田浩雨　朱健銘　梁永波　殷世民　陳真誠*

1(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院　廣西 桂林 541004)2(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院　廣西 桂林 541004)3(桂林電子科技大學(xué)廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室　廣西 桂林 541004)

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基于Android的血氧飽和度和脈率檢測系統(tǒng)設(shè)計

田浩雨1朱健銘2,3梁永波2殷世民2陳真誠2*

1(桂林電子科技大學(xué)電子工程與自動化學(xué)院廣西 桂林 541004)2(桂林電子科技大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院廣西 桂林 541004)3(桂林電子科技大學(xué)廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室廣西 桂林 541004)

摘要血氧飽和度和脈率的檢測在人們常規(guī)檢查中有著重要意義，醫(yī)院體檢耗費大量人力物力。針對這種情況，提出一種基于Android平臺的血氧飽和度、脈率參數(shù)檢測系統(tǒng)。通過分析指端脈搏波數(shù)據(jù)得出多項生理參數(shù)，利用單片機(jī)對藍(lán)牙模塊的控制，實現(xiàn)與Android移動設(shè)備通信，完成生理參數(shù)的接收、顯示，并進(jìn)一步通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)，完成與百度云端數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換?？朔藗鹘y(tǒng)有線設(shè)備移動不便的缺點，給病人檢測帶來便利。實驗結(jié)果表明，采用該方法可以有效提高效率，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測，為家庭監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程醫(yī)療創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞Android血氧飽和度脈率藍(lán)牙

0引言

隨著人們生活水平提高，居民老齡化和亞健康人數(shù)不斷增加，心血管疾病正日漸威脅著人們的身體健康。傳統(tǒng)的醫(yī)院監(jiān)護(hù)設(shè)備體積大、費用高，定時體檢耗費大量時間與精力，不能滿足人們對健康生活的追求。隨著科技的發(fā)展、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步、各種新型傳感器及無線傳輸技術(shù)的快速推廣應(yīng)用，促使家庭健康監(jiān)護(hù)領(lǐng)域成為國內(nèi)外專家研究的熱點[1,2]。同時智能手機(jī)的出現(xiàn)與快速普及，改變了醫(yī)療數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)綄ｉT服務(wù)器進(jìn)行分析的狀況，使得人體生理數(shù)據(jù)本地化分析成為可能[3,4]。

本文設(shè)計了基于藍(lán)牙技術(shù)傳輸血氧飽和度和脈搏波數(shù)據(jù)檢測方案。這種檢測方案可以實現(xiàn)人體脈搏數(shù)據(jù)的實時采集、處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送及顯示；具有體積小、攜帶方便的特點。

1檢測原理

心室周期性的收縮和舒張引起主動脈的收縮和舒張，使血流壓力以波的形式從主動脈根部開始沿著整個動脈系統(tǒng)傳播。脈搏波傳播受到所流經(jīng)血管的影響，能夠反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理特征。對它進(jìn)行檢測和分析，對臨床疾病預(yù)防與診斷有著重要意義。

脈率的計算采用閾值法，當(dāng)波形在閾值后出現(xiàn)最大值判定為一個波峰，經(jīng)過兩次判定即可確定脈搏周期。如圖1所示，y(2)由y(1)根據(jù)下面的式(1)得到。通過查找一段足夠長信號最大值Ymax和最小值Ymin,求出閾值H，將小于H的值置零。通過一個循環(huán)隊列存儲動態(tài)數(shù)據(jù)，最大值位于隊列中央位置，則判定為一個波峰。循環(huán)隊列離開波峰后，開始檢測下一個波峰。一段時間內(nèi)檢測到的波峰個數(shù)，便可得到脈率值。

圖1　脈搏波處理示意圖

(1)

準(zhǔn)確求得脈率是得到血氧飽和度的前提。脈搏血氧飽和度測量原理是基于Lambert-Beer定律的光電容積脈搏波描記法PPG(Photoplethysmography)。此法選擇960 nm和660 nm兩束波長的光，垂直穿透指端，透射光強(qiáng)交流成分可以反映出心臟跳動而引起的血管的收縮和舒張。HbO2和Hb對近紅外光譜吸收系數(shù)差別較小，而對紅光吸收系數(shù)差別較大。基于PPG所測得血氧飽和度公式表示為：

(2)

其中，SpO2：血氧飽和度；CHbO2:氧合血紅蛋白濃度；CHb:脫氧血紅蛋白濃度。

為了方便保存查詢，脈率和血氧飽和度數(shù)據(jù)采用藍(lán)牙方式發(fā)送到到手機(jī)客戶端。藍(lán)牙具有功耗低、速率高等特點。Android應(yīng)用程序框架提供了訪問藍(lán)牙功能的APIs[5,6],通過這些APIs能夠與其他藍(lán)牙設(shè)備實現(xiàn)點對點或點對多點的無線交互功能[7]。這就使得Android手機(jī)通過藍(lán)牙無線收發(fā)數(shù)據(jù)成為可能。

Android將接收的數(shù)據(jù)可以保存在手機(jī)端，也可以作為中轉(zhuǎn)平臺[8,9],通過3G/4G上傳至百度云端數(shù)據(jù)庫。由百度推出的BAE(Baidu App Engine)是基于BAE架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開發(fā)平臺，支持多種語言開發(fā)。BAE提供的百度云數(shù)據(jù)庫是一種分布式關(guān)系型數(shù)據(jù)服務(wù)，其中的前端采用與MySQL完全一致的使用方式，安全性高 、語言支持強(qiáng)。

2系統(tǒng)設(shè)計

2.1系統(tǒng)原理

系統(tǒng)主要分為三個部分：信號采集器、Android應(yīng)用軟件、百度云端。信號采集器采集信號后，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸ndroid手機(jī)客戶端，客戶端可以作為中轉(zhuǎn)，通過連接云端部署的PHP文件接口，完成對云端的操作。系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)流程圖

2.2信號采集器設(shè)計

脈搏信號采集電路，由電源模塊、信號采集模塊、電路調(diào)理模塊、運算處理模塊和藍(lán)牙發(fā)送模塊組成，如圖3所示。在檢測時，應(yīng)避免身體活動產(chǎn)生干擾，將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇邮赵O(shè)備。

圖3　信號采集框架圖

圖4　光電傳感器

本設(shè)計的傳感器采用光電血氧探頭，如圖4所示，測試時選取人體手指指端作為信號采集部位。雙向驅(qū)動雙波長發(fā)光二極管作為發(fā)光元件，共用同一個光電二極管作為感光元件。通過430單片機(jī)不同引腳分別控制兩個不同波長的二極管的周期性點亮,實現(xiàn)對兩路光信號的采集。由于兩路信號按時序交替發(fā)光在一條線路上采集信號，需采用與LED驅(qū)動脈沖同步的控制信號實現(xiàn)信號分離，得到紅外和紅光兩路信號。

經(jīng)傳感器輸出的脈搏信號頻率很低，容易引入干擾。由于人體脈搏信號頻率分布范圍是0.1～70 Hz，為保證波形不失真，將低通濾波器的截止頻率設(shè)為100 Hz，濾除系統(tǒng)的干擾。

本設(shè)計處理芯片采用TI公司生產(chǎn)集成12位A/D轉(zhuǎn)換的M430FG437，以滿足速度、精度的要求。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過去直流、數(shù)字平滑濾波后進(jìn)行運算處理，得出脈率和血氧飽和度值。

數(shù)據(jù)無線傳輸是本設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用深圳博陸科電子科技有限公司生產(chǎn)的HC-05藍(lán)牙模塊，其供電電源為3.3 V，默認(rèn)為從機(jī)，波特率設(shè)置為9600 bps，單片機(jī)通過藍(lán)牙串口發(fā)送數(shù)據(jù)到Android客戶端。

2.3Android應(yīng)用設(shè)計

基于Android平臺的軟件研發(fā)已成為智能移動平臺開發(fā)的熱點，本系統(tǒng)采用Android 4.2版本和Eclipse Platform 4.2.1工具開發(fā)。

客戶端設(shè)計采用MVC(Model-View-Controller)模式，對代碼進(jìn)行分層。在View中展示Activity對應(yīng)界面，采用XML語言進(jìn)行描述；Model中采用Java語言負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的操作，封裝了藍(lán)牙核心操作；Controller控制Model和View之間的流程控制。 Android藍(lán)牙端口采用的是一個面向連接，通過藍(lán)牙模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)流傳輸?shù)姆绞絉FCOMM。RFCOMM協(xié)議提供對基于L2CAP協(xié)議的串口仿真，使得基于串口的應(yīng)用作少量修改或不做修改就可直接運行。Android藍(lán)牙通信是基于唯一地址MAC傳輸，MAC是由48比特長，16進(jìn)制數(shù)字組成，使用時，需要進(jìn)行藍(lán)牙配對，設(shè)備將共享一個RFCOMM通道來傳輸數(shù)據(jù)。

(1) 藍(lán)牙連接

在軟件設(shè)計中,采用Android平臺提供的藍(lán)牙API來實現(xiàn)與下位機(jī)的通信，其主要包括四個步驟：藍(lán)牙設(shè)備的設(shè)置、匹配設(shè)備的搜索、設(shè)備的連接和設(shè)備間數(shù)據(jù)的傳輸，流程如圖5所示。Android手機(jī)在調(diào)用藍(lán)牙API前，首先在AndroidManifest.xml中聲明藍(lán)牙使用權(quán)限，取得藍(lán)牙硬件支持具體如下：

圖5　程序流程圖

在初始化函數(shù)onCreate()中構(gòu)造藍(lán)牙適配器，通過調(diào)用靜態(tài)方法getDefaultAdapter()，得到本地藍(lán)牙適配器的BluetootAdapter類，通過此類能執(zhí)行基本藍(lán)牙任務(wù)。

使用startDiscovery()方法搜索周邊藍(lán)牙設(shè)備，通過注冊廣播接收器BroadcastReceiver用于接收藍(lán)牙狀態(tài)改變時發(fā)出的廣播。請求startDiscovery后,系統(tǒng)廣播接收ACTION_DISCOVERY_STARTED 意圖動作，搜索到的藍(lán)牙設(shè)備通過廣播返回。廣播接收到ACTION_FOUND時，系統(tǒng)通過調(diào)用附加參數(shù)EXTRA_DEVICE獲取遠(yuǎn)程設(shè)備詳細(xì)信息。搜索結(jié)束時，廣播接收器接收到ACTION_DISCOVERY_FINISHED動作時，結(jié)束搜索任務(wù)，程序流程如圖6所示。

圖6　藍(lán)牙搜索流程圖

(2) 數(shù)據(jù)傳輸

在本設(shè)計中，將藍(lán)牙模擬成串口實現(xiàn)與下位機(jī)的通信。采用標(biāo)準(zhǔn)全局唯一標(biāo)識符(UUID)00001101-0000-1000-8000 -00805F9B34FB。通過調(diào)用BluetoothDevice 的createRfcommSocketToServiceRecord(UUID)方法獲取BluetoothSocket。

客戶端調(diào)用藍(lán)牙適配器地址，對得到的下位機(jī)端發(fā)起連接請求，建立起在同一RFECOMM信道上的藍(lán)牙套接字，并通過getInputStream()和getOutputStream()方法獲取輸入輸出流。

2.4云端數(shù)據(jù)設(shè)計

Android客戶端對云端數(shù)據(jù)庫操作程序，采用圖形化在線開發(fā)環(huán)境App Inventor進(jìn)行開發(fā)，通過連接百度云端部署的PHP文件接口操作數(shù)據(jù)庫。在PHP文件里建立數(shù)據(jù)庫命令：創(chuàng)建、插入、查詢、刪除。通過建立的命令，可以對云端MySql數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。Android客戶端通過TCP方式利用socket方法連接PHP文件接口，發(fā)送對應(yīng)指令，可以間接對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作。通過創(chuàng)建語句，可以在云端建立需要的數(shù)據(jù)表；通過插入語句，可以將Android客戶端數(shù)據(jù)插入到云端數(shù)據(jù)表；通過查詢語句可以查詢對應(yīng)ID數(shù)據(jù)，返回給Android客戶端顯示。

3實驗結(jié)果

將程序打包后，安裝到支持藍(lán)牙的Android手機(jī)中。搜索到的藍(lán)牙設(shè)備在ListView中顯示，實現(xiàn)結(jié)果如圖7(a)所示，點擊所要連接的設(shè)備地址欄完成匹配。在Android端顯示血氧飽和度和心率值，如圖7(b)所示。接收到的數(shù)據(jù)不丟失，且穩(wěn)定可靠。通過調(diào)用File和FileOutputStream類，將數(shù)據(jù)保存到根目錄下txt文檔中，以便導(dǎo)出進(jìn)一步分析。

圖7　程序運行效果

本設(shè)計通過與邁瑞PM-9000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀進(jìn)行對比試驗，實驗結(jié)果如表1所示?？梢钥闯霰驹O(shè)計與邁瑞PM-9000多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀檢測結(jié)果接近，能滿足家庭的應(yīng)用。

表1　血氧飽和度和脈率測試數(shù)據(jù)

其中，X1:本設(shè)計測得血氧值； X2：PM-9000測得血氧值；Y1:本設(shè)計測得脈率值；Y2:PM-9000測得脈率值。

本設(shè)計與目前家庭常用MS50D脈搏血氧儀相比，所測結(jié)果準(zhǔn)確度相近。本設(shè)計采用Android接收顯示下位機(jī)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至遠(yuǎn)程百度云端數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線上傳，為遠(yuǎn)程家庭醫(yī)療的實現(xiàn)邁出重要的一步。借助手機(jī)藍(lán)牙和3G/4G網(wǎng)絡(luò)解決家庭醫(yī)療數(shù)據(jù)采集后，難以與服務(wù)端數(shù)據(jù)交互這一技術(shù)難題。

4結(jié)語

Android在OS市場份額中具有絕對優(yōu)勢，呈現(xiàn)繼續(xù)強(qiáng)勁增長勢態(tài)，藍(lán)牙低功耗無線傳輸更適合醫(yī)療保健等新興市場[10]。本設(shè)計實現(xiàn)了脈搏波生理數(shù)據(jù)在Android系統(tǒng)中的藍(lán)牙傳輸,并將生理數(shù)據(jù)通過無線3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫，實現(xiàn)遠(yuǎn)程家庭監(jiān)護(hù)。本文介紹了初步設(shè)計，下一步將繼續(xù)完善增加功能，例如系統(tǒng)版本兼容性、界面美化、傳輸穩(wěn)定及準(zhǔn)確性等，這些將是以后研究的重點。

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DESIGNING BLOOD OXYGEN SATURATION AND PULSE RATE MEASURING SYSTEM BASED ON ANDROID

Tian Haoyu1Zhu Jianming2,3Liang Yongbo2Yin Shimin2Chen Zhencheng2*

1(SchoolofElectricalEngineeringandAutomation,GuilinUniversityofElectronicandTechnology,Guilin541004,Guangxi,China)2(SchoolofLifeandEnvironmentalSciences,GuilinUniversityofElectronicandTechnology,Guilin541004,Guangxi,China)3(GuangxiKeyLaboratoryofAutomaticDetectionTechnologyandInstrument,GuilinUniversityofElectronicandTechnology,Guilin541004,Guangxi,China)

AbstractThe measurement of blood oxygen saturation and pulse rate has great significance in people’s routine inspections, but the hospital physicals cost a lot of manpower and material resources. In view of this, the paper proposes an Android platform-based blood oxygen saturation and pulse rate parameters detection system. By analysing the pulse wave data of fingertip it is able to obtain multiple physiological parameters, the control of Bluetooth module by microcontroller is employed to achieve the communication with Android mobile devices and to implement the reception and display of physiological parameters, and in further the data exchange with Baidu cloud database is completed through 3G/4G network. This design overcomes the drawbacks of traditional wired devices in inconvenient moving, brings convenience to patients for their inspection. Experimental results show that to use this method can effectively improve the efficiency, realises remote inspection, and creates conditions for home monitoring and remote medical treatment.

KeywordsAndroidBlood oxygen saturationPulse rateBluetooth

收稿日期：2014-10-24。國家自然科學(xué)基金項目(61265006)；國家科技支撐計劃項目(2013BAI03B01)；廣西自動檢測技術(shù)與儀器重點實驗室主任基金項目(YQ14116)；桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計劃項目(GDYCSZ201429)。田浩雨，碩士生，主研領(lǐng)域：生物傳感與智能儀器。朱健銘，博士。梁永波，助理研究員。殷世民，研究員。陳真誠，教授。

中圖分類號TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.05.015