設計更優質的脈動測氧器

作者: ADI 系統應用工程師Robert Finnerty


摘要

設計更便利且更省電的醫療裝置,其重要性更甚以往。本文介紹血氧飽和度(SpO2)量測的基本原理,以及展示如何設計新一代光學類比前端(AFE)元件,協助開發更精準的血氧量測儀。這種新型裝置不僅能降低設計複雜度,還能減輕機械設計的負擔,以及降低功耗。

介紹

傳統上,末稍血管血氧濃度(SpO2)都是在手指或耳朵這些身體末稍部位進行量測,通常會用夾具裝置來判斷血氧飽和血紅素與總血紅素的比值。這種量測用來判斷紅血球從肺部將氧氣輸送到身體各部位的循環機能好壞。健康成年人的血氧飽和度正常值介於95%到100%之間。低於這個區間的代表低血氧(hypoxemia),便意謂著身體無法輸送足夠的氧氣來維持健康器官與感知功能。

患有低血氧的人可能出現頭昏、感知混淆(confusion)、呼吸費力或急促(shortness of breath)、以及頭痛等症狀。許多身體病狀可能造成低血氧,因此可能需要在住家或醫院進行持續或間歇性監視。

血氧濃度是醫療院所最常記錄的其中一種生命徵象。許多病狀需要持續監視血氧濃度,其中包括哮喘、心臟疾病、慢性阻塞性肺病(COPD)、肺部疾病、肺炎、以及血氧不足的COVID-19重症等。

判斷出現病徵的COVID-19病患是否需要住院其中一種方法就是監視其血氧濃度值。如果這些量測值低於基準數(通常低於92%),病患就需要住進急診室。

COVID-19與缺氧的近期連結

最近COVID-19病患被診斷出一種特別的隱伏病徵,稱之為隱形缺氧。隱形缺氧可能在沒有出現任何典型COVID-19呼吸道症狀下就對身體造成嚴重傷害,像是上氣喘促(shortness of breath)這類病徵。美國國家生物技術資訊中心網站一篇專文指出,能夠在COVID-19病患出現上氣喘促病徵之前及時偵測出這類隱伏形態的缺氧,對於遏止肺炎發展至危險程度至關重要。

血氧濃度監視是診斷睡眠呼吸中止症(sleep apnea)的重要指標。阻塞性睡眠呼吸中止症會在睡眠期間導致呼吸道部分或完全阻塞。這會導致肺部停止呼吸或一段時間淺呼吸,造成暫時性缺氧。如果長期沒有治療,睡眠呼吸中止症可能增加心臟病發、中風、以及過度肥胖的機率。據估計1%到6%的成年人患有睡眠呼吸中止症。

現今與未來對於更好脈動式血氧濃度計的迫切需求

隨著病患照護的趨勢朝向便攜式以及家用監視發展,業界需要開發適用的生命徵象監視裝置,而其不會妨礙使用者的日常生活作習。在血氧濃度方面,針對手指與耳垂以外的部位進行監視,會衍生許多設計挑戰。最近出現的隱形缺氧便促使業界開發更高可攜性的臨床級(clinical-grade)脈動式血氧濃度計。

本文將闡述血氧濃度量測的一些基本原理,以及介紹ADI最新世代光學類比前端元件ADPD4100 與 ADPD4101,協助降低醫療級血氧濃度裝置的設計複雜度。內建高效能自動式環境光抑制技術,降低機械與電子設計方面的負荷。ADPD4100在更低功耗下的高動態範圍,減少設計專案中光二極體或LED的電流,故能有效率地判斷病患血氧濃度值的微幅變化。最後,數位積分器(digital integrator)選項讓使用者進入超高能源效率模式,讓可攜式PPG解決方案關閉光學訊號通道中的類比模塊,藉以達到更長的運行時間。

什麼是血氧濃度?

血氧濃度是血液中血氧飽和血紅素在總血紅素所佔的比例。量測血氧濃度的黃金標準(gold standard)是量測動脈血氧濃度SaO2。然而這種方法需要在實驗室對血液樣本進行血液氣體分析。校正章節會有深入的介紹。

SpO2 是使用脈動式血氧濃度計估計身體末稍部位量測到的血氧濃度。直到最近,量測血氧濃度最常見的方法是在手指上使用夾式脈動式血氧濃度計。

脈動式血氧濃度計如何工作?

脈動式血氧濃度計的工作原理是根據氧和血紅素(HbO2)與脫氧血紅素(RHb)在特定光線波長下吸收光線能力有顯著差異。圖1顯示HbO2、Hb、以及變性血紅素(MetHb)在可見紅與紅外線光譜的吸光係數。吸光係數是量測化學物質在特定波長下吸收光線的能力。從圖1中可看到氧和血紅素會吸收更多紅光(600奈米),並讓更多紅外光(940奈米)通過。脫氧血紅素在紅外線波長波段會吸收更多光,讓更多紅光通過,通過的紅光多於氧和血紅素的通過量。

最基本的脈動式血氧濃度計包含兩個LED(一個紅光660奈米LED以及一個紅外線(IR)940奈米LED),以及一個光二極體(PD)設置成反射或透射組態(如圖4所示)。脈動式血氧濃度計會發出紅光LED脈衝,並在PD上接收到訊號。在紅外線LED上重複上述程序,最終會歸納出兩個LED在任何外部環境光源的量測基準值。這種方法會產生兩種波長的光體積變化描記圖法(PPG)曲線圖。

Extinction factor of light through hemoglobin

圖1. 光線穿過血紅素的吸光係數

Basic pulse oximeter circuit

圖2. 血氧量測儀基礎電路圖

訊號中含有直流與交流元素。直流元素是由持續反射物體造成,像是皮膚、肌肉、骨頭、以及靜脈血液。當身體休息時,動作產生的影響就比較小,交流元素主要為動脈血液搏動所反射的光。交流元素取決於心律以及動脈血管厚度,在收縮(血泵)時反射或穿透的光量高於異位(舒張)狀態。在收縮階段,血液從心臟泵出,進而提高動脈血管的血壓。增加的血壓會擴張動脈,導致動脈血量增加。增加的血液會造成吸收光量提高。舒張階段血壓下降,吸收光量也隨之減少。圖3顯示心跳造成的舒張以及心縮期高峰。

equation1

equation2

比爾-朗伯定律解釋光在經過吸光物質時出現指數性光衰減的現象。這個定律可用來推算氧合血紅素與總血紅素的比值。

在舒張與收縮時吸收光的強度,其計算公式為:

equation3

這裡的α是動脈血液中吸收光的比率,d2是PPG訊號的AC振幅(如圖3所示)。Idiastole 為直流元素,標示為d1。

equation4

Light attenuation through tissue

圖3. 經過組織的光衰減

藉由計算PPG訊號的交流與直流數據,我們能推算動脈血液中吸收光的變化 - α.d2,它是由心臟泵出血液造成,沒有其他組織造成的影響。

交流元素與直流元素的比值,稱為血流灌注指數(perfusion index),其數值為搏動血流與非搏動靜脈血流的比值。PPG心律或SpO2 量測系統的目標是提高交流對直流訊號比。

PI = AC/DC

紅外線與紅光波長的血流灌注指數可用來計算各比率比值(RoR),這裡指的是PIred 對PLir的比值。特定波長的吸收光計算公式為

equation5

理論上,RoR可代換到以下公式,用來計算SpO2:

equation6

這裡的: EHbO2,red = HbO2 在600奈米的吸光係數,EHbO2,ired= HbO2在940奈米的吸光係數

ERHb,ired = RHb在940奈米的吸光係數, ERHb,red = RHb在600奈米的吸光係數

然而,這裡無法直接使用比爾-朗伯定律,因為每個光學設計案中存在許多變數會導致RoR 與SpO2 的關係出現變化。這些變數包括機械隔板(baffle)的設計、LED 與 PD的間距、電子與機械式環境光抑制、PD增益誤差等。

要讓PPG式SpO2 脈動式血氧濃度計達到臨床設備等級的精準度,必須開發出查表或演算法來校正RoR 與SpO2

校正

要開發高精準度血氧濃度演算法,對量測系統進行校正是必要的動作。要校正血氧濃度系統,必須完成一項研究,由醫療專業人員針對病患血氧值透過醫療方法進行降低、監視、以及觀察,這種程序稱為缺氧研究(hypoxia study)。

SpO2 量測系統的精準度可能僅能作為參考點。參考選項包括醫療級指夾式脈動血氧計,以及黃金標準的CO血氧計。CO血氧計屬於侵入式量測法,測得的血氧飽和度有極高的精準度,但大多數狀況下量測並不便利。

校正程序用來產生最適RoR值曲線,這個RoR值是由光學SpO2 裝置執行動脈血氧濃度SaO2量測時推算得到。這個曲線用來產生查表或SpO2計算公式。

所有SpO2設計都需要校正,因為RoR會受許多變數影響,像是LED波長與強度、PD響應、身體姿態、以及環境光抑制等,每個設計的變數都不相同。

隨著血流灌注指數提高,紅光與紅外線波長的高交流動態範圍就會增加RoR計算的靈敏度,進而讓SpO2 量測更加精準。

在缺氧研究過程中,200量測等於需要記錄100%至70%間隔的血氧飽和度。過程中選擇種類眾多的膚色,以及平均分佈的年齡與性別。包括膚色、年齡、性別的變異,導致各類個人的血流灌注指數出現變化。

穿透式脈動式血氧濃度計的整體誤差必須小於3.0%,反射組態則必須小於3.5%。

設計考量因素:

透射對比反射


PPG訊號可透過透射或反射LED與PD獲得。透射組態量測穿透身體部位的非吸收光。這種組態最適合用在手指與耳垂,這種量測受益於這些身體部位的微血管密度,使得量測更加穩定,具高重複性,且置放位置造成的變異較不敏感。透射組態可讓血流灌注指數獲得40 dB至60 dB的提升。

當PD與LED必須置於鄰近位置,像是腕帶或胸帶式裝置,就會選用反射PPG組態。

LED-PD configuration

圖4. LED-PD 組態


感測器位置與血流灌注指數


置於手腕與胸部位置,PPG AFE需要更高的動態範圍,因為動脈位於靜態反射元件底下較深的位置,深埋在像是皮膚、脂肪、骨頭等組織的下方。

PPG量測要達到更高解析度,必須降低SpO2 演算法的不確定性。腕帶式SpO2感測器的PI通常為1%至2%,脈動式血氧濃度計的目標是透過機械設計或提高動態範圍來增加PI。

LED與PD的間距對PI有極大影響。過小的間距會增加LED與PD的串擾或反散射(backscatter)。結果會反映在直流訊號以及飽和AFE。增加間距雖然會降低反散射與串擾的效應,但也會降低比流器比值(CTR),該值即是LED輸出端與PD返回電流的比值。這不僅會影響PPG係的效率,而且需要更高的LED功率以達到最高的AFE動態範圍。

一個或多個LED快速發出脈衝光,能讓整體訊號減少1/f雜訊。LED的脈衝讓系統可以在接收側使用同步調變來抵消掉環境光干擾。整合多個脈衝光會增加PD訊號振幅,並降低平均消耗電流。增加PD總面積也會提高CTR,因為擷取到更多反射光。

心律PPG量測方面,結合單一大型PD與多個省電節能LED,許多HR裝置製造商在血流有限的部位都會採用這種配置。選用環保LED是因為它們對移動性假象(motion artifact)有高抑制力。然而,代價就是增加功耗。環保LED有較高的順向電壓,超過紅光與紅外線,在人體組織有高吸光率,意謂需要更高的LED功率才能擷取到有意義的心律資訊。

由於SpO2 需要多個波長,且大多數系統在HR PPG方面仍採用高效率環保LED,因此HR 與SpO2 PPG系統最常見的組態就是單一綠光、紅光、以及紅外線LED陣列,外面圍繞多個PD,如圖5所示的ADI VSM手錶。PD與LED的間距經過最適化調整,藉以降低反散射,並透過隔板設計來降低LED與PD之間的串擾。

多款ADI VSM手錶原型品已進行試驗,驗證我們HR PPG與SpO2量測最有效率的PD與LED間距。

ADI VSM watch V4, baffle, and LED DP array

圖5. ADI VSM手錶V4、隔板、以及LED DP 陣列


移動性假象


移動性假象對PPG量測系統產生其中一項最嚴峻的設計挑戰。當出現動作時,動脈與血管的寬度會因壓力而產生變化。光二極體收到的光線量也會改變,結果反映在PPG訊號上,因為光子吸收或反射的狀況會和身體休息時有所差異。

極寬光二極體區域覆蓋極長且深的組織樣本,所有光子最終會反射到光二極體。在這種例子中,不會偵測到因動作產生的假象。然而實際上不會出現這種狀況; 解決方案會增加光二極體區域,但將電容納入考量 – 則會降低AFE並為動作假象提供過濾機制。

PPG訊號的正規頻率在0.5 Hz到5 Hz之間,而動作假象則通常介於0.01 Hz 到10 Hz。取樣帶通過濾技巧無法用來消除PPG訊號中的移動性假象。為達到高精準的動作消除,需要為調適性過濾器提供高精準動作資料。為此,Analog Devices開發 ADXL362 這款3軸加速計。這款加速計提供1 mg 解析度,最高8 g 的範圍,在100 Hz下僅功耗僅3.6 μW,提供3 mm × 3 mm規格的封裝。

ADI 解決方案: ADPD4100

脈動式血氧濃度計的位置會衍生許多挑戰。腕帶式SpO2裝置則會衍生額外的設計挑戰,因為目標交流訊號僅是PD總接收光的1%到2%。為達到醫療級認證以及分辨氧合血紅素的微幅變化,需要更高動態範圍的交流訊號。要達成這個目標,可降低環境光干擾以及減少LED驅動器與AFE雜訊。ADI 為解決這項問題開發出 ADPD4100

ADPD4100 與ADPD41001 可達到100 dB訊號雜訊。對於低灌流狀態下量測SpO2,提高動態範圍非常重要。這款整合式光學類比前端元件有8個板載低雜訊電流源,以及8個分立PD輸出端。數位時序控制器有12個可編程時序插槽,讓使用者能定義各種PD與LED程序,搭配特定LED電流、類比與數位濾波、整合式選項、以及時序限制。

ADPD4100背後有 EVAL-ADPD4100-4101 穿戴評估套件以及ADI生命徵象監視研究手錶提供支援。這款硬體能無縫連結到ADI Wavetool程式,執行生物阻抗、ECG、PPG心律、以及多波長PPG量測,協助SpO2產品研發。

研究手錶為ADPD4100內嵌自動增益控制(AGC)演算法,能調節TIA增益與LED電流,為所有選用的LED波長提供最適交流訊號動態範圍。

ADPD410X block diagram

圖6. ADPD410X 模塊圖

ADPD4100 simultaneous red and IR

圖7. ADPD4100 同步紅(右)與紅外線(左)PPG量測

替代的ADI解決方案

手指與耳垂SpO2 讀數是最容易的設計,因為訊號雜訊高於手腕與胸部位置,兩處的骨頭與組織較少,進而減少直流元素的影響。

針對這類應用, ADPD144RI 模組與 ADPD1080 是適合的元件產品。

ADPD144RI是競爭模組產品,它整合紅光660奈米LED與880奈米紅外線LED,以及4個PD,提供2.8 mm × 5 mm規格的封裝。LED與PD之間的間距經過最佳化調整,為SpO2 高精準PPG量測提供最佳訊號雜訊。ADPD1080 是一款整合式光學類比前端元件,擁有3個LED驅動通道以及2個PD電流輸入通道,提供17-ball的2.5 mm × 1.4 mm WLLCSP封裝。這款類比前端元件適合進行客制化設計,開發機種空間有限的低通道數PPG產品。

參考資料

1 Toshiyo Tamura. "Current Progress of Photoplethysmography and SpO2 for Health Monitoring." Biomedical Engineering Letters, February 2019.

2 Jihyoung Lee, Kenta Matsumura, Ken-Ichi Yamakoshi, Peter Rolfe, Shinobu Tanaka, and Takehiro Yamakoshi. "Comparison Between Red Green and Blue Light Reflection Photoplethysmography for Heart Rate Monitoring During Motion." 2013 35th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), July 2013.