原创 解读脉动式血氧计概念及设计提示(一)

脉动式血氧计由放在病人耳垂、脚趾或手指的传感器组成，该传感器与数据采集系统连接，计算和显示氧水平、心率和血流量。对于设计工程师而言，该系统的主要实现挑战是什么？对于器件选择都有哪些要求？本文将为你解读。

　　脉动式血氧计通过感应脱氧血红蛋白和氧络血红蛋白的红外光和红光吸收属性测量血氧。它由放在病人耳垂、脚趾或手指的传感器组成，该传感器与数据采集系统连接，计算和显示氧水平、心率和血流量。

　　光源(一般是发光二极管)将可见红(600nm至750nm)光和红外(850nm至1000nm)光照在耳垂、脚趾或手指。脱氧血红蛋白允许更多红外光穿过并吸收更多红光；高氧络血红蛋白则允许更多红光穿过并吸收更多红外光。血氧计感应并计算波长与血红蛋白的氧饱和度(或不饱和)成比例的光量。

　　由于吸收测量中光的使用，设计人员需要一个真正的“光压”转换器，将电流用作输入信号。适用于脉动式血氧计应用的光电二极管放大器种类是典型的反馈电阻互阻抗放大器和反馈电容交换式集成器。在任一种放大器配置中，结果输出电压均由模数转换器读取，并串行化为MSP430
MCU或TMS320 DSP处理和收集。

　　信号采集挑战

　　如上所示的反馈电阻放大器是最常见的电路生物电互阻抗电路。在反向配置中使用放大器，发光二极管的光照产生达到放大器相加点的小电流，并穿过反馈电阻。假设反馈电阻的值很大，此电路对光强度的改变极其敏感。在此示例配置中，只有 0.001AuW 的输入光信号将产生满摆幅输出。

　　根据设计要求，这对获得到达或低于地面的输出摆幅很有用。下一列中显示的自动置零跨阻放大器配置将允许摆幅到达地面(图A)和非常接近地面(图B)。连接到+5V 的下拉电阻将允许输出摆幅稍微低于地面，以将错误降至最低。

　　A：双电源

　　B：单电源

　　TI的新OPA380主要是高速OPA355和自动清零OPA335放大器的单片集成电路组合，可提供
85MHz增益带宽产品(超过1MHz互阻抗带宽)和非常高的精密度(25uV最大偏移和0.1uV/°C最大漂移)。

　　根据设计要求，交换式集成器是一流的解决方案。TI的IVC102等交换式集成器没有反馈电阻的热噪声，也没有跨阻放大器中常发现的大型反馈电阻的稳定性问题。使用一个发光二极管和两个IVC102交换式集成器将消除暗流和环境光错误，因为减去了对于二者均常见的错误。此外，IVC102还允许在整数倍AC线路频率下同步采样，从而提供极高的噪声抑制。
本文下一部分将讨论系统对于互阻抗放大器的要求和器件选择建议。