基于Android的金屬異物快速排查APP的設計與實現

空軍軍醫大學 軍事生物醫學工程學系，陜西 西安 710032

引言

金屬探測器已經廣泛應用于工農業生產和安全防范，傳統的金屬探測器可分為自激振蕩式金屬探測器和差拍式金屬探測器，基本原理是探測線圈構成振蕩電路的電感元件，當有金屬靠近探測線圈時，由于渦電流的產生，引起檢測信號發生變化，即可判斷是否有金屬通過探測線圈[1-3]。國內外不斷改進電路設計或采用新材料來提高探測器的靈敏度。但是，靈敏度和抗干擾性天生矛盾，特別是在手術室、手術臺前，病床、各種儀器、器械等無一不是金屬，這也就是傳統探測器不能在臨床上應用的主要原因[4-5]。如何在強背景干擾場環境下檢出目的信號？因此，研制新型的高精度、抗干擾能力強的體內金屬異物快速排查系統十分必要，這對保證患者救治的順利進行，預防和減少傷病員并發癥，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傳感器陣列差分檢測方式，結合高共模抑制比差分放大電路進行信號處理，研制了在特定高度對小體積鐵磁性金屬進行特異性檢測的樣機[6]。在此基礎上，論文擬設計開發一種基于Android系統的金屬異物快速排查系統，利用藍牙無線通信技術與樣機進行對接，從而實現實時數據顯示和檢測結果分析記錄。

1 系統總體設計

課題組基于國內外最新的研究成果，創新性地提出了磁通門傳感器“陣列差分檢測方式”，并以INA128P儀表放大器為核心芯片進行差分信號放大電路的搭建來完成共模信號的抑制，提高傳感器的抗干擾能力，實現了微弱磁場信號的放大與處理，初步完成了樣機的研制。后期，擬采用STM微控芯片來完成數據采集和無線藍牙通信，并開發Android手機APP，實現完美對接。設計成型的磁通門傳感器長、寬、高分別為108、35 和35 mm（見圖1），系統的整體設計框圖如圖2所示。

圖1 磁通門傳感器實物圖

圖2 系統整體設計框圖

2 藍牙無線數據采集與通信電路設計

差分放大電路信號輸出最終通過STM 32微控芯片控制實現八通道數據A/D采集和藍牙模塊無線數據傳輸。藍牙無線數據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，能夠同時對八通道 -12 V-12 V電壓進行采集和藍牙無線數據發送，電路采用3.3 V 0～5 V供電電壓供電，功耗低[7-10]。設計完成后的藍牙無線數據采集與通信電路如圖3所示。

圖3 藍牙無線數據采集與通信電路實物圖

藍牙無線數據采集與通信電路中無線藍牙模塊采用匯承公司出品的HC-02模塊設計完成，HC-02藍牙串口通信模塊是基于Bluetooth V2.0藍牙協議的數傳模塊。無線工作頻段為2.4 GHz ISM，調制方式是GFSK。模塊最大發射功率為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，方便客戶嵌入應用系統之內[11-17]。

其中藍牙無線通信數據協議說明，見圖4，無線藍牙模塊在完成與手機或平板電腦藍牙連接并成功配對以后自動進行無線數據的連續不斷傳輸，數據傳輸以19字節字符串為基本組成，其中第1、第2字節為數據標志位，數據標志位后續為八通道數據，每通道數據包括低位和高位兩個字節，共占用16字節，最后第19字節為字符串校驗和Sum。

圖4 藍牙無線通信數據協議說明

3 Android系統手機APP程序設計

APP程序的圖形用戶界面可根據設計程序的功能需要進行布局設計，是由多個View和ViewGroup構建出來的[18]。View是通用的UI窗體小組件，比如按鈕或者文本框，而ViewGroup是不可見的，是用于定義子View布局方式的容器，比如網格部件和垂直列表部件。Android Studio提供了一個對應于View和ViewGroup子類的一系列XMl標簽，這些即是程序布局設計文件，系統的組織功能圖，見圖5。

圖5 系統組織功能圖

3.1 歡迎界面

程序設計了歡迎界面（activity_launcher.xml），并將歡迎界面停留時間設置為5 s，同時在這5 s的時間里后臺程序正常運行，使得歡迎界面結束并進入工作界面時，后臺程序已經運行加載完畢，大大提高了程序的運行流程性和系統內存的運行效率。歡迎界面中定義了顯示程序簡稱的文本顯示控件TextView（圖6中1所示，id/center_label；每個控件都有其唯一對應的id，下同）、顯示程序開發機構名稱的文本顯示控件TextView（圖6中2所示，id/company）和顯示圖標的圖像顯示控件ImageView（圖6中3所示，id/label），界面設計及詳細說明如圖6所示。

圖6 歡迎界面及詳細說明

3.2 工作界面

程序加載完歡迎界面以后進入程序工作界面，工作界面作為程序的主界面，主要包括：程序工作狀態顯示控件TextView（圖7中1所示，id/headTitle），對當前程序工作狀態進行詳細說明；自帶藍牙控制顯示控件TextView（圖7中2所示，id/bluetooth）；通道選擇與當前通道指示顯示控件TextView（圖7中3所示，id/channel）；每屏描記點數顯示控件TextView（圖7中4所示，id/num）；縱坐標軸參數設置顯示控件TextView（圖7中5所示，id/max_value）；波形顯示畫布控件LineChart（圖7中6所示，id/chart）。界面設計及詳細說明如圖7所示。

圖7 工作界面及詳細說明

3.3 通道選擇界面

由于無線檢測探頭中STM微控芯片能夠實現八通道數據同時采集和無線數據發送，為此設計了通道選擇界面，由操作人員選擇待顯示的某一通道數據。程序默認設置是對通道一數據進行讀取和轉換，同時也可設置為對其他通道數據進行讀取和轉換。通道選擇設置界面，見圖8。

圖8 通道選擇界面

3.4 每屏描記點數設置對話框界面

實際應用情況下，無線檢測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，波形顯示中相應的目標信號的頻率也就越高，這一現象對于金屬異物定位和排查的準確性造成一定的影響[19-20]。為了解決這一問題，設計了每屏描記點數設置對話框界面，視不同情況對每屏描記點數進行設置，以調節波形顯示效果。每屏描記點數設置對話框界面主要包括：每屏描記點數顯示控件TextView（圖9中1所示，id/text）；每屏描記點數設置輸入編輯框控件EditText（圖9中2所示，id/dialog_father_edit），輸入編輯框默認情況下每屏描記點數為10，在實際應用中可根據需要自由輸入任何數值；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）；每屏描記點數設置對話框界面，見圖9。

圖9 每屏描記點數設置對話框界面及詳細說明

3.5 縱坐標軸參數設置對話框界面

在默認情況下，縱坐標軸在波形顯示方式中為自適應調整，自適應調整坐標軸能夠清楚準確觀察當前描記點與前后描記點的微小差異，但同時自適應調整坐標軸在波形整體比較中效果較差。為此設計了兩種波形顯示方式，其一是在默認情況下，波形顯示方式為自適應顯示；其二是根據實際情況，特定觀察某一范圍內的波形，這就要求對縱坐標軸的最大最小值等參數進行限定，以便對波形更好的作出評價?？v坐標軸參數設置對話框界面主要包括：縱坐標軸參數設置對話框顯示控件TextView （圖10中1所示，id/text）；縱坐標軸最大值設置輸入編輯框控件EditText（圖10中2所示，id/max_value）；縱坐標軸最小值設置輸入編輯框控件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）；縱坐標軸參數設置對話框界面設計效果圖，見圖10。

圖10 縱坐標軸參數設置對話框界面及詳細說明

3.6 藍牙設備列表界面

藍牙設備列表界面實現了對已配對過的藍牙設備以及周圍環境中其他藍牙設備進行管理和顯示。之前已成功配對過的藍牙設備會優先放置在列表的頂端，方便操作人員進行藍牙設備的連接。

藍牙設備列表界面主要包括：已配對藍牙設備顯示控件TextView（圖11中1所示，id/title_paired_devices）；已配對藍牙設備列表控件ListView（圖11中2所示，id/paired_devices）；掃描周圍藍牙設備按鈕控件Button（圖11中3所示，id/button_scan）；周圍未配對藍牙設備顯示控件TextView（未顯示，id/title_new_devices）；周圍未配對藍牙設備列表控件ListView（未顯示，id/new_devices）；藍牙設備列表界面設計效果圖，見圖11。

圖11 藍牙設備列表界面及詳細說明

3.7 程序退出界面

程序通過調用Android自身的返回軟按鍵來實現程序的退出，且在設計上具有完整的退出設置，確保在檢測過程中不會出現閃退等非正?，F象。同時，程序人性化的退出界面使操作人員使用起來更加舒暢。程序退出界面設計效果如圖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APP程序在傷病員體內金屬異物快速排查定位中所發揮的重要作用，為APP程序賦予了“MetalGPS”的簡稱，程序名稱簡潔同時又不失其深層含義，已安裝到手機的APP程序如圖13所示。

圖13 Android系統手機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，點擊屏幕上程序圖標“MetalGPS”，隨后程序進入歡迎界面。在歡迎界面停留5 s后進入程序工作界面，在工作界面中可以對通道選擇、每屏描記點數設置、縱坐標軸參數設置中的全部或者任何一個進行自定義設置，同時也可以在默認情況下跳過這一操作環節。在完成設置以后，選擇打開自帶藍牙并進行藍牙設備的搜索、配對和連接，連接成功以后，程序會自動根據所設置參數進行波形的繪制，觀察波形的變化即可準確、快速地發現目標波形，以便及時展開救治。在波形顯示完成以后，點擊“停止”按鈕，并點擊Android手機或平板電腦的返回鍵退出程序。

4 整體調試與測試

4.1 整體調試

在完成無線藍牙模塊電路設計和Android系統手機APP開發以后，將磁通門傳感器差分檢測陣列單元移植到無線藍牙模塊，并與Android系統手機APP對接。磁通門傳感器差分檢測陣列單元移植前后，前端電路保持不變，只是后端數據傳輸和波形顯示方式進行了更高層次的提升。先前基于數據采集卡NI USB-6008完成數據采集，并以有線的方式進行數據傳輸，最終在PC端LabVIEW程序上完成波形的顯示存儲與金屬異物的排查定位；在完成移植以后，通過STM芯片完成數據的采集并通過藍牙進行數據的傳輸，解決了先前有線傳輸的問題，同時數據被Android系統手機APP接收并實現波形的顯示與金屬異物的定位。

圖14 APP程序操作流程

4.2 驗證測試

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

圖15 實驗測試中所使用物體尺寸說明

隨后將手術縫合針放置在桌面上，將雙磁通門組成的陣列分別在5、10、15 cm的高度下水平從手術縫合針上掃過，磁通門傳感器陣列在5、10、15 cm的高度下掃查及重建結果詳見圖16。

重建結果顯示，在檢測高度為5 cm時，波形重建結果定量的顯示其峰值為3.05 V；在檢測高度為10 cm時，波形重建結果定量的顯示其峰值為0.58 V；在檢測高度為15 cm時，波形重建結果定量的顯示其峰值為0.16 V。經過實驗測試和理論分析表明，當磁通門傳感器檢測陣列在一定高度檢測到鐵磁性金屬時，其特異性（目標）波形可形象的比喻為“峰—谷波”或“谷—峰波”。

Android系統手機APP檢測結果見圖17，其波形為“峰谷波”或“谷峰波”，與磁通門傳感器檢測陣列的重建波形一致，說明了該APP能夠實現數據的無線接收和實時波形顯示。

圖16 磁通門傳感器檢測陣列不同檢測高度示意圖及其重建波形

圖17 APP檢測結果

5 討論

本研究設計并驗證了一種基于Android系統的金屬異物快速排查定位的新系統，基于STM32微控芯片設計的無線通信電路，能夠實現信號采集和無線數據的打包與發送，且開發出基于Android系統的手機APP，經過實驗驗證，能夠實現數據的無線接收和實時波形顯示。該排查系統整體采用藍牙無線數據連接，操作簡單，同時實用性得到了大幅度地提升，切實解決了臨床外科手術中金屬異物排查定位的難題。