高性能DSC與FIR帶通濾波器可強化感測器類比資料轉換及處理效能，進而幫助脈博血氧計實現更高精準度的心跳、血氧飽和度測量。
醫療和健身應用領域的相關電子設備，可說是日新月異。當今醫療保健設備的市場需求，不僅龐大且多樣，產品設計也極具挑戰性。以往主要在醫院使用的設備，現在也被用於家庭醫療和個人健康的監測。
例如，脈搏血氧計可用於測量心跳速率和血氧濃度；目前這類設備在市面上以兩種形式銷售，分別是家用醫療設備和整合至腕帶式健身活動紀錄器(運動手環)之中。
本文將介紹醫療和健身應用中脈搏血氧計的基礎知識，同時提供一個脈搏血氧計的設計示例，說明測量心跳速率和血氧濃度的方法。
血氧定量法(Oximetry)用來測量血氧飽和度，通常以百分比表示。脈搏血氧計是一種非侵入性設備，用於測量人的血氧飽和度和心跳速率，此種設備的外型很容易被辨認出，它有著夾狀探測頭，通常夾在患者的手指上。脈搏血氧計可以是獨立設備或患者監測系統的一部分，也可以整合到穿戴式健身紀錄器中，因此，脈搏血氧計的使用者可能是醫院的護士、回到家中的門診病人、健身房的健身愛好者，甚至是低壓環境中作業的飛行員。
脈搏血氧計實現心跳、血氧飽和度測量
血氧測量的原理基於血氧飽和度(SpO2)能透過測量血紅蛋白得出，血紅蛋白是紅血球中攜帶氧氣的色素，這也是其呈現紅色的原因所在。血紅蛋白將氧氣輸送到人體各個組織，且具有兩種存在形式，第一種是氧合血紅蛋白，表示為HbO2(即有氧)。另一種是去氧血紅蛋白，表示為Hb(即無氧)。
因此，血氧飽和度為氧合血紅蛋白與去氧血紅蛋白之比率，可表示為：SpO2=HbO2/(Hb+HbO2)；而血氧飽和度的值以百分比表示，正常讀數通常為97%或更高。以下將說明脈搏血氧計詳細測量方式。
透射式/反射式血氧定量法各擅勝場
血紅蛋白有個有趣之處是它反射和吸收光的方式。例如，Hb可吸收較多(反射較少)的可見紅光；而HbO2可吸收較多(反射較少)的紅外線光。由於我們可以透過比較Hb和HbO2的數值來確定血氧飽和度，因此有一種測量方法就是讓紅色發光二極體(LED)和紅外線LED光穿過身體的某個部位(如手指或手腕)，然後比較這兩種光的相對強度。
有兩種常用方法可以實現這一目的：(1)測量穿透組織的光強度之方法稱為透射式血氧定量法(Transmissive Oximetry)；(2)測量組織反射的光強度的方法則稱為反射式血氧定量法(Reflectance Oximetry)。兩者運作原理如圖1所示。
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| 圖1 兩種血氧定量法示意圖 |
醫院一般採用透射式血氧定量法。目前大多數醫院使用的患者監測系統都已整合透射式脈搏血氧計，不過，許多新研發的高端可穿戴健身設備則採用反射式脈搏血氧定量法。
由於心臟搏動時會將血液打入全身，故每次心臟收縮時，都會將血液擠入微血管，使其容積略微增加；心臟舒張時，微血管容積會減小。這種容積上的改變會影響透射過組織的光量，如紅光和紅外線光量。儘管波動很小，卻可以透過脈搏血氧計測得，並且只須採用測量血氧飽和度時所用的同類型裝置即可。
由此可知，典型脈搏血氧計可根據HbO2和Hb對紅光(採用600∼750nm波長)和紅外線光(採用850∼1,000nm波長)的吸收特性，監測人體血液的血氧飽和度。此類脈搏血氧計會交替發射紅光和紅外線光穿過身體部位(如手指)，至一個光電二極體感測器。
此光電二極體通常用於接收來自每個LED的未吸收光線。隨後，此訊號會通過反向運算放大器(Op Amp)進行反相，所得到的訊號即代表被手指吸收的光，如圖2所示。
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| 圖2 由示波器捕捉的即時紅光和紅外線光脈動訊號 |
其中，紅光和紅外線光訊號的脈衝幅度(Vpp)經測量後轉換為Vrms，以通過以下公式計算比率：
血氧飽和度可通過該比值和依據經驗公式設定的查找表來確定。心跳速率則可根據脈搏血氧計的類比數位轉換器(ADC)採樣數和取樣速率來計算。
有效實現脈搏/血氧量測 DSC/濾波器設計居關鍵
查找表是脈搏血氧計的運作的關鍵之一。每個查找表都與特定的血氧計設計相對應，通常基於大量檢測不同SpO2水準的物件所繪製的校準曲線，圖3顯示校準曲線的一個示例。
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| 圖3 血氧飽和度測量之校準曲線示例 |
以下示例將進一步介紹透射式脈搏血氧計的各個部分，如圖4所示，該設計展示了心跳速率和血氧飽和度水準的測量過程。
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| 圖4 透射式脈搏血氧計系統框架圖 |
探測頭
本示例中使用的血氧飽和度探測頭為一種現成的指夾，整合一個紅光LED、一個紅外線光LED和一個光電二極體，當中的LED由LED驅動電路控制。
當訊號調整電路偵測到穿過手指的紅光和紅外線光後，將其饋入整合在數位訊號控制器(DSC)中的12位元ADC模組，以計算血氧飽和度的百分比。
LED驅動電路
LED驅動電路中的DSC，具兩個PWM訊號驅動一個雙通道單軸雙切類比開關，交替開關紅光LED和紅外線光LED。為獲取適量的ADC採樣，且在下一次LED亮起前仍能有足夠的時間來處理資料，可按照圖5的時序圖來控制LED開關。
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| 圖5 LED控制時序圖 |
至於LED電流/強度將透過由DSC驅動的12位元數位對類比轉換器(DAC)控制。
類比訊號調整電路
訊號調整電路包含兩級。第一級為轉阻放大器，第二級為增益放大器。在這兩級之間放置一個高通濾波器。
跨阻放大器將光電二極體產生的幾微安培(μA)電流轉換為幾毫伏特(mV)電壓。第一級放大器接收的訊號隨後通過一個高通濾波器，以減少背景光干擾。
高通濾波器輸出的訊號接著送至增益為22且直流偏壓為220mV的第二級放大器。該放大器的增益和直流偏壓應設為適當值，以使增益放大器的輸出訊號位準處於微控制器(MCU)的ADC範圍內。
數位濾波器
類比訊號調整電路輸出與DSC整合的12位元ADC模組相連。以本示例來說，採用微芯(Microchip)的dsPIC DSC，既可以利用它整合的數位訊號處理器(DSP)功能，又能方便地使用相關數位濾波器設計工具。
在每個LED導通期間進行一次ADC採樣；在這兩組LED關斷期間也進行一次ADC採樣。由於直接測量通過有機體組織的光量比較困難，因此工程師可採用濾波器設計工具來實現513階FIR帶通數位濾波器，這樣就可以對ADC資料進行濾波，然後再使用經濾波的資料計算脈衝幅度，如圖6所示。
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| 圖6 輸入和經濾波的資料 |
本文FIR帶通濾波器的規格如下：採樣頻率(Hz)：500、帶通紋波(-dB)：0.1、帶通頻率(Hz)：1 & 5、阻帶紋波(-dB)：50、阻帶頻率(Hz)：0.05 & 25、濾波器長度：513。圖6顯示的1號曲線圖是FIR濾波器的輸入訊號，2號曲線圖則是FIR濾波器的輸出訊號，而X軸表示ADC採樣數，Y軸表示ADC代碼值。
心跳/血氧測量需求漲 脈搏血氧計身價看俏
家庭醫療和健身市場正在快速增長。在未來幾年內，對於可測量心跳速率和血氧濃度的設備的需求必然會上升。脈搏血氧計參考設計(如本文所述)可幫助醫療和健身設備的設計人員將設計轉化為產品並在上市方面占盡先機。
(本文作者Zhang Feng為Microchip醫療產品部資深醫療電子應用工程師，Marten Smith為Microchip醫療電子市場主管工程師)