基于Android的金屬異物快速排查APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

空軍軍醫(yī)大學(xué) 軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系，陜西 西安 710032

引言

金屬探測(cè)器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和安全防范，傳統(tǒng)的金屬探測(cè)器可分為自激振蕩式金屬探測(cè)器和差拍式金屬探測(cè)器，基本原理是探測(cè)線圈構(gòu)成振蕩電路的電感元件，當(dāng)有金屬靠近探測(cè)線圈時(shí)，由于渦電流的產(chǎn)生，引起檢測(cè)信號(hào)發(fā)生變化，即可判斷是否有金屬通過(guò)探測(cè)線圈[1-3]。國(guó)內(nèi)外不斷改進(jìn)電路設(shè)計(jì)或采用新材料來(lái)提高探測(cè)器的靈敏度。但是，靈敏度和抗干擾性天生矛盾，特別是在手術(shù)室、手術(shù)臺(tái)前，病床、各種儀器、器械等無(wú)一不是金屬，這也就是傳統(tǒng)探測(cè)器不能在臨床上應(yīng)用的主要原因[4-5]。如何在強(qiáng)背景干擾場(chǎng)環(huán)境下檢出目的信號(hào)？因此，研制新型的高精度、抗干擾能力強(qiáng)的體內(nèi)金屬異物快速排查系統(tǒng)十分必要，這對(duì)保證患者救治的順利進(jìn)行，預(yù)防和減少傷病員并發(fā)癥，提高治愈率，具有十分重要的意義。

前期，課題組采用高精度磁通門(mén)傳感器陣列差分檢測(cè)方式，結(jié)合高共模抑制比差分放大電路進(jìn)行信號(hào)處理，研制了在特定高度對(duì)小體積鐵磁性金屬進(jìn)行特異性檢測(cè)的樣機(jī)[6]。在此基礎(chǔ)上，論文擬設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一種基于Android系統(tǒng)的金屬異物快速排查系統(tǒng)，利用藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)與樣機(jī)進(jìn)行對(duì)接，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示和檢測(cè)結(jié)果分析記錄。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

課題組基于國(guó)內(nèi)外最新的研究成果，創(chuàng)新性地提出了磁通門(mén)傳感器“陣列差分檢測(cè)方式”，并以INA128P儀表放大器為核心芯片進(jìn)行差分信號(hào)放大電路的搭建來(lái)完成共模信號(hào)的抑制，提高傳感器的抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)了微弱磁場(chǎng)信號(hào)的放大與處理，初步完成了樣機(jī)的研制。后期，擬采用STM微控芯片來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和無(wú)線藍(lán)牙通信，并開(kāi)發(fā)Android手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)完美對(duì)接。設(shè)計(jì)成型的磁通門(mén)傳感器長(zhǎng)、寬、高分別為108、35 和35 mm（見(jiàn)圖1），系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖1 磁通門(mén)傳感器實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

2 藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)采集與通信電路設(shè)計(jì)

差分放大電路信號(hào)輸出最終通過(guò)STM 32微控芯片控制實(shí)現(xiàn)八通道數(shù)據(jù)A/D采集和藍(lán)牙模塊無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)采集與通信電路主控芯片為STM 32系列微控芯片，體積小，效率高；主頻為48 MHz，能夠同時(shí)對(duì)八通道 -12 V-12 V電壓進(jìn)行采集和藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，電路采用3.3 V 0～5 V供電電壓供電，功耗低[7-10]。設(shè)計(jì)完成后的藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)采集與通信電路如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)采集與通信電路實(shí)物圖

藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)采集與通信電路中無(wú)線藍(lán)牙模塊采用匯承公司出品的HC-02模塊設(shè)計(jì)完成，HC-02藍(lán)牙串口通信模塊是基于Bluetooth V2.0藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無(wú)線工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，接收靈敏度-86 dBm。模塊采用郵票孔封裝方式，可貼片焊接，模塊大小26.9 mm×13 mm×2.2 mm，方便客戶嵌入應(yīng)用系統(tǒng)之內(nèi)[11-17]。

其中藍(lán)牙無(wú)線通信數(shù)據(jù)協(xié)議說(shuō)明，見(jiàn)圖4，無(wú)線藍(lán)牙模塊在完成與手機(jī)或平板電腦藍(lán)牙連接并成功配對(duì)以后自動(dòng)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)的連續(xù)不斷傳輸，數(shù)據(jù)傳輸以19字節(jié)字符串為基本組成，其中第1、第2字節(jié)為數(shù)據(jù)標(biāo)志位，數(shù)據(jù)標(biāo)志位后續(xù)為八通道數(shù)據(jù)，每通道數(shù)據(jù)包括低位和高位兩個(gè)字節(jié)，共占用16字節(jié)，最后第19字節(jié)為字符串校驗(yàn)和Sum。

圖4 藍(lán)牙無(wú)線通信數(shù)據(jù)協(xié)議說(shuō)明

3 Android系統(tǒng)手機(jī)APP程序設(shè)計(jì)

APP程序的圖形用戶界面可根據(jù)設(shè)計(jì)程序的功能需要進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，是由多個(gè)View和ViewGroup構(gòu)建出來(lái)的[18]。View是通用的UI窗體小組件，比如按鈕或者文本框，而ViewGroup是不可見(jiàn)的，是用于定義子View布局方式的容器，比如網(wǎng)格部件和垂直列表部件。Android Studio提供了一個(gè)對(duì)應(yīng)于View和ViewGroup子類(lèi)的一系列XMl標(biāo)簽，這些即是程序布局設(shè)計(jì)文件，系統(tǒng)的組織功能圖，見(jiàn)圖5。

圖5 系統(tǒng)組織功能圖

3.1 歡迎界面

程序設(shè)計(jì)了歡迎界面（activity_launcher.xml），并將歡迎界面停留時(shí)間設(shè)置為5 s，同時(shí)在這5 s的時(shí)間里后臺(tái)程序正常運(yùn)行，使得歡迎界面結(jié)束并進(jìn)入工作界面時(shí)，后臺(tái)程序已經(jīng)運(yùn)行加載完畢，大大提高了程序的運(yùn)行流程性和系統(tǒng)內(nèi)存的運(yùn)行效率。歡迎界面中定義了顯示程序簡(jiǎn)稱(chēng)的文本顯示控件TextView（圖6中1所示，id/center_label；每個(gè)控件都有其唯一對(duì)應(yīng)的id，下同）、顯示程序開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)名稱(chēng)的文本顯示控件TextView（圖6中2所示，id/company）和顯示圖標(biāo)的圖像顯示控件ImageView（圖6中3所示，id/label），界面設(shè)計(jì)及詳細(xì)說(shuō)明如圖6所示。

圖6 歡迎界面及詳細(xì)說(shuō)明

3.2 工作界面

程序加載完歡迎界面以后進(jìn)入程序工作界面，工作界面作為程序的主界面，主要包括：程序工作狀態(tài)顯示控件TextView（圖7中1所示，id/headTitle），對(duì)當(dāng)前程序工作狀態(tài)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明；自帶藍(lán)牙控制顯示控件TextView（圖7中2所示，id/bluetooth）；通道選擇與當(dāng)前通道指示顯示控件TextView（圖7中3所示，id/channel）；每屏描記點(diǎn)數(shù)顯示控件TextView（圖7中4所示，id/num）；縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置顯示控件TextView（圖7中5所示，id/max_value）；波形顯示畫(huà)布控件LineChart（圖7中6所示，id/chart）。界面設(shè)計(jì)及詳細(xì)說(shuō)明如圖7所示。

圖7 工作界面及詳細(xì)說(shuō)明

3.3 通道選擇界面

由于無(wú)線檢測(cè)探頭中STM微控芯片能夠?qū)崿F(xiàn)八通道數(shù)據(jù)同時(shí)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，為此設(shè)計(jì)了通道選擇界面，由操作人員選擇待顯示的某一通道數(shù)據(jù)。程序默認(rèn)設(shè)置是對(duì)通道一數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和轉(zhuǎn)換，同時(shí)也可設(shè)置為對(duì)其他通道數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和轉(zhuǎn)換。通道選擇設(shè)置界面，見(jiàn)圖8。

圖8 通道選擇界面

3.4 每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面

實(shí)際應(yīng)用情況下，無(wú)線檢測(cè)探頭的掃查頻率和掃查速度由操作人員把握，掃查頻率和掃查速度越快，波形顯示中相應(yīng)的目標(biāo)信號(hào)的頻率也就越高，這一現(xiàn)象對(duì)于金屬異物定位和排查的準(zhǔn)確性造成一定的影響[19-20]。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)了每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面，視不同情況對(duì)每屏描記點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以調(diào)節(jié)波形顯示效果。每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面主要包括：每屏描記點(diǎn)數(shù)顯示控件TextView（圖9中1所示，id/text）；每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置輸入編輯框控件EditText（圖9中2所示，id/dialog_father_edit），輸入編輯框默認(rèn)情況下每屏描記點(diǎn)數(shù)為10，在實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要自由輸入任何數(shù)值；輸入取消顯示控件TextView（圖9中3所示，id/dialog_cancel）和輸入確定顯示控件TextView（圖9中4所示，id/dialog_commit）；每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面，見(jiàn)圖9。

圖9 每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面及詳細(xì)說(shuō)明

3.5 縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面

在默認(rèn)情況下，縱坐標(biāo)軸在波形顯示方式中為自適應(yīng)調(diào)整，自適應(yīng)調(diào)整坐標(biāo)軸能夠清楚準(zhǔn)確觀察當(dāng)前描記點(diǎn)與前后描記點(diǎn)的微小差異，但同時(shí)自適應(yīng)調(diào)整坐標(biāo)軸在波形整體比較中效果較差。為此設(shè)計(jì)了兩種波形顯示方式，其一是在默認(rèn)情況下，波形顯示方式為自適應(yīng)顯示；其二是根據(jù)實(shí)際情況，特定觀察某一范圍內(nèi)的波形，這就要求對(duì)縱坐標(biāo)軸的最大最小值等參數(shù)進(jìn)行限定，以便對(duì)波形更好的作出評(píng)價(jià)?？v坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面主要包括：縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框顯示控件TextView （圖10中1所示，id/text）；縱坐標(biāo)軸最大值設(shè)置輸入編輯框控件EditText（圖10中2所示，id/max_value）；縱坐標(biāo)軸最小值設(shè)置輸入編輯框控件EditText（圖10中3所示，id/min_value）；輸入取消顯示控件TextView（圖10中4所示，id/dialog_cancel）和輸入確定顯示控件TextView（圖10中5所示，id/dialog_commit）；縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面設(shè)計(jì)效果圖，見(jiàn)圖10。

圖10 縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置對(duì)話框界面及詳細(xì)說(shuō)明

3.6 藍(lán)牙設(shè)備列表界面

藍(lán)牙設(shè)備列表界面實(shí)現(xiàn)了對(duì)已配對(duì)過(guò)的藍(lán)牙設(shè)備以及周?chē)h(huán)境中其他藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行管理和顯示。之前已成功配對(duì)過(guò)的藍(lán)牙設(shè)備會(huì)優(yōu)先放置在列表的頂端，方便操作人員進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備的連接。

藍(lán)牙設(shè)備列表界面主要包括：已配對(duì)藍(lán)牙設(shè)備顯示控件TextView（圖11中1所示，id/title_paired_devices）；已配對(duì)藍(lán)牙設(shè)備列表控件ListView（圖11中2所示，id/paired_devices）；掃描周?chē){(lán)牙設(shè)備按鈕控件Button（圖11中3所示，id/button_scan）；周?chē)磁鋵?duì)藍(lán)牙設(shè)備顯示控件TextView（未顯示，id/title_new_devices）；周?chē)磁鋵?duì)藍(lán)牙設(shè)備列表控件ListView（未顯示，id/new_devices）；藍(lán)牙設(shè)備列表界面設(shè)計(jì)效果圖，見(jiàn)圖11。

圖11 藍(lán)牙設(shè)備列表界面及詳細(xì)說(shuō)明

3.7 程序退出界面

程序通過(guò)調(diào)用Android自身的返回軟按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的退出，且在設(shè)計(jì)上具有完整的退出設(shè)置，確保在檢測(cè)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)閃退等非正?，F(xiàn)象。同時(shí)，程序人性化的退出界面使操作人員使用起來(lái)更加舒暢。程序退出界面設(shè)計(jì)效果如圖12所示。

圖12 程序退出界面效果圖

3.8 APP程序操作流程

為了更加形象地體現(xiàn)APP程序在傷病員體內(nèi)金屬異物快速排查定位中所發(fā)揮的重要作用，為APP程序賦予了“MetalGPS”的簡(jiǎn)稱(chēng)，程序名稱(chēng)簡(jiǎn)潔同時(shí)又不失其深層含義，已安裝到手機(jī)的APP程序如圖13所示。

圖13 Android系統(tǒng)手機(jī)APP程序安裝示意圖

APP程序操作流程如圖14所示，APP程序安裝成功后，點(diǎn)擊屏幕上程序圖標(biāo)“MetalGPS”，隨后程序進(jìn)入歡迎界面。在歡迎界面停留5 s后進(jìn)入程序工作界面，在工作界面中可以對(duì)通道選擇、每屏描記點(diǎn)數(shù)設(shè)置、縱坐標(biāo)軸參數(shù)設(shè)置中的全部或者任何一個(gè)進(jìn)行自定義設(shè)置，同時(shí)也可以在默認(rèn)情況下跳過(guò)這一操作環(huán)節(jié)。在完成設(shè)置以后，選擇打開(kāi)自帶藍(lán)牙并進(jìn)行藍(lán)牙設(shè)備的搜索、配對(duì)和連接，連接成功以后，程序會(huì)自動(dòng)根據(jù)所設(shè)置參數(shù)進(jìn)行波形的繪制，觀察波形的變化即可準(zhǔn)確、快速地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)波形，以便及時(shí)展開(kāi)救治。在波形顯示完成以后，點(diǎn)擊“停止”按鈕，并點(diǎn)擊Android手機(jī)或平板電腦的返回鍵退出程序。

4 整體調(diào)試與測(cè)試

4.1 整體調(diào)試

在完成無(wú)線藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)和Android系統(tǒng)手機(jī)APP開(kāi)發(fā)以后，將磁通門(mén)傳感器差分檢測(cè)陣列單元移植到無(wú)線藍(lán)牙模塊，并與Android系統(tǒng)手機(jī)APP對(duì)接。磁通門(mén)傳感器差分檢測(cè)陣列單元移植前后，前端電路保持不變，只是后端數(shù)據(jù)傳輸和波形顯示方式進(jìn)行了更高層次的提升。先前基于數(shù)據(jù)采集卡NI USB-6008完成數(shù)據(jù)采集，并以有線的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終在PC端LabVIEW程序上完成波形的顯示存儲(chǔ)與金屬異物的排查定位；在完成移植以后，通過(guò)STM芯片完成數(shù)據(jù)的采集并通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，解決了先前有線傳輸?shù)膯?wèn)題，同時(shí)數(shù)據(jù)被Android系統(tǒng)手機(jī)APP接收并實(shí)現(xiàn)波形的顯示與金屬異物的定位。

圖14 APP程序操作流程

4.2 驗(yàn)證測(cè)試

選用臨床術(shù)縫合針作為被檢測(cè)金屬物體，手術(shù)縫合針的直徑為2.5 cm，可參考圖15。

圖15 實(shí)驗(yàn)測(cè)試中所使用物體尺寸說(shuō)明

隨后將手術(shù)縫合針?lè)胖迷谧烂嫔?，將雙磁通門(mén)組成的陣列分別在5、10、15 cm的高度下水平從手術(shù)縫合針上掃過(guò)，磁通門(mén)傳感器陣列在5、10、15 cm的高度下掃查及重建結(jié)果詳見(jiàn)圖16。

重建結(jié)果顯示，在檢測(cè)高度為5 cm時(shí)，波形重建結(jié)果定量的顯示其峰值為3.05 V；在檢測(cè)高度為10 cm時(shí)，波形重建結(jié)果定量的顯示其峰值為0.58 V；在檢測(cè)高度為15 cm時(shí)，波形重建結(jié)果定量的顯示其峰值為0.16 V。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析表明，當(dāng)磁通門(mén)傳感器檢測(cè)陣列在一定高度檢測(cè)到鐵磁性金屬時(shí)，其特異性（目標(biāo)）波形可形象的比喻為“峰—谷波”或“谷—峰波”。

Android系統(tǒng)手機(jī)APP檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖17，其波形為“峰谷波”或“谷峰波”，與磁通門(mén)傳感器檢測(cè)陣列的重建波形一致，說(shuō)明了該APP能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線接收和實(shí)時(shí)波形顯示。

圖16 磁通門(mén)傳感器檢測(cè)陣列不同檢測(cè)高度示意圖及其重建波形

圖17 APP檢測(cè)結(jié)果

5 討論

本研究設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種基于Android系統(tǒng)的金屬異物快速排查定位的新系統(tǒng)，基于STM32微控芯片設(shè)計(jì)的無(wú)線通信電路，能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)采集和無(wú)線數(shù)據(jù)的打包與發(fā)送，且開(kāi)發(fā)出基于Android系統(tǒng)的手機(jī)APP，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線接收和實(shí)時(shí)波形顯示。該排查系統(tǒng)整體采用藍(lán)牙無(wú)線數(shù)據(jù)連接，操作簡(jiǎn)單，同時(shí)實(shí)用性得到了大幅度地提升，切實(shí)解決了臨床外科手術(shù)中金屬異物排查定位的難題。