Pulsoximeter: SpO2, Doppelquotient und AFE4400-Einstellungen
Berechnen Sie die AC/DC-Verhältnisse für Rot und Infrarot sowie einen SpO₂-Schätzwert zur Veranschaulichung. Prüfen Sie TIA-Aussteuerreserve, Rückkopplungsbandbreite, Abtastdauer und LED-Ansteuerung des AFE4400.
Achtung
Verwenden Sie diesen berechneten SpO₂-Wert nicht zur Beurteilung des Gesundheitszustands einer Person oder zur Änderung einer Behandlung. Nutzen Sie für gesundheitliche Entscheidungen ein klinisch validiertes Pulsoximeter und lassen Sie sich ärztlich beraten.
Dieser Pulsoximeter-Rechner verknüpft das optische Doppelquotientenverfahren mit praxisnahen Einstellungen des analogen Frontends AFE4400. Er richtet sich an Ingenieure, die Hardware für die Photoplethysmographie entwickeln, an Studierende, die sich mit der Pulsoximetrie befassen, sowie an alle, die gemessene Signalpegel vor einem Labortest prüfen möchten.
Beginnen Sie mit den Photoströmen für Rot und Infrarot. Geben Sie für jede LED den DC-Pegel nach Abzug des bei ausgeschalteter LED gemessenen Umgebungslichtstroms sowie die positive AC-Spitzenamplitude bezogen auf diesen Pegel ein. Verwenden Sie für beide Wellenlängen dieselbe Amplitudendefinition und dasselbe Messintervall. Bei einem Sinussignal teilen Sie den Spitze-Spitze-Wert durch zwei oder multiplizieren den Effektivwert mit √2, bevor Sie die Aussteuerreserve berechnen. Die angezeigten Spitzenmodulationsgrade in Prozent sind AC/DC-Werte; die Definitionen des Perfusionsindex kommerzieller Geräte können davon abweichen.
Der Rechner normiert jeden Kanal auf seinen eigenen DC-Pegel und teilt den Modulationsgrad für Rot durch den Modulationsgrad für Infrarot. Anschließend wendet er die lineare Beispielbeziehung SpO₂ = 110 − 25R an. So ergeben die voreingestellten Signale R = 0,5 und einen unkalibrierten Schätzwert von 97,5 %. Die Kurve zeigt, wie sich diese Beziehung mit R ändert. Sie ist keine Sensorkalibrierkurve; die Ergebnisse werden bewusst nicht auf einen plausiblen Prozentbereich begrenzt.
Wählen Sie einen Rückkopplungswiderstand und eine Rückkopplungskapazität aus den nominellen Optionen des AFE4400. Der Rechner addiert den Umgebungslichtstrom wieder zum positiven Spitzenwert jedes Kanals, berechnet die TIA-Differenzspannung und gibt die verbleibende Aussteuerreserve an. Die berechnete obere RF-Grenze hält 20 % des nominellen Aussteuerbereichs als Auslegungsreserve frei. Wählen Sie einen verfügbaren Widerstandswert unterhalb dieser Grenze und prüfen Sie anschließend den gemessenen Signalverlauf. Eine digitale Subtraktion des Umgebungslichtanteils kann ein Signal, das bereits in der analogen Signalkette durch Übersteuerung begrenzt wurde, nicht wiederherstellen.
Geben Sie anschließend die Wartezeit ab LED-Einschaltung, die Abtastdauer je Empfangsphase und die Pulswiederholrate ein. Die Abtastdauer wird anhand der RC-Regel für die Rückkopplung geprüft; die Wartezeit wird mit der geschätzten Einschwingzeit eines einpoligen Modells verglichen. Die LED-Pulsdauer umfasst die Wartezeit und die Abtastdauer. Aus dem Tastgrad und den quantisierten Strömen der roten und der Infrarot-LED ergibt sich der mittlere LED-Gesamtstrom. Eine Änderung der LED-Ansteuerung liefert keine Vorhersage eines neuen Photostroms: Aktualisieren Sie die gemessenen Signalwerte nach jeder Hardwareanpassung.
Dieser Rechner ergänzt den WiredWhite-Artikel zur tragbaren EKG- und Blutsauerstoffüberwachung, Beitrag 28861. Er behandelt ausschließlich den optischen Kanal. Er erfasst keine Signalverläufe, unterdrückt keine Bewegungsartefakte, schätzt keine Herzfrequenz, legt keinen EKG-Kanal aus, erzeugt keine vollständige Abfolge von Timerregister-Einstellungen und weist keine klinische Genauigkeit nach. Die Verstärkung der zweiten Stufe, die analoge Kompensation, die Photodiodenkapazität, Rauschen, Bauteiltoleranzen, optische Sicherheit und die Spannungsreserve der LED-Ansteuerung müssen gesondert bewertet werden. Eine gerätespezifische Kalibrierung und Validierung bleiben unerlässlich; die im Artikel angegebene Genauigkeit gilt nicht für diesen Rechner.
So wird gerechnet
Normieren Sie die umgebungslichtbereinigten Photoströme mit und . Berechnen Sie anschließend und den unkalibrierten Beispielwert (TI TIDA-00311, June 2014, §6.2, p.20).
Beim AFE4400 mit deaktivierter Stufe 2 beträgt die differenzielle Transimpedanz . Addieren Sie den Umgebungslichtstrom zu jedem positiven optischen Spitzenwert, bevor Sie diese Verstärkung anwenden; vergleichen Sie das Ergebnis mit der nominellen TIA-Aussteuergrenze von 1 V Differenzspannung. Die vorgeschlagene obere RF-Grenze hält als Auslegungsentscheidung 20 % des Aussteuerbereichs frei.
Verwenden Sie , und . Die TI-Regel für den Empfänger lautet . Der LED-Tastgrad beträgt . Im 50-mA-Bereich beträgt der nominelle DAC-Strom ; runden Sie den Sollstrom auf den nächstliegenden Code und begrenzen Sie diesen auf 0–255. Der mittlere LED-Gesamtstrom ist die Summe beider eingestellten Ströme, multipliziert mit dem Tastgrad je LED. Siehe AFE4400 Rev H pp.9, 22–23, 27, 65.
Annahmen
Die AC-Eingangswerte für Rot und Infrarot sind positive Spitzenamplituden bezogen auf den DC-Pegel, gemessen über dasselbe Intervall mit aufeinander abgestimmter Signalverarbeitung. Jeder DC-Eingangswert ist um Umgebungslicht bereinigt; der separate Eingang für den Umgebungslichtstrom beschreibt den höchsten gemeinsamen Strom bei ausgeschalteten LEDs. Beide Phasen verwenden dieselben nominellen Werte für RF und CF; Stufe 2 ist deaktiviert. Eine Entlastung durch analoge Kompensation wird nicht angerechnet. Das einpolige Modell vernachlässigt die Verstärkerdynamik, die Photodiodenkapazität und das nachgeschaltete Filter.
Die Aussteuerreserve von 20 % und das Einschwingziel von 0,1 % sind Auslegungsentscheidungen. Die eingegebenen Photoströme sind Messwerte und werden nicht aus der LED-Ansteuerung vorhergesagt. Geben Sie sie nach Änderungen am optischen Aufbau erneut ein. Die LED-Pulsdauer ist die Summe aus Abtastdauer und Wartezeit; Rot und Infrarot verwenden dieselben Zeitvorgaben.
Anwendungsbereich
Die SpO₂-Gerade ist eine empirische Näherung für Lehrzwecke und keine universelle Kalibrierung. Die Warnung bei Werten außerhalb von 85–100 % richtet sich nach dem im Quellartikel genannten Bereich und nicht nach einer nachgewiesenen Genauigkeit dieses Rechners. Es wird keine klinische Genauigkeit beansprucht. Werte außerhalb dieses Bereichs bleiben ohne Begrenzung sichtbar.
Bewegungen, geringe Perfusion, Pigmentierung, Dyshämoglobine sowie Unterschiede der Wellenlänge oder Geometrie können einen optischen Schätzwert ungültig machen. Die Prüfung der Aussteuerreserve gilt für den nominellen TIA, nicht für jeden internen Knoten oder ein vollständiges ADC-Fehlerbudget. Bauteiltoleranzen, Rauschen, die Spannungsreserve der LED-Ansteuerung, die optische Strahlenexposition, die vollständige ADC-Ablaufplanung und die Quantisierung der Timerzeiten müssen gesondert überprüft werden. Die Bandbreite des Rückkopplungspols entspricht nicht der Bandbreite des gesamten abgetasteten Systems. Der berechnete mittlere Strom umfasst ausschließlich die LEDs; Elektronik und Wandlerverluste sind nicht enthalten.
Quellen
- [WiredWhite, Design and Development of an Intelligent Portable ECG and Blood Oxygen Monitoring System Using AFE4400, 6 June 2025, post 28861](https://wiredwhite.com/intelligent-portable-ecg-blood-oxygen-monitoring-system-afe4400/). System context only.
- [Texas Instruments, AFE4400 datasheet, SBAS601H, Rev H, July 2014](https://www.ti.com/lit/ds/symlink/afe4400.pdf), pp.9, 22–23, 27 and 65. Attached public datasheet copy retrieved from https://cdn.promelec.ru/upload/datasheet/7/6/afe4400.pdf.
- [Texas Instruments, TIDA-00311 Miniaturized Pulse Oximeter Reference Design, June 2014](https://www.ti.com/lit/ug/tidu542/tidu542.pdf), §6.2, p.20: worked AC/DC example. Its AFE4403 hardware is not modeled here.
Eingaben
| Eingabe | Symbol | Einheit | Vorgabe |
|---|---|---|---|
| DC-Photostrom Rot, umgebungslichtbereinigt Durch die LED erzeugter DC-Pegel an der Photodiode. Ziehen Sie zuerst den bei ausgeschalteter LED gemessenen Umgebungslichtstrom ab. | I_dc_red | uA | 1 |
| AC-Photostrom Rot, Spitzenamplitude Positive Spitzenamplitude bezogen auf den DC-Pegel. Verwenden Sie für Rot und Infrarot dieselbe Amplitudendefinition. | I_ac_red | uA | 0.01 |
| DC-Photostrom Infrarot, umgebungslichtbereinigt | I_dc_ir | uA | 2 |
| AC-Photostrom Infrarot, Spitzenamplitude Beim Sinussignal erhalten Sie die Spitzenamplitude aus dem Effektivwert durch Multiplikation mit √2 und aus dem Spitze-Spitze-Wert durch Division durch 2. | I_ac_ir | uA | 0.04 |
| Umgebungslichtstrom am TIA-Eingang Maximaler Umgebungslichtstrom bei ausgeschalteter LED; in diesem Modell für beide Kanäle gleich. Wird bei der Berechnung der Aussteuerreserve vor der digitalen Subtraktion berücksichtigt. | I_amb | uA | 0.2 |
| AFE4400-Rückkopplungswiderstand Gemeinsamer nomineller RF-Wert für beide Phasen; zweite Stufe deaktiviert. | tia | 100 kΩ | |
| AFE4400-Rückkopplungskapazität Eine einzelne nominelle Kapazitätseinstellung. Parallelschaltungen und Bauteiltoleranzen werden nicht modelliert. | cap | 10 pF | |
| Wartezeit ab LED-Einschaltung Berücksichtigen Sie das Einschwingverhalten von TIA, LED und Kabel; der Rechner vergleicht diese Wartezeit mit einem nominellen 0,1-%-Einschwingkriterium für ein einpoliges Modell. | t_delay | us | 20 |
| Abtastdauer je Empfangsphase TI empfiehlt mindestens 50 µs. Die LED-Pulsdauer ist die Summe aus Wartezeit und Abtastdauer. | t_sample | us | 100 |
| Pulswiederholrate / Abtastrate je Kanal Je Periode eine Rot- und eine Infrarotmessung sowie je eine zugehörige Umgebungslichtmessung. Dies ist nicht die Herzfrequenz. | f_prf | Hz | 500 |
| Soll-Spitzenstrom der roten LED Nomineller 50-mA-Bereich; Rundung auf einen 8-Bit-DAC-Code. Messen Sie die Photoströme nach Änderungen der LED-Ansteuerung erneut. | I_led_red | mA | 10 |
| Soll-Spitzenstrom der Infrarot-LED | I_led_ir | mA | 10 |
Ergebnisse
Mit den obigen Vorgabewerten liefert der Rechner:
| Ergebnis | Wert |
|---|---|
| Doppelquotient R | 0,5 |
| Unkalibrierter SpO₂-Schätzwert | 97,5 % |
| AC/DC Rot (Spitze) | 1 % |
| AC/DC Infrarot (Spitze) | 2 % |
| Max. TIA-Differenzspannung, Spitze | 0,448 V |
| Nominelle TIA-Aussteuerreserve | 55,2 % |
| Max. RF für 20% nominelle Aussteuerreserve | 178,6 kohm |
| Nominelle Bandbreite des Rückkopplungspols | 159,15 kHz |
| Nominelle RC-Einschwingzeit auf 0.1% | 6,91 us |
| LED-Pulsdauer | 120 us |
| Tastgrad je LED | 6 % |
| Mittlerer LED-Gesamtstrom | 1,195 mA |
| DAC-Code der roten LED2 | 51 |
| DAC-Code der Infrarot-LED1 | 51 |
Mit Quellen abgeglichen
Jeder Fall unten wurde mit diesem Rechner berechnet und stimmt mit dem Wert aus seiner Quelle überein (innerhalb der Toleranz, wo eine angegeben ist).
TI-PPG-Messbeispiel: Doppelquotient und SpO₂
Quelle: TI TIDA-00311 (June 2014), §6.2, p.20, equations 5–7: red AC/DC = 4/323 mV and IR AC/DC = 25/920 mV; published R=0.455 and SpO₂=98.6%. The exact ratio from those numbers is 0.4557275542 (0.456 to three decimals), so the published R appears truncated; a 0.001 tolerance accommodates that discrepancy without changing the formula. Divide all voltages by an arbitrary common 1 V/µA transimpedance to enter equivalent current ratios. This tests normalization, not the AFE4403 hardware. https://www.ti.com/lit/ug/tidu542/tidu542.pdf
Eingaben: DC-Photostrom Rot, umgebungslichtbereinigt = 0,323 uA; AC-Photostrom Rot, Spitzenamplitude = 0,004 uA; DC-Photostrom Infrarot, umgebungslichtbereinigt = 0,92 uA; AC-Photostrom Infrarot, Spitzenamplitude = 0,025 uA; die übrigen wie oben.
| Ergebnis | Quelle | Dieser Rechner |
|---|---|---|
| Doppelquotient R | 0,455 ± 0,001 | 0,4557 |
| Unkalibrierter SpO₂-Schätzwert | 98,6 ± 0,1 | 98,607 |
AFE4400-Vollaussteuerungsstrom bei 50 kΩ
Quelle: TI AFE4400 SBAS601H Rev H (July 2014), p.9 Electrical Characteristics, stage 2 disabled. Published full-scale input current is 10 µA for RF=50 kΩ. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/afe4400.pdf
Eingaben: AFE4400-Rückkopplungswiderstand = 50 kΩ; die übrigen wie oben.
| Ergebnis | Quelle | Dieser Rechner |
|---|---|---|
| Nomineller Photostrom bei Vollaussteuerung | 10 uA | 10 uA |
AFE4400-Vollaussteuerungsstrom bei 500 kΩ
Quelle: TI AFE4400 SBAS601H Rev H (July 2014), p.9 Electrical Characteristics, stage 2 disabled. Published full-scale input current is 1 µA for RF=500 kΩ. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/afe4400.pdf
Eingaben: AFE4400-Rückkopplungswiderstand = 500 kΩ; DC-Photostrom Rot, umgebungslichtbereinigt = 0,2 uA; AC-Photostrom Rot, Spitzenamplitude = 0,002 uA; DC-Photostrom Infrarot, umgebungslichtbereinigt = 0,3 uA; AC-Photostrom Infrarot, Spitzenamplitude = 0,006 uA; Umgebungslichtstrom am TIA-Eingang = 0,1 uA; die übrigen wie oben.
| Ergebnis | Quelle | Dieser Rechner |
|---|---|---|
| Nomineller Photostrom bei Vollaussteuerung | 1 uA | 1 uA |
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