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基于传感器网络的人体血氧饱和度远程监护系统 研究与实现 赵顺珍 （青海民族大学物理与电子信息工程学院，西宁810007） 摘 要：在研究血氧饱和度测量原理和无线传输网络协议的基础上，利用433MHz无线传感器网络技术设计并实现了一个微型脉搏血氧仪中央监护系统。该系统通过无线传感器节点对人体重要生理参数——血氧饱和度进行测量与采集，多个无线传感器节点利用无线路由节点与基站组成无线传感器网络，将数据上传至中央监控系统的上位机，进行生理数据的分析与显示，实现了多病床集中远程在线监控。 无线传感器网络血氧饱和度多跳路由中央监护系统 1 引言当今，小型的，低成本和低功耗的无线传感器硬件的发展推动了许多应用领域的发展[]，其中也包括医疗领域。无线传感器网络（ WSNs ）是一种多跳网络的首选。虽然WiFi和蓝牙也可以作为替代办法[2]，但是它们通常更加昂贵，功耗更高，而且为了应用起见，还需要高带宽（而病人需要监测生理数据量不大）。此外，蓝牙只允许有限数量的节点在特定时间内通讯，且传输的距离相对于433M的传感器网络节点要小得多。这些限制使WiFi和蓝牙不适合大规模的远程监控病人的生命体征数据。 在广泛接受的生理指数中，心率和血氧饱和度信号的有关健康状况的两个重要指标。只要能够在一个合理期限的时间内连续监测，记录和分析这些指标，可以为病人，运动员，飞行员等提供丰富的身体状况信息。虽然这些生理参数通过本地的方式监测，但是现有的系统非常笨重，缺乏灵活性，而且不能通过远程的方式传递的数据，进行处理和诊断。通常情况下，所监测到的生理数据，只是在显示器中显示出来。所以所有生理变量缺乏实时校对，和对干扰量的及时滤除。 本文在研究血氧饱和度测量原理和无线传输网络协议的基础上，利用433MHz无线传感器网络技术设计并实现了一个微型脉搏血氧仪中央监护系统。该系统通过无线传感器节点对人体重要生理参数——血氧饱和度进行测量与采集，多个无线传感器节点利用无线路由节点与基站组成无线传感器网络，将数据上传至中央监控系统的上位机，进行生理数据的分析与显示，实现了多病床集中远程在线监控。2 系统总体结构设计脉搏血氧饱和度监护系统主要由脉搏血氧饱和度采集终端、无线传输网络和远程计算机三部分组成。脉搏血氧饱和度采集终端本身采用单一的紧凑计算机系统，即数据采集与处理系统。 脉搏血氧饱和度监护系统能对所有进行监护的病人的脉搏血氧饱和度数据进行实时采集、处理，系统的总体结构如图1所示。每名患者都连接到一个远程监控系统[]，这使得医务人员可以随时来追踪病人的生命体征。患者生命体征的读数通过一个固定的节点路由传送到基站[]。根据病人到基站的距离，监测信息可以通过多个中继节点进行传送。基站连接到主机电脑运行一个基于VC++的图形用户界面来解析，存储和显示数据。 2.1脉搏血氧饱和度信号检测终端还原血红蛋白（Hb）与氧气结合后变成氧合血红蛋白（HbO2），还原血红蛋白呈暗红色，氧合血红蛋白呈鲜红色，两者对红光和红外光的吸收不同。在波长为660nm的红光处，还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白强十倍以上，而在波长为940nm的红外光处，还原血红蛋白对光的吸收则比氧合血红蛋白弱的多。由于心脏的收缩和舒张，引起动脉血管容积的脉动变化，这使得通过动脉血管的光传导路径相应变化，形成光吸收的脉动波。测量660nm的红光和940nm的红外光穿过动脉血管组织后的光强度及其变化，利用光吸收的比率系数 可得到血氧饱和度值： 式中：为660nm的红光照射时测得光强度的脉动分量；为660nm的红光照射时测得光强度的直流分量；为94Onm的红外光照射时测得光强度的脉动分量；为94Onm的红外光照射时测得光强度的直流分量。R与血氧饱和度SpO2呈负相关，在标准曲线上可得到相应的SpO2值。根据测量到的光强度脉动波形可计算出瞬时脉搏和平均脉搏。 本系统中的无创脉搏血氧饱和度测量仪设计如图2所示，它采用TI公司生产的16位超低功耗单片机MSP430FG439作为控制和数据处理的核心，整个系统主要包括血氧探头驱动模块、信号预处理模块、AD/DA转换模块、时序控制模块、软件滤波模块、脉搏波检测模块、数据通信模块、显示模块。 该系统利用片内集成的运放、ADC12和DAC12实现血氧含量数据的采集和放大来实现高精度血氧含量检测。在进行脉搏波检测时，由单片机周期性产生控制信号，使红、红外光管交替发光，周期性控制信号的频率为200Hz。另外，该系统包括一个串行接口连接，以每秒9600波特率的速度传输数据。无线传感器节点以这个速度与脉搏血氧饱和度仪进行通信，进而对这些病人的，脉搏进行读数。一旦收到读数，传感器节点通过中继网络把这些数据传送给基站2.2基于无线传感器网络的传输模块无线网络传感器节点使用Atmel公司的