远程心电诊断

远程心电诊断（共7篇）

远程心电诊断 篇1

远程心电监护在心脏疾病的早期预警、及时干预和精确诊断等方面,能有效地提高心脏病的救治水平,降低发生率和死亡率[1]。作者所在单位于近年开始研制一种基于移动通信技术和GPS定位技术的远程心电监护系统。它能长期实时地采集、传输和分析受试者的心电数据,并准确地跟踪其地理位置[2]、[3]。系统由受试者携带的远程终端、安放在医疗机构的监护中心和通信网络构成。在监护中心中,每台服务器可以同时对一百个患者的进行连续的实时心电监护。系统远程终端的心电信号采样率为125 Hz,采样精度为13位,同步采集标准Ⅰ和Ⅲ导联。这意味着监护服务器必须采用高效、准确的心电信号自动分析和诊断方法来处理数量巨大的心电数据。

长期以来,国内外的同行在心电信号实时分析领域里进行了广泛而深入地研究,并提出了一系列的算法,其中具有代表性的有Pan和Hamilton的微分与积分双阈值法[4,5]和朱凌云等提出的二阶微分法[6]。前者基于早期的Holter系统,并非真正地实时在线分析心电信号,并且由于采用信号能量特征作为判断依据,使得峰值时搜索窗长度较宽,检测延迟较大,不适用于采用数据分包传输方式的实时心电监护系统。后者与本文的应用背景相似,但主要针对Ⅵ导联且其判断依据过多,检测策略比较复杂,故而效率不高。

本文对以上两种方法进行改进,并统筹考虑远程心电监护系统在实时性和准确性两方面的要求,提出了一种简单、可靠且高效率的针对标准Ⅰ导联心电的R波检测算法,并进一步探讨如何依据检测结果对受试者心率进行初步诊断。

1 R波检测

本文的R波检测算法主要利用R波斜率陡峭的特点,以信号的二阶差分值为唯一的判别依据,并辅以其他检测策略来提高检测的准确度。同时,考虑到差分算法抗干扰能力较差[7],算法在峰值检测前后进行数字滤波和伪迹消除。

1.1 多数据缓冲

作者所在单位研制的远程心电监护系统采用分包的数据传输方式,即远程终端连续地采集患者心电信号,等间歇地将前一段时间采集到的数据打包发送到监护中心。这使得监护中心实际接收到的是片段状的心电信号。针对这一问题,本文用多数据缓冲的方法来整合分散在数据包中的心电数据。数据缓冲包括原始数据缓冲、二阶差分值缓冲以及R波缓冲三个部分。如图1所示,数据缓冲以“先进先出”的方式运作。原始数据和二阶差分值缓冲中最多保留4个包长的数据,而R波缓冲中则保留8个左右的已检测到的R波的位置和对应的二阶差分极小值。在本系统中,远程终端发送的单个数据包含0.8秒心电数据,因而数据缓存时间长度为3.2秒。实际测试表明,这一长度的心电数据能够满足心电实时显示和分析的需求。

1.2 预处理

这一阶段包括数字滤波和二阶差分两部分,前者旨在降低心电信号中诸如工频干扰,肌电噪声等的影响;后者则为峰值检测提供判别依据。

由于差分算法不易受低频的基线漂移影响,数字滤波只由一个低通滤波器构成。该滤波器采用FIR滤波器最优化法设计,具体参数如下:

通带边缘频率10 Hz;阻带边缘频率25 Hz;

通带波纹1 dB;阻带衰减20 dB;

采样频率125 Hz;阶数7。

心电信号经过滤波器后,再依据公式(1)计算心电数据的二阶差分值。此外,如果受试者的心电出现R波倒置现象,算法还应该进一步求二阶差分的绝对值的负数,如公式(2)所示。两次运算的最终结果就是峰值检测时判决依据。如图2所示,心电信号每个R波都对应于其二阶差分信号上的一个极小值。

1.3 阈值

峰值检测使用的阈值会依据患者的心电信号而自动调整:

1)算法根据最初始的4个数据包进行自学习。首先计算每个包的二阶差分极小值点的幅度,然后将4个极小值的中位数的0.7倍作为初始值。

2)每检测到一个R波,算法就会刷新R波信息缓冲,进而按照缓存中所有R波波峰对应的二阶差分极小值更新检测阈值。具体地说,先从R波信息缓存中的全部极小值中取出其中位数作为下一个R波的估计值,然后将估计值的0.7倍设为新的检测阈值。

3)当算法进入回扫进程时,检测阈值临时降低到当前值0.4倍。如果重检得R波则按照2)再次调整阈值;如果重检失败,则维持低阈值不变。

在这一阶段,算法之所以采用缓冲中极小值数组的中位数,而不是均值或者迭代方程[4,6]作为阈值调整的依据,是为了避免阈值更新受到突发性噪声或者干扰的影响而大起大落,从而保证算法在长期监护过程中的稳定性。

1.4 检测策略

在峰值检测阶段,算法搜索新数据包的判决信号,以寻找其中的极小值。如果一个极小值满足以下条件,就可以视为对应于一个R波:1)幅度小于检测阈值;2)与前一个R波对应的极小值的时间上相差超过200 ms;3)经验证不是由人工伪迹引起。由于判据信号的极小值位置和原始数据中R波峰值点之间有固定的延迟,在检测到符合要求的极小值后,通过简单位置修正,就可在原始信号上精确地定位R波的波峰。

在正常情况下,峰值检测只在当前数据包的判据信号中进行。但如果在超过1.66倍的平均RR间期时长内算法没有检测到新的R波,程序将降低阈值并对这一段数据进行回扫。这时可能用到缓冲中之前数据包的二阶差分值。出于运算效率和稳定性的考虑,回扫只进行一次。

1.5 消除伪迹影响

由受试者运动而产生的伪迹,在远程监护心电信号中十分常见,剧烈的运动伪迹更会造成自动分析算法出现假阳性的检测错误。文献[7]中采用基于人工神经网络的非线性自适应滤波器来消除伪迹影响。这种方法虽然获得很好的效果,但计算复杂,不适用于实时心电处理。本文借鉴文献[8]中去除孤立极值点的方法,提出基于二阶差分信号的甄别伪迹的方法。

图3给出了一段受伪迹影响的心电信号和经过预处理后得到的二阶差分信号。通过比较R波和伪迹对应的二阶差分信号,我们可以发现两者都产生了一个极小值,但R波对应的极小值左右两侧各有一个幅度较大的正极大值,且幅度相近;而伪迹只有一侧有幅度较大的正极大值,另一侧没有或者幅度很小。这是因为伪迹在一定时间间隔内通常只有一个上升沿或下降沿[8],因而在峰值检测阶段只要检查一个二阶差分极小值前后是否都有足够大的正极大值,就可以断定这个极小值是否由人工伪迹引起。

2 初步诊断

受试者的心率、RR间期和平均间期等参数都可以从R波峰值检测结果推算出。依据这些参数,监护中心软件可以对受试者的心律进行初步诊断。如果发现心律失常,系统则发出警报通知医护人员。诊断时,采用的心律失常判断标准如下:

1)早搏:最近一次的RR间期小于平均间期的85%;

2)频发早搏:最近8次心跳中发生两次以上早搏;

3)逸搏:最近一次的RR间期大于平均间期的两倍;

4)停搏:超过两秒未检出R波;

5)心动过缓:心率低于50 b/min;

6)心动过速:心率高于120 b/min。

3 结果与讨论

为了验证算法的正确性,作者用MIT-BIH数据库(预先进行了采样率转换和分包处理)对算法进行了测试。由表1给出的基于MIT-BIH数据库的具体测试结果可知,算法平均误检率仅为0.54%,而平均灵敏度、正确预测率分别为99.60%和99.86%。与经典方法相比,本方法的准确率要略高于文献[4]和[5]而略低于文献[8]报道的。但在运算速度方面,本方法则有着明显的优势,计算单条MIT心电数据记录(30分钟左右)所需时间通常在6秒以内(测试平台:CPU Pentium 4.2 G;内存512 M;编译环境VC6.0),原始数据时长和运算时间的比值可达300:1。因此,本方法在实时性上能满足监护中心每台服务器可以同时监护100名受试者的要求。

作者所在单位研制的远程心电监护系统,已经推出样机,并进行了一定的运行测试。在实际测试中,本方法在稳定监护和实时预警方面都有良好的表现。图4是监护服务器屏幕显示的一部分,它表明了某个受试者当前的心电信号和心律状况。

参考文献

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[8]李翠微,等.ECG信号的小波变换检测方法[J].中国生物医学工程学报,1995,14(1):9-64.

远程心电诊断 篇2

心脏病是危害人民生命健康的常见病, 是农村地区的第一死亡原因[1]。心电信号是人体心脏生物电活动信息的表征, 通过心电信号可以判断心脏的健康状况。传统的心电记录方法主要靠心电图机来完成, 其信号采集、处理和显示主要由硬件电路完成, 电路生产技术要求较高, 设备价格较贵, 且维护和更新不便。且对于在偏远地区的病人, 存在着数据采集、传输困难的问题。LabVIEW虚拟仪器技术的发展为改造传统的心电记录设备提供了很好的技术支持, 它利用计算机强大的软件处理功能和丰富的硬件资源, 组成插卡式虚拟仪器系统, 利用丰富的软件系统实现通常由硬件完成的功能, 并且通过网络能够自由传输, 使医疗相对落后地区的人们也能够得到优质的医疗服务。

2 设计系统构成

心电信号采集、记录系统[2,3,4,5]如图1所示, 主要由硬件和软件两大部分组成。因为电极检测到的是微弱的振动信号, 要经过外接电路放大和处理才能被识别[6]。所以硬件主要包括多路心电放大器、数据采集卡和计算机组成。其主要功能是实现心电信号的采集、放大处理和A/D转换, 将信号通过DAQ板引入计算机进行处理。软件采用LabVIEW对采集到的心电信号进行显示、分析和处理。

2.1 硬件设计

多路心电放大器组成框图2所示, 主要包括前置放大器、带通滤波器、工频陷波器、主放大器和光电耦合电路组成。为满足心电前置放大器高输入阻抗、高增益、低噪声、低漂移等技术指标, 前置放大器可选用AD公司的高性能精密仪表放大器件组成, 带通滤波器由一阶有源高通滤波器和4阶Butterworth低通滤波器组成, 实现对干扰信号的滤除和让0.05～100Hz的心电信号无失真地通过;工频干扰的滤除由采用双T有源滤波器形式的50Hz陷波器完成;主放大器用来对处理过的心电信号进行调理, 以满足数据采集卡对输入信号的电平要求;光电耦合器用来实现人体与电器上的隔离, 保证人体电气安全。

2.2 软件设计

采用美国国家仪器 (NI) 公司研发的LabVIEW软件系统。它是用于虚拟仪器开发的一种图形化编程语言[7], 与其他高级语言编程系统类似, LabVIEW 也有一个用于完成编程任务的函数库, 本设计采用其函数库里的数据采集、信号滤波、数据分析、数据显示及数据存储等模块。各模块都包括3个部分:前面板程序、框图程序和图标/连接器。前面板程序的功能是实现信号采集的控制、处理和直观表达;框图程序程序是系统程序的图形化源代码, 主要包括函数、结构和代表前面板上各控制对象, 用于实现对信号的采集处理和分析等操作;图标/连接器显示对象的端子以及连线。由于 LabVIEW 中有调用动态链接库的函数, 即调用库函数节点 VI, 利用此 VI 从硬件中进行数据的读取显得尤为方便。调用之后的数据就是采集的心电数据, 分析数据。调用的步骤分为7步, 其具体框图如图3所示。

2.2.1 前面板设计:

LabVIEW 前面板主要由输入控件和显示控件组成。控件的种类包括:数值控件、图形、图表字符串、路径、数组、簇等。利用LabVIEW设计的心电信号管理系统的前面板如图4所示。虚拟仪器的前面板是仪器与用户交互的可视化操作界面, 用户通过操作前面板的各种开关和按钮, 可以实现心电信号的实时采集、滤波、心率计算、报警、波形存储和回放等各项功能。本设计中心电信号的显示可以有波形、采样点、直方图等多种方式可选择;EKG MODE 可分为连续和静止两种模式, 显示长度在250采样点内可自由选择;心率是由系统自动计算得出显示, 心率报警的范围可自由选择, 一般正常心率为60-100之间;采样和滤波在这个系统里是可选功能, 保存模块在系统显示时才能产生作用, 并且可设定保存的路径、文件名等。

2.2.2 程序设计:

LabVIEW 有2 种节点类型:函数节点和子VI (程序模块) 节点, 用户通过对函数或子VI 节点部分的访问和修改来实现程序功能[8,9]。本文系统设计过程分为信号收集、滤波、分析、报警、保存。从卡上采集到的心电信号中的干扰成分主要为高频干扰、低频干扰和工频干扰, 对R波检测和R-R间期计算会产生很大的误差[10], 因此需对信号进行有效的滤波处理、计算、分析程序才能得出正确的结果。LabVIEW具有较强的信号处理能力, 其中有多种形式的数字滤波器可供选择并且可以自由选择滤波的范围, 本设计高通率滤波器采用截止频率为0.5HZ的切比雪夫滤波器, 低通滤波器采用截止频率为400HZ的巴特沃斯滤波器, 50HZ陷波滤波器采用椭圆滤波器。本文设计的心律计算程序代替了传统心电图机硬件电路中的微分, 整形和计数器电路, 而采用软件方法完成心电信号频率检测、分析、显示。将采集到的实时心电信号接入频率测量程序实现R波的检测, 根据采样周期, 得出心率计算公式:心率= R波的频率/实际时间×采样时间×60, 同时可把心率的范围设定, 若超出范围自动启动报警系统如图5所示。本系统还能将每个病人的心电图的详细情况包括病人的:姓名、检查时间、心电图数据等都存入数据库。通过打开保存的文件能观察心电图的异常情况来对病人的病况作出判断。

3 讨论

在农村偏远地区医疗资源会相对缺乏, 需要医疗实力强的地区能够进行不断的援助, 以计算机为载体的医疗智能软件就能够在两者间搭起桥梁。NI公司的LabVIEW为研制开发智能化医学仪器提供了很好的开发环境, 利用LabVIEW开发虚拟医学仪器具有结果显示直观、程序设计简单和开发周期短等优点[11]。现在通过LabVIEW的动态数据子VI 方便地得到了动态数据信号, 在循环采样中添加停止按钮, 使用户能更方便地中断采集, 细查数据信息。仪器不但能采集心电波形, 还能采集其他生理信号, 实现功能扩展, LabVIEW 与DAQ 数据采集卡的相互兼容配套, 使系统稳定度和可靠性得到保障。其输出波形的幅值、采样率等参数可调, 使以往复杂的心电数据采集、信号调理工作变得异常简便, 方便将时间和精力用于数据的分析及结论的总结上, 实现了虚拟仪器中信号的处理分析任务。此系统能够完成实现把病人的数据进行完整的记录, 并且发送到医疗资源相对优质的地区, 对病情能够做出更为精确的诊断, 更好的能够服务于农村地区的病人, 同时为以后的其他生理检查仪器向虚拟仪器转变提供了一个基础。

摘要：目的:开发一种心电信号的管理系统, 能够实现农村地区心电异常病人的远程诊断。方法:利用虚拟仪器编程语言LabVIEW为开发平台, 选用信号采集、滤波、频率检测、数据保存等模块研制出集心电数据采集、分析、储存的医疗系统。结果:该系统具有心电波形实时显示、心率显示及报警, 波形存储及回放等功能。结论:该系统能够实现心电诊断的远程医疗。

关键词：心电,数据采集,LabVIEW,虚拟仪器

参考文献

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城乡远程心电监测效果分析 篇3

1 资料与方法

1.1研究对象

1 997例受检者均来源于本院远程心电监测中心12家分站。其中男976例, 女1 021例, 平均年龄56岁±16岁, 年龄最大95岁, 最小6岁。6个县乡医院分站1 024例受试者中男522例, 女502例, 年龄56岁±17岁;6个社区卫生服务中心973例受试者中男454例, 女519例, 年龄57岁±15岁。

1.2方法

远程心电监测中心设在山西医科大学第二医院, 有24h值班护士和医师。在社区卫生服务中心分站和县乡医院分站的患者佩戴心电图记录器, 记录时间24h。长时间记录的心电信息通过长途电话或宽带网络上传到监测中心, 由专家诊断后将结果回传分站医生, 做进一步治疗。仪器为威灵医用电子有限公司生产的院外监护系统DXF-I心脏检测仪。

调查每个分站患者就医费用, 包括往返路费、检查费用和工作请假扣除工资费用;就医时间, 包括往返时间、就诊时间等;到监测分站的距离。按照远程心电监测中心的心电图诊断报告统计心律失常。

1.3统计学处理

采用SPSS17.0软件分析, 计量资料用均数±标准差 (±s) 表示, 采用t检验;计数资料采用χ2检验, P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

2.1两组远程心电监测心律失常检出率比较 (见表1)

而县乡组比社区组三种心律失常的检出率都高。

例 (%)

2.2两组到远程心电监测中心就诊费用的比较 (见表2)

除了检查费用, 社区比县乡就诊费用明显减低。在分站就诊检查只需要花检查费60元, 社区患者平均节约其他费用26.83元, 县乡患者节约235.50元。

元

2.3两组远程心电监测中心就诊花费时间比较 (见表3)

由于距离关系, 社区比县乡就诊时间明显减低。在分站就诊及时, 社区患者平均节约在途往返等时间7.17h, 而县乡患者节约30h。

3讨论

随着经济的发展, 我省普及远程心电监测项目已经进入了城市社区卫生服务中心和县乡医院, 在发达国家已经进入了家庭[2,3]。山西省地处我国华北黄土高原, 东有太行山, 西有吕梁山, 居民散布居住, 县乡医院开展远程心电监测的服务模式使患者受益[4,5]。本研究比较县乡医院和城市社区卫生服务中心进行远程心电监测的效果。结果显示县乡组比社区组受检者心律失常检出率高, 就医费用高, 就医时间长。说明县乡患者就医条件不如城市患者, 同时也证实了远程心电监测检查节省了就医成本, 患者能及时就诊, 在县乡的患者受益更显著。国外进行了心力衰竭患者心脏康复家庭监测心电图和晕厥患者入院前远程心电监测都获得很好的效果[6,7]。在疾病诊断的基础上可以进一步开展心脏康复的心电远程监测, 对于控制心率和心律失常的检出有很大意义。

摘要：目的 研究城乡远程心电监测的效果。方法 选择山西省6个县乡和6个城市社区卫生服务站1 997例受检者, 比较心律失常检出率、就医费用及就医时间。结果 县乡组比社区组受检者心律失常检出率高, 就医费用高, 就医时间长 (P<0.05) 。结论 县乡开展远程心电监测检查可节省更多就医成本, 效果更明显。

关键词：心律失常,远程心电监测,城乡,社区

参考文献

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远程心电监测系统的研究 篇4

1 系统概述

远程心电监测系统由心电采集电路、控制芯片、显示模块、射频模块、无线通信网络、医院监护中心的计算机组成[1,2],系统框图如图1所示。

本文设计的心电监护终端主要用来完成对病人心电信号的采集、处理、显示并将监测数据通过GPRS无线网络传输到医院监护中心的远程计算机上,实现对病人的远程监测。医生根据传输回来的数据进行诊断并及时对病人提供诊断结果。

2 系统硬件设计

为了实现体积小、处理速度快、满足嵌入式系统Linux对硬件要求的心电监测终端,该系统采用三星公司生产的S3C2440单片机作为微处理器。该单片机为32 bit RISC微处理器,具有低价格、低功耗、体积小、精简指令集、高性能、驱动能力强等优点。而且S3C2440片内资源十分丰富,片内含有A/D转换通道,从而可以省去专门的A/D芯片,因此简化了外围电路,为电路设计节省了空间,满足设计要求。

2.1 心电采集电路设计

心电信号的采集电路是该系统的重要环节之一,其功能主要包括前置放大、50 Hz陷波、高通滤波、低通滤波和后级放大,其电路结构如图2所示。因为体表ECG信号一般在0.05 m V~5 m V之间,信号非常微弱,并且易受到肌电、呼吸、电磁等干扰。所以采用高输入阻抗、高共模抑制比的差分放大电路进行前置放大,以增大输入阻抗、减少共模信号干扰。50 Hz陷波电路的作用是滤除50 Hz工频对心电信号的干扰。前置放大电路与50 Hz陷波电路如图3所示(放大器型号为TLC2254CD)。带通滤波电路主要由高通滤波器和低通滤波器组成,通频带为0.5 Hz~100 Hz,用于滤除心电频率范围以外的干扰信号。后级放大器将ECG信号进一步放大100倍左右(0 V~3.3 V之间)后,将采集信号输入到控制芯片S3C2440的A/D转换模块中。

2.2 GPRS模块的外围接口电路

控制芯片S3C2440通过控制GPRS模块实现心电数据的无线传输,通过串口对GPRS模块发送控制指令,使其完成对心电数据的无线传输。GPRS模块的功能:实现与S3C2440之间的数据交换和通过GPRS无线网络与医院监护中心的远程计算机进行数据交换。GPRS模块选择索尼爱立信公司生产的GM47。GM47具有性价比高、使用简便、模块内嵌TCP/IP协议栈、有很好的技术支持等优点。GM47串口采用2.75 V的CMOS电平,而S3C2440串口是TTL电平,因此两者互相连接时需要电平转换。GM47的外围接口电路如图4所示。

3 系统软件设计

远程心电监测系统的软件包括系统软件和应用软件两大部分。系统软件主要由系统启动代码Bootloader、Linux操作系统内核、yaffs2根文件系统和ADC、GPRS的驱动程序组成。应用软件主要由心电数据采集、数据处理、数据存储、LCD显示和GPRS数据发送5部分组成,应用软件流程图如图5所示。

系统软件的组建过程:

(1)制作Bootloader、Linux内核和文件系统。其中,Linux内核中要添加ADC和GPRS的驱动文件,并在.config文件中进行相应的配置,最后make生成Linux内核;向Nand Flash中依次烧写制作好的Bootloader、Linux内核和文件系统[3]。

(2)移植Web服务器Boa。通过修改boa.conf文件,设定默认网页名称和网页文件、cgi-bin文件的存放路径。通过修改rc S文件,使Linux启动后自动设置IP地址并启动Boa服务器。

(3)用HTML语言编写登录页面[4]并将其存放到boa.conf文件设定的/home/boa/www文件夹中。

(4)把用C语言编写的脚本文件login.c、main.c、adc.c、gprs.c和.h头文件放到Linux系统中,用交叉编译器armlinux-gcc编译成login.cgi和main.cgi文件。把login.cgi、main.cgi两个脚本文件和心电监测页面内容文件main_html一起存放到/home/boa/www/cgi-bin文件夹中。

(5)打开远程计算机,输入在rc S文件中设置的IP地址就可以进入远程心电监测系统的登录界面,输入合法的用户名和密码就可以进入远程心电监测系统的监测页面,如图6所示。在监测页面上,医生可以看见心电监测终端传送来的心电波形、心率、QRS波振幅和时限、P波振幅和时限、T波振幅和时限、P-R间期和Q-T间期等指标。

4 实验结果

为了验证系统采集处理心电信号的准确性,采用远程心电监测系统和传统的心电监测仪进行比对试验。用心电信号模拟发生器产生各种监测信号,把相同的监测信号输入到远程心电监测系统和传统的心电监测仪,统计并对比两个仪器分析的QRS波振幅和时限、P波振幅和时限、T波振幅和时限、P-R间期和Q-T间期等指标,对比结果如表1所示。从表1中可以看出,该系统能够保证心电监测数据的准确性,满足设计要求。

参考文献

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远程心电诊断 篇5

监护中心软 件开发环 境采用Lab VIEW 2010。 Lab VIEW由美国国家仪器( NI) 公司研制开发,是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言, 广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。其不仅局限在测试测量领域的应用,且具备了开发应用软件能力,集成了大量常用控件,可方便地创建用户界面,同时,提供众多不同模块的开发工具包,大幅节省了软件开发周期[3]。本文即以此为平台进行监护中心的开发。

1系统整体方案

动态心电监护系统包括动态心电采集系统( Holter) 和监护中心软件平台两个部分[4,5],如图1所示。

动态心电采集系统采用型号为TMS320C5515的DSP( Digital Signal Processor) 作为主处理器,包括的主要模块有: 心电采集模块、数据存储模块、LCD显示模块、实时数据检测模块、无线通讯模块、电源管理模块等。LCD屏同时显示3个不同导联的心电数据,通过按钮切换,可以任意选择当前显示导联。当前时间、收到的医生诊断信息、心电检测模块检测的心率均会实时显示在屏幕上。为了节省用电量,每隔2 min按钮没有响应,LCD屏即进入休眠状态。实时心电数据检测模块检测出异常数据时,无线通讯模块将异常点附近一段时间的心电数据通过GPRS网络发送给远程监护中心服务器,医护人员根据接收到的心电数据进行诊断,并反馈用户相应的指导意见。同时,若检测没有异常,无线通讯模块也会每隔15 min将一段时间的心电数据发送至监护中心服务器。SD卡( Secure Digital Memory Card) 进行24 h连续不断的心电信号存储,以供医生进行心电数据分析。

2监护中心软件实现

监护中心软件在Lab VIEW 2010开发环境中进行开发,同时建立SQL Server数据库,数据库中创建多个表,包含医院信息、Holter信息、患者信息、接收数据信息、医生信息、用户密码信息等。在程序中调用相应的函数来进行查询、插入、修改等操作。

2.1服务器程序设计

服务器程序是整个监护中心的最重要部分,其完成的功能有GPRS数据接收、心电数据发送给医生客户端、医生客户端诊断意见发送给相应的Holter。服务器与Holter、医生客户端、数据库的连接关系如图2所示。

为了保证数据传输的完整性和可靠性,服务器与Holter以及服务器和医生客 户端之间的通 讯均采用TCP / IP协议。同时为使通讯过程相对简洁,在服务器端使用3个TCP通讯端口。服务器与Holter通讯接口负责接收Holter的GPRS数据,并将医生诊断信息发送给Holter。服务器与医生客户端的命令传输端口收发医生客户端登陆、患者登记以及其他命令状态信息。 服务器与医生客户端数据传输端口进行GPRS和24 h动态心电数据的传输。

2. 1. 1 GPRS数据接收

GPRS数据接收模块负责接收Holter发送来的数据,并将数据保存至文件,填写数据库中相应的表,并告知客户端有新数据需要处理。为了提高数据处理的速度,数据接收采用Lab VIEW的生产者消费者循环模式( 见图3) 。

首先创建一空的队列和两个线程,生产者线程循环接收Holter发来的数据,并将数据和TCP连接信息放入队列。同时,消费者线程循环读取队列中的信息, 进行解码处理[6,7,8]。GPRS心电数据在被Holter发送之前已被编码为统一格式,消费者线程接收到GPRS心电数据后可解码出该Holter的编号,由此编号便可从数据库中的患者信息表中查询到该佩戴者的详细信息。解码出的心电数据存入数据库相应位置,数据接收完毕后,更新数据库Holter使用信息,同时触发转发数据给医生客户端的线程。

2. 1. 2数据分发模块

服务器数据分发模块将接收到的心电数据转发给医生客户端进行处理,程序流程图见图4。服务器上实时储存着所有与该服务器连接的医生客户端TCP连接信息,数据分发线程触发时,服务器会将消息发送给每个正在连接的客户端,并将数据发送给最先回应的客户端。同时,对其他客户端发送取消数据发送的信息。

2.2医生客户端模块

医生客户端完成患者信息登记、心电数据处理等功能。程序启动界面为一登陆界面,只有获得用户名和密码的医生才有权限进入数据接收处理的界面。进入软件后,医生便可进行患者登记、修改登记信息、实时接收服务器转发数据等。医生客户端接收到心电数据后进入显示操作界面,图5所示为程序运行时心电数据显示效果,其中白色背景部分心电为接收到的心电的全览图,红格背景部分数据为全览图中选择的蓝色部分的心电信号。同时提供时间测量、幅值测量、放大等工具按钮,允许用户改变走纸速度、幅值放大、显示导联。根据文件中保存的从Holter模块中的SIM900获取的经纬度信息,调用百度地图API[9,10],即可实现地图定位,获取佩戴者的位置信息,方便对突发病人的紧急救治。医生可将诊断结果或意见建议等信息经服务器发送给Holter。客户端还提供历史数据查询功能, 只需提供病人登记号,即可向服务器查询该使用者一段时间内所有无线发送的心电数据。

3结束语

嵌入式远程心电监护系统的设计 篇6

心电信号是人类最早研究并应用于医学临床的生物电信号之一,通过心电信号诊断心血管疾病是目前医院应用最普遍的方法。目前,检测心脏疾病的常规方法是到医院做心电图,反映患者的心脏功能情况。但这种方法只能描记患者几分钟平卧状态下短时间内的心电图片段,难以获得患者各种状态、各时间段的心电图变化,这样就限制了医生诊断的范围,甚至会贻误对症治疗的时机。因此,本文提出一种嵌入式远程心电远程监控系统设计,病人无需亲自到医院做常规心电图检测,只需要穿着一种专用的服装,就可完成对患者进行移动式、远距离、不间断的心电监护。

1 设计总体结构设计

系统总体设计框图如图1所示。

系统由一个前端模块和一个后端模块组成,前端包括心电采集电路、单片机和射频发射芯片,用以获取心电并经处理后通过射频无线传输到后端;后端包括一个射频接收芯片、一个ARM处理器、一个DSP处理器、一个LCD显示屏,以及一块GPRS发射模块,主要用于接收来自前端的心电数据,并对数据进行处理,最后采用GPRS模块并通过Internet将处理后的心电数据远程传输到监护中心。

1.1 心电信号采集

心电信号采集采用穿戴式心电采集设备,如图2所示。该设备将检测人体动态生理参数的传感器、电路板、连接线嵌在绝缘软材料制作的基体(胸带)内,舒适性好,使用方便,功耗低,适用于临床监护、家庭保健、运动实验、心率失常监测、空中记录与监测、远程监测、应急救护等。

穿戴式心电采集设备的电路主要是由传感器、放大滤波电路及陷波电路组成。

(1)传感器:传感器是将所要监测的生理信号转化为电信号。实验时,传感器采用的是贴片电极,通过CM1导连方式来获取信号。

(2)放大滤波电路:经传感器转换后得到的生理电信号一般幅值较低,且带有很大的噪声干扰,必须进行放大滤波处理。该电路包含一个前置放大电路,一个带通滤波电路及二级放大电路。前置放大电路采用的是一个AD620仪用放大器作为前置放大器。带通滤波电路由一个二阶高通滤波电路和一个二阶低通滤波电路串联而成。考虑到心电信号的频率范围及后续A/D的动态范围,带通滤波电路的通频带设计为0.1～100 Hz,总放大倍数为1 000左右。

(3)陷波电路:50 Hz工频干扰(国外为60 Hz)是生理信号最主要的噪声来源,50 Hz干扰消除的效果直接决定了最后获取信号的好坏。区别于传统的双T对称有源陷波器,该系统采用非对称阻容网络陷波器,其优点在于可根据干扰源频率和干扰强度进行陷波频率和Q值的调节,使设计更具通用性。

1.2 射频发射和接收

目前,穿戴式远程医疗系统的无线通信手段包括蓝牙、射频、红外等,以蓝牙的使用最为广泛,但使用蓝牙成本高,这对于推广普及是个很大的障碍。红外的传输距离短,抗干扰差,现在已基本不使用。射频具有价格低,传输距离长等特性,特别是高性价比射频芯片的不断出现,使它的使用越来越受青睐。该系统采用的是2块挪威Nordic公司nRF905的射频芯片,用以实现数据的无线收发。nRF905不仅能够满足穿戴式医疗仪器低功耗的要求,并且能同时保证传输速率以及传输距离。经实际测量,在室内有墙壁阻隔,无剧烈运动的情况下,传输距离达到25 m以上,因而被监测者可以在室内自由活动。无线传输丢包率在1/10 000内,能保证传输数据不丢失,最大传输速率可达100 Kb/s。设计时,处理器通过SPI接口对2块nRF905寄存器进行相同的配置。在实际工作中,nRF905就可以自动滤除地址不相同的数据,只有地址匹配且校验正确的数据才会被接受,并存储在接收数据寄存器中。nRF90提供了433/868/915 MHz三个ISM频道(可以免费使用),该系统中采用的是915 MHz。

1.3 单片机

该系统中,单片机采用C8051F330。单片机具有体积小(MLP-20封装),功耗低,功能强大(自带10位A/D、SPI总线、24.5 MHz晶振)等特性,能够大大提高前端的轻便性。该单片机的作用是与nRF905进行通讯,对心电采集电路获取的信号进行A/D转换,以及对转换后的数据进行射频传输前的加密。

(1)与nRF905通讯:通过SPI总线来对nRF905的内部寄存器进行配置及数据输送。

(2) A/D转换:C8051F330自身带有一个10位的A/D转换器,其动态范围为-2.7～+2.7 V。设计中心电的采样率采用250 Hz。

(3)数据加密:由于设计中采用nRF905射频芯片实现数据的无线收发,任何相同的芯片,只要内部寄存器配置一致,它们之间就能实现数据的通信。由于用户的生理信息涉及到用户的隐私问题,而nRF905传输覆盖的范围较宽。为了保证用户数据在无线传输时的安全性,必须对数据进行加密处理,而这一过程在其他类似采用射频传输的设计中常被忽略掉。在该系统中,采用了AES软件加密算法来完成这一过程。这相对于常用的硬件加密,一方面提高仪器的轻便性,另一方面又可以降低仪器的成本。AES支持128 b,192 b或256 b三种密钥长度,该设计采用128 b密钥长度。

1.4 ARM处理器

ARM处理器采用的是三星公司的S3C2440处理器,用于完成以下功能:

(1)与nRF905通信:其过程与单片机类似,即对nRF905进行配置,读取nRF905接收到的数据等。

(2)数据解密:由于nRF905接收到的心电数据需要经过加密处理。为了对数据作进一步处理,必须先将数据还原。解密过程是加密过程的标准逆运算。

(3) LCD显示:主要是将解密后的心电数据,以及监护中心的反馈信息(如诊断结果、报警等)显示在LCD上。采用的是一个320×240的三色LCD,运用MINIGUI进行编程。

(4)与DSP进行通信:主要是将解密数据传给DSP,然后再将DSP处理后的数据读回来。ARM和DSP的通讯采用HPI总线方式。

(5)与GPRS通信:包括向监护中心发送监护请求、将从DSP处理后的数据发送给监护中心,以及读取中心的反馈信息等。ARM和GPRS通过RS 232串口进行连接。GPRS采用ETPro-221An模块。

1.5 DSP处理器

DSP采用美国德州仪器公司的TMS320VC5509,主要用它完成数据的压缩和加密处理。

(1)数据压缩:为了提高数据的远程传输效率,在数据传输前进行了压缩处理。由于心电信号属于准周期信号,除了干扰噪声影响和个别病理情况外,心电信号的主要成分P-QRS-T波群将按一定的时间间隔重复出现,这种重复性使心电信号包含一定信息冗余。系统使用LZ77算法替代这些冗余信息实现压缩,LZ77压缩算法的基本理论是利用数据前后之间的重复性,使用比原始数据更短的信息(如重复位置和重复长度)来替代重复的数据段,从而达到减少数据量,实现压缩的目的。

(2)数据加密:压缩后的数据要通过Internet传输到监护中心。为了保证数据在传输过程中被非法窃取,同样必须对数据进行加密,以保护用户的隐私。

2 实验结果

实验时,前端采用电池供电,后端采用一个直流电源供电。图3为监护中心通过GPRS接收到心电信号的显示结果,显示程序采用VC 6.0编写。从图中可以看出,该系统能够保证心电数据准确、实时、安全地进行无线远程传输。

3 结语

给出一种嵌入式远程心电监护系统的设计方法。在系统前端和后端的无线通信过程中引入了AES加密处理,可提高数据传输的安全性;后端采用ARM和DSP双处理器结构,ARM作为主处理器,用于协调整个用户端;DSP作为ARM的辅助处理器,用以减少ARM的处理负担,使其有更多的空闲时间响应来自前端或中心请求,提高设备监护的实时性。此外,系统还具有体积小,功耗低,实时性好,便携等特点。经实验证明,能很好地完成心电信号的采集、远程传输,从而配合医院或监控中心进行监护工作,具有较高的应用价值。

摘要：提出一种嵌入式远程心电监护系统的设计方法。该系统包括前端和后端两个模块,前端通过穿戴式心电采集设备从人体获取心电信号,经A/D转换后由nRF905射频芯片无线传输到后端;后端利用GPRS将来自前端的数据远程传输到监护中心,并接收来自中心的反馈信息。为了保证数据传输的安全性,提高数据传输的效率,引入了AES加密和LZ77压缩算法。实验结果表明,该系统能够实现心电信号稳定、准确、实时的传输。

关键词：心电信号,无线传输,远程监护系统,nRF905

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远程心电诊断 篇7

基于无线通信的远程医疗监护系统给患者提供了较大的活动自由,用户可以不受时间、地点的限制,随时随地得到医院监护中心的监护[1,2]。目前国内外无线心电监护系统大多采用蓝牙技术、GSM、GPRS等来实现,如Khoor S[3]等人提出一种基于蓝牙和GSM技术的心电监护系统,采集器通过蓝牙和随身携带的手机相连,手机再把采集到的数据通过GSM/3G网络存储到远端的控制中心。姚湘平[4]等人设计了一种基于GPRS的远程心电监护终端,通过GPRS无线模块向外发送心电数据,从而实现心电无线实时监护。这些系统往往存在着功耗大、成本高、对人体电磁辐射过高等缺陷。

无线传感器网络(WSNs)[5]凭借灵活性、容错性、低功耗、快速自组织等特点为医疗护理技术的发展带来了新的机遇[6,7]。近年来,国内外不少学者研究将无线传感网应用到医疗监护系统中,赵泽[8]等人应用无线传感网对人的血氧、血压和血糖进行实时监控,Auteri V[9]等人研究了一种基于ZigBee无线传感网的心电监护系统。这些研究说明利用无线传感网实现远程心电实时监控是一种比较有效的手段。ZigBee协议作为无线传感网的工业标准,与蓝牙、GSM、GPRS相比,具有低功耗、低成本、低复杂度等特点,且在系统成本、位误码率等方面具有明显的优势。因此,为了满足基于无线传感网的远程心电监护系统的需求,笔者研究开发了一套基于无线传感网及ZigBee技术的便携式监护终端系统,该系统经过严格测试,达到了预期目标。

1 总体设计

基于无线传感网的远程心电监护系统如图1所示,整个系统由本地节点及远程监控中心构成一个典型的分布式移动无线传感网。其中本地节点主要负责心电信息采集及通过ZigBee无线方式将心电数据传输给监护终端。监护终端主要负责接收心电数据并进行处理,实现心电实时显示和分析,供医护人员或专业医生进行分析和诊断。

2 硬件平台

监控终端硬件分为核心板和底板两部分,两者采用SO-DIMM200标准插座相连。结构框图如图2所示。处理器采用Samsung的S3C2440,其内部集成了ARM920T内核和一些手持设备的常用外围组件,特别适用于手持设备。

核心板上除了主处理器芯片,还集成了1片64 MB的Nand Flash、2片4 Banks×4 Mbits×16 bits的SD RAM。主处理器的主频率为406 MHz,移植嵌入式Linux操作系统。Nand Flash作为启动ROM和系统程序保存ROM,内部存放启动代码、Linux内核映像、Root文件系统。SDRAM用于设置程序堆栈、存放各种变量以及缓存心电数据。

底板主要由电源模块、UART异步串行口、以太网接口、LCD接口、射频通信模块组成。其中电源模块供底板和核心板共同使用。9 V或12 V的输入电压通过LM2596产生5 V的稳压电源供LCD使用;5 V电压经稳压芯片LM1085输出3.3 V的电压,供处理器S3C2440以及其他3 V器件使用。S3C2440片上集成UART模块,经过RS232电平转换后引出,可以直接与计算机的COM口连接。系统选用CS8900A作为10 M以太网模块的主控芯片,片上收发的RAM缓存区自动产生前导码和进行CRC校验,边界监测,具备待机和挂起休眠模式等功能。微处理器S3C2440上集成了LCD控制器,所以底板上可以直接做LCD接口引出。无线射频模块支持ZigBee协议的CC2420收发器,负责与心电监测节点的无线通信。

3 软件设计

3.1软件整体框架

监护终端配置了嵌入式Linux实时操作系统,开发环境选择Qt/Embedded,它是专为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开发而定制的C++工具开发包[10]。在该软件的程序设计时,采用了模块化思想,把整个系统分为心电数据接收模块、用户信息显示模块、心电波形实时显示模块、信号处理模块等。功能模块结构如图3所示,各模块分别完成确定的任务,模块之间相对独立而又通过系统的框架协议相互联系。

心电数据采集模块通过CC2420接收节点的心电数据,进而传递给信息处理模块,实现QRS波的检测和心率计算,心电波形的实时显示和心率显示则由显示模块实现。年龄和性别不同,心电波形也不同,所以用户信息中除用户姓名外还包括了用户的年龄和性别。因为心电数据采集节点送来的数据中包含用户的两路心电信号,设置了两个心电波形显示通道。时间显示则显示当前的时间。

3.2心电接收模块

本研究的心电数据采集模块采用支持ZigBee协议的CC2420。终端通过CC2420接收节点发送的心电数据,实现心电数据采集。在嵌入式Linux系统环境下,无法直接访问CC2420,需要编写该设备在Linux系统环境下的驱动程序。

CC2420驱动程序属于字符类设备,驱动程序主要由以下几个部分组成:

(1) 驱动程序的初始化和注销。

主要函数:CC2420_init()/CC2420_exit()

CC2420_init负责设备的注册,在/dev目录下建立设备文件,映射GPIO及SPI等寄存器及注册中断等。

(2) 设备读写。

主要函数:CC2420_read和CC2420_write

负责用户层指针与内核层指针之间数据交换,实现数据传递。

(3) 中断服务程序。

主要函数:CC2420_irq(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *reg)

当CC2420接收到数据时,会触发中断,中断服务函数通过调用read/wirte函数实现数据读写,进而传递给应用程序。

3.3心率显示

本研究针对心率计算问题,提出了一种简单可行的阈值法。通过观察所接收到的心电数据值,在波形的波峰处,数据值能超过200,而波形的其他部分则不能,所以设置其阈值为200。阈值法计算心率流程图如图4所示,当心电数据第一次超过200时,心率值加1。这样计10 s,再乘以6就是用户一分钟内的心跳数了,也就是心率。在心率显示更新完成后,即复位计数值,进行下次的心率测量。

3.4QRS波检测

在远程心电监控终端设计中,QRS波的检测尤为重要,本研究针对QRS波的检测问题,提出了一种自适应差分阈值法。

QRS波的检测效果受到差分阈值法所设定阈值的直接影响,因此确定合理的阈值是使用差分阈值法的关键。考虑到个体差异的存在,取开始一段时间(如10 s)的心电数据进行自学习确定阈值。设原始心电数据经预处理后为x(n),n=1,2,…,l,其中l为信号长度,l=10×fs,fs为采样频率。

对x(n)求二阶差分:

e(n)=x(n+2)-2x(n+1)+x(n) (1)

对e(n)分成相等的10小段,求出每个小段内二阶差分的最大值,将这10个差分最大值排序,去掉最大值和最小值后对余下的差分值求算术平均值m,确定检测阈值为:

${\rm T}h{}_1=\frac{1}{2}m,{\rm T}h{}_2=\frac{1}{2}m+1,{\rm T}h{}_3=\frac{1}{5}m$ (2)

R波的检测是Q波及S波检测的基础,对每个心电数据做前向差分,利用式2中的3个阈值可以实现R波的检测,如果连续两个差分分别大于Th1和Th2,且之后一段时间内存在一个负向差分,其绝对值大于Th3,则该点必为R波峰。

在ECG的一阶差分信号中,R波与其对应的Q、S波的位置关系为:Q波为R波所在位置前面的第一个向上过零点,S波为R波所在位置后面的第一个向下过零点。这样,由已知的R波位置并计算R波前后的一阶心电数据差分,即可实现Q波及S波的检测。QRS波的检测流程图如图5所示。

4 系统调试

笔者提出的远程心电监护终端在综合测试中取得了初步结果,系统的实物图如图6所示。心电节点采集的数据通过无线方式发送到监护终端设备,监护终端在监控界面实现心电信号的处理和实时显示。

打开模拟心电信号发生器和心电数据采集节点电源,两者指示灯闪烁表示工作正常。监护终端上电,开始运行嵌入式Linux,进入系统后,LCD屏幕上将显示qtopia的界面。将交叉编译好的驱动程序和应用程序通过网口分别下载到基站的相应目录,然后点击应用程序选项卡中的ECG Monitor图标,运行程序,监护终端界面如图7所示,系统接收心电数据采集节点发送的无线心电数据并显示,同时在接收状态处显示Linked,心率显示也会不停地刷新。可以看到本研究所显示的心电波形与典型心电波形基本吻合,拥有相同特征点,说明系统可以正确工作。

5 结束语

本研究介绍了一种基于无线传感网的远程心电监护终端的设计与实现方法。该系统采用支持Zigbee无线通信协议CC2420接收心电数据,在不影响监护对象正常社会活动的前提下,实现了对他们的实时医疗监护。此外,还分析研究了QRS波形检测和心率计算方法,分析结果表明算法简单可行,实时性高,可以用于移动监护终端的心电信号处理。

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