文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)05-0129-03
按照運(yùn)動(dòng)員身體生理指標(biāo)合理安排訓(xùn)練計(jì)劃是教練員,、運(yùn)動(dòng)員、隊(duì)醫(yī)們非常關(guān)注的問(wèn)題[1-3],而血氧飽和度與脈搏參數(shù)是反映運(yùn)動(dòng)員的生理機(jī)能的重要生理學(xué)指標(biāo)之一[4-6],。為了能實(shí)現(xiàn)血氧與脈博的快速測(cè)量,,同時(shí)將檢測(cè)數(shù)據(jù)快速發(fā)送給教練和醫(yī)生,研制出一種遠(yuǎn)程血氧含量與脈搏測(cè)量系統(tǒng),。
此血氧含量與脈搏測(cè)量系統(tǒng)由血氧脈搏檢測(cè)模塊,、安裝有終端軟件的運(yùn)動(dòng)員手機(jī)、服務(wù)器,、安裝有終端軟件的教練手機(jī)和醫(yī)生手機(jī)組成,。血氧脈搏檢測(cè)模塊檢測(cè)血氧脈搏信號(hào)并通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送給運(yùn)動(dòng)員手機(jī),手機(jī)端軟件對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算并顯示血氧飽和度,、脈搏和脈搏波形,。運(yùn)動(dòng)員手機(jī)端的軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將上述信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器,經(jīng)過(guò)服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給教練與醫(yī)生的手機(jī),,從而實(shí)現(xiàn)血氧飽和度,、脈搏和脈搏波形在教練和醫(yī)生手機(jī)上的顯示。
1 血氧脈搏檢測(cè)模塊
1.1 電路設(shè)計(jì)
采用MSP430FG437作為主控制器,,由藍(lán)牙模塊,、電源模塊、脈搏血氧檢測(cè)模塊組成,,如圖1所示,。
采用MSP430自帶的運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)硬件濾波,自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊采集脈搏血氧模塊的信號(hào),。以兩路光線(紅光vs,、紅外光ir)高頻交替照射被測(cè)部位,兩路透射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到兩路變化的光電流信號(hào)[7-8],。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊采集這兩路電流信號(hào),經(jīng)串口傳輸?shù)剿{(lán)牙模塊,,從而發(fā)送到手機(jī)端。
與血氧探頭連接電路如圖2所示,,探頭接口管腳:1為地線,6,、7分別為外屏蔽和內(nèi)屏蔽線,2為紅外光輸入正極/紅光輸入負(fù)極,3為紅光輸入正極/紅外光輸入負(fù)極,,9為光電管輸出正極,,5為光電管輸出負(fù)極。血氧探頭的光電二級(jí)管輸出端(管腳9)與MSP430內(nèi)部的運(yùn)放1的輸入管腳P6.0相連;P6.1是MSP430內(nèi)部的運(yùn)放1的輸出端,它與內(nèi)部ADC0輸入端相連,,同時(shí)與電阻R19串聯(lián)后與內(nèi)部的運(yùn)放2的輸入端(P6.4)相連,;P6.3是MSP430內(nèi)部的運(yùn)放2的輸出端,它與內(nèi)部ADC1輸入端相連,。兩個(gè)三極管的基極分別與P6.6和Veref+管腳相連,,這兩個(gè)管腳均是MSP430內(nèi)部的DAC輸出管腳,分別用來(lái)控制紅外光LED和紅光LED的發(fā)光亮度,。三極管Q1和Q2的基極與MSP430的管腳P2.2和管腳P2.3相連,,用以控制兩個(gè)LED的開(kāi)關(guān)。
1.2 軟件設(shè)計(jì)
利用200 Hz定時(shí)器中斷,,兩路LED交替通斷,,即1 s內(nèi)兩路光各有100次采樣。如圖3所示,,以紅外光這一路為例:每次定時(shí)器開(kāi)始2 ms定時(shí),,首先,啟動(dòng)DAC0,、DAC1轉(zhuǎn)換,,DAC0的輸出控制LED發(fā)光的強(qiáng)度,DAC1的輸出作為去直流電路的直流參考電壓,;然后,,開(kāi)紅外光LED;隨后啟動(dòng)ADC1,、ADC2轉(zhuǎn)換,,根據(jù)得到的值計(jì)算更新DAC0、DAC1數(shù)據(jù),;最后把ADC2數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到藍(lán)牙模塊直到2 ms定時(shí)結(jié)束,。
2 安卓手機(jī)客戶端的設(shè)計(jì)
2.1 功能介紹
客戶端程序分為兩種:(1)勾選“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”選項(xiàng),即為運(yùn)動(dòng)員使用的終端軟件,,通過(guò)藍(lán)牙接收檢測(cè)模塊發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù),,同時(shí)在后臺(tái)把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端,將藍(lán)牙接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后,,顯示血氧含量,、脈搏和波形在屏幕上。(2)不勾選“數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)”選項(xiàng),,即為教練員和醫(yī)生使用的終端軟件,,可以登錄到服務(wù)器端接收數(shù)據(jù),并把接收到的數(shù)據(jù)處理后顯示血氧含量,、脈搏和波形在屏幕上,。手機(jī)客戶端程序流程圖如圖4所示,。
手機(jī)端的應(yīng)用程序功能包括:藍(lán)牙功能、網(wǎng)絡(luò)功能,、網(wǎng)絡(luò)適配器功能和界面功能,。藍(lán)牙功能實(shí)現(xiàn)與MSP430控制器建立連接,,接收數(shù)據(jù),;網(wǎng)絡(luò)功能把數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器;網(wǎng)絡(luò)適配器功能檢測(cè)網(wǎng)絡(luò),,并向服務(wù)器發(fā)出HTTP請(qǐng)求,,建立連接;界面功能實(shí)現(xiàn)功能設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示,。“藍(lán)牙”按鈕被綁定到跳轉(zhuǎn)函數(shù),,被點(diǎn)擊時(shí),系統(tǒng)會(huì)跳轉(zhuǎn)到搜索設(shè)備的Activity之中,,搜索藍(lán)牙設(shè)備,,同時(shí)存儲(chǔ)在ListView中,并為其設(shè)置監(jiān)聽(tīng)按鈕,。當(dāng)連接到藍(lán)牙設(shè)備上并開(kāi)始接收數(shù)據(jù)后,,會(huì)跳轉(zhuǎn)至繪制脈搏圖的Activity中。Android界面通過(guò)自己的UI線程來(lái)操作,,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器,,并不需要單個(gè)Activity來(lái)執(zhí)行。手機(jī)客戶端界面如圖5所示,。
2.2 數(shù)據(jù)處理
首先對(duì)接收到的兩路光電流信號(hào)進(jìn)行去直流,、去工頻干擾,得到兩路信號(hào)的交流部分,;然后計(jì)算交流部分的平均功率之比即為動(dòng)脈血的含氧量,,通過(guò)線性擬合得到脈搏血氧飽和度;最后計(jì)算其中任何一路信號(hào)交流部分即為脈搏波的周期,由此可換算出脈率,。
去直流采用的是一個(gè)IIR濾波器,,如圖6所示。這個(gè)濾波器會(huì)在上次輸出值的基礎(chǔ)上加上輸入值與上次輸出值差的一小部分來(lái)組成新的輸出值,。數(shù)字信號(hào)直流跟隨可表達(dá)為:
跟隨系數(shù)K×(輸入信號(hào)-直流分量)+直流分量=更新的直流分量
變化率由跟隨系數(shù)K來(lái)控制,,K通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到,這里取1/27,。如果輸入有一個(gè)階躍變化,,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后,輸出將與輸入相同,。因此,,如果輸入的信號(hào)包含交流部分和直流部分,通過(guò)一段時(shí)間后,交流部分會(huì)在累加過(guò)程中被取消,,輸出只會(huì)跟蹤輸入的直流部分,。輸入的信號(hào)減去這個(gè)直流部分就得到了信號(hào)的交流部分。
濾波采用中位值平均濾波法,,連續(xù)采樣N個(gè)數(shù)據(jù),,去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,然后計(jì)算N-2個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值,。這里N值的選取為8,,圖7、圖8展示了濾波前后的波形變化,,從圖中可以清楚地看到濾波的效果很好,。
為了判斷脈搏周期,可以從兩路信號(hào)中選擇任意一路信號(hào)數(shù)據(jù)作為檢測(cè)對(duì)象,,這里選擇的是紅外光電流信號(hào),。從信號(hào)數(shù)據(jù)中連續(xù)提取M個(gè)數(shù)據(jù)作為一個(gè)隊(duì)列,每次把隊(duì)列中最先的一個(gè)數(shù)據(jù)去掉,,再提取一個(gè)新的數(shù)據(jù)放入隊(duì)列的最后,。這樣就像是在脈搏波信號(hào)上一個(gè)滑動(dòng)的具有固定寬度的窗口,窗口的寬度應(yīng)該大于噪聲時(shí)間,,但需小于脈搏周期,,這里設(shè)置的寬度是10個(gè)數(shù)據(jù)。判斷過(guò)程如下:當(dāng)最小值位置處于窗口中部位置時(shí)判定為一個(gè)波谷,,檢測(cè)到波谷以后窗口繼續(xù)滑過(guò)10個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),,但不再檢查最小值,確保上一個(gè)波谷已經(jīng)離開(kāi)窗口中心,,然后繼續(xù)檢查最小值位置確定下一個(gè)波谷,。脈搏周期的判斷過(guò)程如圖9所示,a為確定波谷,,b為離開(kāi)波谷,,c為尋找波谷。確定波谷,,確定周期,,清空計(jì)數(shù);離開(kāi)波谷,,開(kāi)始計(jì)數(shù),;尋找波谷,保持計(jì)數(shù),,確定窗口中最小值位置,。
3 服務(wù)器設(shè)計(jì)
服務(wù)器利用Java EE中的servlet來(lái)提供服務(wù),,并將其部署在Tomcat下。服務(wù)器端程序采用MVC框架模式開(kāi)發(fā),,主要包括如下部分:org.seven.pulse.dbc是MVC模式中的底層,,數(shù)據(jù)庫(kù)層,包中的類用來(lái)連接數(shù)據(jù)庫(kù)和操作數(shù)據(jù)庫(kù),;org.seven.pulse.dao是MVC模式中的Dao層,,為service提供服務(wù),封裝對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作方法。org.seven.pulse.servlet包則存放服務(wù)器程序,,通過(guò)覆寫(xiě)doPost()和doGet()方法來(lái)響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求,。
4 測(cè)試
用此系統(tǒng)與邁瑞監(jiān)護(hù)儀PM-8000同時(shí)對(duì)同一個(gè)運(yùn)動(dòng)員的血氧飽和度含量和脈搏進(jìn)行檢測(cè),,監(jiān)護(hù)儀和本系統(tǒng)的血氧探頭分別戴在左,、右手的中指上,待測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄,。選擇了10位學(xué)生做實(shí)驗(yàn)對(duì)象,,年齡19歲~22歲,體重47 kg~70 kg,,身高160 cm~182 cm,。所測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示??梢钥吹剿O(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)量精度很高,,完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要。
本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程血氧含量與脈搏測(cè)量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,,可靠性好,,測(cè)量精度較高,并能實(shí)時(shí)把測(cè)量數(shù)據(jù)發(fā)送給教練和醫(yī)生,。制作的樣機(jī)提供多名運(yùn)動(dòng)員試用,,在試用過(guò)程中得到普遍的好評(píng)。
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