基于LabVIEW的智能腕表監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

（武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430081）

據(jù)統(tǒng)計，目前我國60歲以上人口占總?cè)丝诘?3.5%，在今后較長的一段時期內(nèi)，老年人口將以年均約3%的速度增長。從2001年～2020年，預(yù)計平均每年將有596萬人進(jìn)入老齡群體，到2050年我國老齡化將達(dá)到頂峰。這意味著老年人的身體健康問題將成為社會重點關(guān)注的熱點[1]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智能腕表設(shè)備層出不窮，如 iwatch，小米watch，華為 watch等，這類腕表既具有手機通訊功能，同時兼具心率監(jiān)測、運動監(jiān)測或睡眠監(jiān)測等功能，在青年人群中廣受喜愛。然而，由于其操作的復(fù)雜性和健康數(shù)據(jù)的單一性，難以在老年群體中普及。

本文所涉及的智能腕表是專門針對老年群體而自主開發(fā)的，它兼具了定位、緊急通訊、脈搏監(jiān)測、心電監(jiān)測、預(yù)警等功能，并且可與電腦端進(jìn)行通訊，能夠?qū)⑼蟊聿杉挠脩艚】禂?shù)據(jù)實時上傳到電腦端，供遠(yuǎn)程專家深入分析和診斷，同時可以根據(jù)健康狀況對家屬和用戶本人進(jìn)行緊急通訊。

腕表經(jīng)用戶實名授權(quán)后，無需任何操作即可讀取腕表用戶的實時健康數(shù)據(jù)、實時位置、用戶基本資料及病史等；可并行傳輸多個用戶的數(shù)據(jù)并自動根據(jù)預(yù)警程度進(jìn)行先后診斷。該系統(tǒng)可為老年人身體健康狀態(tài)監(jiān)測提供有效的分析工具和診斷依據(jù)。

1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的功能及流程

老年群體健康監(jiān)測智能腕表，可將用戶實名注冊信息和授權(quán)的健康數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)皆品?wù)器中，電腦端可通過訪問云服務(wù)器獲取腕表用戶的基本信息和健康數(shù)據(jù)，同時也可將專家診斷信息上傳至云服務(wù)器中以供下次診斷參考。系統(tǒng)的主要功能包括五大模塊：

腕表用戶數(shù)據(jù)的實時獲取遠(yuǎn)程專家診斷，需要依賴大量的歷史健康數(shù)據(jù)和當(dāng)前健康數(shù)據(jù)。由于云端服務(wù)器數(shù)據(jù)是根據(jù)腕表用戶上傳數(shù)據(jù)實時更新的，為避免數(shù)據(jù)的重復(fù)讀取和遺漏，本系統(tǒng)每間隔一定時間對服務(wù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行掃描和判別，只讀取更新后的數(shù)據(jù)。并根據(jù)自動報警信號和用戶主動請求信號，將數(shù)據(jù)分為兩大類：后臺數(shù)據(jù)和前端數(shù)據(jù)。后臺數(shù)據(jù)為未報警且用戶未主動請求診斷的腕表數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)通過指定的參數(shù)計算后直接保存至歷史數(shù)據(jù)中；前端數(shù)據(jù)為自動報警或用戶主動請求診斷的腕表數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)將直接下載至電腦端并自動加載至系統(tǒng)主界面中。

多用戶時的優(yōu)先級判斷隨著腕表用戶的增加，數(shù)據(jù)的多線程處理勢必受到制約，因此需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級判斷，并按照優(yōu)先級的順序依次對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)按照優(yōu)先級高低主要分為4級：I報警且用戶請求的數(shù)據(jù)；II報警數(shù)據(jù)；III未報警用戶請求的數(shù)據(jù)；IV未報警用戶未請求的數(shù)據(jù)。報警的閾值根據(jù)脈搏、心電信號計算而得的幅值和脈率、心率等綜合考慮設(shè)置。

基于脈搏、心電信號的基本參數(shù)計算主要用于計算脈率、心率、最大幅值、最小幅值、平均幅值等指標(biāo)，可為用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的健康狀況篩選和提供歷史參考[2-4]。

歷史數(shù)據(jù)查詢功能主要包括歷史波形數(shù)據(jù)和歷史病例數(shù)據(jù)查詢，為專家的精準(zhǔn)診斷提供連續(xù)有效的數(shù)據(jù)。

腕表用戶定位功能主要是針對老年人突發(fā)疾病或走失而設(shè)計的，通過腕表GPS模塊上傳的經(jīng)緯度信息，可調(diào)用地圖顯示用戶的當(dāng)前位置，為快速尋找腕表用戶提供有效途徑。

由這五大模塊構(gòu)成的電腦端系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)流程Fig.1 System flow chart

如圖可見，系統(tǒng)會實時自動掃描云端服務(wù)器數(shù)據(jù)，并根據(jù)優(yōu)先級對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸類和分析，對用戶主動請求診斷和健康狀況報警用戶數(shù)據(jù)會進(jìn)一步提交給專家進(jìn)行診斷，并及時將當(dāng)前診斷信息和定位信息反饋給家屬及用戶本人，避免突發(fā)疾病和耽誤病情治療。

采用了LabVIEW平臺進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，整體框架采用生產(chǎn)者-消費者框架模式，其優(yōu)勢在于生成數(shù)據(jù)和下載數(shù)據(jù)獨立進(jìn)行，避免了下載數(shù)據(jù)速度低于生成數(shù)據(jù)速度而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)流失[5-6]。

1.2 實時數(shù)據(jù)更新模塊設(shè)計

云端服務(wù)器實時存儲的用戶數(shù)據(jù)是以一定規(guī)則編碼后存儲的，調(diào)用時需要解碼再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成.txt格式的文本文件存儲在本地電腦中。主要有以下3個步驟：掃描服務(wù)器列出未解碼的用戶數(shù)據(jù)文件名；對用戶數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解碼；將解碼后文件轉(zhuǎn)換成.txt格式并保存至本地計算機。解析云服務(wù)器用戶數(shù)據(jù)文件流程如圖2所示。

圖2 解析云服務(wù)器用戶數(shù)據(jù)文件流程Fig.2 Analysis cloud server user data file flow chart

1.3 歷史數(shù)據(jù)和基本信息查詢模塊設(shè)計

經(jīng)過優(yōu)先級判斷劃分的前端數(shù)據(jù)以小波形窗的形式呈現(xiàn)在電腦端系統(tǒng)主界面中，診斷醫(yī)生可根據(jù)概況打開需要查看的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)打開的同時，后臺將自動調(diào)用該用戶注冊時預(yù)留的基本信息和歷史數(shù)據(jù)，供診斷醫(yī)生參考。歷史數(shù)據(jù)和基本信息查詢模塊，主要通過腕表ID在用戶基本信息文件夾和用戶數(shù)據(jù)文件夾中搜索對應(yīng)的文件和數(shù)據(jù)。

1.4 定位模塊設(shè)計

當(dāng)出現(xiàn)緊急病情時，專家會緊急聯(lián)系用戶家屬通知病情，為避免無法聯(lián)系用戶本人，需要根據(jù)腕表實時上傳的經(jīng)緯度信息定位其所在位置。該模塊通過調(diào)用百度地圖靜態(tài)地圖API，并根據(jù)實際需求調(diào)整縮放系數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)定位。定位模塊主要通過用戶經(jīng)緯度信息和調(diào)整的縮放系數(shù)顯示用戶當(dāng)前位置。

2 基于擊中擊不中算法的脈搏波識別技術(shù)

采集的脈搏波形需要通過一定的算法得到所需的脈率、幅值等信息，盡管脈搏波的特征比較明顯，但是在外界噪聲的干擾下，僅通過設(shè)置幅值的閾值來計算脈率仍有不足之處。利用形態(tài)學(xué)中的擊中擊不中變換，可以準(zhǔn)確識別出脈搏波中的沖擊部分，從而準(zhǔn)確計算出脈率和對應(yīng)的幅值。

2.1 擊中擊不中變換原理

擊中擊不中變換是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)識別的一個重要方法，對特定形狀圖像的識別非常實用。該方法在一次變換的同時能夠獲得圖像的內(nèi)外標(biāo)記。定義A被B擊中擊不中，則用符號A?B表示，其中，B為結(jié)構(gòu)元素對 B=（B1，B2），而不是單個元素，其中一個檢測圖像內(nèi)部，另一個檢測圖像外部[7]。即：

式中：AC為A的補集；Θ為形態(tài)腐蝕運算。因此，當(dāng)且僅當(dāng)B1平移到某點可擊中A的內(nèi)部，B2平移到該點可擊中A的外部時，該點才為擊中擊不中變換的輸出，圖像A和結(jié)構(gòu)元素對（B1，B2）如圖3所示。根據(jù)式（1），圖像A左邊的陰影部分既被B1擊中，其外部（補集）又被B2擊中。因此，該部分符合輸出范圍，而右邊的陰影部分則不符合。圖4所示為圖像A擊中擊不中變換的結(jié)果[8]。

圖3 圖像A和結(jié)構(gòu)元素對（B1，B2）Fig.3 Image A and structural elements pair（B1，B2）

圖4 圖像A擊中擊不中變換的結(jié)果Fig.4 Image A hit-miss transform results

2.2 結(jié)構(gòu)元素選取

針對脈搏波形的脈沖形狀類似于三角波，結(jié)構(gòu)元素的選擇可采用三角形。圖5（a）為結(jié)構(gòu)元素對（B1，B2），圖 5（b）為脈搏信號擊中擊不中變換結(jié)果。

圖5 結(jié)構(gòu)元素和待分析脈搏波Fig.5 Structural elements and to be analysed pulse wave

通過平移圖5（a）所示的結(jié)構(gòu)元素對可實現(xiàn)對指定形狀的脈搏信號進(jìn)行識別，而結(jié)構(gòu)元素對的幅值差可直接影響其對噪聲的容納程度，幅值差越大，對噪聲容納程度越大，適用于低信噪比的脈搏波；幅值差越小，對噪聲容納程度越低，適用于識別指定要求的脈搏波。被圖5（a）所示結(jié)構(gòu)元素對波形卡住的脈沖即為結(jié)構(gòu)元素對（B1，B2）擊中擊不中變換后的輸出脈沖，即有效脈搏信號；反之，則為噪聲信號。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果

圖6所示為系統(tǒng)主界面。主界面左邊是數(shù)據(jù)待分析區(qū)，可以同時呈現(xiàn)8個腕表用戶的脈搏波形簡圖，按照優(yōu)先級的先后進(jìn)行排列；主界面右邊包含有位置、用戶基本信息、脈搏/心電圖、初步診斷、專家診斷等信息，診斷醫(yī)生選擇左邊的脈搏小波形圖，即可調(diào)出該用戶的歷史所有數(shù)據(jù)和個人基本信息顯示在該區(qū)域。

圖6 系統(tǒng)主界面Fig.6 Main interface of system

通過對系統(tǒng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出測試、優(yōu)先級測試、基本信息和歷史數(shù)據(jù)調(diào)出測試和診斷信息更新測試，均達(dá)到預(yù)定要求。且基于擊中擊不中變換的脈搏波識別技術(shù)輸出的脈率與專業(yè)醫(yī)生通過波形給出的結(jié)論完全一致。

4 結(jié)語

基于LabVIEW的智能腕表監(jiān)測系統(tǒng)，通過間隔性掃描云服務(wù)器實時存儲的腕表用戶數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)按優(yōu)先級分類，將優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)歸類為前端數(shù)據(jù)供診斷醫(yī)生進(jìn)一步深入診斷?；谠撓到y(tǒng)的定位、歷史數(shù)據(jù)和專家診斷意見等功能，可實現(xiàn)對老年群體健康狀態(tài)的實時監(jiān)控，盡可能減小突發(fā)疾病發(fā)生的幾率和突發(fā)疾病時無人知曉的危險。經(jīng)過試驗證明，該系統(tǒng)界面友好、操作簡單、數(shù)據(jù)存取便捷，穩(wěn)定性強。

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