緊俏的血氧儀，為國產芯片“活血”

行業資訊|Industry News|

2023-02-01 08:40:47 574

自警惕“沉默性缺氧”刷屏以來，血氧儀持續受到廣泛關注。

??根據百度指數顯示，從2022年12月21日至2023年1月4日共15日期間，血氧儀的搜索熱度整體同比增長11936%，環比增長642%，線上電商渠道的血氧儀持續熱銷，市場需求的快速增長引來社會多個層面的關注。工信部此前表示，已組織北京、河北、江蘇、深圳等地加大指氧儀生產供應。

血氧儀原理和涉及的芯片

??血氧儀作為一種采用無創式紅外技術測量手指、腳趾、耳朵等位置血氧飽和度的醫療器械，血氧飽和度是臨床醫療上重要的基礎數據之一。*衛健委《新型冠狀病毒肺炎診療方案第九版》規定，血氧飽和度低于93%應該及時就醫。

??目前市面上存在的血氧儀有四種，分別為：指夾式血氧儀、掌式血氧儀、脈搏式血氧儀和手表式血氧儀。典型的血氧儀帶有兩個發光二極管，將其壓在病人的待測部位——通常是指尖或耳垂，一只二極管釋放波長為660納米的光束，另一只釋放905、910或者940納米。含氧的血紅蛋白對這兩種波長的吸收率與不含氧的差別很大，利用這個性質，可以計算出兩種血紅蛋白的比例。

圖片來源：廣東省醫療器械質量監督檢驗所

??家用血氧儀主要由一顆MCU控制芯片，配合光電二極管等外圍器件電路組成，實現信號采集、數據分析和結果顯示等功能。其中，帶有低功耗、高精度ADC等功能的MCU芯片是保證血氧儀精確度的核心器件。

??以指夾式血氧儀為例，一個血氧儀一般由MCU、存儲芯片 (EPROM與RAM) 、兩個控制LED的數模轉換器、對光電二極管接收的信號進行濾波與放大的器件、將接收信號數字化以提供給微處理器的模數轉換器等器件組成，LED與光電二極管放置在與患者指尖接觸的小型探針中。脈搏血氧儀，一般還會包括一個小型液晶顯示器。

?圖片來源：MindMotion

早期血氧儀芯片廠商

??在消費電子領域，血氧儀是一個相對比較狹窄的細分領域，市場也比較有限，芯片廠商自然也較少。以指夾式血氧儀芯片為例，主要是瑞薩、恩智浦、德州儀器、ADI等大廠的天下，他們有一定的技術實力將產品的核心算法和運用推動起來。

??比如，瑞薩電子血氧儀解決方案搭載了高集成度傳感器模塊OB1203、高精度模擬的RA2A1 MCU，針對手持式血氧儀的應用特點進行了優化，實現了性能與功耗之間的*平衡。瑞薩電子RA2A1 MCU為解決方案提供了一套完整的信號調理和測量仿真功能，它的模擬功能包括16位SAR ADC、24位Sigma-Delta ADC、比較器、運算放大器和DAC。該系統采用16位ADC、運算放大器和PWM相結合的鋰電池充電系統。

??瑞薩電子血氧儀解決方案搭載的高集成度傳感器OB1203是業界最小的光學生物傳感器模塊，具有用于反射性光容積描記的全集成生物傳感器，通過適當的算法可以確定心率、血氧飽和度（SpO2）、呼吸頻率和心率變異性。OB1203將光源和驅動器集成在一個單一的光學優化包中。主單片機RA2A1可以通過IIC通信直接獲取PPG數據。同時，該方案還提供了無手指接觸10秒后自動斷電的低功耗設計，配合RA2A1 MCU與生物傳感器模塊OB1203的低功耗特性，整個系統的功耗得到了進一步的優化。

??德州儀器脈動式血氧計方案的AC/DC適配器子系統將交流電源線轉換為隔離的穩壓直流輸出；傳感器前端子系統驅動紅色/IR led，并將光電二極管的輸入轉換為緩沖的、獲得的電壓信號，以便系統處理器對其進行處理。隨著2010年前后在各領域耕耘，ST作為血氧儀的主控，成了消費類8位單片機和32位單片機的*。

??恩智浦提供超低功耗MCU，支持LCD顯示器，適用于便攜式脈搏血氧儀，可跟蹤病人血液中的氧含量。這些器件提供了一種簡單的非侵入式方法，用于監測血液中氧飽和血紅蛋白百分比。LCD顯示屏上會顯示血氧飽和度及心率。脈搏血氧儀可以作為獨立的便攜式裝置，也可以作為大型病患監護系統的一部分。

??ADI公司為脈搏血氧儀設計提供種類齊全的高性能線性、混合信號、MEMS和數字信號處理技術。脈搏血氧儀包括發射路徑、接收路徑、顯示和背光、數據接口以及音頻報警。發射路徑包括紅光LED、紅外光LED和用于驅動LED的 DAC。接收路徑包括光電二極管傳感器、信號調理、模數轉換器和處理器。

圖片來源：ADI官網

晉級的國產血氧儀芯片

??隨著近期血氧儀的需求猛增，而ST等國外芯片因采購周期長無法滿足需求，并且單價普遍偏高，國內一些芯片廠商因而獲得了機會，如國民技術、芯海科技、中微半導體、泰矽微電子、矽力杰、航順、東軟載波等都逐漸被市場接受，成為血氧儀國產替代芯片的選擇。

??國產芯片廠商國民技術早在疫情初期就推出了基于N32 MCU的血氧儀、額溫槍等家用醫療設備解決方案，后續又根據需要及時推出了核酸檢測儀、心電圖儀、血糖儀等解決方案，為抗擊新冠疫情做出了貢獻。國民技術N32G031、N32G430、N32L406、N32G452、N32G455、N32G457等MCU，以及N32WB031藍牙芯片等在血氧儀、額溫槍、紅外測溫儀、核酸檢測儀、心電圖儀、血糖儀、血壓計等醫療健康設備中都有成功應用案例。

圖片來源：國民技術官網

??可孚旗下品牌氧立得指夾式脈搏血氧儀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系列芯片組成，還有其他一些重要元器件，所以具有實時的處理性能，能夠做到在3秒鐘左右就可顯示測試數據，另外高精度soc芯片實現了更高的續航里程并且有限降低了所需的電池成本。據了解，CS32F030集成RC Hybrid+Calibration架構的高性能ADC，通過芯海專利的誤差控制技術和測試手段，12位ADC的有效精度可達11bit。并且CS32F030在出廠前，100%經過110℃的高溫測試，確保產品的質量和高一致性，從而滿足醫療產品的精度和質量要求。

??矽力杰光感芯片SY3122-H2可測量全頻譜光。在血氧儀應用中，該器件會測量收到的紅光、紅外光的強度，轉換為不同頻率的方波輸出至處理器。處理器通過計算紅光及紅外光的AC分量、DC分量比值，搭配算法即可求得血氧飽和度，同時該AC分量的周期即為人體的心率值。

??2020年疫情之初，芯海科技即進入血氧儀應用領域。經過三年多的持續研發，芯海科技的系列化血氧儀應用方案，憑藉24位高精度ADC和灌注度處理的核心技術優勢，以及過硬的產品性能和質量，獲得相關的專業醫療認證，實現業內醫療品牌客戶的終端產品規模化商用，也受到消費者的廣泛認可和歡迎。目前，很多應用了芯海相關血氧儀應用方案的品牌客戶的終端產品，基本都能做到一次性通過相關醫療認證。

?圖片來源：芯海科技官網

??泰矽微聯合第三方設計公司藍瑞格共同推出高精度指夾血氧儀產品及方案，通過結合泰矽微高性能專用芯片和藍瑞格獨有的專利算法設計，可滿足不同膚色，不同粗細的手指測量，灌注性能PI優于0.1%，且能支持抗運動干擾。并且，泰矽微電子推出的血氧儀專用芯片TCAS24，單芯片集成高精度AFE和MCU，可提供完整的軟硬件參考設計及詳細應用文檔。

??晶華微的人體健康參數測量專用SoC芯片于2021年3月*實現量產，可單片應用于血壓計、血糖儀、血氧儀等醫療設備上，受2020年新冠疫情影響，其紅外測溫信號處理芯片量價齊升，目前已進入倍爾康、華盛昌、德國Braun以及中國臺灣Microlife等終端品牌廠商供應體系，已與樂心醫療、香山衡器及優利德等多家建立緊密的合作關系。

??近幾年來，航順HK32MCU作為國內優秀的半導體設計廠商，其自主研發的基于ARM? Cortex?-M0內核32位HK32F030M/0301M，以及HK32F030系列MCU做為主控，并聯合數十家采用航順主控生產血氧儀客戶共同開發了多款高精度指夾式血氧儀，市場需求異常火爆。此系列血氧儀產品部分達到II類醫療器械標準，并已取得醫療等級認證，包括電磁兼容報告、國內三證以及供出口的CE、FCC等歐美認證，并可持續供貨保障國內外客戶需求。

??圖片來源：航順官網

??截至2022年12月28日，*藥監局和各省藥監局已批準101個血氧儀產品上市。血氧儀芯片國產化率變得越來越高了，行業標桿的康泰、魚躍也開始在逐步引進國產芯片。

圖片來源：*藥品監督管理局官網

??當然我們也應該看到，目前國內血氧儀市場面臨產品同質化嚴重、監測精度達醫療級的產品較少、性價比不高等問題，亟需尋找破局之路。適用性、監測精度、運動性能、成本控制成為考察指夾血氧儀研發及生產企業的重要指標，這些都為國產的血氧儀芯片相關企業提出了挑戰和進步空間。隨著醫療電子領域市場的不斷培育，相關國產芯片廠商也會獲得越來越多的“活血”機會。

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