作者：电子创新网张国斌
新冠疫情已经肆虐3年，随着12月7日国家“新十条”防疫政策的发布，动态清零时代已成过去， 在各地防疫全面放开的情况下，各地新冠阳性人员激增，尤其出现了一些危重病例，这些危重病例与人体的一个关键指标有关，那就是血氧饱和度！血氧饱和度是评价新型冠状病毒感染者是否出现低氧血症，或者是呼吸衰竭非常重要的一个指标，往往也提示患者是否为重症或者是危重症。新型冠状病毒肺炎患者血氧饱和度一般是在90-100%，但是如果是危重症的患者，血氧饱和度可能会低于90%！随着“沉默性缺氧”概念进入大众视野，用于检测血氧饱和度、判定新冠重症与否的家用医疗监测工具——血氧仪的关注度持续提升。血氧仪和额温枪一样，未来都会成为居民健康生活必备利器，今天，我们分享一下本土健康产业领军企业芯海科技在血氧仪领域的布局，其实早在2020年新冠爆发之初，芯海科技就凭借高精度ADC和MCU产品推出了高精准高可靠性额温枪，血氧仪产品，如今，芯海科技根据用户需求，在血氧仪产品领域深度布局，推出了全系列方案。在人体正常血液中存在四种血红蛋白：氧合血红蛋白（HbO2）、还原血红蛋白（Hb）、碳氧血红蛋白（CoHb）、高铁血红蛋白（MetHb）。其中还原血红蛋白与氧气做可逆性结合，碳氧血红蛋白、高铁血红蛋白与氧气不结合。血氧饱和度指的是血液中氧合血红蛋白容量占可结合氧气的血红蛋白容量的百分比。
图1 PPG测量SpO2示意图如图1所示Hb和HbO2这 两种血红蛋白对红光和红外光的吸收特性表现不一样。通过获取红光和红外的PPG信号，根据Lambert-Beer定律，结合图2的血红蛋白含量和吸光系数以及PPG信号AC和DC成分的关系求解方程，可以得到SpO2的值。从脉搏血氧SpO2的原理可以知道，要准确计算SpO2的值，关键是获取准确的PPG信号，也就是准确的IAC和IDC。血氧探头是由两只发光管和一只电光管组成。其中一只发光管发出波长为660nm的可见红光，另外一只发光管发出波长为920nm~950nm之间的不可见红外光。按照所使用的传感器采样方式的不同，可以分为透射式和反射式两种。因为氧合血红蛋白和还原血红蛋白在可见光和接近红外线的频谱范围内具有不同的吸收特性。还原血红蛋白吸收较多的红色频率光线，吸收较少的红外频率光线；而氧合血红蛋白吸收较少的红色频率光线，吸收较多的红外频率光线。利用红光和红外交替照射手指，接收端的光电二极管会产生一个跟随脉搏变化的微弱光电流，把光电流转换、滤波、放大后得到脉搏波形，根据波峰间距得到脉搏频率，根据红光和红外的光电流比例得出血氧饱和度。国家有关部门印发的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》中指出，当指氧饱和度（从手指上测量的血氧饱和度）低于93％（健康者在98％左右）即为重症患者，需及时就医。因此，家中常备实时检测血氧状况的指夹式血氧仪，有助于人们科学防疫。93%以下--就医（按照第九版诊疗方案，低于93%属于新冠重症，需尽快送医院）88%以下--重症（按照急诊氧疗专家共识，低于88%属于重症）血氧是至关重要的指标，家中如果老人有有症状，则需要每1-2小时测量一次，低于95%：重复测量，连续多测，低于93%则需要吸氧送医，千万不要因为血氧测量不准耽误病情，由此可见，血氧的精准测量是非常重要的！一般血氧仪分指夹式和穿戴式，指夹式是通过指端进行测量，穿戴式则通过人体佩戴的穿戴产品如手表手环等进行测量，原理相同。血氧仪的工作原理比较简单，典型的功能框图如下，主要由光源部分、ADC/DAC、MCU、显示部分和电源部分组成。虽然血氧仪电路功能简单，但是要获得高精度的测量结果挑战却很多，“指夹式血氧仪确实是一个比较成熟的产品，但在新冠疫情前，如何把血氧浓度测得更准，如何在低弱灌注度下测量，是之前大家比较少关注的。新冠疫情流行后，如何在低弱灌注度下以及针对深色皮肤如何测得准，都需要高精度芯片去适配、去优化算法，才能测得更准确。”据芯海科技模拟产品线总工何彪胜介绍，“以前指夹式血氧仪很少用在家用，出现病症后都是去医院，直接使用医疗监护仪级别的设备检测我们身体的血氧浓度。在客户合作中客户会特别关注在弱灌注度下测量的准确性，客户希望PN值能做到0.1、0.2、0.3这样的血氧测量精确度，另外在血氧仪进入家庭后，很多测量因素也会导致精度问题如指甲的颜色，夹具的松紧等等。”他表示血氧测量的方式有夹手指、戴手臂的智能手表、戴在手指上的智能戒指，指尖是信号最强的，最好测。手表和戒指哪怕芯片再强，准确度做到80%都比较难，指夹式可以做大95%以上的准确度。但即使是准确度较高的指夹式测量也受到诸多客观因素的影响，比如人的皮肤有薄有厚，肤色有深有浅，以及低血压的用户手指可能很瘦，没有肉，以及老人心跳比较低、皮肤比较干燥，身上脂肪不多，这些情况下灌注度非常低，信号会比较难测。“疫情前几年血氧仪卖的都是海外，白牌卖的多，白牌的话正常人能测就卖出去了，异常人测不了他不管，因为国外没有卡标准。国内不一样，国内目前卖的都是医疗品牌的标准，必须要遵循医疗标准，医疗标准有一个点就是灌注度，必须要达到0.3。注册的时候可以不用写到注册证上，它是默认医疗标准，就是这么多而且是血氧从70段到90段全范围要求。”他表示。“那么这个灌注度指标是怎么去反映呢？光通过手指透射过去之后还剩下多少，可以理解成一个透射率，就是说我的信号传过去衰减了多少，手指黑的、没有肉的、没有什么血液的传过去基本都被吸收了，交流信号、脉搏信号就非常小。针对老人、儿童、患有一些常规病（比如血压）这些人群，这项指标就会比较重要。正常人PI可能是3~10之间，但是正常人手变凉后，比如在北方手可能是冰凉的，或者用冷水洗了手，手变冰了，那么PI灌注度可能就掉到0.3左右去了。这里面的技术0.3、0.2、0.1、0.05，每上升0.1或者上升0.005都是非常极限的突破。”“关于血氧、脉率还是灌注度这三个指标，虽然有全球公认的Fluke模拟仪，但机器是固定信号，人是流动信号，实际测量时候有很多变数，测量结果跟芯片、算法、电路、噪声、干扰、结构的遮光性.等等因素都有关系，需要通过软硬件方式去修正和补偿。”他表示。“例如涂指甲油会影响光的强度，相当于灌注度变低了（比如前面提到的有的手指粗有的细有的肉多有肉少等），这就需要通过手指的实际状态去调节发光的强度来提升精度。”1. 高性能：采用CS32F030+CSU18M92组成，其中CS32F030作为mcu跑算法，CSU18M92采用24位高精度ADC对血氧信号进行采集，同时自带恒流源用于控制红光和红外光发射，能够在灌注度0.3的情况下稳定测量。2. 高性价比方案：采用单颗CS32L010实现，通过mos进行恒流源控制用于红光和红外光发射，一份软件兼容市面大部分TFT屏，同样支持全范围灌注度pi≤0.3标准他特别强调了芯海科技24位高精度ADC在血氧仪方案中发挥的优势，“近期推出的CS1262产品，是用在手腕手表上测PPG信号的，相对手指来测对信号要求更高，对硬件指标要求高，指夹式血氧仪PI一般能抓到0.1就已经是比较高的。CS1262是做在手腕上的，能抓的信号能做到0.02、0.01，对信号抓取能力特别强。它是一颗专门做测血氧、测心率面向健康的产品，刚刚提到的调放大倍数、调光都是有硬件实现的，整个使用过程都有专门适配。它的规格比指夹式血氧仪高，可以做到穿戴上，应用范围比较广。相对指夹式测量它可以做到无感测量，一直戴在手上持续监测血氧信号。”他详细介绍。1、CS32A010这种24位高精度ADC+自带运放和恒流源级别，这个是一个高集成度、高精度，主打要求比较高的高性能需求。2、芯海科技推出的32位MCU CS32L010系列低功耗MCU，内嵌32位ARM®Cortex®-M0内核，可运行最高24MHz，内置64Kbytes Flash，4Kbytes SRAM，内部集成12 位高性能ADC模块、电压比较器，以及RTC、比较器、多路UART、SPI、I2C和PWM等丰富外设接口。CS32L010还具有非常优秀的低功耗特性，低至1μA的休眠功耗，低至30μA/MHz的运行功耗，并集成了LPUART、LPTIM、LVD等低功耗外设，大幅延长待机时间和电池寿命。此外，CS32L010拥有多个定时器，包括高级定时器TIM1、通用定时器TIM2，基础定时器TIM10/TIM11，实现PWM输出、外部计数、时钟捕获、占空比测量等功能，更支持低功耗定时器LPTIM，以降低运行功耗。何彪胜评价说CS32L010相对来说是最低成本的，用这个通用MCU来做的话，是一个高性价比的方式，这个也可以做到全范围医疗0.3的标准，这一颗在市面上是非常具有竞争力的。3、CS32F030系列是一款32位高可靠性MCU，采用ARM® Cortex®-M0 内核，频率48MHz，最高集成64Kbytes Flash和8Kbytes SRAM，内置12位高精度、高转换速率的SAR ADC模块，1个高级定时器，5通道DMA控制器，并提供丰富的通信接口（I2C、SPI/I2S和USART）和多达11个定时器，具备高可靠性、高精度、低功耗等特点。CS32F030集成INL低至1.2LSB的高性能12位ADC、温漂60ppm/℃的内部参考电压和温度传感器等， 主力客户实现医疗级精度，且提供一系列电源工作模式，以满足不同的低功耗应用。CS32F030集成RC Hybrid+Calibration架构的高性能ADC，通过芯海专利的误差控制技术和测试手段，12位ADC的有效精度可达11bit。并且CS32F030在出厂前，100%经过110℃的高温测试，确保产品的质量和高一致性，从而满足医疗产品的精度和质量要求。“市面上绝大多数血氧仪都是用030和103去做的，这是大家通用的水准。芯海的优势就是可以在030的级别下演变推出CS32L010，这个方案相对会便宜很多，在外围控制上也会便宜很多，高性价比方案。往上走就是测试CS32A010，专业的芯片，高集成度的，主打那些对高精度有要求的。”他指出。“以上三个方案都有客户拿到医疗认证，最终效果都可以达到医疗水准，一些品牌客户中并拿到医疗认证。1、ADC从12位转向24位，把血氧仪的测量精度提升了一个等级，往更高精度趋势。2、外围集成到单芯片，整个系统上可以更优化生产，效率更高。以前的传统方案是MCU+两极运放，有的MCU还要多管脚，因为驱动灯需要一个强电流，单一IO口驱动能力可能只有3毫安，如果说要几十毫安的电流可能要用十个IO口并在一起，或者加三极管，去驱动那个灯，如果MCU有强驱动，就不需要如此多IO口或者加三极管，整个方案占面积更小些。他表示芯海科技自2020年以来一直关注抗疫产品，不断从用户需求出发，利用自身的信号链优势提升检测精度，助力全国人民早日摆脱新冠的困扰。
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