人体心率血氧测量方案详解

人体心率血氧测量方案详解

人体心率血氧检测是可穿戴设备和医疗设备中的重要功能，通常分为心率测量和血氧测量两个部分。

在常见的单片机心率测量方案中，传统方法使用红外对管进行信号调理。但如今，已有多种集成芯片简化了这一过程。

常用心率测量芯片

1. Maxim Integrated MAX30100/MAX30102：

• 集成脉搏血氧仪和心率传感器，采用光电容积脉搏波描记（PPG）技术测量血氧饱和度和心率。
• 广泛应用于智能手表和健身追踪器等可穿戴设备。

2. Texas Instruments AFE4400/AFE4404：

• 专为光学心率监测设计的模拟前端（AFE）芯片。
• 支持PPG信号的采集和处理，适用于医疗级设备。

3. Analog Devices ADPD4100/ADPD4101：

• 多参数光学传感器芯片，可监测心率、血氧、呼吸率等多种生理参数。
• 提供高度集成的解决方案，适用于可穿戴健康监测设备。

4. ams AG AS7000系列：

• 利用PPG技术进行心率监测，同时可测量其他生理参数。
• 具有低功耗特性，适合长时间佩戴的设备。

5. Silicon Labs Si114x系列：

• 适用于手指或耳垂的心率检测，采用反射式PPG方法。
• 低功耗和小尺寸设计，适合嵌入式应用。

工作原理

这些芯片主要通过光电容积描记法（PPG）来测量心率，即通过发射光和检测反射光来测量血液流动的变化。具体过程如下：

1. 芯片发射特定波长的光线（如660nm的红光），这些光波能够穿透皮肤和血液。
2. 光线穿过皮肤和血管时，部分被组织和血液吸收，部分被反射或散射。
3. 光检测器（如光电二极管）接收反射回来的光线，测量其强度变化。
4. 接收到的光信号经过放大和滤波处理，提取与心跳同步的脉搏波信号。
5. 这个信号的波形变化反映了心脏每次跳动时血液量的变化。

血氧测量原理

血氧饱和度（SpO2）是评估呼吸功能和循环系统健康的重要指标，表示动脉血液中氧合血红蛋白占总血红蛋白的百分比。血氧芯片通常包含两个不同波长的LED光源：红光（约660 nm）和红外光（约940 nm）。

• 光源发射：血氧芯片中的LED光源依次发射红光和红外光。
• 光线吸收和散射：光线穿过皮肤和血管时，一部分被氧合血红蛋白和未氧合血红蛋白吸收，另一部分被散射和反射。
• 光检测器接收：光电二极管检测反射回来的红光和红外光的强度，生成两个不同波长的光电信号。
• 信号放大和滤波：通过放大和滤波电路，去除干扰和噪声，得到稳定的光电信号。
• 计算SpO2：芯片内部算法根据红光和红外光的强度比值，计算出血氧饱和度。

上图展示了红光（660 nm）和红外光（940 nm）的吸收信号。红光吸收信号的变化幅度较大，而红外光吸收信号的变化幅度较小，这反映了血液中氧合血红蛋白和未氧合血红蛋白的不同吸收特性。下图基于红光和红外光吸收信号的比值，计算得到的血氧饱和度（SpO2）。在这个简化模型中，SpO2大约在95%到100%之间波动，显示了随着时间的变化估算的血氧水平。