指夾式血氧飽和儀設(shè)計(jì)方案

一、引言

指夾式血氧飽和儀是一種便攜式醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，通過檢測(cè)人體指尖透射（或反射）的紅光和紅外光信號(hào)來計(jì)算血液中氧合血紅蛋白與總血紅蛋白的比值，從而得到血氧飽和度（SpO?）以及脈搏信息。由于測(cè)量信號(hào)微弱、環(huán)境干擾大，本設(shè)計(jì)方案重點(diǎn)從光電信號(hào)的采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理及顯示傳輸?shù)确矫娉霭l(fā)，確保系統(tǒng)高精度、低噪聲、低功耗、易于攜帶，同時(shí)滿足生產(chǎn)成本和大批量量產(chǎn)要求。本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)原理、各模塊組成、元器件選型及其功能，并附上電路框圖，為后續(xù)研發(fā)提供完整技術(shù)參考。

二、工作原理

血氧飽和儀基于光吸收法原理：

• 發(fā)射端： 利用兩組不同波長(zhǎng)的LED分別發(fā)射紅光（約660nm）和紅外光（約940nm），這兩種光在血液中被氧合和脫氧血紅蛋白吸收的程度不同。

• 檢測(cè)端： 采用高靈敏度光電二極管接收穿過或反射自指尖的光信號(hào)。光信號(hào)的直流（DC）部分主要反映組織及骨骼的吸收，而交流（AC）部分則與脈搏搏動(dòng)有關(guān)。

• 信號(hào)處理： 經(jīng)過前置放大和濾波，將微弱信號(hào)進(jìn)行放大、降噪，并通過ADC采樣后，利用數(shù)字信號(hào)處理算法（如峰值檢測(cè)、濾波、比例運(yùn)算）計(jì)算出血氧飽和度和脈率。

該檢測(cè)方法具有非侵入、實(shí)時(shí)、便攜等優(yōu)點(diǎn)，但要求電路設(shè)計(jì)具有極高的靈敏度和抗干擾能力。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及模塊劃分

整個(gè)系統(tǒng)可劃分為以下幾個(gè)功能模塊：

1. 光源模塊：
   – 包括紅光LED和紅外LED，提供特定波長(zhǎng)的光源。

2. 光電檢測(cè)模塊：
   – 采用高靈敏度光電二極管，檢測(cè)透射或反射光信號(hào)。

3. 信號(hào)調(diào)理模塊：
   – 包括跨阻放大、低通濾波、直流偏置調(diào)整等電路，負(fù)責(zé)將微弱的光電信號(hào)放大到適合ADC采樣的幅度，同時(shí)過濾高頻噪聲。

4. 數(shù)據(jù)采集與處理模塊：
   – 采用高精度ADC模塊及微控制器(MCU)，采集調(diào)理后的信號(hào)并進(jìn)行脈搏檢測(cè)、SpO?計(jì)算。

5. 顯示與通信模塊：
   – 通過OLED或LCD顯示屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，并可借助藍(lán)牙或USB模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控。

6. 電源管理模塊：
   – 利用鋰電池、充電IC及穩(wěn)壓芯片為各模塊提供穩(wěn)定直流電壓，確保低功耗和長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

四、關(guān)鍵元器件選型及說明

在本設(shè)計(jì)中，為滿足醫(yī)療設(shè)備高精度、低噪聲的要求，各模塊元器件選型需慎重，下面詳細(xì)介紹各模塊的優(yōu)選元器件及選型依據(jù)。

1. 光源模塊

紅光LED（660nm）

• 推薦型號(hào)： Luxeon Rebel 紅光LED 或 Osram OPTOTYPE 紅光LED

• 主要作用： 提供660nm波長(zhǎng)的紅光。該波長(zhǎng)對(duì)氧合與脫氧血紅蛋白吸收差異明顯，有助于后續(xù)計(jì)算SpO?。

• 選型理由：
  – 高光效與穩(wěn)定性： Luxeon Rebel系列具有優(yōu)異的光輸出穩(wěn)定性及長(zhǎng)壽命，確保檢測(cè)連續(xù)性。
  – 溫漂低： 保證在環(huán)境溫度變化時(shí)光輸出變化較小，從而保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

紅外LED（940nm）

• 推薦型號(hào)： Luxeon Rebel 紅外LED 或 Osram SFH4715

• 主要作用： 發(fā)射940nm紅外光，與紅光數(shù)據(jù)相互補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的血氧飽和度計(jì)算。

• 選型理由：
  – 光譜穩(wěn)定： 選用產(chǎn)品具有穩(wěn)定的波長(zhǎng)輸出，確保數(shù)據(jù)對(duì)比可靠。
  – 低功耗： 紅外LED應(yīng)具備低熱損耗特性，有助于降低整體功耗和溫升問題。

2. 光電檢測(cè)模塊

光電二極管

• 推薦型號(hào)： Vishay TEMDxxxx系列或 Osram SFH203P

• 主要作用： 將經(jīng)過組織的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成微弱電流，其輸出與光強(qiáng)成正比。

• 選型理由：
  – 高靈敏度與低暗電流： 可確保捕捉微弱的光信號(hào)變化，減少噪聲干擾。
  – 線性響應(yīng)： 對(duì)不同光強(qiáng)響應(yīng)較為線性，便于后續(xù)信號(hào)處理和校準(zhǔn)。

3. 信號(hào)調(diào)理模塊

跨阻放大器/儀表放大器

• 推薦型號(hào)： AD8237 或其他低噪聲儀表放大器

• 主要作用： 將光電二極管輸出的微小電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并進(jìn)行初級(jí)放大。

• 選型理由：
  – 高共模抑制比（CMRR）： 能有效抑制干擾噪聲，提高信號(hào)準(zhǔn)確性。
  – 低功耗與低漂移： 確保長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量過程中信號(hào)穩(wěn)定。

濾波電路

• 實(shí)現(xiàn)方式： 可采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)或主動(dòng)濾波器電路

• 器件： 精密電阻（1%）、NP0/C0G電容

• 主要作用： 去除高頻噪聲，保留有效的脈搏信號(hào)及低頻信息。

• 選型理由：
  – 濾波帶寬可調(diào)： 設(shè)計(jì)時(shí)需考慮心率信號(hào)一般在1～2Hz左右，濾波器截止頻率選擇合理。
  – 高穩(wěn)定性元件： 使用NP0/C0G電容和精密電阻，保證信號(hào)濾波效果一致，減少溫度引起的偏移。

4. 數(shù)據(jù)采集與處理模塊

微控制器 (MCU)

• 推薦型號(hào)： STMicroelectronics STM32F103C8T6 或 Microchip PIC18F 系列

• 主要作用： 負(fù)責(zé)對(duì)經(jīng)過放大、濾波后的模擬信號(hào)進(jìn)行ADC采樣，運(yùn)行信號(hào)處理算法，計(jì)算脈搏和血氧飽和度，同時(shí)控制顯示和通信模塊。

• 選型理由：
  – 高運(yùn)算能力： STM32F103具備較高處理速度，適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。
  – 內(nèi)置ADC： 部分型號(hào)內(nèi)置高精度ADC，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；同時(shí)外設(shè)接口豐富，方便集成其他模塊。
  – 低功耗設(shè)計(jì)： 符合便攜醫(yī)療設(shè)備的功耗要求。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)

• 推薦型號(hào)： 若MCU內(nèi)置ADC精度不夠，可選用ADS1115（16位）

• 主要作用： 將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，供MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

• 選型理由：
  – 高分辨率與低噪聲： 16位ADC能更精細(xì)地捕捉信號(hào)變化，提高測(cè)量精度。
  – 接口簡(jiǎn)單： I2C接口方便與MCU通信，降低設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

信號(hào)預(yù)處理及輔助電路

• 功能： 可加入模擬積分、放大或基準(zhǔn)電壓調(diào)節(jié)電路，保證ADC輸入信號(hào)在最佳動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，便于后續(xù)數(shù)字信號(hào)處理。

5. 顯示及通信模塊

顯示屏

• 推薦型號(hào)： 0.96寸OLED顯示屏（I2C接口）或LCD1602

• 主要作用： 實(shí)時(shí)顯示脈率、血氧飽和度及其他狀態(tài)信息。

• 選型理由：
  – OLED優(yōu)點(diǎn)： 高對(duì)比度、寬視角、低功耗，適合便攜設(shè)備；接口簡(jiǎn)單，便于集成。
  – LCD優(yōu)勢(shì)： 成本較低，且在光線充足的環(huán)境下具有良好可讀性。

無線通信模塊

• 推薦型號(hào)： 藍(lán)牙模塊 HC-05 或BLE模塊（如 nRF8001）

• 主要作用： 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸至手機(jī)APP或PC，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

• 選型理由：
  – 成熟穩(wěn)定： 藍(lán)牙模塊在便攜設(shè)備中應(yīng)用廣泛，通信可靠、功耗低。
  – 接口方便： 與MCU通信簡(jiǎn)單，支持串口數(shù)據(jù)傳輸。

6. 電源管理模塊

鋰電池及充電管理芯片

• 推薦型號(hào)： TP4056充電模塊搭配3.7V鋰電池

• 主要作用： 為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，并支持充電管理、過充過放保護(hù)。

• 選型理由：
  – 集成充電保護(hù)： TP4056模塊設(shè)計(jì)成熟，具有自動(dòng)充放電管理，保證設(shè)備安全。
  – 體積小、方便攜帶： 鋰電池能提供足夠續(xù)航時(shí)間，符合便攜設(shè)備的要求。

穩(wěn)壓器

• 推薦型號(hào)： AMS1117系列穩(wěn)壓芯片

• 主要作用： 將電池電壓穩(wěn)定為所需的3.3V或5V電壓，供MCU及其他模塊使用。

• 選型理由： AMS1117具有價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，適合小功率電路設(shè)計(jì)。

7. 其他輔助元件

• 時(shí)鐘電路： 為保證MCU系統(tǒng)時(shí)鐘穩(wěn)定，可采用32.768kHz晶振或內(nèi)部高精度時(shí)鐘源。

• 存儲(chǔ)器： 若需要長(zhǎng)時(shí)間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可選SPI閃存模塊；數(shù)據(jù)記錄和歷史數(shù)據(jù)追蹤對(duì)后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析有幫助。

• EMI抑制及PCB設(shè)計(jì)： 采用多層PCB設(shè)計(jì)，設(shè)置獨(dú)立的模擬與數(shù)字地平面，使用屏蔽措施和濾波電容降低電磁干擾，確保信號(hào)傳輸質(zhì)量。

五、電路框圖設(shè)計(jì)

為直觀展示各模塊之間的信號(hào)流程，下面給出整體電路框圖示意圖：

               +-------------------------------------+
               |          電源管理模塊               |
               | (鋰電池 / TP4056 / AMS1117穩(wěn)壓器)    |
               +-------------------+-----------------+
                                   |
                           穩(wěn)壓輸出 (3.3V/5V)
                                   |
       +---------------------------+---------------------------+
       |                                                       |
+---------------+                                     +------------------+
|  光源驅(qū)動(dòng)電路 |                                     |   信號(hào)調(diào)理模塊   |
| (紅光LED & IRLED)                                  | (跨阻放大、濾波)  |
+-------+-------+                                     +-------+----------+
        |                                                     |
        |                                                     |
        v                                                     v
+---------------+                                  +---------------------+
|               |<---- 光信號(hào)（透射/反射） ----->|   光電探測(cè)模塊     |
|   指夾檢測(cè)部  |                                  |   (光電二極管)      |
|               |                                  +----------+----------+
+-------+-------+                                             |
        |                                                     |
        v                                                     v
+-----------------------+                      +--------------------------+
| 數(shù)據(jù)采集與處理模塊    | <---- ADC/MCU ------> |   模數(shù)轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理電路  |
| (STM32F103 / PIC系列) |                      | (內(nèi)置或外部高精度ADC)     |
+-----------+-----------+                      +-----------+--------------+
            |                                               |
            v                                               v
   +-------------------+                           +-------------------+
   | 顯示與通信模塊    |                           | 用戶交互模塊      |
   | (OLED/LCD, 藍(lán)牙)  |                           | (按鍵、指示燈等)  |
   +-------------------+                           +-------------------+

六、軟件及算法設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)完成的基礎(chǔ)上，MCU固件的設(shè)計(jì)同樣至關(guān)重要。主要包括以下部分：

1. 數(shù)據(jù)采集：
   – MCU采用定時(shí)中斷或DMA方式，對(duì)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣頻率建議設(shè)定在100～200Hz，以捕獲心率脈搏波形的有效信息。

2. 數(shù)字信號(hào)處理：
   – 采用數(shù)字低通濾波器（如IIR或FIR濾波器）去除環(huán)境和電路噪聲；
   – 利用峰值檢測(cè)算法提取脈搏波形，計(jì)算脈率；
   – 同時(shí)對(duì)紅光和紅外信號(hào)進(jìn)行AC/DC分離，得到各自的比例值。

3. 血氧飽和度計(jì)算：
   – 根據(jù)兩個(gè)通道的AC/DC比值，利用經(jīng)驗(yàn)公式或查表法計(jì)算出血氧飽和度（SpO?）；
   – 為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，可采用卡爾曼濾波或自適應(yīng)濾波算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

4. 顯示與通信：
   – 將處理后的脈率和SpO?值實(shí)時(shí)顯示于OLED屏上；
   – 同時(shí)通過藍(lán)牙或USB模塊將數(shù)據(jù)傳輸至移動(dòng)終端或電腦，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

七、選型分析及設(shè)計(jì)考慮

在整個(gè)方案中，元器件的選型遵循以下原則：

• 高精度與低噪聲：
  – 為保證檢測(cè)微弱的光電信號(hào)，所有前端放大器、濾波器及光電傳感器均選用低噪聲、高穩(wěn)定性的產(chǎn)品。

• 低功耗設(shè)計(jì)：
  – 便攜設(shè)備對(duì)功耗要求嚴(yán)格，因此MCU、藍(lán)牙模塊及顯示屏均選用低功耗版本，同時(shí)電源管理模塊確保供電穩(wěn)定且高效。

• 體積與便攜性：
  – 指夾式設(shè)計(jì)要求設(shè)備小巧輕便，PCB布局需要盡量采用緊湊設(shè)計(jì)，并合理分布模擬與數(shù)字電路，防止干擾。

• 成本與供應(yīng)：
  – 優(yōu)選市場(chǎng)上成熟、可靠且易于批量采購的元器件，如Luxeon系列LED、STM32 MCU等，以確保后續(xù)量產(chǎn)和維護(hù)。

此外，針對(duì)醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備，還需考慮：

• 溫度補(bǔ)償：
  – 部分器件性能受溫度影響較大，在設(shè)計(jì)中可增加溫度傳感器，并在軟件中進(jìn)行溫度校正。

• 安全性保護(hù)：
  – 電路中應(yīng)加入過流、過壓及靜電保護(hù)電路，確保使用安全。

• 信號(hào)校準(zhǔn)：
  – 出廠前需進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，建立紅光、紅外信號(hào)與實(shí)際血氧飽和度之間的映射關(guān)系，以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。

八、制造與調(diào)試

在硬件制造過程中，需特別關(guān)注以下幾點(diǎn)：

• PCB布局：
  – 高精度信號(hào)電路與數(shù)字部分分離，采用屏蔽措施和專用地線層設(shè)計(jì)，降低電磁干擾。

• 器件封裝：
  – 選用體積小、性能穩(wěn)定的封裝，同時(shí)注意散熱設(shè)計(jì)，保證長(zhǎng)時(shí)間工作溫度穩(wěn)定。

• 軟件調(diào)試：
  – 利用仿真及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)濾波器和信號(hào)處理算法進(jìn)行調(diào)試，確保在不同環(huán)境下均能準(zhǔn)確采集和處理信號(hào)。

九、總結(jié)與展望

本文提供的指夾式血氧飽和儀設(shè)計(jì)方案，從光源、檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集、顯示通信到電源管理各個(gè)模塊均給出了詳細(xì)說明，并對(duì)關(guān)鍵元器件的選型、功能及其選型依據(jù)進(jìn)行了詳盡描述。利用Luxeon系列LED、Vishay光電二極管、AD8237跨阻放大器、STM32F103C8T6 MCU（或PIC18F系列）、ADS1115高精度ADC、OLED顯示屏以及TP4056/AMS1117電源管理方案，使整個(gè)系統(tǒng)在保證高精度測(cè)量和實(shí)時(shí)響應(yīng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、體積小和易于量產(chǎn)的目標(biāo)。

未來，隨著數(shù)據(jù)處理算法的不斷優(yōu)化和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，指夾式血氧飽和儀將會(huì)在遠(yuǎn)程醫(yī)療、健康監(jiān)控及智能穿戴設(shè)備中發(fā)揮更加重要的作用?；诒痉桨?，還可進(jìn)一步引入云端數(shù)據(jù)分析、移動(dòng)終端APP及物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理和大數(shù)據(jù)分析，為用戶提供更智能、個(gè)性化的健康服務(wù)。