主题:【第六届原创】POCT仪器之——便携红外人体血氧饱和度监测仪揭秘

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sc360xp
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POCT仪器之——便携红外人体血氧饱和度监测仪揭秘



    随着电子技术和传感器技术的发展,医院许多大型检测仪器实现了小型化,护士常常进行床边检测(又称“即时检验”Point-of-care Testing,POCT)。

    人体除心率、血压、呼吸频率和温度外,脉搏血氧(PO)被认为是排在第5位的最关键健康状况指标。血红蛋白(Hb)是血细胞的重要组成部分,它负责将氧气从肺部输送到身体的其它组织。血红蛋白在任一时刻所含的氧气量被称为氧饱和度。氧饱和度以百分比表示,它是血红蛋白的含氧量与血红蛋白携氧能力之比。血氧饱和度是反映人体呼吸功能及氧含量是否正常的重要生理参数,它是显示人体各组织是否健康的一个重要生理参数,严重缺氧会直接导窒息、休克、死亡等悲剧的发生。


    人体血氧饱和度仪应用在以下几个方面:病人在急救和转运过程中、消防抢险、高空飞行必须监测血氧;心脏病、高血压、糖尿病人,特别是老人都会有呼吸方面的问题,监测血氧指标可很好地了解自己的呼吸、免疫系统是否正常,血氧饱和度已成为普通家庭日常监测的重要生理指标;医护人员在查房和出诊是也将血氧作为必监测项目,使用数量有压过听诊器的趋势;呼吸疾病患者特别是长期打鼾的、使用呼吸机和制氧机的患者,在日常生活中使用血氧仪来监测治疗效果;户外动者、登山爱好者、体育运动者在运动时都使用血氧仪,及时知道自己的身体情况,并采取必要的保护措施。

下面将市售的一款便携式人体血氧饱和度监测仪进行解析,揭开内部结构的神秘面纱。

一、外观 

血氧仪像一个大夹子:


电池仓在背面,使用两只7号电池。该仪器非常省电,不使用8秒钟后自动关机,两节电池可用30小时:



手指槽的上端有发射窗,下端有光信号接收窗:



将手指放进去,几秒钟后,显示出血氧饱和度、脉搏值:



二、系统结构原理

便携式人体血氧饱和度监测仪结构原理见下图,开机后,电源提供1.8V和3V、12V三组直流电给电路使用,嵌入式微处理器(MCU)向光头驱动电路发出控制信号,使双发光二极管(红光、红外光)交替发出调制光,该两组光线穿过手指,被另一面的光电池接收,信号通过前置放大、整理电路,输入MCU进行分析、计算,结果由LED数字显示板显示出来。


血氧饱和度监测原理:无创脉搏血氧饱和度测量是以朗伯 - 比尔定律,血液中还原血红蛋白 (Hb )和氧合血红蛋白(HbO2 )对光的吸收特性不同为基础的。通过两种不同波长的光(660nm红光940nm近红外光)分别照射人手指组织后,再由光电检测器转换成电信号。在该波长处,氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收差别较大,组织中的其他成分吸收光信号是恒定的, 经过光电检测器后得到直流分量 DC,而动脉血中的 HbO2 和Hb对光信号的吸收是随着脉搏搏动作周期性变化, 经过光电检测器后得到交流分量 AC, 由于 HbO2 和 Hb对同一种光线的吸收率各不相同, 微处理器计算所吸收的这两种光谱的比率,并将结果与存在存储器里的饱和度数值表进行比较,从而得出血氧饱和度。

三、拆解主电路板

可用指甲从上端缝隙处,将上盖分开:





电路板正面的元件不多,显示采用LED数字显示板占据了电路板主要面积:


电路板上的集成电路ULN2003A,74HC164:


ULN2003A高耐压、大电流反相器,内部由七个硅NPN 达林顿管组成的驱动芯片,电路框图如下:



74HC164数码管显示驱动IC,是串行输入、并行输出接口器件,可用在单向的并行输出/并行地址锁存等。74HC164价格便宜,特别适合使用在需要用到数码管显示而IO口又比较紧张的电子产品中:


数码显示板旁边是一只双运放SGM8622 XMS


用小改刀拨开固定卡扣,取下电路板:




电路板背面,分布的元件较多:



MCU的型号被涂了:


刮掉涂漆,看见MCU的型号是C8051F007:


C8051F007是低功耗嵌入式单片机(MCU)该单片机具有供电电压低(2.7~3.6 v)、 功耗低(可低于1 ma)、体积小(8 mm×8 mm)、功能强等特点。该单片机具有12bit adc、35 6bram、32kflash,将采集到的光电信号进行分析、处理、记忆、消除干扰及温度波动,输出数据给LED显示板。

光头的发射光源及驱动电路
血氧饱和度探头中的光源采用了双色发光二极管PDFE 833,它能发出波长分别是 660 nm和 940 nm的红光和红外光。红光和红外光经过人体的组织反射后被光电信号接收探头(硅光电池)接收。双色发光LED驱动采用 H 桥电路, 由MCU控制其调制并交替发光,如下图所示:


特制的940 nm近红外光和 660 nm红光双波长发光二极管微距图片:




351A和352A是贴片三极管(NPN,PNP)对管,构成光头LED的H 桥驱动电路:


SGM8622 XMS是低噪声CMOS双运算放大器,构成前置电路中的跨导放大器及相关电路:


PHPIDC-DC转换IC,将2节5号电池转为12V电源给LED显示板电路供电:



四、分离仪器上下端,察看光电探头
电池仓内



用小改刀拨开电池仓下面的弹簧卡头:


松开仪器上下部分:



将粘在仪器下端的防过敏橡胶内套剥开,露出光电信号接收探头:


取下下端的橡胶内套,光电信号接收探头全貌——硅光电池:



光电信号接收探头(硅光电池)的微距图片


将仪器装还原,按下电源开关按钮,可以看见光源发射窗的红光闪烁:



放入手指,3、4秒钟就测量出数据:脉搏63(次/分钟),血氧饱和度98%


结束语:

    该仪器检测精度取决于硬件设计和软件算法;日常使用中,该仪器基本无故障、很耐用,很省电,只要不进水,轻微的摔,都不会有影响。

    随着电子技术和传感器技术的发展,更多的便携式医疗监测仪器开始进入家庭,例如:血糖仪、血压计、血氧仪、尿酸计、总胆固醇计等等。用于日常对人体健康状况的自我监测,起到很好地预警作用。

该帖子作者被版主 土老冒豆豆30积分, 2经验,加分理由:讲述详细,最后一月了多来发原创吧
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土老冒豆豆
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经常在影视作品里看到躺病床上的病人手指上就套个夹子,原来就是这个东西啊。
该帖子作者被版主 gl198603122积分, 2经验,加分理由:欢迎来到生命科学板块交流学习
土老冒豆豆
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楼主写的很详细啊,电路图都有,差点以为是销售这款产品的厂商呢。
九日天
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