按照運動員身體生理指標合理安排訓(xùn)練計劃是教練員,、運動員,、隊醫(yī)們非常關(guān)注的問題[1-3],而血氧飽和度與脈搏參數(shù)是反映運動員的生理機能的重要生理學(xué)指標之一[4-6]。為了能實現(xiàn)血氧與脈博的快速測量,，同時將檢測數(shù)據(jù)快速發(fā)送給教練和醫(yī)生,，研制出一種遠程血氧含量與脈搏測量系統(tǒng),。
    此血氧含量與脈搏測量系統(tǒng)由血氧脈搏檢測模塊,、安裝有終端軟件的運動員手機、服務(wù)器,、安裝有終端軟件的教練手機和醫(yī)生手機組成,。血氧脈搏檢測模塊檢測血氧脈搏信號并通過藍牙發(fā)送給運動員手機，手機端軟件對信號數(shù)據(jù)進行處理計算并顯示血氧飽和度,、脈搏和脈搏波形,。運動員手機端的軟件通過網(wǎng)絡(luò)將上述信號數(shù)據(jù)發(fā)送給遠端服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)給教練與醫(yī)生的手機，從而實現(xiàn)血氧飽和度,、脈搏和脈搏波形在教練和醫(yī)生手機上的顯示,。
1 血氧脈搏檢測模塊
1.1 電路設(shè)計
    采用MSP430FG437作為主控制器，由藍牙模塊,、電源模塊,、脈搏血氧檢測模塊組成，如圖1所示,。
    采用MSP430自帶的運算放大器實現(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。以兩路光線(紅光vs,、紅外光ir)高頻交替照射被測部位,，兩路透射光經(jīng)光電轉(zhuǎn)換得到兩路變化的光電流信號[7-8]。通過A/D轉(zhuǎn)換模塊采集這兩路電流信號,經(jīng)串口傳輸?shù)剿{牙模塊,，從而發(fā)送到手機端,。

　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/紅光輸入負極,，3為紅光輸入正極/紅外光輸入負極，9為光電管輸出正極,，5為光電管輸出負極,。血氧探頭的光電二級管輸出端(管腳9)與MSP430內(nèi)部的運放1的輸入管腳P6.0相連;P6.1是MSP430內(nèi)部的運放1的輸出端，它與內(nèi)部ADC0輸入端相連,，同時與電阻R19串聯(lián)后與內(nèi)部的運放2的輸入端(P6.4)相連,；P6.3是MSP430內(nèi)部的運放2的輸出端，它與內(nèi)部ADC1輸入端相連,。兩個三極管的基極分別與P6.6和Veref+管腳相連,，這兩個管腳均是MSP430內(nèi)部的DAC輸出管腳，分別用來控制紅外光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LED的開關(guān)。

1.2 軟件設(shè)計
    利用200 Hz定時器中斷,，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：每次定時器開始2 ms定時,，首先，啟動DAC0,、DAC1轉(zhuǎn)換,，DAC0的輸出控制LED發(fā)光的強度，DAC1的輸出作為去直流電路的直流參考電壓；然后,，開紅外光LED,；隨后啟動ADC1、ADC2轉(zhuǎn)換,，根據(jù)得到的值計算更新DAC0,、DAC1數(shù)據(jù)；最后把ADC2數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到藍牙模塊直到2 ms定時結(jié)束,。

2 安卓手機客戶端的設(shè)計
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,，即為運動員使用的終端軟件，通過藍牙接收檢測模塊發(fā)來的數(shù)據(jù),，同時在后臺把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)端,，將藍牙接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，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，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,。手機客戶端程序流程圖如圖4所示,。

    手機端的應(yīng)用程序功能包括：藍牙功能、網(wǎng)絡(luò)功能,、網(wǎng)絡(luò)適配器功能和界面功能,。藍牙功能實現(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)送到遠程服務(wù)器,；網(wǎng)絡(luò)適配器功能檢測網(wǎng)絡(luò)，并向服務(wù)器發(fā)出HTTP請求,，建立連接,；界面功能實現(xiàn)功能設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。“藍牙”按鈕被綁定到跳轉(zhuǎn)函數(shù),，被點擊時,，系統(tǒng)會跳轉(zhuǎn)到搜索設(shè)備的Activity之中，搜索藍牙設(shè)備,，同時存儲在ListView中,，并為其設(shè)置監(jiān)聽按鈕,。當(dāng)連接到藍牙設(shè)備上并開始接收數(shù)據(jù)后,，會跳轉(zhuǎn)至繪制脈搏圖的Activity中。Android界面通過自己的UI線程來操作，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器,，并不需要單個Activity來執(zhí)行,。手機客戶端界面如圖5所示。

2.2 數(shù)據(jù)處理
    首先對接收到的兩路光電流信號進行去直流,、去工頻干擾,，得到兩路信號的交流部分；然后計算交流部分的平均功率之比即為動脈血的含氧量,，通過線性擬合得到脈搏血氧飽和度,；最后計算其中任何一路信號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IIR濾波器,，如圖6所示,。這個濾波器會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組成新的輸出值。數(shù)字信號直流跟隨可表達為：
    跟隨系數(shù)K×（輸入信號-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來控制,，K通過實驗得到,，這里取1/27。如果輸入有一個階躍變化,，經(jīng)過一段時間后,，輸出將與輸入相同。因此,，如果輸入的信號包含交流部分和直流部分,，通過一段時間后，交流部分會在累加過程中被取消,，輸出只會跟蹤輸入的直流部分,。輸入的信號減去這個直流部分就得到了信號的交流部分。
　    濾波采用中位值平均濾波法,，連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù),，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數(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，可以從兩路信號中選擇任意一路信號數(shù)據(jù)作為檢測對象,，這里選擇的是紅外光電流信號,。從信號數(shù)據(jù)中連續(xù)提取M個數(shù)據(jù)作為一個隊列，每次把隊列中最先的一個數(shù)據(jù)去掉,，再提取一個新的數(shù)據(jù)放入隊列的最后,。這樣就像是在脈搏波信號上一個滑動的具有固定寬度的窗口,，窗口的寬度應(yīng)該大于噪聲時間，但需小于脈搏周期,，這里設(shè)置的寬度是10個數(shù)據(jù),。判斷過程如下：當(dāng)最小值位置處于窗口中部位置時判定為一個波谷，檢測到波谷以后窗口繼續(xù)滑過10個數(shù)據(jù)點,，但不再檢查最小值,，確保上一個波谷已經(jīng)離開窗口中心，然后繼續(xù)檢查最小值位置確定下一個波谷,。脈搏周期的判斷過程如圖9所示,，a為確定波谷，b為離開波谷,，c為尋找波谷,。確定波谷，確定周期,，清空計數(shù),；離開波谷，開始計數(shù),；尋找波谷,，保持計數(shù)，確定窗口中最小值位置,。
3 服務(wù)器設(shè)計
    服務(wù)器利用Java EE中的servlet來提供服務(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)庫層，包中的類用來連接數(shù)據(jù)庫和操作數(shù)據(jù)庫,；org.seven.pulse.dao是MVC模式中的Dao層,，為service提供服務(wù),封裝對數(shù)據(jù)庫的操作方法。org.seven.pulse.servlet包則存放服務(wù)器程序,，通過覆寫doPost()和doGet()方法來響應(yīng)客戶端的請求,。
4 測試
    用此系統(tǒng)與邁瑞監(jiān)護儀PM-8000同時對同一個運動員的血氧飽和度含量和脈搏進行檢測，監(jiān)護儀和本系統(tǒng)的血氧探頭分別戴在左,、右手的中指上,，待測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄。選擇了10位學(xué)生做實驗對象,，年齡19歲~22歲,，體重47 kg~70 kg，身高160 cm~182 cm,。所測實驗數(shù)據(jù)如表1所示,?？梢钥吹剿O(shè)計的測試系統(tǒng)的測量精度很高，完全可以滿足系統(tǒng)設(shè)計需要,。
    本文設(shè)計的遠程血氧含量與脈搏測量系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單,，可靠性好,，測量精度較高,，并能實時把測量數(shù)據(jù)發(fā)送給教練和醫(yī)生。制作的樣機提供多名運動員試用,，在試用過程中得到普遍的好評,。
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