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提高脉搏血氧仪中的传感器性能和SNR

时间:2019-03-01   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
脉搏血氧仪无创测量或持续监测动脉血中的氧饱和度,以确保有足够的氧合作用。典型应用包括麻醉下呼吸系统疾病患者,新生儿和重症患者。
在脉搏血氧测量系统中,具有光学电子器件的夹子通常连接到手指,脚趾或耳朵,使得光可以从夹子的一侧穿过皮肤并且在另一侧用光电二极管接收。需要良好的动脉血流量来测量血氧饱和度。大多数应用使用透射光学vr赛车,但有些应用使用反射vr赛车。
血氧计类型
脉搏血氧仪有不同的形状和尺寸,分为三大类。
在高端是便携式床边病人监护仪,其具有可移除的电缆,其包括包含用于测量氧饱和度的光学器件的夹子。这些模型要么专用于脉搏血氧仪,要么监测多个重要参数,如脉搏,血压,呼吸频率和温度。这些高端型号需要高性能,低噪声信号路径是最重要的设计参数。电源是次要的考虑因素,因为显示器大部分时间都是线路供电,并且只有在患者移动时才会耗尽电池电量。尺寸不是这些设计的驱动因素。
中档手持式脉搏血氧仪。
中档型号通常是电池供电的手持式设备,带有可拆卸电缆。性能仍然很重要,但需要与尺寸和功率限制相平衡。虽然手持式设备始终使用电池,但它们还有足够的空间容纳大小合适的电池。
 
低端指尖脉搏血氧仪。
在低端是指尖型号,它将基本单元和电缆组合成一个足够大的夹子,以覆盖手指并容纳电子设备和电池。小尺寸意味着可能需要牺牲性能以保持小外形尺寸并实现所需的电池寿命。



脉搏血氧仪的功能框图
工作原理
手术是基于血液中血红蛋白的光吸收特性。含氧血红蛋白比红光吸收更多的红外光,脱氧血红蛋白比红外光吸收更多的红光。因此,血氧计中的红色和红外LED交替地透射光,并且光电二极管接收未被吸收的光。光电二极管接收的红光和红外光的比率用于计算血液中氧的百分比。基于动脉血流的脉动特性,还在测量周期期间确定并显示脉搏率和强度。

传感器电缆校准
脉搏血氧计传感器电缆是可拆卸的,通常是一次性 由于制造公差或传感器的替代版本,LED和光电二极管在电缆中的性能可能不同。通过将诸如EPROM或EEPROM的非易失性存储器结合到传感器电缆中以存储校准系数,可以改善脉冲血氧计的性能。基本单元使用该校准数据来优化传感器中特定光学组件的性能。
由于传感器电缆的机电连接器通常具有有限的引脚,因此系统设计人员必须以最小的互连添加此校准功能。最简单和最强大的方法是在电缆连接器上添加1-Wire存储设备。1-Wire协议是经过验证的串行接口,仅使用一个连接器引脚为引脚受限设计添加校准和其他功能。
此外,由于每个1-Wirevr赛车都内置高ESD保护,因此设计人员无需使用外部保护二极管。
1-Wire存储器设备的另一个好处是它们可用于将更新或新算法传递到基本单元,从而为现场升级提供了一种工具。它们还可以通过仅允许使用经批准的传感器电缆来实现售后市场控制。每个1-Wire器件都刻有一个唯一的64位序列标识号。通过写入存储器设备中的锁定位,制造商能够控制在需要更换之前可以使用传感器的次数。更换是由安全问题引起的,更具体地说,是由患者污染问题引起的。
脉搏血氧仪解决方案

传输路径:驱动LED
红色和红外LED交替驱动,具有精确的电流; 安静的时间占据每个交替脉冲之间的间隔。重复率不快,通常低于10kHz。占空比也很低,以保持整体功率下降,并允许在两个LED关闭时进行环境光测量。大多数情况下,LED位于电缆的末端,因此系统设计人员更愿意使用来自基本单元的电流来驱动LED。这种方法减少了电流误差,并且需要更少的电缆线路,这反过来又降低了成本和重量。用于驱动LED的电流必须具有最小的噪声,因为感兴趣的带宽中的任何噪声将降低系统的信噪比(SNR)并降低其在重症患者中测量低氧饱和度水平的能力。
由于多种原因,现有的LED驱动器通常不在此应用中使用。由于设计它们的背光应用不需要高分辨率,因此难以以所需的分辨率准确且精确地编程LED电流。此外,如果LED驱动器使用开关拓扑,那么电流噪声将太高。可以使用具有线性拓扑的LED驱动器,但是由于在编程电流时缺乏分辨率,这种方法并不理想。
LED可以通过每个LED的基本单元线路以及共用接地独立驱动。或者,为了节省连接器引脚和线路,LED可以以背对背或反并联配置驱动。图1显示了使用两个数模转换器(DAC)驱动电缆中的两个LED以独立设置LED中的电流的方法。使用两个DAC的优点是可以对它们进行大量滤波以降低噪声,因为它们的输出相对静态。在该拓扑中对DAC进行滤波之后执行LED调制。
图1.简化的红色和红外LED偏置和控制电路。
在所有拓扑结构中,力感(FS)配置中使用的运算放大器需要具有低电压噪声和足够高的带宽来调制LED。单个DAC可用于降低成本,但如果噪声增加,性能可能会受到影响。通过每个LED的峰值电流根据每个LED和光电二极管的特性以及每个脉冲的持续时间而变化。在实践中,所有血氧计的峰值电流范围从几十mA到几百mA,尽管单个仪表将使用更窄的电流范围。
接收路径:光电二极管接口,信号调理和数据转换
光电二极管接收来自红色和红外LED的环境光和调制光,然后产生将随时间测量的电流以确定氧饱和度。光电二极管电流通常使用跨阻抗配置的运算放大器转换为电压,也称为跨阻抗放大器(TIA)。光电二极管接收的光主要包括对确定氧饱和度或脉冲无用的环境光。未被组织,静脉血或动脉血吸收的少量红光或红外光是感兴趣的信号并且埋在环境光中。
图2给出了一个简化电路,用于将光电二极管电流转换为电压,信号调理和模数转换。该电路将红色和红外信号一起转换,然后在数字域中处理它们。存在替代拓扑,其中使用同步解调在模拟域中分离红光和红外光。该vr赛车允许使用慢速但高分辨率的模数转换器(ADC); 然而,它在检测运动伪像方面很差。
图2.简化的光电二极管接收路径电路。

TIA的关键规格是极低的输入电流,输入电流噪声和输入电压噪声,以及高压操作。这些特性对于最大化SNR是必要的,以便可以在大的环境电流中测量感兴趣的小电流。高压操作意味着在使用高通滤波器去除环境部分之前,可以使用更大的反馈电阻来轻松放大环境和接收的LED电流。然后放大剩余的感兴趣的小信号以最大化ADC的动态范围。该增益级应该是可编程的,以补偿不断变化的环境因素和光学元件的老化。
ADC的关键规格是高SNR和采样率。采样率应足够快以捕获调制信号并执行所需的数字处理,这对于每个制造商而言是不同的。

显示和背光
如果床边脉搏血氧仪是多参数患者监护仪的一部分,则它不需要自己的显示器,因为它使用了患者监护仪中的大型彩色显示器。专用于脉搏血氧仪的床边监视器通常具有中等尺寸的彩色显示器,或者它们可以包含触敏显示器以增强用户界面并减少专用按钮的数量。手持式型号具有简单的LED或LCD段显示器或更先进的dotmatrix LCD显示器。指尖单元的空间和功率仅适用于小巧简单的LED或LCD显示屏。简单的显示可以由许多微控制器中的显示驱动器驱动; 点阵或更高级的显示器将需要专用电路或交钥匙显示解决方案。LED显示器不需要背光;

数据接口
大多数手持式和床边型号都能够与计算机连接。该数据传输通常由医疗保健提供者或vr赛车人员而不是患者执行。传统上,数据接口使用RS-232,并且该格式是制造商专有的。脉冲血氧计现在正在向USB或无线(Bluetooth®,Wi-Fi®)接口迁移,并且将来血氧仪将能够使用这些标准接口将数据安全地传输到任何设备。

声音警报
声音报警范围从简单的蜂鸣器到输出多种音调,电平和模式的扬声器。一个简单的蜂鸣器可由一个或两个具有脉冲宽度调制(PWM)功能的微控制器端口引脚驱动。通过添加音频DAC和扬声器放大器,可以实现更高级的声音警报。

电源和电池管理
脉冲血氧计需要产生多个电源轨。如果需要自己供电的低压核心,则需要单独的模拟(3V)和通常多个数字(3V,1.8V)电源。由于功率,净空和噪声考虑,通常需要单独的清洁电源为LED(5V)供电。连接到光电二极管的TIA有时需要高电压(+ 30V或-30V)以增加SNR,在某些情况下,还需要显示器。
指尖型号使用AAA外形的两节主碱性电池,而手持式则使用两节AA碱性电池或可充电电池。两种型号都需要升压开关稳压器,低压差线性稳压器(LDO),有时还需要一个反相开关稳压器。床边监视器主要由线路供电,但将使用锂离子(Li +)或镍氢(NiMH)可充电备用电池。通常提供稳定的5V DC电压,因此电源设计与指尖和手持型号不同。带有可充电电池的型号需要电池充电和电量计,如果电池是可拆卸的,还需要安全认证和售后市场控制。

静电放电
静电放电(ESD)是传感器电缆插入的一个问题。这个潜在的问题可以通过专用的ESD线路保护器来解决,以及电路板的精心设计和布局。ESD保护接口的使用使设计人员能够避免与分立保护组件相关的空间和成本。如果血氧计配备了一个,也可以在数据端口和打印机端口进行ESD。按钮和显示器也可能需要通过外壳中的小开口来解决空气排放问题,但这取决于各个血氧计的设计。