黃廣翔，王　靜

基于智能手機(jī)的生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

黃廣翔，王靜

目的：設(shè)計一種基于安卓（Android）系統(tǒng)智能手機(jī)的生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，供日常血壓、心率等檢測使用。方法：該系統(tǒng)包括能測量人體血壓和心率參數(shù)的檢測端、數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)乃{(lán)牙模塊端以及實現(xiàn)生理參數(shù)顯示的智能手機(jī)端。檢測端根據(jù)測振法和壓力法的原理結(jié)合醫(yī)用傳感器、信號處理、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)等技術(shù)來實現(xiàn)血壓和心率參數(shù)的測量；藍(lán)牙模塊端通過Android系統(tǒng)的藍(lán)牙功能與智能手機(jī)建立連接以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸；智能手機(jī)端接收到數(shù)據(jù)后通過界面編程來實現(xiàn)生理參數(shù)的顯示。結(jié)果：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地檢測出生理參數(shù)，并實現(xiàn)在智能手機(jī)的顯示。結(jié)論：該系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性與市面上的電子血壓計一致，由于其操作簡單、攜帶方便、數(shù)據(jù)可無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)更能滿足大眾的需求。

安卓系統(tǒng)；藍(lán)牙；心率；血壓；無線傳輸；生理參數(shù)

0　引言

近年來，人們生活水平的提高導(dǎo)致脂肪攝入量增多，同時由于生活節(jié)奏加快、精神壓力大或者缺乏運(yùn)動等原因，高血壓等“富貴病”日益成為危害人們健康和生命的重大殺手[1]。根據(jù)全國第五次高血壓普查（暨黑龍江省第六次高血壓普查）顯示，目前，全國高血壓患病率為27%[2]，高血壓患者中2/3的人不知道自己患有高血壓，只有當(dāng)血壓和心率出現(xiàn)異常而引起嚴(yán)重的頭痛、頭暈、心悶、心慌等癥狀后去醫(yī)院檢查時才知道自己患有高血壓、心率異常等病癥。而且，一些人體生理參數(shù)的檢測，如血壓、心率、血糖、血氧飽和度等都只能到醫(yī)院進(jìn)行。如此一來，不僅花費(fèi)了昂貴的檢查費(fèi)用，也會因掛號、排隊、咨詢等耗費(fèi)太多時間。因此，醫(yī)療檢測儀器為了適應(yīng)人們的需求將逐步向便攜化、操作簡單化和測量準(zhǔn)確化方向發(fā)展。

據(jù)賽迪數(shù)據(jù)統(tǒng)計，2014年中國市場手機(jī)總銷量中智能手機(jī)占比超過92%，其中安卓（Android）系統(tǒng)的份額遙遙領(lǐng)先。由圖1可知，截至目前，安卓手機(jī)仍保持智能手機(jī)市場強(qiáng)勁的主導(dǎo)地位，在中國市場，安卓手機(jī)份額接近84%[3]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)向移動互聯(lián)網(wǎng)的跨越式發(fā)展，智能手機(jī)等移動終端的廣泛普及和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計在5 a左右，傳統(tǒng)醫(yī)療模式可能將“面目全非”。而且目前醫(yī)學(xué)領(lǐng)域越來越關(guān)注“4P”醫(yī)學(xué)模式，即預(yù)防性（preventive）、預(yù)測性（predictive）、個體化（personalized）和參與性（participatory）[4]。在移動醫(yī)療監(jiān)護(hù)的發(fā)展趨勢下，手機(jī)因為其與人們的密不可分和強(qiáng)大的通信功能，也越來越多地運(yùn)用在醫(yī)療領(lǐng)域中。因此，本文研究的基于智能手機(jī)的人體參數(shù)的無線監(jiān)測系統(tǒng)將為大眾所期待。

圖1　2014年智能手機(jī)操作系統(tǒng)占有率圖

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖2所示。主要有2個部分：（1）能采集到人體血管壁壓力信號的數(shù)據(jù)采集模塊作為檢測參數(shù)端。采集到信號后輸入前置放大電路進(jìn)行信號的放大以便提取。提取放大后的信號將其輸入濾波電路進(jìn)行濾波，濾掉其他干擾信號，并提取脈搏波信號。然后將信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳入單片機(jī)處理系統(tǒng)進(jìn)行一系列的計算、處理，處理完的數(shù)據(jù)傳送到藍(lán)牙模塊。（2）Android智能手機(jī)端：通過手機(jī)藍(lán)牙的搜索、配對與人體生理參數(shù)檢測端的藍(lán)牙模塊進(jìn)行連接，連接成功后一直監(jiān)聽。人體生理參數(shù)檢測端將所測得的參數(shù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊后經(jīng)藍(lán)牙模塊把數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)端，經(jīng)智能手機(jī)端的處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。智能手機(jī)端還可以把接收到的數(shù)據(jù)自動與軟件設(shè)定好的正常參數(shù)范圍進(jìn)行對比，如果接收到的數(shù)據(jù)比正常參數(shù)范圍偏高或偏低就會觸發(fā)報警提示；接收到的參數(shù)數(shù)據(jù)也可以以.txt的文件格式保存在手機(jī)里，方便使用者查看記錄或把測量到的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送至另外的Android智能手機(jī)端。

圖2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2　血壓、心率的測量

2.1血壓測量

人體血壓的測量可以分為兩大類，即直接法測量和間接法測量。直接法測量是有創(chuàng)測量方法，是通過將導(dǎo)管插入血管內(nèi)由壓力傳感器獲得血壓值，測量結(jié)果精確且可連續(xù)監(jiān)測；間接法測量是無創(chuàng)測量方法，根據(jù)測量方法的不同大致可分為五大類：基于心音、壓力、血流量、時間、頻移的測量方法[5]?；谛囊舻臏y量方法稱為柯氏音法，臨床上用的水銀式血壓計就是基于心音的測量方法。它的主要缺點(diǎn)是會在測量過程中受醫(yī)生主觀因素或噪聲干擾而產(chǎn)生誤差。基于壓力測量的方法稱為示波法，又叫測振法，它是通過檢測血液由受阻狀態(tài)緩慢變?yōu)榱魍顟B(tài)時袖帶內(nèi)產(chǎn)生的脈搏震蕩波來計算出血壓的。它的缺點(diǎn)是必須讓被測試者處于安靜平穩(wěn)的狀態(tài)測量?；谘髁康臏y量方法稱為光電容積法?；跁r間的測量方法稱為脈搏波速傳導(dǎo)法?；谘髁亢蜁r間的測量方法是脈搏波技術(shù)的延伸。這2種方法的缺點(diǎn)都是理論研究不如基于壓力的示波法成熟。

因此，本設(shè)計采用的是示波法原理測量人體血壓。其原理為：首先把袖帶捆在左手手臂上的肱動脈處，然后啟動儀器，對袖帶充氣至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa）的袖帶壓，此時肱動脈被阻斷，沒有血流通過此處的血管。達(dá)到這種狀態(tài)后儀器自動開始放氣，當(dāng)氣壓降到一定程度時，就開始有血流通過血管，且有小范圍的振蕩波。振蕩波引起袖帶的壓力變化即可被壓力傳感器識別。測量過程中一直緩慢地放氣，振蕩波隨著袖帶內(nèi)壓力的降低變得越來越大。再過一段時間，由于袖帶內(nèi)的壓力越來越小，與手臂的接觸越來越松，因此壓力傳感器所檢測到的壓力和脈搏波動就越來越小。

綜上所述的特征變化，根據(jù)固定比率法即可算出血壓值。其方法是：通過單片機(jī)控制系統(tǒng)找出脈搏波鐘形包絡(luò)的頂點(diǎn)AM，其對應(yīng)的袖帶壓PM即為平均壓；另外，在包絡(luò)線上升沿存在一點(diǎn)AS，其對應(yīng)的袖帶壓即為收縮壓PS，下降沿存在一點(diǎn)AD，其對應(yīng)的袖帶壓即為舒張壓PD。AS和AD的大小可根據(jù)如下經(jīng)驗公式求得：

臨床實測中，上述經(jīng)驗公式中的取值變化范圍較大，式（1）為0.3～0.75，式（2）為0.45～0.9[6]。示波法的血壓測量原理如圖3所示。

圖3　基于放氣過程的血壓測量原理圖

2.2心率測量

心率測量的方法有壓力法、紅外法、電阻法、心電位法，其中最為精確的是壓力法，該方法往往和測血壓連用[7]。在2.1節(jié)中量血壓的前提下建立測量心率的數(shù)學(xué)模型，即當(dāng)系統(tǒng)選定波動最大的時刻作為參考點(diǎn)后，啟動單片機(jī)中的定時/計數(shù)器（設(shè)定1 ms中斷1次），直到檢測到下一個峰值的波動點(diǎn)為止，利用工作寄存器對2個峰值間的中斷次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，然后讀取計數(shù)值T。根據(jù)該計數(shù)值即可算出這2個峰值間的時間t，即

由式（3）可知每次脈搏跳動所需時間為t，則1 min內(nèi)脈搏跳動的次數(shù)n可同理用比率法算出，即

結(jié)合式（3）、（4），即可算得心率值為n=60000/T。

3　數(shù)據(jù)的無線傳輸

3.1藍(lán)牙模塊

本系統(tǒng)的無線傳輸功能是使用HC-06藍(lán)牙從機(jī)模塊作為傳輸?shù)拿浇椋琀C-06引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD，分別與單片機(jī)VCC、GND、RXD、TXD相連接。工作電壓為3.6～6 V，未配對時電流約30 mA，配對后約10 mA，接口電平3.3 V，可以直接連接各種單片機(jī)，空曠地有效距離10 m[8]。

配對以后當(dāng)全雙工串口使用，只需給單片機(jī)設(shè)計好串口程序，無需了解任何藍(lán)牙協(xié)議即可透傳數(shù)據(jù)。支持8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位、無奇偶校驗的通信格式，在未建立藍(lán)牙連接時可以通過AT指令設(shè)置波特率、名稱、配對密碼，設(shè)置的參數(shù)掉電保存，藍(lán)牙連接以后自動切換到透傳模式，這樣就能實現(xiàn)把檢測端測量到的數(shù)據(jù)無線透傳至Android智能手機(jī)端。

3.2數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)

藍(lán)牙模塊作為本系統(tǒng)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)陌l(fā)送端，要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸至Android智能手機(jī)端還需要數(shù)據(jù)接收端。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收端是通過運(yùn)用Eclipse軟件作為開發(fā)環(huán)境設(shè)計的一個藍(lán)牙串口通信助手的應(yīng)用程序（application，APP），使得Android手機(jī)以客戶端的角色主動連接精簡并行過程（simplified parrallel process，SPP）協(xié)議設(shè)備。

具體方法是，首先使用RegisterReceiver注冊BroadcastReceiver來獲取藍(lán)牙狀態(tài)、搜索設(shè)備等，然后使用BlueAdatper的搜索在BroadcastReceiver的on Receive()里取得搜索所得的藍(lán)牙設(shè)備信息，通過設(shè)備的媒體介入控制層（media access control，MAC）地址來建立一個BluetoothDevice對象。最后由BluetoothDevice衍生出BluetoothSocket，準(zhǔn)備套接字（socket）來取得設(shè)備，取得藍(lán)牙設(shè)備的流程圖如圖4所示。

通過線程使用listen Using Rfcomm With Service Record()方法來注冊一個具有名稱和唯一識別的UUID號Bluetooth Server Socket，然后利用Bluetooth Server Socket.accept()方法一直監(jiān)聽生理參數(shù)檢測模塊的請求，得到請求后，利用InputStream.read（byte[]）方法即可實現(xiàn)藍(lán)牙串口和藍(lán)牙模塊的連接，實現(xiàn)人體生理參數(shù)從檢測端無線發(fā)送至Android智能手機(jī)端[9]。最終調(diào)用Blue-tooth Server Socket.close()關(guān)閉藍(lán)牙服務(wù)器。建立藍(lán)牙連接的流程圖如圖5所示。

圖4　搜索設(shè)備流程圖

圖5　服務(wù)器流程圖

在本文中，用戶模式運(yùn)用文件傳輸模式，文件傳輸模式提供兩終端間的數(shù)據(jù)通信功能[10]。

4　實驗結(jié)果

根據(jù)上文所述的基本理論和實現(xiàn)思路，本文通過檢測模塊對血壓、心率這2項生理參數(shù)進(jìn)行采集，然后經(jīng)藍(lán)牙模塊將監(jiān)測到的血壓和心率數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機(jī)端，在智能手機(jī)端實現(xiàn)人體生理參數(shù)的顯示并且能以.txt的文件格式保存數(shù)據(jù)。手機(jī)藍(lán)牙操作界面如圖6、7所示，包括藍(lán)牙設(shè)備的搜索、配對和連接。搜索到藍(lán)牙設(shè)備后，選擇藍(lán)牙設(shè)備，輸入配對密碼即可成功連接，連接成功后一直監(jiān)聽生理參數(shù)檢測端的藍(lán)牙模塊，等待接收參數(shù)數(shù)據(jù)。

圖6　設(shè)備搜索界面

圖7　配對連接界面

同一位志愿者睡前安靜狀態(tài)下按照標(biāo)準(zhǔn)血壓測量姿勢連續(xù)測量5次的數(shù)據(jù)如圖8所示。接收到的生理參數(shù)數(shù)據(jù)以.txt的格式保存至手機(jī)儲存中的界面如圖9所示。

在本學(xué)校采取隨機(jī)抽樣方法抽取10位志愿者進(jìn)行試驗，結(jié)果見表1。首先使用本文設(shè)計的生理參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)對10位隨機(jī)抽取的志愿者進(jìn)行測量，并記錄他們的性別、年齡、收縮壓（systolic blood pressure，SBP）、舒張壓（diastolic blood pressure，DBP）以及心率（heart rate，HR）值。然后對應(yīng)地用深圳邁瑞公司生產(chǎn)的PM-8000 Express多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀對10位隨機(jī)抽取的志愿者再次進(jìn)行測量，并記錄結(jié)果，2次測量結(jié)果見表1。從表1可以看出，2組數(shù)據(jù)相差不大。進(jìn)一步使用SPSS軟件對本系統(tǒng)所測得的數(shù)據(jù)與PM-8000 Express多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t檢驗，檢驗分析結(jié)果見表2。由表2可知，本系統(tǒng)測得的數(shù)據(jù)與PM-8000 Express多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀測得的數(shù)據(jù)無顯著性差異（各對比組檢驗分析得出的P值均大于0.05），從而說明本系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖8　志愿者連續(xù)5次測量數(shù)據(jù)的界面

圖9　數(shù)據(jù)保存界面

表1　10位志愿者的血壓、心率數(shù)據(jù)

5　結(jié)語

本文是在Android智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計的人體生理參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合“4P”型醫(yī)學(xué)模式，并且把健康監(jiān)護(hù)運(yùn)用在智能手機(jī)上，順應(yīng)了社會發(fā)展的潮流。

表2　獨(dú)立樣本檢驗結(jié)果

本系統(tǒng)測量血壓的方法采用的是血壓無創(chuàng)測量方法中使用最多的測振法，心率也是基于這個方法建立數(shù)學(xué)模型計算得出的。所以需要盡可能地在使用時做必要、適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，使其更能適應(yīng)使用者個體差異的范圍，降低使用誤差。雖然本系統(tǒng)還存有系統(tǒng)誤差和選取固定比率法中的系數(shù)以及號脈者讀數(shù)時產(chǎn)生的計數(shù)誤差，但通過上文的檢驗分析可知這些誤差對本系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性并無影響。

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（收稿：2015-03-23修回：2015-07-15）

Design of physiological parameters wireless monitoring system based on smart phone

HUANG Guang-xiang,WANG Jing
（Department of Biomedical Engineering,Xinhua College of Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510520,China）

Objective To design a physiological parameters wireless monitoring system based on Android phone to detect blood pressure,heart rate and etc.Methods The system was composed of a detection terminal for measuring blood pressure and heart rate,a Bluetooth terminal for data wireless transmission and a smart phone terminal for displaying physiological parameters.The detection terminal involved in the principles of methods for measuring vibration and pressure as well as the technologies of medical sensor,signal processing,A/D conversion,SCM and etc.The Bluetooth terminal realized wireless data transmission through the Bluetooth connection between Android system with the smart phone.The smart phone displayed physiological parameters with interface programming after receiving data.Results The system could detect physiological parameters and display them on the smart phone.Conclusion The system has the same accuracy with that of the listed electronic sphygmomanometer when used for blood pressure measuring,which is worthy popularizing for the advantages in easy operation,high portability and data wireless transmission.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（10）：17-20]

Android;Bluetooth;heart rate;blood pressure;wireless transmission;physiological parameter

[中國圖書資料分類號]R318；TH772.2A

1003-8868（2015）10-0017-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.017

中山大學(xué)新華學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（2014CX002）

黃廣翔（1992—），男，主要研究方向為醫(yī)學(xué)儀器設(shè)計，E-mail：g-16xiang@163.com。

510520廣州，中山大學(xué)新華學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程系（黃廣翔，王靜）

王靜，E-mail：happyjing00@163.com