基于蓝牙传输的脉搏血氧饱和度监测系统设计

数采与监测 中文核心期刊 《微计算机信息》(测控自动化)2007年第23卷第9．1期 文章编号：1008—0570(2007)09—1—0104-03 基于蓝牙传输的脉搏血氧饱和度监测系统设计 Design of the Pulse Oxygen Saturation in BloodMeasuring Instrument Based on Bluetooth transm ission (中国海洋大学)曹 辉 何 波 CAO HUI HE B0 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 度检 测 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：an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 Abstract：The measumment of oxygen saturation in blood has great significance in clinical and daily health care． Th e system iS a measurement instrument that takes AT89C51 as the core contro1． In hardware。 it fumls the signal circuits and the related meas~e． ment circuits by using photosensor to collect red light and infrared ray passing through arterial vesse1． And based on the Host—Host controller mod~e ，it fulfils the communication with personal computer via HCI． Th e 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．Th is 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l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。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 杂对数据的需要。蓝牙技术可以有效解决这些问。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(ISM1频段，采用 GFSK跳频和时分双 -CgI'DD)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13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。 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。 曹 辉：硕士生 基金资助：山东省中青年科学家科研基~(2005 Bs010o9)教育 部 留学归国基金(教 留司 2005-383) 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 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：a1使用红光(660nm)~l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 SaO2=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 和 I 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 △I一和 △I一 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。 R ： A — ／m=' — lira=' ： — AC(660)I — DC(660) r1、 Im △』 ／1 AC(940)IDC(940) 、 ， 式(1)中的I 和 Im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，DCf660)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 I一、I一 和波 谷以及两者之差 △I一、△I一 ，最终通过式(1)求出血氧饱和度。 一 1o4—36O元 ，年 邮局 订阅号：82-946 维普资讯 http://www.cqvip.com 数采与监测 1．2脉搏血氧饱和度测量系统设计 图 l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 l2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 DA I’EX，0XY—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。 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 、 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SaO2=AR+B计算出血氧饱和度。该仪器对 、 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。 ． 图4 传输框图 主机和主机控制器之间通过 HCI收发“封包”(Packet1的方 式进行信息交换。在 HCI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 Packet1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f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 有代表性的。对于UART接口来说．所有的数据收发都是分别经 过 RX和 Ⅸ 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：OxO1，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。图 5、图 6是系统的部分原理图。 l ÷ 1∞U T N L U懈1)【 O ---- 厂—— R 【，r = __] U懈 RX O - Rl RlCUT O--- —_z I o_ 3 l 15 R room02 C O--- —百一 广西r—一 a — a ∞ O- 三一，I v-MAX232 c2十 O---- 5 2 —— 厂 —一 V C1． 唧 L1 '9CC a+ c_J 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 l0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 @蚴罔邮局订 82-946 360,,~／_105— 维普资讯 http://www.cqvip.com 数采与监测 中文核心期刊 《微计算机信息》(测控自动化)2007年第23卷第 1期 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。 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。 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S0[J]。厦门大学学报(自然科学版)，2005，第 44卷第 4期： 507-5 10。 [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(技术版)，2004，第 19卷第 3期：43_46。 [3】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。 [4】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，2005，2111-1：78—80，116。 作者简介：曹辉(1980一)，男，硕士生，主要研究方向：医疗仪器、蓝 牙技术应用等；何波(1971一)，男 ，硕士生导师，副教授 ，主要研究 方向：通信与信息系统。 Biography：Cao Hui，male，Master candidate，research interest： medical instrument， bluetooth technique and its application． HeBo，male，Master tutor，associate professor，research interest： Correspondence and information system． (266100 山东青岛 中国海洋大学信息学院电子系)曹辉 何波 (Ocean University of China，Information College，Electronic Department,Qingdao，Shandong，266100)Cao Hid He Bo 通讯地址：(266100 山东 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 o4级研究生)曹辉 (收稿日期：2007．6．13)(修稿日期：2007．7．15) (．上接第 156页) SetTimer(hWnd，MISSILE_TIMER，10)； ，／定时器每 0．1秒发送一次消息 以下为收到定时器消息后要执行的程序： im single； single=CPLD _ IN 一 7； if((!(single&0x02))ll(!(single&0x04))) ，／当 CPLD_ IN一 7的第 1位或第 2位有输入信号(低电平) {CPLD—OUT_2&=0xef；l／／CPLD_OUT_2第 4位输出 5 结论 系统采用基于ARM7的HMS30C7202嵌入式微处理器作 为硬件平台的核心 ，易于实现系统的小型化，提高可靠性。RTOS 选用 p~C／OS-II，它是一个源代码公开的实时操作系统，结合 MiniGUI图形用户界面支持系统，使程序开发非常方便。本系统 具有体积小、质量轻、实时性好、可靠性高、性价比高、自动检测 等特点。实验测试中，运行良好，较好地达到了设计 目的。 本文作者创新点：将基于ARM7的HMS3OC7202内核成功 地与 I~C／OS—II内核和 MiniGUI图形用户界面结合，设计出某型 导弹发射装置的自动检测系统，将嵌入式系统成功运用到军用 领域的检测中，拓宽了嵌入式系统的应用领域，同时实现了某型 导弹发射装置检测系统的国产化，解决了装备保障困难的问题。 参考文献 [1】张 军 彭宣戈．嵌入式系统硬件抗干扰技术[J]微计算机信息． 2006．22：16-18 [2】王 田苗主编．嵌入式系统设计与实例开发[M】．清华大学出版 社．2003．7：1—34 [3】王剑峰 马艳萍 刘 云．~c／os ii在 ARM7处理器的移植与测 试应用[J]．青岛科技大学学报．2005．1O：443—447 作者简介：王培源，男，1981年 8月，四川南充人，汉族 ，军械工 程学院硕士研究生，主要从事嵌入式系统、微机电系统研究 ；王 广龙 男 ，1964年 8月，山东泗水人，汉族，军械工程学院教授 ， 博士 。主要从事微纳米技术和微系统研究。 Biography：Wang Peiyuan， Male， bom in August 20， 1981， NanChong city， SiChuan province． N~ion of Han ， Master of graduate student， Ordnance Engineering College，interesting on Embedded system and MEMS；Wang Guanglong， Male， bom in August，1964，SiShui city，ShanDong province．Nation of Han ， professor of Ordnance Engineering College，Doctor，interesting on MEMS and Nano ． _ Technology and Microsystem (O50003 河北石家庄 军械 工程学院导弹工程系)王培源 王广龙 李戍 周明进 (Department of Missile，Ordnance Engineering College，Shiji- azhuang 050003 China)Wang PeiYuan Wang GuangLong Li Shu Zhou MingJin 通讯地址：(o5ooo3 河北石家庄 军械工程学院导弹工程系) 王培源 (收稿日期：2007．6．13)(修稿日期：2007．7．15) 一 106—360元 ，年 邮局 订阅号：82—946 维普资讯 http://www.cqvip.com