電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/程文智，周凱揚） 2020年是一個特別的年份，一場讓全人類措手不及的新冠疫情，幾乎打亂了所有人和所有企業(yè)的原有計劃。疫情之下， 額溫槍、血氧儀、血壓計、監(jiān)護儀、呼吸機等產(chǎn)品的需求出現(xiàn)了爆發(fā)式的增長。

特別是疫情之初，額溫槍還出現(xiàn)了一天一個價格的現(xiàn)象，即使是這樣也有很多人拿不到貨?，F(xiàn)在情況已經(jīng)好轉(zhuǎn)，國內(nèi)的產(chǎn)品需求基本趨于平穩(wěn)，但海外的疫情卻不容樂觀。據(jù)美國約翰斯·霍普金斯大學統(tǒng)計，截至美國東部時間8日15時30分（北京時間9日3時30分），全球確診病例達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之一，因此血氧儀的需求也跟著成倍放大。據(jù)ADI中國區(qū)醫(yī)療行業(yè)市場總監(jiān)彭智峰介紹，血氧儀可分為兩類，一類是醫(yī)院內(nèi)使用的院內(nèi)設(shè)備，一般會集成在生命體征監(jiān)護儀上，通過血氧探頭，獲取血氧數(shù)據(jù)；另一類是醫(yī)院外使用的指夾式血氧儀。

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

彭智峰認為這個爆炸性需求只是短暫的，根據(jù)疫情的變化，逐漸會回落下來。不過即便以后回落，各個國家也會吸取此次疫情的教訓，在疫情后，應(yīng)該會加強傳染病醫(yī)院的建設(shè)，預(yù)計未來幾年，醫(yī)用監(jiān)測設(shè)備的增長率應(yīng)該會維持在25%~30%之間。

院內(nèi)設(shè)備的門檻高，需要經(jīng)過國家藥品監(jiān)督管理局的嚴格認證才能進入，家庭用的指夾式血氧儀雖然也需要通過國家藥品監(jiān)督管理局相關(guān)認證，但精度和認證難度相對要簡單一些。

華大半導體MCU市場部經(jīng)理梁少峰表示，在疫情期間，很多方艙醫(yī)院、集中觀察點等臨時性機構(gòu)使用的也是指夾式血氧儀，這類血氧儀都是基于電池供電的。因此，對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<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)品還可以支持無線連網(wǎng)版的生產(chǎn)?！?br />
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)通過了檢測和認證，并進入了量產(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。

梁少峰對<電子發(fā)燒友網(wǎng)>表示，“我們原來醫(yī)療產(chǎn)品的出貨只占公司銷售額的一小部分，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?！?br />
他表示，他們的產(chǎn)品主要還是出給國內(nèi)企業(yè)，然后生產(chǎn)成整機產(chǎn)品出口。他承認，現(xiàn)在國家規(guī)范了防疫物資的出口，業(yè)務(wù)開始走向平穩(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。

來自國內(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來替代。

雖然他們推出方案的時間不長，但由于需求變大，ST可能一時無法滿足客戶的大量需求，航順的MCU就有了市場需求。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）有限公司董事長蘭長學表示，血氧儀對傳感器的要求頗高，發(fā)光側(cè)波長的一致性一定要很高，才能保證測量結(jié)果的準確性和可重復(fù)性。他表示，對于疫情期間的爆炸性需求，他們無法一一滿足，只能優(yōu)先保證穩(wěn)定的老客戶的需求。

不過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，而且會盡全力滿足這類暫時性的暴漲需求。其SpO2血氧傳感元件精度高，紅光LED波長公差可達660 nm±2 nm。他解釋說，這種精度是由專有的發(fā)射器，光譜匹配一個檢測器來實現(xiàn)的。

SpO2血氧傳感元件專有的發(fā)射器可提供專有的三種不同的紅外LED波長可選：880 nm，905 nm和940 nm?！盁o需對尺寸和低功耗妥協(xié)，我們的雙驅(qū)動發(fā)射器整合了兩個不同的LED波長（紅光和紅外）?？伸`活地滿足客戶需求。”他對<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)計方案又有哪些呢？

血氧儀的原理

血氧儀是針對對血氧飽和度（SpO2）的無創(chuàng)測量儀器。氧氣飽和度定義為溶解在血液中的氧氣含量，主要是對血紅蛋白（HbO2）和脫氧血紅蛋白（Hb）的探測。兩種不同波長的光用于測量這兩者在吸收光譜上的差異。血流會被兩者的濃度影響，而它們的吸收系數(shù)可以通過紅光光譜和紅外光譜測量。HbO2和Hb對不同波長的光線吸收程度不一。脫氧血紅蛋白對紅光吸收強，而血紅蛋白對紅外光線吸收強。

不同波長下 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下的消光系數(shù)相差很大，所以一般的血氧儀中，紅光波長一般在660nm，而紅外光波長一般在940nm。

Microchip：AN1525

AN1525 設(shè)計原理圖 / Microchip Technology

該設(shè)計包含了紅色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)動電路。紅光和紅外光透射手指后，被信號處理電路檢測到，之后再傳入單片機的12位ADC模塊，進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帶通濾波器可以過濾ADC數(shù)據(jù)，得到的過濾數(shù)據(jù)則用于計算脈沖幅度。

通過UART接口，測得的血氧飽和度與脈率可以傳輸給電腦，WiFi或藍牙。

MAX30102

MAX30102 設(shè)計原理圖 / 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LED，光電檢測器，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選取的紅外光波長為880nm，這個波長下和940nm的差異不大，也是常用的血氧儀波長之一。

而其中的環(huán)境光抑制（ALC）則由連續(xù)時間的Sigma-Delta ADC和一個專用離散時間濾波器組成。ALC內(nèi)部有一個跟蹤/保持電路抑制環(huán)境光，從而提高有效的動態(tài)測量范圍。

而血氧飽和度的采樣速率也可以通過編程控制，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)化血氧飽和度的測量精度和總體功耗。

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

TI：TIDA-010029

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

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

該設(shè)計采用了AFE4420的模擬前端用于生物測量，采用了光電容積脈搏波描記法進行測量。不僅支持4個LED燈和4個光電二極管，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，電池壽命長達30天。而且內(nèi)置低電量檢測算法，從而減少了額外的外部組件。

從以上方案看來，這幾家大廠的血氧儀的測試原理都大致相同，都是采用紅光，紅外光LED和光電二極管等光敏元件，對指端和耳垂進行透射測量。區(qū)別之處在于信號處理和濾波，功耗，至于數(shù)據(jù)傳輸都或多或少采用了藍牙或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量的關(guān)鍵要素之一，手指的移動和血液的流動都會產(chǎn)生一定的干擾分量。如何消除這些誤差就看工程師對光電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的考量了。同樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換上的時延也會限制血氧儀的應(yīng)用場景。

如今市面上消費類的血氧儀更注重于智能穿戴和專業(yè)健身的擴展性，而專業(yè)醫(yī)療血氧儀更傾向于高精度測量，數(shù)據(jù)監(jiān)控與預(yù)警。