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。可以看到所設(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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