，也可以集成到可穿戴健身追踪器中。相应地，脉搏血氧计的使用者可以是医院的护士、回到家中的门诊病人、健身中心的健身爱好者甚至是低压环境中作业的飞行员。

什么是血氧饱和度?

血氧饱和度通过测量血红蛋白得出，血红蛋白是红细胞中携带氧气的色素，这也是其呈现红色的原因所在。血红蛋白将氧气输送到人体各个组织，具有两种存在形式。第一种叫做氧合血红蛋白，表示为HbO2(即有氧)。另一种叫做去氧血红蛋白，表示为Hb(即无氧)。

因此，血氧饱和度(SpO2)为氧合血红蛋白与去氧血红蛋白之比。也可以表示为：

SpO2=HbO2/(Hb HbO2)

血氧饱和度的值以百分比表示。正常读数通常为97%或更高。

脉搏血氧计如何测量血氧饱和度(SpO2)?

血红蛋白有个有趣之处是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收较多(反射较少)的可见红光。而HbO2可吸收较多(反射较少)的红外光。由于可通过比较Hb和HbO2的值来确定血氧饱和度，因此有一种测量方法就是让红色LED和红外LED光穿过身体的某个部位(如手指或手腕)，然后比较这两种光的相对强度。有两种常用方法可以实现这一目的：(1)测量透过组织的光强度的方法叫做透射式血氧定量法，而(2)测量组织反射的光强度的方法叫做反射式血氧定量法(见图1)。

图1：两种血氧定量法

医院一般采用透射式血氧定量法。通常，大多数医院使用的患者监测系统都集成了透射式脉搏血氧计。不过，许多新研发的高端可穿戴健身设备则采用反射式脉搏血氧定量法。

脉搏血氧计如何测量心率?

心脏搏动时，会将血液泵向全身。每次心脏收缩时，都会将血液挤入毛细血管，使其容积略微增加。心脏舒张时，毛细血管容积会减小。这种容积上的改变会影响透射过组织的光量，如红光和红外光量。尽管这一波动很小，却可以通过脉搏血氧计进行测量，并且只需采用测量血氧饱和度时所用的同类装置即可。

详细工作原理

典型的脉搏血氧计可根据氧合血红蛋白(HbO2)和去氧血红蛋白(Hb)对红光(采用600-750 nm波长)和红外光(采用850-1000 nm波长)的吸收特性来监测人血的血氧饱和度(SpO2)。此类脉搏血氧计会交替发射红光和红外光穿过身体部位(如手指)到达一个光电二极管传感器。

光电二极管通常用于接收来自每个LED的未吸收光线。随后，此信号会通过反向运算放大器(或运放)进行反相。所得到的信号代表被手指吸收的光，如图2所示。

图2：由示波器捕捉的实时红光和红外光(IR)脉动信号

红光和红外光信号的脉冲幅度(Vpp)经测量后转换为Vrms，以通过以下公式计算比率：

比率 = (Red_AC_Vrms/Red_DC)/(IR_AC_Vrms/IR_DC)

SpO2可通过该比值和依据经验设定的查找表来确定。可根据脉搏血氧计的模数转换器(ADC)采样数和采样率计算心率。

查找表是脉搏血氧计的重要组成部分。查找表与具体的血氧计设计相对应，它通常基于大量检测不同SpO2水平的对象所绘制的校准曲线。图3显示了校准曲线的一个示例。