基于眼電控制護理系統手機App的開發

于丹洋 曹晶 滕丹

摘要：目的：為了能夠靈活地實現對長期臥床病人的監護，開發Android系統的手機App，實現基于移動終端對病人的監護。方法：利用App Inventor開發手機App，通過藍牙無線傳輸方式將Labview開發的信號處理系統的處理結果發送至手機App顯示。結果：在手機App端可實時顯示病人心率及提示異常和呼叫請求等情況。結論：通過藍牙方式通信的護理系統手機App，具有良好的可行性，使護理工作更加高效，并使病人的生活質量得到改善。

關鍵詞：眼電；App Inventor；Android；無線傳輸；藍牙

中圖分類號： TP311 ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）28-0050-03

隨著醫工結合的深入發展，利用人體的肢體動作、語音、生物電信號（腦電、眼電、肌電）等方式實現了對外部設備的控制。通過這些輔助的人機交互（Human-Computer Interaction， HCI） 模式，可幫助運動障礙者或長期臥床的老年人與外界交流。眼電信號EOG是人體眼球運動引發，具有采集方便、時域特征明顯等特點，相比于其他生物電信號如腦電、肌電控制的人機交互系統，EOG控制的HCI系統具有識別正確率高、模式相對簡單等優點[1-2]。因此，開發基于EOG控制的智能護理系統，既可實現對病人健康狀態的實時監測，也可實現病人對相應護理設備的交互控制，從而大幅度地減輕了護理工作的強度，提高了患者的生活質量。

基于Arduino的眼電無線控制智能護理系統，在實時獲取病人心率的同時，病人也可通過有意識的眼部動作控制相應的護理設備，本文在此基礎上，開發了Android系統的手機App，用于接收病人對護理人員的呼叫請求，也可實現護理人員在移動設備端對病人情況的監控，提高了工作效率[3]。

1 護理系統的整體設計

本系統的前端是基于Arduino UNO開發板為主控模塊的前端眼電、心率的采集部分。在人體的電量參數中，眼電的幅值范圍10μV～4mV，頻率范圍0.1Hz～100Hz[4]。Arduino UNO模擬電壓輸入范圍為0～5V，前端信號采集設計了前置放大和濾波電路，使放大后的信號幅值滿足模擬輸入要求，在Arduino UNO中完成A/D轉換后，將信號發送給后端[5]。系統后端是一臺帶有藍牙通信模塊的PC機，基于Labview開發了集生理參數的分析處理、特征識別、波形顯示及保存系統，并根據信號的特征識別結果，將控制信息發送給相應的受控設備（如電動輪椅）；也可將病人的心率實時發送到護理人員的手機端，系統結構圖如圖1所示。

2 護理系統手機端App的開發

系統后端的PC機對眼電信號進行特征識別，如有意識地向上、向下、向左、向右看，連續眨眼等，從而判定出病人的意圖[6]。在主動控制模式下，PC機通過藍牙的無線傳輸方式，將控制命令發送到前端的電動輪椅，控制其運動；在被動監護模式下，則將心率以無線方式實時發送到手機App端顯示，在心率過低或過高時進行報警，當病人有意識連續眨眼3次時，將病人的呼叫請求發送到手機端，通知護理人員進行響應。

2.1 App開發平臺

App Inventor是一個Web服務端開發平臺，在2012年供廣大開發者使用，可開發Android系統手機應用程序，是一個完全在線開發的Android編程環境，開發方式和環境易于獲取，拋棄復雜的程序代碼而使用積木式的堆疊法來完成Android程式，其開發過程為可視化、模塊化操作，易于學習掌握[7]。Android是Google公司于2007年發布的基于Linux平臺的開源手機操作系統，廣泛應用于智能手機和多種電子移動設備，已成為手機的主流操作系統，2021年全年，我國Android手機在智能手機中占比達 91.2%[8]。采用App Inventor開發Android手機應用程序，具有良好的操作性和靈活性，用戶可根據實際需求定制個性化應用程序。

2.2 藍牙通信的建立

后端PC機上開發的LabView監護系統，通過串口通信接收前端發送的眼電及心率信號，經過特征識別后發出控制命令和相關信息至移動端手機上。HC-06為主從一體的藍牙模塊，工作電壓為3.3V～3.6V，內置PCB天線，采用藍牙2.0協議標準。本文采用了USB-TTL轉換模塊與HC-06藍牙模塊連接，通過USB口實現了PC機與手機的藍牙通信，具體的引腳連接如圖2所示。將HC-06藍牙模塊設置為從機模式，手機App端對其進行搜索建立連接[9]。

2.3 App程序設計

手機App客戶端的功能主要包括藍牙的選擇連接、數據的接收及顯示、心率過高或過低的報警提示、對病人呼叫請求的提示等功能模塊。首先進行藍牙設備的搜索選擇，建立連接后開始接收數據，包括心率和病人的呼叫信息，將病人的心率定時更新顯示在界面中，當心率過高或過低時進行語音提示報警。App設計的總體結構如圖3所示。

2.4 App藍牙通信功能的實現

利用App Inventor中通信連接模塊中的藍牙客戶端組件，結合安卓手機自帶的藍牙功能進行連接，無須硬件設計即可實現手機App端的藍牙通信功能。

界面設計：添加列表選擇框實現藍牙設備的選擇；添加按鈕和標簽實現數據的接受與顯示；添加水平和垂直布局實現界面組件的美觀性；添加藍牙客戶端、計時器實現藍牙數據的接收；文本語音轉換器組件實現播報提醒語音功能[10]。

邏輯設計：當App初始化時，設置藍牙客戶端斷開連接；斷開按鈕設為假；計時器啟用為假；狀態顯示標簽文本為“Not connected”。然后通過點擊列表選擇框選擇需要連接的藍牙設備，選擇完成后則連接到對應藍牙設備，標簽文本顯示為“The connection is successful”；斷開連接按鈕的啟用為真，代碼塊如圖4所示。

2.5 手機App的測試

藍牙連接成功后，通過點擊數據接收按鈕即可調用藍牙客戶端接收文本功能，接收從上位機傳入的數值并存放到全局變量心率值中，并在數值顯示標簽上顯示“Data receiving...”，調用文本語音轉換器讀出“數據接收開始”以及啟用計時器開始計時。根據實際的監測需求，可設置計時器每隔5秒鐘讀取一次數據并進行判斷，其代碼塊如圖5所示。

當心率在正常范圍時，正常標簽顯示綠色，若接收到的心率值小于60時，心率過低標簽顯示紅色并進行語音播報“心率過低”，反之心率大于100時，心率過高標簽顯示紅色并語音播報“心率過高”，若收到病人的呼叫請求信息時，則病人呼叫標簽亮起并語音提示，方便護理人員及時做出響應，各種情況的顯示界面如圖6所示。

3 總結

本文設計實現了基于眼電控制智能護理系統中的手機App，界面簡單易于操作，利用低功耗藍牙無線傳輸技術，實時顯示人體心率及提示心率異常、病人呼叫等情況，提高了護理人員的工作效率，使長期臥床病人的被監護感受得到改善和提升。現階段Android系統手機應用普遍，護理人員無須使用新電子設備即可實現對病人狀態的監護，具有良好的可行性和經濟性。后續根據護理系統功能的不斷完善，可繼續拓展手機App的功能，使得無線監護方式更加靈活。

參考文獻：

[1] 郜東瑞，汪潤桂，應少飛，等.基于眼動信號的便攜式無線智能交互系統設計[J].中國生物醫學工程學報，2019，38（5）：573-580.

[2] 徐曉英，隨力，趙彥富，等.基于眼電信號的人機交互系統研究進展[J].中國醫學物理學雜志，2020，37（5）：629-634.

[3] 梁偉玲，吳超，林建斌，等.基于Arduino的無線心電信號采集系統設計與實現[J].中國醫學物理學雜志，2019，36（6）：715-720.

[4] 永遠，常向榮，韓奎.生物醫學電子學——醫療診斷[M].北京：科學出版社，2014：15-17.

[5] 李帥，郝冬梅，楊琳，等.基于垂直眼電信號的眼疲勞評估系統的研發[J].中國醫學裝備，2020，17（6）：4-9.

[6] 李可洋.基于LabVIEW的眼電監護系統設計[D].呼和浩特：內蒙古大學，2012.

[7] 姚雅峰.基于Android操作系統的移動終端App開發研究[J].電腦知識與技術，2022，18（4）：64-65，72.

[8] 高明華，肖佳豪，許麗金，等.基于App Inventor設計的藍牙通信實驗的開發[J].實驗技術與管理，2018，35（3）：128-130.

[9] 楊英明.Andriod手機App藍牙控制智能車解決方案[J].單片機與嵌入式系統應用，2017，17（3）：71-74.

[10] 黃恒一，丁佳樂，黎順，等.手機App藍牙智能車的設計[J].物聯網技術，2019，9（1）：88-90.

【通聯編輯：梁書】