薛俊偉 黃岳山 杜 欣 吳秀勇 曾偉杰 席玉勝陳益民 趙 毓 吳 凱#*

1(華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，廣州 510006)2(中國人民解放軍第421醫(yī)院，廣州 510318)3(華南理工大學(xué)校醫(yī)院，廣州 510640)

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藍(lán)牙低功耗可穿戴血氧監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)

薛俊偉1黃岳山1杜 欣1吳秀勇1曾偉杰2席玉勝2陳益民2趙 毓3吳 凱1#*

1(華南理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系，廣州 510006)2(中國人民解放軍第421醫(yī)院，廣州 510318)3(華南理工大學(xué)校醫(yī)院，廣州 510640)

設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的可穿戴血氧飽和度監(jiān)測設(shè)備，用于實(shí)時(shí)、連續(xù)檢測人體血氧飽和度和脈率。主要工作包括設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)耳夾式光電傳感器、太陽能電池插接件以及藍(lán)牙模塊等核心部件。設(shè)備和硬件設(shè)計(jì)采用低功耗元件及模塊，數(shù)據(jù)通過低功耗藍(lán)牙技術(shù)傳至手機(jī)App，軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)據(jù)發(fā)送策略，具有低功耗、可穿戴、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，適合戶外運(yùn)動或者缺氧性疾病的血氧監(jiān)測。測試表明，設(shè)備藍(lán)牙通信誤碼率最終控制為0，脈率精度高達(dá)98.0%，當(dāng)模擬儀輸出血氧飽和度大于75%時(shí)，設(shè)備的檢測精度高達(dá)97.9%。此外，創(chuàng)新性地使用太陽能電池進(jìn)行冗余供電，整機(jī)待機(jī)電流為11 μA，全功率工作時(shí)長為18 h以上，續(xù)航性能優(yōu)于市面上主流的指夾式血氧儀。

可穿戴；藍(lán)牙；低功耗；血氧監(jiān)測

引言

在大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，社區(qū)醫(yī)療是病人首先的求醫(yī)之處。不同于我國以病患為基礎(chǔ)的疾病驅(qū)動型就醫(yī)環(huán)境，社區(qū)醫(yī)療是以人群為基礎(chǔ)的醫(yī)療服務(wù)，盡最大可能地保證醫(yī)療數(shù)據(jù)完整性。這對于防治慢性病、老年病具有明顯的優(yōu)勢。根據(jù) Deloitte Consulting 發(fā)布的《2020年健康醫(yī)療預(yù)測報(bào)告》，2012年世界經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織國家(OECD)人均壽命為80歲，中國為75歲[1]。預(yù)計(jì)到2050年，我國老齡化率將達(dá)到人口總數(shù)的30%，這種情況給社會和家庭帶來的壓力不容忽視。在我國社區(qū)醫(yī)療水平發(fā)展乏力的形勢下，對慢性病、老齡化人群的健康監(jiān)護(hù)主要依賴家庭環(huán)境下親屬的照料。血氧飽和度作為人體生命體征的關(guān)鍵參數(shù)，對睡眠質(zhì)量、心肺功能、血液循環(huán)等具有強(qiáng)相關(guān)性，而對上述兩類人群的血氧飽和度的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)尤為重要[2]?；诖耍O(shè)計(jì)開發(fā)了藍(lán)牙低功耗可穿戴血氧監(jiān)測設(shè)備，成品價(jià)格遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的大中型監(jiān)護(hù)儀，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，便攜性和精確度都能滿足日常需求。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)作為醫(yī)院診治的重要參考依據(jù)，可以達(dá)到對慢性疾病、隱性疾病的及早預(yù)防[3-4]。

本文闡述了基于藍(lán)牙4.0(BLE)的可穿戴脈搏血氧儀的設(shè)計(jì)，理論基礎(chǔ)是Lambert-Bear定律。設(shè)備硬件采用MSP430FR鐵電系列低功耗微處理器和冗余太陽能電池供電系統(tǒng)，以降低功耗并延長續(xù)航時(shí)間。采用耳夾式血氧探頭，可以在用戶靜息狀態(tài)下精準(zhǔn)地采集到血氧飽和度以及脈率數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使用了TI公司的集成模擬前端(AFE)，包含22位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的低噪聲接收器通道、LED驅(qū)動和狀態(tài)檢測部件，同時(shí)，芯片提供可編程數(shù)字信號濾波器。模擬前端通過SPI與低功耗混和信號微處理器MSP430通信，經(jīng)過MCU的運(yùn)算，將輸出的血氧、脈率等數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙模塊發(fā)送到具備BLE功能的智能移動終端[5]。產(chǎn)品外觀為帽子形式，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)見圖1，PCB板和電源放置在帽子內(nèi)襯中，其中帽檐和外側(cè)材料是太陽能受光體。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Device hardware block diagram

1.1.1 模擬前端

TI公司的AFE44x0是一款需要少量外圍電路便能工作的低功耗集成模擬前端，常用于血氧飽和度檢測和光學(xué)脈率測量。實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)在使用3.0V的LDO電源供電情況下，AFE44x0的工作電流穩(wěn)定在670μA以下。芯片的靈活性很高，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行配置[6]。芯片可對LED驅(qū)動電流進(jìn)行8位電流分辨率的編程，實(shí)現(xiàn)不同使用環(huán)境的切換。除了內(nèi)部的可編程數(shù)字濾波器之外，芯片還具有掉電檢測、LED 故障檢測的能力。本設(shè)計(jì)中，模擬前端使用一個(gè) SPI 接口與外部微控制器通信。

1.1.2 混合信號處理器

眾多的便攜式醫(yī)療儀器都在使用MSP430系列的混合信號處理器。AFE芯片通過SPI傳輸過來的攜帶血氧信息的光電數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)計(jì)算和傳輸，因此本設(shè)計(jì)選擇了數(shù)據(jù)存儲容量為16KB的鐵電存儲器(FRAM)系列處理器。相比于MSP430G系列處理器，MSP430FR鐵電系列微處理器具有的顯著優(yōu)勢是內(nèi)部使用了速度更快、功耗更低的鐵電存儲器RFAM，足以滿足血氧飽和度實(shí)時(shí)計(jì)算和控制藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)的要求[7-8]。FR系列處理器具有可達(dá)24MHz的CPU速度，可使用(1.8-3.6)V寬電壓。

設(shè)計(jì)編程時(shí)，需要注意的是MSP430FR系列處理器的FRAM存儲器容量使用需要修改IAR中的存儲器地址映射表。在IAR SystemsEmbedded Workbench 6.0 Evaluation430config文件夾下找到對應(yīng)的處理器配置文件。修改它，將放在RAM中的段數(shù)據(jù)按照需求，選擇性地映射到FRAM中即可。其中，放在RAM區(qū)域內(nèi)的是動態(tài)數(shù)據(jù)：

-Z(DATA)DATA16_I,DATA16_Z,DATA16_N,TLS16_I,DATA16_HEAP+_DATA16_HEAP_SIZE=1C00-1FFF

本設(shè)計(jì)根據(jù)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)大小的需要，將動態(tài)數(shù)據(jù)放到了FRAM中：

-Z(DATA)DATA16_I,DATA16_Z,DATA16_N,TLS16_I,DATA16_HEAP+_DATA16_HEAP_SIZE=C200-FFFF

xcl文件不能在工程中修改，否則程序無法編譯。

1.1.3 藍(lán)牙低功耗芯片

MSP430處理后的血氧數(shù)據(jù)通過UART發(fā)送到藍(lán)牙芯片。設(shè)計(jì)的脈搏血氧儀使用BLE與智能手機(jī)通信。TI公司的CC2540在對功耗敏感的便攜式醫(yī)療電子儀器設(shè)計(jì)領(lǐng)域使用廣泛，可以配置4種工作模式和其他功能，包括智能休眠的低功耗模式[9]。

CC2540只需要搭配很少的外圍電路就能運(yùn)行，可以在主從模式下任意切換。圖2是設(shè)計(jì)的BLE芯片所使用的印制倒F型天線(inverted-F antenna)的原理圖以及在 PCB上的布置。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)計(jì)簡單，在尺寸為45 mm×32 mm的電路板上占用的空間很小[10]。天線的下方避免電源及信號走線，盡量做挖空處理，減少干擾。

圖2 CC2540倒F型天線。 (a)原理圖；(b)PCB圖Fig.2 IFA of CC2540. (a)Schematic; (b)PCB

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

可穿戴式的醫(yī)療設(shè)備除了功能上的嚴(yán)謹(jǐn)性之外，還要考慮設(shè)計(jì)上的舒適性、數(shù)據(jù)存取的高效性，用戶操作的方便性[11]。本設(shè)計(jì)基于功耗和數(shù)據(jù)的平衡，對采樣率為250SPS的AFE44x0采集到的大量原始血氧數(shù)據(jù)進(jìn)行了按需抽取，同時(shí)對通信協(xié)議進(jìn)行優(yōu)化，并對系統(tǒng)設(shè)定不同的工作模式。

1.2.1 通信協(xié)議

UART口在這里被用作脈搏血氧儀和Android 4.4/iOS手機(jī)的通信接口。血氧數(shù)據(jù)需要繪制出穩(wěn)定的波形，除了硬件上需要對射頻天線進(jìn)行不斷的調(diào)試優(yōu)化，通信協(xié)議也是影響數(shù)據(jù)穩(wěn)定的主要因素。本設(shè)備數(shù)據(jù)幀封包固定為11個(gè)字節(jié)長，最后測試發(fā)現(xiàn)效率和功耗是最優(yōu)的，數(shù)據(jù)丟包率可降到不影響血氧算法的實(shí)現(xiàn)[12]。通信協(xié)議如下：

1)包頭：0x55 0xAA。固定的數(shù)據(jù)包頭，指示該幀數(shù)據(jù)正確的開始。

2)數(shù)據(jù)位：包括24位脈搏血氧飽和度波形數(shù)據(jù)、8位血氧飽和度值、16位預(yù)留值和8位脈率值數(shù)據(jù)。

3)校驗(yàn)位：用于驗(yàn)證數(shù)據(jù)。確保數(shù)據(jù)的完整性。

4)總長度：固定值，以確保數(shù)據(jù)的完整性。

1.2.2 工作模式

為了滿足用戶的不同需求，該設(shè)備有兩種工作模式可供選擇。可以持續(xù)檢測血氧飽和度或者獲得在有限時(shí)間(6 s)內(nèi)的測量結(jié)果，這個(gè)時(shí)間可以通過移動終端App修改。

可穿戴脈搏血氧儀可以連續(xù)地監(jiān)測血氧飽和度，此時(shí)血氧飽和度和脈率的數(shù)據(jù)吞吐量很大，在設(shè)計(jì)時(shí)可以選擇在MCU處擴(kuò)展存儲，或者直接選擇在CPU性能強(qiáng)勁的手機(jī)端進(jìn)行計(jì)算[13-15]。毫無疑問，后者是方便且可以節(jié)省很多資源開銷的。

1.3 系統(tǒng)測試方法

對系統(tǒng)進(jìn)行了佩戴、通信穩(wěn)定性、功耗和檢測精度的測試。

測試佩戴舒適度時(shí)，除了耳夾式血氧探頭需要夾在耳垂處，帽子整體外觀和佩戴方式與普通帽子無異。要求測試者佩戴血氧帽子以及探頭進(jìn)行正常的活動[16]。當(dāng)測試者提出任何不適或者其他影響到測試進(jìn)行的問題時(shí)，測試結(jié)束，統(tǒng)計(jì)佩戴時(shí)長和出現(xiàn)的問題。

通信穩(wěn)定性測試時(shí)，選擇FT232RL的USB有線通信方式作為標(biāo)準(zhǔn)參照，分別使用進(jìn)口非安卓手機(jī)和國產(chǎn)安卓手機(jī)作為血氧檢測設(shè)備的接收端。在4～5 m范圍之間，設(shè)定采樣率為250SPS和125SPS兩種模式，分別采用4 800～115 200 bit/s之間不同的5種波特率，進(jìn)行持續(xù)5 min的血氧原始數(shù)據(jù)透明傳輸，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差。

本設(shè)備除了配置大容量鋰電池供電外，還具有太陽能冗余電源系統(tǒng)。實(shí)際測試時(shí)，分別進(jìn)行了單一電源供電和雙電源供電的功耗檢測，采用了多次測量不同狀態(tài)下的工作電流取均值的方法，并選用了成熟的國產(chǎn)指夾型血氧儀產(chǎn)品進(jìn)行功耗對比。其中，增加太陽能電池后的設(shè)備續(xù)航時(shí)間測試，選擇了3種日光照射條件不同的天氣狀態(tài)[17]。

精度檢測主要是使用美國FLUKE公司的血氧模擬儀NDEX2XLF對設(shè)備的血氧飽和度和脈率計(jì)算結(jié)果進(jìn)行測試，對照組選用國產(chǎn)指夾型血氧儀。分3組進(jìn)行測試，設(shè)定模擬儀輸出脈率分別為40、60、70 beat/min。在不同的脈率下，分別使用模擬儀設(shè)定60%～99%之間5個(gè)不同的血氧飽和度值。進(jìn)行5次有效測試后，取測量結(jié)果的平均值取整作為測試結(jié)果。

2 結(jié)果

2.1 佩戴測試結(jié)果

作為可在戶外使用的低功耗可穿戴血氧檢測設(shè)備，產(chǎn)品的最終形式為耳機(jī)/帽子形，耳夾處為血氧探頭。最終外形設(shè)計(jì)如圖3所示，PCB電路板的大小為45mm×32mm，可以嵌入到帽子內(nèi)襯中，血氧探頭通過定制的USB線纜插入電路板(電路板位于圖5中紅色圓圈標(biāo)記處)。而帽體的外表面為太陽能電池的受光體，增加了光電轉(zhuǎn)化效果。

圖3 產(chǎn)品外形(帽檐和外側(cè)為太陽能材料)Fig.3 Product appearance (Hat surface is the solar material)

最終帽子的大小和質(zhì)量并沒有改變太多，根據(jù)測試者反饋，大于兩個(gè)小時(shí)的佩戴使用后，耳垂處會輕微發(fā)紅，只是由于定制的耳夾探頭過緊造成的，佩戴無其他不適感。

2.2 通信穩(wěn)定性測試結(jié)果

藍(lán)牙穩(wěn)定性測試時(shí)，經(jīng)過持續(xù)5 min的血氧原始數(shù)據(jù)(ADC 22bit/250SPS)傳輸測試發(fā)現(xiàn)，串口的波特率對數(shù)據(jù)接收的穩(wěn)定性影響如表1所示。

表1 藍(lán)牙穩(wěn)定性測試1

結(jié)果表明，進(jìn)口非安卓手機(jī)表現(xiàn)出了很好的性能，而采用安卓系統(tǒng)的國產(chǎn)手機(jī)則丟包嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)手機(jī)卡死狀態(tài)，這與安卓系統(tǒng)的底層藍(lán)牙數(shù)據(jù)處理機(jī)制有關(guān)。對照組使用FT232RL芯片連接PC的USB端口和MCU直接采集數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)抽樣至125SPS(ADC 22bit/125SPS)后，重復(fù)上面的測試，結(jié)果如表2所示。

表2 藍(lán)牙穩(wěn)定性測試2

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最終數(shù)據(jù)抽樣至125SPS，設(shè)定通信波特率為9 600 bit/s，通信可以保持穩(wěn)定，數(shù)據(jù)誤差是0。

2.3 整機(jī)功耗測試結(jié)果

可穿戴設(shè)備是否能達(dá)到要求的一個(gè)很大的因素就是設(shè)備的功耗控制。一方面，低功耗的可穿戴設(shè)備需要有先進(jìn)工藝設(shè)計(jì)出的功耗很低的芯片。在可穿戴血氧儀的設(shè)計(jì)中，所選用的處理器、模擬前端和藍(lán)牙均屬于低功耗系列芯片。另一方面，優(yōu)秀的電源管理電路，可以在電路功率控制上起到很大的作用。通常，把復(fù)雜度較高的算法放在智能移動終端實(shí)現(xiàn)，也可降低可穿戴設(shè)備的功耗。

2.3.1 單一鋰電池供電測試結(jié)果

表3給出了使用300 mAH鋰電池供電時(shí)，在休眠狀態(tài)下和工作狀態(tài)下本設(shè)備的平均電流。選用國產(chǎn)指夾型血氧儀進(jìn)行對照實(shí)驗(yàn)，對照組血氧儀沒有進(jìn)行間斷檢測血氧飽和度的功能。從測試數(shù)據(jù)可知，等待藍(lán)牙連接和進(jìn)行連續(xù)檢測時(shí)，設(shè)備的工作電流均小于商業(yè)產(chǎn)品。在深度睡眠時(shí)，設(shè)備的耗電流比對照組大2 μA，屬于電壓檢測部分的漏電流。

表3 不同運(yùn)行狀態(tài)下的電流消耗

2.3.2 太陽能冗余電源續(xù)航測試結(jié)果

將3組每組4個(gè)本設(shè)備同時(shí)放置在窗臺，開啟藍(lán)牙向PC傳輸數(shù)據(jù)，測試不同天氣下的續(xù)航能力。對照組A為沒有增加太陽能電池模塊的本設(shè)備，對照組B是國產(chǎn)指夾型血氧儀，3組設(shè)備均使用300 mAH鋰電池作為主電源，實(shí)驗(yàn)組插接了太陽能電池模塊作為冗余電源。分別取每組4個(gè)設(shè)備電量耗盡的平均時(shí)間為續(xù)航時(shí)長。

表4 增加太陽能電池后續(xù)航測試

測試發(fā)現(xiàn)，設(shè)備睡眠模式基本無電量消耗，裝配太陽能電池后可以多出7.6%～18.1%的續(xù)航時(shí)間。

2.4 精度測試結(jié)果

圖4 是在Matlab上實(shí)現(xiàn)的去除基線漂移和運(yùn)動偽噪的結(jié)果。圖5是算法移植到iOS上的運(yùn)行界面。

處理結(jié)果顯示，運(yùn)動偽噪和基線漂移都被很好的濾掉了，濾波后的數(shù)據(jù)曲線平滑，峰值明顯，便于提取后續(xù)計(jì)算血氧飽和度的數(shù)據(jù)。

App接收到數(shù)據(jù)后，通過JAVA/ Objective-C編寫中值濾波算法、滑動平均算法和LMS算法，都比在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)要快捷高效。同時(shí)，在App中進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，使可穿戴設(shè)備作為純粹的數(shù)據(jù)采集和傳輸角色，節(jié)省電量消耗。

圖5 血氧檢測及App運(yùn)行界面Fig.5 Running interface of the App for SpO2 monitoring

結(jié)果表明，在iOS上實(shí)現(xiàn)了經(jīng)過Matlab驗(yàn)證的算法，并且藍(lán)牙數(shù)據(jù)通信穩(wěn)定。

表5是使用血氧模擬儀NDEX2XLF對本設(shè)備和對照組的國產(chǎn)指夾型血氧儀進(jìn)行測試的結(jié)果。該測試結(jié)果表明，在血氧飽和度小于75%時(shí)，國產(chǎn)指夾型血氧儀測到的數(shù)據(jù)明顯失準(zhǔn)，而本設(shè)備未檢測到血氧值。在血氧飽和度達(dá)到75%以上時(shí)，本設(shè)備的檢測精度為97.9%，低于國產(chǎn)指夾型血氧儀。脈率檢測精度達(dá)到98.0%，測試結(jié)果優(yōu)于對照組的國產(chǎn)指夾型血氧儀。

表5 血氧儀精度測試

注：單位%/bpm表示血氧飽和度/脈率

Note：%/bpm means oxygen saturation/ pulse rate

3 討論和結(jié)論

該可穿戴血氧儀的設(shè)計(jì)目的是以低功耗測量用戶的血氧飽和度和脈率。對于特殊的使用要求，如戶外運(yùn)動的血氧監(jiān)測以及家庭監(jiān)護(hù)等，設(shè)備在功能上也進(jìn)行了考慮，如帽子的外形和太陽能電池的加入。同時(shí)，設(shè)備對穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)精度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制。

設(shè)備數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的控制，需要確保供電的穩(wěn)定性和信號線的合理設(shè)計(jì)。解決方案包括：

1)AFE和MCU模擬電路部分需要低噪聲電源，故采用LDO；數(shù)字電路部分的電流消耗很小，因此統(tǒng)一采用LDO。

2)針對多芯片工作時(shí)的電源紋波，使用合適的濾波電容，檢查元件S-1721A3030的5腳和6腳應(yīng)有3.0V電壓，紋波很小。

3)為了消除各模塊電源之間互相影響，采用多路LDO對設(shè)備不同的模塊供電，同時(shí)采用了分開的地線，最后單點(diǎn)共地。

4)對血氧探頭的信號線采用了差分布線，同時(shí)增加線寬，探頭連接線選用具有屏蔽線的高質(zhì)量線纜[18]。

本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功耗控制在了比較優(yōu)秀的水平，主要的方法有：

1)將血氧探頭設(shè)計(jì)在了耳垂處，使用較低的電流驅(qū)動LED，便能達(dá)到指夾式血氧儀的檢測效果。

2)將AFE采集到的數(shù)據(jù)抽樣發(fā)送到移動終端進(jìn)行復(fù)雜的算法運(yùn)算，避免了MCU的高度負(fù)荷和功耗浪費(fèi)。

3)使用低功耗芯片和模塊。

4)具有太陽能冗余電源。

設(shè)備還有需要改進(jìn)的地方，主要包括成本控制和使用體驗(yàn)的優(yōu)化：

1)當(dāng)前設(shè)備的血氧檢測精度還沒達(dá)到主流產(chǎn)品的水平，特別是運(yùn)動狀態(tài)下的血氧飽和度檢測失準(zhǔn)嚴(yán)重，需要在算法上進(jìn)一步優(yōu)化。

2)當(dāng)前設(shè)備通過BLE將血氧等信息傳輸?shù)揭苿咏K端后，只能進(jìn)行本地查看，下一步工作將增加云端同步查閱的功能[19]。

3)對設(shè)備穩(wěn)定性的嚴(yán)格控制使產(chǎn)品的質(zhì)量得到提升，但是同時(shí)也增加了物料成本，所以對比主流的國產(chǎn)指夾型血氧儀，本產(chǎn)品沒有價(jià)格優(yōu)勢，接下來將測試性能達(dá)標(biāo)的低價(jià)芯片，壓縮硬件成本。

本實(shí)驗(yàn)研究了藍(lán)牙低功耗可穿戴血氧監(jiān)測設(shè)備的設(shè)計(jì)，通過與市場上主流的產(chǎn)品對比發(fā)現(xiàn)：

1)設(shè)備兼顧了實(shí)用性和便攜性，帽子表面覆蓋的太陽能電池材料對續(xù)航時(shí)間的增加效果明顯。

2)本設(shè)備佩戴的方式?jīng)Q定了它可以持續(xù)監(jiān)測血氧飽和度，不會影響用戶的正常活動。

3)設(shè)備使用藍(lán)牙4.0技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，與其配對的BLE移動終端也能在低功耗狀態(tài)下通信，而當(dāng)前大部分同類產(chǎn)品還在使用舊版本藍(lán)牙，即使部分雙模BLE移動終端可以與其兼容通信，也不可避免會影響終端的功耗。

測試發(fā)現(xiàn)，本設(shè)備的精度還需進(jìn)一步改進(jìn)算法，但是功耗和外觀設(shè)計(jì)達(dá)到了較好的水平，對可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

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Design of a Wearable Device for SpO2Monitoring Using BLE

Xue Junwei1Huang Yueshan1Du Xin1Wu Xiuyong1Zeng Weijie2Xi Yusheng2Chen Yimin2Zhao Yu3Wu Kai1#*

1(DepartmentofBiomedicalEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China)2(No. 421HospitalofPLA,Guangzhou510318,China)3(HospitalofSouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

In this paper, we designed a wearable device for oxygen saturation monitoring, which can achieve real-time detection of SpO2. We designed and implemented several key modules, including a clip-on photoelectric sensor, an interface module of solar cell, and a module of bluetooth low energy (BLE). The hardware design used energy efficient components and modules. Monitoring data were transferred to the application of cellphone by BLE technology. The software design adopted an optimized strategy of data transmission. The wearable device has features of low power, wearable, and reliable, and thus is suitable for outdoor activities and oxygen saturation monitoring for hypoxic diseases patients. Test results showed that the final error rate of the bluetooth communication was 0 and the pulse rate was 98.0%. Most importantly, the accuracy of the oxygen saturation was 97.9% when the output of simulator was above 75%. Moreover, we also designed a power supply module using solar cell, in which the machine standby current was 11 μA and the battery life at peak power was more than 18 h. The cell performance of our device was better than those of fingertip pulse oximeters.

wearable; bluetooth; energy efficient; oxygen saturation monitoring

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.009

2015-06-08， 錄用日期:2015-09-26

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(31400845)；廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Y2-00062)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013B021800027)

R318.6

A

0258-8021(2015) 06-0701-07

# 中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會會員(Member, Chinese Society of Biomedical Engineering)

*通信作者(Corresponding author)， E-mail:kaiwu@scut.edu.cn