作為家用健康類的大眾產(chǎn)品，指夾血氧儀一直為廣大消費者所青睞。然而家用市場，一直對價格比較敏感，產(chǎn)品如何做到價美物廉，成為了各廠家永恒的主題。市場上絕大多數(shù)廠家，目光一直聚焦于成本，忽略了產(chǎn)品性能，導致市場上指夾血氧儀同質(zhì)化非常嚴重，盡管方案成本越來越低，但是質(zhì)量和性能指標無法達到客戶要求，因此市場占有率一直很低，無法和國內(nèi)外知名品牌同臺競技。
圖1
藍瑞格產(chǎn)品圖作為專業(yè)的血氧方案開發(fā)商藍瑞格(Narigmed)，在國外MCU芯片持續(xù)缺貨的背景下，目光轉(zhuǎn)向了國內(nèi)MCU廠家，在經(jīng)歷了非常謹慎的芯片選型后，終于找到了一款理想的信號鏈MCU芯片方案---泰矽微TCAS24。該款MCU芯片集成了多通道高速高精度SARADC、多路高性能OPA和TIA、CMP、2級低噪聲PGA以及IDAC、VDAC等高端信號鏈外設，既可以滿足性能需求，同時高集成度也減少了外圍電路器件數(shù)量，具備明顯的成本優(yōu)勢，可靠性方面也足以讓醫(yī)療類產(chǎn)品放心使用，包括6kV以上的ESD性能，全溫范圍內(nèi)可保證的各項性能指標等。和同類產(chǎn)品比，泰矽微TCA24系列信號鏈MCU集成度和性價比更高，其定位于工業(yè)及醫(yī)療類產(chǎn)品的可靠性也遠超定位于消費類電子產(chǎn)品的同類產(chǎn)品，是替代高端進口MCU的最佳選擇，可謂是價廉物美。
本文從如下維度概要介紹：基于泰矽微TCAS24芯片開發(fā)的血氧儀方案。
1.1 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2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一步轉(zhuǎn)換為體積描記波形。
基于Beer-Lambert定律，紅光和紅外光描記波信號幅度的關(guān)聯(lián)進一步形成動脈氧飽和度。
1.2 臨床痛點
臨床應用上，血氧測量主要存在兩大痛點：
? 適用性差：不同膚色或不同粗細的手指，容易出現(xiàn)無法測量或測量值異常的現(xiàn)象。
? 抗運動性能差：抗干擾能力比較弱，使用者測量部位稍微動一動，就容易出現(xiàn)血氧值或者脈率值偏差較大的現(xiàn)象。
通過結(jié)合泰矽微高精度芯片和藍瑞格獨有的專利算法設計，有效的解決了臨床痛點，即可滿足不同膚色、不同粗細手指的測量，又能支持抗運動干擾，完美的契合了市場需求。
1.2.1 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，不同粗細的手指對光的吸收量也不同。因此，血氧儀在設計上需要動態(tài)調(diào)節(jié)光的強弱，以滿足不同光強的需求。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，既能掃描全范圍的信號，又能準確識別出信號的波動特征。盡管泰矽微TCAS24芯片的SARADC位數(shù)標稱為12位，但其實際有效精度可以達到11位以上，有效的滿足了采樣精度的需求。經(jīng)評測，基于泰矽微TCAS24芯片的采樣信號，灌注性能可以做到0.1%，達到了院內(nèi)醫(yī)用級別的標準，遠超目前主流家用產(chǎn)品的相應性能指標，可以很好的覆蓋家用環(huán)境的應用。
1.2.2 運動性能
絕大多數(shù)血氧開發(fā)商采用傳統(tǒng)血氧技術(shù)，即時域方法實現(xiàn)血氧參數(shù)計算。然而運動干擾經(jīng)常會污染時域信號特征，導致生理信號被干擾噪聲淹沒。經(jīng)典的時域算法是無法在噪聲信號中提取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)計算不準確，甚至是無法輸出結(jié)果。
藍瑞格方案采用了多路并行算法的設計，每一路算法都具備其特有的信號特征，通過對每路算法的綜合分析決策，最終輸出有效的生理參數(shù)。
圖3 并行算法示意圖
1.3 方案概述
不管血氧測量的承載方式如何變化，其測量基本原理是不會變化的，因此從測量系統(tǒng)維度來看，血氧測量系統(tǒng)至少包含了發(fā)光單元、光電轉(zhuǎn)換單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元、驅(qū)動調(diào)節(jié)單元、算法處理單元、數(shù)據(jù)通訊單元、以及配合人機交互的顯示單元和其它單元等。
發(fā)光單元交替發(fā)射紅光和紅外光，并照射生理組織；光電轉(zhuǎn)換單元接收透射過生理組織的紅光和紅外觀信息，并轉(zhuǎn)換為模擬電流；A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換單元則把模擬電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；同時驅(qū)動調(diào)節(jié)單元根據(jù)數(shù)字信號反饋的信息，對發(fā)光單元進行反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)發(fā)光驅(qū)動電流的自適應調(diào)整；算法處理單元在接收到數(shù)字信號后，進一步對數(shù)字信號進行處理，提煉并計算得到血氧相關(guān)的參數(shù)；通訊單元則把算法處理單元計算得到的參數(shù)信息發(fā)送到顯示單元中；顯示單元和其他單元則對接收到的參數(shù)信息進入深入的加工處理，如在交互界面顯示參數(shù)數(shù)值、波形數(shù)據(jù)、趨勢圖等。其中驅(qū)動調(diào)節(jié)單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換單元構(gòu)成了采樣系統(tǒng)閉環(huán)。
1.3.1 硬件架構(gòu)
? 電源設計：電池采用2節(jié)AAA電池供電，經(jīng)DCDC升壓至3.6V，再通過2路LDO降壓至3.3V確保隨電池電量降低后主板供電電壓的穩(wěn)定
? 發(fā)光設計：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P-N切換開關(guān)實現(xiàn)LED與PD的正反切換點亮
? 接收設計：PD信號經(jīng)IV變換和2級運放，送至MCU采樣。MCU內(nèi)含12位ADC實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換
? 顯示設計：支持OLED顯示屏和LED顯示屏
1.3.2 軟件架構(gòu)
圖6軟件架構(gòu)示意圖
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，并輸出參數(shù)結(jié)果
? 按鍵處理單元；響應用戶觸發(fā)的按鍵消息，實現(xiàn)各種功能
? GUI顯示單元：提供參數(shù)顯示、功能設置、趨勢瀏覽等交互功能
1.4 方案優(yōu)勢
結(jié)合藍瑞格獨有專利算法的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%，超越業(yè)內(nèi)絕大多數(shù)家用健康制造商，達到了院內(nèi)醫(yī)療的級別
? 抗運動性能：獨有的抗運動設計，即使在運動情況下也能準確識別生理信號
? 高集成度：TCAS24集成了3路OPA、TIA、VDAC、PGA等信號鏈外設，軟件配置即可實現(xiàn)各種信號鏈外設的內(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ADC性能確保了無論是在哪種膚色、測量部位下，都能準確無誤的獲取生理信號，確保了生理檢測的準確性
? 超低功耗：TCAS24的電源域設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，靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗的優(yōu)勢結(jié)合造就了藍瑞格血樣產(chǎn)品的低功耗特性。
1.5 市場動態(tài)
作為疫情明星產(chǎn)品，指夾血氧儀在國外市場非?；鸨Ｗ鳛橛蠧E、FDA等證書的國內(nèi)企業(yè)，諸如科瑞康(樂普)、康泰、超思、京柏等，2020年年平均銷售量達到500萬只/每家。而市場上無證經(jīng)營的廠家出貨量更是達到了1000萬只的級別?？梢哉f指夾血氧儀的市場需求量非常大。
盡管指夾血氧儀的銷量受到疫情影響，市場需求量有所波動；但是指夾血氧儀屬于家用類產(chǎn)品，和院內(nèi)醫(yī)用市場差別很大。通常院內(nèi)醫(yī)用產(chǎn)品的使用周期可以長到5~10年，產(chǎn)品的消化周期非常長?？梢钥吹皆?020年絕大多數(shù)的院內(nèi)醫(yī)療儀器制造商的產(chǎn)品銷量都出現(xiàn)了多倍遞增，而在2021年時，產(chǎn)品銷量則表現(xiàn)出了大幅度的回落，這就是消化周期較長的原因?qū)е隆Ｗ鳛榧矣冕t(yī)療產(chǎn)品的指夾血氧儀，其本身售價不高，任何一個家庭都可以負擔的起，其消化周期相對比較短。在2020年出現(xiàn)的指夾血氧儀的銷量暴增情況，并沒有影響到2021年的銷售。2021年的4月中旬至6月中旬，以及7月中旬至當下，指夾血氧儀的銷量都出現(xiàn)了大幅度的增長。按照以往傳統(tǒng)年份來看，通常每年9月份至來年春節(jié)前，都是指夾血氧儀的銷售旺季。因此，有理由相信，2021年的指夾血氧儀銷售量也會有不錯的業(yè)績表現(xiàn)。
縱觀這兩年的疫情發(fā)展趨勢，可以得出共識：短期內(nèi)疫情不會結(jié)束，將會伴隨人類終身。由此可知，指夾血氧儀的市場需求將會持續(xù)性存在，且經(jīng)過這些年的市場培育(疫情導向)，指夾血氧儀的應用需求將會變得像血壓計一樣普遍。
盡管市場上指夾血氧儀的制造商很多，真正能夠為客戶帶來品質(zhì)的制造商寥寥無幾。中國已經(jīng)處于人口老齡化階段，人口紅利已經(jīng)逐漸消失殆盡，傳統(tǒng)的勞動密集型模式正在喪失其賴以生存的土壤。
正如政府這些年一直所提倡的科技轉(zhuǎn)型，具備一定技術(shù)門檻的產(chǎn)品才能夠在這個時代的變遷中生存并壯大。如同名噪一時的深圳華強北的山寨手機市場一樣，純粹追求最低成本而不顧品質(zhì)的產(chǎn)品會默默的消失殆盡，而始終追求品質(zhì)、為客戶帶來最優(yōu)性價比的產(chǎn)品終將勝出。
結(jié)合藍瑞格獨有專利算法的指夾血氧儀解決方案(泰矽微TCAS24)，不僅在性能上超越了絕大多數(shù)競爭對手，同時在綜合成本上具有獨有的優(yōu)勢，是血氧儀產(chǎn)品的最佳方案搭配。
