如何设计更好的脉搏血氧计:规格

文章作者:Robert Finnerty

设计使用更方便、耗电更少的医疗设备比以往任何时候都更重要。

设计使用更方便、耗电更少的医疗设备比以往任何时候都更重要。本文将介绍SpO的基础知识2测量和探索如何降低设计复杂性,简化机械设计,并降低整体功耗。

传统上,外周血氧饱和度(SpO2)是一种在手指或耳朵上的身体外围测量,最常用的是用一个夹子装置来确定氧饱和血红蛋白与总血红蛋白的比率。这种测量方法用来告诉红细胞将氧气从肺部输送到身体其他部位的情况。正常的热点;2在一个健康的成年人中,这一水平从95%到100%不等。低于这一范围的血氧水平表明患有低氧血症。这意味着身体没有输送足够的氧气来维持器官健康和认知功能。

低氧血症患者可能会出现头晕、意识模糊、呼吸急促和头痛。有几种疾病会导致血氧不足,可能需要在家里或在临床环境中进行连续或间歇监测。

热点;2是临床环境中最常见的生命体征之一。一些条件需要连续的SpO2监测包括哮喘、心脏病、慢性阻塞性肺病、肺病、肺炎和COVID-19诱导的缺氧。

确定有症状的COVID-19患者是否需要住院的方法之一是监测他们的SpO2的水平。如果这些水平低于基线数字(通常低于92%),他们需要去急诊室检查。

COVID-19和缺氧之间的最近联系

最近,COVID-19患者被诊断为一种特别隐伏的情况,即无声缺氧。在出现任何典型的COVID-19呼吸系统症状(如呼吸急促)之前,无声缺氧可能会对身体造成严重损害。美国国家生物技术信息中心网站1上的一篇文章指出,“在COVID-19患者开始呼吸急促之前检测出这种无声形式的缺氧,对于防止肺炎发展到危险水平至关重要。”

热点;2监测也是诊断睡眠呼吸暂停的一个关键指标。阻塞性睡眠呼吸暂停会导致呼吸道在睡眠时部分或完全阻塞。这可以观察到长时间的呼吸停顿或短暂的浅呼吸引起的暂时性缺氧。如果不及时治疗,睡眠呼吸暂停会增加心脏病、中风和肥胖的可能性。据估计,睡眠呼吸暂停影响1%到6%的成年人。

迫切需要一个更好的脉搏血氧计现在和未来

随着患者护理趋向于流动和家庭监测,有必要开发不会妨碍用户完成日常任务的生命体征监测设备。以SpO为例2在美国,监测手指和耳朵以外的区域将带来一系列的设计挑战。最近出现的无声缺氧使开发更便携式的临床级脉搏血氧计单位的理由更加引人注目。

本文将解释SpO的一些基本原则2光学AFEs如何降低医疗级SpO的设计复杂性2设备。例如,集成的高性能自动环境光抑制降低了机械和电子设计的负担。类似地,低功耗下的高动态范围减少了设计中用于确定患者SpO细微变化的光电二极管或LED电流的数量2有效的水平。最后,数字积分器选项允许用户进入一个非常高效的功耗模式,通过禁用光信号路径中的模拟块,使便携式PPG解决方案的运行时间更长。

血氧饱和度

氧饱和度是血液中氧饱和血红蛋白相对于总可用血红蛋白的百分比。测量血氧饱和度的金标准是心房血氧饱和度测量(SaO)2.然而,这种方法需要对血液样本进行基于实验室的血气分析。校准部分更深入地讨论了这个问题。

热点;2是利用脉搏血氧计在身体外围测量的氧饱和水平的估计。直到最近,测量血氧饱和度最常用的方法是使用放置在手指上的脉搏血氧计。

脉搏血氧计的原理是光在含氧血红蛋白(HbO)中的吸收2)和缺氧血红蛋白(RHb)在特定波长有显著差异。图1显示了HbO的消光系数2, Hb和高铁血红蛋白(MetHb)的可见光和红外光谱。消光系数是测量一种化学物质在给定波长下吸收光的强度。从图1可以看出,HbO2吸收更多的红光(600纳米),允许更多的红外光(940纳米)通过。RHb吸收更多的红外波长的光,这允许更多的红光通过比HbO2

最基本的脉搏血氧计由两个领导(一个红色660海里领导和一个红外(IR)领导的940海里)和一个光电二极管(PD)在反射或递送的配置(参见图4)。脉搏血氧计将脉冲红色LED和测量结果在PD信号。对红外LED重复此步骤,最后关闭两个LED,得到任何外部环境光源的基线。这就产生了两个波长的光容积描记(PPG)信号。


图1所示。光通过血红蛋白的消光因子。


图2。基本脉冲血氧计电路。

信号包含直流和交流分量。直流分量是由于皮肤、肌肉和骨骼以及静脉血等恒定的反射物质。当一个物体处于静止和运动的因素较少时,交流分量主要由来自动脉血液搏动的反射光组成。AC分量依赖于心率和动脉厚度,在收缩期(泵)比反舒张期(舒张)反射或透射光更多。在收缩期,血液从心脏泵出,增加心房血压。血压升高使动脉扩张,导致心房血容量增加。血液中的这种增加会导致光吸收的增加。血压在舒张期下降,因此光的吸收也随之下降。图3显示心脏跳动引起的舒张期低谷和收缩期高峰。

比尔-朗伯定律解释了光在通过吸收物质时呈指数衰减。这可以用来测定氧合血红蛋白到总血红蛋白的水平。

在舒张期和收缩期吸收的光强度与以下因素有关:

其中α测量光在心房血液中的吸收速率,d2是PPG信号的交流振幅(见图3)心脏舒张期等于d1的直流分量。


图3。透过组织的光衰减。

通过从PPG信号中计算AC和DC,我们能够确定房血-α吸收光的变化。D2是由心脏泵出的血液引起的,没有其他组织的贡献。

交流分量与直流分量的比值称为灌注指数,即脉动血流与非脉动静态血流的比值。基于ppg的心率或SpO的目标2测量系统是为了提高交直流信号比:

π= AC / DC

红外线和红光的灌注指数可以用来计算ratio (RoR),即PI的比值红色的对PL红外.因为在一个特定波长的光的吸收与

理论上,可以将RoR代入下式,计算出SpO2:

地点:

EHbO2,红= HbO的消光系数2在600海里,

EHbO2,星期三= HbO2在940 nm处的消光系数

ERHb,星期三= RHb在940 nm处的消光系数,

ERHb,红= RHb在600 nm处的消光系数

然而,比尔-朗伯定律不能直接使用,因为在每一种光学设计中都有许多可变因素导致RoR到SpO的变化2的关系。这些包括机械挡板设计,LED到PD间距,电子和机械环境光抑制,PD增益误差,等等。

以ppg为基础的SpO获得临床分级的准确性2为了确定RoR和SpO之间的相关性,必须开发一个查找表或算法2

校准

测量系统的校准是开发高精度SpO的必要条件2算法。校准SpO2系统,研究必须完成,参与者的血氧水平被医学上降低,监测,并由医疗专业人员监督。这就是所谓的缺氧研究。

的热点;2测量系统只能和基准一样精确。参考选项包括医疗级指夹脉搏血氧计和金标准共血氧计。共血氧仪是一种有创的测量血氧饱和度的方法,具有很高的准确性,但在大多数情况下不方便使用。

校准过程用于生成从光学SpO计算出的RoR值的最佳拟合曲线2装置到co-oximeter SaO2测量。此曲线用于生成用于计算SpO的查找表或方程2

所有SpO都需要校准2万博投注网址RoR的设计取决于许多变量,如LED波长和强度、PD响应、车身位置和环境光抑制,这些都会因每种设计而不同。

灌注指数的增加,以及在红色和IR波长上的高交流动态范围,将增加RoR计算的灵敏度,从而返回更准确的SpO2测量。

在一项低氧研究中,需要记录200次等间隔的100%至70%血氧饱和度的测量。受试者被选择为不同肤色,年龄和性别分布相同的人。这种肤色、年龄和性别的差异解释了由于个体分布而导致的灌注指数的不同。

透射式脉冲血氧计的总误差必须≤3.0%,反射式的总误差必须≤3.5%。

在下一篇文章中,我们将讨论设计注意事项,如透射与反射、传感器定位、灌注指数、运动伪影,以及光学AFE的设计细节。

参考文献

  1. Toshiyo田村。”光容积描记术和SpO2的研究进展健康监测.”生物医学工程的信, 2019年2月。
  2. 李志炯,松村健太,山古健一,彼得·罗尔夫,田中志信,山古健浩。”红、绿、蓝的比较用于运动时心率监测的光反射光容积描记术.”2013年35IEEE医学与生物学工程学会国际年会(EMBC), 2013年7月。

这篇文章最初发表于嵌入式

罗伯特Finnerty系统应用工程师在吗模拟设备他在爱尔兰利默里克的数字医疗集团工作。他与生命体征监测组密切合作,专注于光学和阻抗测量解决方案。Rob于2012年加入ADI的精密转换器小组,专注于低带宽精度测量。他持有爱尔兰国立大学高威分校(NUIG)电子与电气工程学士学位。可以通过rob.finnerty@analog.com联系到他。

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