低成本、小尺寸的脈搏血氧儀方案

血紅蛋白是血細胞的重要組成部分，它負責將氧氣從肺部輸送到身體的其它組織。血紅蛋白在任一時刻所含的氧氣量被稱為血氧飽和度(即SpO2)。

血氧飽和度是反映人體呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理參數，它是顯示我們人體各組織是否健康的一個重要生理參數。嚴重缺氧會直接導窒息、休克、死亡等悲劇的發生。

在肺部，氧氣附著在受紅細胞約束的蛋白質上，稱為血色素（符號Hb），血液中的血色素有兩種形態：氧合血紅蛋白(HbO₂)和還原血紅蛋白(Hb)，則

血氧飽和度SpO2= (HbO₂x100)/( HbO₂+Hb)x100%

血氧儀的測試原理是：氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白在可見光和接近紅外線的頻譜范圍內具有不同的吸收特性，還原血紅蛋白吸收較多的紅色頻率光線，吸收較少的紅外頻率光線；而氧合血紅蛋白吸收較少的紅色頻率光線，吸收較多的紅外頻率光線。這個區別是SpO2測量系統的最基本依據。

為測量人體對紅光和紅外光線的吸收。紅色和紅外線發光二極管位置相互靠得盡可能近，發射的光線可透過人體內的單組織點。先由響應紅色和紅外光線的單個光電二極管 接收光線，然后由互阻放大器產生正比于接收光強的電壓。紅色和紅外LED通常采用時間復用的方式，因此相互間不會干擾。環境光線經估計將從每個紅色和紅外光線中扣除。測量點包括手指、腳趾和耳垂。

脈搏血氧儀提供了以無創方式測量血氧飽和度或動脈血紅蛋白飽和度的方法。脈搏血氧儀的工作原理基于動脈搏動期間光吸收量的變化。分別位于可見紅光光譜(660納米)和紅外光譜(940納米)的兩個光源交替照射被測試區(一般為指尖或耳垂)。在這些脈動期間所吸收的光量與血液中的氧含量有關。微處理器計算所吸收的這兩種光譜的比率，并將結果與存在存儲器里的飽和度數值表進行比較，從而得出血氧飽和度。

典型的血氧儀傳感器有一對LED，它們通過病人身體的半透明部位(通常是指尖或耳垂)正對著一個光電二極管。其中一個LED是紅光的，波長為660nm；另一個是紅外線的，波長是940nm。血氧的百分比是根據測量這兩個具有不同吸收率的波長的光通過身體后計算出的。

圖1：基于ADI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。

上圖給出了基于ADI的ADuC7024的血氧儀電路框圖。ADuC7024血氧儀芯片。這個精密模擬微控制器的微控制器內核是ARM7TDMI，片內集成有8KB的SRAM和62KB非易失性flash/EE存儲器。ADuC7024在單芯片內集成了一個MSPS、12位、多通道高性能ADC的數據采集系統、16位/32位MCU和Flash/EE存儲器。ADC具有多達12個單端輸入通道，另外還有4個ADC輸入通道也可以和4個DAC的輸出引腳復用。ADC可以工作在單端模式或差分輸入模式下，其輸入電壓為0 V至VREF。低漂移帶隙基準電壓源、溫度傳感器和電壓比較器完善了ADC外設設置。

這個方案具有低成本、小尺寸、具有出色的低灌注和自發抗干擾性能，以及高靈活性的。這個血氧儀芯片和一些模擬器件的成本要低于完整血氧儀OEM模塊的成本。可以通過固件的定制滿足用戶應用需求，通過改變固件可以處理任何類型的通信、顯示和操作接口，還可以改變血氧儀算法的參數來滿足特殊應用需求，如睡眠研究、家庭遙測等。該解決方案是單顆芯片，只需很少量的前端調節電路，因此整個設備體積會非常小。

下圖是ADI SpO2 演示系統。

圖2：ADI SpO2 演示系統。