比额温枪更火的血氧仪，你想知道的都在这了…

电子发烧友网报道（文/程文智，周凯扬） 2020年是一个特别的年份，一场让全人类措手不及的新冠疫情，几乎打乱了所有人和所有企业的原有计划。疫情之下， 额温枪、血氧仪、血压计、监护仪、呼吸机等产品的需求出现了爆发式的增长。
 
特别是疫情之初，额温枪还出现了一天一个价格的现象，即使是这样也有很多人拿不到货。现在情况已经好转，国内的产品需求基本趋于平稳，但海外的疫情却不容乐观。据美国约翰斯·霍普金斯大学统计，截至美国东部时间8日15时30分（北京时间9日3时30分），全球确诊病例达1500830例，死亡病例为87706例。
 

 
而血氧饱和浓度是本次新冠病毒的重要诊断指标之一，因此血氧仪的需求也跟着成倍放大。据ADI中国区医疗行业市场总监彭智峰介绍，血氧仪可分为两类，一类是医院内使用的院内设备，一般会集成在生命体征监护仪上，通过血氧探头，获取血氧数据；另一类是医院外使用的指夹式血氧仪。
 
从他的目前接触的信息来看，院内使用的生命体征监护仪设备的需求量也增加了很多，跟正常年份相比，保守估计有3~5倍的增长。
 
彭智峰认为这个爆炸性需求只是短暂的，根据疫情的变化，逐渐会回落下来。不过即便以后回落，各个国家也会吸取此次疫情的教训，在疫情后，应该会加强传染病医院的建设，预计未来几年，医用监测设备的增长率应该会维持在25%~30%之间。
 
院内设备的门槛高，需要经过国家药品监督管理局的严格认证才能进入，家庭用的指夹式血氧仪虽然也需要通过国家药品监督管理局相关认证，但精度和认证难度相对要简单一些。
 
华大半导体MCU市场部经理梁少峰表示，在疫情期间，很多方舱医院、集中观察点等临时性机构使用的也是指夹式血氧仪，这类血氧仪都是基于电池供电的。因此，对器件的功耗有很高的要求，必须是低功耗的产品才行。
 
他对<电子发烧友网>表示，“我们的HC32L系列超低功耗MCU全线满足从血氧仪到额温枪的各种防疫设备的生产。其中大容量产品还可以支持无线连网版的生产。”
 
梁少峰还特别指出，康泰等使用华大MCU的血氧仪产品已经通过了检测和认证，并进入了量产。
 
而且他还透露，目前用于血氧仪的MCU产品需求量上升非常快，几乎是十几倍地在增长。
 
梁少峰对<电子发烧友网>表示，“我们原来医疗产品的出货只占公司销售额的一小部分，现在几乎全部都是医疗产品在出货。前期是国内需求为主，中间有一周左右的停顿，现在海外需求纷至沓来。”
 
他表示，他们的产品主要还是出给国内企业，然后生产成整机产品出口。他承认，现在国家规范了防疫物资的出口，业务开始走向平稳有序。“现在我们的医疗产品月出货量在10KK左右。”他说。
 
来自国内的另一家MCU厂商航顺，最近也推出了他们的血氧仪解决方案，据航顺的刘吉平介绍，航顺的MCU有一大特色，那就是跟ST的MCU产品不仅硬件上是管脚兼容的，软件上也是兼容的，因此，很多使用ST的MCU方案客户，可以直接使用航顺的MCU来替代。
 
虽然他们推出方案的时间不长，但由于需求变大，ST可能一时无法满足客户的大量需求，航顺的MCU就有了市场需求。据刘吉平透露，他们已经出了20KK的货了。
 
在血氧仪传感器方面，可天士电子（上海）有限公司董事长兰长学表示，血氧仪对传感器的要求颇高，发光侧波长的一致性一定要很高，才能保证测量结果的准确性和可重复性。他表示，对于疫情期间的爆炸性需求，他们无法一一满足，只能优先保证稳定的老客户的需求。
 
不过TE传感器事业部的Peter Li表示，TE目前仍然可以满足相关的需求，而且会尽全力满足这类暂时性的暴涨需求。其SpO2血氧传感元件精度高，红光LED波长公差可达660 nm±2 nm。他解释说，这种精度是由专有的发射器，光谱匹配一个检测器来实现的。
 
SpO2血氧传感元件专有的发射器可提供专有的三种不同的红外LED波长可选：880 nm，905 nm和940 nm。“无需对尺寸和低功耗妥协，我们的双驱动发射器整合了两个不同的LED波长（红光和红外）。可灵活地满足客户需求。”他对<电子发烧友网>表示。
 

同为抗疫医疗设备的血氧仪，在原理和方案上有何异同？

 
那么血氧仪的工作原理是什么？常规的血氧仪设计方案又有哪些呢？
 
血氧仪的原理
 
血氧仪是针对对血氧饱和度（SpO2）的无创测量仪器。氧气饱和度定义为溶解在血液中的氧气含量，主要是对血红蛋白（HbO2）和脱氧血红蛋白（Hb）的探测。两种不同波长的光用于测量这两者在吸收光谱上的差异。血流会被两者的浓度影响，而它们的吸收系数可以通过红光光谱和红外光谱测量。HbO2和Hb对不同波长的光线吸收程度不一。脱氧血红蛋白对红光吸收强，而血红蛋白对红外光线吸收强。

不同波长下 HbO2 与 Hb 的消光系数差异 / NXP Semiconductors

 
由上图可以看出，两种血红蛋白在特定波长下的消光系数相差很大，所以一般的血氧仪中，红光波长一般在660nm，而红外光波长一般在940nm。
 
Microchip：AN1525

AN1525 设计原理图 / Microchip Technology

 
该设计包含了红色LED，红外LED以及光电二极管组成的血氧饱和度传感电路，再加上LED驱动电路。红光和红外光透射手指后，被信号处理电路检测到，之后再传入单片机的12位ADC模块，进一步算出血氧饱和度的百分比。
 
在内置dsPIC的帮助下，数字FIR带通滤波器可以过滤ADC数据，得到的过滤数据则用于计算脉冲幅度。
 
通过UART接口，测得的血氧饱和度与脉率可以传输给电脑，WiFi或蓝牙。

MAX30102

MAX30102 设计原理图 / Maxim Integrated

 
MAX30102集成了脉搏血氧仪和心率监控的生物传感器，不仅有多个LED，光电检测器，还带有抑制环境光的低噪声电路，采用了I2C的传输协议。
 
我们从上图可以看出，MAX30102选取的红外光波长为880nm，这个波长下和940nm的差异不大，也是常用的血氧仪波长之一。
 
而其中的环境光抑制（ALC）则由连续时间的Sigma-Delta ADC和一个专用离散时间滤波器组成。ALC内部有一个跟踪/保持电路抑制环境光，从而提高有效的动态测量范围。
 
而血氧饱和度的采样速率也可以通过编程控制，范围在50到3200sps。LED的脉冲宽度也可以在69μs到411μs编程控制，从而根据用例让算法优化血氧饱和度的测量精度和总体功耗。
 
MAX30102也适用于可穿戴设备的场景，低功耗的心率监控（<1mW），而且通过软件关断模块，可以实现零待机电流。
 
TI：TIDA-010029

TIDA-010029 设计原理图 / Texas Instruments

TI的TIDA-010029是一款兼容蓝牙BLE 4.2和5.0的血氧仪设计。可以提供为心率和血氧饱和度测量提供原始测量数据，并通过I2C或SPI通信。
 
该设计采用了AFE4420的模拟前端用于生物测量，采用了光电容积脉搏波描记法进行测量。不仅支持4个LED灯和4个光电二极管，同样配备了环境光抑制提高信噪比（SNR）。
 
TIDA-010029由CR3032（纽扣电池）供电，电池寿命长达30天。而且内置低电量检测算法，从而减少了额外的外部组件。
 
从以上方案看来，这几家大厂的血氧仪的测试原理都大致相同，都是采用红光，红外光LED和光电二极管等光敏元件，对指端和耳垂进行透射测量。区别之处在于信号处理和滤波，功耗，至于数据传输都或多或少采用了蓝牙或WiFi的传输方案，以适应智能穿戴产品。
 
而消除误差也是血氧仪精密测量的关键要素之一，手指的移动和血液的流动都会产生一定的干扰分量。如何消除这些误差就看工程师对光电数据转换的考量了。同样，模数转换上的时延也会限制血氧仪的应用场景。
 
如今市面上消费类的血氧仪更注重于智能穿戴和专业健身的扩展性，而专业医疗血氧仪更倾向于高精度测量，数据监控与预警。