基于蓝牙传输的脉搏血氧饱和度监测系统设计

基于蓝牙传输的脉搏血氧饱和度监测系统设计 曹 辉 何 波 （中国海洋大学信息学院电子系，山东青岛，266100） 来源：微计算机信息 摘 要： 血氧饱和度的测量在临床和日常保健中有重大意义。系统是以AT89C51单片机为核 心控制的测量仪,实现了使用光传感器采集红光和红外光透过动脉血管后产生的信号电路以 及相关的测量电路,并利用单片机控制蓝牙模块，采用基于HCI层的单片机对蓝牙模块的控制 方式，实现了与PC机的通信。本文把血氧饱和度系统和蓝牙技术结合起来，克服了使用 传统的有线系统及病人不能自由活动的缺点，给病人带来了行动上的便利,也给家庭监护、 远程医疗等创造了条件。 关键词：血氧饱和度；脉搏；光电传感器；蓝牙技术；HCI 中图分类号：TP274 文献标识码：B 基金资助：山东省中青年科学家科研基金（2005 BS01009） 教育部留学归国基金（教留司 2005-383） Design of the Pulse Oxygen Saturation in BloodMeasuring Instrument Based on Bluetooth transmission Cao Hui He Bo (Ocean University of China, Information College, Electronic Department, Qingdao, Shandong, 266100) Abstract: The measurement of oxygen saturation in blood has great significance in clinical and daily health care. The system is a measurement instrument that takes AT89C51 as the core control. In hardware, it fulfils the signal circuits and the related measurement circuits by using photosensor to collect red light and infrared ray passing through arterial vessel. And based on the Host-Host controller module ,it fulfils the communication with personal computer via HCI. The primary aim of this system is to monitor the health of the patient using Bluetooth wireless technology with respect to specific parameters such as SaO2. This overcomes one of the drawbacks of the current system ,which is not suitable for an ambulatory patient since the patient is wired into the system. It brings convenience to the patients ,and creats condition for family health monitoring and long range medical treatment. Keyword: oxygen saturation; pulse; photo sensor; bluetooth technology; HCI 血氧饱和度（SaO2）是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占全部可结合的血红 蛋白容量的百分比。血氧饱和度的测量，在临床上得到了广泛的应用。对于某些重症病人或 者手术中、手术后的病人进行血氧监测也是必不可少的[1]。传统的血氧监测系统采用导线连 接,卧床监护,给病人带来很大的不便,已经越来越不能适应当今多元化、信息化和个性化的 医疗监护需求。医疗监护产品的总体发展趋势是模块化、多参数监护、便携式、使用方便、 实时信号处理和网络化。 将采集到的血氧饱和度信号进行传输，以往通过有线方式获取,监测仪器笨重复杂、不 便携带,使用十分不便。采用常规无线电方式,虽然可以廉价、可靠的获得采样数据,但由于 占用特定频带,必须要依法进行信道申报和功率控制,由于无线电终端会相互干扰而且无法 简单地实现多组同时采样,因而不能满足复杂分析对数据的需要。蓝牙技术可以有效解决这 些问题。蓝牙是一种短距离无线通信技术,工作频带为全球统一开放的2.4GHz工业、科学和 医学(ISM)频段,采用GFSK跳频和时分双工(TDD)技术,通信距离为10～100m左右。蓝牙技术具 有低成本、低功耗、高速率、抗干扰和接口灵活、方便等特点,近年来发展迅速,给医疗监护 产品的升级换代提供了技术支持[2]。 本文提出的遥测血氧监测系统采用蓝牙技术进行血氧饱和度信号的无线传输,给病人带 来了行动上的便利,也给家庭监护、远程医疗等创造了条件[3]。 1 脉搏血氧饱和度测量系统设计 1.1脉搏血氧测量原理和方法 脉搏血氧饱和度测量原理是依据Lambert-Beer定律:当一束单色光通过溶液介质时,吸 光度与溶液的浓度和溶液层的厚度的乘积成正比。该定律的意义:只要选择适宜的波长光, 测定它通过溶液的吸光度就可以求出溶液的浓度和物质的含量。根据该定律及血红蛋白吸收 特征曲线,通过数学方法可以推导出血氧饱和度的测量模型:a)使用红光(660nm)和红外光 (940nm)作为测量光;b)测量部位为人体指尖;c)脉搏波峰波谷的确定；d)计算血氧饱和度的 数学式 2SaO AR B= + 。其中A,B为常系数,可以通过数学统计方法拟合标定。R由两路透射 光最大光强 maxI 和 'maxI 以及某一脉搏周期内由于脉搏搏动而引起透射光强最大变化量 maxI� 和 'maxI� 来确定,实际上就是由两路透射光信号中的交流和直流成分来确定。 ' ' max maxR IR max max / (660) / (660) I / (940) / (940) I I AC DCR I I AC DC Ι≈ = =�� (1) 式(1)中的 RI 和 IRI 是红光和近红外光的脉动增量光强度,反映经动脉血后透射光的信号强 度。AC(660)和AC(940)分别是两路透射光信号的交流成分,DC(660)和DC(940)分别是两路透 射光信号的直流成分。 采用的测量方法是双波长测量法,即:将含动脉血管的部位指尖安置在两个发光管和一 个光探测器之间,控制两个发光管交替发光,光探测器接收透射光信号,得到脉搏波。通过相 关数字处理,确定脉搏波准确周期,求出脉搏波的波峰 maxI 、 'maxI 和波谷以及两者之差 maxI� 、 'maxI� ，最终通过式(1)求出血氧饱和度。 1.2脉搏血氧饱和度测量系统设计 图 1 脉搏式 SaO2 检测仪原理结构图 脉搏式SaO2检测仪原理结构图如图1所示。由单片机、光源驱动、指套式光电传感器、 放大器、A/D转换等组成。单片机选用AT89C51,A/D转换选用ADI公司的12位并行模数转换器 件AD7854L以满足速度和精度上的要求, 放大器选用ADI公司的AD8603,为了方便测量,一般 把人的手指作为SaO2测量的部位, 所以选用指套式光电传感器,本文选用的是青岛博爱医疗 器械有限公司的一款DATEX/OXY-F-U成人手指探头。 指套式光电传感器和放大器部分的原理图如图 2 所示：采用红光和红外光交替发光，而 接收部分其实就是一个光电池。放大电路采用二阶低通滤波电路，合理选用图中的电阻和电 容的大小，使截止频率为 4 赫兹，可以满足脉搏跳动频率的要求。通过示波器可以看出得到 的波形如图 3 所示。 A/D 转换 单片机 AT89C51 蓝牙 模块 差动 放大电路 光源驱动 R1 10M Rsf1 20K Rsf2 20K Rs2 10K Rs1 10K Cs2 10uF Cs1 10uF . A2A AD8615 A1A AD8603 Vout 图 2 指套式光电传感器及放大器原理图 图 3 脉搏波形图 测量时, 将人体中指插入指套, 当手指动脉搏动时, 透过手指传到λ 、 'λ 接收二极管 的光强也随之变化, 并被转换成相应的电脉冲, 经放大, 送AD7854L采样,AT89C51根据所采 数据, 计算出R, 由 2SaO AR B= + 计算出血氧饱和度。该仪器对λ 、 'λ 的接收、放大和 AD 采集均用同一通道, 克服了多通道传输中由于通道特性不一致造成的误差, 提高了测量 精度。 2 血氧饱和度数据的蓝牙传输 采用基于 HCI 层的单片机对蓝牙模块的控制方式。蓝牙主机控制器接口(HCI) 是主机 (控制蓝牙模块的单片机、DSP 、PC 机等) 与蓝牙模块间的软硬件接口。当主机和蓝牙模块 通信时,HCI层以上协议在主机上运行,而HCI层以下的协议由蓝牙模块内部嵌入式的微处理 器(主机控制器) 硬件来完成。它们通过 HCI 传输层进行通信。传输框图如图 4 所示。 UART 传输 RS232 传输 命令 命令 事件 事件 数据 数据 图 4 传输框图 主机和主机控制器之间通过HCI 收发“封包”(Packet) 的方式进行信息交换。在HCI 单 片 机 AT89C51 (主机) 蓝牙 模块 蓝牙 模块 PC 机 （主机） 传输层中一般传送3 种类型的封包:指令封包(CommandPacket) 、事件封包(Event Packet) 和数据封包(Data Packet) ,数据封包又分为ACL 数据封包(主要用于对时间要求不敏感的数 据通信) 和SCO 数据封包(主要用于对时间要求很高的数据通信,如语音等) 。指令封包只从 主机发往主机控制器,事件封包只从主机控制器发往主机,数据封包在主机和主机控制器之 间双向传输。主机和主机控制器通过指令应答的方式实现控制,主机向主机控制器发出一个 指令封包后,主机控制器就会返回事件封包,说明指令的执行情况。如果指令执行出错,返回 的指令状态事件封包就指示出相应的错误代码。 HCI传输层引用了三个已有的串行协议: UART 协议、RS232 协议和USB 协议。此外, 还 有第四个传输层协议: PC 卡传输层协议。针对不同的应用要求, 可以选择UART、USB、I2C 甚 至PC卡传输接口方式, 但无疑UART 方式是最容易实现、最有代性的。对于UART 接口来说, 所有的数据收发都是分别经过RX和TX 2条线,无法区分接受到的HCI 封包是哪一种封包,所 以通过UART(包括RS232) 接口传送的封包必须加上标志来区分封包的类型,它附加在每一种 对应的HCI 封包代码的最前面:0x01 ,指令封包;0x02 , ACL 数据封包;0x03 , SCO 数据封 包;0x04 ,事件封包。一般的ACL 的数据通信流程主要有6 个步骤:蓝牙模块本身初始化、HCI 流量控制设置、查询、建立连接、进行数据通信和断开连接[4]。图5、图6是系统的部分原理 图[5]。 VCC VCC 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J1 DB9 UART_TX23 UART_RX25 RTS24 CTS22 GND15 VCC 27 GND 28 U7 BlueCore02 R1IN13 R2IN8 T1OUT14 T2OUT7 GND15 V-6 V+2 VCC16 R1OUT 12 R2OUT 9 T1IN 11 T2IN 10 C2- 5 C2+ 4 C1- 3 C1+ 1 MAX232 C13 C14 C15 C16 图 5 系统与PC相连的接口电路原理图 本文通过HCI UART传输层操作蓝牙模块, 完成了血氧饱和度设备蓝牙数据传输的全过 程。通信速率为9600bps,这是受单片机UART接口速率限制的原因。在实验室室内的普通条件 下, 传输距离10米,数据传输稳定可靠。 3 结束语 调试结果表明,本监测系统能有效地无线传输脉搏血氧饱和度数据。通过外接射频功率 放大模块,可使蓝牙通信距离达到100m。有时为了满足更长距离的传输，可以利用带有蓝牙 功能的手机来扩大其传输距离。手机再通过GSM/GPRS 把数据传送到远处的控制中心，以便 与护理人员交换信息[6]。 本文作者创新点：把血氧饱和度检测系统和蓝牙技术结合起来，给病人带来了行动上的 便利,也给家庭监护、远程医疗等创造了条件,显示出了广阔的应用前景。 EA/VP31 X119 X218 RESET9 RD17 WR16 INT012 INT113 T014 T115 P101 P112 P123 P134 P145 P156 P167 P178 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 V C C 40 G N D 20 U1 AT89C51 VCC Y1 11.0592M C2 27p C1 27p . D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 + C3 10uF R2 8.2K AVDDCCC 0.1uF DVDDCCC 0.1uF Cref1 0.1uF Cref2 0.01uF 0.1uF VCC VCC R4 100K R5 100K R6 100K R7 100K VCC VCC VCC + AVDDC 10uF AIN(+)10 AIN(-)11 Cref18 Cref29 AGND7 DGND23 A V D D 7 D V D D 8 DB0 13 DB1 14 DB2 15 DB3 16 DB4 17 DB5 18 DB6 19 DB7 20 BUSY 28 WR 2 RD 3 CS 4 HBEN 12 CONVST 1 CLK 27R EF in ou t 5 D B 8 21 D B 9 24 D B 10 25 D B 11 26 U2 AD7854L T1IN11 T2IN10 R1OUT12 R2OUT9 GND15 V-6 V+2 VCC16 T1OUT 14 T2OUT 7 R1IN 13 R2IN 8 C2- 5 C2+ 4 C1- 3 C1+ 1 U4 RS232-2 UART_TX 23 UART_RX 25 RTS 24 CTS 22 GND 15 VCC27 GND28 U5 BlueCore02 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 C12 VCC R1IN13 R2IN8 T1OUT14 T2OUT7 GND15 V-6 V+2 VCC16 R1OUT 12 R2OUT 9 T1IN 11 T2IN 10 C2- 5 C2+ 4 C1- 3 C1+ 1 U3 MAX232 . Vin VCC 图 6 系统前端硬件原理图 参考文献： [1] 李文耀,王博亮,戴君伟。基于PIC单片机的脉搏血氧测量仪的研制[J]。厦门大学学报（自 然科学版），2005，第44卷第4期:507-510。 [2] 刘培基。数字式遥测心电监护系统的设计和实现[J]。青岛大学学报（工程技术版）， 2004，第19卷第3期:43-46。 [3] 陈剑，郭兴明，刘晓东。蓝牙技术在医疗监护中的应用[J]。电子技术应用，2002年第5 期:46-48。 [4] 马建仓,罗亚军,赵玉亭。蓝牙核心技术及应用[M]。北京:科学出版社,2003.111-118。 [5] 涂淞，岳云天，郁滨。基于BlueCore 蓝牙芯片的USB和UART 接口设计与实现[J]。电子 技术，2003年，第7期:36-39。 [6] 曹双贵，富魏等。基于蓝牙和多线程技术的网络化数采系统[J]。微计算机信息(测控自 动化)，2005年，第21卷第11-1期：78-80，116。 作者简介: 1 曹辉（1980-），男，硕士生，主要研究方向：医疗仪器、蓝牙技术应用等。 CaoHui, male, Master candidate, research interest: medical instrument, bluetooth technique and its application. 2 何波（1971-），男，硕士生导师，副教授，主要研究方向：通信与信息系统。 HeBo, male, Master tutor, associate professor, research interest: Correspondence and information system. 通信地址：青岛市崂山区松岭路 238 号 中国海洋大学信息学院电子系通信与信息系统 04 级研究生 曹辉 (邮编：266100) E-mail:caohui211@yahoo.com.cn