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用於可穿戴監測器的簡易脈搏血氧計

2014年12月11日  | Martin Jagelka, Martin Daricek, Martin Donoval

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為了持續監測人體心臟的活動,需要對心跳變異性(HRV)進行檢測,因為HRV是瞭解心臟健康狀況和其他疾病的基本參數之一。


本文展示了一款全新的脈搏血氧計。這款脈搏血氧計不僅使用起來較為簡單,而且功能性強。借助產品本身優異的性能,它甚至可以單獨使用,以監測心率及血氧飽和度。


這款產品的核心部件主要包括超亮的紅光LED(KA-3528SURC)、紅外線LED(VSMB3940X01-GS08)、一個對兩種光的波長均較為敏感的光電二極體(VBP104SR)。


圖1:脈搏血氧計
圖1:脈搏血氧計。

運算放大器LT6003為整個系統的基本構件,它在幾個階段內均發揮著一定的作用。在上圖中,IC1(轉阻放大器)將光電二極體產生的電流轉換為電壓。在這個階段所獲得的增益較高,因此幾乎在身體的每一部份都可以使用感測器。而IC2(運算放大器)是作為反相放大器接入電路,其所獲得的增益為30倍。


IC4(負極輸入比較器)通過峰值檢波器電路接入修正後的信號。IC3、D1、C6等元件用於檢測並保持輸入信號的最大電壓。R7和R10主要用來對C6電容器進行放電。該電路採用基準電壓,如此一來,即使感測器在人體上的位置突然發生變化後,仍能測到較為微弱的脈搏。


請點選圖片連結觀看視訊
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該產品配備了一個高通濾波器和兩個低通濾波器,主要用於濾除由於外部光線變化或AC燈閃爍而產生的額外波段頻率。其中高通濾波器和第一個低通濾波器的工作頻率將分別被設為0.86Hz和159Hz。而高通濾波器和低通濾波器的其他終端則並未接地,而是與1伏基準電壓源相連接,以對檢測到的信號進行補償,以便後續對信號進行處理。基準電壓源由LM4040和分壓器(R15、R16)產生。經過IC2之後,頻率設為5.9Hz的低通濾波器將對信號進行處理,進一步濾除其他額外的波段頻率。


圖2:COMP節點(CH1)和脈搏節點(CH2)所獲得的時間相關之電壓輸出
圖2:COMP節點(CH1)和脈搏節點(CH2)所獲得的時間相關之電壓輸出。

圖3:輸出端檢測到的信號
圖3:輸出端檢測到的信號。

本文並未對脈搏信號的資料分析過程進一步討論,此一過程可以通過配備類比數位轉換器(ADC)的微控制器(MCU)來完成。其中,微控制器主要用於控制LED、信號檢測、及將信號轉換為血氧飽和度數據等流程。而僅通過窄帶帶通濾波器就可以對血氧飽和度進行計算。當紅光LED指示燈變亮後,類比數位轉換器即開始檢測信號。檢測到兩次或三次脈搏之後,紅外線LED也隨之變亮,而且在同一時期內,LED和紅外線LED會同時亮起來。微控制器利用“S = VR/VIR”這一公式進行計算,其中電壓值為峰間值讀數,而S則代表血氧飽和度(StO2)在校準數值表中相應的數值。


上述工作由斯洛伐克研究發展署(Slovak Research and Development Agency)資助完成,合約編號為APVV-0865-11、APVV-0819-12及VEGA 1/1177/12。





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