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)。
參考文獻(xiàn)
[1] 王敬茹,高炳宏. 賽艇運(yùn)動(dòng)高原和低氧訓(xùn)練研究進(jìn)展[J].體育科研，2009,30(1)：65-69.
[2] 李勝利,凌晨,徐敏.激光無(wú)創(chuàng)腦血氧傳感系統(tǒng)研究[J].傳感器技術(shù),2005,24(9)：10-12.
[3] 袁揚(yáng),吳軍.戰(zhàn)時(shí)生命體征實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 醫(yī)療裝備,2005,18(9)：15-16.
[4] 馬永利,王培勇.運(yùn)動(dòng)心率檢測(cè)系統(tǒng)的研制及心率與肌氧含量同步實(shí)驗(yàn)研究[J]. 北京生物醫(yī)學(xué)工程,2005(4):299-301.
[5] 李紅燕,張立,沈紅飛.近紅外光譜測(cè)定術(shù)檢測(cè)肌氧的原理及其在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)雜志,2005(3):354-356.
[6] 錢風(fēng)雷,王晨.高原訓(xùn)練對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員血液成分、血乳酸和運(yùn)動(dòng)能力的影響[J]. 體育與科學(xué), 2004(6):69-71.
[7] 喬月印,蔡克家,喬峰,等.多功能激光血流血氧檢測(cè)系統(tǒng)的研制[J]. 南開(kāi)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(3):1-7.
[8] 張寧,陳亞明,鄧親愷.基于MSP430F149的血氧飽和度檢測(cè)儀[J]. 中國(guó)醫(yī)學(xué)物理學(xué)雜志,2004(3):165-168.