接棒額溫槍?zhuān)”t的血氧儀將帶火哪些芯片方案？

受全球疫情持續(xù)發(fā)酵影響，繼額溫槍、呼吸機(jī)等醫(yī)療產(chǎn)品之后，血氧儀的需求也出現(xiàn)了爆發(fā)式增長(zhǎng)。由于血氧飽和度是本次新冠肺炎重要的診斷指標(biāo)之一，所以可測(cè)量血氧飽和度的血氧儀的需求量將短期迎來(lái)3-5倍的增長(zhǎng)。同時(shí)，也有業(yè)內(nèi)人士分析認(rèn)為，疫情之后，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，醫(yī)用血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備的需要依舊會(huì)大幅增長(zhǎng)，增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)維持在25%~30%之間。

一般來(lái)說(shuō)，血氧儀可分為兩類(lèi)，一類(lèi)是醫(yī)院內(nèi)使用的院內(nèi)設(shè)備，一般會(huì)集成在生命體征監(jiān)護(hù)儀上，通過(guò)血氧探頭，獲取血氧數(shù)據(jù)；另一類(lèi)是醫(yī)院外使用的小型指夾式血氧儀，直接夾在手指上幾秒鐘就可以檢測(cè)出血氧數(shù)據(jù)。

血氧儀一般由一個(gè)微處理器、存儲(chǔ)器(EPROM與RAM)、兩個(gè)控制LED的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、對(duì)光電二極管接收的信號(hào)進(jìn)行濾波與放大的器件、將接收信號(hào)數(shù)字化以提供給微處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器等器件組成，LED與光電二極管放置在與患者指尖或耳垂接觸的小型探針中。其中，脈搏血氧儀一般還包括小型液晶顯示器。

血氧儀

（圖片來(lái)源：攝圖網(wǎng)）

血氧儀主要測(cè)量指標(biāo)分別為脈率、血氧飽和度、灌注指數(shù)（PI）。以小型指夾式血氧儀為例，其原理為：通過(guò)依次驅(qū)動(dòng)一個(gè)紅光LED(660nm)和一個(gè)紅外光LED(910nm)，藍(lán)色線條表示血紅蛋白不帶氧分子的時(shí)候接收管對(duì)還原血紅蛋白感應(yīng)曲線，從曲線圖中可以看下還原血紅蛋白對(duì)660nm紅光的吸收比較強(qiáng),而對(duì)910nm紅外光的吸收長(zhǎng)度比較弱。紅色線條表示血紅蛋白并帶有氧分子的血紅細(xì)胞時(shí)接收管對(duì)氧合血紅蛋白感應(yīng)曲線，從圖中可以看出對(duì)660nm紅光的吸收比較弱，對(duì)910nm紅外光的吸收比較強(qiáng)。

在血氧測(cè)量時(shí)，還原血紅蛋白和有氧合血紅蛋白，通過(guò)檢測(cè)兩種對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收的區(qū)別，所測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)差就是測(cè)量血氧飽和度最基本的數(shù)據(jù)。在血氧測(cè)試中660nm和910nm最常見(jiàn)的兩個(gè)波長(zhǎng)，實(shí)際上要做到更高的精度，除了兩個(gè)波長(zhǎng)以外還要增加，甚至高達(dá)8個(gè)波長(zhǎng)，最主要的原因是人體血紅蛋白除了還原血紅蛋白和氧合血紅蛋白之外，還有其他的血紅蛋白，我們經(jīng)常見(jiàn)的是碳氧血紅蛋白，波長(zhǎng)越多血氧儀精度就越高。

瑞薩電子血氧儀解決方案搭載了高集成度傳感器模塊OB1203、高精度模擬的RA2A1 MCU，針對(duì)手持式血氧儀的應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了性能與功耗之間的完美平衡。瑞薩電子RA2A1 MCU為解決方案提供了一套完整的信號(hào)調(diào)理和測(cè)量仿真功能，它的模擬功能包括16位SAR ADC、24位Sigma-Delta ADC、比較器、運(yùn)算放大器和DAC。該系統(tǒng)采用16位ADC、運(yùn)算放大器和PWM相結(jié)合的鋰電池充電系統(tǒng)。

瑞薩電子血氧儀解決方案

（圖片來(lái)源：瑞薩電子官網(wǎng)）

同時(shí)瑞薩電子血氧儀解決方案采用了單電池鋰電子USB充電設(shè)計(jì)，在RA2A1 ARM微控制器的強(qiáng)大模擬功能加持下，它可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的USB充電，而不需要額外的組件。系統(tǒng)內(nèi)部的電壓、電流可實(shí)時(shí)反饋監(jiān)控，充電方式可根據(jù)需要調(diào)整。

瑞薩電子血氧儀解決方案搭載的高集成度傳感器OB1203是業(yè)界最小的光學(xué)生物傳感器模塊，具有用于反射性光容積描記的全集成生物傳感器，通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴梢源_定心率、血氧飽和度（SpO2）、呼吸頻率和心率變異性。OB1203將光源和驅(qū)動(dòng)器集成在一個(gè)單一的光學(xué)優(yōu)化包中。主單片機(jī)RA2A1可以通過(guò)IIC通信直接獲取PPG數(shù)據(jù)。   

同時(shí)，該方案還提供了無(wú)手指接觸10秒后自動(dòng)斷電的低功耗設(shè)計(jì)，配合RA2A1 MCU與生物傳感器模塊OB1203的低功耗特性，整個(gè)系統(tǒng)的功耗得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。

瑞薩電子血氧儀解決方案

（圖片來(lái)源：瑞薩電子官網(wǎng)）

02

德州儀器

德州儀器脈動(dòng)式血氧計(jì)方案的AC/DC適配器子系統(tǒng)將交流電源線轉(zhuǎn)換為隔離的穩(wěn)壓直流輸出；傳感器前端子系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)紅色/IR led，并將光電二極管的輸入轉(zhuǎn)換為緩沖的、獲得的電壓信號(hào)，以便系統(tǒng)處理器對(duì)其進(jìn)行處理。

德州儀器脈動(dòng)式血氧計(jì)方案

（圖片來(lái)源：德州儀器官網(wǎng)）

德州儀器脈動(dòng)式血氧計(jì)方案特點(diǎn)：

1、集成的 LED 驅(qū)動(dòng)器和光電二極管信號(hào)調(diào)節(jié)電路，可高度精確地檢測(cè)光吸收，從而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并有助于最終產(chǎn)品保持小巧外形。

2、高效電源管理解決方案，有助于延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，從而降低用戶(hù)對(duì)電池進(jìn)行更換或充電的頻率。

3、低功耗微控制器，可處理傳感器測(cè)量并計(jì)算氧飽和度和心率。

03

恩智浦

恩智浦提供超低功耗MCU，支持LCD顯示器，適用于便攜式脈搏血氧儀，可跟蹤病人血液中的氧含量。

這些器件提供了一種簡(jiǎn)單的非侵入式方法，用于監(jiān)測(cè)血液中氧飽和血紅蛋白百分比。LCD顯示屏上會(huì)顯示血氧飽和度及心率。

脈搏血氧儀可以作為獨(dú)立的便攜式裝置，也可以作為大型病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一部分。

恩智浦脈搏血氧儀

（圖片來(lái)源：恩智浦官網(wǎng)）

恩智浦脈搏血氧儀配套器件

（圖片來(lái)源：恩智浦官網(wǎng)）

04

ADI

ADI公司為脈搏血氧儀設(shè)計(jì)提供種類(lèi)齊全的高性能線性、混合信號(hào)、MEMS和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。

ADI脈搏血氧儀設(shè)計(jì)方案

（圖片來(lái)源：ADI官網(wǎng)）

脈搏血氧儀包括發(fā)射路徑、接收路徑、顯示和背光、數(shù)據(jù)接口以及音頻報(bào)警。發(fā)射路徑包括紅光LED、紅外光LED和用于驅(qū)動(dòng)LED的 DAC。接收路徑包括光電二極管傳感器、信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器。 

脈搏血氧儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮和主要挑戰(zhàn) ：

設(shè)計(jì)脈搏血氧儀系統(tǒng)時(shí)，需要解決多個(gè)難題，如低血流灌注、運(yùn)動(dòng)和皮膚濕度、雜散光干擾、碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白干擾等。

1、低血流灌注(小信號(hào)水平)。光電二極管測(cè)量需要寬動(dòng)態(tài)范圍和低噪聲增益的信號(hào)調(diào)理，以便捕捉脈搏事件。發(fā)射和接收路徑需要具 有高分辨率DAC的高質(zhì)量、低噪聲LED驅(qū)動(dòng)電路和具有高分辨率ADC的高精度模擬前端電路。 

2、 運(yùn)動(dòng)和皮膚濕度。運(yùn)動(dòng)會(huì)引起偽像，這可以通過(guò)軟件算法來(lái)解決，或者利用ADXL345等加速度計(jì)來(lái)檢測(cè)并解決。

3、雜散光干擾。使用光電二極管來(lái)響應(yīng)紅光和紅外光，它很容易受環(huán)境光干擾。因此，用于過(guò)濾出紅光和紅外光目標(biāo)信號(hào)的算法非常 重要，這意味著信號(hào)處理更加復(fù)雜。這種情況下，需要使用具有更高信號(hào)處理能力的DSP。

4、碳氧血紅蛋白和高鐵血紅蛋白。一氧化碳(CO)很容易與血紅蛋白結(jié)合，使血液變得更像紅色HbO2，導(dǎo)致測(cè)得的SpO2值虛高。血紅素 基中的鐵處于異常狀態(tài)，無(wú)法攜帶氧（Fe+3而不是Fe+2），導(dǎo)致血紅蛋白減少，SpO2讀數(shù)虛低。使用更多波長(zhǎng)可以提高精度，但這需要更高性能的數(shù)字處理DSP，處理時(shí)間至關(guān)重要。

05

瑞納捷電子

瑞納捷電子采用分時(shí)復(fù)用的工作方式驅(qū)動(dòng)光電二極管，周期性點(diǎn)亮兩個(gè)LED，來(lái)實(shí)現(xiàn)在同一條傳輸路徑上檢測(cè)兩路光信號(hào)。為了得到兩路獨(dú)立的信號(hào)，同時(shí)采用與LED驅(qū)動(dòng)脈沖同步的控制信號(hào)控制采用保持電路來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的分離，分別得到紅外和紅光兩路信號(hào)。LED驅(qū)動(dòng)時(shí)序脈沖和采樣保持電路切換時(shí)序脈沖都由RJM8L151的GPIO提供。

指夾式脈搏血氧儀方案

（圖片來(lái)源：瑞納捷電子微信公眾號(hào)）

模擬信號(hào)處理單元完成對(duì)光電二級(jí)管采集信號(hào)的處理，包括信號(hào)轉(zhuǎn)換、采樣保持、放大、濾波和補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｓ捎诠怆姸O管輸出的信號(hào)是電流信號(hào)，先要轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)才能被后續(xù)電路處理。而且光電二極管工作在反向偏置狀態(tài)，其結(jié)電阻較大，輸出電流較小。所以要選用輸入阻抗較高的運(yùn)算放大器做為I/V轉(zhuǎn)換的TIA。

電流-電壓變換電路輸出的是兩種光分時(shí)復(fù)用的信號(hào)，要將兩種光的信號(hào)分離就要用兩路獨(dú)立的采樣保持電路，用RJM8L151的GPIO來(lái)控制和切換兩路采樣保持電路，并且要與LED驅(qū)動(dòng)脈沖的控制脈沖同步。

由于分離出來(lái)的交流信號(hào)非常微弱，為了消除直流分量和高頻干擾，電路中采用帶通濾波器處理紅光和紅外信號(hào)。帶通濾波器由高通和低通兩部分組成，其中高通部分采用RC濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)濾除直流分量，其截至頻率設(shè)置為0.23Hz。低通部分采用二階低通濾波電路，其截至頻率為0.48Hz。

瑞納捷電子推出了RJM8L151系列是超低功耗MCU，非常適用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備。RJM8L151系列不僅具備出色的運(yùn)行和待機(jī)功耗表現(xiàn)，還內(nèi)置12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比較器，對(duì)微弱信號(hào)傳感器的高精度、實(shí)時(shí)檢測(cè)極為有益。RJM8L151豐富的外圍接口使擴(kuò)展各種通信模塊、功能模塊更加方便。RJM8L151基于增強(qiáng)型哈佛架構(gòu)的CPU內(nèi)核和多級(jí)流水線指令系統(tǒng)，相同時(shí)鐘頻率的處理性能是傳統(tǒng)8051的3倍，采用Keil uVision或IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)調(diào)試應(yīng)用代碼。

RJM8L151系列MCU的硬件框圖

（圖片來(lái)源：瑞納捷電子微信公眾號(hào)）

瑞納捷電子指夾式血氧儀方案特點(diǎn)：

1、RJM8L151的正常工作電壓范圍是1.62V到5.5V,非常適合2節(jié)、3節(jié)干電池直接供電，省掉額外的LDO電路，另外RJM8L151低至0.5uA的待機(jī)電流，既能保持內(nèi)部RTC的正常計(jì)時(shí)，又能保持SRAM數(shù)據(jù)不變，該性能可大大減小系統(tǒng)對(duì)電池容量尺寸的要求。

2、RJM8L151從低功耗狀態(tài)喚醒小于5us，可以實(shí)現(xiàn)快速睡眠快速喚醒低占空比工作，這又極大的降低了系統(tǒng)功耗。

3、RJM8L151有4個(gè)時(shí)鐘源：內(nèi)部高速時(shí)鐘、內(nèi)部低速時(shí)鐘、外部高速時(shí)鐘和外部低速時(shí)鐘。RJM8L151的時(shí)鐘控制模塊將這幾個(gè)時(shí)鐘源通過(guò)靈活的配置分頻實(shí)現(xiàn)不同的功耗和性能需求。

3、模擬電路方面，RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC，采樣轉(zhuǎn)換速率高達(dá)1MSPS，支持外部參考電壓輸入。

4、RJM8L151設(shè)計(jì)了豐富的定時(shí)模塊，包括2個(gè)16位基本定時(shí)器，1個(gè)16位通用定時(shí)器支持輸入捕獲/輸出比較/PWM輸出功能。

06

英銳恩

模擬開(kāi)關(guān)RS2105的作用主要是用來(lái)切換紅光LED和紅外線LED燈，它們分時(shí)復(fù)用并且調(diào)制有一定的頻率。這就需要一顆運(yùn)放芯片（比如RS321）配合單片機(jī)內(nèi)部的DAC產(chǎn)生恒流輸出的信號(hào)，因?yàn)槿粢狶ED燈恒流工作以獲得比較穩(wěn)定的波長(zhǎng)，其發(fā)射電流通常需要達(dá)到幾十毫安，所以要求模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻應(yīng)≤1Ω，本方案使用的RS2105模擬開(kāi)關(guān)其導(dǎo)通電阻為0.6Ω。

英銳恩家用指夾血氧儀原理圖

（圖片來(lái)源：英銳恩官網(wǎng)）

在光敏接收端，運(yùn)放RS622用于實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，這就要求運(yùn)放的輸入偏置電流Ib是pA級(jí)別的，另外運(yùn)放的帶寬需要5MHz以上以滿(mǎn)足快速反應(yīng)，低噪聲系列的運(yùn)放能夠更好的提高系統(tǒng)的分辨率。在電源拓?fù)渖希环N是用兩節(jié)干電池（3V）然后升壓到5V再降壓給系統(tǒng)各電路使用，另外一種帶有鋰電池，可以循環(huán)充電使用，低功耗LDORS3236均適合這兩種拓?fù)湎到y(tǒng)。

07

ZLG立功科技

主控采用華大半導(dǎo)體的HC32L系列，芯片采用Cortex M0+內(nèi)核，主頻范圍32~256K Flash，4~32K RAM，供電范圍1.8~5.5V，深度休眠情況下電流僅僅只有0.5uA，更加可以延長(zhǎng)電池使用壽命，因此非常適合便攜式產(chǎn)品應(yīng)用。

ZLG立功科技便捷式血氧儀監(jiān)控方案

（圖片來(lái)源：ZLG立功科技微信公眾號(hào)）

藍(lán)牙模塊作為MCU與手機(jī)之間通訊的橋梁，把MCU采集的數(shù)據(jù)傳送給手機(jī)等醫(yī)療設(shè)備，從而記錄和分析數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊采用低功耗、低成本和小尺寸的新一代BLE5.0透?jìng)髂K。點(diǎn)陣LCD主要用于實(shí)時(shí)顯示采集的數(shù)據(jù)。

BLE5.0透?jìng)髂K

（圖片來(lái)源：ZLG立功科技微信公眾號(hào)）

BLE5.0透?jìng)髂K介紹：

1、凈荷數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)94KB/s；

2、支持兩種低功耗模式，在低功耗2模式下，平均電流僅為250nA；

3、支持BLE4.2的LE Secure Connections，防止未經(jīng)授權(quán)的第三方設(shè)備竊聽(tīng)；

4、通過(guò)串口與MCU之間進(jìn)行雙向通信；

5、內(nèi)部預(yù)設(shè)豐富AT指令集，操作簡(jiǎn)單，縮短用戶(hù)開(kāi)發(fā)周期，加快產(chǎn)品上市；

6、適用于智能家具、儀器儀表、健康醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)計(jì)量、汽車(chē)電子等領(lǐng)域。

08

正久電子

正久電子血氧儀設(shè)計(jì)方案采用航順芯片ARM Cortex?-M3的32位微處理器HK32F103C8T6，該處理器內(nèi)置160MHz高速振蕩器，20KB SRAM,64KB FLASH，多達(dá)37個(gè)可中斷喚醒的IO口。豐富的外圍接口，包括：兩個(gè)IIC、兩個(gè)高速SPI、三個(gè)USART、USB2.0 Full Speed接口、CAN 2.0A/B總線接口控制器。

正久電子血氧儀設(shè)計(jì)方案

（圖片來(lái)源：正久電子微信公眾號(hào)）

本方案中OLED通過(guò)I2C接口與主控HK32F103C8T6相連顯示界面與各種數(shù)據(jù)。SPDI34通過(guò)高速SPI接口與主控HK32F103C8T6相連，主控單元讀取SPDI34數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后在OLED上顯示。藍(lán)牙模塊通過(guò)USART接口與主控HK32F103C8T6相連，主控處理后的相關(guān)血氧、脈率等數(shù)據(jù)可以通過(guò)藍(lán)牙模塊被手機(jī)、平板電腦等設(shè)備讀取。

正久電子血氧儀方案特點(diǎn)：

1、 產(chǎn)品采用雙色OLED顯示，多種顯示方式；

2、 一鍵測(cè)量；

3、 藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸；

4、 超低功耗，所配兩節(jié)AAA電池可持續(xù)使用40小時(shí)以上；

5、 電池低壓報(bào)警；

6、 自動(dòng)關(guān)機(jī)：8秒無(wú)操作自動(dòng)關(guān)機(jī)；

7、 體積小、重量輕、攜帶方便；

09

艾派克

艾派克自主研發(fā)的APM32F103系列MCU，具有低功耗、高性能、快速移植等特點(diǎn)，可幫助客戶(hù)加快研發(fā)速度，提升產(chǎn)品性能，緩解血氧儀等醫(yī)療電子設(shè)備的供需壓力。

采用最新版Arm? Cortex?-M3內(nèi)核，最高工作頻率96MHz，F(xiàn)lash高達(dá)512Kbytes，SRAM高達(dá)128Kbytes，內(nèi)置FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元，在信號(hào)速度與精度上具有強(qiáng)大運(yùn)算處理能力，可在極短時(shí)間內(nèi)讀取、計(jì)算相應(yīng)測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)液晶來(lái)顯示血氧值。

艾派克血氧儀方案

（圖片來(lái)源：艾派克微信公眾號(hào)）

集成RTC、PWM、SDIO、EMMC（增強(qiáng)型外部存儲(chǔ)控制器）以及I2S、高速SPI、主從I2C、USART、USB、CAN等數(shù)字外設(shè)和通信資源。優(yōu)化升級(jí)后的USB2.0在系統(tǒng)時(shí)鐘為96MHz時(shí)，可支持USB與CAN接同時(shí)使用，有利于實(shí)現(xiàn)血氧儀多樣化的控制、通訊需求。

支持運(yùn)行、待機(jī)、休眠三種超低功耗模式，待機(jī)功耗消耗電流在3uA內(nèi)，可有效延長(zhǎng)電池的使用壽命，實(shí)現(xiàn)持久待機(jī)；IO驅(qū)動(dòng)能力高達(dá)25mA，滿(mǎn)足血氧儀在功耗、可靠性上的性能需求。3個(gè)12位、1us轉(zhuǎn)換時(shí)間的A/D轉(zhuǎn)換器，12通道DMA控制器，多達(dá)112個(gè)快速I(mǎi)/O端口，可快速獲取數(shù)據(jù)，提高血氧儀測(cè)量的靈敏度和精準(zhǔn)度。

來(lái)源：芯師爺

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