基于Android平臺的高血壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

杜沖鋒 熊月玲 常曉碟 韓磊 葉明全

摘要：為能在高血壓方面為用戶提供更為優(yōu)質(zhì)的醫(yī)療服務(wù)，設(shè)計一種基于Android平臺的高血壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。通過移動醫(yī)療軟件與可穿戴設(shè)備結(jié)合，實時監(jiān)測用戶血壓水平，獲得數(shù)據(jù)并上傳至云端服務(wù)器，在云端通過數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習等技術(shù)建立智能預(yù)警模型，向用戶提供風險信息預(yù)警服務(wù)。

關(guān)鍵詞： 高血壓;物聯(lián)網(wǎng);移動醫(yī)療;傳感器;監(jiān)測預(yù)警

中圖分類號：TP302.1? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2018）36-0232-03

1? 背景

隨著社會節(jié)奏的加快，工作壓力的增大，人們罹患高血壓疾病的比率增高。2018年2月發(fā)表的“十二五”高血壓抽樣調(diào)查研究，在全國31個省、自治區(qū)及直轄市隨機抽取年齡>18歲人群>45萬人，發(fā)現(xiàn)我國成人高血壓患病率達23.2%，患病人數(shù)達2.45億[1]?？梢?，我國高血壓患病人數(shù)眾多，對高血壓等慢性疾病的控制刻不容緩。而規(guī)范高血壓等慢性疾病，有助于降低疾病的發(fā)病率， 提高生活質(zhì)量[2]。

基于智能手機的移動感知正成為近年來國內(nèi)外的研究熱點[3]，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)與醫(yī)療信息網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)，以及信息集成技術(shù)，將醫(yī)療服務(wù)系統(tǒng)進行整合，可以為患者提供更為便捷的醫(yī)療服務(wù)[4]。針對高血壓病程長、治愈率低、復(fù)發(fā)率高的問題，本文對基于Android平臺的高血壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)進行設(shè)計研究，以期望用戶能夠及時了解自身血壓、心率等身體信息，出現(xiàn)危險狀況能夠及時就醫(yī)，在一定程度上提高患者生活質(zhì)量。

2 系統(tǒng)需求與設(shè)計

2.1 需求分析

需求分析是軟件計劃階段的重要活動，也是軟件生存周期中的一個重要環(huán)節(jié)，該階段是分析系統(tǒng)在功能上需要“實現(xiàn)什么”， 是開發(fā)人員經(jīng)過深入細致的調(diào)研和分析，準確理解用戶和項目的功能、性能、可靠性等具體要求，將用戶非形式的需求表述轉(zhuǎn)化為完整的需求定義，從而確定系統(tǒng)必須做什么的過程。

通過問卷調(diào)查、社區(qū)走訪及向相關(guān)醫(yī)生咨詢等途徑，我們對用戶的需求進行了切實的分析。根據(jù)分析，得到系統(tǒng)的功能性需求，分為以下4部分。

1） 健康檔案：實現(xiàn)用戶注冊、登錄，存儲個人健康信息;

2） 監(jiān)測功能：通過相關(guān)硬件設(shè)備，監(jiān)測人體實時健康數(shù)據(jù);

3） 預(yù)警功能：當系統(tǒng)檢測到用戶血壓值異常時，提示預(yù)警;

4） 健康指導(dǎo)：向用戶推送科普知識，建議等。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)采用“用戶端+云端”的系統(tǒng)架構(gòu)，用戶端App通過藍牙接口與手表式血壓計相連接，實現(xiàn)血壓監(jiān)測，并上傳監(jiān)測數(shù)據(jù)和生理參數(shù)（身高、體重、心率、血壓以及年齡）至云端服務(wù)器，獲取醫(yī)療管理服務(wù)。云端服務(wù)器做業(yè)務(wù)邏輯的處理，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)個人健康數(shù)據(jù)接收與管理以及智能預(yù)警模型的數(shù)據(jù)分析。本系統(tǒng)具備體征采集與傳輸、智能監(jiān)測預(yù)警和健康指導(dǎo)的功能。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2.2.1 用戶端設(shè)計

Android用戶端一方面與用戶交互，提供良好的用戶界面，另一方面與服務(wù)端進行數(shù)據(jù)交換。用戶端應(yīng)用軟件基于Android系統(tǒng)開發(fā)，采用MVC的開發(fā)模式進行設(shè)計，視圖層采用XML文件進行界面設(shè)計，使用Activity活動類，實現(xiàn)人機的交互。

2.2.2 云端設(shè)計

“輕用戶端，重云端”是目前 IT 架構(gòu)的發(fā)展趨勢[5]，云端采用Apache做web服務(wù)器，服務(wù)端程序設(shè)計采用三層架構(gòu)，即控制層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層，控制層負責接收用戶端發(fā)送的數(shù)據(jù)請求，并調(diào)用業(yè)務(wù)邏輯層;業(yè)務(wù)邏輯層對控制層傳來的請求進行二次處理，調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層，并將調(diào)用結(jié)果返回到控制層;數(shù)據(jù)訪問層封裝了對數(shù)據(jù)庫的增刪查改方法。用戶端與云端服務(wù)器通信遵循HTTPS協(xié)議，數(shù)據(jù)交互采用輕量級JSON數(shù)據(jù)格式，對來往數(shù)據(jù)采用MD5加密，確保信息安全。云端架構(gòu)如圖2所示。

3 功能模塊設(shè)計

3.1 健康檔案模塊

用戶在使用時，首先呈現(xiàn)的是登錄/注冊頁面，成功登錄后進入健康檔案主界面。該模塊負責管理患者的頭像、姓名、身高、體重、年齡、疾病史、體檢信息等個人基本信息。

3.2 監(jiān)測模塊設(shè)計

3.2.1 硬件部分

智能醫(yī)療作為未來移動互聯(lián)新的入口，在于硬件背后收集到的醫(yī)療云端數(shù)據(jù)[6]。可見，選擇一款正確的信息采集硬件是極為重要的。一般而言，智能手機并不攜帶專門的生理信號傳感器，而是借助無線網(wǎng)絡(luò)或硬件接口與生理測量儀器相連接 [7]，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸。手表式血壓計是一種真正的可穿戴醫(yī)療器械，具有輕便、可連續(xù)穿戴的特點，克服了傳統(tǒng)血壓計無法長期佩戴使用的問題。其作為可穿戴設(shè)備與用戶端軟件結(jié)合，有助于高血壓等慢性疾病的輔助治療。

因此，本系統(tǒng)采用可連續(xù)監(jiān)測的光電-心電法（PPG-ECG）血壓跟蹤手表（如圖3所示），在其中嵌入BLE藍牙芯片，用于無線數(shù)據(jù)傳輸。光電-心電法（PPG-ECG）血壓測量是一種使用光電-心電法（PPG-ECG）傳感器測量脈搏波的PWV從而推算連續(xù)血壓的方法。

3.2.2 血壓監(jiān)測

該模塊使用BLE藍牙低能耗技術(shù)，通過BluetoothAdapter類查找周邊藍牙設(shè)備，經(jīng)配對后自動連接手表式血壓計并獲取血壓計數(shù)據(jù)，實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)，并自動判斷血壓水平（如圖4所示）;通過血壓測量功能，用戶能夠及時對個人血壓指標進行監(jiān)測和管理，同時能夠生成詳細的血壓報告，使用開源的JFreeChart類庫，方便地實現(xiàn)了相關(guān)統(tǒng)計圖表的繪制。

3.2.3 心率監(jiān)測

在手表式血壓計的基礎(chǔ)上提供一種通過手機攝像頭以及閃光燈測量心率的方式。該模塊使用基于小波變換的帶通濾波器及快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)，通過手機自帶攝像頭以及閃光燈實現(xiàn)，在食指指腹輕貼攝像頭時，通過捕捉毛細血管的搏動，對血液流變以及毛細血管蠕動的影像分析，獲得其心率值（如圖5所示）。

3.3 預(yù)警模塊設(shè)計

3.3.1 云端預(yù)警模型設(shè)計

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)支持臨床決策，最早多應(yīng)用于臨床診斷和治療的輔助決策[8]。根據(jù)相關(guān)研究表明，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對于高血壓風險預(yù)警系統(tǒng)的構(gòu)建同樣具有重要的應(yīng)用價值。針對用戶血壓水平異常的風險需求，在系統(tǒng)云端通過數(shù)據(jù)挖掘及機器學(xué)習的方法構(gòu)建高血壓智能預(yù)警模型，為用戶提供風險信息預(yù)警服務(wù)。

預(yù)警模型訓(xùn)練實現(xiàn)流程如下：收集已有的高血壓的病例對照數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘和機器學(xué)習的方法，構(gòu)建出高血壓早期預(yù)警的模型，然后將此模型應(yīng)用到平臺上，實現(xiàn)血壓水平異常的風險預(yù)警。通過多種途徑收集數(shù)據(jù)，如圖6所示，把在不同醫(yī)院體檢單位和終端采集儀器獲得的健康數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)一標準、統(tǒng)一格式，存放到服務(wù)端的數(shù)據(jù)庫內(nèi)。為每個用戶創(chuàng)建健康檔案，并對用戶的歷史數(shù)據(jù)進行可視化展示，同時結(jié)合用戶的健康指標信息和預(yù)警模型，對用戶的健康風險做出評估，并提出科學(xué)的指導(dǎo)建議。

3.3.2 風險信息預(yù)警

將智能手機終端采集并顯示的信息參數(shù)，發(fā)送至云端服務(wù)器。由服務(wù)端負責對用戶多個時段的生理健康數(shù)據(jù)進行分析與處理，并將監(jiān)測預(yù)警信息以及適時建議推送至用戶端。系統(tǒng)結(jié)合心率、血壓等特征值分析用戶當前是否處于異常狀態(tài)，將異常信息保存到服務(wù)端并即時向用戶進行后臺預(yù)警提示，且將以短信的形式將預(yù)警信息分發(fā)給用戶的家人，確保用戶得到及時的醫(yī)療救治。

3.4 健康指導(dǎo)模塊

服務(wù)端能對用戶端進行數(shù)據(jù)的更新，可定期向用戶端推送高血壓科普知識，包括一些健康的生活方式、高血壓常識及飲食建議等。例如可根據(jù)用戶的近期血壓值推薦降壓食譜：洋蔥炒肉、胡蘿卜粥以及炒茄子等。

4 結(jié)束語

文中介紹了一種基于Android平臺的高血壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方案，為用戶提供血壓、心率監(jiān)測、智能預(yù)警以及健康指導(dǎo)等功能，對于緩解醫(yī)療資源緊張、輔助家庭監(jiān)護系統(tǒng)、降低患者病死病殘率，提高生活質(zhì)量等方面具有一定的作用。同時，為高血壓移動醫(yī)療軟件的設(shè)計與開發(fā)提供了新的思路。

如今的智能監(jiān)測預(yù)警技術(shù)已十分發(fā)達，若將其應(yīng)用到高血壓的智能分析中，可行性非常高。而且，國內(nèi)已有部分社區(qū)和醫(yī)院，對高血壓的防治預(yù)警系統(tǒng)進行了相關(guān)開發(fā)與研究[9]。可見在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對高血壓監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的研究與開發(fā)，其作用是巨大的。

利用智能手機實現(xiàn)醫(yī)療檢測成為近年來國內(nèi)外學(xué)者紛紛研究的熱點領(lǐng)域[10]。在未來，高血壓疾病的監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與適當?shù)闹悄茉\斷系統(tǒng)相結(jié)合，其應(yīng)用前景和市場開發(fā)必將是廣闊和令人期待的。

參考文獻：

[1] Wang Z， Chen Z， Zhang L， et al. Status of Hypertension in China： Results from the China Hypertension Survey， 2012-2015[J]. Circulation， 2018： CIRCULATIONAHA. 117. 032380.

[2] 梅勝， 孫雪松.我國互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療在便民服務(wù)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 中國數(shù)字醫(yī)學(xué)， 2017， 12（10）：48-50.

[3] Lane N D ， Miluzzo E ， Lu H ， et al. A survey of mobile phone sensing[J]. IEEE Communications Magazine， 2010， 48（9）：140-150.

[4] 陶婧婧， 喬韻， 嚴惟力. 移動健康在國內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展前景[J]. 中國衛(wèi)生事業(yè)管理， 2015， 32（2）：88-90.

[5] 趙亮. 基于Android的移動醫(yī)療系統(tǒng)云端設(shè)計[J]. 中國管理信息化， 2017， 20（7）：180-182.

[6] 余海燕， 邱航， 王利亞. 基于健康大數(shù)據(jù)監(jiān)測平臺的移動醫(yī)療APP設(shè)計[J]. 中國衛(wèi)生信息管理雜志， 2017， 14（2）：142-146.

[7] 陳龍彪， 李石堅， 潘綱. 智能手機：普適感知與應(yīng)用[J]. 計算機學(xué)報， 2015， 38（2）：423-438.

[8] 吳信東，葉明全. 普適醫(yī)療信息管理與服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)[J]. 計算機學(xué)報， 2012， 35（5）：828-845.

[9] 張合蘭. 社區(qū)高血壓防治預(yù)警系統(tǒng)的研究和開發(fā)[J].中國社區(qū)醫(yī)師：醫(yī)學(xué)專業(yè)， 2010， 12（19）：272-273.

[10] 張智超， 張遠， 金偉. 利用智能手機感知的移動醫(yī)療檢測研究綜述[J]. 濟南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2016， 30（5）：377-382.

[通聯(lián)編輯：謝媛媛]