低功耗藍(lán)牙傳輸遠(yuǎn)程脈搏血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

王云光+張妍+羅章源+張蕾蕾

摘 要：在臨床與日常保健中，血氧飽和度（SPO2）測量具有重要意義。傳統(tǒng)采用有線測量方法，必然會給病人帶來行動上的不便。提出將血氧飽和度檢測系統(tǒng)與藍(lán)牙技術(shù)相結(jié)合的測量方式，可有效克服傳統(tǒng)系統(tǒng)的諸多弊端。此外，還提出了應(yīng)用ARMS嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)想，在有效接入Internet的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對脈搏血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙傳輸；無線傳輸；脈搏血氧飽和度；遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)

DOIDOI：10.11907/rjdk.162061

中圖分類號：TP319

文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2016）012-0046-02

0 引言

血氧飽和度（SPO2）指氧合血紅蛋白容量占脈血中全部可結(jié)合的血紅蛋白容量的比例[1]。目前，關(guān)于血氧飽和度的測量已被廣泛應(yīng)用于臨床中，特別是針對重癥病人以及手術(shù)中的病人，血氧監(jiān)測是治療過程中必不可少的內(nèi)容。導(dǎo)線連接是傳統(tǒng)血氧監(jiān)測系統(tǒng)的連接方式，臥床監(jiān)護方式也是在導(dǎo)線連接環(huán)境下形成的，這種監(jiān)護方式必然會給病人的行動帶來諸多不便。因此，便攜式、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、多參數(shù)監(jiān)護以及實時信號處理等已成為目前醫(yī)療監(jiān)護產(chǎn)品的總體發(fā)展趨勢。本研究創(chuàng)新性地將低功耗藍(lán)牙傳輸技術(shù)應(yīng)用到血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)中，利用藍(lán)牙技術(shù)無線傳輸血氧飽和度信號。該系統(tǒng)不僅能夠為病人的自由行動帶來便利，同時也能夠為遠(yuǎn)程醫(yī)療與家庭監(jiān)護創(chuàng)造更多有利條件。

1 控制器血氧飽和度儀設(shè)計

單片機產(chǎn)生控制信號，使紅光及紅外光二極管交替發(fā)光，光電傳感器對信號放大并經(jīng)過濾波電路處理，即可將信號送入單片機的A/D通道內(nèi)，然后由單片機對其進行計算處理，最后通過串口將獲取的血氧飽和度與脈率發(fā)送到嵌入式網(wǎng)關(guān)中。

嵌入式網(wǎng)關(guān)采用的處理器為Samsung（三星公司）的“S3C2410”微處理器，此處理器的操作系統(tǒng)是在Linux下構(gòu)建而成，主要功能是通過網(wǎng)口轉(zhuǎn)發(fā)串口接收的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)的連接。通過嵌入式網(wǎng)關(guān)之后，系統(tǒng)設(shè)備即可在近距離范圍內(nèi)訪問Internet以及本地網(wǎng)絡(luò)，從而達(dá)到與遠(yuǎn)程監(jiān)護中心互聯(lián)的效果。

較之于傳統(tǒng)的有線電纜傳輸方式，血氧飽和度儀與嵌入式網(wǎng)關(guān)的連接是通過無線藍(lán)牙傳輸方式實現(xiàn)的，這里的藍(lán)牙串口適配器與有線電纜連接方式相同，僅需將數(shù)據(jù)寫入串口，即可將其傳輸?shù)竭h(yuǎn)端用戶設(shè)備中[2]。有線串口電纜連接方式（即血氧飽和度儀與嵌入式網(wǎng)關(guān)相連）與藍(lán)牙連接方式分別如圖1、圖2所示。

2 脈搏血氧飽和度測量系統(tǒng)設(shè)計

圖3為脈搏式SPO2檢測儀的原理結(jié)構(gòu)圖。SPO2檢測儀主要是由單片機、指套式光電傳感器、光源驅(qū)動、A/D轉(zhuǎn)換以及放大器等構(gòu)成。單片機采用AT89C51；A/D轉(zhuǎn)換采用AD7854L（ADI公司生產(chǎn)的12位并行模數(shù)轉(zhuǎn)換器件），其能夠滿足儀器對精度及速度的要求；放大器選用AD8603（ADI公司生產(chǎn)）。另外，一般情況下，為方便測量，基本上會以手指作為SPO2測量的部位，所以大多選用套式光電傳感器。

指套式光電傳感器采用紅光與紅外光交替發(fā)光的方式，而相應(yīng)的接收部分則是一個光電池[3]。相反，放大器電路采用二階低通濾波電路，通過對電容、電阻的合理選用，使截止頻率為4Hz，以充分滿足脈搏跳動頻率的要求。在實際測量過程中，將人體中指插入指套，一旦手指脈搏出現(xiàn)跳動，即可透過手指傳入相應(yīng)的λ中，λ接收到的二極管光強則會發(fā)生變化，并轉(zhuǎn)換成電脈沖，經(jīng)放大被送往AD7854L中采樣。AT89C51則根據(jù)采樣數(shù)據(jù)計算出對應(yīng)的R，最終由SPO2=AR+B公式計算出實際的血氧飽和度。從整體上看，此儀器無論是對λ的接收、放大還是對AD的采集，都采用同一個通道。該方式能夠有效克服多通道傳輸中因通道特性差異造成的誤差，使測量精度得到提升。

3 血氧飽和度數(shù)據(jù)藍(lán)牙傳輸

以藍(lán)牙技術(shù)為傳輸方式的儀器通過單片機（基于HCI層）實現(xiàn)對藍(lán)牙模塊的控制，藍(lán)牙主機的控制器接口（即HCI）同時也是藍(lán)牙模塊與主機（如PC、DSP及控制藍(lán)牙模塊的單片機等）之間的軟硬件接口[4]。一般而言，通信工作都是通過HCI傳輸層實現(xiàn)的，具體傳輸框圖如圖4所示。

控制器與主機之間的信息交換是由HCI收發(fā)封包的工作來實現(xiàn)。HCI傳輸層傳送的封包主要有3種類型，分別為事件封包、指令封包與數(shù)據(jù)封包[5]。其中，數(shù)據(jù)封包又被劃分為SCO與ACL數(shù)據(jù)封包。但一般情況下，主機與主機控制器通過指令應(yīng)答的方式實現(xiàn)控制，在接收到相應(yīng)的事件封包后，主機控制器會將其返回主機中，從而檢查一些指令是否執(zhí)行，一旦指令實施過程中產(chǎn)生了微小錯誤，返回的事件封包（主要內(nèi)容為指令狀態(tài)）則會顯示出相應(yīng)的錯誤代碼。

USB協(xié)議、RS232協(xié)議與UART協(xié)議是構(gòu)成HCI傳輸層串行協(xié)議的3大協(xié)議。需要注意的是，除上述協(xié)議外，HCI傳輸層還存在第4個協(xié)議，即PC卡傳輸層協(xié)議。針對不同的應(yīng)用需求，4種傳輸協(xié)議均能發(fā)揮一定功效，但其中的UART方式是最容易實現(xiàn)的。

從整體上看，UART接口中所有數(shù)據(jù)的收發(fā)都經(jīng)過了TX與RX兩條線，要想判斷接收到的HCI封包類型，具有一定難度[6]。因此，只有對通過UART（包含RS232）接口傳送的封包貼上相應(yīng)標(biāo)志，才能有效劃分封包類型，如0x01為指令封包，0x02為ACL數(shù)據(jù)封包，0x03為SCO數(shù)據(jù)封包，0x04為事件封包等。一般情況下，ACL的數(shù)據(jù)通信主要劃分為6個步驟，即：藍(lán)牙模塊初始化→HCI流量控制設(shè)置→查詢→建立連接→進行數(shù)據(jù)通信→斷開連接。

綜上所述，這種通過HCIUART傳輸層對藍(lán)牙模塊進行操作的方式，能夠有效完成血氧飽和度設(shè)備藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼麄€過程。該系統(tǒng)通信波特率為9 600bps，這是受單片機UART接口速率限制的原因[7]。在實驗室內(nèi)的普通條件下，傳輸距離為10m，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。調(diào)試結(jié)果表明，本監(jiān)測系統(tǒng)能高效傳輸脈搏血氧飽和度的數(shù)據(jù)信息。具體而言，借助對外射頻功率放大模板，使藍(lán)牙通信的覆蓋范圍長期穩(wěn)定在100m以內(nèi)。然而，如果配置具有藍(lán)牙功能的手機，可在更大范圍內(nèi)擴展傳輸距離。同時，手機可利用GSM/GPRS將數(shù)據(jù)傳輸?shù)较鄳?yīng)的控制中心，以便于人們的信息交換。

4 結(jié)語

本文研究重點為一種充分利用嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)血氧飽和度信息傳輸?shù)倪h(yuǎn)程脈搏血氧飽和度監(jiān)護系統(tǒng)，此監(jiān)護系統(tǒng)能夠有效將血氧飽和度信息傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)護中心[8]。與此同時，該系統(tǒng)對于血氧飽和度儀與嵌入式網(wǎng)關(guān)的連接主要采用無線藍(lán)牙串口適配器的方式實現(xiàn)，該方式能夠為病人帶來更多行動上的便利。隨著以太網(wǎng)的日益普及，諸多常規(guī)的串口通信設(shè)備都可以通過以太網(wǎng)接入到控制網(wǎng)絡(luò)中，從而更具便捷性。其采用的Linux操作系統(tǒng)利用免費開發(fā)的工具包，可以在很大程度上降低開發(fā)成本，這無疑代表了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的一個新方向。

參考文獻：

[1] 張歷，段發(fā)階，李超.基于IOS平臺的脈搏血氧儀設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用，2015（8）：53-60.

[2] 李慶波，聶鑫，張廣軍，等.分段濾波用于消除脈搏血氧檢測中多種運動干擾的研究[J].光譜學(xué)與光譜分析，2009，29（11）：2994-2997.

[3] 楊迪娜.藍(lán)牙4.0技術(shù)搭載便攜式設(shè)備新產(chǎn)品強勢逆襲[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（2）：84-85.

[4] 劉曉東，郭興明，肖守中.基于藍(lán)牙的心音采集系統(tǒng)中串行數(shù)據(jù)通信的研究和實現(xiàn)[J].北京生物醫(yī)學(xué)工程，2005（1）：102-105.

[5] 劉巖峰.血氧飽和度的頻域分析及其抗干擾性能[J].中國醫(yī)學(xué)工程，2012（7）：72-73.

[6] 戴明，王琪，吳萬慶.一種低功耗脈搏血氧飽和度測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014（10）：53-56.

[7] 曹輝，何波.基于藍(lán)牙傳輸?shù)拿}搏血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].微計算機信息，2012，11（25）：104-106.

[8] 李曉鵬，宋愛國，彭思，等.脈搏血氧飽和度遠(yuǎn)程實時監(jiān)護系統(tǒng)設(shè)計[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010（6）：772-776.

（責(zé)任編輯：黃 ?。?