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紧俏的血氧仪内部芯片和原理方案
发布日期:2024-07-29 08:25     点击次数:178

 目前血氧仪暴涨的需求,主要是政策调整后,人群感冒发烧增多,确诊增多,有基础疾病的老年人等群体暴露其中更加危险,官方鼓励血氧仪作为监控预防重症的设备。加上血氧知识的普及,媒体的宣传,如多位专家建议家庭、个人准备指夹式血氧仪等设备,及时掌握自己和家人的身体情况。因此对于有家有老人、小孩,或者本身抵抗力差的人群,作为日常监测还是比较实用,一旦出现低血氧可以及时就医。而对于没有严重基础疾病的普通人群来说,监测血氧饱和度意义不大,不要跟风购买血氧仪,还是尽量把资源留给真正需要的人群。

血氧仪的原理与芯片方案 

血氧方案.png

典型的血氧饱和仪带有两个发光二极管,这两个发光二极管面向病人的待测部位,一般是指尖或耳垂等透光率高血流密度大的地方。一只二极管释放波长为660nm的光束,另一只释放905,910或者940nm。含氧的血红蛋白对这两种波长的吸收率与不含氧的差别很大。利用这个性质,可以计算出两种血红蛋白的比例。家用血氧仪主要分为指夹式、手腕式、臂式、手持式、可穿戴式等,虽然佩戴方式不同,但原理大同小异,涉及的厂商包括鱼跃、康泰、美菱、乐普、海尔、欧姆龙、飞利浦、可孚等国内外品牌。家用血氧仪一般由MCU、存储器(EPROM与RAM)、两个控制LED的数模转换器、对光电二极管接收的信号进行滤波与放大的器件、将接收信号数字化以提供给MCU的模数转换器等电子器件组成。指夹式血氧仪会有LED与光电二极管,放置在与患者指尖或耳垂接触的小型探针中。脉搏血氧仪一般还会包括有一个小型液晶显示器。血氧仪的市场在疫情来临之前,其实是一个很狭窄,很孤立的一个细分领域,所以作为细分领域,因市场的局限性,很少有芯片商回去关注。所以当市场主要都在用价格最为优惠并且很常见的ST芯片作为血氧仪主流时,很多芯片商对这个市场已经是不再问津了。然而这一局面且因2020年疫情的到来,和目前疫情的放开后,血氧仪发生了天翻地覆的改变。一 早期的血氧仪芯片市场早期的指夹式血氧仪芯片,主要是如瑞萨恩智浦德州仪器ADI等大厂的天下,他们有一定的技术实力将产品的核心算法和运用推动起来,这时的血氧仪方案设计大多如下:瑞萨电子血氧仪解决方案搭载了高集成度传感器模块OB1203、高精度模拟的RA2A1 MCU,针对手持式血氧仪的应用特点进行了优化,实现了性能与功耗之间的完美平衡。瑞萨电子RA2A1 MCU为解决方案提供了一套完整的信号调理和测量仿真功能,它的模拟功能包括16位SAR ADC、24位Sigma-Delta ADC、比较器、运算放大器和DAC。该系统采用16位ADC、运算放大器和PWM相结合的锂电池充电系统。同时瑞萨电子血氧仪解决方案采用了单电池锂电子USB充电设计,在RA2A1 ARM微控制器的强大模拟功能加持下,它可以简单地实现对锂离子电池的USB充电,而不需要额外的组件。系统内部的电压、电流可实时反馈监控,充电方式可根据需要调整。瑞萨电子血氧仪解决方案搭载的高集成度传感器OB1203是业界最小的光学生物传感器模块,具有用于反射性光容积描记的全集成生物传感器,通过适当的算法可以确定心率、血氧饱和度(SpO2)、呼吸频率和心率变异性。OB1203将光源和驱动器集成在一个单一的光学优化包中。主单片机RA2A1可以通过IIC通信直接获取PPG数据。同时,该方案还提供了无手指接触10秒后自动断电的低功耗设计,配合RA2A1 MCU与生物传感器模块OB1203的低功耗特性,整个系统的功耗得到了进一步的优化。瑞萨电子血氧仪解决方案特点:1、单电池锂离子USB充电简单实现锂离子电池USB充电电压和电流能实时监测2、低功耗系统低功耗MCU RA2A1,低功耗生物传感器模块OB1203没有手指接近10秒后,自动切断电源3、容易控制与OB1203和OLED的I2C通信当接近、产生新的PPG数据和FIFO要满时,OB1203触发中断AD和PWM控制电池充电4、测量范围血氧饱和度:70%~100%脉搏:25bpm~200bpm大家可以看得到,其实瑞萨电子的方案,有很多是有优化空间的,并且方案是因主控MCU的性能来 搭配外围电路的,如ADI恩智浦因采用的MCU性能有所差异,其设计电路又有一定区别

血氧仪方案.png

ST主控芯片的血氧市场ST作为血氧仪的主控,其实并非什么怪异的,因为ST能做的芯片实在太多了,IC芯片代理商-全球电子元器件采购平台 随着2010年前后,意法半导体发力在各领域耕耘后,ST成了消费类8位单片机和32位单片机的王者。优势血氧饱和度,测量范围:40~100%;分辨率:1%彩色 OLED 同屏显示血氧饱和度、脉率、脉率波、电池电量等准确率:±2%(SpO2=70~100%)、±4%(SpO2=40~70%);可周期性保存 PR、SpO2、RTC 等数据到外部串行 Flash脉搏,脉率范围:30~250bpm,分辨率:1bpm,历史数据可查询、删除精度:±1bpm;屏幕内容自动旋转弱信号处理,弱灌注强度:≤0.3%无信号时自动关机,延长电池寿命基于 ST 公司的 STM32 系列处理器,采用数字式血氧探头血氧饱和度上、下限报警,也支持脉率声音提示可准确测量静止和运动时的血氧饱和度 (SpO2) 和脉率 (PR)适于现场检查或连续监测市场上采用ST芯片的产品如:鱼跃血氧仪、康泰等龙头品牌代表,其实均是ST的32位MCU。产品特点稳定,价格合理。性价比很高。 

血氧仪设计.png

三 近期的血氧仪市场MCU近年来,血氧仪因疫情的影响,需求猛增,而国外芯片如ST等因采购周期长,而导致无法满足需求,并且单价普遍偏高,国内一些小心MCU厂因而有了机会。因市场的需求迫切,大家对该产品的需求可以允许存在一定的瑕疵,所以山寨血氧仪有了市场。如锦锐003MCU、中微的6990/赛元的003MCU、华大的、航顺的HK32系列等都冒了出来。另外因市场的缘故,各家MCU均来不及搞自己的核心算法,所以就半推半就的上马了血氧仪方案,此时的血氧仪方案主要是考虑成本,所以能省的基本都省了,外围电路尽量简化,能实现功能为要。于是运放采用4路放大,ADC采用12位的居多,电源电路大家为了考虑稳定还基本保留着升压。 四 当前的血氧仪芯片2021年下半年后,因单片机市场的单价一路飙升,很多人把目光集中在了蓝牙SOC上面,如,杰理的AC6966B,等,该芯片特点是16位ADC,并且是带蓝牙功能的,芯片为M0内核,资源丰富,但单价依然偏高。因MCU缺的缘故,所以蓝牙芯片作为血氧仪还依然存在一定的价格区间。当MCU市场回归后,蓝牙SOC的性价比自然就不存在了,于是,杰理又推出了AC6385A,RT58A、AC145等摒弃了蓝牙功能的MCU,该类芯片一方面可以做为MCU使用,同时还兼容语音芯片的功能,并且单价一路杀到MCU最早涨价之前的单价,血氧仪芯片市场又一场血雨腥风,MCU也基本被低端血氧给洗得不见了踪影。疫情影响了血氧仪的市场规律,但也改造了血氧仪的原生态,血氧仪芯片国产化率变得越来越高了,就如行业标杆的康泰、鱼跃也开始在逐步引进国产芯片。目前来看家用血氧仪的结构和功能都较为简单,其断货的主要原因在于突如其来的市场需求,加之物流的各个环节上都有不少人发烧生病,导致有库存却发不出去。其生产主要的难点则只在于组装环节,只要增加生产线数量就能实现产能扩增。不过,就像额温枪的需求带动了ADC芯片和MCU芯片的增长,结构更为复杂的血氧仪也将加速更多相关电子元器件库存的消化,虽然芯片用量并不算大,但或许能给下行周期的芯片市场带来一些喘息的机会 



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