按照運動員身體生理指標合理安排訓練計劃是教練員、運動員、隊醫們非常關注的問題[1-3],而血氧飽和度與脈搏參數是反映運動員的生理機能的重要生理學指標之一[4-6]。為了能實現血氧與脈博的快速測量，同時將檢測數據快速發送給教練和醫生，研制出一種遠程血氧含量與脈搏測量系統。
    此血氧含量與脈搏測量系統由血氧脈搏檢測模塊、安裝有終端軟件的運動員手機、服務器、安裝有終端軟件的教練手機和醫生手機組成。血氧脈搏檢測模塊檢測血氧脈搏信號并通過藍牙發送給運動員手機，手機端軟件對信號數據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絡將上述信號數據發送給遠端服務器，經過服務器轉發給教練與醫生的手機，從而實現血氧飽和度、脈搏和脈搏波形在教練和醫生手機上的顯示。
1 血氧脈搏檢測模塊
1.1 電路設計
    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硬件濾波，自帶的A/D轉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，兩路透射光經光電轉換得到兩路變化的光電流信號[7-8]。通過A/D轉換模塊采集這兩路電流信號,經串口傳輸到藍牙模塊，從而發送到手機端。

　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內部的運放1的輸入管腳P6.0相連;P6.1是MSP430內部的運放1的輸出端，它與內部ADC0輸入端相連，同時與電阻R19串聯后與內部的運放2的輸入端(P6.4)相連；P6.3是MSP430內部的運放2的輸出端，它與內部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內部的DAC輸出管腳，分別用來控制紅外光LED和紅光LED的發光亮度。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。

1.2 軟件設計
    利用200 Hz定時器中斷，兩路LED交替通斷，即1 s內兩路光各有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轉換，DAC0的輸出控制LED發光的強度，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轉換，根據得到的值計算更新DAC0、DAC1數據；最后把ADC2數據通過串口發送到藍牙模塊直到2 ms定時結束。

2 安卓手機客戶端的設計
2.1 功能介紹
    客戶端程序分為兩種:(1)勾選“數據轉發”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來的數據，同時在后臺把接收到的數據發送到服務端，將藍牙接收到的數據經過處理后，顯示血氧含量、脈搏和波形在屏幕上。(2)不勾選“數據轉發”選項，即為教練員和醫生使用的終端軟件，可以登錄到服務器端接收數據，并把接收到的數據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。

    手機端的應用程序功能包括：藍牙功能、網絡功能、網絡適配器功能和界面功能。藍牙功能實現與MSP430控制器建立連接，接收數據；網絡功能把數據發送到遠程服務器；網絡適配器功能檢測網絡，并向服務器發出HTTP請求，建立連接；界面功能實現功能設置和數據顯示。“藍牙”按鈕被綁定到跳轉函數，被點擊時，系統會跳轉到搜索設備的Activity之中，搜索藍牙設備，同時存儲在ListView中，并為其設置監聽按鈕。當連接到藍牙設備上并開始接收數據后，會跳轉至繪制脈搏圖的Activity中。Android界面通過自己的UI線程來操作，數據轉發到服務器，并不需要單個Activity來執行。手機客戶端界面如圖5所示。

2.2 數據處理
    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。數字信號直流跟隨可表達為：
    跟隨系數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，連續采樣N個數據，去掉一個最大值和一個最小值，然后計算N-2個數據的算術平均值。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據作為檢測對象，這里選擇的是紅外光電流信號。從信號數據中連續提取M個數據作為一個隊列，每次把隊列中最先的一個數據去掉，再提取一個新的數據放入隊列的最后。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，窗口的寬度應該大于噪聲時間，但需小于脈搏周期，這里設置的寬度是10個數據。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滑過10個數據點，但不再檢查最小值，確保上一個波谷已經離開窗口中心，然后繼續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；離開波谷，開始計數；尋找波谷，保持計數，確定窗口中最小值位置。
3 服務器設計
    服務器利用Java EE中的servlet來提供服務，并將其部署在Tomcat下。服務器端程序采用MVC框架模式開發，主要包括如下部分：org.seven.pulse.dbc是MVC模式中的底層，數據庫層，包中的類用來連接數據庫和操作數據庫；org.seven.pulse.dao是MVC模式中的Dao層，為service提供服務,封裝對數據庫的操作方法。org.seven.pulse.servlet包則存放服務器程序，通過覆寫doPost()和doGet()方法來響應客戶端的請求。
4 測試
    用此系統與邁瑞監護儀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，監護儀和本系統的血氧探頭分別戴在左、右手的中指上，待測試數據穩定后記錄。選擇了10位學生做實驗對象，年齡19歲~22歲，體重47 kg~70 kg，身高160 cm~182 cm。所測實驗數據如表1所示。可以看到所設計的測試系統的測量精度很高，完全可以滿足系統設計需要。
    本文設計的遠程血氧含量與脈搏測量系統電路結構簡單，可靠性好，測量精度較高，并能實時把測量數據發送給教練和醫生。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。
參考文獻
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