電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/程文智，周凱揚(yáng)） 2020年是一個(gè)特別的年份，一場(chǎng)讓全人類(lèi)措手不及的新冠疫情，幾乎打亂了所有人和所有企業(yè)的原有計(jì)劃。疫情之下， 額溫槍、血氧儀、血壓計(jì)、監(jiān)護(hù)儀、呼吸機(jī)等產(chǎn)品的需求出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。

特別是疫情之初，額溫槍還出現(xiàn)了一天一個(gè)價(jià)格的現(xiàn)象，即使是這樣也有很多人拿不到貨。現(xiàn)在情況已經(jīng)好轉(zhuǎn)，國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品需求基本趨于平穩(wěn)，但海外的疫情卻不容樂(lè)觀。據(jù)美國(guó)約翰斯·霍普金斯大學(xué)統(tǒng)計(jì)，截至美國(guó)東部時(shí)間8日15時(shí)30分（北京時(shí)間9日3時(shí)30分），全球確診病例達(dá)1500830例，死亡病例為87706例。

而血氧飽和濃度是本次新冠病毒的重要診斷指標(biāo)之一，因此血氧儀的需求也跟著成倍放大。據(jù)ADI中國(guó)區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場(chǎng)總監(jiān)彭智峰介紹，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)院外使用的指夾式血氧儀。

從他的目前接觸的信息來(lái)看，院內(nèi)使用的生命體征監(jiān)護(hù)儀設(shè)備的需求量也增加了很多，跟正常年份相比，保守估計(jì)有3~5倍的增長(zhǎng)。

彭智峰認(rèn)為這個(gè)爆炸性需求只是短暫的，根據(jù)疫情的變化，逐漸會(huì)回落下來(lái)。不過(guò)即便以后回落，各個(gè)國(guó)家也會(huì)吸取此次疫情的教訓(xùn)，在疫情后，應(yīng)該會(huì)加強(qiáng)傳染病醫(yī)院的建設(shè)，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年，醫(yī)用監(jiān)測(cè)設(shè)備的增長(zhǎng)率應(yīng)該會(huì)維持在25%~30%之間。

院內(nèi)設(shè)備的門(mén)檻高，需要經(jīng)過(guò)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局的嚴(yán)格認(rèn)證才能進(jìn)入，家庭用的指夾式血氧儀雖然也需要通過(guò)國(guó)家藥品監(jiān)督管理局相關(guān)認(rèn)證，但精度和認(rèn)證難度相對(duì)要簡(jiǎn)單一些。

華大半導(dǎo)體MCU市場(chǎng)部經(jīng)理梁少峰表示，在疫情期間，很多方艙醫(yī)院、集中觀察點(diǎn)等臨時(shí)性機(jī)構(gòu)使用的也是指夾式血氧儀，這類(lèi)血氧儀都是基于電池供電的。因此，對(duì)器件的功耗有很高的要求，必須是低功耗的產(chǎn)品才行。

他對(duì)<電子發(fā)燒友網(wǎng)>表示，“我們的HC32L系列超低功耗MCU全線滿足從血氧儀到額溫槍的各種防疫設(shè)備的生產(chǎn)。其中大容量產(chǎn)品還可以支持無(wú)線連網(wǎng)版的生產(chǎn)。”

梁少峰還特別指出，康泰等使用華大MCU的血氧儀產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了檢測(cè)和認(rèn)證，并進(jìn)入了量產(chǎn)。

而且他還透露，目前用于血氧儀的MCU產(chǎn)品需求量上升非常快，幾乎是十幾倍地在增長(zhǎng)。

梁少峰對(duì)<電子發(fā)燒友網(wǎng)>表示，“我們?cè)瓉?lái)醫(yī)療產(chǎn)品的出貨只占公司銷(xiāo)售額的一小部分，現(xiàn)在幾乎全部都是醫(yī)療產(chǎn)品在出貨。前期是國(guó)內(nèi)需求為主，中間有一周左右的停頓，現(xiàn)在海外需求紛至沓來(lái)。”

他表示，他們的產(chǎn)品主要還是出給國(guó)內(nèi)企業(yè)，然后生產(chǎn)成整機(jī)產(chǎn)品出口。他承認(rèn)，現(xiàn)在國(guó)家規(guī)范了防疫物資的出口，業(yè)務(wù)開(kāi)始走向平穩(wěn)有序。“現(xiàn)在我們的醫(yī)療產(chǎn)品月出貨量在10KK左右。”他說(shuō)。

來(lái)自國(guó)內(nèi)的另一家MCU廠商航順，最近也推出了他們的血氧儀解決方案，據(jù)航順的劉吉平介紹，航順的MCU有一大特色，那就是跟ST的MCU產(chǎn)品不僅硬件上是管腳兼容的，軟件上也是兼容的，因此，很多使用ST的MCU方案客戶，可以直接使用航順的MCU來(lái)替代。

雖然他們推出方案的時(shí)間不長(zhǎng)，但由于需求變大，ST可能一時(shí)無(wú)法滿足客戶的大量需求，航順的MCU就有了市場(chǎng)需求。據(jù)劉吉平透露，他們已經(jīng)出了20KK的貨了。

在血氧儀傳感器方面，可天士電子（上海）有限公司董事長(zhǎng)蘭長(zhǎng)學(xué)表示，血氧儀對(duì)傳感器的要求頗高，發(fā)光側(cè)波長(zhǎng)的一致性一定要很高，才能保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。他表示，對(duì)于疫情期間的爆炸性需求，他們無(wú)法一一滿足，只能優(yōu)先保證穩(wěn)定的老客戶的需求。

不過(guò)TE傳感器事業(yè)部的Peter Li表示，TE目前仍然可以滿足相關(guān)的需求，而且會(huì)盡全力滿足這類(lèi)暫時(shí)性的暴漲需求。其SpO2血氧傳感元件精度高，紅光LED波長(zhǎng)公差可達(dá)660 nm±2 nm。他解釋說(shuō)，這種精度是由專(zhuān)有的發(fā)射器，光譜匹配一個(gè)檢測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

SpO2血氧傳感元件專(zhuān)有的發(fā)射器可提供專(zhuān)有的三種不同的紅外LED波長(zhǎng)可選：880 nm，905 nm和940 nm。“無(wú)需對(duì)尺寸和低功耗妥協(xié)，我們的雙驅(qū)動(dòng)發(fā)射器整合了兩個(gè)不同的LED波長(zhǎng)（紅光和紅外）。可靈活地滿足客戶需求。”他對(duì)<電子發(fā)燒友網(wǎng)>表示。

同為抗疫醫(yī)療設(shè)備的血氧儀，在原理和方案上有何異同？

那么血氧儀的工作原理是什么？常規(guī)的血氧儀設(shè)計(jì)方案又有哪些呢？

血氧儀的原理

血氧儀是針對(duì)對(duì)血氧飽和度（SpO2）的無(wú)創(chuàng)測(cè)量?jī)x器。氧氣飽和度定義為溶解在血液中的氧氣含量，主要是對(duì)血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）的探測(cè)。兩種不同波長(zhǎng)的光用于測(cè)量這兩者在吸收光譜上的差異。血流會(huì)被兩者的濃度影響，而它們的吸收系數(shù)可以通過(guò)紅光光譜和紅外光譜測(cè)量。HbO2和Hb對(duì)不同波長(zhǎng)的光線吸收程度不一。脫氧血紅蛋白對(duì)紅光吸收強(qiáng)，而血紅蛋白對(duì)紅外光線吸收強(qiáng)。

不同波長(zhǎng)下 HbO2 與 Hb 的消光系數(shù)差異 / NXP Semiconductors

由上圖可以看出，兩種血紅蛋白在特定波長(zhǎng)下的消光系數(shù)相差很大，所以一般的血氧儀中，紅光波長(zhǎng)一般在660nm，而紅外光波長(zhǎng)一般在940nm。

Microchip：AN1525

AN1525 設(shè)計(jì)原理圖 / Microchip Technology

該設(shè)計(jì)包含了紅色LED，紅外LED以及光電二極管組成的血氧飽和度傳感電路，再加上LED驅(qū)動(dòng)電路。紅光和紅外光透射手指后，被信號(hào)處理電路檢測(cè)到，之后再傳入單片機(jī)的12位ADC模塊，進(jìn)一步算出血氧飽和度的百分比。

在內(nèi)置dsPIC的幫助下，數(shù)字FIR帶通濾波器可以過(guò)濾ADC數(shù)據(jù)，得到的過(guò)濾數(shù)據(jù)則用于計(jì)算脈沖幅度。

通過(guò)UART接口，測(cè)得的血氧飽和度與脈率可以傳輸給電腦，WiFi或藍(lán)牙。

MAX30102

MAX30102 設(shè)計(jì)原理圖 / Maxim Integrated

MAX30102集成了脈搏血氧儀和心率監(jiān)控的生物傳感器，不僅有多個(gè)LED，光電檢測(cè)器，還帶有抑制環(huán)境光的低噪聲電路，采用了I2C的傳輸協(xié)議。

我們從上圖可以看出，MAX30102選取的紅外光波長(zhǎng)為880nm，這個(gè)波長(zhǎng)下和940nm的差異不大，也是常用的血氧儀波長(zhǎng)之一。

而其中的環(huán)境光抑制（ALC）則由連續(xù)時(shí)間的Sigma-Delta ADC和一個(gè)專(zhuān)用離散時(shí)間濾波器組成。ALC內(nèi)部有一個(gè)跟蹤/保持電路抑制環(huán)境光，從而提高有效的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍。

而血氧飽和度的采樣速率也可以通過(guò)編程控制，范圍在50到3200sps。LED的脈沖寬度也可以在69μs到411μs編程控制，從而根據(jù)用例讓算法優(yōu)化血氧飽和度的測(cè)量精度和總體功耗。

MAX30102也適用于可穿戴設(shè)備的場(chǎng)景，低功耗的心率監(jiān)控（<1mW），而且通過(guò)軟件關(guān)斷模塊，可以實(shí)現(xiàn)零待機(jī)電流。

TI：TIDA-010029

TIDA-010029 設(shè)計(jì)原理圖 / Texas Instruments

TI的TIDA-010029是一款兼容藍(lán)牙BLE 4.2和5.0的血氧儀設(shè)計(jì)。可以提供為心率和血氧飽和度測(cè)量提供原始測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)I2C或SPI通信。

該設(shè)計(jì)采用了AFE4420的模擬前端用于生物測(cè)量，采用了光電容積脈搏波描記法進(jìn)行測(cè)量。不僅支持4個(gè)LED燈和4個(gè)光電二極管，同樣配備了環(huán)境光抑制提高信噪比（SNR）。

TIDA-010029由CR3032（紐扣電池）供電，電池壽命長(zhǎng)達(dá)30天。而且內(nèi)置低電量檢測(cè)算法，從而減少了額外的外部組件。

從以上方案看來(lái)，這幾家大廠的血氧儀的測(cè)試原理都大致相同，都是采用紅光，紅外光LED和光電二極管等光敏元件，對(duì)指端和耳垂進(jìn)行透射測(cè)量。區(qū)別之處在于信號(hào)處理和濾波，功耗，至于數(shù)據(jù)傳輸都或多或少采用了藍(lán)牙或WiFi的傳輸方案，以適應(yīng)智能穿戴產(chǎn)品。

而消除誤差也是血氧儀精密測(cè)量的關(guān)鍵要素之一，手指的移動(dòng)和血液的流動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生一定的干擾分量。如何消除這些誤差就看工程師對(duì)光電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的考量了。同樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換上的時(shí)延也會(huì)限制血氧儀的應(yīng)用場(chǎng)景。

如今市面上消費(fèi)類(lèi)的血氧儀更注重于智能穿戴和專(zhuān)業(yè)健身的擴(kuò)展性，而專(zhuān)業(yè)醫(yī)療血氧儀更傾向于高精度測(cè)量，數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)警。