继口罩、抗原、药品之后，最近电子血氧仪的价格也开始水涨船高。从一个多月前的100多元，暴涨到了300多元。
那么，这类家用的电子血氧仪是如何工作的呢？测量数据到底准不准？今天就带大家来分析一下。
血氧仪是一种监测脉搏、血氧饱和度等指标的医疗器械，常见的家用型血氧仪，主要有指夹式、腕表式等形式。
一般大家最关注的是血氧饱和度（oxygen saturation简写为SpO2），它是指在全部血容量中被结合O2容量占全部可结合的O2容量的百分比，是人体携带氧气能力的重要参考值。人体正常的SpO2应该不小于95%，长期低于93%时需要就医。
SpO2 一般由以下公式计算：
其中CHbO2是氧合血红蛋白浓度，CHb是还原血红蛋白浓度。
一方面，这两种血红蛋白对不同波长的光有不同的吸收度；另一方面，当动脉跳动时，动脉中的血液量会发生变化，可以区分出皮肤、肌肉、静脉血等对光的吸收影响（这些组织对光的吸收可以认为固定不变）。因此，利用两种不同波长的光，经透射或反射后，采集数据综合处理，就能计算出血氧饱和度。
现在市面上最常见的，都是光电式的血氧仪，如下图所示，有透射式和反射式两种实现方法。
常见的指夹式血氧仪就是透射式，智能手环或手表就是反射式，原理是差不多的。
而LED光源的选择，与血红蛋白对不同光波长的吸收率有关，下图是两种血红蛋白对不同波长的光的消光系数图：
可以看到，两种血红蛋白对波长为660nm左右光的吸收差别最大，而对波长为800nm左右光的吸收基本相等。
从理论上说，使用660nm和800nm波长的光作为光源是最合适的，但由于在800nm左右时，二者的消光系数斜率相差较大，光波长偏差一点就会引起较大的吸收率变化，这对LED的制造工艺要求太高。所以，工程实现时，一般不用800nm波长的LED，而选择波长为860nm~920nm的LED作为另一个光源，这个区间的消光系数斜率基本一样，而且变化平缓。
至此，硬件部分的实现我们已经了解大概了，其实核心就是要使用两个LED作为光源，一个660nm波长的红外光，一个900nm左右波长的红光。两束光分别通过透射（或反射）皮肤后，到达光电接收管，再采集光电接收管的值。
那么，采集到两个光源的值后，又该如何处理呢？这里由于有比较多的公式推导，我们直接略过，给出下面的公式：
这里的实现需要三步：
第一步，我们采集的两个LED光源的值，需要分离出直流分量和交流分量，也就是：红光的交流分量ACred、红光的直流分量DCred、红外光的交流分量ACired、红外光的直流分量DCired；
第二步，用采集到的四个值，计算出R；
第三步，用R计算SpO2，这个计算公式中a、b、c是三个需要校准的参数。需要大量的试验数据去拟合出来。
有了以上的理论基础，我们可以自己动手DIY一个血氧仪。
Maxim公司有一款集成芯片，可以实现大部分的硬件功能，就是MAX30100、MAX30102系列芯片。MAX30100已停产，新设计中不推荐使用，MAX30102是新一代产品。
目前价格还没有太离谱：
MAX30102集成了一个660nm红光LED、880nm红外光LED、光电检测器，以及带环境光抑制的低噪声电子电路。芯片内部含18bit ADC采集电路。对外是I2C接口。基本上单芯片就能实现光源信号的采集。
要注意，MAX30102的输出值，只是两个LED光源的采集值。后续还需要软件去实现交流、直流分离，R的求解、SpO2的求解。顺带也可以求解出脉搏数据。
使用max30102很简单，用I2C接口访问，初始化代码如下：
max30102_Bus_Write(REG_INTR_ENABLE_1,0xc0); // INTR settingmax30102_Bus_Write(REG_INTR_ENABLE_2,0x00);max30102_Bus_Write(REG_FIFO_WR_PTR,0x00); //FIFO_WR_PTR[4:0]max30102_Bus_Write(REG_OVF_COUNTER,0x00); //OVF_COUNTER[4:0]max30102_Bus_Write(REG_FIFO_RD_PTR,0x00); //FIFO_RD_PTR[4:0]max30102_Bus_Write(REG_FIFO_CONFIG,0x0f); //sample avg = 1, fifo rollover=false, fifo almost full = 17max30102_Bus_Write(REG_MODE_CONFIG,0x03); //0x02 for Red only, 0x03 for SpO2 mode 0x07 multimode LEDmax30102_Bus_Write(REG_SPO2_CONFIG,0x27); // SPO2_ADC range = 4096nA, SPO2 sample rate (100 Hz), LED pulseWidth (400uS)max30102_Bus_Write(REG_LED1_PA,0x24); //Choose value for ~ 7mA for LED1max30102_Bus_Write(REG_LED2_PA,0x24); // Choose value for ~ 7mA for LED2max30102_Bus_Write(REG_PILOT_PA,0x7f); // Choose value for ~ 25mA for Pilot LED
void maxim_max30102_read_fifo(uint32_t *pun_red_led, uint32_t *pun_ir_led){uint32_t un_temp;unsigned char uch_temp;char ach_i2c_data[6];*pun_red_led=0;*pun_ir_led=0;//read and clear status registermaxim_max30102_read_reg(REG_INTR_STATUS_1, &uch_temp);maxim_max30102_read_reg(REG_INTR_STATUS_2, &uch_temp);IIC_ReadBytes(I2C_WRITE_ADDR,REG_FIFO_DATA,(u8 *)ach_i2c_data,6);un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[0];un_temp<<=16;*pun_red_led+=un_temp;un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[1];un_temp<<=8;*pun_red_led+=un_temp;un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[2];*pun_red_led+=un_temp;un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[3];un_temp<<=16;*pun_ir_led+=un_temp;un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[4];un_temp<<=8;*pun_ir_led+=un_temp;un_temp=(unsigned char) ach_i2c_data[5];*pun_ir_led+=un_temp;*pun_red_led&=0x03FFFF; //Mask MSB [23:18]*pun_ir_led&=0x03FFFF; //Mask MSB [23:18]}
采集值最好经过滤波，以减少噪声的干扰。
之后，再分离出交流、直流分量，求出R和SpO2即可，核心是这个函数：
void maxim_heart_rate_and_oxygen_saturation(uint32_t *pun_ir_buffer, int32_t n_ir_buffer_length, uint32_t *pun_red_buffer, int32_t *pn_spo2, int8_t *pch_spo2_valid,int32_t *pn_heart_rate, int8_t *pch_hr_valid){uint32_t un_ir_mean ,un_only_once ;int32_t k ,n_i_ratio_count;int32_t i, s, m, n_exact_ir_valley_locs_count ,n_middle_idx;int32_t n_th1, n_npks,n_c_min;int32_t an_ir_valley_locs[15] ;int32_t an_exact_ir_valley_locs[15] ;int32_t an_dx_peak_locs[15] ;int32_t n_peak_interval_sum;int32_t n_y_ac, n_x_ac;int32_t n_spo2_calc;int32_t n_y_dc_max, n_x_dc_max;int32_t n_y_dc_max_idx, n_x_dc_max_idx;int32_t an_ratio[5],n_ratio_average;int32_t n_nume, n_denom ;// remove DC of ir signalun_ir_mean =0;for (k=0 ; kun_ir_mean =un_ir_mean/n_ir_buffer_length ;for (k=0 ; k// 4 pt Moving Averagefor(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE; k++){n_denom= ( an_x[k]+an_x[k+1]+ an_x[k+2]+ an_x[k+3]);an_x[k]= n_denom/(int32_t)4;}// get difference of smoothed IR signalfor( k=0; kan_dx[k]= (an_x[k+1]- an_x[k]);// 2-pt Moving Average to an_dxfor(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE-2; k++){an_dx[k] = ( an_dx[k]+an_dx[k+1])/2 ;}// hamming window// flip wave form so that we can detect valley with peak detectorfor ( i=0 ; is= 0;for( k=i; ks -= an_dx[k] *auw_hamm[k-i] ;}an_dx[i]= s/ (int32_t)1146; // divide by sum of auw_hamm}n_th1=0; // threshold calculationfor ( k=0 ; kn_th1 += ((an_dx[k]>0)? an_dx[k] : ((int32_t)0-an_dx[k])) ;}n_th1= n_th1/ ( BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE);// peak location is acutally index for sharpest location of raw signal since we flipped the signalmaxim_find_peaks( an_dx_peak_locs, &n_npks, an_dx, BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE, n_th1, 8, 5 );//peak_height, peak_distance, max_num_peaksn_peak_interval_sum =0;if (n_npks>=2){for (k=1; kn_peak_interval_sum += (an_dx_peak_locs[k]-an_dx_peak_locs[k -1]);n_peak_interval_sum=n_peak_interval_sum/(n_npks-1);*pn_heart_rate=(int32_t)(6000/n_peak_interval_sum);// beats per minutes*pch_hr_valid = 1;}else {*pn_heart_rate = -999;*pch_hr_valid = 0;}for ( k=0 ; kan_ir_valley_locs[k]=an_dx_peak_locs[k]+HAMMING_SIZE/2;// raw value : RED(=y) and IR(=X)// we need to assess DC and AC value of ir and red PPG.for (k=0 ; kan_x[k] = pun_ir_buffer[k] ;an_y[k] = pun_red_buffer[k] ;}// find precise min near an_ir_valley_locsn_exact_ir_valley_locs_count =0;for(k=0 ; kun_only_once =1;m=an_ir_valley_locs[k];n_c_min= 16777216;//2^24;if (m+5 < BUFFER_SIZE-HAMMING_SIZE && m-5 >0){for(i= m-5;iif (an_x[i]if (un_only_once >0){un_only_once =0;}n_c_min= an_x[i] ;an_exact_ir_valley_locs[k]=i;}if (un_only_once ==0)n_exact_ir_valley_locs_count ++ ;}}if (n_exact_ir_valley_locs_count <2 ){*pn_spo2 = -999 ; // do not use SPO2 since signal ratio is out of range*pch_spo2_valid = 0;return;}// 4 pt MAfor(k=0; k< BUFFER_SIZE-MA4_SIZE; k++){an_x[k]=( an_x[k]+an_x[k+1]+ an_x[k+2]+ an_x[k+3])/(int32_t)4;an_y[k]=( an_y[k]+an_y[k+1]+ an_y[k+2]+ an_y[k+3])/(int32_t)4;}//using an_exact_ir_valley_locs , find ir-red DC andir-red AC for SPO2 calibration ratio//finding AC/DC maximum of raw ir * red between two valley locationsn_ratio_average =0;n_i_ratio_count =0;for(k=0; k< 5; k++) an_ratio[k]=0;for (k=0; k< n_exact_ir_valley_locs_count; k++){if (an_exact_ir_valley_locs[k] > BUFFER_SIZE ){*pn_spo2 = -999 ; // do not use SPO2 since valley loc is out of range*pch_spo2_valid = 0;return;}}// find max between two valley locations// and use ratio betwen AC compoent of Ir & Red and DC compoent of Ir & Red for SPO2for (k=0; k< n_exact_ir_valley_locs_count-1; k++){n_y_dc_max= -16777216 ;n_x_dc_max= - 16777216;if (an_exact_ir_valley_locs[k+1]-an_exact_ir_valley_locs[k] >10){for (i=an_exact_ir_valley_locs[k]; i< an_exact_ir_valley_locs[k+1]; i++){if (an_x[i]> n_x_dc_max) {n_x_dc_max =an_x[i];n_x_dc_max_idx =i; }if (an_y[i]> n_y_dc_max) {n_y_dc_max =an_y[i];n_y_dc_max_idx=i;}}n_y_ac= (an_y[an_exact_ir_valley_locs[k+1]] - an_y[an_exact_ir_valley_locs[k] ] )*(n_y_dc_max_idx -an_exact_ir_valley_locs[k]); //redn_y_ac= an_y[an_exact_ir_valley_locs[k]] + n_y_ac/ (an_exact_ir_valley_locs[k+1] - an_exact_ir_valley_locs[k]) ;n_y_ac= an_y[n_y_dc_max_idx] - n_y_ac; // subracting linear DC compoenents from rawn_x_ac= (an_x[an_exact_ir_valley_locs[k+1]] - an_x[an_exact_ir_valley_locs[k] ] )*(n_x_dc_max_idx -an_exact_ir_valley_locs[k]); // irn_x_ac= an_x[an_exact_ir_valley_locs[k]] + n_x_ac/ (an_exact_ir_valley_locs[k+1] - an_exact_ir_valley_locs[k]);n_x_ac= an_x[n_y_dc_max_idx] - n_x_ac; // subracting linear DC compoenents from rawn_nume=( n_y_ac *n_x_dc_max)>>7 ; //prepare X100 to preserve floating valuen_denom= ( n_x_ac *n_y_dc_max)>>7;if (n_denom>0 && n_i_ratio_count <5 && n_nume != 0){an_ratio[n_i_ratio_count]= (n_nume*20)/n_denom ; //formular is ( n_y_ac *n_x_dc_max) / ( n_x_ac *n_y_dc_max) ; ///*************************n_nume原来是*100************************//n_i_ratio_count++;}}}maxim_sort_ascend(an_ratio, n_i_ratio_count);n_middle_idx= n_i_ratio_count/2;if (n_middle_idx >1)n_ratio_average =( an_ratio[n_middle_idx-1] +an_ratio[n_middle_idx])/2; // use medianelsen_ratio_average = an_ratio[n_middle_idx ];if( n_ratio_average>2 && n_ratio_average <184){n_spo2_calc= uch_spo2_table[n_ratio_average] ;*pn_spo2 = n_spo2_calc ;*pch_spo2_valid = 1;// float_SPO2 = -45.060*n_ratio_average* n_ratio_average/10000 + 30.354 *n_ratio_average/100 + 94.845 ; // for comparison with table}else{*pn_spo2 = -999 ; // do not use SPO2 since signal ratio is out of range*pch_spo2_valid = 0;}}
SpO2 = -45.060*R*R+ 30.354*R+ 94.845
SpO2 = -7.6*R*- 20.7*R+ 112.2，（0.5
SpO2 = -86.47*R*R+ 77.21*R+ 81.68，（0.4
END
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