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可穿戴技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域遍地生花:脈搏血氧計(jì)問世

發(fā)布時間:2014-11-29 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文主要設(shè)計(jì)的是可穿戴監(jiān)測器的建議脈搏血氧計(jì),操作簡單,功能強(qiáng)大,能夠監(jiān)測心率和血氧飽和度。如今可穿戴設(shè)備被應(yīng)用于各個領(lǐng)域,可穿戴設(shè)備在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域遍地生花。

持續(xù)監(jiān)測心臟活動可以測量心率變異性(HRV),該參數(shù)可以了解到心臟健康狀況和其他疾病。

本設(shè)計(jì)實(shí)例是一款全新的脈搏血氧計(jì)設(shè)計(jì),使用起來非常簡單,并且功能強(qiáng)。借助優(yōu)異的性能,它甚至可以作為單獨(dú)設(shè)備使用,以監(jiān)測心率及血氧飽和度。

該系統(tǒng)的核心部件包括超亮紅光LED (KA - 3528SURC)、紅外線LED(VSMB3940X01-GS08)、對兩種光的波長同樣敏感的光電二極管(VBP104SR)。

運(yùn)算放大器LT6003為整個系統(tǒng)的基本構(gòu)件,在電路的幾個放大級均有使用。在圖1中,IC1充當(dāng)跨阻抗放大器使用,將光電二極管產(chǎn)生的電流轉(zhuǎn)換為電壓。這一級提供高增益,從而使幾乎人體的每個部位都能使用傳感器。運(yùn)算放大器IC2充當(dāng)30倍增益的反相放大器。

可穿戴技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域遍地生花:脈搏血氧計(jì)問世
圖1:脈搏血氧計(jì)。

比較器IC4負(fù)極輸入使用峰值檢測器電路連接至修正信號。IC3 、D1 、C6 等元器件用于檢測并保持輸入信號的最大電壓。R7和R10用來對C6電容器放電。該電路用作基準(zhǔn)電壓,即使是傳感器在人體上位置的突然變化,其所產(chǎn)生的微弱脈搏也都被檢測到。

該電路配備了一個高通濾波器和兩個低通濾波器,用于濾除外部光線變化或交流閃光燈閃爍產(chǎn)生的不期望的干擾信號。高通濾波器和第一個低通濾波器的頻率設(shè)置為0.86Hz和159Hz。高通濾波器和低通濾波器的其他端子并未接地,而是接到1V基準(zhǔn)電壓,以增加對檢測信號的偏置,以便后續(xù)處理?;鶞?zhǔn)電壓由LM4040和分壓器(R15、R16)產(chǎn)生。經(jīng)過IC2后,頻率設(shè)為5.9Hz的第二個低通濾波器對信號進(jìn)行處理,進(jìn)一步濾除其他不期望的干擾信號(見圖2、圖3)。

可穿戴技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域遍地生花:脈搏血氧計(jì)問世
圖2:COMP節(jié)點(diǎn)(CH1)和脈搏節(jié)點(diǎn)(CH2)隨時間變化的電壓輸出。
可穿戴技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域遍地生花:脈搏血氧計(jì)問世
圖3:輸出節(jié)點(diǎn)上的信號。
 
本文并未對脈搏讀取過程展開論述,其可以通過帶ADC的MCU來完成。MCU用于控制LED,檢測信號,并將信號轉(zhuǎn)換為血樣飽和度。即使采用窄帶帶通濾波器也可以對血氧飽和度進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)紅光LED點(diǎn)亮后,ADC即開始檢測信號。在兩個或三個脈搏之后,紅外線LED可以與紅光LED同時點(diǎn)亮。MCU利用S=VR/VIR公式進(jìn)行計(jì)算,其中電壓為峰峰值讀數(shù),而S則代表組織血氧飽和度(StO2)校準(zhǔn)表格中的數(shù)值。

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