脉搏血氧仪采用ADuC7024微型转换器

作者：Eugene Trosman and Eugene Palatnik

除了心率、血压、呼吸频率和体温外，脉搏血氧饱和度（PO）被认为是健康状况的“第五生命体征”。血红蛋白（Hb）是红细胞的重要组成部分，负责将氧气从肺部输送到组织。氧气量（O2）在任何时候与Hb结合称为氧饱和度。血氧饱和度（SpO2）以百分比表示，是与Hb结合的氧气量与Hb的携氧能力之比。 脉搏血氧饱和度提供了一种测量SpO2或动脉血红蛋白饱和度的无创方法。脉搏血氧仪还可以检测动脉血脉动，因此还可以计算和报告患者的心率。脉搏血氧仪是一种测量患者动脉血液中氧气量的医疗设备。

典型的血氧饱和度传感器具有一对发光二极管（LED），通过患者身体的半透明部位（通常是指尖或耳垂）面向光电二极管。一个 LED 为红色，波长为 660 nm;另一种是红外线，波长为940 nm。血氧的百分比是根据每个波长的光通过患者身体后的吸收率计算的。

脉搏血氧仪的一般结构如图1所示。除模拟信号调理电路外，它还包括多个ADC和DAC，以及微控制器和相关存储器。使用这种离散方法的实现在硬件、不动产和设计时间方面相对复杂且成本高昂。

图1.离散脉搏血氧仪实现

ADI公司的精密模拟微控制器产品系列包括高端血氧饱和度设计所需的关键模拟构建模块。此处使用的ADuC7024包括一个高性能、高速、多通道12位、1 MSPS ADC和两个DAC。这些特征允许恢复通常在低外周血液循环期间看到的微弱动脉搏动信号。

微转换器还包括一个32位ARM7TDMI内核。它以41.8 MHz运行，提供了一个非常强大的计算平台。由ITEC工程公司开发的专有数字信号处理算法可检测动脉血脉动，检测并抑制运动伪影，计算SpO2和心率值，并过滤和缩放实时动脉血脉动波形（体积描记图）。尽管如此，仍有大量的CPU性能用于其他功能，例如控制图形LCD显示屏，通过板载PWM生成音频脉冲音等。

基于ADuC7024微型转换器的血氧仪结构如图2所示：

图2.采用ADuC7024微型转换器实现脉搏血氧仪

LED 通过 MOSFET 桥（开关 SW1 和 SW2）按顺序供电。采用AMP1（1/2 AD8606）构建的恒流灌电流由微转换器的DAC2输出控制。

光电二极管放大器围绕AMP2 （1/2 AD8606）构建。它将接收到的光转换为与患者组织吸收的光成反比的电压。该测量交替在红色和红外波长上进行。

可编程增益放大器（PGA）和失调级采用运算放大器AD8606和数字电位计AD5160构建。它由微转换器动态控制。与可变电流LED驱动器（AMP1和DAC2）一起，它提供了血氧仪传感器看到的宽范围光学密度。

开关SW3（ADG779）去除了光电二极管看到的大部分环境光，从而允许利用ADC输入通道的整个动态范围。

ADC1的输入由PGA/失调电路驱动。该ADC对放大的光电二极管信号进行数字化处理。光放大器AMP2的输出是交流耦合的，因此ADC2监控AMP2的任何可能的环境光饱和度。

这种设计可用作独立的血氧仪或各种医疗监测设备的构建模块。

本设计选择了具有7024个通用I/O（GPIO）的ADuC30微转换器，因为与LCD接口需要大量I/O引脚。使用较少的I/O，使用ADuC7021（13个GPIO，无PWM）可以实现相同的性能水平。ADuC7021采用节省空间的6 mm×6 mm LFCSP封装。

审核编辑：郭婷