指夹式血氧饱和仪设计方案

一、引言

指夹式血氧饱和仪是一种便携式医疗检测设备，通过检测人体指尖透射（或反射）的红光和红外光信号来计算血液中氧合血红蛋白与总血红蛋白的比值，从而得到血氧饱和度（SpO₂）以及脉搏信息。由于测量信号微弱、环境干扰大，本设计方案重点从光电信号的采集、信号调理、数据处理及显示传输等方面出发，确保系统高精度、低噪声、低功耗、易于携带，同时满足生产成本和大批量量产要求。本文详细介绍了设计原理、各模块组成、元器件选型及其功能，并附上电路框图，为后续研发提供完整技术参考。

二、工作原理

血氧饱和仪基于光吸收法原理：

• 发射端： 利用两组不同波长的LED分别发射红光（约660nm）和红外光（约940nm），这两种光在血液中被氧合和脱氧血红蛋白吸收的程度不同。

• 检测端： 采用高灵敏度光电二极管接收穿过或反射自指尖的光信号。光信号的直流（DC）部分主要反映组织及骨骼的吸收，而交流（AC）部分则与脉搏搏动有关。

• 信号处理： 经过前置放大和滤波，将微弱信号进行放大、降噪，并通过ADC采样后，利用数字信号处理算法（如峰值检测、滤波、比例运算）计算出血氧饱和度和脉率。

该检测方法具有非侵入、实时、便携等优点，但要求电路设计具有极高的灵敏度和抗干扰能力。

三、系统结构及模块划分

整个系统可划分为以下几个功能模块：

1. 光源模块：
   – 包括红光LED和红外LED，提供特定波长的光源。

2. 光电检测模块：
   – 采用高灵敏度光电二极管，检测透射或反射光信号。

3. 信号调理模块：
   – 包括跨阻放大、低通滤波、直流偏置调整等电路，负责将微弱的光电信号放大到适合ADC采样的幅度，同时过滤高频噪声。

4. 数据采集与处理模块：
   – 采用高精度ADC模块及微控制器(MCU)，采集调理后的信号并进行脉搏检测、SpO₂计算。

5. 显示与通信模块：
   – 通过OLED或LCD显示屏实时显示测量数据，并可借助蓝牙或USB模块实现数据传输与远程监控。

6. 电源管理模块：
   – 利用锂电池、充电IC及稳压芯片为各模块提供稳定直流电压，确保低功耗和长期稳定工作。

四、关键元器件选型及说明

在本设计中，为满足医疗设备高精度、低噪声的要求，各模块元器件选型需慎重，下面详细介绍各模块的优选元器件及选型依据。

1. 光源模块

红光LED（660nm）

• 推荐型号： Luxeon Rebel 红光LED 或 Osram OPTOTYPE 红光LED

• 主要作用： 提供660nm波长的红光。该波长对氧合与脱氧血红蛋白吸收差异明显，有助于后续计算SpO₂。

• 选型理由：
  – 高光效与稳定性： Luxeon Rebel系列具有优异的光输出稳定性及长寿命，确保检测连续性。
  – 温漂低： 保证在环境温度变化时光输出变化较小，从而保证数据准确性。

红外LED（940nm）

• 推荐型号： Luxeon Rebel 红外LED 或 Osram SFH4715

• 主要作用： 发射940nm红外光，与红光数据相互补充，实现准确的血氧饱和度计算。

• 选型理由：
  – 光谱稳定： 选用产品具有稳定的波长输出，确保数据对比可靠。
  – 低功耗： 红外LED应具备低热损耗特性，有助于降低整体功耗和温升问题。

2. 光电检测模块

光电二极管

• 推荐型号： Vishay TEMDxxxx系列或 Osram SFH203P

• 主要作用： 将经过组织的光信号转换成微弱电流，其输出与光强成正比。

• 选型理由：
  – 高灵敏度与低暗电流： 可确保捕捉微弱的光信号变化，减少噪声干扰。
  – 线性响应： 对不同光强响应较为线性，便于后续信号处理和校准。

3. 信号调理模块

跨阻放大器/仪表放大器

• 推荐型号： AD8237 或其他低噪声仪表放大器

• 主要作用： 将光电二极管输出的微小电流信号转换为电压信号，并进行初级放大。

• 选型理由：
  – 高共模抑制比（CMRR）： 能有效抑制干扰噪声，提高信号准确性。
  – 低功耗与低漂移： 确保长时间测量过程中信号稳定。

滤波电路

• 实现方式： 可采用Sallen-Key结构或主动滤波器电路

• 器件： 精密电阻（1%）、NP0/C0G电容

• 主要作用： 去除高频噪声，保留有效的脉搏信号及低频信息。

• 选型理由：
  – 滤波带宽可调： 设计时需考虑心率信号一般在1～2Hz左右，滤波器截止频率选择合理。
  – 高稳定性元件： 使用NP0/C0G电容和精密电阻，保证信号滤波效果一致，减少温度引起的偏移。

4. 数据采集与处理模块

微控制器 (MCU)

• 推荐型号： STMicroelectronics STM32F103C8T6 或 Microchip PIC18F 系列

• 主要作用： 负责对经过放大、滤波后的模拟信号进行ADC采样，运行信号处理算法，计算脉搏和血氧饱和度，同时控制显示和通信模块。

• 选型理由：
  – 高运算能力： STM32F103具备较高处理速度，适合实时数据处理。
  – 内置ADC： 部分型号内置高精度ADC，简化电路设计；同时外设接口丰富，方便集成其他模块。
  – 低功耗设计： 符合便携医疗设备的功耗要求。

模数转换器 (ADC)

• 推荐型号： 若MCU内置ADC精度不够，可选用ADS1115（16位）

• 主要作用： 将模拟信号转换为数字信号，供MCU进行数据处理。

• 选型理由：
  – 高分辨率与低噪声： 16位ADC能更精细地捕捉信号变化，提高测量精度。
  – 接口简单： I²C接口方便与MCU通信，降低设计复杂度。

信号预处理及辅助电路

• 功能： 可加入模拟积分、放大或基准电压调节电路，保证ADC输入信号在最佳动态范围内，便于后续数字信号处理。

5. 显示及通信模块

显示屏

• 推荐型号： 0.96寸OLED显示屏（I²C接口）或LCD1602

• 主要作用： 实时显示脉率、血氧饱和度及其他状态信息。

• 选型理由：
  – OLED优点： 高对比度、宽视角、低功耗，适合便携设备；接口简单，便于集成。
  – LCD优势： 成本较低，且在光线充足的环境下具有良好可读性。

无线通信模块

• 推荐型号： 蓝牙模块 HC-05 或BLE模块（如 nRF8001）

• 主要作用： 实现数据无线传输至手机APP或PC，实现远程监控。

• 选型理由：
  – 成熟稳定： 蓝牙模块在便携设备中应用广泛，通信可靠、功耗低。
  – 接口方便： 与MCU通信简单，支持串口数据传输。

6. 电源管理模块

锂电池及充电管理芯片

• 推荐型号： TP4056充电模块搭配3.7V锂电池

• 主要作用： 为整个系统提供稳定的电源，并支持充电管理、过充过放保护。

• 选型理由：
  – 集成充电保护： TP4056模块设计成熟，具有自动充放电管理，保证设备安全。
  – 体积小、方便携带： 锂电池能提供足够续航时间，符合便携设备的要求。

稳压器

• 推荐型号： AMS1117系列稳压芯片

• 主要作用： 将电池电压稳定为所需的3.3V或5V电压，供MCU及其他模块使用。

• 选型理由： AMS1117具有价格低廉、结构简单、输出稳定的优点，适合小功率电路设计。

7. 其他辅助元件

• 时钟电路： 为保证MCU系统时钟稳定，可采用32.768kHz晶振或内部高精度时钟源。

• 存储器： 若需要长时间数据存储，可选SPI闪存模块；数据记录和历史数据追踪对后续统计分析有帮助。

• EMI抑制及PCB设计： 采用多层PCB设计，设置独立的模拟与数字地平面，使用屏蔽措施和滤波电容降低电磁干扰，确保信号传输质量。

五、电路框图设计

为直观展示各模块之间的信号流程，下面给出整体电路框图示意图：

               +-------------------------------------+
               |          电源管理模块               |
               | (锂电池 / TP4056 / AMS1117稳压器)    |
               +-------------------+-----------------+
                                   |
                           稳压输出 (3.3V/5V)
                                   |
       +---------------------------+---------------------------+
       |                                                       |
+---------------+                                     +------------------+
|  光源驱动电路 |                                     |   信号调理模块   |
| (红光LED & IRLED)                                  | (跨阻放大、滤波)  |
+-------+-------+                                     +-------+----------+
        |                                                     |
        |                                                     |
        v                                                     v
+---------------+                                  +---------------------+
|               |<---- 光信号（透射/反射） ----->|   光电探测模块     |
|   指夹检测部  |                                  |   (光电二极管)      |
|               |                                  +----------+----------+
+-------+-------+                                             |
        |                                                     |
        v                                                     v
+-----------------------+                      +--------------------------+
| 数据采集与处理模块    | <---- ADC/MCU ------> |   模数转换及信号处理电路  |
| (STM32F103 / PIC系列) |                      | (内置或外部高精度ADC)     |
+-----------+-----------+                      +-----------+--------------+
            |                                               |
            v                                               v
   +-------------------+                           +-------------------+
   | 显示与通信模块    |                           | 用户交互模块      |
   | (OLED/LCD, 蓝牙)  |                           | (按键、指示灯等)  |
   +-------------------+                           +-------------------+

六、软件及算法设计

在硬件设计完成的基础上，MCU固件的设计同样至关重要。主要包括以下部分：

1. 数据采集：
   – MCU采用定时中断或DMA方式，对经过信号调理模块输出的模拟信号进行连续采样，采样频率建议设定在100～200Hz，以捕获心率脉搏波形的有效信息。

2. 数字信号处理：
   – 采用数字低通滤波器（如IIR或FIR滤波器）去除环境和电路噪声；
   – 利用峰值检测算法提取脉搏波形，计算脉率；
   – 同时对红光和红外信号进行AC/DC分离，得到各自的比例值。

3. 血氧饱和度计算：
   – 根据两个通道的AC/DC比值，利用经验公式或查表法计算出血氧饱和度（SpO₂）；
   – 为提高数据准确性，可采用卡尔曼滤波或自适应滤波算法对数据进行平滑处理。

4. 显示与通信：
   – 将处理后的脉率和SpO₂值实时显示于OLED屏上；
   – 同时通过蓝牙或USB模块将数据传输至移动终端或电脑，实现远程监控。

七、选型分析及设计考虑

在整个方案中，元器件的选型遵循以下原则：

• 高精度与低噪声：
  – 为保证检测微弱的光电信号，所有前端放大器、滤波器及光电传感器均选用低噪声、高稳定性的产品。

• 低功耗设计：
  – 便携设备对功耗要求严格，因此MCU、蓝牙模块及显示屏均选用低功耗版本，同时电源管理模块确保供电稳定且高效。

• 体积与便携性：
  – 指夹式设计要求设备小巧轻便，PCB布局需要尽量采用紧凑设计，并合理分布模拟与数字电路，防止干扰。

• 成本与供应：
  – 优选市场上成熟、可靠且易于批量采购的元器件，如Luxeon系列LED、STM32 MCU等，以确保后续量产和维护。

此外，针对医疗检测设备，还需考虑：

• 温度补偿：
  – 部分器件性能受温度影响较大，在设计中可增加温度传感器，并在软件中进行温度校正。

• 安全性保护：
  – 电路中应加入过流、过压及静电保护电路，确保使用安全。

• 信号校准：
  – 出厂前需进行系统标定，建立红光、红外信号与实际血氧饱和度之间的映射关系，以提高测量准确性。

八、制造与调试

在硬件制造过程中，需特别关注以下几点：

• PCB布局：
  – 高精度信号电路与数字部分分离，采用屏蔽措施和专用地线层设计，降低电磁干扰。

• 器件封装：
  – 选用体积小、性能稳定的封装，同时注意散热设计，保证长时间工作温度稳定。

• 软件调试：
  – 利用仿真及实验数据对滤波器和信号处理算法进行调试，确保在不同环境下均能准确采集和处理信号。

九、总结与展望

本文提供的指夹式血氧饱和仪设计方案，从光源、检测、信号调理、数据采集、显示通信到电源管理各个模块均给出了详细说明，并对关键元器件的选型、功能及其选型依据进行了详尽描述。利用Luxeon系列LED、Vishay光电二极管、AD8237跨阻放大器、STM32F103C8T6 MCU（或PIC18F系列）、ADS1115高精度ADC、OLED显示屏以及TP4056/AMS1117电源管理方案，使整个系统在保证高精度测量和实时响应的同时，实现了低功耗、体积小和易于量产的目标。

未来，随着数据处理算法的不断优化和无线通信技术的不断发展，指夹式血氧饱和仪将会在远程医疗、健康监控及智能穿戴设备中发挥更加重要的作用。基于本方案，还可进一步引入云端数据分析、移动终端APP及物联网平台，实现实时健康数据的远程管理和大数据分析，为用户提供更智能、个性化的健康服务。