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(guó)家“新十條”防疫政策的發(fā)布，動(dòng)態(tài)清零時(shí)代已成過(guò)去， 各地防疫全面放開(kāi)的情況下，各地新冠陽(yáng)性人員比例先后進(jìn)入高峰期， 其中大部分人員經(jīng)過(guò)感染和自然免疫的過(guò)程可以安全度過(guò)感染和痊愈的過(guò)程， 但對(duì)少部分有基礎(chǔ)疾病或免疫力低的人群，會(huì)有轉(zhuǎn)入重癥的可能，對(duì)重型病人的分型，國(guó)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(shí)指氧飽和度≤93%；

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

   高海拔（海拔超過(guò) 1000 米）地區(qū)應(yīng)根據(jù)以下公式對(duì) 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(shí) 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(guò) 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(shí)指氧飽和度≤93%；

 4. 輔助呼吸（鼻翼扇動(dòng)、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(duì)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(duì)于其它診療手段，指夾式血氧儀是家庭或個(gè)人更容易獲得的低成本檢測(cè)方式，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)身體狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)為重型的可能，為及早治療贏得時(shí)間。指夾式脈搏血氧儀在目前的形勢(shì)下獲得了越來(lái)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(hào)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(kāi)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(gè)頭部品牌指夾式血氧儀產(chǎn)品，憑借高性價(jià)比和較之傳統(tǒng)方案更高的測(cè)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(kāi)源資料，配套開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)文檔及工具，節(jié)省客戶的開(kāi)發(fā)和測(cè)試時(shí)間，產(chǎn)品上市周期大大縮短。與此同時(shí)泰矽微也可通過(guò)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(cè)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(jí)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(cè)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(dòng)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(dòng)的動(dòng)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。基于Beer-Lambert定律，紅光和紅外光描記波信號(hào)幅度的關(guān)聯(lián)進(jìn)一步形成動(dòng)脈氧飽和度。

臨床痛點(diǎn)

1.適用性

膚色漸變跨度為白色、黃色、黑色，不同膚色對(duì)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(duì)光的吸收量也不同，專業(yè)上用灌注度來(lái)表征。因此，血氧儀在設(shè)計(jì)上需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)光的強(qiáng)弱，以適應(yīng)不同灌注度，確保測(cè)量精度。這意味著在轉(zhuǎn)換光強(qiáng)度為數(shù)字信號(hào)時(shí)，MCU的采樣精度需要足夠高，且動(dòng)態(tài)范圍要足夠大，既能掃描全范圍的信號(hào)，又能準(zhǔn)確識(shí)別出信號(hào)的波動(dòng)特征。基于泰矽微TCAS24芯片的采樣信號(hào)，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(yùn)動(dòng)性能

目前絕大多數(shù)血氧儀在算法上主要分為兩種：時(shí)域和頻域。

基于時(shí)域的算法具有出值快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)高的優(yōu)勢(shì)，但是抗運(yùn)動(dòng)性能比較差，主要是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)干擾經(jīng)常會(huì)污染時(shí)域信號(hào)特征，導(dǎo)致生理信號(hào)被隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)干擾噪聲影響到準(zhǔn)確度。導(dǎo)致單純使用時(shí)域算法是無(wú)法在噪聲信號(hào)中提取有效的生理信號(hào)并計(jì)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(jì)算不準(zhǔn)確，甚至是無(wú)法輸出結(jié)果。

基于頻域的算法能夠很好的處理運(yùn)動(dòng)干擾對(duì)有效的生理信號(hào)的影響，但是需要通過(guò)一定的采集樣本才能實(shí)現(xiàn)，這樣就會(huì)導(dǎo)致出值慢，動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。

泰矽微方案采用了時(shí)域加頻域相結(jié)合的算法設(shè)計(jì)，結(jié)合當(dāng)前測(cè)試的脈率和PI值范圍動(dòng)態(tài)切換時(shí)域和頻域的處理，確保算法在動(dòng)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(guò)結(jié)合高精度信號(hào)鏈芯片和專利算法設(shè)計(jì)，有效的解決了臨床痛點(diǎn)，即可滿足不同膚色、不同粗細(xì)手指即不同灌注率下的測(cè)量，又能支持抗運(yùn)動(dòng)干擾，可以實(shí)現(xiàn)血氧脈搏的穩(wěn)定高精度測(cè)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(guò)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(guò)MCU控制發(fā)光序列和驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)，通過(guò)一對(duì)H橋切換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)紅光LED與紅外光LED的正反切換點(diǎn)亮

●   接收模塊：PD信號(hào)經(jīng)片上集成TIA  IV轉(zhuǎn)換將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)片上集成1級(jí)運(yùn)放處理后，送至MCU采樣。MCU內(nèi)含14位高精度SARADC實(shí)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(jì)框圖

軟件架構(gòu)

指夾血氧儀軟件架構(gòu)如圖所示，各個(gè)單元功能如下所示：

●   MCU主控：所有單元的運(yùn)行載體，通過(guò)中斷任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)各單元有序執(zhí)行

●   采樣處理單元：完成生理信號(hào)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(hào)的實(shí)時(shí)處理，并輸出測(cè)量結(jié)果

●   按鍵處理單元：響應(yīng)用戶觸發(fā)的按鍵消息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能

●   GUI顯示單元：提供參數(shù)顯示、功能設(shè)置、趨勢(shì)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(shì)

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(shì)：

●   弱灌注性能：0.1%，遠(yuǎn)優(yōu)于目前家用血氧儀性能

●   抗運(yùn)動(dòng)性能：獨(dú)有的抗運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，即使在運(yùn)動(dòng)情況下也能準(zhǔn)確識(shí)別生理信號(hào)

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

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

●   超低功耗：TCAS24的電源域設(shè)計(jì)有效降低了睡眠模式下的功耗，其獨(dú)有的Tinywork專利技術(shù)則可有效降低動(dòng)態(tài)功耗，延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。

來(lái)源：泰矽微