緊俏的血氧儀，為國產(chǎn)芯片“活血”

行業(yè)資訊|Industry News|

2023-02-01 08:40:47 614

自警惕“沉默性缺氧”刷屏以來，血氧儀持續(xù)受到廣泛關(guān)注。

??根據(jù)百度指數(shù)顯示，從2022年12月21日至2023年1月4日共15日期間，血氧儀的搜索熱度整體同比增長11936%，環(huán)比增長642%，線上電商渠道的血氧儀持續(xù)熱銷，市場需求的快速增長引來社會多個層面的關(guān)注。工信部此前表示，已組織北京、河北、江蘇、深圳等地加大指氧儀生產(chǎn)供應(yīng)。

血氧儀原理和涉及的芯片

??血氧儀作為一種采用無創(chuàng)式紅外技術(shù)測量手指、腳趾、耳朵等位置血氧飽和度的醫(yī)療器械，血氧飽和度是臨床醫(yī)療上重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一。*衛(wèi)健委《新型冠狀病毒肺炎診療方案第九版》規(guī)定，血氧飽和度低于93%應(yīng)該及時就醫(yī)。

??目前市面上存在的血氧儀有四種，分別為：指夾式血氧儀、掌式血氧儀、脈搏式血氧儀和手表式血氧儀。典型的血氧儀帶有兩個發(fā)光二極管，將其壓在病人的待測部位——通常是指尖或耳垂，一只二極管釋放波長為660納米的光束，另一只釋放905、910或者940納米。含氧的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率與不含氧的差別很大，利用這個性質(zhì)，可以計算出兩種血紅蛋白的比例。

圖片來源：廣東省醫(yī)療器械質(zhì)量監(jiān)督檢驗所

??家用血氧儀主要由一顆MCU控制芯片，配合光電二極管等外圍器件電路組成，實現(xiàn)信號采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示等功能。其中，帶有低功耗、高精度ADC等功能的MCU芯片是保證血氧儀精確度的核心器件。

??以指夾式血氧儀為例，一個血氧儀一般由MCU、存儲芯片 (EPROM與RAM) 、兩個控制LED的數(shù)模轉(zhuǎn)換器、對光電二極管接收的信號進(jìn)行濾波與放大的器件、將接收信號數(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接觸的小型探針中。脈搏血氧儀，一般還會包括一個小型液晶顯示器。

?圖片來源：MindMotion

早期血氧儀芯片廠商

??在消費電子領(lǐng)域，血氧儀是一個相對比較狹窄的細(xì)分領(lǐng)域，市場也比較有限，芯片廠商自然也較少。以指夾式血氧儀芯片為例，主要是瑞薩、恩智浦、德州儀器、ADI等大廠的天下，他們有一定的技術(shù)實力將產(chǎn)品的核心算法和運(yùn)用推動起來。

??比如，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，針對手持式血氧儀的應(yīng)用特點進(jìn)行了優(yōu)化，實現(xiàn)了性能與功耗之間的*平衡。瑞薩電子RA2A1 MCU為解決方案提供了一套完整的信號調(diào)理和測量仿真功能，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)動器集成在一個單一的光學(xué)優(yōu)化包中。主單片機(jī)RA2A1可以通過IIC通信直接獲取PPG數(shù)據(jù)。同時，該方案還提供了無手指接觸10秒后自動斷電的低功耗設(shè)計，配合RA2A1 MCU與生物傳感器模塊OB1203的低功耗特性，整個系統(tǒng)的功耗得到了進(jìn)一步的優(yōu)化。

??德州儀器脈動式血氧計方案的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，以便系統(tǒng)處理器對其進(jìn)行處理。隨著2010年前后在各領(lǐng)域耕耘，ST作為血氧儀的主控，成了消費類8位單片機(jī)和32位單片機(jī)的*。

??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單的非侵入式方法，用于監(jiān)測血液中氧飽和血紅蛋白百分比。LCD顯示屏上會顯示血氧飽和度及心率。脈搏血氧儀可以作為獨立的便攜式裝置，也可以作為大型病患監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的一部分。

??ADI公司為脈搏血氧儀設(shè)計提供種類齊全的高性能線性、混合信號、MEMS和數(shù)字信號處理技術(shù)。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)接口以及音頻報警。發(fā)射路徑包括紅光LED、紅外光LED和用于驅(qū)動LED的 DAC。接收路徑包括光電二極管傳感器、信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和處理器。

圖片來源：ADI官網(wǎng)

晉級的國產(chǎn)血氧儀芯片

??隨著近期血氧儀的需求猛增，而ST等國外芯片因采購周期長無法滿足需求，并且單價普遍偏高，國內(nèi)一些芯片廠商因而獲得了機(jī)會，如國民技術(shù)、芯海科技、中微半導(dǎo)體、泰矽微電子、矽力杰、航順、東軟載波等都逐漸被市場接受，成為血氧儀國產(chǎn)替代芯片的選擇。

??國產(chǎn)芯片廠商國民技術(shù)早在疫情初期就推出了基于N32 MCU的血氧儀、額溫槍等家用醫(yī)療設(shè)備解決方案，后續(xù)又根據(jù)需要及時推出了核酸檢測儀、心電圖儀、血糖儀等解決方案，為抗擊新冠疫情做出了貢獻(xiàn)。國民技術(shù)N32G031、N32G430、N32L406、N32G452、N32G455、N32G457等MCU，以及N32WB031藍(lán)牙芯片等在血氧儀、額溫槍、紅外測溫儀、核酸檢測儀、心電圖儀、血糖儀、血壓計等醫(yī)療健康設(shè)備中都有成功應(yīng)用案例。

圖片來源：國民技術(shù)官網(wǎng)

??可孚旗下品牌氧立得指夾式脈搏血氧儀OXH78主控芯片部分，是由高性能的芯海科技CS32F030C8T6系列芯片以及高精度CSU18M92系列芯片組成，還有其他一些重要元器件，所以具有實時的處理性能，能夠做到在3秒鐘左右就可顯示測試數(shù)據(jù)，另外高精度soc芯片實現(xiàn)了更高的續(xù)航里程并且有限降低了所需的電池成本。據(jù)了解，CS32F030集成RC Hybrid+Calibration架構(gòu)的高性能ADC，通過芯海專利的誤差控制技術(shù)和測試手段，12位ADC的有效精度可達(dá)11bit。并且CS32F030在出廠前，100%經(jīng)過110℃的高溫測試，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和高一致性，從而滿足醫(yī)療產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求。

??矽力杰光感芯片SY3122-H2可測量全頻譜光。在血氧儀應(yīng)用中，該器件會測量收到的紅光、紅外光的強(qiáng)度，轉(zhuǎn)換為不同頻率的方波輸出至處理器。處理器通過計算紅光及紅外光的AC分量、DC分量比值，搭配算法即可求得血氧飽和度，同時該AC分量的周期即為人體的心率值。

??2020年疫情之初，芯海科技即進(jìn)入血氧儀應(yīng)用領(lǐng)域。經(jīng)過三年多的持續(xù)研發(fā)，芯海科技的系列化血氧儀應(yīng)用方案，憑藉24位高精度ADC和灌注度處理的核心技術(shù)優(yōu)勢，以及過硬的產(chǎn)品性能和質(zhì)量，獲得相關(guān)的專業(yè)醫(yī)療認(rèn)證，實現(xiàn)業(yè)內(nèi)醫(yī)療品牌客戶的終端產(chǎn)品規(guī)模化商用，也受到消費者的廣泛認(rèn)可和歡迎。目前，很多應(yīng)用了芯海相關(guān)血氧儀應(yīng)用方案的品牌客戶的終端產(chǎn)品，基本都能做到一次性通過相關(guān)醫(yī)療認(rèn)證。

?圖片來源：芯海科技官網(wǎng)

??泰矽微聯(lián)合第三方設(shè)計公司藍(lán)瑞格共同推出高精度指夾血氧儀產(chǎn)品及方案，通過結(jié)合泰矽微高性能專用芯片和藍(lán)瑞格獨有的專利算法設(shè)計，可滿足不同膚色，不同粗細(xì)的手指測量，灌注性能PI優(yōu)于0.1%，且能支持抗運(yùn)動干擾。并且，泰矽微電子推出的血氧儀專用芯片TCAS24，單芯片集成高精度AFE和MCU，可提供完整的軟硬件參考設(shè)計及詳細(xì)應(yīng)用文檔。

??晶華微的人體健康參數(shù)測量專用SoC芯片于2021年3月*實現(xiàn)量產(chǎn)，可單片應(yīng)用于血壓計、血糖儀、血氧儀等醫(yī)療設(shè)備上，受2020年新冠疫情影響，其紅外測溫信號處理芯片量價齊升，目前已進(jìn)入倍爾康、華盛昌、德國Braun以及中國臺灣Microlife等終端品牌廠商供應(yīng)體系，已與樂心醫(yī)療、香山衡器及優(yōu)利德等多家建立緊密的合作關(guān)系。

??近幾年來，航順HK32MCU作為國內(nèi)優(yōu)秀的半導(dǎo)體設(shè)計廠商，其自主研發(fā)的基于ARM? Cortex?-M0內(nèi)核32位HK32F030M/0301M，以及HK32F030系列MCU做為主控，并聯(lián)合數(shù)十家采用航順主控生產(chǎn)血氧儀客戶共同開發(fā)了多款高精度指夾式血氧儀，市場需求異常火爆。此系列血氧儀產(chǎn)品部分達(dá)到II類醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)，并已取得醫(yī)療等級認(rèn)證，包括電磁兼容報告、國內(nèi)三證以及供出口的CE、FCC等歐美認(rèn)證，并可持續(xù)供貨保障國內(nèi)外客戶需求。

??圖片來源：航順官網(wǎng)

??截至2022年12月28日，*藥監(jiān)局和各省藥監(jiān)局已批準(zhǔn)101個血氧儀產(chǎn)品上市。血氧儀芯片國產(chǎn)化率變得越來越高了，行業(yè)標(biāo)桿的康泰、魚躍也開始在逐步引進(jìn)國產(chǎn)芯片。

圖片來源：*藥品監(jiān)督管理局官網(wǎng)

??當(dāng)然我們也應(yīng)該看到，目前國內(nèi)血氧儀市場面臨產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重、監(jiān)測精度達(dá)醫(yī)療級的產(chǎn)品較少、性價比不高等問題，亟需尋找破局之路。適用性、監(jiān)測精度、運(yùn)動性能、成本控制成為考察指夾血氧儀研發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)的重要指標(biāo)，這些都為國產(chǎn)的血氧儀芯片相關(guān)企業(yè)提出了挑戰(zhàn)和進(jìn)步空間。隨著醫(yī)療電子領(lǐng)域市場的不斷培育，相關(guān)國產(chǎn)芯片廠商也會獲得越來越多的“活血”機(jī)會。

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