指夾式血氧飽和儀設計方案

一、引言

指夾式血氧飽和儀是一種便攜式醫療檢測設備，通過檢測人體指尖透射（或反射）的紅光和紅外光信號來計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。由于測量信號微弱、環境干擾大，本設計方案重點從光電信號的采集、信號調理、數據處理及顯示傳輸等方面出發，確保系統高精度、低噪聲、低功耗、易于攜帶，同時滿足生產成本和大批量量產要求。本文詳細介紹了設計原理、各模塊組成、元器件選型及其功能，并附上電路框圖，為后續研發提供完整技術參考。

二、工作原理

血氧飽和儀基于光吸收法原理：

• 發射端： 利用兩組不同波長的LED分別發射紅光（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。光信號的直流（DC）部分主要反映組織及骨骼的吸收，而交流（AC）部分則與脈搏搏動有關。

• 信號處理： 經過前置放大和濾波，將微弱信號進行放大、降噪，并通過ADC采樣后，利用數字信號處理算法（如峰值檢測、濾波、比例運算）計算出血氧飽和度和脈率。

該檢測方法具有非侵入、實時、便攜等優點，但要求電路設計具有極高的靈敏度和抗干擾能力。

三、系統結構及模塊劃分

整個系統可劃分為以下幾個功能模塊：

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

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

3. 信號調理模塊：
   – 包括跨阻放大、低通濾波、直流偏置調整等電路，負責將微弱的光電信號放大到適合ADC采樣的幅度，同時過濾高頻噪聲。

4. 數據采集與處理模塊：
   – 采用高精度ADC模塊及微控制器(MCU)，采集調理后的信號并進行脈搏檢測、SpO?計算。

5. 顯示與通信模塊：
   – 通過OLED或LCD顯示屏實時顯示測量數據，并可借助藍牙或USB模塊實現數據傳輸與遠程監控。

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

四、關鍵元器件選型及說明

在本設計中，為滿足醫療設備高精度、低噪聲的要求，各模塊元器件選型需慎重，下面詳細介紹各模塊的優選元器件及選型依據。

1. 光源模塊

紅光LED（660nm）

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

• 主要作用： 提供660nm波長的紅光。該波長對氧合與脫氧血紅蛋白吸收差異明顯，有助于后續計算SpO?。

• 選型理由：
  – 高光效與穩定性： Luxeon Rebel系列具有優異的光輸出穩定性及長壽命，確保檢測連續性。
  – 溫漂低： 保證在環境溫度變化時光輸出變化較小，從而保證數據準確性。

紅外LED（940nm）

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

• 主要作用： 發射940nm紅外光，與紅光數據相互補充，實現準確的血氧飽和度計算。

• 選型理由：
  – 光譜穩定： 選用產品具有穩定的波長輸出，確保數據對比可靠。
  – 低功耗： 紅外LED應具備低熱損耗特性，有助于降低整體功耗和溫升問題。

2. 光電檢測模塊

光電二極管

• 推薦型號： Vishay TEMDxxxx系列或 Osram SFH203P

• 主要作用： 將經過組織的光信號轉換成微弱電流，其輸出與光強成正比。

• 選型理由：
  – 高靈敏度與低暗電流： 可確保捕捉微弱的光信號變化，減少噪聲干擾。
  – 線性響應： 對不同光強響應較為線性，便于后續信號處理和校準。

3. 信號調理模塊

跨阻放大器/儀表放大器

• 推薦型號： 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轉換為電壓信號，并進行初級放大。

• 選型理由：
  – 高共模抑制比（CMRR）： 能有效抑制干擾噪聲，提高信號準確性。
  – 低功耗與低漂移： 確保長時間測量過程中信號穩定。

濾波電路

• 實現方式： 可采用Sallen-Key結構或主動濾波器電路

• 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及低頻信息。

• 選型理由：
  – 濾波帶寬可調： 設計時需考慮心率信號一般在1～2Hz左右，濾波器截止頻率選擇合理。
  – 高穩定性元件： 使用NP0/C0G電容和精密電阻，保證信號濾波效果一致，減少溫度引起的偏移。

4. 數據采集與處理模塊

微控制器 (MCU)

• 推薦型號： STMicroelectronics STM32F103C8T6 或 Microchip PIC18F 系列

• 主要作用： 負責對經過放大、濾波后的模擬信號進行ADC采樣，運行信號處理算法，計算脈搏和血氧飽和度，同時控制顯示和通信模塊。

• 選型理由：
  – 高運算能力： STM32F103具備較高處理速度，適合實時數據處理。
  – 內置ADC： 部分型號內置高精度ADC，簡化電路設計；同時外設接口豐富，方便集成其他模塊。
  – 低功耗設計： 符合便攜醫療設備的功耗要求。

模數轉換器 (ADC)

• 推薦型號： 若MCU內置ADC精度不夠，可選用ADS1115（16位）

• 主要作用： 將模擬信號轉換為數字信號，供MCU進行數據處理。

• 選型理由：
  – 高分辨率與低噪聲： 16位ADC能更精細地捕捉信號變化，提高測量精度。
  – 接口簡單： I2C接口方便與MCU通信，降低設計復雜度。

信號預處理及輔助電路

• 功能： 可加入模擬積分、放大或基準電壓調節電路，保證ADC輸入信號在最佳動態范圍內，便于后續數字信號處理。

5. 顯示及通信模塊

顯示屏

• 推薦型號： 0.96寸OLED顯示屏（I2C接口）或LCD1602

• 主要作用： 實時顯示脈率、血氧飽和度及其他狀態信息。

• 選型理由：
  – OLED優點： 高對比度、寬視角、低功耗，適合便攜設備；接口簡單，便于集成。
  – LCD優勢： 成本較低，且在光線充足的環境下具有良好可讀性。

無線通信模塊

• 推薦型號： 藍牙模塊 HC-05 或BLE模塊（如 nRF8001）

• 主要作用： 實現數據無線傳輸至手機APP或PC，實現遠程監控。

• 選型理由：
  – 成熟穩定： 藍牙模塊在便攜設備中應用廣泛，通信可靠、功耗低。
  – 接口方便： 與MCU通信簡單，支持串口數據傳輸。

6. 電源管理模塊

鋰電池及充電管理芯片

• 推薦型號： TP4056充電模塊搭配3.7V鋰電池

• 主要作用： 為整個系統提供穩定的電源，并支持充電管理、過充過放保護。

• 選型理由：
  – 集成充電保護： TP4056模塊設計成熟，具有自動充放電管理，保證設備安全。
  – 體積小、方便攜帶： 鋰電池能提供足夠續航時間，符合便攜設備的要求。

穩壓器

• 推薦型號： AMS1117系列穩壓芯片

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

• 選型理由： AMS1117具有價格低廉、結構簡單、輸出穩定的優點，適合小功率電路設計。

7. 其他輔助元件

• 時鐘電路： 為保證MCU系統時鐘穩定，可采用32.768kHz晶振或內部高精度時鐘源。

• 存儲器： 若需要長時間數據存儲，可選SPI閃存模塊；數據記錄和歷史數據追蹤對后續統計分析有幫助。

• EMI抑制及PCB設計： 采用多層PCB設計，設置獨立的模擬與數字地平面，使用屏蔽措施和濾波電容降低電磁干擾，確保信號傳輸質量。

五、電路框圖設計

為直觀展示各模塊之間的信號流程，下面給出整體電路框圖示意圖：

               +-------------------------------------+
               |          電源管理模塊               |
               | (鋰電池 / TP4056 / AMS1117穩壓器)    |
               +-------------------+-----------------+
                                   |
                           穩壓輸出 (3.3V/5V)
                                   |
       +---------------------------+---------------------------+
       |                                                       |
+---------------+                                     +------------------+
|  光源驅動電路 |                                     |   信號調理模塊   |
| (紅光LED & IRLED)                                  | (跨阻放大、濾波)  |
+-------+-------+                                     +-------+----------+
        |                                                     |
        |                                                     |
        v                                                     v
+---------------+                                  +---------------------+
|               |<---- 光信號（透射/反射） ----->|   光電探測模塊     |
|   指夾檢測部  |                                  |   (光電二極管)      |
|               |                                  +----------+----------+
+-------+-------+                                             |
        |                                                     |
        v                                                     v
+-----------------------+                      +--------------------------+
| 數據采集與處理模塊    | <---- ADC/MCU ------> |   模數轉換及信號處理電路  |
| (STM32F103 / PIC系列) |                      | (內置或外部高精度ADC)     |
+-----------+-----------+                      +-----------+--------------+
            |                                               |
            v                                               v
   +-------------------+                           +-------------------+
   | 顯示與通信模塊    |                           | 用戶交互模塊      |
   | (OLED/LCD, 藍牙)  |                           | (按鍵、指示燈等)  |
   +-------------------+                           +-------------------+

六、軟件及算法設計

在硬件設計完成的基礎上，MCU固件的設計同樣至關重要。主要包括以下部分：

1. 數據采集：
   – MCU采用定時中斷或DMA方式，對經過信號調理模塊輸出的模擬信號進行連續采樣，采樣頻率建議設定在100～200Hz，以捕獲心率脈搏波形的有效信息。

2. 數字信號處理：
   – 采用數字低通濾波器（如IIR或FIR濾波器）去除環境和電路噪聲；
   – 利用峰值檢測算法提取脈搏波形，計算脈率；
   – 同時對紅光和紅外信號進行AC/DC分離，得到各自的比例值。

3. 血氧飽和度計算：
   – 根據兩個通道的AC/DC比值，利用經驗公式或查表法計算出血氧飽和度（SpO?）；
   – 為提高數據準確性，可采用卡爾曼濾波或自適應濾波算法對數據進行平滑處理。

4. 顯示與通信：
   – 將處理后的脈率和SpO?值實時顯示于OLED屏上；
   – 同時通過藍牙或USB模塊將數據傳輸至移動終端或電腦，實現遠程監控。

七、選型分析及設計考慮

在整個方案中，元器件的選型遵循以下原則：

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

• 低功耗設計：
  – 便攜設備對功耗要求嚴格，因此MCU、藍牙模塊及顯示屏均選用低功耗版本，同時電源管理模塊確保供電穩定且高效。

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

• 成本與供應：
  – 優選市場上成熟、可靠且易于批量采購的元器件，如Luxeon系列LED、STM32 MCU等，以確保后續量產和維護。

此外，針對醫療檢測設備，還需考慮：

• 溫度補償：
  – 部分器件性能受溫度影響較大，在設計中可增加溫度傳感器，并在軟件中進行溫度校正。

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

• 信號校準：
  – 出廠前需進行系統標定，建立紅光、紅外信號與實際血氧飽和度之間的映射關系，以提高測量準確性。

八、制造與調試

在硬件制造過程中，需特別關注以下幾點：

• PCB布局：
  – 高精度信號電路與數字部分分離，采用屏蔽措施和專用地線層設計，降低電磁干擾。

• 器件封裝：
  – 選用體積小、性能穩定的封裝，同時注意散熱設計，保證長時間工作溫度穩定。

• 軟件調試：
  – 利用仿真及實驗數據對濾波器和信號處理算法進行調試，確保在不同環境下均能準確采集和處理信號。

九、總結與展望

本文提供的指夾式血氧飽和儀設計方案，從光源、檢測、信號調理、數據采集、顯示通信到電源管理各個模塊均給出了詳細說明，并對關鍵元器件的選型、功能及其選型依據進行了詳盡描述。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，使整個系統在保證高精度測量和實時響應的同時，實現了低功耗、體積小和易于量產的目標。

未來，隨著數據處理算法的不斷優化和無線通信技術的不斷發展，指夾式血氧飽和儀將會在遠程醫療、健康監控及智能穿戴設備中發揮更加重要的作用。基于本方案，還可進一步引入云端數據分析、移動終端APP及物聯網平臺，實現實時健康數據的遠程管理和大數據分析，為用戶提供更智能、個性化的健康服務。