程嘉奇，謝　生，毛陸虹，陳力穎

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387)

基于UHF RFID技術(shù)的無線脈搏血氧監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

程嘉奇1，謝生1，毛陸虹1，陳力穎2

(1.天津大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300072；2.天津工業(yè)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，天津 300387)

摘要:針對我國人口老齡化和醫(yī)療資源緊張問題，設(shè)計了一種基于900MHz UHF RFID技術(shù)的無線脈搏血氧傳感系統(tǒng)。系統(tǒng)整體構(gòu)架由光電傳感器、微處理器、RFID標(biāo)簽、RFID閱讀器和上位機(jī)組成。光電傳感器和微處理器實時采集和處理脈搏血氧信號，RFID標(biāo)簽和閱讀器實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線通信，最終通過上位機(jī)完成數(shù)據(jù)收集和界面顯示。實驗結(jié)果表明：所設(shè)計系統(tǒng)與臨床用血氧檢測儀具有良好的一致性，且具有無線傳輸和低功耗的特點，為無線生物傳感芯片的設(shè)計開發(fā)提供了參考。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；射頻識別；健康監(jiān)測；可穿戴系統(tǒng)；血氧飽和度

0引言

根據(jù)聯(lián)合國最新發(fā)布的《世界人口展望》，未來50年全球老齡化規(guī)模和比例迅速上升，到2050年，60歲以上人口的比例預(yù)計達(dá)到22 %，老齡化已成為全球性問題[1,2]。為應(yīng)對我國人口老齡化高峰，民政部門、國有企業(yè)和消費(fèi)者在未來5年的醫(yī)療保健支出將增長2倍，達(dá)到8萬億元人民幣[3]。而據(jù)世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2012年中國每萬人口擁有醫(yī)生數(shù)僅為14.6人，遠(yuǎn)低于歐美等發(fā)達(dá)國家的水平[3]。因此，在當(dāng)前醫(yī)療資源緊張、就醫(yī)成本高及醫(yī)患關(guān)系復(fù)雜的環(huán)境下，如何充分利用信息技術(shù)構(gòu)建智慧醫(yī)療服務(wù)平臺成為醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)的研究熱點[4,5]。

近年來，隨著微電子、無線通信和傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新，使得物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)得到快速發(fā)展，并被廣泛應(yīng)用到醫(yī)療衛(wèi)生行業(yè)中，于是便于患者穿戴的醫(yī)療檢測設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生[6,7]。例如:劉廣偉等人利用2.4 GHz RFID技術(shù)，開發(fā)出可收集患者體溫和位置信息的生命體征定位系統(tǒng)[8]，但其并未涉及血氧脈搏信息的監(jiān)測；而劉元建等人則基于ZigBee技術(shù)設(shè)計了社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[9]，但由于功耗較高，可穿戴性差。最近，浙江大學(xué)的曹端喜等人基于WiFi技術(shù)開發(fā)出了穿戴式嗅覺機(jī)器人進(jìn)行氣味檢測[10]，然而WiFi技術(shù)成本較高。上述三種技術(shù)均基于2.4 GHz頻段，在同頻段內(nèi)易相互干擾，系統(tǒng)穩(wěn)定性較差。而符合ISO/IEC 18000—6C國際標(biāo)準(zhǔn)的、工作在900 MHz的UHF RFID由于成本和功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點，且與物聯(lián)網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)的融合性更好，因而具有更廣闊的應(yīng)用前景。然而截止目前尚未看到900 MHz UHF RFID技術(shù)和生命體征檢測相結(jié)合的研究報道。

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C 協(xié)議的UHF RFID系統(tǒng)的無線通信、抗干擾能力強(qiáng)和低功耗等特點，同時結(jié)合光電脈搏血氧傳感器和微處理器等電子設(shè)備，設(shè)計了一種可實時監(jiān)測和記錄患者脈搏血氧信息的生命特征傳感系統(tǒng)。實現(xiàn)了生命信息采集、數(shù)據(jù)處理、模塊間通信、無線傳輸和界面顯示等一系列功能，為實現(xiàn)可穿戴式的無線生物傳感芯片的設(shè)計開發(fā)提供了可借鑒的設(shè)計方案。

1檢測原理

對目前臨床廣泛使用的指夾式脈搏血氧檢測儀而言，其光電測試原理如圖1所示。發(fā)光二極管LED1和LED2分別發(fā)射紅光和紅外光，而人體組織另一側(cè)的光電探測器(PD)則負(fù)責(zé)接收透射光。由于血液中氧合血紅蛋白(HbO2)與還原血紅蛋白(Hb)對兩種發(fā)射波長光的吸收特性不同，所以，可用分光光度法測定兩種光的吸收量之比[11]。

圖1　光電脈搏血氧探頭的檢測原理圖Fig 1　Detecting principle of photoelectric pulse oximetry probe

由于皮膚、肌肉、骨骼及靜脈血等人體組織對光的吸收恒定，所以當(dāng)光透過這些組織后，PD可檢測到光強(qiáng)的直流分量。而動脈血中HbO2和Hb對光的吸收由血容量決定，所以,心臟搏動引起血容量的變化可由透射光的強(qiáng)弱來表征，即脈搏容積波形可直觀反映脈搏和透射光的交流分量。

根據(jù)光在人體組織中的擴(kuò)散傳輸理論和Lambert—Beer定律[12]，紅光透過人體組織后的變化率WR與紅外光的變化率WIR之比為

(1)

根據(jù)HbO2和Hb對兩種不同波長光的吸收特性，可推導(dǎo)出血氧飽和度SpO2與光強(qiáng)變化的關(guān)系式

(2)

由于脈搏容積波形隨心臟搏動周期性變化，所以,通過測量相鄰脈動峰間的時間差即可換算得出脈搏頻率[13]。

2脈搏血氧傳感系統(tǒng)的設(shè)計

2.1系統(tǒng)構(gòu)架

基于UHF RFID技術(shù)的脈搏血氧傳感系統(tǒng)的整體構(gòu)架如圖2所示，其主要包括傳感器節(jié)點、RFID閱讀器和主控上位機(jī)(PC)三部分。其中，傳感器節(jié)點由脈搏血氧探頭(Probe)、數(shù)據(jù)處理模塊(DPM)和射頻標(biāo)簽(RFID Tag)構(gòu)成。閱讀器通過USB接口和上位機(jī)相連接，二者共同負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)血氧脈搏傳感系統(tǒng)的管理任務(wù)，實時獲取所有節(jié)點的傳感信息，并規(guī)劃和協(xié)調(diào)各節(jié)點的行為[14]。傳感器探頭(probe)、數(shù)據(jù)處理模塊(DPM)和射頻標(biāo)簽(RFID tag)則分別負(fù)責(zé)脈搏血氧信息的采集、處理和傳輸。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2　Structure block diagram of system

2.2硬件設(shè)計

在實現(xiàn)系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，設(shè)備的小型化、低功耗和穿戴舒適性也是設(shè)計的重要指標(biāo)，所以,選擇合適的硬件是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵步驟之一。在本文的設(shè)計中，傳感器探頭選用APMKorea公司生產(chǎn)的脈搏血氧傳感器，完成光信號的采集和A/D轉(zhuǎn)換。選用STC12C5A60S2型單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理模塊，可以滿足系統(tǒng)在功耗、工作電壓和處理速度方面的要求[15]。RFID標(biāo)簽選用IDS Microchip公司的SL900A型UHF半有源標(biāo)簽芯片。其工作頻段為860～960 MHz，內(nèi)置片上EEPROM存儲器，可存儲數(shù)據(jù)信息，且功耗極低，記錄模式下的工作電流僅為200 μA。

節(jié)點的硬件連接如圖3所示。光電傳感器通過UART格式的RS—232通用接口與主控單片機(jī)STC12C5A60S2連接，以讀取傳感器中的血氧脈搏信息，而單片機(jī)通過SPI接口和通用I/O接口與 RFID標(biāo)簽相連，對標(biāo)簽運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行配置，并將傳感器采集的信息寫入標(biāo)簽內(nèi)置存儲器。

圖3　節(jié)點的硬件連接圖Fig 3　Diagram of node hardware connection

2.3軟件設(shè)計

系統(tǒng)工作流程如圖4所示。當(dāng)啟動系統(tǒng)主程序后，首先進(jìn)行初始化，然后等待上位機(jī)向閱讀器發(fā)送查詢傳感信息的命令。若未收到上位機(jī)的查詢命令，則系統(tǒng)保持初始狀態(tài)；若接收到查詢命令，則閱讀器通過空間電磁波向RFID標(biāo)簽順序發(fā)送選擇(select)、盤存(query)和訪問(access)命令。當(dāng)標(biāo)簽接收到查詢命令后，通過數(shù)據(jù)處理模塊向血氧脈搏傳感器發(fā)送使能信號激活傳感器，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，并將信息發(fā)送回數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對接收到的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行校驗。若通過格式校驗，則系統(tǒng)對所接收數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析處理，計算血氧飽和度和脈搏數(shù)值；若未通過校驗，則返回初始狀態(tài)重新測量。隨后數(shù)據(jù)處理模塊和標(biāo)簽通過SPI接口進(jìn)行通信，實現(xiàn)對標(biāo)簽的配置，通信數(shù)據(jù)如圖5所示。DPM向標(biāo)簽發(fā)送使能信號(sen)、系統(tǒng)時鐘(sclk)和數(shù)據(jù)輸入(datain)三種信號，在使能信號輸出高電平后，對應(yīng)系統(tǒng)時鐘發(fā)送三組數(shù)據(jù)輸入，分別為命令類別、存儲器地址和數(shù)據(jù)內(nèi)容，其中,命令類別0x00配置為寫入命令。RFID標(biāo)簽通過空間電磁波將脈搏血氧信息傳送回閱讀器和上位機(jī)。上位機(jī)中的脈搏血氧信息利用Microsoft Visual C++開發(fā)的圖形界面程序?qū)崟r顯示和記錄，以便醫(yī)護(hù)人員查閱患者的當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)。完成一次信息采集后，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，在定時器程序計時結(jié)束后，系統(tǒng)返回初始狀態(tài)，并重新開始下一輪數(shù)據(jù)采集處理流程。

圖4　軟件工作流程圖Fig 4　Working flow of software

圖5　SPI通信數(shù)據(jù)Fig 5　SPI communication data

3實驗結(jié)果與分析

基于上述設(shè)計思路和器件選型，搭建了如圖6所示的脈搏血氧傳感系統(tǒng)進(jìn)行驗證。為驗證本系統(tǒng)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，同時選用康泰CMS50F型脈搏血氧儀作為參考。實驗測試對象為10名無心肺疾病和家族遺傳史的成年人，靜坐3 min后開始測試，待觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄結(jié)果。血氧飽和度和脈率測試結(jié)果見表1。

圖6　脈搏血氧監(jiān)測系統(tǒng)的驗證平臺Fig 6　Verification platform of pulse oximetry monitoring system

編號年齡性別標(biāo)簽血氧飽和度/%脈率/bpm 血氧儀血氧飽和度/%脈率/bpm160男97759776260女98529853338女98769877437男96729673526女98769776626男98799779724男98529854824男99659965923男966297621023男98809780

由表1可見，盡管取樣患者的血氧飽和度和脈率存在個體差異，但本文設(shè)計的脈搏血氧監(jiān)測系統(tǒng)與康泰血氧儀的測量結(jié)果基本一致，血氧飽和度和脈率的最大誤差分別為±1 %,±2 bpm，如圖7所示。由此可見，本文設(shè)計系統(tǒng)可精確、實時地采集脈搏和血氧飽和度信息，實現(xiàn)傳感標(biāo)簽和閱讀器間的無線通信，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖7　脈率和血氧飽和度的誤差分析Fig 7　Error analysis of pulse rate and blood oxygen saturation

4結(jié)論

本文基于符合ISO/IEC 18000—6C協(xié)議的 UHF RFID技術(shù)，設(shè)計了一種可實時監(jiān)測患者脈搏血氧信息的無線傳感系統(tǒng)，并與臨床用脈搏血氧儀進(jìn)行了對比實驗。二者血氧飽和度的最大測量誤差為±1 %，而脈率的最大測量誤差為±2 bpm。實驗結(jié)果表明：本文設(shè)計的脈搏血氧傳感系統(tǒng)與臨床用血氧檢測儀具有良好的一致性，且具有低功耗和無線傳輸?shù)奶攸c，為未來無線傳感芯片的設(shè)計提供了設(shè)計參考。

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Design of wireless pulse oximetry monitoring system based on UHF RFID technique*

CHENG Jia-qi1,XIE Sheng1,MAO Lu-hong1,CHEN Li-ying2

(1.School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China；2.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China)

Abstract:To relieve social issues caused by population-aging and insufficient medical resources,a wireless pulse oximetry monitoring system based on 900MHz UHF RFID technique is designed.The whole system is composed of photoelectric sensor,microprocessor,RFID tag，RFID reader and host computer.Photoelectric sensor and microprocessor realtime acquire and process pulse and oxygen saturation signal,RFID tag and reader realize wireless communication of data.Finally,the host computer achieves data acquisition and real-time displays.The experimental results show that the designed monitoring system can has characteristics of wireless transmission,and low power consumption provide a reference for design and development of wireless biosensing chip.

Key words:wireless sensor networks(WSNs);RF identification;health monitoring;wearable system;oxygen saturation

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)05—0070—04

收稿日期：2015—09—24

*基金項目：天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(15JCYBJC16300)

中圖分類號：TP 212.3;TP 274.2

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)05—0070—04

作者簡介:

程嘉奇(1992-)，男，河北邢臺人，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字集成電路設(shè)計、射頻識別技術(shù)。