基于Android平台多生理参数检测系统设计与实现-何宗见

1、 杭州师范大学学报 （自然科学版 ）第卷第 期年月 （ ）： 基于 平台多生理参数检测系统设计与实现何宗见 詹国华 李志华，（杭州师范大学杭州国际服务工程学院 ，浙江 杭州 ）摘要：针对多生理参数的无创采集和移动传输需求等多生理参数检测系统 根据多生理参数的不同特性 ，通过定时中断模式 ，结合 和 驱动接口实现多生理参数无创硬件采集和无线实时传 输，同时采用 开发框架，实现多生理参数的接收、显示、统计报表和用户管理等功能 为了减少数据冗余 、提高数据融合效率 ，在多医学 传感器形成的蓝牙散射网中，采用捕，设计了基于 平台的血氧饱和度 、血压和心电鱼策略优化算法进行收缩搜索和移动搜索实验表明 ，

2、该系统能有效实现多生理参数的无创采集、移动传输和智能处理 ，具有体积小 、可扩展性强 、融合效果优等特点 ，为家庭或社区监护和远程医疗创造了条件关键词 ：生理参数 ；蓝牙 ； ；检测系统 ；数据融合中图分类号 ： 文献标志码 ：文章编号 ： （） 在人体正常生命活动中 ，血氧饱和度 、血压 、心电等生理参数是反映健康状况的重要指标，对心血管疾病、糖尿病及肥胖症等慢性疾病的诊断 、治疗和急救都具有十分重要的意义 当前 ，医院尤其是大医院的床位紧张和挂号难等问题突出 ，难以满足所有患者长期住院监护需求 ，需要发挥家庭和社区对患者健康的监护作用 同时 ，医学监测仪器多功能化 、智能化和微型化发展成果

3、显著 ，为远程健康监护创造了条件 因此 ，远程医疗监护系统的研究近年来得到快速发展，国内外高校 、科研机构和公司企业都进行了相关研究，并取得一定成果清华大学深圳研究院嵌入式系统与技术实验室经过多年研究已研制出多套多生理参数监护系统中具代表性的有 ：）基于 无线通讯网络及 互联网络的远程无线生理参数实时监测与分析网络平台 ；）通过移植 系统驱动 、生理参数驱动以及监护应用软件开发设计了一，其款远程动态多生理参数的监护系统；）在 微处理器上 ，通过移植部 分监护中心站 的人体参数异常检测与分析算法实现在移动通信网络受阻情况下的各生理参数监护文献提出了一种无线传感器网络监护方案 ：每个传感器节点采集

4、一种人体参数 ，并通过无线通信技术将其发送到本地处理单元由本地处理单元上传到监护服务器 文献中提出了一种多参数连续监护的集成化采集概念性系统需要 个电极就可以进行心电 、呼吸 、体温 、血压和血氧饱和度的连续监测 ，再，只在此基础上 ，本文提出了一种基于 平 台的 血氧饱和度 、血压 、心电 、脉搏等生理参数无创采集、移动传输和综合分析的新型检测系统 在异构蓝牙医学传感器设备形成的无线传感网中，采用捕鱼策收稿日期 ： 基金项目 ：浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划项目（ ）通信作者 ：詹国华 （ ），男，教授 ，主要从事计算机应用 、物联网研究 ： 杭州师范大学学报 （自然科学版 ）年

5、略算法提高移动搜索效率 ，并对 和 驱动进行编译 ，实现多生理参数融合及综合处理 多生理参数检测系统框架多生理参数检测系统主要包括生理参数无创采集、蓝牙无线传输以及数据融合与接收 大模块 ，系统结构如图 所示 在该系统中 ，生理参数无创采集是指通过在身体表面相关部位放置指环式或穿戴式蓝牙医学传感器进行血氧饱和度 、血压 、心电等生理参数的体外无 创采集具体过程包括模拟生理参数滤波与放大 、模数转换 、数字生理参数处理 （显示 、告警等）及蓝牙从设备模块数据发送 传输模块负责搜索和配对蓝牙 从设备、建立蓝牙通信协议通道及传输蓝牙数据 在以上两大模块之间 ，需要对 层进行不同生理 参数无创采集电路

6、硬件参数控制，并通过 层将驱动层转化为 接口层操作同时 ，通过捕鱼策略优化算法实现蓝牙散射网中医学传 感器中的快速移动搜索在 平台多生理参数融合与接收显示模块中 ，首先对无序 、分散的多生理参数 进行数据校正、关联和融合然后，采用 开发模式实现多生理参数显示 、实时动态图绘制 、用户个人信息管理及数据保存查询等功能多生理参数无创采集与无线传输图 多生理参数监测系统框架图在各生理参 数检测过程中，首要解决的问题是数据采集 ，本系统设计了多生理参数无创采集 电路，并在终端实现心电图 、血氧饱和度 、血压的 无创采集功能 血氧饱和度无创采集血氧饱和度 （ ）是指动脉血中与氧结合的氧合血红蛋白的容量占

7、全部可结合的血红蛋白容量的多生理参数无创采集百分比 当光照射人体血管时 ， （血红蛋白 ）主要吸收红外光 （ ）成分 ，而 （血红蛋白 ）则以吸收红光 （ ）成分为主 因此 ，可以通过所吸收光比值 来判定 （血红蛋白 ）和 （血红蛋白 ）的比值 ，从而得出血氧饱和度值 （）（）（）（）（） 式（） 中 和 分别表示红光和近红外光的脉动增量光强度，反映了透射光经过动脉血管的信号强度 （）和（）分别表示两路透射光信号的交流成分 ，（）和（）分别表示两路透射光信号的直流成 分血 氧 饱 和 度 最 终 计 算 公 式 为 ，其 中 、 系 数 通 过 多 次 测 量（ ，）进行二次线性拟合得到 血氧

8、饱和度检测采用了透射法 ，对人体指尖毛细血管的血氧饱和度进行测量测量用的血氧饱和度探头是一个光电传感器 ，内置一个双波长发光二极管和一个光电二极管 发光二极管在控制电路的控制下交 第期何宗见 等 基于 平台多生理参数检测系统设计与实现， ：替发射波长为 的红光和 的近红光 从光电二极管检测到电信号强弱就能够得到血氧饱和度的数值 血氧饱和度检测硬件系统由光源驱动 初级放大电路 滤波电路 陷波电路等部分组成 、系统框图如图 所示 （）图 多生理参数无创采集电路结构框图 心电无创采集心电起搏运动时 会在人体产生心电场 作用于皮肤表面两点间就形成微弱电势差 因此 可以在人体，体表某些固定位置安放医用电

9、极提取心电电压差 通常为 然后通过导联技术将信号传送到放），（大和滤波电路 将其转换为 标准电压 接着将其传输给处理器进行数模转换最后将数字值存储，在处理器中的寄存器中 如图 所示 心电信号采集电路包括导联电路（） ，多级放大电路 多级滤波和右、 、腿驱动电路等 主要涉及心电信号拾取 放大和滤波 方面 其中右腿驱动电路可提高系统稳定性，、， 血压无创采集血压的无创采集常用方法包括测振法柯氏音法和光电法等 其中 测振法有较强的抗干扰性和可靠、 ，性 成为世界上测定血压值的主流技术 它能同时检测收缩压 舒张压 平均动脉压和脉率 首先 气泵给袖，、，带充气 当压力达到设定值时停止充气，接着 袖带内气

10、体通过针阀缓慢放气并以一定速率记录压力值和，；，脉搏振动幅度 然后通过计算振幅变化趋势和变化率得出收缩压；舒张压以及平均值等 血压无创采集电、路如图 所示 主要包括气泵驱动电路 压力传感器 放大电路及带通滤波电路等 （），、多生理参数蓝牙无线传输多生理参数的无线传输之前需要在 移动端进行 系统驱动代码和 层代，码编写 其中 系统驱动代码采用 语言编写 主要是对不同生理参数采集硬件电路进行控制和，开发相 应 的 驱 动 程 序 层 是驱动程序与 应用程序之间 的 接 口 层 负 责 将 应 用 程 序 开 发 的，接口 转 化 为 对 驱 动 程 序 的调用 层代码编写步骤为：先编写 类接口 接

11、着将该接口编译，成 文件代码框架 然后把相应 类，实现添加到 文件代码框架中 最后编，译成 系 统 下 的 库 文 件 以 备，应用程序调用 本系 统 的 生 理 参 数 蓝 牙 无 线 传 输主要采用定时中 断法 读取数 据块 其具，体流程如图 所示 首先 移 动 设 备 检 测 本 机，是否支持蓝牙功能 如 果支持 则开启本，地蓝牙 适配器 接着通过 地址搜，图 多生理参数蓝牙无线传输开发流程 杭州师范大学学报 （自然科学版 ）年寻附近蓝牙医学传感从设备 ，同时初始化定时器 ，如果 移动终端的蓝牙主设备与医学传感从设备匹配成功 ，则两者之间创建 连接信道 连接成功之后 ，则关闭定时器 此时

12、 ，如果确认采集数据成功则进行读写 、存储数据等操作 ，并绘制实时动态图 假如未采集到数据则打开所有中断 ，并延时一定时间后 ，结束传输 手机作为多生理参数检测仪 ，以客户端角色主动连接蓝牙医学传感器进行数据采集，还可以通过蓝牙将数据发送到 端实现病人数据特殊分析 使用蓝牙进行数据传输的主要步骤包括设置蓝牙搜索蓝牙服务 、连接设备 、传输数据等 ，其流程如下 ：、）使用 注册 来获取蓝牙状态、搜索设备等消息；）使用 （）方法取得 类，并调用 （）发现蓝牙设备 ；）在 的 （）方法里 取得搜索蓝牙医学传感器设备信息（如名称， ，）；）通过设备的地址来创建一个 对象 ，并调用 （）找到一个配对的蓝

13、牙设备 ；）由调用 （）方法取得 ；）调用（）方法 ，执行服务发现协议 （）查询蓝牙医学从设备是否符合 ，启动蓝牙通信连接 ；）使用 的 （）和 （）来读写蓝牙设备 在 应用程序中使用蓝牙功能 ，必须要声明两个蓝牙权限 ： ：“ ” 和 ： “ ” 平台数据融合与接收显示 平台数据融合处理在接收数据之前 ，为了降低数据冗余度 必须 对大 量生理参数进行融合处理 考虑到蓝牙无线传感网络容量问题在一个蓝牙微微网中 ，每部 移动终端只能同时扫描台在线的蓝 牙医学传感器；当蓝牙医学传感器超过 ，台时 ，则需要通过微微网级联方式组成一个分布式蓝牙散射网 为 了 实 现 较 快 的 收 敛 速 度 和 较

14、 优 的 搜 索 精 度，移动端采用捕鱼策略优 化算法 ，即“先在不同 微微网之间采用移动搜索 ，然后在微微网内采用收 缩搜索”，使用捕鱼优化策略算法蓝牙散射网如图 所示 首先根据蓝牙散射网中 地址 “浓度 ”来确定医学传感器探测点 ，然后逐渐逼近缩小范围找到蓝牙 地址浓度最高的医学传感器所在微微网机主设备跟蓝牙医学传感从设备之间的连接据 地址浓度从 高到低，进行不同微微网之间医学传，并建立 手依次类推 ，根图 捕鱼优化策略算法的蓝牙散射网框图感器移动搜索 ，并建立 蓝牙主设备和医学传感从设备的匹配 具体算法如下 ：设散射网区域 中随机分布有 个 移动终端 第个 终端在时刻的位置为 （） （）

15、， ， （）（将下鱼网点抽象为无体积的点 ，用以表征问题的候选解 ）下一步 ，第个 移动终端在点 （）的四周按 “方体”格式扫描，得到以 （）为“中心”的蓝牙无线网点集为 （ （） （） （）， ， （） （） （） ， （）， （） ， ，其中（）（） （） ， 和 均为大于 的数 ，若 （） ，则令 （） ；若 （） ，则令（）（）（）（）（） （） ， ，（）第一步移动搜索 若 （ （）满足公式 （ （） （ （） （ （），则 （）（ （） 第期何宗见 ，等：基于 平台多生理参数检测系统设计与实现第个 移动终端将从 （）移到 （）进行状态更新 ，并在点 （）处继续按前面的方法开展寻优活

16、动 ，以期搜寻到比点 （）更优的点 第二步收缩搜索 若 （ （）满足公式 （ （）（ （） （ （），则 （）（ （）第个 移动终端暂时不进行状态更新 （即不移动 ），并记 （） （）然后 ，在 （）处按“方体”格式扫描蓝牙设备得到蓝牙无线传感网集为（ （） （） （）， ， （） （） （） ， （） ， （） ， ，其中 （ ）称为收缩因（）（）子然后按前面方法来确定（ （）中是否有比 （）更优的点 在一个蓝牙散射网中 ，由于各医学传感器的采集频率 、传输 速率和空间位置各不相同，采集的生理参数往 往是无序、分散甚至是错误的因此，需要通过信息处理和融合对多生理参数进行相互关联和印 证，以获

17、得更客观、更本质认识的综合健康检测服务效果 多生理参数融合系统功能模型如图 所示 当医 学 传 感 器 所 采 集 的 生 理 参 数 发 送 到移动终端时 ，首先通过时间搬移和坐 标变换实施多传感器时间和空间校准 常见校准方图 多生理参数融合系统功能模型法有泰勒展开修正法 、内插外推法和虚拟融合法等 其次 ，通过数据相关性分析判别不同时空的数据是否来自同一医学传感器 如果是来自同一个医学传感器 ，则将新数据集与原有 （以前扫描得到的 ）数据进行融合；如果来自其它传感器 ，则根据其状态向量 、特征和属性等参数跟踪和估计新传感器设备的行为模式后，完成新旧生理参数的分类汇总和存储 ，并做好时间标记

18、 平台数据接收显示最根 据 功 能 需 求 分 析，基 于多生 理参数监护系统的主要功能包括 ：生理参数显示 、用户管理 、实 时 动 态 图 和 历 史 信 息查询 大模块 ，如图 所示 ）生 理 参 数 显 示：分 为 血 氧饱和度 显 示、血 压 显 示 和 心 电 显示 个子模块分别 记 录 生 理 参数检测仪的 地址 、用户 名、血氧 饱 和 度、脉 率、氧 容 积；收 缩压、舒 张 压、脉 搏 率； 波 段、图 多生理参数监护系统功能模块波段和 波段等 ）实时动态图 ：自动生成血氧饱和度 、血压 、心电 、脉搏等实时统计图 直观地反映生理参数变化趋势 ，再现监护过程中的数据变化 提

19、供放大和缩小功能 ，增强患者查看时用户体验 ）用户管理 ：包括用户创建 、保存和删除等功能 ，还支持拍照上传功能 支持个人基本资料 （用户名 、性别、年龄等 ），既往史 （疾病史 、手术 、外伤 、输血）、家族病史遗传史 、过敏史 、用药信息 、日常生活习惯等项目信息的录入 ）历史信息查询 ：可以按用户名对血氧饱和度 、心电 、血压等多生理参数数据和实时动态图进行查询当输入关键词 ，系统可以自动进行匹配 ，并提供用户所需的生理参数信息 杭州师范大学学报 （自然科学版 ）为了使程序代码更加清晰 、模块化程度更高 ，同时增强代年码健壮性和事件处理效率 ，本系统采用了 （ ）设计模式 ，对整个代码进

20、行了分层，包括表示层、控制层 、业务和数据交 换层，如图所示表示层用于向用户展示系统状态 本系统中是以每个 对应的页面 、对话框和一些显示 控件来展示，其中主要包括主显示界面 、血氧数据显示界面 、用户管理界面 ，以及历史记录查询界面 等等 其中布局文件和显示的文本信息分别放在 文件夹和 文件中 控制层 主要负责表示 层和业务层之间流程控制 一方 面将表 示层的 调用发送到业务层进行请求处理 ，另一方面将业务层处理结果反馈到表示层界面上进行显示图 多生理参数监护系统的 开发模式通过 移动搜索蓝牙设备的 算法，实现蓝牙数据融合和智 能分析业务数据交互层主要是封装了蓝牙数据传输的核心操作，比如创建

21、、创建通道 、传输数据 、处理输入输出流等 基于 多生理参数监护软件是在 平台上开发的 首先要下载 ，然后安装的插件 ，使之与 建立连接 通过继承 平台下 类并配合 的便捷操作可以实现多生理参数数据无线采集、接收 、数据存储和动态图绘制等功能 系统界面设计是采用，它是采用 资源文件进行定义 血氧实时图以红绿相间线条来显示相邻时刻的生理参数值系统图形库 ，并调用 （ ）方法来实现 蓝牙、等信息以及其它文件是采用 下标准 数据库形式进行存储 而 的系统配置信息是采用共享优先数据方法 进行存储的 实验验证与分析由于蓝牙 不能在虚拟机中测试，需要将 编译的工程打包成 格式安装包，并传到智能手机中安装运

22、行 应用程序启动之后 ，当打开多生理参数监护仪采集按钮并与进行蓝牙匹配 、连接 ，显示的血氧饱和度 、血压和心电等多生理参数检测主界面如图 （）所示 点击 “测量血氧”按钮 ，手机终端开始对血氧饱和度 （ ）、脉搏率 （）、血氧容积 （ ）无线接收 ，并手机且显示该监护仪的蓝牙 地址及用户名等信息 （图（）当点击 “血氧动态图 ”按钮时 ，系 统会以红绿相间的柱状图实时记录所采集血氧饱和度和脉搏值（图（）用户可以点击 “用户管理 ”建立个人健康档案 ，以及“历史记录查询 ”实现健康信息查找 在多蓝牙医学监护仪同时存在的环境中 ，为了检验系统的采集准确性和融合效果，笔者分析了 名年龄在 岁的测试者血氧饱和度和脉搏两项生理参数，结果如图 所示 ，对比融合前后的数据 ，发现图 移动终端多生理