基于Android移動醫療監護的設計與研究

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移動醫療監護的設計與研究

付柏楊，王黎黎

（中國電子科技集團公司第二十八所，南京 210000）

基于自主研發的健康監護儀設備，研究如何在手機端利用有限的計算資源，實現實時接收監護儀設備上傳的檢測數據，并且快速、高效地并發處理、展示及存儲手機端接收的檢測數據，從而為疾病早發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展，移動智能手機已成為人們生活必需品，同時也改變著醫療保健產業的發展方向。移動醫療、智能醫療、遠程醫療成為醫療領域發展的新熱點。

基于所級課題“家庭式健康監護儀”，本文主要研究智能手機終端與家庭式健康監護儀之間多種生理參數監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

通過研究發現，目前市場上結合Android平臺及便攜監護儀的移動家庭式監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（優必康）H900的生理參數監測儀/健康一體機。該設備具備基本的家用監護功能，但還處于初期研發階段，存在不足。

因降低成本，監護儀測量數據過于簡略，如心電數據標明三導聯波形，實際只有II導聯一道波形；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10 s心電波形上傳至手機端作為歷史波形靜態展示與查看；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協議，監護設備與手機終端可實時交互監護數據、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，而醫療板卡對外傳輸的持續性監護數據量很大，本文所采用的醫療板卡發送各主要數據包的頻率，如表1所示。

表1醫療板卡數據發送頻率

表1所示，僅心電波形數據，每秒鐘就會向外發出250個數值點，即使在非實際監護狀態下，醫療板卡也會通過藍牙向手機發送數據，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描繪接收的監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協議接口，與監護設備建立數據連接，交互指令數據以及監護數據，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，彌補健康監護儀的傳輸能力不足通過移動互聯網與外部健康系統平臺進行監護數據、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處理問題。

數據交互過程中，因設計或網絡影響，數據發送速率與接收速率并不總是能夠保證一致的。尤其當發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組件上圖形狀態數據發生變化，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上指定區域的Canvas，只對指定的圖像區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，為了保證動態實時效果且又能夠減少手機CPU處理負擔，本文在繪制動態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，參照傳統監護儀器設備上的心電波、呼吸波以及血氧描記波的動態描繪效果，以小段重繪的方式動態展示，處理方式如下：

（1）采用FIFO機制，逐步擦除動態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。

本設計中的手機監護應用App完整實現效果圖，如圖2所示。

圖2監護應用App效果圖

5　結語

本文采用自定義的雙緩沖機制SurfaceView控件進行動態監護波形描繪，相比于View控件，在動態波形圖繪制上性能更加優越，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、處理并動態展示監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護數據通過移動互聯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的移動心電監測系統［J］.深圳職業技術學院學報，2014（5）：16-20.

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

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

10.3969/j.issn.1673-0194.2016.11.108

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1673-0194（2016）11-0181-03

2016-03-21