便携式及可穿戴设备的心率和血氧水平测量技术.PDFVIP

便携式及可穿戴设备 的心率和血氧水平测量技术 _______________________________________________________________ Microchip Technology Inc. 医疗产品部 资深医疗应用工程师，Zhang Feng 医疗市场主管工程师，Marten Smith 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： 1 SpO =HbO /(Hb + HbO ) 2 2 2 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（SpO ）？ 2 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。 2 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