我一直以来没有感染新冠的经历(至少是明显的情况下……总是有无症状的可能性)，但今年早些时候，我的这种状态终结了，而且很不幸地恰逢七月四日的周末假期：
我猜我感染了最新的FLiRT变种之一，说这种病毒善于躲避疫苗(我已在2023年秋季接种了疫苗)。值得庆幸的是，我的不适症状并不严重，最严重的时候也只持续了几天，而且我在一周内再次检测出阴性：
尽管几个星期后，我有时仍然感觉像有刀片卡在了我的喉咙里。
我在健康方面遇到的挫折有一个好处(找不到更好的词来形容)，那就是它终于促使我实施了一项长期计划，进行一些以新冠疫情为主题的拆解。例如，今天的受害者是一个脉搏血氧仪，实际上是我在新冠激增一年前，即2019年4月下旬从eBay卖家那里买的(标明为“FDA Finger tip Pulse Oximeter Blood Oxygen meter O2 SpO2 Heart Rate Monitor US”)，当时售价11.49美元，作为睡眠呼吸暂停监测的辅助设备。一年后，另一方面……好吧，我就引用耶鲁医学院2020年5月发表的一篇文章：
据《消费者报告》报道，脉搏血氧仪的价格从25美元到100美元不等(如果你能找到的话)，因为有报道称脉搏血氧仪存在短缺。
这台设备是Volmate VOL60A，最近开始出现问题，有时根本无法提供确切结果，有时显示的数据与我知道的实际情况不符。因此，由于价格已恢复正常(信不信由你，价格为5美元，免运费)，我已将其更换。今天的分析将以一系列包装照片开始：
让我们深入了解一下。塑料托盘里放着我们的拆解对象，旁边还有一个漂亮的保护盒：
托盘下面是一些文件：
令人惊讶的是(至少对我来说)，用户手册非常详尽且信息丰富，但我在网上找不到它(从“死了的”网站来看，制造商似乎不再营业)，所以我扫描了它并将其转换为PDF。您可以在此处访问它。
盒子下面还有一张纸片(里面还有一条挂绳)：
以下是本体，照例与直径为0.75英寸(19.1毫米)的美国一美分硬币放在一起，以便进行尺寸比较(VOL60A的尺寸为62x35x31毫米，包括电池在内重60克)：
在打开设备之前，我想先放几节AAA电池进去，这样你就能看到它的运行情况了。以下是两个电源显示的工作状态，按下底部的灰色按钮即可启动：
除非在开机前将手指预先插入脉搏血氧仪，否则显示屏将在几秒钟后重新进入睡眠状态。相反，如果手指已经插入：
如您所见，它既测量顶部显示的血氧饱和度(SpO2)，也测量下方显示的脉搏率。好消息：我的实际血氧饱和度没有显示的75%那么低，如果真是这样，我就会住院，甚至(不久之后)进太平间。坏消息：我的实际静息脉搏率没有低至28bpm，如果真是这样，那意味着我非常健康……或者反过来说，我想，我也可能住院，甚至(不久之后)进太平间。就像我说的，这个设备现在表现得有点奇怪，有时(比如这次)显示的数据我知道是低于实际值的。
接下来让我们将它翻转过来：
可拆卸电池“门”很明显。但我想关注的是标签，特别是那个小小的亮黄色标签：
以下是其中的内容：
| AVOID EXPOSURE(避免接触) |
| LASER RADIATION IS EMITTED FROM THIS APERTURE(激光辐射从这个孔径发射出来) |
LED Wavelengths (LED波长)
| Wavelength(波长) | Radiant Power(辐射能量) | |
| Red(红色的) | 660±2nm | 1.5mW |
| IR(红外线) | 940±10nm | 2.0mW |
我之所以展示这个标签，是因为它恰好给了我一个借口，让我可以短暂地绕道介绍一下脉搏血氧仪的工作原理。该设备是最常见技术的一个例子，称为透射式脉搏血氧测定法。在这种方法中，引自维基百科：
照亮患者身体较薄部位的一侧，通常是指尖或耳垂，而光电探测器则位于另一侧……其他方便的部位包括婴儿的脚或昏迷患者的脸颊或舌头。
引文中提到的“照明”本质上是双频的，正如标签所示：
更多来自维基百科：
在这些波长的光吸收率方面，含氧血液和缺氧血液之间存在显著差异。含氧血红蛋白吸收更多的红外光，允许更多的红光通过。脱氧血红蛋白允许更多的红外光通过，并吸收更多的红光。LED以每秒约三十次的循环顺序依次开启一个，然后开启另一个，然后同时关闭，这使得光电二极管能够分别响应红光和红外光，并根据环境光基线进行调整。
以下是VOL60A中双LED发射器结构的实际运行情况；可能很明显，红外发射器是肉眼看不见的(而且我的智能手机的相机在图像传感器前面也有一个红外滤光片)：
请注意，在此设计实施中，LED位于脉搏血氧仪的下半部分，其照明通过指尖向上照射，并通过指甲射出到其上方的光电探测器。这与之前来自维基百科的概念图不同，后者将LED定位在顶部，将光电探测器定位在底部(具有讽刺意味的是，这与VOL60A用户手册中概念图中显示的位置相匹配！)。
还要注意的是，维基百科图表显示了两个LED发射器共用一个光电探测器。我将简要向您展示此设计中的光电探测器，我相信它具有相同的结构。话虽如此，其他概念图，例如此处显示的图：
有两个光电探测器(在这种情况下称为“传感器”)，每个LED(红外和红色)一个。
为了节省字数，我不会深入探讨脉搏血氧仪确定血氧饱和度和脉搏率的背景理论和实现算法。如果你想追随我的研究脚步，在谷歌上搜索诸如脉搏血氧仪、脉搏血氧测定和脉搏血氧仪操作等术语和短语可能会有收获。除了前面提到的维基百科条目，我还特别推荐另外两个资源，分别是爱荷华大学和设备工作原理。
我还要多说几句，涉及脉搏血氧仪结果的固有变异性以及这种不一致的根本原因，以及我的特定设备可能出了什么问题。这些根本原因变量包括手指中的脂肪、肌肉、皮肤和骨骼的数量和密度、指尖是否有茧或疤痕、用户在使用设备时是否过冷，以及指甲油的数量和成分。然而，正如维基百科所指出的：
它利用动脉血的脉动流，测量一个心动周期内吸光度的变化，从而可以确定仅由动脉血引起的吸光度，排除不变的吸光度。
这些样本之间不变的变量仍然会影响基线测量假设，从而影响更广泛的手指与手指、用户与用户以及测试与测试之间的结果。
就我个人而言，虽然我不认为对所感测数据的算法有什么问题，但我认为数据本身值得怀疑。例如，请注意，含氧血液评估不成比例地依赖于红色可见光谱光的成功通过。如果红色LED由于某种原因变暗，如果其传输频率偏离其原始的660nm中心点，和/或如果光传感器对红光不再像以前那样敏感，那么脉搏血氧仪就会提供低于准确度的血氧饱和度结果。
教程结束，让我们回到拆解。以下是左视图和右视图，设备的前半部分和后半部分都“关闭”了：
“打开”，也就是展开，就像手指插入它们中间时的情况一样：
我要说的话可能会让我的电气工程师同行们感到震惊，但坦率地说，这种设计最吸引人(也许)的一个方面是机械，顶部坚固的铰链和弹簧结构，支持线性扩展和枢轴旋转，可动态适应手指插入和移除以及各种手指尺寸，同时在测量周期内仍牢牢贴合手指。您可以在这些顶视图中看到它的更多功能，还请注意连接两半的柔性电缆：
最后但同样重要的一点是，这是该设备的底部视图：
进入后部电池仓后，发现两个很吸引人的螺丝：
您知道接下来会发生什么，对吧？
还需要“弹出”几个固定片：
瞧，我们的第一步拆解已经完成了：
正如你所见，我已经开始把中心的纤薄PCB从周围移开：
接下来我们完成这项工作：
这张特写展示了两个透射LED，一个是红色的，另一个是红外的，并且整个集群由一个透明的塑料矩形结构保护，可以透过上一张照片中显示的后半部分“窗口”照射到用户的指尖下侧：
按照时间顺序简单回顾一下，这里是拆卸后重新展示的它暂时放回原位的样子(这次没有亮灯)：
这是柔性PCB的另一个视图，它将电源和LED的输出信号传送至(大概是)脉搏血氧仪前半部分的处理电路：
说到这里，我们接下来试着进入前半部分。在之前的照片中，你可能已经注意到设备顶部有两个孔，两侧顶部各有一个孔。我认为，它们是用于被动通风，以消除内部电路产生的热量。但还有另外两个孔，这次里面有可见的螺丝头，有可能是通往前半部内部的通道：
是的，你猜对了：
再次，撬棒帮助完成了任务：
显示屏占据了PCB这半块的主要部分，底部是开关：
但我敢打赌，您已经看到过开关底部两侧的两个螺丝了，对吧？
将它们移除后，我们就可以将PCB从底盘上抬起来，露出其背面进行检查：
顶部(安装后为PCB底部)的大型IC是意法半导体提供的系统“大脑”。具体来说，它是一款基于STM32F100C8T6B ArmCortex-M3的微控制器，还包含32KB的集成闪存。在它下方的中央是三引线光电传感器，周围是半透明塑料，似乎既有保护作用，又有镜头对焦功能。在上一张照片中，您会看到底盘上通常与之配合的塑料“窗口”。最后，这是另一个事后重新组装的照片：
还请注意，上半部分有“毛毡”衬里，大概是为了防止指甲油受损？欢迎在评论中分享你对此或本文其他内容的想法！
(原文刊登于EDN美国版，参考链接：Peering inside a Pulse Oximeter，由Ricardo Xie编译)
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