趙大磊,張正平,賀 松,陸安江

(貴州大學 電子信息學院,貴州 貴陽 550025)

目前，許多地區(qū)都存在人口老齡化、空巢老人的問題，如何對老年人身體狀況持續(xù)監(jiān)測，保證老年人的身體健康，是我國的一個社會和醫(yī)療難題。另外隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們的生活節(jié)奏越來越快，壓力越來越大，加上環(huán)境的污染等因素，以至于很多人(據(jù)2010年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，城市白領(lǐng)大約有76%)處于“亞健康”狀態(tài)，引發(fā)血壓升高、心率增快、加速血管硬化等的可能性增大[1]。隨著3G、4G技術(shù)的成熟，WiFi熱點的日益增多，高速率的移動數(shù)字傳輸帶寬已經(jīng)成為現(xiàn)實;同時智能移動通信終端的使用越來越普及，利用便攜的智能終端設(shè)備輔助移動醫(yī)療監(jiān)測也成為國內(nèi)外的關(guān)注點。本系統(tǒng)結(jié)合Android操作系統(tǒng)移動設(shè)備和移動網(wǎng)絡(luò)的特點及優(yōu)勢，以血壓監(jiān)測為案例，研究如何針對常見的人體生理指標進行監(jiān)測。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)劃分為三大模塊：人體局域網(wǎng)、安卓移動終端和健康監(jiān)測中心。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

1.1 人體局域網(wǎng)（BAN）

圖1 基于移動互聯(lián)網(wǎng)與Android終端的健康監(jiān)測系統(tǒng)模型

典型的BAN[2]的個人健康監(jiān)護系統(tǒng)包含多個穿戴在人體上的體征傳感器節(jié)點。每個傳感器節(jié)點負責采集體征參數(shù)，采集數(shù)據(jù)后發(fā)送到客戶端。使用的傳感器一般會要求指定其重要生理參數(shù)的精度、低功耗信號處理的水平，并要求具備無線連接功能。

1.2 Android設(shè)備

Android設(shè)備上安裝系統(tǒng)客戶端，主要功能：(1)通過低功耗無線或者USB有線的方式發(fā)送請求數(shù)據(jù)的命令至傳感器，接收數(shù)據(jù)后果顯示結(jié)果;(2)將初步處理的采集數(shù)據(jù)通過3G、WiFi等移動互聯(lián)網(wǎng)的方式發(fā)送至監(jiān)測中心服務器，并接收監(jiān)測中心反饋的信息。包含以下部分：數(shù)據(jù)采集服務、數(shù)據(jù)初步處理、結(jié)果顯示和網(wǎng)絡(luò)服務。

1.3 健康監(jiān)測中心

健康中心對被監(jiān)測者的基本信息和生理數(shù)據(jù)進行存儲和管理，通過調(diào)閱實時數(shù)據(jù)，綜合歷史數(shù)據(jù)，給出建議或診斷。主要包含網(wǎng)絡(luò)服務、電子檔案和數(shù)據(jù)分析三部分。

2 HL7簡介

衛(wèi)生信息交換標準(Health Level 7)[3]是醫(yī)療領(lǐng)域不同應用之間電子傳輸?shù)膮f(xié)議。HL7匯集了不同廠商用來設(shè)計應用軟件之間界面的標準格式，允許各個醫(yī)療機構(gòu)在異構(gòu)系統(tǒng)之間進行數(shù)據(jù)交互。其宗旨是開發(fā)和研制醫(yī)院數(shù)據(jù)信息傳輸協(xié)議和標準，規(guī)范臨床醫(yī)學和管理信息格式，降低醫(yī)院信息系統(tǒng)互連的成本，提高醫(yī)院信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)信息共享的程度。

在HL7通信協(xié)議中，消息(Message)是數(shù)據(jù)交換的基本單位。HL7的消息是自動生成的，它將HL7標準文檔自動轉(zhuǎn)化為一個HL7規(guī)則數(shù)據(jù)庫和部分程序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代碼。實現(xiàn)一個通信標準的具體工作是生成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及實現(xiàn)一個構(gòu)造器(Builder)和一個解析器(Parser)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)了標準中各個數(shù)據(jù)對象的相互關(guān)系。構(gòu)造器將數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成能在電子數(shù)據(jù)交換媒介中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串。而解析器能夠?qū)?shù)據(jù)串解析還原原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。HL7標準是一個文本結(jié)構(gòu)的文檔。首先，利用一些文字處理工具將文檔中的各個數(shù)據(jù)定義抽取成數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再將結(jié)構(gòu)的形式存入預先定義的HL7規(guī)則數(shù)據(jù)庫。然后，開發(fā)一種代碼生成器，它根據(jù)規(guī)則數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容自動生成某一種計算機語言代碼。最后，可將這些代碼加入實際應用的程序框架中。

3 Android SDK對藍牙和USB的支持

3.1 低功耗藍牙通信技術(shù)及Android藍牙APIs

藍牙技術(shù)[4-5]是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球性規(guī)范，它以低成本的近距離無線 (一般為10 m)連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。特別是藍牙4.0標準，提供了用于保健及健康、個人設(shè)備、汽車及自動化行業(yè)的低功率傳感設(shè)備和新的網(wǎng)絡(luò)服務的低耗能技術(shù)。

Android自SDK2.0開始支持Linux官方藍牙協(xié)議棧 (BlueZ),新版本的Android 4.3支持Bluetooth 4.0 Low Energy。 Android應用框架層為藍牙通信提供了大量API，通過這些API可以實現(xiàn)藍牙設(shè)備間的無線連接，建立點到點、點到多點通信模式。

3.2 USB技術(shù)及Android USB APIs

USB,中文簡稱為“通串線”，是一個外部總線標準，用于規(guī)范主機與外設(shè)的連接和通信[6-7]。USB版本經(jīng)歷了多年的發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展為3.1版本。

Android通過兩種模式來支持Android USB外設(shè)：USB外設(shè)模式和USB主機模式。在 USB外設(shè)模式下,外部USB硬件充當 USB主機，這種模式給予不具備主機功能的 Android設(shè)備以與USB硬件交互的能力。主機模式下，裝有 Android的設(shè)備扮演主機的角色。Android SDK對USB的支持APIs包含在android.hardware.usb包下。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

客戶端軟件的主要作用包括：與體征傳感器間建立通信鏈路，接收、保存來自傳感器、監(jiān)測中心服務器的數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)及結(jié)果的顯示，以及與用戶間的互動。

4.1 生理特征數(shù)據(jù)采集

鑒于生理體征采集傳感器的型號眾多、通信形式不一，在此考慮三種常見的數(shù)據(jù)采集方式，體征數(shù)據(jù)采集流程如圖2所示。

4.1.1 USB采集方式

圖2 生理特征數(shù)據(jù)采集流程圖

首先為了獲得USB設(shè)備掛載的系統(tǒng)通知，需要在Mainfest文件中添加過濾器之后使用getDeviceList()方法獲得一個包含所有已掛載的USB設(shè)備的HashMap，調(diào)用requestPermission()方法獲得設(shè)備的使用權(quán)限。之后確定外設(shè)的UsbInterface以及用于與這個接口交互的合適的UsbEndpoint，成功后在這個端點上打開連接UsbDevice-Connection。為避免阻塞UI主線程，在新線程中使用方法bulkTransfer()或者controlTransfer()傳輸數(shù)據(jù)。異步地發(fā)送數(shù)據(jù)時，使用類UsbRequest來初始化(initialize)和序列化(queue)一個異步的請求,然后調(diào)用方法requestWait()等待請求。

4.1.2 藍牙采集方式

藍牙作為低成本的近距離的無線標準廣泛使用。Android提供了大量可以管理藍牙通信的API。

調(diào)用mBluetoothAdapter=BluetoothAdapter.getDefault-Adapter()方法獲得本地藍牙適配器，if(mBluetoothAdapter!=null)，說明Android設(shè)備支持藍牙。使用startDiscovery()方法查找新的藍牙設(shè)備、getBondedDevices()獲取已經(jīng)綁定的藍牙設(shè)備，構(gòu)造ArrayAdapter來存儲這些藍牙設(shè)備。

通過BluetoothSocket的createRfcommSocketToService Record()方法傳入 UUID，為避免阻塞UI主線程，在新線程中創(chuàng)建BluetoothSocket對象，并通過connect方法建立連接,使用 BluetoothSocket的 getInputStream()和 getOutput-Stream()方法來讀寫藍牙設(shè)備。

4.1.3 人工記錄

一些老式的生理特征采集設(shè)備不能通過無線或者有線的方式與Android客戶端相連，可以采取人工記錄的方式錄入特征數(shù)據(jù)，傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。

4.2 HL7消息構(gòu)建存儲上傳及監(jiān)測中心接收

在HL7框架中，ORU消息提供患者的臨床數(shù)據(jù)的傳輸，消息段有：(1)MSH：定義消息的來源、目的、目標和某些語法的細節(jié)。(2)PID：用于記錄患者的基本信息，如身份證號碼、性別、住址、聯(lián)系電話等。(3)OBR：用于傳輸檢驗、觀察、診斷信息。ORU碼格式如圖3所示。

圖3 ORU碼格式

現(xiàn)在的主流移動設(shè)備(如 Android、iPhone等)都使用SQLite[4]作為復雜數(shù)據(jù)的存儲引擎,客戶端系統(tǒng)使用 SQLite存儲采集到的生理體征數(shù)據(jù)。使用openOrCreateDatabase()方法創(chuàng)建或打開數(shù)據(jù)庫，用 execSQL()和 rawQuery()方法添加、修改采集到的數(shù)據(jù)。

將構(gòu)建完畢HL7的消息轉(zhuǎn)換為JSON格式,通過HTTP連接方式將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心服務器。在發(fā)送前，通過 getNetworkInfo()、getDetailedState()方法判斷 Android設(shè)備處于何種移動網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，供用戶控制。監(jiān)測中心對被監(jiān)測者的基本信息和生理數(shù)據(jù)進行存儲和管理，通過調(diào)閱實時數(shù)據(jù)、綜合歷史數(shù)據(jù)，給出建議或診斷。

4.3 客戶端體征數(shù)據(jù)顯示

為直觀顯示出數(shù)據(jù)趨勢，歷史記錄模塊采用了開源圖形庫AChartEngine[8]，用于繪制多種圖表。線條顏色、點形狀的不同，可以區(qū)分顯示的不同內(nèi)容。如圖4所示。

圖4 歷史記錄圖

該健康監(jiān)測系統(tǒng)完成了被監(jiān)測者的特征數(shù)據(jù)采集及管理，但仍有許多功能需要完善，比如監(jiān)測中心對數(shù)據(jù)的智能分析、與醫(yī)療機構(gòu)信息系統(tǒng)互聯(lián)互通，這樣就能夠為更多的人提供健康支持并減少醫(yī)生的工作量。隨著應用于遠程控制醫(yī)療、保健及運動感應器等領(lǐng)域的低功耗器件越來越多，移動互聯(lián)網(wǎng)的帶寬日益增大，移動醫(yī)療必將成為一個新趨勢。

[1]趙瑞芹,宋振峰.亞健康問題的研究進展[J].國外醫(yī)學(社會 醫(yī)學分冊)，2002(1)：10-13.

[2]KARULF E.Body area networks(BAN)[EB/OL].(2008-04-23)[2013-12-22].http：//www.cse.wustl.edu/～jain/cse574-08/ftp/ban/index.html.

[3]齊國隆,孔令人,鄒宗峰.HL7在公共衛(wèi)生信息系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代預防醫(yī)學,2006(06)：962-964.

[4]Android developers[EB/OL].(2013-05-20)[2013-12-22].http：//developer.android.com/intl/zh-cn/guide/components/index.html.

[5]熊獅,吳效明.基于Android系統(tǒng)的生理數(shù)據(jù)藍牙傳輸技術(shù)[J].中國醫(yī)學物理學雜志,2012(6)：3801-3803.

[6]呂超,張玉霞,王立欣.USB接口高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)[J].計算機測量與控制,2009(5)：1003-1012.

[7]蘇維嘉,唐宇,楊靜.基于 Android平臺的 USB數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計算機系統(tǒng)應用,2012(8)：39-42.

[8]AChartEngine Javadoc[EB/OL].(2013-09-10)[2013-12-22].http：//ach-artengine.org.