一种无线脉搏血氧仪的制作方法
【专利摘要】一种无线脉搏血氧仪，有用于采集人体血氧的血氧采集系统，用户端智能手机和对所采集的人体血氧进行处理和存储的云端服务器，血氧采集系统通过蓝牙协议与用户端智能手机进行通信，用户端智能手机通过HTTP协议与云端服务器进行通信。血氧采集系统包括有具有蓝牙功能的控制电路，用于向手指提供光源的发光二极管，用于通过手指采集人体血氧光信号的光频转换器，发光二极管的电源输入端通过光源驱动电路连接控制电路的输出驱动端，光频转换器的输出端连接控制电路的信号输入端，所述控制电路通过蓝牙协议与用户端智能手机进行通信，控制电路还分别连接电源单元和显示器。本发明减少了复杂的模拟电路带来的噪声，简化了系统的结构，实现了采集模块的小型化。
【专利说明】一种无线脉搏血氧仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种血氧仪。特别是涉及一种无线脉搏血氧仪。
【背景技术】
[0002]动脉血液中的氧对维持人的生命具有极为重要的意义，动脉中氧的含量是判断人体组织是否缺氧的重要指标之一。组织的供养能力不足会导致组织的代谢、功能和形态结构发生异常变化，这是一种病理过程，医学上称之为缺氧。缺氧临床上常常出现的一种疾病之一，生命重要器官如大脑、心脏等缺氧是导致机体死亡的重要原因之一，血氧饱和度直接反应了人体新陈代谢中氧代谢的状况。血氧仪能及时的检测出人体是否缺氧，从而避免由于缺氧而导致的各种疾病或死亡，因此人体血氧饱和度的无线测量和远程分享系统具有广泛的应用前景和重要的实用价值。
[0003]血氧饱和度的测量方式按照对人体是否有创伤来划分可以分为有创测量和无创测量两种方法。有创伤的血氧饱和度测量方法又分为电化学分析法和光密度法两种，有创伤的测量首先要用设备破坏人体组织进行采血，然后用专用仪器对所采集的血液进行电化学分析，最后通过分析的结果计算血氧饱和度。这种方式需要使用采血设备对人体进行采血，是有创测量，电化学分析过程时间长、过程复杂。费用较高且无法对人体血氧饱和度进行连续监测是这种血氧饱和度测量方式的最大缺点。这种方法测量的优点在于测量血氧饱和度的结果非常准确，可以应用在全麻手术、新生婴儿监护等许多需要准确测量血氧饱和度数值的场合。另一种有创测量方法也是需要使用采血器对人体进行采血，然后利用医疗仪器测定从人体动脉中抽取的血液的光密度，最后通过测量光密度的结果计算出血氧饱和度。这种方法是临床上准确测量血氧饱和度的方法之一。这种方法的理论依据是朗伯-比尔定律，并利用了氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在不同的光波长的条件下对光的吸收系数不同的特性进行计算，这种测量方式的原理已经发展成为无创测量血氧饱和度的基础。由于有创测量具有有创、费时、费力且无法连续测量的缺点，所以为了解决血氧饱和度测量的这些缺点，人们发明了无创测量血氧饱和度的方法，此方法以朗伯-比尔定律为基础，利用氧合血红蛋白和脱氧血红蛋白在光谱吸收上的特点实现了脉搏血氧饱和度的无创伤、低成本、准确、实时测量。
[0004]随着科学技术的在近年来的快速发展，嵌入式处理器在运行速度和功能上得到了很大提高，使得便携式设备的性能逐渐增强，市场占有率逐步增多[1]，特别是最近几年智能手机、平板电脑和1S及Andr1d等嵌入式操作系统的迅速发展与普及，便携式通讯设备已不再是单纯的通讯工具，而可以把便携式通讯设备作为一个人体健康状况记录终端，并把个人健康信息上传到云端服务器，实现人体健康信息的无线测量、远程分享和可视化管理。据有关资料显示，截止到2010年我国手机用户已经超过7.4亿，其中智能手机又占了很大的比重[2]，智能手机作为人体健康状况记录终端将具有很大的应用潜力。
[0005]血氧仪是测量血氧饱和度的重要医疗仪器，传统的医疗仪器都是单独的有线医疗仪器，需要专业的医护人员操作血氧仪来对用户进行测量，并最终记录下测量结果。在没有专业的医护人员的情况下，用户难以实现正确的测量以及测量结果的正确读取。
[0006]如图1所示，传统血氧仪主要包括:MCU、光源控制电路、光源、光电检测器件、脉搏波处理电路组成。
[0007]MCU控制整个系统协调工作，通过光源控制电路控制并调节光源发出时分复用的光脉冲，使光满足测量条件；光电接收器件接收透射光并进行信号调理，将时分复用的光脉冲信号进行双光束分离，再经过低通滤波还原为连续的容积脉搏波，然后进行交直流分离，并分别控制信号增益，最后对信号进行模数转换送入MCU进行脉搏波识别并计算出血氧饱和度。这种血氧仪模拟电路复杂，电路参数要求较高，所以性能指标也收到很大限制。这种系统只是单独的医疗仪器，使用不便，无法实现血氧饱和度的无线测量、测量结果的可视化管理和远程分享。随着人们对血氧仪的要求不断提高，这种血氧仪已经不能满足人们对医疗保健用品的需求。
[0008]特别是随着移动互联的发展，人们对医疗保健系统的要求不断提高，如要求医疗保健设备便于携带、使用方便、操作简单等，所以医疗保健必然向小型化、无线化、操作简单等方向发展。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现采集模块小型化的无线脉搏血氧仪。
[0010]本发明所采用的技术方案是:一种无线脉搏血氧仪，包括有用于采集人体血氧的血氧采集系统，用户端智能手机和对所采集的人体血氧进行处理和存储的云端服务器，其中，所述的血氧采集系统通过蓝牙协议与所述的用户端智能手机进行通信，所述的用户端智能手机通过HTTP协议与所述的云端服务器进行通信。
[0011]所述的用户端智能手机还通过网络邮件与其它用户进行通信。
[0012]所述的血氧采集系统包括有具有蓝牙功能的控制电路，用于向手指提供光源的发光二极管，用于通过手指采集人体血氧光信号的光频转换器，其中，所述的发光二极管的电源输入端通过光源驱动电路连接所述的控制电路的输出驱动端，所述的光频转换器的输出端连接控制电路的信号输入端，所述控制电路通过蓝牙协议与所述的用户端智能手机进行通信，所述的控制电路还分别连接电源单元和显示器。
[0013]所述的发光二极管是采用双波长发光二极管。
[0014]所述的控制电路还连接用于控制控制电路中的蓝牙工作和用于使控制电路复位的按键及复位电路。
[0015]所述的光频转换器包括有接收光信号的光电二极管和与所述的光电二极管的信号输出相连的电流频率转换器，所述电流频率转换器输出的脉冲信号连接所述的控制电路信号输入端。
[0016]所述的电源单元包括有用于提供电源的电池，通过接口与电池相连，用于给电池充电的充电电路，所述的电池是通过一个电源稳压控制电路连接控制电路。
[0017]所述的充电电路包括有充电芯片Ul，所述的充电芯片Ul分别连接电池接口 JI和电源接口 J2，所述充电芯片Ul还连接控制电路。
[0018]所述的电源稳压控制电路包括有稳压芯片U3，所述的稳压芯片U3的电源输入端连接电池的正极，稳压芯片U3的电源输出端分为三路，一路构成VDD电源输出端，第二路通过电容C9接地，第三路通过电阻R5连接三极管Q2的基极，以及直接连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极构成VCC电源端，所述三极管Q2的基极还通过电阻R4连接三极管Ql的集电极，三极管Ql的发射极接地，基极通过电阻R3连接控制电路中的电平输出端PCTLo
[0019]所述的按键及复位电路包括有按键SI和复位芯片U6，其中，所述按键SI的一端分两路，一路连接控制电路中的蓝牙输出端KEY，另一路通过电阻RlO连接电源VDD，所述按键SI的另一端接地，所述复位芯片U6分别连接控制电路中的复位端RST和蓝牙输出端KEY，以及连接电源VDD。
[0020]本发明的一种无线脉搏血氧仪，利用集成了蓝牙协议栈的单片机作为处理器，控制双波长发光二极管按照设计的时序发光，并使用光频转换器件作为传感器直接对光电容积脉搏波信号直接进行数字化，减少了复杂的模拟电路带来的噪声，简化了系统的结构，实现了采集模块的小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1是现有技术的脉搏血氧仪的构成框图；
[0022]图2是本发明的无线脉搏血氧仪的构成框图；
[0023]图3是本发明中血氧采集系统的构成框图；
[0024]图4是本发明中光频转换器的构成框图；
[0025]图5是本发明中控制电路的电路原理图；
[0026]图6是本发明中光源驱动电路的电路原理图；
[0027]图7是本发明中电源单元的构成框图；
[0028]图8是本发明中充电电路的电路原理图；
[0029]图9是本发明中电源稳压控制电路的电路原理图；
[0030]图10是本发明中按键及复位电路的电路原理图。
[0031]图中
[0032]1:血氧采集系统2:蓝牙协议
[0033]3:用户端智能手机4:HTTP协议
[0034]5:云端服务器6:其它用户
[0035]11:单片机12:光源驱动电路
[0036]13:发光二极管14:光频转换器
[0037]15:显示器16:电源单元
[0038]17:手指18:按键及复位电路
[0039]101:光源102:手指
[0040]103:光电接收器件104:信号调理单元
[0041]105:双光束分离单元106:交直流分离单元
[0042]107:增益控制电路108:滤波电路
[0043]109:A/D 转换单元110:MCU
[0044]111:显示及控制单元112:D/A转换单元
[0045]113:光强调节单元114:光源驱动电路
【具体实施方式】
[0046]下面结合实施例和附图对本发明的一种无线脉搏血氧仪做出详细说明。
[0047]如图2所示，本发明的一种无线脉搏血氧仪，包括有用于采集人体血氧的血氧采集系统1，用户端智能手机3和对所采集的人体血氧进行处理和存储的云端服务器5，其中，所述的血氧采集系统I通过蓝牙协议2与所述的用户端智能手机3进行通信，所述的用户端智能手机3通过HTTP协议与所述的云端服务器5进行通信。所述的用户端智能手机3还通过网络邮件7与其它用户进行通信。
[0048]血氧采集系统实现的功能有:1)控制光源驱动电路，驱动发光二极管按照设定的时序发光；2)利用光频转换器件接收透射过指尖的光，然后利用处理器对光频转换器件的输出脉冲进行计数，实现对容积脉搏波的采集；3)利用无线通讯技术与数据采集模块进行通讯，把采集到的容积脉搏波数据传输到数据处理平台；4)显示及控制功能。
[0049]用户端智能手机和云端服务器构成数据处理平台实现的功能有:1)利用无线通讯功能，与采集设备进行通讯，实现容积脉搏波数据的接收等；2)利用数据处理平台的运算功能，采用多线程技术，提取容积脉搏波特征并计算血氧饱和度和脉率；3)在数据处理平台上建立用户数据库，实现用户数据的保存及管理；4)利用数据处理平台的网络功能，实现用户数据上传云端服务器并更新用户数据；5)利用数据处理平台的邮件功能，可以通过发送邮件的方式分享测量结果给其他人。
[0050]如图3所示，本发明中所述的血氧采集系统I包括有具有蓝牙功能的控制电路11，用于向手指17提供光源的发光二极管13，用于通过手指17采集人体血氧光信号的光频转换器14，其中，所述的发光二极管13的电源输入端通过光源驱动电路12连接所述的控制电路11的输出驱动端，所述的光频转换器14的输出端连接控制电路11的信号输入端，所述控制电路11通过蓝牙协议2与所述的用户端智能手机3进行通信，所述的控制电路11还分别连接电源单元16和显示器15。所述的控制电路11还连接用于控制控制电路11中的蓝牙工作和用于使控制电路11复位的按键及复位电路18。
[0051]光源驱动电路需要两个通用I/O 口来控制驱动电路产生红光和红外光的驱动信号；显示及按键用三个通用I/o 口来实现一个按键及两个指示灯；电源模块需要四个个I/O来实现电源的管理；一共需要两个定时/计数器，一个用于定时，用于控制采样频率；另一个用于计数，用于对光频转换器件的输出脉冲进行计数，从而实现对光电容积脉搏波的数字化；需要蓝牙4.0实现数据的传输。
[0052]如图5所示，所述的控制电路11选用型号为CC2540的芯片，其集成了增强型8051内核和蓝牙4.0协议栈的芯片，有21个通用I/O 口，八个12位A/D，三个定时/计数器，能完成采集模块需要完成的功能。
[0053]CC2450需要使用两个晶振，它们分别是32.768kHz的实时时钟晶振和32MHz的工作晶振，32MHz晶振接在CC2540的第22、23脚，32.768kHz的晶振接在CC2540的第32、33管脚；CC2540的供电电源本发明选择3.3V ;复位管脚接在设计的复位电路上，长按按键会产生复位信号；P0.0脚是与A/D复用的管脚，本发明使用这个脚来测量电池的电量；P0.1脚接按键电路，判断是否有按键按下；P0.4 口用于控制测量电池电量，这样设计的好处是只有测量电池电量是才对电路供电，到达节电的效果；P0.6、P0.7脚用于控制驱动电路，使发光二极管在驱动电路的驱动下按照设计的采样时序发光；P1.0脚是定时器I的复用管脚，本文使用P1.0脚接光电转换器件的输出，对光电容积脉搏波信号进行采集；P1.1脚用于蓝牙连接状态指示，当Pl.1脚置低时指示灯点亮；P2.0脚用于控制电源，当P2.0脚置为高电平的时候，向传感器和光源驱动电路供电，当P2.0置低时，停止供电，在不测量时达到节电的效果；P2.1、P2.2是调试接口，用于烧写程序和调试，其中P2.1是数据线，P2.2是时钟线；CC2540的25、26管脚被蓝牙协议栈使用，用于与其他设备进行通讯。
[0054]本发明中的控制电路11还可以选用型号为CC24300的芯片或CSR7810芯片或BC31A223A — IVN-E4 的芯片。
[0055]所述的发光二极管13是采用双波长发光二极管。本发明中可以选用型号为ELM-4001的双波长发光二极管，或选用型号为MQ-LAU-001的双波长发光二极管。
[0056]如型号为ELM-4001的双波长发光二极管包含两个发光二极管，一个能发出峰值波长为660nm的红光，一个能发出峰值波长为880nm的红外光。当一端管脚为高电平，另一端管脚为低电平时，红光发光二极管导通，红外光发光二极管截止，所以发红光，反之发红外光。当两端管脚同时为高电平或低电平的时候，两个发光二极管都截止且不发光。
[0057]光源驱动电路12可以采用型号为SGM3005的芯片，或采用型号为MBI1802的芯片。如图6所示，型号为SGM3005的芯片是两个单刀双掷的模拟开光，当RD_DRV 口为低电平、IR_DRV 口为高点平时，COMl管脚与NCl管脚导通接地，COM2管脚与N02管脚导通接电源VCC，此时，ELM-4001的I管脚为高电平、2管脚为低电平，所以能发出红光的发光二极管导通，能发出红外光的发光二极管截止，此时双波长发光二极管发出660nm波长的红光。同理，当RD_DRV 口为高电平、IR_DRV 口为低点平时，双波长发光二级管发出红外光。如果RD_DRV、IR_DRV 口均为高电平或低电平，那么两个模拟开关都接向电源或地，双波长发光二极管的管脚上没有压降，所以双波长发光二极管不发光。
[0058]如图4所示，所述的光频转换器14包括有接收光信号的光电二极管141和与所述的光电二极管141的信号输出相连的电流频率转换器142，所述电流频率转换器142输出的脉冲信号连接所述的控制电路11信号输入端。可以采用型号为TSL237的芯片或采用型号为TSL230的芯片。
[0059]型号为TSL237的芯片是一种特殊的集成器件，有电源、地、输出三个管脚，器件内部集成了光电二极管、运算放大电路等，它将光强信号直接转换为频率信号输出，输出的脉冲频率可以直接接到单片机的计数器上进行计数。与传统的血氧仪相比，使用光频转换器件的血氧仪省去了滤波、分离、放大等模拟电路，简化了仪器的设计，有利于仪器的小型化。其通过内部的光电二极管感应光强信息，然后利用内部的电流-频率转换器对光强信号转换成特定的方波频率输出。其光频响应范围从300nm到llOOnm。
[0060]如图7所示，所述的电源单元16包括有用于提供电源的电池161，通过接口与电池161相连，用于给电池161充电的充电电路162，所述的电池161是通过一个电源稳压控制电路163连接控制电路11。
[0061]如图8所示，所述的充电电路162包括有充电芯片Ul，所述的充电芯片Ul分别连接电池接口 JI和电源接口 J2，所述充电芯片Ul还连接控制电路11。本实施例选择了型号为SGM4050作为充电芯片，对锂电池进行充电，充电接口选择的是miniUSB。Jl接口接电池，miniUSB的第5脚接SGM4056的输入管脚，SGM4056通过第8脚接电池正极向电池充电。
[0062]锂电池电压不稳定，所以不能使用锂电池直接地芯片进行供电，本发明使用了稳压芯片SGM2020-3进行稳压，对采集设备上的芯片进行供电。如图9所示，所述的电源稳压控制电路163包括有型号为SGM2020-3的稳压芯片U3，所述的稳压芯片U3的电源输入端连接电池161的正极，稳压芯片U3的电源输出端分为三路，一路构成VDD电源输出端，第二路通过电容C9接地，第三路通过电阻R5连接三极管Q2的基极，以及直接连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极构成VCC电源端，所述三极管Q2的基极还通过电阻R4连接三极管Ql的集电极，三极管Ql的发射极接地，基极通过电阻R3连接控制电路11中的电平输出端 PCTL。
[0063]为了节约电能，在血氧采集系统不工作的时候，有些原件或电路可以不供电，如光频转换器件、光源驱动电路等。所以本发明设计了电源稳压控制电路，该电路可以根据是否需要采集，从而控制电源是否对其供电。图9中，当PTCL处于高点平时，三极管Ql导通，导致R4左边管脚接地，R5上就产生了压降，导致三极管Q2导通，VCC与VDD相连，此时向光源和传感器供电。反之，若PCTL处于低电平时，Ql截止，R5上没有压降，Q2也截止，所以VCC与VDD不相连，不向光源和传感器供电。
[0064]因为蓝牙广播时是很耗电的，所以本发明还包括有一个按键，用于控制蓝牙的广播，链接等事件的按键及复位电路18。此电路还通过型号为FT7521的芯片控制电路中的CC2540的复位。如图10所示，所述的按键及复位电路18包括有按键SI和复位芯片U6，其中，所述按键SI的一端分两路，一路连接控制电路11中的蓝牙输出端KEY，另一路通过电阻RlO连接电源VDD，所述按键SI的另一端接地，所述复位芯片U6分别连接控制电路11中的复位端RST和蓝牙输出端KEY，以及连接电源VDD。按键接到P0.1 口上，CC2540通过探测P0.1的电平来判断是否有按键按下，当按键长按时，FT7521会定时一段时间，产生一个复位信号，对CC2540进行复位。
【权利要求】
1.一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，包括有用于采集人体血氧的血氧采集系统(I)，用户端智能手机(3)和对所采集的人体血氧进行处理和存储的云端服务器(5)，其中，所述的血氧采集系统(I)通过蓝牙协议(2)与所述的用户端智能手机(3)进行通信，所述的用户端智能手机(3)通过HTTP协议(4)与所述的云端服务器(5)进行通信。
2.根据权利要求1所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的用户端智能手机(3)还通过网络邮件(7)与其它用户(6)进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的血氧采集系统(I)包括有具有蓝牙功能的控制电路(11)，用于向手指(17)提供光源的发光二极管(13)，用于通过手指(17)采集人体血氧光信号的光频转换器(14)，其中，所述的发光二极管(13)的电源输入端通过光源驱动电路(12)连接所述的控制电路(11)的输出驱动端，所述的光频转换器(14)的输出端连接控制电路(11)的信号输入端，所述控制电路(11)通过蓝牙协议(2)与所述的用户端智能手机(3)进行通信，所述的控制电路(11)还分别连接电源单元(16)和显示器(15) ο
4.根据权利要求3所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的发光二极管(13)是采用双波长发光二极管。
5.根据权利要求3所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的控制电路(11)还连接用于控制控制电路(11)中的蓝牙工作和用于使控制电路(11)复位的按键及复位电路(18)。
6.根据权利要求3所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的光频转换器(14)包括有接收光信号的光电二极管(141)和与所述的光电二极管(141)的信号输出相连的电流频率转换器(142)，所述电流频率转换器(142)输出的脉冲信号连接所述的控制电路(11)信号输入端。
7.根据权利要求3所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的电源单元(16)包括有用于提供电源的电池(161)，通过接口与电池(161)相连，用于给电池(161)充电的充电电路(162)，所述的电池(161)是通过一个电源稳压控制电路(163)连接控制电路(11)。
8.根据权利要求7所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的充电电路(162)包括有充电芯片Ul，所述的充电芯片Ul分别连接电池接口 JI和电源接口 J2，所述充电芯片Ul还连接控制电路(11)。
9.根据权利要求7所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的电源稳压控制电路(163)包括有稳压芯片U3，所述的稳压芯片U3的电源输入端连接电池(161)的正极，稳压芯片U3的电源输出端分为三路，一路构成VDD电源输出端，第二路通过电容C9接地，第三路通过电阻R5连接三极管Q2的基极，以及直接连接三极管Q2的发射极，三极管Q2的集电极构成VCC电源端，所述三极管Q2的基极还通过电阻R4连接三极管Ql的集电极，三极管Ql的发射极接地，基极通过电阻R3连接控制电路(11)中的电平输出端PCTL。
10.根据权利要求5所述的一种无线脉搏血氧仪，其特征在于，所述的按键及复位电路(18)包括有按键SI和复位芯片U6，其中，所述按键SI的一端分两路，一路连接控制电路(11)中的蓝牙输出端KEY，另一路通过电阻RlO连接电源VDD，所述按键SI的另一端接地，所述复位芯片U6分别连接控制电路(11)中的复位端RST和蓝牙输出端KEY，以及连接电源VDD0
【文档编号】A61B5/02GK104490404SQ201410771005
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月12日 优先权日:2014年12月12日
【发明者】段发阶, 蒋佳佳, 张历, 王仁大 申请人:天津大学