泰矽微發(fā)布高性能指夾式血氧儀參考方案

隨著12月7日國家“新十條”防疫政策的發(fā)布，動態(tài)清零時代已成過去， 各地防疫全面放開的情況下，各地新冠陽性人員比例先后進(jìn)入高峰期， 其中大部分人員經(jīng)過感染和自然免疫的過程可以安全度過感染和痊愈的過程， 但對少部分有基礎(chǔ)疾病或免疫力低的人群，會有轉(zhuǎn)入重癥的可能，對重型病人的分型，國家衛(wèi)健委《新型冠狀病毒肺炎診療方案》的臨床分型指導(dǎo)如下：

成人符合下列任何一條：

1. 出現(xiàn)氣促，RR≥30 次/分;

2. 靜息狀態(tài)下，吸空氣時指氧飽和度≤93%;

3.動脈血氧分壓(PaO2)/吸氧濃度(FiO2)≤300mmHg (1mmHg=0.133kPa);

高海拔(海拔超過 1000 米)地區(qū)應(yīng)根據(jù)以下公式對 PaO2/FiO2進(jìn)行校正:

PaO2/FiO2×[760/大氣壓(mmHg)]。

4.臨床癥狀進(jìn)行性加重，肺部影像學(xué)顯示 24～48 小時 內(nèi)病灶明顯進(jìn)展>50%者。

兒童符合下列任何一條：

1. 持續(xù)高熱超過 3 天;

2. 出現(xiàn)氣促(<2 月齡，RR≥60 次/分;2～12 月齡，RR ≥50 次/分;1～5 歲，RR≥40 次/分;>5 歲，RR≥30 次/ 分)，除外發(fā)熱和哭鬧的影響;

3. 靜息狀態(tài)下，吸空氣時指氧飽和度≤93%;

4. 輔助呼吸(鼻翼扇動、三凹征);

5. 出現(xiàn)嗜睡、驚厥;

6. 拒食或喂養(yǎng)困難，有脫水征。

對成人和兒童的分型指導(dǎo)，指氧飽和濃度都作為直接的判斷依據(jù)，而且相對于其它診療手段，指夾式血氧儀是家庭或個人更容易獲得的低成本檢測方式，可以實時檢測身體狀況，及時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)為重型的可能，為及早治療贏得時間。指夾式脈搏血氧儀在目前的形勢下獲得了越來越多用戶的關(guān)注，有些品牌的產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)供不應(yīng)求的情況。

上海泰矽微電子已成熟大規(guī)模量產(chǎn)的單芯片高性能專用信號鏈SoC TCAS24和高性能指夾式血氧儀參考方案助力血氧儀產(chǎn)品開發(fā)，為大眾的生命健康貢獻(xiàn)自己的一份力量。TCAS24已大規(guī)模應(yīng)用于多個頭部品牌指夾式血氧儀產(chǎn)品，憑借高性價比和較之傳統(tǒng)方案更高的測量精度正在進(jìn)入更多品牌廠商，交鑰匙式參考方案提供包括所有的硬件和SDK開源資料，配套開發(fā)和生產(chǎn)文檔及工具，節(jié)省客戶的開發(fā)和測試時間，產(chǎn)品上市周期大大縮短。與此同時泰矽微也可通過第三方IDH提供完整方案或產(chǎn)品，形成芯片，解決方案和產(chǎn)品三維一體的全方位支持模式。

脈搏血氧儀測量原理

脈搏血氧儀使用可發(fā)射紅光和紅外光的低壓發(fā)光二級管(LEDs)作為發(fā)光源。發(fā)射光穿透生理組織，然后由光電接收器件檢測轉(zhuǎn)換并發(fā)送到脈搏血氧的微處理器中。人體的靜脈血、動脈血和其它生理組織的光吸收特性，如下圖所示：

圖1 組織光吸收特性

搏動的動脈血引起去氧血紅蛋白(Hb)和含氧血氧蛋白(HbO2)的在吸收光路上的變化。由于Hb和HbO2的光吸收度不同，因此這種吸收變化在紅光和紅外光上進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為體積描記波形?；贐eer-Lambert定律，紅光和紅外光描記波信號幅度的關(guān)聯(lián)進(jìn)一步形成動脈氧飽和度。

臨床痛點

1.適用性

膚色漸變跨度為白色、黃色、黑色，不同膚色對光的吸收量不同，膚色越深，光吸收量就越大。同樣的，不同粗細(xì)的手指對光的吸收量也不同，專業(yè)上用灌注度來表征。因此，血氧儀在設(shè)計上需要動態(tài)調(diào)節(jié)光的強弱，以適應(yīng)不同灌注度，確保測量精度。這意味著在轉(zhuǎn)換光強度為數(shù)字信號時，MCU的采樣精度需要足夠高，且動態(tài)范圍要足夠大，既能掃描全范圍的信號，又能準(zhǔn)確識別出信號的波動特征?；谔┪CAS24芯片的采樣信號，灌注性能可以下探到0.1%，遠(yuǎn)超目前主流家用產(chǎn)品的相應(yīng)性能指標(biāo)，可以很好的覆蓋家用環(huán)境的應(yīng)用。

2.抗運動性能

目前絕大多數(shù)血氧儀在算法上主要分為兩種：時域和頻域。

基于時域的算法具有出值快，動態(tài)響應(yīng)高的優(yōu)勢，但是抗運動性能比較差，主要是因為運動干擾經(jīng)常會污染時域信號特征，導(dǎo)致生理信號被隨機的運動干擾噪聲影響到準(zhǔn)確度。導(dǎo)致單純使用時域算法是無法在噪聲信號中提取有效的生理信號并計算相關(guān)參數(shù)的，最終表現(xiàn)為血氧參數(shù)或脈率參數(shù)計算不準(zhǔn)確，甚至是無法輸出結(jié)果。

基于頻域的算法能夠很好的處理運動干擾對有效的生理信號的影響，但是需要通過一定的采集樣本才能實現(xiàn)，這樣就會導(dǎo)致出值慢，動態(tài)響應(yīng)差。

泰矽微方案采用了時域加頻域相結(jié)合的算法設(shè)計，結(jié)合當(dāng)前測試的脈率和PI值范圍動態(tài)切換時域和頻域的處理，確保算法在動態(tài)響應(yīng)和出值準(zhǔn)確度方面達(dá)到最佳的權(quán)衡。

泰矽微通過結(jié)合高精度信號鏈芯片和專利算法設(shè)計，有效的解決了臨床痛點，即可滿足不同膚色、不同粗細(xì)手指即不同灌注率下的測量，又能支持抗運動干擾，可以實現(xiàn)血氧脈搏的穩(wěn)定高精度測量。

圖2 算法示意圖

硬件架構(gòu)

電源模塊：電池采用2節(jié)AAA電池供電，經(jīng)DCDC升壓至3.6V，再通過1路LDO降壓3.3V確保隨電池電量降低后主控芯片供電電壓的穩(wěn)定

發(fā)光模塊：發(fā)光部分通過MCU控制發(fā)光序列和驅(qū)動電壓信號，通過一對H橋切換開關(guān)實現(xiàn)紅光LED與紅外光LED的正反切換點亮

接收模塊：PD信號經(jīng)片上集成TIA IV轉(zhuǎn)換將微弱的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)片上集成1級運放處理后，送至MCU采樣。MCU內(nèi)含14位高精度SARADC實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換

顯示模塊：支持OLED顯示屏和LED顯示屏

圖3 硬件設(shè)計框圖

軟件架構(gòu)

指夾血氧儀軟件架構(gòu)如圖所示，各個單元功能如下所示：

MCU主控：所有單元的運行載體，通過中斷任務(wù)調(diào)度，實現(xiàn)各單元有序執(zhí)行

采樣處理單元：完成生理信號采樣和噪聲預(yù)處理，并輸送給算法單元

血氧算法單元：完成生理信號的實時處理，并輸出測量結(jié)果

按鍵處理單元：響應(yīng)用戶觸發(fā)的按鍵消息，實現(xiàn)人機交互功能

GUI顯示單元：提供參數(shù)顯示、功能設(shè)置、趨勢瀏覽等交互功能

圖4 軟件架構(gòu)示意圖

泰矽微方案優(yōu)勢

上海泰矽微指夾血氧儀解決方案(泰矽微TCAS24)，具備如下諸多優(yōu)勢：

弱灌注性能：0.1%，遠(yuǎn)優(yōu)于目前家用血氧儀性能

抗運動性能：獨有的抗運動設(shè)計，即使在運動情況下也能準(zhǔn)確識別生理信號

高集成度：TCAS24集成了2路OPA、TIA、VDAC、PGA等信號鏈外設(shè)，軟件配置即可實現(xiàn)各種信號鏈外設(shè)的內(nèi)部電路組合，在降低了綜合成本的同時，硬件也更加簡潔，易開發(fā)

高精度SARADC：高精度的14 bit ADC性能確保了無論是在哪種膚色、測量部位下，都能準(zhǔn)確無誤的獲取生理信號，確保了生理檢測的準(zhǔn)確性

超低功耗：TCAS24的電源域設(shè)計有效降低了睡眠模式下的功耗，其獨有的Tinywork專利技術(shù)則可有效降低動態(tài)功耗，延長電池的使用時間。

關(guān)于泰矽微

上海泰矽微電子有限公司2019年成立于上海張江，專注于各類高性能芯片的研發(fā)，經(jīng)過3年多的飛速發(fā)展，公司已形成覆蓋汽車，醫(yī)療，工業(yè)及消費等多個領(lǐng)域的產(chǎn)品矩陣，并在相關(guān)芯片領(lǐng)域斬獲眾多獎項。公司分別于2021年5月和2022年12月分別通過ISO9001質(zhì)量體系認(rèn)證和ISO 26262流程認(rèn)證，不斷提升公司在產(chǎn)品、流程和質(zhì)量等方面的管理水準(zhǔn)，為客戶提供高品質(zhì)、高可靠性的芯片產(chǎn)品。公司聚集了一批頂尖的半導(dǎo)體專家，具有各類系統(tǒng)級復(fù)雜芯片的研發(fā)能力，所開發(fā)的芯片累計出貨達(dá)數(shù)十億顆。泰矽微致力于發(fā)展成為平臺型芯片企業(yè)，目前已在信號鏈、電源管理、電池管理、人機交互等方向積累了大量核心技術(shù)和相關(guān)芯片產(chǎn)品。

審核編輯：湯梓紅