基于Android的金属异物快速排查APP的设计与实现

空军军医大学 军事生物医学工程学系，陕西 西安 710032

引言

金属探测器已经广泛应用于工农业生产和安全防范，传统的金属探测器可分为自激振荡式金属探测器和差拍式金属探测器，基本原理是探测线圈构成振荡电路的电感元件，当有金属靠近探测线圈时，由于涡电流的产生，引起检测信号发生变化，即可判断是否有金属通过探测线圈[1-3]。国内外不断改进电路设计或采用新材料来提高探测器的灵敏度。但是，灵敏度和抗干扰性天生矛盾，特别是在手术室、手术台前，病床、各种仪器、器械等无一不是金属，这也就是传统探测器不能在临床上应用的主要原因[4-5]。如何在强背景干扰场环境下检出目的信号？因此，研制新型的高精度、抗干扰能力强的体内金属异物快速排查系统十分必要，这对保证患者救治的顺利进行，预防和减少伤病员并发症，提高治愈率，具有十分重要的意义。

前期，课题组采用高精度磁通门传感器阵列差分检测方式，结合高共模抑制比差分放大电路进行信号处理，研制了在特定高度对小体积铁磁性金属进行特异性检测的样机[6]。在此基础上，论文拟设计开发一种基于Android系统的金属异物快速排查系统，利用蓝牙无线通信技术与样机进行对接，从而实现实时数据显示和检测结果分析记录。

1 系统总体设计

课题组基于国内外最新的研究成果，创新性地提出了磁通门传感器“阵列差分检测方式”，并以INA128P仪表放大器为核心芯片进行差分信号放大电路的搭建来完成共模信号的抑制，提高传感器的抗干扰能力，实现了微弱磁场信号的放大与处理，初步完成了样机的研制。后期，拟采用STM微控芯片来完成数据采集和无线蓝牙通信，并开发Android手机APP，实现完美对接。设计成型的磁通门传感器长、宽、高分别为108、35 和35 mm（见图1），系统的整体设计框图如图2所示。

图1 磁通门传感器实物图

图2 系统整体设计框图

2 蓝牙无线数据采集与通信电路设计

差分放大电路信号输出最终通过STM 32微控芯片控制实现八通道数据A/D采集和蓝牙模块无线数据传输。蓝牙无线数据采集与通信电路主控芯片为STM 32系列微控芯片，体积小，效率高；主频为48 MHz，能够同时对八通道 -12 V-12 V电压进行采集和蓝牙无线数据发送，电路采用3.3 V 0～5 V供电电压供电，功耗低[7-10]。设计完成后的蓝牙无线数据采集与通信电路如图3所示。

图3 蓝牙无线数据采集与通信电路实物图

蓝牙无线数据采集与通信电路中无线蓝牙模块采用汇承公司出品的HC-02模块设计完成，HC-02蓝牙串口通信模块是基于Bluetooth V2.0蓝牙协议的数传模块。无线工作频段为2.4 GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4 dBm，接收灵敏度-86 dBm。模块采用邮票孔封装方式，可贴片焊接，模块大小26.9 mm×13 mm×2.2 mm，方便客户嵌入应用系统之内[11-17]。

其中蓝牙无线通信数据协议说明，见图4，无线蓝牙模块在完成与手机或平板电脑蓝牙连接并成功配对以后自动进行无线数据的连续不断传输，数据传输以19字节字符串为基本组成，其中第1、第2字节为数据标志位，数据标志位后续为八通道数据，每通道数据包括低位和高位两个字节，共占用16字节，最后第19字节为字符串校验和Sum。

图4 蓝牙无线通信数据协议说明

3 Android系统手机APP程序设计

APP程序的图形用户界面可根据设计程序的功能需要进行布局设计，是由多个View和ViewGroup构建出来的[18]。View是通用的UI窗体小组件，比如按钮或者文本框，而ViewGroup是不可见的，是用于定义子View布局方式的容器，比如网格部件和垂直列表部件。Android Studio提供了一个对应于View和ViewGroup子类的一系列XMl标签，这些即是程序布局设计文件，系统的组织功能图，见图5。

图5 系统组织功能图

3.1 欢迎界面

程序设计了欢迎界面（activity_launcher.xml），并将欢迎界面停留时间设置为5 s，同时在这5 s的时间里后台程序正常运行，使得欢迎界面结束并进入工作界面时，后台程序已经运行加载完毕，大大提高了程序的运行流程性和系统内存的运行效率。欢迎界面中定义了显示程序简称的文本显示控件TextView（图6中1所示，id/center_label；每个控件都有其唯一对应的id，下同）、显示程序开发机构名称的文本显示控件TextView（图6中2所示，id/company）和显示图标的图像显示控件ImageView（图6中3所示，id/label），界面设计及详细说明如图6所示。

图6 欢迎界面及详细说明

3.2 工作界面

程序加载完欢迎界面以后进入程序工作界面，工作界面作为程序的主界面，主要包括：程序工作状态显示控件TextView（图7中1所示，id/headTitle），对当前程序工作状态进行详细说明；自带蓝牙控制显示控件TextView（图7中2所示，id/bluetooth）；通道选择与当前通道指示显示控件TextView（图7中3所示，id/channel）；每屏描记点数显示控件TextView（图7中4所示，id/num）；纵坐标轴参数设置显示控件TextView（图7中5所示，id/max_value）；波形显示画布控件LineChart（图7中6所示，id/chart）。界面设计及详细说明如图7所示。

图7 工作界面及详细说明

3.3 通道选择界面

由于无线检测探头中STM微控芯片能够实现八通道数据同时采集和无线数据发送，为此设计了通道选择界面，由操作人员选择待显示的某一通道数据。程序默认设置是对通道一数据进行读取和转换，同时也可设置为对其他通道数据进行读取和转换。通道选择设置界面，见图8。

图8 通道选择界面

3.4 每屏描记点数设置对话框界面

实际应用情况下，无线检测探头的扫查频率和扫查速度由操作人员把握，扫查频率和扫查速度越快，波形显示中相应的目标信号的频率也就越高，这一现象对于金属异物定位和排查的准确性造成一定的影响[19-20]。为了解决这一问题，设计了每屏描记点数设置对话框界面，视不同情况对每屏描记点数进行设置，以调节波形显示效果。每屏描记点数设置对话框界面主要包括：每屏描记点数显示控件TextView（图9中1所示，id/text）；每屏描记点数设置输入编辑框控件EditText（图9中2所示，id/dialog_father_edit），输入编辑框默认情况下每屏描记点数为10，在实际应用中可根据需要自由输入任何数值；输入取消显示控件TextView（图9中3所示，id/dialog_cancel）和输入确定显示控件TextView（图9中4所示，id/dialog_commit）；每屏描记点数设置对话框界面，见图9。

图9 每屏描记点数设置对话框界面及详细说明

3.5 纵坐标轴参数设置对话框界面

在默认情况下，纵坐标轴在波形显示方式中为自适应调整，自适应调整坐标轴能够清楚准确观察当前描记点与前后描记点的微小差异，但同时自适应调整坐标轴在波形整体比较中效果较差。为此设计了两种波形显示方式，其一是在默认情况下，波形显示方式为自适应显示；其二是根据实际情况，特定观察某一范围内的波形，这就要求对纵坐标轴的最大最小值等参数进行限定，以便对波形更好的作出评价。纵坐标轴参数设置对话框界面主要包括：纵坐标轴参数设置对话框显示控件TextView （图10中1所示，id/text）；纵坐标轴最大值设置输入编辑框控件EditText（图10中2所示，id/max_value）；纵坐标轴最小值设置输入编辑框控件EditText（图10中3所示，id/min_value）；输入取消显示控件TextView（图10中4所示，id/dialog_cancel）和输入确定显示控件TextView（图10中5所示，id/dialog_commit）；纵坐标轴参数设置对话框界面设计效果图，见图10。

图10 纵坐标轴参数设置对话框界面及详细说明

3.6 蓝牙设备列表界面

蓝牙设备列表界面实现了对已配对过的蓝牙设备以及周围环境中其他蓝牙设备进行管理和显示。之前已成功配对过的蓝牙设备会优先放置在列表的顶端，方便操作人员进行蓝牙设备的连接。

蓝牙设备列表界面主要包括：已配对蓝牙设备显示控件TextView（图11中1所示，id/title_paired_devices）；已配对蓝牙设备列表控件ListView（图11中2所示，id/paired_devices）；扫描周围蓝牙设备按钮控件Button（图11中3所示，id/button_scan）；周围未配对蓝牙设备显示控件TextView（未显示，id/title_new_devices）；周围未配对蓝牙设备列表控件ListView（未显示，id/new_devices）；蓝牙设备列表界面设计效果图，见图11。

图11 蓝牙设备列表界面及详细说明

3.7 程序退出界面

程序通过调用Android自身的返回软按键来实现程序的退出，且在设计上具有完整的退出设置，确保在检测过程中不会出现闪退等非正常现象。同时，程序人性化的退出界面使操作人员使用起来更加舒畅。程序退出界面设计效果如图12所示。

图12 程序退出界面效果图

3.8 APP程序操作流程

为了更加形象地体现APP程序在伤病员体内金属异物快速排查定位中所发挥的重要作用，为APP程序赋予了“MetalGPS”的简称，程序名称简洁同时又不失其深层含义，已安装到手机的APP程序如图13所示。

图13 Android系统手机APP程序安装示意图

APP程序操作流程如图14所示，APP程序安装成功后，点击屏幕上程序图标“MetalGPS”，随后程序进入欢迎界面。在欢迎界面停留5 s后进入程序工作界面，在工作界面中可以对通道选择、每屏描记点数设置、纵坐标轴参数设置中的全部或者任何一个进行自定义设置，同时也可以在默认情况下跳过这一操作环节。在完成设置以后，选择打开自带蓝牙并进行蓝牙设备的搜索、配对和连接，连接成功以后，程序会自动根据所设置参数进行波形的绘制，观察波形的变化即可准确、快速地发现目标波形，以便及时展开救治。在波形显示完成以后，点击“停止”按钮，并点击Android手机或平板电脑的返回键退出程序。

4 整体调试与测试

4.1 整体调试

在完成无线蓝牙模块电路设计和Android系统手机APP开发以后，将磁通门传感器差分检测阵列单元移植到无线蓝牙模块，并与Android系统手机APP对接。磁通门传感器差分检测阵列单元移植前后，前端电路保持不变，只是后端数据传输和波形显示方式进行了更高层次的提升。先前基于数据采集卡NI USB-6008完成数据采集，并以有线的方式进行数据传输，最终在PC端LabVIEW程序上完成波形的显示存储与金属异物的排查定位；在完成移植以后，通过STM芯片完成数据的采集并通过蓝牙进行数据的传输，解决了先前有线传输的问题，同时数据被Android系统手机APP接收并实现波形的显示与金属异物的定位。

图14 APP程序操作流程

4.2 验证测试

选用临床术缝合针作为被检测金属物体，手术缝合针的直径为2.5 cm，可参考图15。

图15 实验测试中所使用物体尺寸说明

随后将手术缝合针放置在桌面上，将双磁通门组成的阵列分别在5、10、15 cm的高度下水平从手术缝合针上扫过，磁通门传感器阵列在5、10、15 cm的高度下扫查及重建结果详见图16。

重建结果显示，在检测高度为5 cm时，波形重建结果定量的显示其峰值为3.05 V；在检测高度为10 cm时，波形重建结果定量的显示其峰值为0.58 V；在检测高度为15 cm时，波形重建结果定量的显示其峰值为0.16 V。经过实验测试和理论分析表明，当磁通门传感器检测阵列在一定高度检测到铁磁性金属时，其特异性（目标）波形可形象的比喻为“峰—谷波”或“谷—峰波”。

Android系统手机APP检测结果见图17，其波形为“峰谷波”或“谷峰波”，与磁通门传感器检测阵列的重建波形一致，说明了该APP能够实现数据的无线接收和实时波形显示。

图16 磁通门传感器检测阵列不同检测高度示意图及其重建波形

图17 APP检测结果

5 讨论

本研究设计并验证了一种基于Android系统的金属异物快速排查定位的新系统，基于STM32微控芯片设计的无线通信电路，能够实现信号采集和无线数据的打包与发送，且开发出基于Android系统的手机APP，经过实验验证，能够实现数据的无线接收和实时波形显示。该排查系统整体采用蓝牙无线数据连接，操作简单，同时实用性得到了大幅度地提升，切实解决了临床外科手术中金属异物排查定位的难题。