2024年4月25日发(作者：沈云韶)
2017年第12期
(总第 180 期）
信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
2017
(Sum. No 180)
基于android手机的血氧饱和度检测
许方成，赵曙光，杨峰，黄佳佳
(东华大学信息科学与技术学院，上海201620)
摘要：血氧饱和度是人体健康状况的标准指标，连续记录血氧饱和度可以预测人体的心肺状态，在预防疾病方面有着重
大意义。当前，医用、家用血氧饱和度检测设备体积和重量都较大，不便于携带，而移动设备的广泛使用正在彻底改变健
康监测领域。因此,文章开发了一种基于Android操作系统的手机血氧饱和度监测软件，能够帮助人们随时随地的了解
自身的血液含氧量。
关键词:血氧饱和度;健康监测；智能手机应用
中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号：1673-1131(2017)12-0067-02
〇引言
人体需要一定程度的氧气来维持机体的正常运转，当人
体含氧量不足时会导致低血氧症等一系列症状。通过对血
氧饱和度的监测，可以很大程度上反映出其心肺功能状态，
对于预防疾病有着重大意义。由于移动设备的普及，越来越
多的基于智能手机平台的生理参数监测软件应运而生[1_2]。
本文设计了基于android手机的血氧饱和度和脉搏波数据检
测方案。这种检测方案可以实现人体脉搏数据的实时采集、
处理，实现数据的无线传送及显示;具有体积小、携带方便的
特点。
1血氧饱和度测量原理
血氧饱和度（SP〇2)是人体血液中氧合血红蛋白含量
(Hb02)占全部可结合氧气血红蛋白总量的百分比。血氧饱和
度定义式为：
SP
〇2
光的吸收加强。反射光强最小值即为直流分量，反射光强最
大值与最小值之差即为交流分量。因此，光强在组织中的变
化率为：
(3)
当两束光探测人体组织时，仅考虑还原血红蛋白和氧合
血红蛋白的影响可得：
CHb =
(4)
獅2
式中U、Cab分别为动脉血液中Hb的吸光系数与浓度
*：«响、分别为动脉血液中Hb〇2的吸光系数与浓度;
分别为两束光波长。整理可得：
SP
〇2 =
Wxl^km~kHb〇2^+Wx2(-kHb〇2~kin)
整理式(5)得：
(
6
)
CHb〇2
⑴
光波长在近红外光附近时有也=
血液饱和度测量方法分为有创检测与无创检测两种。
有创检测是抽取人体血液，利用血气分析法[3]计算血氧饱和
度，这种方法不仅费时，而且不能连续实时的提供血氧饱和
度数据，本文采取的是无创检测方法。无创检测测定原理包
括分光光度测定和血液容积描述两部分[4]，分光光度测定是
根据Hb与Hb02对红光和红外光吸收特性不同；111)02对
660nm红光吸收量较少，而对940nm红外光吸收量较多；
Hb则相反，用分光光度测定红外光吸收量与红光吸收量之
比值，就能确定血红蛋白的氧合程度;无创血氧饱和度检测
分为透射式和反射式两种检测方式。透射式血氧传感探头
的光源与检测器放置在被检测部位的两侧，主要接收和利用
穿透人体组织后的透射光。反射式血氧传感探头的光源与
检测器均置于被检测部位的同一侧，主要接收和利用经人体
组织后的反射光。根据手机的结构，本文采用反射式传感检
测方法。
血氧饱和度测量是以Lambert—Beer定律为依据的[5_7]。
根据Lambert—Beer定律，当一束光强为的光垂直照射一份子
浓度为C的样品时，投射光的光强I和存在[8]如下关系：
式中嗌、嗌抑么〇2均为常数，改写为：
SP
〇2
= —
(7)
式中khfc可经过实验定标得到。
2系统的设计与实现
2.1系统设计
基于Android手机的血氧饱和度检测系统,主要分为图像
信息的采集、数据信息的处理、血氧饱和度计算三个模块。采
集的数据是摄像头在闪光灯照亮毛细血管所形成的视频，在
闪光灯的照射下，我们能明显看到所呈现的图像的明暗变换，
这就是人体组织对光的吸收所导致的。所获取的图像其模型
是YUV420SP格式，而我们所需要的是RGB格式的图像，因
此需要进行转换。方法如下:对所采集的图像,逐行逐点按公
式对其值进行转换、保存，计算所选区域范围内各个分量的平
均数值作为PPG信号的数据。编程时需要给应用赋予使用手
机摄像头的权限，具体实现需要在AndroidManifest. Xml中设
定，该文件是每个android程序中必须的文件，它位于整个项
目的根目录，配置程序运行所必要的组件，权限，以及一些相
关信息。
由前面分析得到,要想计算血氧饱和度，须知直流分量与
交流分量,因此将时域的PPG信号进行傅里叶变换，转换到频
域，求出其直流分量，幅度最大的频率所对应的频率值、极大
-Tln^ = kc = >1 ⑵
式中表示吸光度，为吸光系数,L为光的路径。
入射光线通过人手指反射后的信号会成周期性变化，周
期性变化是由心脏搏动引起的，心脏舒张，血管中血液含量
减少，对光的吸收减少，心脏收缩，血管中血液含量增多，对
67
信息通信
值、极小值。得到RGB格式的图像数据后，使用RGB模型中
R分量与B分量模拟红光、红外光照射后的光强变换,通过公
式(7)即可求出血氧饱和度值。本文使用FFT对PPG信号进
行处理，FFTM是离散傅里叶变换的快速计算方法，其算法的思
想是基于DFT (离散傅里叶变换）旋转因子具有共辄对称性、
周期性、可约性的原理，将长序列的DFT分解为短序列的DFT
运算，从而减少运算量提髙运算速度。系统所产生的数据选
择性存储在自带的SQLite数据库中。测量部位选择指尖，这
个部位组织薄,光线容易透过，同时，组织对光的吸收量较少，
使得接收光强较大，减少接收信号噪声_。
2.2系统实现
根据上述设计得到系统总体设计如图1所示，系统设计
了登陆界面、注册界面;用户注册的资料存储在SOLite数据
库中，用户登陆后可査看到以往的测量数据。测量界面如图
2所示，图片上方surfaceview将显示摄像头所采集的数据，
下方为计时工具，测量周期为30s。测量结束后测量结果会
显示在界面上，除测量结果外还会显示还有血氧饱和度正常
值范围。
图1系统总体设计图
图2测量界面图
3实验结果及分析
本文通过手机测量血氧饱和度与专业血氧饱和度测试仪
器进行对比，随机抽选10位人员进行10次血氧饱和度测试，
每次测试30秒，记录软件所测血氧饱和度值及专业仪器所测
值，取其平均值进行对比。对比结果如图3所示，由图中数据
可以看出，android手机血氧饱和度检测平均准确率为97.74%，
符合预期。
68
许方成等:基于android手机的血氧饱和度检测
105 血氧饱和度测量对比
1 2 3 4 獅编7 8 9 10
囹3测置结果对比
4结语
本文设计了一款基于Android操作系统的血氧饱和度监
测应用软件，能够实现血氧饱和度的无创便捷检测，并且其检
测结果具有较好的准确度。随着科技的发展，智能手机硬件
设施的提高，在健康监测领域中，移动设备将愈发显得重要，
将对疾病的预防做出巨大贡献。
参考文献：
[1] Zhu B,Li H, Patterson H. Avoiding the disk bottleneck in
the data do-main deduplication file system[C]Proceedings of
the 6th USENIX Conference on File And Storage Technolog
ies, 2008: 269-282,
M魏晓玲.MD5加密算法的研究及应用[J].信息技术,
2010,35(7): 145 -151.
[3] PW McCormiek. Goetting. G Balakrishnan.
Regional cerebrovascular oxygen saturation measured by
optical specfroscopy in humans. Stoke. 1991.22. 596-600.
[4] 王强.王跃华，血氧饱和度的红外光谱光电法测量,国外生
物医学工程分册.1998,21
[5] 朱拓，陈国庆，朱益清，等.长方体内多量散射介质光子密
度波扩散方程研究U].光电子激光，2004，15(9):1132-1136.
[6] 刘光达,金晟来，李飞，等.基于光电脉搏色素浓度谱分析的
肝储备功能检测方法[J].光电子激光，2012J3 (6):
1216-1220.
[7] 张志勇，门剑龙，李刚，等.动态光谱法用于人体血红蛋白浓
度的无创测量[J].光谱学与光谱分析，2010,30(1):150-153,
[8] GAO Shu-mei, SONG Yi-lin. A simultaneous monitoring
system for non-invasive blood pressure and blood oxygen
saturation [A]. Bioinformatics and Biomedical En-
gmeering (iCBBE),2010 4fhlhtcaiiatioiial Conference cm[C].
IEEE^010,l-4.
[9] MA Hebert, MJ Paquin, S ting success: sta-
keholdeireamess for home telecare diabetic support[J]. Jour
nal of Telemedicine and Telec:are,2002:8 (suppl.3):33-36.
[10] 王荣芳.反射式血氧饱和度检测系统的研制[D].北京工业
大学硕士学位论文*2002.
作者简介:许方成(1995-)，男，硕士，主要研究方向:Android、
嵌入式系统与集成技术;赵曙光(1965-)，男，博士，教授，主要
研究方向：智能信息处理、智能仪器与系统、电子系统设计自
动化;杨峰(1991-)，男，硕士，主要研究方向:Android、智能控
制;黄佳佳(1993-)，男，硕士，主要研究方向:深度学习、图像
处理。
2024年4月25日发(作者：沈云韶)
2017年第12期
(总第 180 期）
信息通信
INFORMATION & COMMUNICATIONS
2017
(Sum. No 180)
基于android手机的血氧饱和度检测
许方成，赵曙光，杨峰，黄佳佳
(东华大学信息科学与技术学院，上海201620)
摘要：血氧饱和度是人体健康状况的标准指标，连续记录血氧饱和度可以预测人体的心肺状态，在预防疾病方面有着重
大意义。当前，医用、家用血氧饱和度检测设备体积和重量都较大，不便于携带，而移动设备的广泛使用正在彻底改变健
康监测领域。因此,文章开发了一种基于Android操作系统的手机血氧饱和度监测软件，能够帮助人们随时随地的了解
自身的血液含氧量。
关键词:血氧饱和度;健康监测；智能手机应用
中图分类号:TN929.5 文献标识码:A 文章编号：1673-1131(2017)12-0067-02
〇引言
人体需要一定程度的氧气来维持机体的正常运转，当人
体含氧量不足时会导致低血氧症等一系列症状。通过对血
氧饱和度的监测，可以很大程度上反映出其心肺功能状态，
对于预防疾病有着重大意义。由于移动设备的普及，越来越
多的基于智能手机平台的生理参数监测软件应运而生[1_2]。
本文设计了基于android手机的血氧饱和度和脉搏波数据检
测方案。这种检测方案可以实现人体脉搏数据的实时采集、
处理，实现数据的无线传送及显示;具有体积小、携带方便的
特点。
1血氧饱和度测量原理
血氧饱和度（SP〇2)是人体血液中氧合血红蛋白含量
(Hb02)占全部可结合氧气血红蛋白总量的百分比。血氧饱和
度定义式为：
SP
〇2
光的吸收加强。反射光强最小值即为直流分量，反射光强最
大值与最小值之差即为交流分量。因此，光强在组织中的变
化率为：
(3)
当两束光探测人体组织时，仅考虑还原血红蛋白和氧合
血红蛋白的影响可得：
CHb =
(4)
獅2
式中U、Cab分别为动脉血液中Hb的吸光系数与浓度
*：«响、分别为动脉血液中Hb〇2的吸光系数与浓度;
分别为两束光波长。整理可得：
SP
〇2 =
Wxl^km~kHb〇2^+Wx2(-kHb〇2~kin)
整理式(5)得：
(
6
)
CHb〇2
⑴
光波长在近红外光附近时有也=
血液饱和度测量方法分为有创检测与无创检测两种。
有创检测是抽取人体血液，利用血气分析法[3]计算血氧饱和
度，这种方法不仅费时，而且不能连续实时的提供血氧饱和
度数据，本文采取的是无创检测方法。无创检测测定原理包
括分光光度测定和血液容积描述两部分[4]，分光光度测定是
根据Hb与Hb02对红光和红外光吸收特性不同；111)02对
660nm红光吸收量较少，而对940nm红外光吸收量较多；
Hb则相反，用分光光度测定红外光吸收量与红光吸收量之
比值，就能确定血红蛋白的氧合程度;无创血氧饱和度检测
分为透射式和反射式两种检测方式。透射式血氧传感探头
的光源与检测器放置在被检测部位的两侧，主要接收和利用
穿透人体组织后的透射光。反射式血氧传感探头的光源与
检测器均置于被检测部位的同一侧，主要接收和利用经人体
组织后的反射光。根据手机的结构，本文采用反射式传感检
测方法。
血氧饱和度测量是以Lambert—Beer定律为依据的[5_7]。
根据Lambert—Beer定律，当一束光强为的光垂直照射一份子
浓度为C的样品时，投射光的光强I和存在[8]如下关系：
式中嗌、嗌抑么〇2均为常数，改写为：
SP
〇2
= —
(7)
式中khfc可经过实验定标得到。
2系统的设计与实现
2.1系统设计
基于Android手机的血氧饱和度检测系统,主要分为图像
信息的采集、数据信息的处理、血氧饱和度计算三个模块。采
集的数据是摄像头在闪光灯照亮毛细血管所形成的视频，在
闪光灯的照射下，我们能明显看到所呈现的图像的明暗变换，
这就是人体组织对光的吸收所导致的。所获取的图像其模型
是YUV420SP格式，而我们所需要的是RGB格式的图像，因
此需要进行转换。方法如下:对所采集的图像,逐行逐点按公
式对其值进行转换、保存，计算所选区域范围内各个分量的平
均数值作为PPG信号的数据。编程时需要给应用赋予使用手
机摄像头的权限，具体实现需要在AndroidManifest. Xml中设
定，该文件是每个android程序中必须的文件，它位于整个项
目的根目录，配置程序运行所必要的组件，权限，以及一些相
关信息。
由前面分析得到,要想计算血氧饱和度，须知直流分量与
交流分量,因此将时域的PPG信号进行傅里叶变换，转换到频
域，求出其直流分量，幅度最大的频率所对应的频率值、极大
-Tln^ = kc = >1 ⑵
式中表示吸光度，为吸光系数,L为光的路径。
入射光线通过人手指反射后的信号会成周期性变化，周
期性变化是由心脏搏动引起的，心脏舒张，血管中血液含量
减少，对光的吸收减少，心脏收缩，血管中血液含量增多，对
67
信息通信
值、极小值。得到RGB格式的图像数据后，使用RGB模型中
R分量与B分量模拟红光、红外光照射后的光强变换,通过公
式(7)即可求出血氧饱和度值。本文使用FFT对PPG信号进
行处理，FFTM是离散傅里叶变换的快速计算方法，其算法的思
想是基于DFT (离散傅里叶变换）旋转因子具有共辄对称性、
周期性、可约性的原理，将长序列的DFT分解为短序列的DFT
运算，从而减少运算量提髙运算速度。系统所产生的数据选
择性存储在自带的SQLite数据库中。测量部位选择指尖，这
个部位组织薄,光线容易透过，同时，组织对光的吸收量较少，
使得接收光强较大，减少接收信号噪声_。
2.2系统实现
根据上述设计得到系统总体设计如图1所示，系统设计
了登陆界面、注册界面;用户注册的资料存储在SOLite数据
库中，用户登陆后可査看到以往的测量数据。测量界面如图
2所示，图片上方surfaceview将显示摄像头所采集的数据，
下方为计时工具，测量周期为30s。测量结束后测量结果会
显示在界面上，除测量结果外还会显示还有血氧饱和度正常
值范围。
图1系统总体设计图
图2测量界面图
3实验结果及分析
本文通过手机测量血氧饱和度与专业血氧饱和度测试仪
器进行对比，随机抽选10位人员进行10次血氧饱和度测试，
每次测试30秒，记录软件所测血氧饱和度值及专业仪器所测
值，取其平均值进行对比。对比结果如图3所示，由图中数据
可以看出，android手机血氧饱和度检测平均准确率为97.74%，
符合预期。
68
许方成等:基于android手机的血氧饱和度检测
105 血氧饱和度测量对比
1 2 3 4 獅编7 8 9 10
囹3测置结果对比
4结语
本文设计了一款基于Android操作系统的血氧饱和度监
测应用软件，能够实现血氧饱和度的无创便捷检测，并且其检
测结果具有较好的准确度。随着科技的发展，智能手机硬件
设施的提高，在健康监测领域中，移动设备将愈发显得重要，
将对疾病的预防做出巨大贡献。
参考文献：
[1] Zhu B,Li H, Patterson H. Avoiding the disk bottleneck in
the data do-main deduplication file system[C]Proceedings of
the 6th USENIX Conference on File And Storage Technolog
ies, 2008: 269-282,
M魏晓玲.MD5加密算法的研究及应用[J].信息技术,
2010,35(7): 145 -151.
[3] PW McCormiek. Goetting. G Balakrishnan.
Regional cerebrovascular oxygen saturation measured by
optical specfroscopy in humans. Stoke. 1991.22. 596-600.
[4] 王强.王跃华，血氧饱和度的红外光谱光电法测量,国外生
物医学工程分册.1998,21
[5] 朱拓，陈国庆，朱益清，等.长方体内多量散射介质光子密
度波扩散方程研究U].光电子激光，2004，15(9):1132-1136.
[6] 刘光达,金晟来，李飞，等.基于光电脉搏色素浓度谱分析的
肝储备功能检测方法[J].光电子激光，2012J3 (6):
1216-1220.
[7] 张志勇，门剑龙，李刚，等.动态光谱法用于人体血红蛋白浓
度的无创测量[J].光谱学与光谱分析，2010,30(1):150-153,
[8] GAO Shu-mei, SONG Yi-lin. A simultaneous monitoring
system for non-invasive blood pressure and blood oxygen
saturation [A]. Bioinformatics and Biomedical En-
gmeering (iCBBE),2010 4fhlhtcaiiatioiial Conference cm[C].
IEEE^010,l-4.
[9] MA Hebert, MJ Paquin, S ting success: sta-
keholdeireamess for home telecare diabetic support[J]. Jour
nal of Telemedicine and Telec:are,2002:8 (suppl.3):33-36.
[10] 王荣芳.反射式血氧饱和度检测系统的研制[D].北京工业
大学硕士学位论文*2002.
作者简介:许方成(1995-)，男，硕士，主要研究方向:Android、
嵌入式系统与集成技术;赵曙光(1965-)，男，博士，教授，主要
研究方向：智能信息处理、智能仪器与系统、电子系统设计自
动化;杨峰(1991-)，男，硕士，主要研究方向:Android、智能控
制;黄佳佳(1993-)，男，硕士，主要研究方向:深度学习、图像
处理。