舒明雷, 高天雷, 單珂

(山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心)，山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

舒明雷, 高天雷, 單珂

(山東省計(jì)算中心(國(guó)家超級(jí)計(jì)算濟(jì)南中心)，山東省計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014)

提出了一種基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)，對(duì)人體體成分的檢測(cè)、監(jiān)護(hù)和干預(yù)提供了積極有效的解決途徑。系統(tǒng)以“智能采集終端+數(shù)據(jù)處理中繼+綜合性健康云服務(wù)平臺(tái)+多模態(tài)應(yīng)用終端”為架構(gòu)，基于云計(jì)算和智能硬件技術(shù)，設(shè)計(jì)了包括生物電阻抗采集前端、MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理交互單元、云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)陣列和應(yīng)用客戶端5個(gè)部分。通過(guò)檢測(cè)身高、體重和阻抗參數(shù)，運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)由服務(wù)器集群在云端動(dòng)態(tài)修正和更新算法，完成數(shù)據(jù)結(jié)果的分析計(jì)算，在應(yīng)用客戶端請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)推送，并通過(guò)顯示模塊展現(xiàn)給使用者。與當(dāng)前主流生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)多，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、處理和展示，有助于建立人體體成分檢測(cè)監(jiān)控新模式。

生物電阻抗；MSP430；體成分分析；云計(jì)算

利用生物組織的電特性及變化規(guī)律，生物電阻抗測(cè)量技術(shù)[1-2]可有效獲取并分析與人體相關(guān)的醫(yī)學(xué)信息，已在人體成分分析領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，在臨床醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)研究中具有重要的價(jià)值。通過(guò)檢測(cè)具體的人體成分參數(shù)，可用來(lái)分析人體成分的正常范圍，評(píng)價(jià)人體在某階段的生長(zhǎng)變化進(jìn)程，有助于科學(xué)評(píng)價(jià)人體營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，并對(duì)患病風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有效預(yù)警。通過(guò)評(píng)定體質(zhì)的狀況、特征的方法進(jìn)行不同人群、個(gè)體體質(zhì)水平的比較，進(jìn)而鑒定和完善增強(qiáng)體質(zhì)的各種措施。

雖然已有較先進(jìn)的科技公司從事人體成分分析儀的研發(fā)，但其中大多數(shù)僅能夠完成十幾種身體指標(biāo)的測(cè)量，且不具備實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)、平臺(tái)存儲(chǔ)的能力，用戶僅能單向查看體成分指標(biāo)，無(wú)法與檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無(wú)法有效滿足測(cè)試對(duì)象的實(shí)際需求，人機(jī)交互能力較弱，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度尚有不足。

基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用云計(jì)算龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力、成熟的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及可實(shí)時(shí)修正和更新的云端算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的體征數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)解析，能夠充分提高數(shù)據(jù)處理速度，不斷地利用最新研究成果提高測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、分發(fā)和推送功能[3-5]。云平臺(tái)同時(shí)能夠存儲(chǔ)海量檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)用戶身體成分變化趨勢(shì)，統(tǒng)計(jì)身體數(shù)據(jù)與時(shí)間的趨勢(shì)報(bào)告，提供適當(dāng)?shù)娘嬍澈瓦\(yùn)動(dòng)建議，在使用功能上更加豐富和便捷。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)3G、4G、Wi-Fi等移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆破脚_(tái)，需要數(shù)據(jù)的終端訪問(wèn)云平臺(tái)并申請(qǐng)數(shù)據(jù)分發(fā)，實(shí)現(xiàn)云端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與共享，解決指標(biāo)檢測(cè)的時(shí)間和空間限制。

本文運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種人機(jī)交互性好、數(shù)據(jù)處理精度高的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)，用于人體體成分的檢測(cè)分析。

1 系統(tǒng)整件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由體成分采集前端、MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理交互單元、云平臺(tái)數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)陣列和應(yīng)用客戶端構(gòu)成[6]。

其中，采用八點(diǎn)接觸電極實(shí)現(xiàn)前端信號(hào)采集，結(jié)合生物電阻抗技術(shù)[7-8]，使用可與人體體表面接觸的電極片，向用戶傳輸人體可接受的交流電[9]，由MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心完成檢測(cè)前端電阻抗值的計(jì)算，再將所得數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)處理交互單元的通信模塊上傳至云計(jì)算平臺(tái)，進(jìn)行最終的算法分析處理后得到人體成分參數(shù)，由數(shù)據(jù)處理交互單元進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并顯示到交互式觸摸液晶屏上，將測(cè)量的30項(xiàng)體質(zhì)指數(shù)反饋給用戶，其他得到授權(quán)的用戶可以通過(guò)手機(jī)、平板電腦、個(gè)人計(jì)算機(jī)的客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和展示。本文通過(guò)構(gòu)建一體化系統(tǒng)并在軟硬件上得以實(shí)現(xiàn)，能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、友好的人機(jī)交互和豐富的參數(shù)展示服務(wù)。

圖1 基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Architecture design of the Bioelectrical impedance analysis and measurement system based on cloud platform

2 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

圖2為分析檢測(cè)系統(tǒng)采集前端的電路結(jié)構(gòu)圖，硬件部分由阻抗測(cè)量電路、體重測(cè)量電路、測(cè)量電極、PC上位機(jī)等組成[10]。檢測(cè)電極直接與人體接觸，用于輸出和檢測(cè)信號(hào)，電極的數(shù)目為8個(gè)電極，電極的外形結(jié)構(gòu)隨測(cè)量方式的改變而改變。人體的生物電阻抗信息由阻抗測(cè)量電路進(jìn)行采集，進(jìn)行前期處理并將攜帶人體成分信息的阻抗信號(hào)傳給上位機(jī)。阻抗測(cè)量電路包括主控芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路、開(kāi)關(guān)陣列以及恒流源組成。

圖2 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Circuit structure diagram

主控芯片控制恒流源發(fā)出對(duì)應(yīng)人體信息的頻率為0～1 MHz的0.02～0.5 mA微弱交流信號(hào)，并通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列的分時(shí)選擇性分配到相應(yīng)的發(fā)射電極中。另一組檢測(cè)電極將人體反饋的電壓信號(hào)輸送到信號(hào)調(diào)理電路中，信號(hào)調(diào)理電路將此電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波后，最后經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)入主控芯片，主控芯片進(jìn)行阻抗信號(hào)預(yù)處理，并傳送到上位端。體重測(cè)量電路直接由主控芯片控制測(cè)量人體體重并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)具有人機(jī)交互界面，提供用戶數(shù)據(jù)輸入和人體成分?jǐn)?shù)據(jù)顯示成像，并控制打印機(jī)打印數(shù)據(jù)報(bào)告。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖3所示。用戶在登錄后，通過(guò)刷身份證錄入年齡、性別等個(gè)人信息并開(kāi)始檢測(cè)過(guò)程，如若在檢測(cè)過(guò)程中測(cè)試通道發(fā)生異常情況，檢測(cè)自動(dòng)停止；如若數(shù)據(jù)無(wú)誤且檢測(cè)完成后，上位機(jī)向下位機(jī)請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)并上傳，再將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化的保存。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及實(shí)驗(yàn)分析

3.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面操作簡(jiǎn)單、智能，進(jìn)行體質(zhì)數(shù)據(jù)檢測(cè)時(shí)，用戶進(jìn)入檢測(cè)系統(tǒng)主功能界面，點(diǎn)擊測(cè)量按鈕，雙手持手部電極檢測(cè)手柄，赤足踩在腳電極底座上，生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)完成數(shù)據(jù)的采集，再由數(shù)據(jù)處理交互單元將數(shù)據(jù)傳輸給云平臺(tái)，云平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算后將數(shù)據(jù)下發(fā)給數(shù)據(jù)處理交互單元，將用戶的測(cè)量情況及時(shí)反饋到人機(jī)交互界面上，用戶只需要點(diǎn)擊保存按鈕，便可自動(dòng)生成體成分檢測(cè)報(bào)告，供用戶及時(shí)查閱打印。檢測(cè)界面及實(shí)物樣機(jī)圖如圖4所示。

圖4 檢測(cè)界面及實(shí)物樣機(jī)圖Fig.4 Detection interface and physical prototype

3.2 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)本文所設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性的驗(yàn)證，并對(duì)其得出的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比：輸入激勵(lì)信號(hào)的頻率為5 kHz、250 kHz，幅值為±100 μA。經(jīng)過(guò)對(duì)測(cè)試實(shí)驗(yàn)者輸出的體成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果基本一致，從而證明了本系統(tǒng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。表1為本文檢測(cè)系統(tǒng)與當(dāng)前6家主流醫(yī)療設(shè)備公司(為保護(hù)隱私而隱去公司真實(shí)名稱(chēng))研發(fā)系統(tǒng)的測(cè)試指標(biāo)、云平臺(tái)服務(wù)能力的對(duì)比。

表1 生物電阻抗檢測(cè)系統(tǒng)與當(dāng)前主流產(chǎn)品的對(duì)比

由表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)參數(shù)多，可通過(guò)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、處理和展示。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的基于云平臺(tái)的生物電阻抗分析檢測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)用云計(jì)算龐大的數(shù)據(jù)計(jì)算能力、成熟的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及可實(shí)時(shí)修正和更新的云端算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的體征數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，能夠充分提高數(shù)據(jù)處理速度，不斷地利用最新研究成果提高測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示、分發(fā)和推送功能，實(shí)現(xiàn)以“智能采集終端+數(shù)據(jù)處理中繼+綜合性健康云服務(wù)平臺(tái)+多模態(tài)應(yīng)用終端”為架構(gòu)的系統(tǒng)原型。下一步將在本文研究的基礎(chǔ)上，利用云端最新研究成果提高測(cè)試的精度和準(zhǔn)確度，使得系統(tǒng)指標(biāo)更加準(zhǔn)確完善。

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Desigh of bioelectrical impedance detection and analysis system based on cloud platform

SHU Ming-lei, GAO Tian-lei, SHAN Ke

(Shandong Computer Science Center(National Supercomputer Center in Jinan), Shandong Provincial Key Laboratory of Computer Networks, Jinan 250014, China)

∶In this paper a kind of bioelectrical impedance analysis and detection system based on cloud platform was put forward to provide a positive and effective solution to the detection, monitoring and intervention of human body composition. The system implemented an architecture which consisted of intelligent acquisition terminal, data processing relay, comprehensive health cloud service platform and multimodal application terminal. Based on cloud computing and intelligent hardware technology, five components were designed, which included bioelectrical impedance acquisition front-end, MSP430 data processor and transceiver, data processing and interactive unit, data processing and storage arrays on cloud platform, and application client. By detecting the height, weight, and impedance parameters, the system performed dynamic correction and updating algorithms on the server clusters based on cloud computing technology, and the data results were analyzed and calculated. When the application client requested data, the data distributing and pushing were carried out, which was displayed to users through display module. Compared with other mainstream biological resistance detection systems, the system presented could detect more kinds of parameters, and realize the remote data transmission, processing and display, which was helpful to establish a new model for the detection and monitoring of human body composition.

∶Bioelectrical impedance; MSP430; body composition analysis; cloud computing

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.019

2017-01-19

山東省科技發(fā)展計(jì)劃(2014GSF118107)；山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2015GGH309003)

舒明雷(1979—)，男，博士，副研究員，研究方向?yàn)闊o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線體域網(wǎng)絡(luò)和云健康等。E-mail：shuml@sdas.org

TP393

A

1002-4026(2017)04-0118-06