泰矽微发布高性能指夹式血氧仪参考方案

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， 各地防疫全面放开的情况下，各地新冠阳性人员比例先后进入高峰期， 其中大部分人员经过感染和自然免疫的过程可以安全度过感染和痊愈的过程， 但对少部分有基础疾病或免疫力低的人群，会有转入重症的可能，对重型病人的分型，国家卫健委《新型冠状病毒肺炎诊疗方案》的临床分型指导如下：

成人符合下列任何一条：

1. 出现气促，RR≥30 次/分;

2. 静息状态下，吸空气时指氧饱和度≤93%;

3.动脉血氧分压(PaO2)/吸氧浓度(FiO2)≤300mmHg (1mmHg=0.133kPa);

高海拔(海拔超过 1000 米)地区应根据以下公式对 PaO2/FiO2进行校正:

PaO2/FiO2×[760/大气压(mmHg)]。

4.临床症状进行性加重，肺部影像学显示 24～48 小时 内病灶明显进展>50%者。

儿童符合下列任何一条：

1. 持续高热超过 3 天;

2. 出现气促(<2 月龄，RR≥60 次/分;2～12 月龄，RR ≥50 次/分;1～5 岁，RR≥40 次/分;>5 岁，RR≥30 次/ 分)，除外发热和哭闹的影响;

3. 静息状态下，吸空气时指氧饱和度≤93%;

4. 辅助呼吸(鼻翼扇动、三凹征);

5. 出现嗜睡、惊厥;

6. 拒食或喂养困难，有脱水征。

对成人和儿童的分型指导，指氧饱和浓度都作为直接的判断依据，而且相对于其它诊疗手段，指夹式血氧仪是家庭或个人更容易获得的低成本检测方式，可以实时检测身体状况，及时发现转为重型的可能，为及早治疗赢得时间。指夹式脉搏血氧仪在目前的形势下获得了越来越多用户的关注，有些品牌的产品已经出现供不应求的情况。

上海泰矽微电子已成熟大规模量产的单芯片高性能专用信号链SoC TCAS24和高性能指夹式血氧仪参考方案助力血氧仪产品开发，为大众的生命健康贡献自己的一份力量。TCAS24已大规模应用于多个头部品牌指夹式血氧仪产品，凭借高性价比和较之传统方案更高的测量精度正在进入更多品牌厂商，交钥匙式参考方案提供包括所有的硬件和SDK开源资料，配套开发和生产文档及工具，节省客户的开发和测试时间，产品上市周期大大缩短。与此同时泰矽微也可通过第三方IDH提供完整方案或产品，形成芯片，解决方案和产品三维一体的全方位支持模式。

脉搏血氧仪测量原理

脉搏血氧仪使用可发射红光和红外光的低压发光二级管(LEDs)作为发光源。发射光穿透生理组织，然后由光电接收器件检测转换并发送到脉搏血氧的微处理器中。人体的静脉血、动脉血和其它生理组织的光吸收特性，如下图所示：

图1 组织光吸收特性

搏动的动脉血引起去氧血红蛋白(Hb)和含氧血氧蛋白(HbO2)的在吸收光路上的变化。由于Hb和HbO2的光吸收度不同，因此这种吸收变化在红光和红外光上进一步转换为体积描记波形。基于Beer-Lambert定律，红光和红外光描记波信号幅度的关联进一步形成动脉氧饱和度。

临床痛点

1.适用性

肤色渐变跨度为白色、黄色、黑色，不同肤色对光的吸收量不同，肤色越深，光吸收量就越大。同样的，不同粗细的手指对光的吸收量也不同，专业上用灌注度来表征。因此，血氧仪在设计上需要动态调节光的强弱，以适应不同灌注度，确保测量精度。这意味着在转换光强度为数字信号时，MCU的采样精度需要足够高，且动态范围要足够大，既能扫描全范围的信号，又能准确识别出信号的波动特征。基于泰矽微TCAS24芯片的采样信号，灌注性能可以下探到0.1%，远超目前主流家用产品的相应性能指标，可以很好的覆盖家用环境的应用。

2.抗运动性能

目前绝大多数血氧仪在算法上主要分为两种：时域和频域。

基于时域的算法具有出值快，动态响应高的优势，但是抗运动性能比较差，主要是因为运动干扰经常会污染时域信号特征，导致生理信号被随机的运动干扰噪声影响到准确度。导致单纯使用时域算法是无法在噪声信号中提取有效的生理信号并计算相关参数的，最终表现为血氧参数或脉率参数计算不准确，甚至是无法输出结果。

基于频域的算法能够很好的处理运动干扰对有效的生理信号的影响，但是需要通过一定的采集样本才能实现，这样就会导致出值慢，动态响应差。

泰矽微方案采用了时域加频域相结合的算法设计，结合当前测试的脉率和PI值范围动态切换时域和频域的处理，确保算法在动态响应和出值准确度方面达到最佳的权衡。

泰矽微通过结合高精度信号链芯片和专利算法设计，有效的解决了临床痛点，即可满足不同肤色、不同粗细手指即不同灌注率下的测量，又能支持抗运动干扰，可以实现血氧脉搏的稳定高精度测量。

图2 算法示意图

硬件架构

电源模块：电池采用2节AAA电池供电，经DCDC升压至3.6V，再通过1路LDO降压3.3V确保随电池电量降低后主控芯片供电电压的稳定

发光模块：发光部分通过MCU控制发光序列和驱动电压信号，通过一对H桥切换开关实现红光LED与红外光LED的正反切换点亮

接收模块：PD信号经片上集成TIA IV转换将微弱的电流信号转换为电压信号，经片上集成1级运放处理后，送至MCU采样。MCU内含14位高精度SARADC实现模数转换

显示模块：支持OLED显示屏和LED显示屏

图3 硬件设计框图

软件架构

指夹血氧仪软件架构如图所示，各个单元功能如下所示：

MCU主控：所有单元的运行载体，通过中断任务调度，实现各单元有序执行

采样处理单元：完成生理信号采样和噪声预处理，并输送给算法单元

血氧算法单元：完成生理信号的实时处理，并输出测量结果

按键处理单元：响应用户触发的按键消息，实现人机交互功能

GUI显示单元：提供参数显示、功能设置、趋势浏览等交互功能

图4 软件架构示意图

泰矽微方案优势

上海泰矽微指夹血氧仪解决方案(泰矽微TCAS24)，具备如下诸多优势：

弱灌注性能：0.1%，远优于目前家用血氧仪性能

抗运动性能：独有的抗运动设计，即使在运动情况下也能准确识别生理信号

高集成度：TCAS24集成了2路OPA、TIA、VDAC、PGA等信号链外设，软件配置即可实现各种信号链外设的内部电路组合，在降低了综合成本的同时，硬件也更加简洁，易开发

高精度SARADC：高精度的14 bit ADC性能确保了无论是在哪种肤色、测量部位下，都能准确无误的获取生理信号，确保了生理检测的准确性

超低功耗：TCAS24的电源域设计有效降低了睡眠模式下的功耗，其独有的Tinywork专利技术则可有效降低动态功耗，延长电池的使用时间。

关于泰矽微

上海泰矽微电子有限公司2019年成立于上海张江，专注于各类高性能芯片的研发，经过3年多的飞速发展，公司已形成覆盖汽车，医疗，工业及消费等多个领域的产品矩阵，并在相关芯片领域斩获众多奖项。公司分别于2021年5月和2022年12月分别通过ISO9001质量体系认证和ISO 26262流程认证，不断提升公司在产品、流程和质量等方面的管理水准，为客户提供高品质、高可靠性的芯片产品。公司聚集了一批顶尖的半导体专家，具有各类系统级复杂芯片的研发能力，所开发的芯片累计出货达数十亿颗。泰矽微致力于发展成为平台型芯片企业，目前已在信号链、电源管理、电池管理、人机交互等方向积累了大量核心技术和相关芯片产品。

审核编辑：汤梓红