基于Android操作系统的移动健康监护系统的研究及评估

© 2013由Elsevier B.V.发布。信息工程研究院负责评选和同行评议可在www.sciencedirect.com上在线获取ScienceDirectIERI Procedia 4（2013）208 - 2152013年电子工程与计算机科学基于Android操作系统楼东东a，b，陈贤祥a，赵占a，宣云东a，b，徐志宏a，b，桓进a，b，郭兴祖a，b，方振a， *a中国科学院电子研究所，北京，100190，中国b中国科学院大学摘要本文介绍了一种基于Android操作系统的智能手机的移动健康监护系统，该系统由便携式多功能生理参数检测3AHcare节点和实时数据遥测移动程序组成。3AHcare节点是一款内置蓝牙模块的健康监护设备，能够测量受试者的ECG、血压、血氧、呼吸、温度和运动-几乎相当于医院床边患者监护仪的功能集。在Android应用程序中，通过Android设备与检测模块之间的套接字连接接收心电等生理参数，并对接收到的数据进行特殊算法处理，得到稳定的波形，将数据存储在microSD闪存中，以波形和数字显示数据，通过阈值算法报警，并通过TCP/IP协议实现远程数据传输。我们评估了该监测系统在采集、记录、传输和显示动态数据方面的性能，发现该系统易于使用且精度高。© 2013作者。由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究院负责评选和同行评议关键词：移动健康系统; Android;蓝牙;生理参数* 通讯作者。联系电话：电话：010 -58887195传真：010 -58887195电子邮箱：zfang@mail.ie.ac.cn。2212-6678 © 2013作者由Elsevier B. V.在CC BY-NC-ND许可下开放获取。信息工程研究所负责的选择和同行评审doi：10.1016/j.ieri.2013.11.030Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）2082091. 介绍在现代生活中，健康监测在日常生活中扮演着越来越重要的角色，患有慢性病的人也越来越多[1]，但传统的医疗保健大多局限于医院等固定场所，不方便使用者移动。为了实现对患者的心电、体温、呼吸等生理信息进行长期连续监测的目的，需要移动医疗。身体传感器网络（BSN）技术的发展使得长时间连续监测心电图（ECG）、呼吸频率、脑电图（EEG）、血氧饱和度（SpO2）、体温等生理参数成为可能[2]。这主要得益于以下两个方面的技术进步：首先，精密微功率放大器、微控制器和MEMS技术的进步，使非常小、低功耗、无线健康监测技术得以发展。我们的方法是开发一种高度集成的移动设备，通过减少组件的数量来降低成本并提高可靠性，并且不同于仅具有一种或两种感测模态或需要连接到受试者的多个联网设备的大多数设备。其次，随着移动通信技术和微电子技术的发展[3]，智能手机已经具备大容量存储、高速高精度处理芯片、超大触摸屏、GPS导航、大容量电池、良好的人机界面和强大的通信功能等特点。特别是，开放的操作系统和安装和卸载新应用程序的能力使智能手机越来越多地用于健康领域，特别是移动健康领域[4]。与基于PC或PDA的监护仪相比，智能手机体积小、携带方便、具有远距离数据通信能力、功能多样。本文设计并实现了一种能够对受试者的生理参数进行监测的移动健康监测系统。该监护系统不仅能够连续、实时地测量、分析、存储患者的各种生理参数，而且能够在生理参数超出正常值时自动报警，并通过TCP/IP协议将生理数据传输到远程服务器[5]。最重要的是，现有的监测系统与此类似的几乎没有。监控系统分为两部分，硬件部分采用3AHcare节点，软件部分采用APP。3AHcare节点可实现七导联心电、呼吸、体温、血压、SpO2的实时连续测量。APP用于自动获取、存储、处理、传输生理数据和报警。由于Android的高市场占有率、低价格和开放性的特点，该APP是在Android操作系统上使用Android SDK和NDK开发的。两部分之间的通信采用蓝牙无线通信技术。2. 系统组件监护系统由生理参数采集模块和Android智能手机应用模块组成。生理数据通过蓝牙在两部分之间传输，也可以使用WI-FI或3G网络与远程健康服务器实现远程数据传输。我们使用3AHcare节点作为参数采集模块。3AHcare节点能够实时连续测量七导联心电、呼吸、体温、血压和SpO2，并通过Zigbee和蓝牙的无线标准通信协议与其他设备进行数据交换。在充分考虑了现有智能手机操作系统的特点后，我们决定采用开放性、界面友好、网络功能强大的Android操作系统来开发监控应用。我们使用华为C8813作为原型来测试我们的监控应用，210Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）208C8813的必备参数如下：4.5英寸屏幕尺寸，854 x480像素分辨率，1228 MHz CPU频率，Android OS4.1操作系统，512 MB RAM，4GB ROM，支持蓝牙2.1+EDR，WLAN，WI-FI和GPS。完整的系统组件如图1所示。3AHcare节点、Android智能手机和远程健康服务器之间分别采用蓝牙和WiFi或3G实现数据传输。图1.系统组件3. 3AHcare节点IECAS 3AHcare节点与大多数其他无线健康监测设备的不同之处在于，它在单个小型设备上集成了大量的传感模式[6]。这允许许多优点，例如仅需要单个电路板、单个电池，并且不需要设备间通信，从而简化了最终用户体验。可实现七导联心电、呼吸、体温、血压、SpO2、佩戴者运动状态的实时连续测量。它高度集成了四个功能模块：微控制器模块，多个传感器和信号处理模块，无线通信模块和电源管理模块在一个单板上，如图所示。二、图2. 3AHcare节点Zigbee和蓝牙用于远程遥测，考虑到对高带宽、标准化通信协议的要求，在可视化和数据的消费者终端中普遍存在Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）208211中继，并能够连接到大量的蓝牙和Zigbee功能的健康设备，这些设备可以由佩戴者自由使用。为了方便穿戴者，设计了用于生理参数监测的服装（背心或绷带）作为载体，如图所示。3.第三章。ECG铅绷带背心温度探头IECAS3AHcare节点SpO2探针图3. IECAS 3AHcare采集导线固定在服装内侧，不易氧化，导电率高，可解决非专业人员准确定位信号采集点的问题，并保持信号测量点的连续一致性。IECAS 3AHcare节点作为平台，可以实现广泛的研究和商业应用。本文采用IECAS 3AHcare节点作为生理参数采集模块，采集被检者的心电、血压、血氧、呼吸、体温等生理参数。通过嵌入IECAS3AHcare节点的蓝牙模块，将生理参数采集模块采集的生理数据传输到Android监护应用程序中。4. Android监控应用监控系统的Android监控程序在Eclipse 3.5.2开发环境下采用Java语言开发，并在Android操作系统的智能手机上调试运行。Android监控应用的设计与实现包括两个方面：Android APP用户界面的设计与实现和Android APP功能模块的设计与实现。在此Android应用程序中需要设计两个应用程序用户界面，一个用于应用程序的控制和操作，另一个用于显示模拟和数字形式的生理参数。212Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）208API上下文总线动态管理运动环境信息特征总线监测检测总线传感器抽象层数据包总线网络层蓝牙可穿戴传感器监测系统/3AHcare节点数据包连接管理器RIP（呼吸）运动温度SpO2ECG特征点分辨率特征统计要素图层生理参数推理层解复用心律失常分析应用层分类变速器显示监视器在android APP功能模块的设计与实现中，需要完成对生理数据的一系列操作。根据生理参数的操作顺序，数据处理的行为包括：采集、预处理（分离、格式转换、计算）、波形和数字显示、存储、数据上传和下载以及实时报警。Android智能手机通过本地蓝牙接收并保存3AHcare节点发送的生理数据，并实时显示。同时，用户还可以通过监控程序界面执行其他功能。系统软件架构如图4所示，主要分为五层：网络层、抽象感知层、特征层、推理层和应用层。Android智能手机图4.监控系统软件架构在网络层，生理参数被收集并通过蓝牙连接从3AHcare节点传输到Android智能手机。在抽象感知层，对生理参数进行自适应处理，滤除干扰频率和杂散信号等噪声，消除基线漂移、潜在信号干扰和运动伪影效应，Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）20821310* 30001字节1字节AA AA AA如心电图、血氧、体温。在特征层中，确定特征点的对应位置，计算特征点的基本值和统计值，消除个体差异的影响。在推理层中，使用生理参数、运动、ECG分类算法和环境信息来分析用户的健康状况。在应用层，实现了生理参数的显示、分类、监测和传输。在上述五层结构的基础上，设计了一个用于监听用户生理参数的监护仪，一旦生理参数出现异常，自动报警。根据系统软件架构，使用Android SDK开发生理参数监测程序，各功能模块按照软件架构的不同层次逐步开发。在网络层，将收集生理参数。在3AHcare节点和智能手机之间建立蓝牙连接。生理数据通过基于RFCOMM协议构建的套接字传输。Bluetooth ServerSocket类和Bluetooth Socket类可用于在AndroidBluetooth API中创建串行通信。然后，将在Android应用程序中创建一个新线程，通过串行通信定期收集生理参数。生理参数以数据包的形式周期性地从节点发送。数据格式如图5所示：标记字节段顺序字节段分类字节段数据段图5.数据包格式这种数据传输格式的优点如下：1.用于表示标记字节段的三个连续字节不再出现在数据段中。这使得分组的完整性被准确地检测。2.利用类别字节段对生理参数包进行分割，得到不同类型的生理数据包，如心电数据包、血氧数据包和体温数据包。3.数据段中的三个连续字节表示一个真实的数据点，提高了收集点的准确性。4.顺序字节段确保数据包被连续接收。5.数据包的周期性发送有利于传输的可靠性和数据的完整性。然后，将创建一个数据缓冲池来保存从蓝牙串口连接接收到的需要在软件架构的下一层中使用的数据。在抽象传感器层中，进行分离、格式转换等预处理。首先根据数据包字节数和数据包顺序字节段检测数据缓冲池中的数据包;如果数据包是完整和连续的，则将被接受。其次，将表示不同类型生理参数的数据包按照分类字节段进行分离得到。然后，数据段中的三个连续字节将214Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）208蓝牙数据保存开关自动报警开关数据下载数据上传测定开始搜索蓝牙设备转换为Java语言的浮点型数据。最后采用梳状滤波、滑动平均滤波等算法消除噪声和基线漂移。在特征层中，将确定和计算生理参数的特征点和特征值。将心律失常检测算法移植到系统中，使系统能够自动进行各种心律失常的分析和诊断。例如，我们使用Pan-Tompkins算法来检测ECG信号中的QRS波群，然后计算心率。在推理层中，基于生理信息、ECG分析结果和用户对周围环境的信息，对一些结果进行评估，例如发热、早期ECG异常心室收缩和心房收缩。在应用层中，使用achartengine绘制各种生理参数的波形。多个TextView将用于显示生理参数的数字形式。多个按钮将用于执行保存测量数据、保存屏幕截图和开始测量操作/暂停测量列等功能。5. 测试结果在测试过程中，3AHcare节点的所有电极都应连接到人体，然后打开节点电源和蓝牙开关。我们使用用户界面来获取远程蓝牙设备并建立蓝牙连接，如图6所示。图6.用户界面我们可以清楚地看到我们自己的生理参数的结果，如图7所示。Dongdong Lou等人/ IERI Procedia 4（2013）208215图7.生理参数显示界面6. 的结论本文设计并实现了一种能够检测、监测和传输受检者的心电、血压、血氧、呼吸、体温等生理参数的健康监护系统。该监测系统体积小、携带方便、成本低、使用方便，不受时间和地点的限制。采用蓝牙标准通信协议进行数据传输，采用Android操作系统进行软件开发，使监控系统具有更强的互换性。生理参数也可以通过WiFi或3G在Android智能手机和远程服务器之间传输，这对于移动医疗保健具有非常重要的意义。引用[1]王晓刚.基于蓝牙技术的多通道生物医学信号传输系统[J].中国生物医学杂志，2003，11（1）：117.[2]王晓刚，王晓刚，等.高速无线个域网[J] .通信学报，2001，21（1）：102. [3]李明.超宽带无线通信技术与应用[M].北京：清华大学出版社，2004. [4]李焕邦，泷泽，K.-我，彬贞日;陈文辉，“无线网路之应用与发展”，国立成功大学电子工程研究所硕士论文，2007年12月。[5]Tia Gao，Pesto C，Selavol，et al.无线医疗传感器网络在应急响应：实施和试点结果。国土安全技术[C]. 2008年5月12 -13日IEEE会议：187-192。[6]Zhen Fang，Zhan Zhao，Fangmin Sun，etal. 3AHcare节点：持续健康监测。2012年IEEE第14届电子健康网络、应用和服务国际会议（Healthcom）。2012年10月10日至13日，中国北京。