脈搏和血氧飽和度（Spo2）檢測晶片原理

在醫療應用領域，脈搏檢測是一項常規測試。血氧飽和度Spo2指標能夠顯示病人的氧迴圈和呼吸迴圈系統狀況，同樣是一項重要的生理指標。現在，利用半導體電子裝置，我們只需要在身體表面進行簡單的接觸式測試，就可以在短時間內得到這兩項資料。檢測裝置本身也非常便攜。本文簡單介紹一下其檢測晶片的原理。

脈搏即是心跳。每次心跳會將血液輸送到全身。傳統的觸診（壓力）和聽診（聲音）所利用的訊號不適合於利用小型電子裝置檢測。在電子檢測中，採用監測光線變化的方式來獲得心跳資料。

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每次心跳，血液被心臟擠壓到身體終端血管，血液濃度增加，血管變形。同時由於血液內的含氧量變化，其顏色同樣發生變化。因此，利用晶片內部LED發出光，並檢測反射光，就可以檢測到週期性的變化，從而得到脈搏資料。

血氧飽和度指標Spo2，其含義為血液中被氧結合的氧合血紅蛋白(HbO2)的容量佔全部可結合的血紅蛋白(Hb，hemoglobin)容量的百分比，即血液中血氧的濃度。在上圖中可以看到，HbO2和Hb在IR（紅外光）和紅光照射下其反射係數有很大的差別。因此，可以利用兩個光譜下獲得的反射係數來計算得到Spo2指標。 這樣，一次檢測就可以同時得到脈搏和Spo2資料。

在檢測晶片內部，大致結構如下圖： 晶片內部含有一個或多個（不同波長的）LED。控制器控制LED週期性的發光，檢測二極體檢測反射光線強度。訊號（放大後）進入ADC。 取樣到的一個典型脈搏波形可能是這樣的： 部分圖片來自網路

控制器控制LED發光和關斷。脈搏產生的反射變化如頂部瞬態波形所示。可以通過時序控制跳過檢測的瞬態不穩定時間。得到波形後可以通過檢測脈衝的週期得到脈搏。 檢測Spo2需要得到AC波形的峰峰值。一般做兩次光照，常規光線和紅外光，獲取峰峰值後進入數字邏輯計算。 一個問題是反射訊號有很大部分是DC訊號。DC訊號主要來源於環境光，並且隨著接觸介質，個體差別，人的行動等等因素而變化。一般我們需要的反射訊號不到DC訊號的1%。因此，消除DC訊號是決定檢測精度的重要部分。消除DC訊號可以通過關閉發光LED的週期進行取樣進行。 由於脈搏訊號的頻率較低，ADC一般只需要工作在<1KHz頻率，同時需要很好的消除噪聲特性。這是一個很適合Sigma-Delta ADC的應用。後續的濾波可以放在邏輯部分進行，包括消除AC電源噪聲等。 另一個需要考慮的因素是，Spo2的計算需要隨著溫度變化而變化，因此在晶片內部會內建一個溫度檢測單元。

資料會通過SPI或者I2C等數字介面通過電纜輸出到主機。在更新的設計中也可以通過藍芽等介面直接無線傳送資料。