基于眼电控制护理系统手机App的开发
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作者:于丹洋 曹晶 滕丹
摘要：目的：为了能够灵活地实现对长期卧床病人的监护，开发Android系统的手机App，实现基于移动终端对病人的监护。方法：利用App Inventor开发手机App，通过蓝牙无线传输方式将Labview开发的信号处理系统的处理结果发送至手机App显示。结果：在手机App端可实时显示病人心率及提示异常和呼叫请求等情况。结论：通过蓝牙方式通信的护理系统手机App，具有良好的可行性，使护理工作更加高效，并使病人的生活质量得到改善。
关键词：眼电；App Inventor；Android；无线传输；蓝牙
中图分类号： TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）28-0050-03
随着医工结合的深入发展，利用人体的肢体动作、语音、生物电信号（脑电、眼电、肌电）等方式现了对外部设备的控制。通过这些辅助的人机交互（Human-Computer Interaction， HCI） 模式，可帮助运动障碍者或长期卧床的老年人与外界交流。眼电信号EOG是人体眼球运动引发，具有采集方便、时域特征明显等特点，相比于其他生物电信号如脑电、肌电控制的人机交互系统，EOG控制的HCI系统具有识别正确率高、模式相对简单等优点[1-2]。因此，开发基于EOG控制的智能护理系统，既可实现对病人健康状态的实时监测，也可实现病人对相应护理设备的交互控制，从而大幅度地减轻了护理工作的强度，提高了患者的生活质量。
基于Arduino的眼电无线控制智能护理系统，在实时获取病人心率的同时，病人也可通过有意识的眼部动作控制相应的护理设备，本文在此基础上，开发了Android系统的手机App，用于接收病人对护理人员的呼叫请求，也可实现护理人员在移动设备端对病人情况的监控，提高了工作效率[3]。
1 护理系统的整体设计
本系统的前端是基于Arduino UNO开发板为主控模块的前端眼电、心率的采集部分。在人体的电量参数中，眼电的幅值范围10μV～4mV，频率范围0.1Hz～100Hz[4]。Arduino UNO模拟电压输入范围为0～5V，前端信号采集设计了前置放大和滤波电路，使放大后的信号幅值满足模拟输入要求，在Arduino UNO中完成A/D转换后，将信号发送给后端[5]。系统后端是一台带有蓝牙通信模块的PC机，基于Labview开发了集生理参数的分析处理、特征识别、波形显示及保存系统，并根据信号的特征识别结果，将控制信息发送给相应的受控设备（如电动轮椅）；也可将病人的心率实时发送到护理人员的手机端，系统结构图如图1所示。
2 护理系统手机端App的开发
系统后端的PC机对眼电信号进行特征识别，如有意识地向上、向下、向左、向右看，连续眨眼等，从而判定出病人的意图[6]。在主动控制模式下，PC机通过蓝牙的无线传输方式，将控制命令发送到前端的电动轮椅，控制其运动；在被动监护模式下，则将心率以无线方式实时发送到手机App端显示，在心率过低或过高时进行报警，当病人有意识连续眨眼3次时，将病人的呼叫请求发送到手机端，通知护理人员进行响应。
2.1 App开发平台
App Inventor是一个Web服务端开发平台，在2012年供广大开发者使用，可开发Android系统手机应用程序，是一个完全在线开发的Android编程环境，开发方式和环境易于获取，抛弃复杂的程序代码而使用积木式的堆叠法来完成Android程式，其开发过程为可视化、模块化操作，易于学习掌握[7]。Android是Google公司于2007年发布的基于Linux平台的开源手机操作系统，广泛应用于智能手机和多种电子移动设备，已成为手机的主流操作系统，2021年全年，我国Android手机在智能手机中占比达 91.2%[8]。采用App Inventor开发Android手机应用程序，具有良好的操作性和灵活性，用户可根据实际需求定制个性化应用程序。
2.2 蓝牙通信的建立
后端PC机上开发的LabView监护系统，通过串口通信接收前端发送的眼电及心率信号，经过特征识别后发出控制命令和相关信息至移动端手机上。HC-06为主从一体的蓝牙模块，工作电压为3.3V～3.6V，内置PCB天线，采用蓝牙2.0协议标准。本文采用了USB-TTL转换模块与HC-06蓝牙模块连接，通过USB口实现了PC机与手机的蓝牙通信，具体的引脚连接如图2所示。将HC-06蓝牙模块设置为从机模式，手机App端对其进行搜索建立连接[9]。
2.3 App程序设计
手机App客户端的功能主要包括蓝牙的选择连接、数据的接收及显示、心率过高或过低的报警提示、对病人呼叫请求的提示等功能模块。首先进行蓝牙设备的搜索选择，建立连接后开始接收数据，包括心率和病人的呼叫信息，将病人的心率定时更新显示在界面中，当心率过高或过低时进行语音提示报警。App设计的总体结构如图3所示。
2.4 App蓝牙通信功能的实现
利用App Inventor中通信连接模块中的蓝牙客户端组件，结合安卓手机自带的蓝牙功能进行连接，无须硬件设计即可实现手机App端的蓝牙通信功能。
界面设计：添加列表选择框实现蓝牙设备的选择；添加按钮和标签实现数据的接受与显示；添加水平和垂直布局实现界面组件的美观性；添加蓝牙客户端、计时器实现蓝牙数据的接收；文本语音转换器组件实现播报提醒语音功能[10]。
逻辑设计：当App初始化时，设置蓝牙客户端断开连接；断开按钮设为假；计时器启用为假；状态显示标签文本为“Not connected”。然后通过点击列表选择框选择需要连接的蓝牙设备，选择完成后则连接到对应蓝牙设备，标签文本显示为“The connection is successful”；断开连接按钮的启用为真，代码块如图4所示。
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2.5 手机App的测试
蓝牙连接成功后，通过点击数据接收按钮即可调用蓝牙客户端接收文本功能，接收从上位机传入的数值并存放到全局变量心率值中，并在数值显示标签上显示“Data receiving...”，调用文本语音转换器读出“数据接收开始”以及启用计时器开始计时。根据实际的监测需求，可设置计时器每隔5秒钟读取一次数据并进行判断，其代码块如图5所示。
当心率在正常范围时，正常饲┫允韭躺，若接收到的心率值小于60时，心率过低标签显示红色并进行语音播报“心率过低”，反之心率大于100时，心率过高标签显示红色并语音播报“心率过高”，若收到病人的呼叫请求信息时，则病人呼叫标签亮起并语音提示，方便护理人员及时做出响应，各种情况的显示界面如图6所示。
3 总结
本文设计实现了基于眼电控制智能护理系统中的手机App，界面简单易于操作，利用低功耗蓝牙无线传输技术，实时显示人体心率及提示心率异常、病人呼叫等情况，提高了护理人员的工作效率，使长期卧床病人的被监护感受得到改善和提升。现阶段Android系统手机应用普遍，护理人员无须使用新电子设备即可实现对病人状态的监护，具有良好的可行性和经济性。后续根据护理系统功能的不断完善，可继续拓展手机App的功能，使得无线监护方式更加灵活。
参考文献：
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【通联编辑：梁书】
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