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接棒额温枪!爆红的血氧仪将带火哪些芯片方案?

2020-05-06
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受全球疫情持续发酵影响,继额温枪、呼吸机等医疗产品之后,血氧仪的需求也出现了爆发式增长。由于血氧饱和度是本次新冠肺炎重要的诊断指标之一,所以可测量血氧饱和度的血氧仪的需求量将短期迎来3-5倍的增长。同时,也有业内人士分析认为,疫情之后,预计未来几年,医用血氧监测设备的需要依旧会大幅增长,增长率预计会维持在25%~30%之间。


血氧仪原理


一般来说,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小型指夹式血氧仪,直接夹在手指上几秒钟就可以检测出血氧数据。


血氧仪一般由一个微处理器、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或耳垂接触的小型探针中。其中,脉搏血氧仪一般还包括小型液晶显示器。


血氧仪

(图片来源:摄图网)


血氧仪主要测量指标分别为脉率、血氧饱和度、灌注指数(PI)。以小型指夹式血氧仪为例,其原理为:通过依次驱动一个红光LED(660nm)和一个红外光LED(910nm),蓝色线条表示血红蛋白不带氧分子的时候接收管对还原血红蛋白感应曲线,从曲线图中可以看下还原血红蛋白对660nm红光的吸收比较强,而对910nm红外光的吸收长度比较弱。红色线条表示血红蛋白并带有氧分子的血红细胞时接收管对氧合血红蛋白感应曲线,从图中可以看出对660nm红光的吸收比较弱,对910nm红外光的吸收比较强。


在血氧测量时,还原血红蛋白和有氧合血红蛋白,通过检测两种对不同波长的光吸收的区别,所测出来的数据差就是测量血氧饱和度最基本的数据。在血氧测试中660nm和910nm最常见的两个波长,实际上要做到更高的精度,除了两个波长以外还要增加,甚至高达8个波长,最主要的原因是人体血红蛋白除了还原血红蛋白和氧合血红蛋白之外,还有其他的血红蛋白,我们经常见的是碳氧血红蛋白,波长越多血氧仪精度就越高。


血氧仪芯片设计方案盘点


为了更好了解血氧仪市场,小编整理了市场上主流的血氧仪芯片设计方案,以飨读者(如有不足,欢迎补充)。


01
瑞萨电子



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。

瑞萨电子血氧仪解决方案

(图片来源:瑞萨电子官网)


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

(图片来源:瑞萨电子官网)



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


02
德州仪器


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。


德州仪器脉动式血氧计方案

(图片来源:德州仪器官网)



德州仪器脉动式血氧计方案特点:

1、集成的 LED 驱动器和光电二极管信号调节电路,可高度精确地检测光吸收,从而简化设计并有助于最终产品保持小巧外形。

2、高效电源管理解决方案,有助于延长电池使用时间,从而降低用户对电池进行更换或充电的频率。

3、低功耗微控制器,可处理传感器测量并计算氧饱和度和心率。


03
恩智浦



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。


恩智浦脉搏血氧仪

(图片来源:恩智浦官网)


恩智浦脉搏血氧仪配套器件

(图片来源:恩智浦官网)

04
ADI



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


ADI脉搏血氧仪设计方案

(图片来源:ADI官网)


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。 


脉搏血氧仪系统设计考虑和主要挑战 :


设计脉搏血氧仪系统时,需要解决多个难题,如低血流灌注、运动和皮肤湿度、杂散光干扰、碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白干扰等。


1、低血流灌注(小信号水平)。光电二极管测量需要宽动态范围和低噪声增益的信号调理,以便捕捉脉搏事件。发射和接收路径需要具 有高分辨率DAC的高质量、低噪声LED驱动电路和具有高分辨率ADC的高精度模拟前端电路。 


2、 运动和皮肤湿度。运动会引起伪像,这可以通过软件算法来解决,或者利用ADXL345等加速度计来检测并解决。


3、杂散光干扰。使用光电二极管来响应红光和红外光,它很容易受环境光干扰。因此,用于过滤出红光和红外光目标信号的算法非常 重要,这意味着信号处理更加复杂。这种情况下,需要使用具有更高信号处理能力的DSP。


4、碳氧血红蛋白和高铁血红蛋白。一氧化碳(CO)很容易与血红蛋白结合,使血液变得更像红色HbO2,导致测得的SpO2值虚高。血红素 基中的铁处于异常状态,无法携带氧(Fe+3而不是Fe+2),导致血红蛋白减少,SpO2读数虚低。使用更多波长可以提高精度,但这需要更高性能的数字处理DSP,处理时间至关重要。


05
瑞纳捷电子



瑞纳捷电子采用分时复用的工作方式驱动光电二极管,周期性点亮两个LED,来实现在同一条传输路径上检测两路光信号。为了得到两路独立的信号,同时采用与LED驱动脉冲同步的控制信号控制采用保持电路来实现信号的分离,分别得到红外和红光两路信号。LED驱动时序脉冲和采样保持电路切换时序脉冲都由RJM8L151的GPIO提供。


指夹式脉搏血氧仪方案

(图片来源:瑞纳捷电子微信公众号)


模拟信号处理单元完成对光电二级管采集信号的处理,包括信号转换、采样保持、放大、滤波和补偿等功能。由于光电二极管输出的信号是电流信号,先要转换成电压信号才能被后续电路处理。而且光电二极管工作在反向偏置状态,其结电阻较大,输出电流较小。所以要选用输入阻抗较高的运算放大器做为I/V转换的TIA。


电流-电压变换电路输出的是两种光分时复用的信号,要将两种光的信号分离就要用两路独立的采样保持电路,用RJM8L151的GPIO来控制和切换两路采样保持电路,并且要与LED驱动脉冲的控制脉冲同步。


由于分离出来的交流信号非常微弱,为了消除直流分量和高频干扰,电路中采用带通滤波器处理红光和红外信号。带通滤波器由高通和低通两部分组成,其中高通部分采用RC滤波网络来滤除直流分量,其截至频率设置为0。23Hz。低通部分采用二阶低通滤波电路,其截至频率为0。48Hz。


瑞纳捷电子推出了RJM8L151系列是超低功耗MCU,非常适用于电池供电的物联网终端设备。RJM8L151系列不仅具备出色的运行和待机功耗表现,还内置12位高精度逐次逼近型ADC和2通道的多功能比较器,对微弱信号传感器的高精度、实时检测极为有益。RJM8L151丰富的外围接口使扩展各种通信模块、功能模块更加方便。RJM8L151基于增强型哈佛架构的CPU内核和多级流水线指令系统,相同时钟频率的处理性能是传统8051的3倍,采用Keil uVision或IAR集成开发环境开发调试应用代码。


RJM8L151系列MCU的硬件框图
(图片来源:瑞纳捷电子微信公众号)


瑞纳捷电子指夹式血氧仪方案特点:

1、RJM8L151的正常工作电压范围是1。62V到5。5V,非常适合2节、3节干电池直接供电,省掉额外的LDO电路,另外RJM8L151低至0。5uA的待机电流,既能保持内部RTC的正常计时,又能保持SRAM数据不变,该性能可大大减小系统对电池容量尺寸的要求。

2、RJM8L151从低功耗状态唤醒小于5us,可以实现快速睡眠快速唤醒低占空比工作,这又极大的降低了系统功耗。

3、RJM8L151有4个时钟源:内部高速时钟、内部低速时钟、外部高速时钟和外部低速时钟。RJM8L151的时钟控制模块将这几个时钟源通过灵活的配置分频实现不同的功耗和性能需求。

3、模拟电路方面,RJM8L151有7通道12位逐次逼近型ADC,采样转换速率高达1MSPS,支持外部参考电压输入。

4、RJM8L151设计了丰富的定时模块,包括2个16位基本定时器,1个16位通用定时器支持输入捕获/输出比较/PWM输出功能。


06
英锐恩



模拟开关RS2105的作用主要是用来切换红光LED和红外线LED灯,它们分时复用并且调制有一定的频率。这就需要一颗运放芯片(比如RS321)配合单片机内部的DAC产生恒流输出的信号,因为若要LED灯恒流工作以获得比较稳定的波长,其发射电流通常需要达到几十毫安,所以要求模拟开关的导通电阻应≤1Ω,本方案使用的RS2105模拟开关其导通电阻为0。6Ω。

英锐恩家用指夹血氧仪原理图
(图片来源:英锐恩官网)

在光敏接收端,运放RS622用于实现光电转换,这就要求运放的输入偏置电流Ib是pA级别的,另外运放的带宽需要5MHz以上以满足快速反应,低噪声系列的运放能够更好的提高系统的分辨率。在电源拓扑上,一种是用两节干电池(3V)然后升压到5V再降压给系统各电路使用,另外一种带有锂电池,可以循环充电使用,低功耗LDORS3236均适合这两种拓扑系统。

07
ZLG立功科技



主控采用华大半导体的HC32L系列,芯片采用Cortex M0+内核,主频范围32~256K Flash,4~32K RAM,供电范围1.8~5.5V,深度休眠情况下电流仅仅只有0.5uA,更加可以延长电池使用寿命,因此非常适合便携式产品应用。


ZLG立功科技便捷式血氧仪监控方案

(图片来源:ZLG立功科技微信公众号)


蓝牙模块作为MCU与手机之间通讯的桥梁,把MCU采集的数据传送给手机等医疗设备,从而记录和分析数据。蓝牙模块采用低功耗、低成本和小尺寸的新一代BLE5。0透传模块。点阵LCD主要用于实时显示采集的数据。

BLE5.0透传模块

(图片来源:ZLG立功科技微信公众号)



BLE5。0透传模块介绍:

1、净荷数据传输速率最高可达94KB/s;

2、支持两种低功耗模式,在低功耗2模式下,平均电流仅为250nA;

3、支持BLE4.2的LE Secure Connections,防止未经授权的第三方设备窃听;

4、通过串口与MCU之间进行双向通信;

5、内部预设丰富AT指令集,操作简单,缩短用户开发周期,加快产品上市;

6、适用于智能家具、仪器仪表、健康医疗、运动计量、汽车电子等领域。


08
正久电子



正久电子血氧仪设计方案采用航顺芯片ARM Cortex™-M3的32位微处理器HK32F103C8T6,该处理器内置160MHz高速振荡器,20KB SRAM,64KB FLASH,多达37个可中断唤醒的IO口。丰富的外围接口,包括:两个IIC、两个高速SPI、三个USART、USB2.0 Full Speed接口、CAN 2.0A/B总线接口控制器。


正久电子血氧仪设计方案

(图片来源:正久电子微信公众号)


本方案中OLED通过I2C接口与主控HK32F103C8T6相连显示界面与各种数据。SPDI34通过高速SPI接口与主控HK32F103C8T6相连,主控单元读取SPDI34数据进行相关处理后在OLED上显示。蓝牙模块通过USART接口与主控HK32F103C8T6相连,主控处理后的相关血氧、脉率等数据可以通过蓝牙模块被手机、平板电脑等设备读取。



正久电子血氧仪方案特点:

1、 产品采用双色OLED显示,多种显示方式;

2、 一键测量;

3、 蓝牙数据传输;

4、 超低功耗,所配两节AAA电池可持续使用40小时以上;

5、 电池低压报警;

6、 自动关机:8秒无操作自动关机;

7、 体积小、重量轻、携带方便;


09
艾派克



艾派克自主研发的APM32F103系列MCU,具有低功耗、高性能、快速移植等特点,可帮助客户加快研发速度,提升产品性能,缓解血氧仪等医疗电子设备的供需压力。

采用最新版Arm® Cortex®-M3内核,最高工作频率96MHz,Flash高达512Kbytes,SRAM高达128Kbytes,内置FPU浮点运算单元,在信号速度与精度上具有强大运算处理能力,可在极短时间内读取、计算相应测量数据,并通过驱动液晶来显示血氧值。
艾派克血氧仪方案
(图片来源:艾派克微信公众号)

集成RTC、PWM、SDIO、EMMC(增强型外部存储控制器)以及I2S、高速SPI、主从I2C、USART、USB、CAN等数字外设和通信资源。优化升级后的USB2。0在系统时钟为96MHz时,可支持USB与CAN接同时使用,有利于实现血氧仪多样化的控制、通讯需求。

支持运行、待机、休眠三种超低功耗模式,待机功耗消耗电流在3uA内,可有效延长电池的使用寿命,实现持久待机;IO驱动能力高达25mA,满足血氧仪在功耗、可靠性上的性能需求。3个12位、1us转换时间的A/D转换器,12通道DMA控制器,多达112个快速I/O端口,可快速获取数据,提高血氧仪测量的灵敏度和精准度。


来源:芯师爷


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