基于Android移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的設(shè)計(jì)與研究

1、基于 Android 移動(dòng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)的設(shè)計(jì)與研究摘 要 基于自主研發(fā)的健康監(jiān)護(hù)儀設(shè)備，研究如何 在手機(jī)端利用有限的計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收監(jiān)護(hù)儀設(shè)備上 傳的檢測(cè)數(shù)據(jù)，并且快速、高效地并發(fā)處理、展示及存儲(chǔ)手 機(jī)端接收的檢測(cè)數(shù)據(jù)，從而為疾病早發(fā)現(xiàn)早治療提供數(shù)據(jù)支 持。最終，利用自定義的 SurfaceView,結(jié)合多線程以及緩存 隊(duì)列技術(shù)，很好地解決了實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)的接收、處理及展示 這一關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞 雙緩沖；多線程；緩沖隊(duì)列doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2016. 11. 108中圖分類號(hào) TN919.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673

2、- 0194（2016）11- 0181- 030 引言隨著生活水平的提高，以及人口老齡化趨勢(shì)的日益顯著， 人們愈加關(guān)注家庭健康問題。加之手機(jī)智能化的發(fā)展，移動(dòng) 智能手機(jī)已成為人們生活必需品，同時(shí)也改變著醫(yī)療保健產(chǎn) 業(yè)的發(fā)展方向。移動(dòng)醫(yī)療、智能醫(yī)療、遠(yuǎn)程醫(yī)療成為醫(yī)療領(lǐng) 域發(fā)展的新熱點(diǎn)?；谒?jí)課題“家庭式健康監(jiān)護(hù)儀” ，本文主要研究智 能手機(jī)終端與家庭式健康監(jiān)護(hù)儀之間多種生理參數(shù)監(jiān)護(hù)數(shù) 據(jù)的實(shí)時(shí)交互及展示。手機(jī)終端在接收到這些數(shù)據(jù)后，經(jīng)過 報(bào)文解析處理，在界面上實(shí)時(shí)顯示健康監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)并進(jìn)行持久 化存儲(chǔ)。然而，手機(jī)的處理性能有限，如何實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)接收、 處理并展示監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)，是本課題研究的關(guān)鍵，也是本課

3、題研 究的重點(diǎn)與難點(diǎn)。1 背景通過研究發(fā)現(xiàn)，目前市場(chǎng)上結(jié)合 Android 平臺(tái)及便攜監(jiān) 護(hù)儀的移動(dòng)家庭式監(jiān)護(hù)產(chǎn)品尚處于起步階段1 ，僅有國內(nèi)邁瑞已研制出一款名為邁瑞 UBICARE（優(yōu)必康）H900的生理參 數(shù)監(jiān)測(cè)儀 / 健康一體機(jī)。 該設(shè)備具備基本的家用監(jiān)護(hù)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(hù)儀測(cè)量數(shù)據(jù)過于簡(jiǎn)略，如心電數(shù)據(jù)標(biāo) 明三導(dǎo)聯(lián)波形，實(shí)際只有II導(dǎo)聯(lián)一道波形；無呼吸波（RESP、 血氧描記波（PLEH的檢測(cè)功能；僅可將單次測(cè)量的一導(dǎo)聯(lián) 10 s心電波形上傳至手機(jī)端作為歷史波形靜態(tài)展示與查看； 不支持測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互傳輸?？偠灾?，該款設(shè)備定位于家用，而且配套的

4、手機(jī)端應(yīng) 用功能也很弱，只能作為記錄單次測(cè)量結(jié)果的工具。在課題研究中，自己研制了家庭式便攜型監(jiān)護(hù)設(shè)備，該 設(shè)備集成電源管理模塊和藍(lán)牙 4.0 模塊。通過最新的低功耗 藍(lán)牙 4.0 協(xié)議，監(jiān)護(hù)設(shè)備與手機(jī)終端可實(shí)時(shí)交互監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)、 控制命令以及告警信息。設(shè)備設(shè)計(jì)如圖 1 所示。大多數(shù)智能手機(jī)的處理資源和存儲(chǔ)資源相對(duì)于PC機(jī)器是相當(dāng)有限的，而醫(yī)療板卡對(duì)外傳輸?shù)某掷m(xù)性監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)量很 大，本文所采用的醫(yī)療板卡發(fā)送各主要數(shù)據(jù)包的頻率，如表 1 所示。表 1 所示，僅心電波形數(shù)據(jù)，每秒鐘就會(huì)向外發(fā)出 250 個(gè)數(shù)值點(diǎn)，即使在非實(shí)際監(jiān)護(hù)狀態(tài)下，醫(yī)療板卡也會(huì)通過藍(lán) 牙向手機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，只是此時(shí)的數(shù)據(jù)相當(dāng)于當(dāng)前心電測(cè)量

5、參 數(shù)的零值。2 應(yīng)用總體設(shè)計(jì)本文研究的移動(dòng)監(jiān)護(hù) APP軟件，主要包括以下模塊。人機(jī)交互處理模塊：負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)處理并動(dòng)態(tài)描繪接收的監(jiān) 護(hù)波形數(shù)據(jù)以及其他數(shù)值型健康數(shù)據(jù)，提供友好的人機(jī)界面， 接收界面操作指令并向用戶反饋處理結(jié)果信息。健康數(shù)據(jù)接收處理模塊：本模塊通過手機(jī)端的藍(lán)牙 4.0 協(xié)議接口，與監(jiān)護(hù)設(shè)備建立數(shù)據(jù)連接，交互指令數(shù)據(jù)以及監(jiān) 護(hù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行報(bào)文的解析與封裝。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)訪問處理模塊：該模塊基于 Android 的 Sqlite 數(shù)據(jù)庫，為其他模塊提供監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)增刪改查的持久化操作接 口。數(shù)據(jù)通信模塊：此模塊提供對(duì)外網(wǎng)絡(luò)交互接口，彌補(bǔ)健 康監(jiān)護(hù)儀的傳輸能力不足通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與外部健康系統(tǒng) 平臺(tái)

6、進(jìn)行監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)、個(gè)人信息等信息的交互。其中，人機(jī)交互處理以及健康數(shù)據(jù)接收處理，是應(yīng)用的 核心部分， 也是影響整個(gè)應(yīng)用性能以及魯棒性的關(guān)鍵， 因而， 這兩個(gè)模塊是本文著重研究與討論的重點(diǎn)。3 緩沖機(jī)制針對(duì)上節(jié)實(shí)際需求，本文借助 Android SurfaceView 雙緩 沖機(jī)制 2 ，采用多線程結(jié)合阻塞隊(duì)列的生產(chǎn)者消費(fèi)者模式， 很好解決了人機(jī)交互以及實(shí)時(shí)健康數(shù)據(jù)的并發(fā)處理問題。數(shù)據(jù)交互過程中，因設(shè)計(jì)或網(wǎng)絡(luò)影響，數(shù)據(jù)發(fā)送速率與 接收速率并不總是能夠保證一致的。尤其當(dāng)發(fā)送速率高于接 收速率時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的情況。3.1 雙緩沖機(jī)制Android 提供了兩種基本畫圖對(duì)象： View 和 Surf

7、aceView 組件。View與SurfaceView在動(dòng)態(tài)作圖差異上的對(duì)比如下 3:View 沒有雙緩沖機(jī)制，難于保存之前繪制的內(nèi)容；當(dāng)View 組件上圖形狀態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)生變化，需要更新 View 組件上 的圖像時(shí)，必須重繪整個(gè) View 組件，如果數(shù)據(jù)量大，耗時(shí) 較長(zhǎng);View的繪圖必須在當(dāng)前的 UI線程中進(jìn)行，在更新View 組件時(shí)需要借助使用 Android Handler 機(jī)制來處理。 因而， 在 繪制數(shù)據(jù)量大情況下，使用 View 很可能會(huì)阻塞 UI 線程，導(dǎo) 致手機(jī)應(yīng)用出現(xiàn)操作卡頓。對(duì)比后可知， View 組件適合于圖形數(shù)據(jù)量小， 狀態(tài)數(shù)據(jù)變化較少，無需記錄上次數(shù)據(jù)的整體視圖繪制情形

8、，但不適 合實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)畫圖及頻繁局部圖形更新的使用場(chǎng)景。相比較 View 組件， SurfaceView 啟動(dòng)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(duì)指定的圖像區(qū)域部分 進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，降低了性能消耗，提高了畫面的更新速度， 因而動(dòng)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(shí),由于 SurfaceView 是通 過鎖定Canvas的方式來畫圖，因此需要耗費(fèi)時(shí)間， 不能保證 動(dòng)態(tài)畫圖的流暢,特別是在數(shù)據(jù)量大的情況下,這種問題尤

9、 其明顯。解決方法是采用多線程的方式,通過建立單獨(dú)的子 線程，在子線程中使用 SurfaceView來繪制波形。當(dāng)手機(jī)端計(jì)算處理過于頻繁時(shí),會(huì)嚴(yán)重消耗處理資源,降低手 機(jī)應(yīng)用的用戶體驗(yàn)。在實(shí)際過程中,為了保證動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)效果 且又能夠減少手機(jī)CPU處理負(fù)擔(dān)，本文在繪制動(dòng)態(tài)波形數(shù)據(jù) 時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分段處理。如對(duì)于心電波形數(shù)據(jù),每秒產(chǎn)生 250 個(gè)點(diǎn),即 4 ms 產(chǎn)生一個(gè)點(diǎn), 而人動(dòng)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(shí)際處 理中可以每次描繪 45個(gè)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)構(gòu)成的分段波形。3.3 多線程與阻塞隊(duì)列一方面為了保證數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)榘l(fā)送與處理速率的不同 而丟失,另一方

10、面為了使得數(shù)據(jù)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(duì)列的生產(chǎn)者 消費(fèi)者模式，使用多線程來完成數(shù)據(jù)的接收、分發(fā)與處理。 數(shù)據(jù)接收線程在接收到新的數(shù)據(jù)報(bào)文后，作為生產(chǎn)者將報(bào)文 放入第一級(jí)的阻塞隊(duì)列中，數(shù)據(jù)處理線程作為報(bào)文的消費(fèi)者， 從隊(duì)列中獲取報(bào)文并進(jìn)行解析，同時(shí)數(shù)據(jù)處理線程作為下一 級(jí)的生產(chǎn)者將解析后的報(bào)文分發(fā)到不同的阻塞隊(duì)列中。4 結(jié)論 本設(shè)計(jì)中對(duì)于波形數(shù)據(jù)展示方式，參照傳統(tǒng)監(jiān)護(hù)儀器設(shè) 備上的心電波、呼吸波以及血氧描記波的動(dòng)態(tài)描繪效果，以 小段重繪的方式動(dòng)態(tài)展示，處理方式如下：(1) 采用FIFO機(jī)制，逐步擦除動(dòng)態(tài)展示波形數(shù)據(jù)中最早的小段波形數(shù)據(jù)，并加入本次最新的小

11、段波形數(shù)據(jù)，以達(dá) 到與監(jiān)護(hù)儀上的波形顯示相同的效果。( 2)針對(duì)繪圖數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，應(yīng)用接收線程在累計(jì) 接收處理 5個(gè)波形數(shù)據(jù)點(diǎn)后，交由繪圖線程一次性繪制5 個(gè)點(diǎn)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(dǎo)聯(lián)波形為例，基于本文的技術(shù)研究，最終在 手機(jī)上實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的處理及繪制效果，并可以流暢地切換顯 示測(cè)量的7導(dǎo)聯(lián)心電波形(ECG、呼吸波形(RESP以及血 氧波形(PLETH等波形數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中的手機(jī)監(jiān)護(hù)應(yīng)用 App 完整實(shí)現(xiàn)效果圖，如圖 2 所示。5 結(jié)語本文采用自定義的雙緩沖機(jī)制 SurfaceView 控件進(jìn)行動(dòng) 態(tài)監(jiān)護(hù)波形描繪，相比于 View 控件，在動(dòng)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(shí)，利用 多線程和阻塞隊(duì)列技術(shù)，很好的解決了實(shí)際應(yīng)用中監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù) 量過大以及傳輸處理速率不對(duì)等的問題，從而實(shí)現(xiàn)利用手機(jī) 上有限的計(jì)算資源實(shí)時(shí)接收、處理并動(dòng)態(tài)展示監(jiān)護(hù)的各項(xiàng)生 理參數(shù)數(shù)據(jù)，并且在已接入健康數(shù)據(jù)平臺(tái)的情況下，可以支 持將接收處理的監(jiān)護(hù)數(shù)據(jù)通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)上傳