基于智能手机的生理参数无线监测系统设计

黄广翔，王　静

基于智能手机的生理参数无线监测系统设计

黄广翔，王静

目的：设计一种基于安卓（Android）系统智能手机的生理参数无线监测系统，供日常血压、心率等检测使用。方法：该系统包括能测量人体血压和心率参数的检测端、数据无线传输的蓝牙模块端以及实现生理参数显示的智能手机端。检测端根据测振法和压力法的原理结合医用传感器、信号处理、A/D转换、单片机等技术来实现血压和心率参数的测量；蓝牙模块端通过Android系统的蓝牙功能与智能手机建立连接以实现数据的无线传输；智能手机端接收到数据后通过界面编程来实现生理参数的显示。结果：该系统能够准确地检测出生理参数，并实现在智能手机的显示。结论：该系统测量结果的准确性与市面上的电子血压计一致，由于其操作简单、携带方便、数据可无线传输等特点更能满足大众的需求。

安卓系统；蓝牙；心率；血压；无线传输；生理参数

0　引言

近年来，人们生活水平的提高导致脂肪摄入量增多，同时由于生活节奏加快、精神压力大或者缺乏运动等原因，高血压等“富贵病”日益成为危害人们健康和生命的重大杀手[1]。根据全国第五次高血压普查（暨黑龙江省第六次高血压普查）显示，目前，全国高血压患病率为27%[2]，高血压患者中2/3的人不知道自己患有高血压，只有当血压和心率出现异常而引起严重的头痛、头晕、心闷、心慌等症状后去医院检查时才知道自己患有高血压、心率异常等病症。而且，一些人体生理参数的检测，如血压、心率、血糖、血氧饱和度等都只能到医院进行。如此一来，不仅花费了昂贵的检查费用，也会因挂号、排队、咨询等耗费太多时间。因此，医疗检测仪器为了适应人们的需求将逐步向便携化、操作简单化和测量准确化方向发展。

据赛迪数据统计，2014年中国市场手机总销量中智能手机占比超过92%，其中安卓（Android）系统的份额遥遥领先。由图1可知，截至目前，安卓手机仍保持智能手机市场强劲的主导地位，在中国市场，安卓手机份额接近84%[3]。

随着互联网向移动互联网的跨越式发展，智能手机等移动终端的广泛普及和传感器技术的进步，预计在5 a左右，传统医疗模式可能将“面目全非”。而且目前医学领域越来越关注“4P”医学模式，即预防性（preventive）、预测性（predictive）、个体化（personalized）和参与性（participatory）[4]。在移动医疗监护的发展趋势下，手机因为其与人们的密不可分和强大的通信功能，也越来越多地运用在医疗领域中。因此，本文研究的基于智能手机的人体参数的无线监测系统将为大众所期待。

图1　2014年智能手机操作系统占有率图

1　系统结构

系统结构框架图如图2所示。主要有2个部分：（1）能采集到人体血管壁压力信号的数据采集模块作为检测参数端。采集到信号后输入前置放大电路进行信号的放大以便提取。提取放大后的信号将其输入滤波电路进行滤波，滤掉其他干扰信号，并提取脉搏波信号。然后将信号经A/D转换后传入单片机处理系统进行一系列的计算、处理，处理完的数据传送到蓝牙模块。（2）Android智能手机端：通过手机蓝牙的搜索、配对与人体生理参数检测端的蓝牙模块进行连接，连接成功后一直监听。人体生理参数检测端将所测得的参数数据传输到蓝牙模块后经蓝牙模块把数据发送至智能手机端，经智能手机端的处理实现数据的显示。智能手机端还可以把接收到的数据自动与软件设定好的正常参数范围进行对比，如果接收到的数据比正常参数范围偏高或偏低就会触发报警提示；接收到的参数数据也可以以.txt的文件格式保存在手机里，方便使用者查看记录或把测量到的数据通过互联网发送至另外的Android智能手机端。

图2　系统结构框架

2　血压、心率的测量

2.1血压测量

人体血压的测量可以分为两大类，即直接法测量和间接法测量。直接法测量是有创测量方法，是通过将导管插入血管内由压力传感器获得血压值，测量结果精确且可连续监测；间接法测量是无创测量方法，根据测量方法的不同大致可分为五大类：基于心音、压力、血流量、时间、频移的测量方法[5]。基于心音的测量方法称为柯氏音法，临床上用的水银式血压计就是基于心音的测量方法。它的主要缺点是会在测量过程中受医生主观因素或噪声干扰而产生误差。基于压力测量的方法称为示波法，又叫测振法，它是通过检测血液由受阻状态缓慢变为流通状态时袖带内产生的脉搏震荡波来计算出血压的。它的缺点是必须让被测试者处于安静平稳的状态测量。基于血流量的测量方法称为光电容积法。基于时间的测量方法称为脉搏波速传导法。基于血流量和时间的测量方法是脉搏波技术的延伸。这2种方法的缺点都是理论研究不如基于压力的示波法成熟。

因此，本设计采用的是示波法原理测量人体血压。其原理为：首先把袖带捆在左手手臂上的肱动脉处，然后启动仪器，对袖带充气至200 mmHg（1 mmHg=133.322 Pa）的袖带压，此时肱动脉被阻断，没有血流通过此处的血管。达到这种状态后仪器自动开始放气，当气压降到一定程度时，就开始有血流通过血管，且有小范围的振荡波。振荡波引起袖带的压力变化即可被压力传感器识别。测量过程中一直缓慢地放气，振荡波随着袖带内压力的降低变得越来越大。再过一段时间，由于袖带内的压力越来越小，与手臂的接触越来越松，因此压力传感器所检测到的压力和脉搏波动就越来越小。

综上所述的特征变化，根据固定比率法即可算出血压值。其方法是：通过单片机控制系统找出脉搏波钟形包络的顶点AM，其对应的袖带压PM即为平均压；另外，在包络线上升沿存在一点AS，其对应的袖带压即为收缩压PS，下降沿存在一点AD，其对应的袖带压即为舒张压PD。AS和AD的大小可根据如下经验公式求得：

临床实测中，上述经验公式中的取值变化范围较大，式（1）为0.3～0.75，式（2）为0.45～0.9[6]。示波法的血压测量原理如图3所示。

图3　基于放气过程的血压测量原理图

2.2心率测量

心率测量的方法有压力法、红外法、电阻法、心电位法，其中最为精确的是压力法，该方法往往和测血压连用[7]。在2.1节中量血压的前提下建立测量心率的数学模型，即当系统选定波动最大的时刻作为参考点后，启动单片机中的定时/计数器（设定1 ms中断1次），直到检测到下一个峰值的波动点为止，利用工作寄存器对2个峰值间的中断次数进行计数，然后读取计数值T。根据该计数值即可算出这2个峰值间的时间t，即

由式（3）可知每次脉搏跳动所需时间为t，则1 min内脉搏跳动的次数n可同理用比率法算出，即

结合式（3）、（4），即可算得心率值为n=60000/T。

3　数据的无线传输

3.1蓝牙模块

本系统的无线传输功能是使用HC-06蓝牙从机模块作为传输的媒介，HC-06引出接口包括VCC、GND、TXD、RXD，分别与单片机VCC、GND、RXD、TXD相连接。工作电压为3.6～6 V，未配对时电流约30 mA，配对后约10 mA，接口电平3.3 V，可以直接连接各种单片机，空旷地有效距离10 m[8]。

配对以后当全双工串口使用，只需给单片机设计好串口程序，无需了解任何蓝牙协议即可透传数据。支持8 bit数据位、1 bit停止位、无奇偶校验的通信格式，在未建立蓝牙连接时可以通过AT指令设置波特率、名称、配对密码，设置的参数掉电保存，蓝牙连接以后自动切换到透传模式，这样就能实现把检测端测量到的数据无线透传至Android智能手机端。

3.2数据传输的实现

蓝牙模块作为本系统数据无线传输的发送端，要实现数据的无线传输至Android智能手机端还需要数据接收端。本系统的数据接收端是通过运用Eclipse软件作为开发环境设计的一个蓝牙串口通信助手的应用程序（application，APP），使得Android手机以客户端的角色主动连接精简并行过程（simplified parrallel process，SPP）协议设备。

具体方法是，首先使用RegisterReceiver注册BroadcastReceiver来获取蓝牙状态、搜索设备等，然后使用BlueAdatper的搜索在BroadcastReceiver的on Receive()里取得搜索所得的蓝牙设备信息，通过设备的媒体介入控制层（media access control，MAC）地址来建立一个BluetoothDevice对象。最后由BluetoothDevice衍生出BluetoothSocket，准备套接字（socket）来取得设备，取得蓝牙设备的流程图如图4所示。

通过线程使用listen Using Rfcomm With Service Record()方法来注册一个具有名称和唯一识别的UUID号Bluetooth Server Socket，然后利用Bluetooth Server Socket.accept()方法一直监听生理参数检测模块的请求，得到请求后，利用InputStream.read（byte[]）方法即可实现蓝牙串口和蓝牙模块的连接，实现人体生理参数从检测端无线发送至Android智能手机端[9]。最终调用Blue-tooth Server Socket.close()关闭蓝牙服务器。建立蓝牙连接的流程图如图5所示。

图4　搜索设备流程图

图5　服务器流程图

在本文中，用户模式运用文件传输模式，文件传输模式提供两终端间的数据通信功能[10]。

4　实验结果

根据上文所述的基本理论和实现思路，本文通过检测模块对血压、心率这2项生理参数进行采集，然后经蓝牙模块将监测到的血压和心率数据发送至智能手机端，在智能手机端实现人体生理参数的显示并且能以.txt的文件格式保存数据。手机蓝牙操作界面如图6、7所示，包括蓝牙设备的搜索、配对和连接。搜索到蓝牙设备后，选择蓝牙设备，输入配对密码即可成功连接，连接成功后一直监听生理参数检测端的蓝牙模块，等待接收参数数据。

图6　设备搜索界面

图7　配对连接界面

同一位志愿者睡前安静状态下按照标准血压测量姿势连续测量5次的数据如图8所示。接收到的生理参数数据以.txt的格式保存至手机储存中的界面如图9所示。

在本学校采取随机抽样方法抽取10位志愿者进行试验，结果见表1。首先使用本文设计的生理参数监测系统对10位随机抽取的志愿者进行测量，并记录他们的性别、年龄、收缩压（systolic blood pressure，SBP）、舒张压（diastolic blood pressure，DBP）以及心率（heart rate，HR）值。然后对应地用深圳迈瑞公司生产的PM-8000 Express多参数监护仪对10位随机抽取的志愿者再次进行测量，并记录结果，2次测量结果见表1。从表1可以看出，2组数据相差不大。进一步使用SPSS软件对本系统所测得的数据与PM-8000 Express多参数监护仪所测得的数据进行独立样本t检验，检验分析结果见表2。由表2可知，本系统测得的数据与PM-8000 Express多参数监护仪测得的数据无显著性差异（各对比组检验分析得出的P值均大于0.05），从而说明本系统测量数据准确。

图8　志愿者连续5次测量数据的界面

图9　数据保存界面

表1　10位志愿者的血压、心率数据

5　结语

本文是在Android智能系统的基础上设计的人体生理参数无线监测系统，该系统符合“4P”型医学模式，并且把健康监护运用在智能手机上，顺应了社会发展的潮流。

表2　独立样本检验结果

本系统测量血压的方法采用的是血压无创测量方法中使用最多的测振法，心率也是基于这个方法建立数学模型计算得出的。所以需要尽可能地在使用时做必要、适当的调整，使其更能适应使用者个体差异的范围，降低使用误差。虽然本系统还存有系统误差和选取固定比率法中的系数以及号脉者读数时产生的计数误差，但通过上文的检验分析可知这些误差对本系统测量的准确性并无影响。

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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

[中国图书资料分类号]R318；TH772.2A

1003-8868（2015）10-0017-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.10.017

中山大学新华学院大学生创新训练项目（2014CX002）

黄广翔（1992—），男，主要研究方向为医学仪器设计，E-mail：g-16xiang@163.com。

510520广州，中山大学新华学院生物医学工程系（黄广翔，王静）

王静，E-mail：happyjing00@163.com