为了正常的体验网站,请在浏览器设置里面开启Javascript功能!

基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现

2013-07-31 4页 pdf 174KB 33阅读

用户头像

is_102622

暂无简介

举报
基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现 收稿日期: 2005�09�01 基金项目: 国家高技术产业化示范工程项目(国计高技[ 2001] 2167号)� 作者简介: 徐久强( 1966- ) ,男,辽宁北镇人,东北大学教授; 赵 � 海( 1959- ) ,男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师� 第27卷第7期 2 00 6年 7月 东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Northeastern U niversity( Natural Science) Vol�27, No. 7 Jul. 2 0 0 6 文章编...
基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现
收稿日期: 2005�09�01 基金项目: 国家高技术产业化示范项目(国计高技[ 2001] 2167号)� 作者简介: 徐久强( 1966- ) ,男,辽宁北镇人,东北大学教授; 赵 � 海( 1959- ) ,男,辽宁沈阳人,东北大学教授,博士生导师� 第27卷第7期 2 00 6年 7月 东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Northeastern U niversity( Natural Science) Vol�27, No. 7 Jul. 2 0 0 6 文章编号: 1005�3026( 2006) 07�0747�04 基于WPAN的脉搏血氧饱和 度检测仪的研究与实现 徐久强1, 赵 � 海1, 孙佩刚2, 尹震宇1 ( 1. 东北大学 信息科学与工程学院, 辽宁 沈阳 � 110004; 2. 沈阳炮兵学院 计算机系, 辽宁 沈阳 � 110162) 摘� � � 要: 基于 WPAN 技术,设计并实现了具有高度灵活性的脉搏血氧饱和度检测仪�详细介 绍了系统的设计思想及组成结构,分别介绍了检测仪移动采集终端和检测仪主站各组成部分的硬 件功能及设计,并给出软件平台及功能模块的划分�设计充分利用了集成电路技术的进步,结合先 进的通信技术和成熟的测量技术,实现了传统设备的功能提升和应用模式的扩展�新设计大大扩 展了血氧饱和度检测仪的应用范围,在设备的实用性、方便性、可管理性等方面有了极大提高� 关 � 键 � 词: 无线个域网;血氧饱和度; IEEE802. 15. 4; ZigBee; ARMLinux; Webit 中图分类号: T P 393�17; R 197�39� � � 文献标识码: A 脉搏和血氧饱和度反映了人体的重要生理状 态,相关的测量方法和测量设备在临床中已得到广 泛使用,比如脉搏血氧饱和度检测仪[ 1, 2] �脉搏血氧 饱和度检测仪目前主要应用在手术室、ICU 病房 等,用于危重病人的生命体征的监护�虽然血氧饱 和度和心率等指标在体育科研、非卧床病人的监护 及特殊场合(如军事领域)也有重要意义,但由于目 前该类设备皆为集中式控制, 设备体积较大、使用 不方便、价格昂贵、可管理性差,限制了相关应用� 为解决这些问题,本文介绍了基于无线个域 网 ( WPAN ) 设计的脉搏血氧饱和度检测仪� WPAN是为在小范围内的设备间建立无线连接 而开发的无线传输技术, IEEE 化协会已为 此制定了 IEEE802. 15. X标准�本文涉及的传输 技术符合专门针对低速WPAN 制定的 IEEE802. 15. 4[ 3] ( ZigBee)标准� 1 � 系统的组成及功能 基于WPAN 的脉搏血氧饱和度检测仪的系 统结构如图 1所示� 图 1� 脉搏血氧饱和度检测仪系统结构 Fig. 1 � Construction of pulse oximeter 检测仪移动采集终端的功能: 检测人体的血 氧饱和度、脉搏和脉搏强度, 并通过 WPAN 通信 模块将数据传送给检测系统主站�检测仪移动采 集终端分为检测探头、血氧饱和度监测模块、电源 和WPAN通信模块等部分�检测探头和血氧饱和 度检测模块为外购的 OEM 模块, 是美国 BCI 公 司的产品, 它利用光电法和比尔定理[ 4, 5] , 从而实 现无创检测�检测仪移动采集终端还支持一种独 立工作方式,这种工作方式适合于连续非实时工 作的情况� 检测仪主站的功能: 通过WPAN 接口接收并 存储检测仪移动采集终端发出的信息; 按操作者 的指令在显示屏上显示移动终端传来的实时信息 或历史数据;当检测参数超出门限值时发出报警 信号; 可根据需要通过快速以太网接口与后台的 支持管理系统通信, 以完成更复杂的管理功能�一 个检测仪主站可连接多个检测仪移动采集终端, 不仅增加了使用的方便性,而且提高了主站的利 用率并降低了系统的使用成本� 除检测探头和血氧饱和度检测模块外, 系统 其余部分全部为自行设计,下面分别予以介绍� 2 � 检测仪移动采集终端的设计与实现 检测仪移动采集终端 WPAN 通信模块的功 能:经WPAN通信模块接收检测仪主站的命令, 对命令解析后通过 RS�232接口向血氧饱和度检 测模块发出控制命令; 接收血氧饱和度监测模块 的采集数据和反馈控制信息, 经预处理和打包后 经WPAN通信模块发送给检测仪主站� 2. 1 � 检测仪移动采集终端通信模块硬件设计 检测仪移动采集终端 WPAN 通信模块的硬 件组成如图 2所示� 图 2� 移动采集终端 WPAN通信模块框图 Fig. 2� Block diagram of WPAN communication modules of mobile sample acquisition terminal ( 1) MCU 部分功能和实现 MCU [ 6]部分是 WPAN 通信模块的核心, 完 成通信模块各组成部分的控制、协调和数据的加 工�具体功能: 通过 RS232 接口与血氧饱和度检 测模块通信,实现对它的控制和配置,并接收检测 数据; 通过 SPI 接口和状态指示接口实现对 RF 收发器的配置和检测, 并完成发射和接收的数据 交换;通过 U SART 接口与数据存储器连接, 完成 数据存储器的读写操作;通过电源检测和状态指 示部分,监测电源电压情况,并能通过状态指示产 生报警提示� ( 2) RF 收发器的功能和实现 RF收发器的功能是实现要传输数据的无线 收发�具体功能包括:通过 SPI接口完成与 MCU 部分的数据交换, 数据内容包括要传输的数据和 来自 MCU 部分的控制和配置信息; 根据来自 MCU的控制和配置信息调整相关的 RF 参数;通 过状态和指示接口将传输状态反馈给 MCU; 通 过天线完成数据的无线发送和接收;完成WPAN 的物理层功能, 实现物理层的处理�该部分采 用 Chipcon公司 CC2420[ 7]实现� ( 3) 数据存储器的功能和实现 数据存储器的功能是缓冲血氧饱和度检测模 块的采集数据�数据的缓冲主要应用在无线连接 不可靠的情况�数据存储器在无线连接不通畅、无 法完成采集数据的及时传送时缓冲积聚的数据, 以便在数据通路恢复时传送这些数据; 数据存储 器的另一个功能是在移动采集终端离线使用时存 储采集数据,这适合对监测对象的长期非实时的 状态跟踪� 数据存储器采用 ATMEL 公司的新型 FLASH 芯片 AT 45DB041[ 8]实现�当移动采集终 端工作在离线状态时, 采集数据存储在该存储器 中,数据存储可持续时间大于 48 h,如采用压缩技 术存储数据,数据存储持续时间大于 168 h� 2. 2 � 检测仪移动采集终端的软件实现 检测仪移动终端的软件是基于 Webit5�0[ 9] 操作系统开发的�Webit5�0具有如下特点: 面向 8/ 16位低成本微控制器;完全抢占式事件驱动的 固定优先级调度程序;支持 256个优先级,相同优 先级任务遵循 FIFO调度策略; 采用信号量机制 实现同步或互斥共享; 定时器管理支持一次性和 周期性定时; 精简、高效的动态内存管理策略;流 设备管理; 支持多级目录的文件系统; 内置 T CP/ IP 协议栈;支持运行任务的单步调试� 检测仪移动终端的软件的结构如图 3所示� 图 3� 移动终端软件结构图 Fig. 3 � Software architecture of mobile terminal 748 东北大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 27卷 3 � 检测仪主站的设计与实现 检测仪主站的主要功能:经WPAN接口与移 动采集终端通信,实现对移动采集终端的控制,并 接受来自移动采集终端的采集数据; 通过显示器 模块以字符或图形方式显示采集的历史数据或实 时数据;通过触摸屏以菜单形式完成控制或查询 命令的输入;按用户实现对历史数据的管理 和挖掘,存储采集的历史数据并具备历史数据的 自动清除和锁定功能;具备快速以太网接口,通过 该接口可实现与后台管理系统的连接� 3. 1 � 检测仪主站的硬件设计 检测仪主站的硬件结构如图 4所示�下面分 别介绍各主要部分的组成及其功能� 图 4� 检测仪主站硬件结构图 Fig. 4 � Hardware configuration of oximeter s main station ( 1) CPU 部分的功能和实现 CPU 部分完成主站各组成部分的控制、协调 和数据的加工�具体功能:通过系统总线与存储器 相连, 完成相关数据的加工、处理和存储; 通过 LCD接口与彩色液晶显示器相连,实现信息的显 示,以实现人机交互;通过触摸屏接口与触摸屏相 连,实现控制命令的输入;通过总线接口与以太网 控制器相连,可将检测仪接入后台支持网络, 实现 系统信息的集中化管理和与后台管理系统的融 合;通过 SPI 接口和状态指示接口实现对 RF 收 发器的配置和检测, 并完成发射和接收的数据交 换,实现与检测仪移动终端的通信;通过电源和外 围电路,实现对系统的供电� ( 2) 检测仪主站存储器的功能和实现 存储器的功能是存储系统程序和应用程序, 存储移动采集终端采集的历史数据并提供程序运 行的存储器空间� ( 3) 快速以太网接口的功能和实现 为实现与后台管理系统的协作,检测仪主站 提供一个快速以太网接口�通过该接口,可方便主 站与医院的病历管理系统、计费系统、或其他应用 单位的后台业务支持系统的连接� ( 4) 人机交互界面的设计 一些专家指出: 对于用户,人机界面就是系统 本身�因此人机界面在系统中占有重要地位�本系 统中, 人机界面的硬件部分由彩屏 LCD显示器和 触摸屏组成,触摸屏用于输入各种控制/查询命令 和各种初始数据, LCD显示器用于返回各种命令 的操作结果和显示各种监测数据或监测曲线�显 示器采用 SHARP 公司的 LQ035Q7DB02[ 10]实 现,该屏为具有配套触摸屏的彩色 LCD� ( 5) WPAN 接口 WPAN接口实现检测仪移动终端与检测仪 主站的通信, 与检测仪移动终端的 RF 收发器部 分基本相同� 3. 2 � 检测仪主站的软件实现 检测仪主站的软件是基于 ARMLinux 开发 的�自 20世纪 80年代末以来,陆续出现了一些嵌 入式操作系统,但其高昂的价格令人望而却步,且 源代码的封闭性也大大限制了开发者的积极性� 因此, 结合国内外具体情况, 选择了 ARMLinux 操作系统作为开发平台�检测仪主站的软件结构 如图 5所示� 图 5� 监测仪主站软件结构 Fig. 5� Software architecture of oximeter s main station 749第 7期 � � � � � 徐久强等: 基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现 ARMLinux 内核主要由 5个子系统组成: 进 程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进 程间通信�进程调度控制进程对 CPU 的访问; 内 存管理允许多个进程安全共享主内存区域;虚拟 文件系统隐藏了各种硬件的具体细节, 为所有的 设备提供了统一的接口;网络接口提供了对各种 网络标准的存取和各种网络硬件的支持;进程间 通讯( IPC)支持进程间各种通信机制� 显示处理模块和触摸屏处理模块共同完成人 机交互�显示处理模块完成采集数据的图形或字 符显示,并根据用户操作显示各级菜单;触摸屏处 理模块与显示处理模块配合完成各种控制或命令 信息的输入� 嵌入式数据库实现历史数据的管理、查询和 维护等操作� 4 � 实现结果 基于WPAN 的血氧饱和度检测仪的原型机 已开发成功并通过测试� 测试结果如下:各参数的测量精度与所选择 的血氧饱和度监测模块完全相同; 一个检测仪主 站最多可同时与 64个检测仪移动采集终端通信, 并保证传输和显示的正确性和实时性; 无线传输 速率为250 kb/ s;无线传输距离可达75 m(根据使 用条件的变化会有所改变)� 测试结果表明,检测仪完全达到了预期的设 计指标,具有广阔的市场前景� 5 � 结 � � 论 基于WPAN 的血氧饱和度检测仪的研制,大 大扩展了设备的适用范围,在设备的实用性、方便 性、可管理性及适用范围等方面有了极大提高;由 于一个主站可连接多个移动采集终端, 大大降低 了使用成本� 参考文献: [ 1 ] de Kock J P, T arassenko L. Pulse oximet ry: theoret ical and experimental model [ J ] . Med Bioleng Compu t , 1993, 31 ( 3) : 291- 298. [ 2 ] 王跃华,徐圣普� 用于检测血氧饱和度的光电传感器[ J] � 医疗装备, 1999, ( 10) : 1- 2� ( Wang Y H, Xu S P. Ox im eter sensor based opt ical path [ J] . Chinese Journal of Medical De vi ce, 1999, ( 10) : 1 - 2. ) [ 3 ] T he Inst itute of Elect rical and Elect ronics Engineers, Inc. IEEE Std 802. 15. 4: w ireless medium access cont rol ( MAC) and physical layer( PHY) specificat ions for low�rate w ireless personal area netw orks ( LR�WPANs ) [ EB/ OL ] . w ww. ieee. org, 2003- 10- 01. [ 4 ] St rieoei H W, Kretz F J. T he funct ional principle, reliabilit y and limitat ions of pulse oximetry[ J] . A naesthesia , 1989, 38 ( 12) : 649- 657. [ 5 ] 周荷琴,冯焕清,杜克强� 基于 OEM 模块的掌上型脉搏血 氧仪的研制[ J]� 中国医疗器械杂志, 1997, 21( 2) : 67- 70� ( Zhou H Q, Feng H Q, Du K Q. The design of an OEM module�based hand�hold pulse oximeter[ J] . Chinese Jour nal of Med ical Inst rumen tation , 1997, 21( 2) : 67- 70. ) [ 6 ] Atmel Corporat ion. ATmega128, 8�bit AVR microcont roller user guide[ EB/ OL] . ht tp: !www . atmel. com, 2001- 08. [ 7 ] Chipcon Inc. CC2240�2. 4GHz IEEE 802. 15. 4/ ZigBee� ready RF transceiver datasheet [ EB/ OL ] . ht tp: !www . ch ipcon. com, 2004- 06- 09. [ 8 ] Atmel Corporat ion. AT45DB041 datasheet [ EB/ OL] . ht tp: !www. atmel. com, 2001- 01. [ 9 ] 关沫,韩光洁,张文波,等� 一个支持 EI 应用的嵌入式实 时操作系统 WebitX [ J] � 东北大学学报( 自然科学版 ) , 2004, 25( 7) : 649- 652� ( Guan M , Han G J, Zhang W B, et al . WebitX: a real� time operat ing system for embedded Internet appl icat ions [ J ] . Jou rnal of Northeaster n Univ ersit y ( Natu ral Sci ence ) , 2004, 25( 7) : 649- 652. ) [ 10] Sharp Microelectronics. L Q035Q7DB02 TFT�LCD module applicat ion notes [ EB/ OL] . http: !www . sharpmeg. com, 2004- 06. R& D of a Pulse Oximeter Based on WPAN X U Jiu�qiang1 , ZHA O H ai1 , S UN Pei�gang2 , YIN Zhen�yu1 ( 1. School of Information Science & Engineer ing , Nort heastern University, Shenyang 110004, China; 2. Computer Depar tment, Shenyang A rtiller y Academy, Shenyang 110062, China. Corr espondent: XU Jiu�qiang, E�mail: xujq @ mail. neu. edu. cn) Abstract: A highly sensitive pulse oximeter is developed for ox ygen saturat ion of blood on the basis of WPAN . Descr ibes in detail the conceptual design and construction of the ox imeter system especially. F irstly, the pulse ox imeter s design and structure is introduced in detail. T hen, the functions and design of its mobile sample acquisit ion terminal and construction of its main station. In addition, the div ision of software platform and functional modules is illustrated. W ith the highly developed IC/ communication technolog ies and mature metering technique, the new pulse ox imeter upgrades its conventional functions and w idens its application scope, thus enhancing greatly its practicability, convenience and manageability . Key words: WPAN; oxygen satur ation of blood; IEEE802. 15. 4; ZigBee; ARMLinux ; Webit ( Received Sep tember 1, 2005) 750 东北大学学报(自然科学版) � � � � � � � � � � � 第 27卷
/
本文档为【基于WPAN的脉搏血氧饱和度检测仪的研究与实现】,请使用软件OFFICE或WPS软件打开。作品中的文字与图均可以修改和编辑, 图片更改请在作品中右键图片并更换,文字修改请直接点击文字进行修改,也可以新增和删除文档中的内容。
[版权声明] 本站所有资料为用户分享产生,若发现您的权利被侵害,请联系客服邮件isharekefu@iask.cn,我们尽快处理。 本作品所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用。 网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽..)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。

历史搜索

    清空历史搜索