基于藍(lán)牙技術(shù)的脈搏血氧儀設(shè)計(jì)

王勇

摘 要 本文介紹了應(yīng)用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)設(shè)計(jì)的便攜式脈搏血氧儀設(shè)計(jì)，采用最新型、低功耗的STM32芯片和數(shù)字光頻器件設(shè)計(jì)高效穩(wěn)定的脈搏血氧飽和度測(cè)量電路，構(gòu)建藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)解決患者行動(dòng)上的不便，為家庭監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等創(chuàng)造條件。

【關(guān)鍵詞】血氧儀 STM32 藍(lán)牙

血氧飽和度（SpO2）和脈搏是重要的生理參數(shù)之一，相關(guān)的測(cè)量設(shè)備已經(jīng)在臨床上得到了廣泛的應(yīng)用。不僅某些重癥病人需要血氧監(jiān)測(cè)，同時(shí)健康者也可能成為監(jiān)護(hù)對(duì)象，通過對(duì)健康者的生理參數(shù)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，使用者可以隨時(shí)了解自身的身體狀況，有助于疾病的早期發(fā)現(xiàn)和及時(shí)治療。傳統(tǒng)的血氧監(jiān)測(cè)設(shè)備采用導(dǎo)線連接，臥床監(jiān)護(hù)，給病人帶來(lái)很大的不便，已經(jīng)越來(lái)越不能適應(yīng)當(dāng)今醫(yī)療監(jiān)護(hù)需求。

隨著醫(yī)療事業(yè)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，可穿戴醫(yī)療設(shè)備是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，工作頻帶為全球統(tǒng)一開發(fā)的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）頻段，其具有低成本、低功耗、高速率、抗干擾和接口靈活等特點(diǎn)，近年來(lái)迅速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高端醫(yī)療設(shè)備中。

本文提出的血氧飽和度和脈搏測(cè)試儀采用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行血氧飽和度和脈搏信號(hào)的無(wú)線傳輸，給患者帶來(lái)行動(dòng)上的便利，也可以廣泛應(yīng)用到家庭監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療中。

1 血氧飽和度測(cè)量原理

血氧飽和度測(cè)量是基于動(dòng)脈血液對(duì)光的吸收量隨動(dòng)脈搏動(dòng)而變化的原理。由于血液中不同成分對(duì)同一種光線的吸收率各不相同，通過測(cè)量穿過血液的不同光線的衰減程度換算出血液中不同成分的含量。

根據(jù)Lambert- Beer 定律，在實(shí)際測(cè)量中采用2路不同波長(zhǎng)的單色光對(duì)手指組織同時(shí)照射，只要測(cè)定兩路透射光最大光強(qiáng)以及由于脈搏搏動(dòng)而引起透射光強(qiáng)的最大變化量，可以得到血型飽和度的計(jì)算公式為：

其中A和B在一定傳感器結(jié)構(gòu)和生理?xiàng)l件下的系數(shù)，可以通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)確定。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，血液在波長(zhǎng)660nm附近和900nm附近反射之比最敏感地反映出血氧飽和度的變化，所以本文中選用660nm紅光和905nm紅外光，測(cè)出其透過手指后的光強(qiáng)和變化量，根據(jù)（1）式計(jì)算血氧飽和度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的血氧飽和度測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)采用模擬光接收管，A/D采集電路等硬件電路復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性較差、不宜集成小型化等。本系統(tǒng)直接采用光頻轉(zhuǎn)換器將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字頻率信號(hào)，電路簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，系統(tǒng)主要由光源、光接收管、時(shí)序控制電路、光頻轉(zhuǎn)換器、32位微控制器、存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、OLED顯示電路和藍(lán)牙電路等組成。

2.1 STM32微控制器

本設(shè)計(jì)采用的是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103C8T6微控制器，該芯片采用低功耗設(shè)計(jì)，2.0至3.6V供電，片內(nèi)集成7個(gè)定時(shí)器，9個(gè)通信接口，26個(gè)快速I/O口等，非常適合設(shè)計(jì)低功耗、微型化的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)中采用了中斷優(yōu)先級(jí)優(yōu)化，大大提高軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性，

2.2 時(shí)序控制電路

時(shí)序控制電路的任務(wù)是在微控制器控制下依照一定時(shí)序依次產(chǎn)生紅光、紅外光和暗光三種工作狀態(tài)。應(yīng)用STM32微控制器中三個(gè)通用I/O輸出數(shù)字控制信號(hào)，通過模擬開關(guān)驅(qū)動(dòng)光源。

3 測(cè)試與結(jié)果

血氧飽和度的臨床應(yīng)用范圍大約在50%～100%之間，成人正常值不低于94%。應(yīng)用美國(guó)Fluke公司的Index 2XL系列血氧飽和度模擬儀產(chǎn)生動(dòng)脈血氧模擬測(cè)試信號(hào)輸入到測(cè)試儀中，記錄顯示的血氧飽和度值，多次重復(fù)測(cè)量，檢測(cè)該測(cè)試儀的準(zhǔn)確度。

通過在不同脈率下多次測(cè)量取平均值的方法對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。表1給出六個(gè)點(diǎn)處的血氧飽和度的測(cè)量值和誤差范圍在±2%，達(dá)到實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文應(yīng)用最新型超低功耗的STM32芯片和藍(lán)牙芯片，實(shí)現(xiàn)支持藍(lán)牙通信的指壓式脈搏血氧儀，外觀小巧，簡(jiǎn)單實(shí)用，可廣泛應(yīng)用到家庭監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療中。

參考文獻(xiàn)

[1]游薦波，劉希順，閆凌.基于C8051F021單片機(jī)的血氧飽和度測(cè)量?jī)x的研制[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2008，8（13）.

[2]汪巍巍.多生理參數(shù)無(wú)線遠(yuǎn)程醫(yī)療健康監(jiān)護(hù)系統(tǒng)研究[D].電子科技大學(xué)，2013.

[3]劉向陽(yáng).無(wú)線通信技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用[J].中國(guó)醫(yī)療器械信息，2004，6（10）：47-49.

[4]Yun D，Kang J，Kim JE，et al.A body sensor network platform with two-level communications[C].Proc of IEEE Int Symp on Consumer Electronics，Washington：IEEE，2007.1-6.

作者單位

北京信息科技大學(xué)信息與通信工程學(xué)院 北京市 100101endprint