POCT仪器之——便携红外人体血氧饱和度监测仪揭秘

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POCT仪器之——便携红外人体血氧饱和度监测仪揭秘

    随着电子技术和传感器技术的发展，医院许多大型检测仪器实现了小型化，护士常常进行床边检测（又称“即时检验”Point-of-care Testing，POCT）。

    人体除心率、血压、呼吸频率和温度外，脉搏血氧(PO)被认为是排在第5位的最关键健康状况指标。血红蛋白(Hb)是血细胞的重要组成部分，它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为氧饱和度。氧饱和度以百分比表示，它是血红蛋白的含氧量与血红蛋白携氧能力之比。血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数，它是显示人体各组织是否健康的一个重要生理参数，严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。

    人体血氧饱和度仪应用在以下几个方面：病人在急救和转运过程中、消防抢险、高空飞行必须监测血氧；心脏病、高血压、糖尿病人，特别是老人都会有呼吸方面的问题，监测血氧指标可很好地了解自己的呼吸、免疫系统是否正常，血氧饱和度已成为普通家庭日常监测的重要生理指标；医护人员在查房和出诊是也将血氧作为必监测项目，使用数量有压过听诊器的趋势；呼吸疾病患者特别是长期打鼾的、使用呼吸机和制氧机的患者，在日常生活中使用血氧仪来监测治疗效果；户外动者、登山爱好者、体育运动者在运动时都使用血氧仪，及时知道自己的身体情况，并采取必要的保护措施。

下面将市售的一款便携式人体血氧饱和度监测仪进行解析，揭开内部结构的神秘面纱。



一、外观  

血氧仪像一个大夹子：


电池仓在背面，使用两只7号电池。该仪器非常省电，不使用8秒钟后自动关机，两节电池可用30小时：



手指槽的上端有发射窗，下端有光信号接收窗：



将手指放进去，几秒钟后，显示出血氧饱和度、脉搏值：





二、系统结构原理

便携式人体血氧饱和度监测仪结构原理见下图，开机后，电源提供1.8V和3V、12V三组直流电给电路使用，嵌入式微处理器（MCU）向光头驱动电路发出控制信号，使双发光二极管（红光、红外光）交替发出调制光，该两组光线穿过手指，被另一面的光电池接收，信号通过前置放大、整理电路，输入MCU进行分析、计算，结果由OLED数字显示板显示出来。



血氧饱和度监测原理：无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯 - 比尔定律，血液中还原血红蛋白 (Hb )和氧合血红蛋白(HbO2 )对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的光（660nm红光和940nm近红外光）分别照射人手指组织后，再由光电检测器转换成电信号。在该波长处，氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大，组织中的其他成分吸收光信号是恒定的, 经过光电检测器后得到直流分量 DC，而动脉血中的 HbO2 和Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化, 经过光电检测器后得到交流分量 AC, 由于 HbO2 和 Hb对同一种光线的吸收率各不相同, 微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率，并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较，从而得出血氧饱和度。



三、拆解主电路板

可用指甲从上端缝隙处，将上盖分开：





电路板正面的元件不多，显示采用OLED显示板，即有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode），占据了电路板主要面积：



电路板上的集成电路ULN2003A，74HC164：


ULN2003A是高耐压、大电流反相器，内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片，电路框图如下：



74HC164是数码管显示驱动IC，是串行输入、并行输出接口器件,可用在单向的并行输出/并行地址锁存等。74HC164价格便宜,特别适合使用在需要用到数码管显示而IO口又比较紧张的电子产品中：

数码显示板旁边是一只双运放SGM8622 XMS：


用小改刀拨开固定卡扣，取下电路板：




电路板背面，分布的元件较多：



MCU的型号被涂了：


刮掉涂漆，看见MCU的型号是C8051F007：


C8051F007是低功耗嵌入式单片机（MCU），该单片机具有供电电压低（2.7～3.6 v）、 功耗低（可低于1 ma）、体积小（8 mm×8 mm）、功能强等特点。该单片机具有12bit adc、35 6bram、32kflash，将采集到的光电信号进行分析、处理、记忆、消除干扰及温度波动，输出数据给OLED显示板。

光头的发射光源及驱动电路
血氧饱和度探头中的光源采用了双色发光二极管PDFE 833，它能发出波长分别是 660 nm和 940 nm的红光和红外光。红光和红外光经过人体的组织反射后被光电信号接收探头（硅光电池）接收。双色发光LED驱动采用 H 桥电路, 由MCU控制其调制并交替发光，如下图所示：


特制的940 nm近红外光和 660 nm红光双波长发光二极管微距图片：




351A和352A是贴片三极管（NPN,PNP）对管，构成光头LED的H 桥驱动电路：

SGM8622 XMS是低噪声CMOS双运算放大器，构成前置电路中的跨导放大器及相关电路：


PHPI是DC-DC转换IC，将2节5号电池转为12V电源给OLED显示板电路供电：

四、分离仪器上下端，察看光电探头
电池仓内



用小改刀拨开电池仓下面的弹簧卡头：


松开仪器上下部分：



将粘在仪器下端的防过敏橡胶内套剥开，露出光电信号接收探头：


取下下端的橡胶内套，光电信号接收探头全貌——硅光电池：



光电信号接收探头（硅光电池）的微距图片：


将仪器装还原，按下电源开关按钮，可以看见光源发射窗的红光闪烁：



放入手指，3、4秒钟就测量出数据：脉搏63(次/分钟)，血氧饱和度98%


结束语：

    该仪器检测精度取决于硬件设计和软件算法；日常使用中，该仪器基本无故障、很耐用，很省电，只要不进水，轻微的摔，都不会有影响。

    随着电子技术和传感器技术的发展，更多的便携式医疗监测仪器开始进入家庭，例如：血糖仪、血压计、血氧仪、尿酸计、总胆固醇计等等。用于日常对人体健康状况的自我监测，起到很好地预警作用。