紧俏的血氧仪，为国产芯片“活血”

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2023-02-01 08:40:47 624

自警惕“沉默性缺氧”刷屏以来，血氧仪持续受到广泛关注。

??根据百度指数显示，从2022年12月21日至2023年1月4日共15日期间，血氧仪的搜索热度整体同比增长11936%，环比增长642%，线上电商渠道的血氧仪持续热销，市场需求的快速增长引来社会多个层面的关注。工信部此前表示，已组织北京、河北、江苏、深圳等地加大指氧仪生产供应。

血氧仪原理和涉及的芯片

??血氧仪作为一种采用无创式红外技术测量手指、脚趾、耳朵等位置血氧饱和度的医疗器械，血氧饱和度是临床医疗上重要的基础数据之一。 .卫健委《新型冠状病毒肺炎诊疗方案第九版》规定，血氧饱和度低于93%应该及时就医。

??目前市面上存在的血氧仪有四种，分别为：指夹式血氧仪、掌式血氧仪、脉搏式血氧仪和手表式血氧仪。典型的血氧仪带有两个发光二极管，将其压在病人的待测部位——通常是指尖或耳垂，一只二极管释放波长为660纳米的光束，另一只释放905、910或者940纳米。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。

图片来源：广东省医疗器械质量监督检验所

??家用血氧仪主要由一颗MCU控制芯片，配合光电二极管等外围器件电路组成，实现信号采集、数据分析和结果显示等功能。其中，带有低功耗、高精度ADC等功能的MCU芯片是保证血氧仪精确度的核心器件。

??以指夹式血氧仪为例，一个血氧仪一般由MCU、存储芯片 (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微处理器的模数转换器等器件组成，LED与光电二极管放置在与患者指尖接触的小型探针中。脉搏血氧仪，一般还会包括一个小型液晶显示器。

?图片来源：MindMotion

早期血氧仪芯片厂商

??在消费电子领域，血氧仪是一个相对比较狭窄的细分领域，市场也比较有限，芯片厂商自然也较少。以指夹式血氧仪芯片为例，主要是瑞萨、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。

??比如，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 .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。

??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。

??德州仪器脉动式血氧计方案的AC/DC适配器子系统将交流电源线转换为隔离的稳压直流输出；传感器前端子系统驱动红色/IR led，并将光电二极管的输入转换为缓冲的、获得的电压信号，以便系统处理器对其进行处理。随着2010年前后在各领域耕耘，ST作为血氧仪的主控，成了消费类8位单片机和32位单片机的 .。

??恩智浦提供超低功耗MCU，支持LCD显示器，适用于便携式脉搏血氧仪，可跟踪病人血液中的氧含量。这些器件提供了一种简单的非侵入式方法，用于监测血液中氧饱和血红蛋白百分比。LCD显示屏上会显示血氧饱和度及心率。脉搏血氧仪可以作为独立的便携式装置，也可以作为大型病患监护系统的一部分。

??ADI公司为脉搏血氧仪设计提供种类齐全的高性能线性、混合信号、MEMS和数字信号处理技术。脉搏血氧仪包括发射路径、接收路径、显示和背光、数据接口以及音频报警。发射路径包括红光LED、红外光LED和用于驱动LED的 DAC。接收路径包括光电二极管传感器、信号调理、模数转换器和处理器。

图片来源：ADI官网

晋级的国产血氧仪芯片

??随着近期血氧仪的需求猛增，而ST等国外芯片因采购周期长无法满足需求，并且单价普遍偏高，国内一些芯片厂商因而获得了机会，如国民技术、芯海科技、中微半导体、泰矽微电子、矽力杰、航顺、东软载波等都逐渐被市场接受，成为血氧仪国产替代芯片的选择。

??国产芯片厂商国民技术早在疫情初期就推出了基于N32 MCU的血氧仪、额温枪等家用医疗设备解决方案，后续又根据需要及时推出了核酸检测仪、心电图仪、血糖仪等解决方案，为抗击新冠疫情做出了贡献。国民技术N32G031、N32G430、N32L406、N32G452、N32G455、N32G457等MCU，以及N32WB031蓝牙芯片等在血氧仪、额温枪、红外测温仪、核酸检测仪、心电图仪、血糖仪、血压计等医疗健康设备中都有成功应用案例。

图片来源：国民技术官网

??可孚旗下品牌氧立得指夹式脉搏血氧仪OXH78主控芯片部分，是由高性能的芯海科技CS32F030C8T6系列芯片以及高精度CSU18M92系列芯片组成，还有其他一些重要元器件，所以具有实时的处理性能，能够做到在3秒钟左右就可显示测试数据，另外高精度soc芯片实现了更高的续航里程并且有限降低了所需的电池成本。据了解，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。

??矽力杰光感芯片SY3122-H2可测量全频谱光。在血氧仪应用中，该器件会测量收到的红光、红外光的强度，转换为不同频率的方波输出至处理器。处理器通过计算红光及红外光的AC分量、DC分量比值，搭配算法即可求得血氧饱和度，同时该AC分量的周期即为人体的心率值。

??2020年疫情之初，芯海科技即进入血氧仪应用领域。经过三年多的持续研发，芯海科技的系列化血氧仪应用方案，凭藉24位高精度ADC和灌注度处理的核心技术优势，以及过硬的产品性能和质量，获得相关的专业医疗认证，实现业内医疗品牌客户的终端产品规模化商用，也受到消费者的广泛认可和欢迎。目前，很多应用了芯海相关血氧仪应用方案的品牌客户的终端产品，基本都能做到一次性通过相关医疗认证。

?图片来源：芯海科技官网

??泰矽微联合第三方设计公司蓝瑞格共同推出高精度指夹血氧仪产品及方案，通过结合泰矽微高性能专用芯片和蓝瑞格独有的专利算法设计，可满足不同肤色，不同粗细的手指测量，灌注性能PI优于0.1%，且能支持抗运动干扰。并且，泰矽微电子推出的血氧仪专用芯片TCAS24，单芯片集成高精度AFE和MCU，可提供完整的软硬件参考设计及详细应用文档。

??晶华微的人体健康参数测量专用SoC芯片于2021年3月 .实现量产，可单片应用于血压计、血糖仪、血氧仪等医疗设备上，受2020年新冠疫情影响，其红外测温信号处理芯片量价齐升，目前已进入倍尔康、华盛昌、德国Braun以及中国台湾Microlife等终端品牌厂商供应体系，已与乐心医疗、香山衡器及优利德等多家建立紧密的合作关系。

??近几年来，航顺HK32MCU作为国内优秀的半导体设计厂商，其自主研发的基于ARM? Cortex?-M0内核32位HK32F030M/0301M，以及HK32F030系列MCU做为主控，并联合数十家采用航顺主控生产血氧仪客户共同开发了多款高精度指夹式血氧仪，市场需求异常火爆。此系列血氧仪产品部分达到II类医疗器械标准，并已取得医疗等级认证，包括电磁兼容报告、国内三证以及供出口的CE、FCC等欧美认证，并可持续供货保障国内外客户需求。

??图片来源：航顺官网

??截至2022年12月28日， .药监局和各省药监局已批准101个血氧仪产品上市。血氧仪芯片国产化率变得越来越高了，行业标杆的康泰、鱼跃也开始在逐步引进国产芯片。

图片来源： .药品监督管理局官网

??当然我们也应该看到，目前国内血氧仪市场面临产品同质化严重、监测精度达医疗级的产品较少、性价比不高等问题，亟需寻找破局之路。适用性、监测精度、运动性能、成本控制成为考察指夹血氧仪研发及生产企业的重要指标，这些都为国产的血氧仪芯片相关企业提出了挑战和进步空间。随着医疗电子领域市场的不断培育，相关国产芯片厂商也会获得越来越多的“活血”机会。

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