基于Android移動醫(yī)療監(jiān)護的設計與研究

付柏楊，王黎黎

（中國電子科技集團公司　第二十八所，南京 210000）

基于Android移動醫(yī)療監(jiān)護的設計與研究

付柏楊，王黎黎

（中國電子科技集團公司第二十八所，南京 210000）

基于自主研發(fā)的健康監(jiān)護儀設備，研究如何在手機端利用有限的計算資源，實現實時接收監(jiān)護儀設備上傳的檢測數據，并且快速、高效地并發(fā)處理、展示及存儲手機端接收的檢測數據，從而為疾病早發(fā)現早治療提供數據支持。最終，利用自定義的SurfaceView，結合多線程以及緩存隊列技術，很好地解決了實時監(jiān)護數據的接收、處理及展示這一關鍵問題。

雙緩沖；多線程；緩沖隊列

0　引言

隨著生活水平的提高，以及人口老齡化趨勢的日益顯著，人們愈加關注家庭健康問題。加之手機智能化的發(fā)展，移動智能手機已成為人們生活必需品，同時也改變著醫(yī)療保健產業(yè)的發(fā)展方向。移動醫(yī)療、智能醫(yī)療、遠程醫(yī)療成為醫(yī)療領域發(fā)展的新熱點。

基于所級課題“家庭式健康監(jiān)護儀”，本文主要研究智能手機終端與家庭式健康監(jiān)護儀之間多種生理參數監(jiān)護數據的實時交互及展示。手機終端在接收到這些數據后，經過報文解析處理，在界面上實時顯示健康監(jiān)護數據并進行持久化存儲。然而，手機的處理性能有限，如何實現實時接收、處理并展示監(jiān)護數據，是本課題研究的關鍵，也是本課題研究的重點與難點。

1　背景

通過研究發(fā)現，目前市場上結合Android平臺及便攜監(jiān)護儀的移動家庭式監(jiān)護產品尚處于起步階段［1］，僅有國內邁瑞已研制出一款名為邁瑞UBICARE（優(yōu)必康）H900的生理參數監(jiān)測儀/健康一體機。該設備具備基本的家用監(jiān)護功能，但還處于初期研發(fā)階段，存在不足。

因降低成本，監(jiān)護儀測量數據過于簡略，如心電數據標明三導聯(lián)波形，實際只有II導聯(lián)一道波形；無呼吸波（RESP）、血氧描記波（PLEH）的檢測功能；僅可將單次測量的一導聯(lián)10 s心電波形上傳至手機端作為歷史波形靜態(tài)展示與查看；不支持測量數據的實時交互傳輸。

總而言之，該款設備定位于家用，而且配套的手機端應用功能也很弱，只能作為記錄單次測量結果的工具。

在課題研究中，自己研制了家庭式便攜型監(jiān)護設備，該設備集成電源管理模塊和藍牙4.0模塊。通過最新的低功耗藍牙4.0協(xié)議，監(jiān)護設備與手機終端可實時交互監(jiān)護數據、控制命令以及告警信息。設備設計如圖1所示。

圖1 家庭式監(jiān)護儀與Android手機交互

大多數智能手機的處理資源和存儲資源相對于PC機器是相當有限的，而醫(yī)療板卡對外傳輸的持續(xù)性監(jiān)護數據量很大，本文所采用的醫(yī)療板卡發(fā)送各主要數據包的頻率，如表1所示。

表1醫(yī)療板卡數據發(fā)送頻率

表1所示，僅心電波形數據，每秒鐘就會向外發(fā)出250個數值點，即使在非實際監(jiān)護狀態(tài)下，醫(yī)療板卡也會通過藍牙向手機發(fā)送數據，只是此時的數據相當于當前心電測量參數的零值。

2　應用總體設計

本文研究的移動監(jiān)護APP軟件，主要包括以下模塊。

人機交互處理模塊：負責實時處理并動態(tài)描繪接收的監(jiān)護波形數據以及其他數值型健康數據，提供友好的人機界面，接收界面操作指令并向用戶反饋處理結果信息。

健康數據接收處理模塊：本模塊通過手機端的藍牙4.0協(xié)議接口，與監(jiān)護設備建立數據連接，交互指令數據以及監(jiān)護數據，并進行報文的解析與封裝。

數據存儲訪問處理模塊：該模塊基于Android的Sqlite數據庫，為其他模塊提供監(jiān)護數據增刪改查的持久化操作接口。

數據通信模塊：此模塊提供對外網絡交互接口，彌補健康監(jiān)護儀的傳輸能力不足通過移動互聯(lián)網與外部健康系統(tǒng)平臺進行監(jiān)護數據、個人信息等信息的交互。

其中，人機交互處理以及健康數據接收處理，是應用的核心部分，也是影響整個應用性能以及魯棒性的關鍵，因而，這兩個模塊是本文著重研究與討論的重點。

3　緩沖機制

針對上節(jié)實際需求，本文借助Android SurfaceView雙緩沖機制［2］，采用多線程結合阻塞隊列的生產者消費者模式，很好解決了人機交互以及實時健康數據的并發(fā)處理問題。

數據交互過程中，因設計或網絡影響，數據發(fā)送速率與接收速率并不總是能夠保證一致的。尤其當發(fā)送速率高于接收速率時，可能會出現數據丟失的情況。

3.1雙緩沖機制

Android提供了兩種基本畫圖對象：View和SurfaceView組件。View與SurfaceView在動態(tài)作圖差異上的對比如下［3］：

View沒有雙緩沖機制，難于保存之前繪制的內容；當 View組件上圖形狀態(tài)數據發(fā)生變化，需要更新View組件上的圖像時，必須重繪整個View組件，如果數據量大，耗時較長；View的繪圖必須在當前的UI線程中進行，在更新View組件時需要借助使用Android Handler機制來處理。因而，在繪制數據量大情況下，使用View很可能會阻塞UI線程，導致手機應用出現操作卡頓。

對比后可知，View組件適合于圖形數據量小，狀態(tài)數據變化較少，無需記錄上次數據的整體視圖繪制情形，但不適合實時動態(tài)畫圖及頻繁局部圖形更新的使用場景。

相比較 View組件，SurfaceView啟動新的線程，采用SurfaceHolder更新SurfaceView的組件繪制，而且通過獲取SurfaceView上指定區(qū)域的Canvas，只對指定的圖像區(qū)域部分進行數據更新，降低了性能消耗，提高了畫面的更新速度，因而動態(tài)效果比自定義的View組件更加出色。

3.2雙緩沖與多線程

在使用SurfaceView繪制波形時，由于SurfaceView是通過鎖定Canvas的方式來畫圖，因此需要耗費時間，不能保證動態(tài)畫圖的流暢，特別是在數據量大的情況下，這種問題尤其明顯。解決方法是采用多線程的方式，通過建立單獨的子線程，在子線程中使用SurfaceView來繪制波形。

當手機端計算處理過于頻繁時，會嚴重消耗處理資源，降低手機應用的用戶體驗。在實際過程中，為了保證動態(tài)實時效果且又能夠減少手機CPU處理負擔，本文在繪制動態(tài)波形數據時對數據進行了分段處理。如對于心電波形數據，每秒產生250個點，即4 ms產生一個點，而人動態(tài)視覺效果刷屏為60 Hz，大約16 ms刷新一次，則感受不到停頓，那么在實際處理中可以每次描繪4～5個波形數據點構成的分段波形。

3.3多線程與阻塞隊列

一方面為了保證數據不會因為發(fā)送與處理速率的不同而丟失，另一方面為了使得數據接收順序與處理順序、展示順序始終保持一致，因而，本文利用基于阻塞隊列的生產者消費者模式，使用多線程來完成數據的接收、分發(fā)與處理。數據接收線程在接收到新的數據報文后，作為生產者將報文放入第一級的阻塞隊列中，數據處理線程作為報文的消費者，從隊列中獲取報文并進行解析，同時數據處理線程作為下一級的生產者將解析后的報文分發(fā)到不同的阻塞隊列中。

4　結論

本設計中對于波形數據展示方式，參照傳統(tǒng)監(jiān)護儀器設備上的心電波、呼吸波以及血氧描記波的動態(tài)描繪效果，以小段重繪的方式動態(tài)展示，處理方式如下：

（1）采用FIFO機制，逐步擦除動態(tài)展示波形數據中最早的小段波形數據，并加入本次最新的小段波形數據，以達到與監(jiān)護儀上的波形顯示相同的效果。

（2）針對繪圖數據量大的特點，應用接收線程在累計接收處理5個波形數據點后，交由繪圖線程一次性繪制5個點的小段波形，逐段覆蓋更新。

（3）控制canvas，避免圖像局部變化過于頻繁。

以心電II導聯(lián)波形為例，基于本文的技術研究，最終在手機上實現了預期的處理及繪制效果，并可以流暢地切換顯示測量的7導聯(lián)心電波形（ECG）、呼吸波形（RESP）以及血氧波形（PLETH）等波形數據。

本設計中的手機監(jiān)護應用App完整實現效果圖，如圖2所示。

圖2監(jiān)護應用App效果圖

5　結語

本文采用自定義的雙緩沖機制SurfaceView控件進行動態(tài)監(jiān)護波形描繪，相比于View控件，在動態(tài)波形圖繪制上性能更加優(yōu)越，并且大大降低了處理資源需求。同時，利用多線程和阻塞隊列技術，很好的解決了實際應用中監(jiān)護數據量過大以及傳輸處理速率不對等的問題，從而實現利用手機上有限的計算資源實時接收、處理并動態(tài)展示監(jiān)護的各項生理參數數據，并且在已接入健康數據平臺的情況下，可以支持將接收處理的監(jiān)護數據通過移動互聯(lián)網實時上傳至健康數據平臺。

主要參考文獻

［1］柴繼紅，楊宏麗.基于藍牙4.0BLE的移動心電監(jiān)測系統(tǒng)［J］.深圳職業(yè)技術學院學報，2014（5）：16-20.

［2］藍坤，張躍.Android在遠程醫(yī)療信息系統(tǒng)中的應用［J］.計算機應用，2013，33（6）：1790-1792.

［3］李剛.瘋狂Android講義［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2013：393.

10.3969/j.issn.1673-0194.2016.11.108

TN919.8

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1673-0194（2016）11-0181-03

2016-03-21