基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)的設(shè)計

舒明雷, 高天雷, 單珂

(山東省計算中心(國家超級計算濟(jì)南中心)，山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014)

基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)的設(shè)計

舒明雷, 高天雷, 單珂

(山東省計算中心(國家超級計算濟(jì)南中心)，山東省計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)重點實驗室，山東 濟(jì)南 250014)

提出了一種基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)，對人體體成分的檢測、監(jiān)護(hù)和干預(yù)提供了積極有效的解決途徑。系統(tǒng)以“智能采集終端+數(shù)據(jù)處理中繼+綜合性健康云服務(wù)平臺+多模態(tài)應(yīng)用終端”為架構(gòu)，基于云計算和智能硬件技術(shù)，設(shè)計了包括生物電阻抗采集前端、MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理交互單元、云平臺數(shù)據(jù)處理存儲陣列和應(yīng)用客戶端5個部分。通過檢測身高、體重和阻抗參數(shù)，運(yùn)用云計算技術(shù)由服務(wù)器集群在云端動態(tài)修正和更新算法，完成數(shù)據(jù)結(jié)果的分析計算，在應(yīng)用客戶端請求數(shù)據(jù)時實現(xiàn)數(shù)據(jù)分發(fā)推送，并通過顯示模塊展現(xiàn)給使用者。與當(dāng)前主流生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)的對比結(jié)果表明，該系統(tǒng)檢測參數(shù)多，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、處理和展示，有助于建立人體體成分檢測監(jiān)控新模式。

生物電阻抗；MSP430；體成分分析；云計算

利用生物組織的電特性及變化規(guī)律，生物電阻抗測量技術(shù)[1-2]可有效獲取并分析與人體相關(guān)的醫(yī)學(xué)信息，已在人體成分分析領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，在臨床醫(yī)學(xué)與基礎(chǔ)研究中具有重要的價值。通過檢測具體的人體成分參數(shù)，可用來分析人體成分的正常范圍，評價人體在某階段的生長變化進(jìn)程，有助于科學(xué)評價人體營養(yǎng)狀態(tài)，并對患病風(fēng)險進(jìn)行有效預(yù)警。通過評定體質(zhì)的狀況、特征的方法進(jìn)行不同人群、個體體質(zhì)水平的比較，進(jìn)而鑒定和完善增強(qiáng)體質(zhì)的各種措施。

雖然已有較先進(jìn)的科技公司從事人體成分分析儀的研發(fā)，但其中大多數(shù)僅能夠完成十幾種身體指標(biāo)的測量，且不具備實時處理大量數(shù)據(jù)、平臺存儲的能力，用戶僅能單向查看體成分指標(biāo)，無法與檢測設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，無法有效滿足測試對象的實際需求，人機(jī)交互能力較弱，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度尚有不足。

基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)，運(yùn)用云計算龐大的數(shù)據(jù)計算能力、成熟的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及可實時修正和更新的云端算法，實現(xiàn)對采集的體征數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)解析，能夠充分提高數(shù)據(jù)處理速度，不斷地利用最新研究成果提高測試的精度和準(zhǔn)確度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、顯示、分發(fā)和推送功能[3-5]。云平臺同時能夠存儲海量檢測數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，發(fā)現(xiàn)用戶身體成分變化趨勢，統(tǒng)計身體數(shù)據(jù)與時間的趨勢報告，提供適當(dāng)?shù)娘嬍澈瓦\(yùn)動建議，在使用功能上更加豐富和便捷。檢測數(shù)據(jù)通過3G、4G、Wi-Fi等移動網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)皆破脚_，需要數(shù)據(jù)的終端訪問云平臺并申請數(shù)據(jù)分發(fā)，實現(xiàn)云端數(shù)據(jù)存儲與共享，解決指標(biāo)檢測的時間和空間限制。

本文運(yùn)用云計算技術(shù)設(shè)計并實現(xiàn)了一種人機(jī)交互性好、數(shù)據(jù)處理精度高的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)，用于人體體成分的檢測分析。

1 系統(tǒng)整件設(shè)計

系統(tǒng)整體設(shè)計如圖1所示。根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由體成分采集前端、MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心、數(shù)據(jù)處理交互單元、云平臺數(shù)據(jù)處理存儲陣列和應(yīng)用客戶端構(gòu)成[6]。

其中，采用八點接觸電極實現(xiàn)前端信號采集，結(jié)合生物電阻抗技術(shù)[7-8]，使用可與人體體表面接觸的電極片，向用戶傳輸人體可接受的交流電[9]，由MSP430數(shù)據(jù)處理收發(fā)中心完成檢測前端電阻抗值的計算，再將所得數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)處理交互單元的通信模塊上傳至云計算平臺，進(jìn)行最終的算法分析處理后得到人體成分參數(shù)，由數(shù)據(jù)處理交互單元進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，并顯示到交互式觸摸液晶屏上，將測量的30項體質(zhì)指數(shù)反饋給用戶，其他得到授權(quán)的用戶可以通過手機(jī)、平板電腦、個人計算機(jī)的客戶端實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問和展示。本文通過構(gòu)建一體化系統(tǒng)并在軟硬件上得以實現(xiàn)，能夠提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集、友好的人機(jī)交互和豐富的參數(shù)展示服務(wù)。

圖1 基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Architecture design of the Bioelectrical impedance analysis and measurement system based on cloud platform

2 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

圖2為分析檢測系統(tǒng)采集前端的電路結(jié)構(gòu)圖，硬件部分由阻抗測量電路、體重測量電路、測量電極、PC上位機(jī)等組成[10]。檢測電極直接與人體接觸，用于輸出和檢測信號，電極的數(shù)目為8個電極，電極的外形結(jié)構(gòu)隨測量方式的改變而改變。人體的生物電阻抗信息由阻抗測量電路進(jìn)行采集，進(jìn)行前期處理并將攜帶人體成分信息的阻抗信號傳給上位機(jī)。阻抗測量電路包括主控芯片、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號調(diào)理電路、開關(guān)陣列以及恒流源組成。

圖2 電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Circuit structure diagram

主控芯片控制恒流源發(fā)出對應(yīng)人體信息的頻率為0～1 MHz的0.02～0.5 mA微弱交流信號，并通過開關(guān)陣列的分時選擇性分配到相應(yīng)的發(fā)射電極中。另一組檢測電極將人體反饋的電壓信號輸送到信號調(diào)理電路中，信號調(diào)理電路將此電壓信號經(jīng)過放大、濾波后，最后經(jīng)A/D模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)入主控芯片，主控芯片進(jìn)行阻抗信號預(yù)處理，并傳送到上位端。體重測量電路直接由主控芯片控制測量人體體重并傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。上位機(jī)具有人機(jī)交互界面，提供用戶數(shù)據(jù)輸入和人體成分?jǐn)?shù)據(jù)顯示成像，并控制打印機(jī)打印數(shù)據(jù)報告。

2.2 軟件設(shè)計

程序流程圖如圖3所示。用戶在登錄后，通過刷身份證錄入年齡、性別等個人信息并開始檢測過程，如若在檢測過程中測試通道發(fā)生異常情況，檢測自動停止；如若數(shù)據(jù)無誤且檢測完成后，上位機(jī)向下位機(jī)請求接收數(shù)據(jù)并上傳，再將解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化的保存。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart

3 系統(tǒng)實現(xiàn)及實驗分析

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)人機(jī)交互界面操作簡單、智能，進(jìn)行體質(zhì)數(shù)據(jù)檢測時，用戶進(jìn)入檢測系統(tǒng)主功能界面，點擊測量按鈕，雙手持手部電極檢測手柄，赤足踩在腳電極底座上，生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)自動完成數(shù)據(jù)的采集，再由數(shù)據(jù)處理交互單元將數(shù)據(jù)傳輸給云平臺，云平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算后將數(shù)據(jù)下發(fā)給數(shù)據(jù)處理交互單元，將用戶的測量情況及時反饋到人機(jī)交互界面上，用戶只需要點擊保存按鈕，便可自動生成體成分檢測報告，供用戶及時查閱打印。檢測界面及實物樣機(jī)圖如圖4所示。

圖4 檢測界面及實物樣機(jī)圖Fig.4 Detection interface and physical prototype

3.2 實驗分析

對本文所設(shè)計的基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)的性能進(jìn)行了系統(tǒng)可靠性的驗證，并對其得出的性能指標(biāo)進(jìn)行對比：輸入激勵信號的頻率為5 kHz、250 kHz，幅值為±100 μA。經(jīng)過對測試實驗者輸出的體成分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)測試結(jié)果基本一致，從而證明了本系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。表1為本文檢測系統(tǒng)與當(dāng)前6家主流醫(yī)療設(shè)備公司(為保護(hù)隱私而隱去公司真實名稱)研發(fā)系統(tǒng)的測試指標(biāo)、云平臺服務(wù)能力的對比。

表1 生物電阻抗檢測系統(tǒng)與當(dāng)前主流產(chǎn)品的對比

由表1可以看出，本文設(shè)計的檢測系統(tǒng)檢測參數(shù)多，可通過云平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸、處理和展示。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的基于云平臺的生物電阻抗分析檢測系統(tǒng)，運(yùn)用云計算龐大的數(shù)據(jù)計算能力、成熟的數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及可實時修正和更新的云端算法，實現(xiàn)對采集的體征數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，能夠充分提高數(shù)據(jù)處理速度，不斷地利用最新研究成果提高測試的精度和準(zhǔn)確度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、顯示、分發(fā)和推送功能，實現(xiàn)以“智能采集終端+數(shù)據(jù)處理中繼+綜合性健康云服務(wù)平臺+多模態(tài)應(yīng)用終端”為架構(gòu)的系統(tǒng)原型。下一步將在本文研究的基礎(chǔ)上，利用云端最新研究成果提高測試的精度和準(zhǔn)確度，使得系統(tǒng)指標(biāo)更加準(zhǔn)確完善。

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[5]VAQUERO L, RODERO-MARINO L, CACERES J, et al. A break in the clouds:Towards a cloud definition [J].SIGCOMM Computer Communication Review,2009,39(1):50-55.

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Desigh of bioelectrical impedance detection and analysis system based on cloud platform

SHU Ming-lei, GAO Tian-lei, SHAN Ke

(Shandong Computer Science Center(National Supercomputer Center in Jinan), Shandong Provincial Key Laboratory of Computer Networks, Jinan 250014, China)

∶In this paper a kind of bioelectrical impedance analysis and detection system based on cloud platform was put forward to provide a positive and effective solution to the detection, monitoring and intervention of human body composition. The system implemented an architecture which consisted of intelligent acquisition terminal, data processing relay, comprehensive health cloud service platform and multimodal application terminal. Based on cloud computing and intelligent hardware technology, five components were designed, which included bioelectrical impedance acquisition front-end, MSP430 data processor and transceiver, data processing and interactive unit, data processing and storage arrays on cloud platform, and application client. By detecting the height, weight, and impedance parameters, the system performed dynamic correction and updating algorithms on the server clusters based on cloud computing technology, and the data results were analyzed and calculated. When the application client requested data, the data distributing and pushing were carried out, which was displayed to users through display module. Compared with other mainstream biological resistance detection systems, the system presented could detect more kinds of parameters, and realize the remote data transmission, processing and display, which was helpful to establish a new model for the detection and monitoring of human body composition.

∶Bioelectrical impedance; MSP430; body composition analysis; cloud computing

10.3976/j.issn.1002-4026.2017.04.019

2017-01-19

山東省科技發(fā)展計劃(2014GSF118107)；山東省重點研發(fā)計劃(2015GGH309003)

舒明雷(1979—)，男，博士，副研究員，研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線體域網(wǎng)絡(luò)和云健康等。E-mail：shuml@sdas.org

TP393

A

1002-4026(2017)04-0118-06