远程心电监护系统（精选8篇）
远程心电监护系统 篇1
0引言
心血管疾病严重威胁人类健康和生命,其死亡率高于艾滋病、癌症。并且心血管疾病发作具有突发的特征,据统计,70%以上的病人心脏病突发于家中或工作现场,因失去抢救时间而死亡。
心电监护系统起源于Norman J.Holter博士于1957年研制的Holter系统。该系统对一些做过心脏手术的病人,采用电子仪器记录、存储病人每天的心电图及其它重要的生理参数,并将数据按周期送往诊所进行分析,病人可以在家中进行监护。但该心电监护系统不具有实时性, 病人发病时无法得到医生及时的诊断和救治。
随着智能手机和3G通信技术的应用普及,基于智能终端的远程心电监护系统得到了广泛的研究和应用［１－４］。 物联网是继计算机、互联网之后,世界信息产业的第三次浪潮,集成了多种感知、通信与计算技术,使人类社会、信息空间和物理世界(人-机-物)融为一体。近年来,各国政府部门针对物联网相关技术与产业制订了一系列发展计划, 我国《国家“十二五”科学和技术发展规划》中将物联网等新一代信息技术纳入国家重点发展的战略性新兴产业。
本文探讨在物联网环境下构建远程心电监护系统的体系结构,利用多种技术集成实现智能化识别、远程心电监测、实时反馈、移动定位等多功能。
1物联网体系结构
总体来看,按照网络分层的思想,物联网体系结构被抽象为应用服务层、网络通信层和对象感知层［５］,如图1所示。
对象感知层实现对物理对象的感知和数据获取;网络通信层提供透明的数据传输能力;服务层将信息转化为内容提供服务和控制。
2远程心电监护系统架构设计
根据物联网分层结构模型,本系统总体结构如图2所示。
系统划分为两个主要功能模块,一个是心电数据采集与上传,一个提供心电监护服务。
3心电数据采集与上传
心电数据采集与上传模块主要解决两个问题,一是心电数据采集终端网络接入问题,二是心电数据透明传输问题。
3.1心电数据采集终端网络接入
本系统所采用的心电数据采集终端集成了3G(第3代移动通信)通信模块和蓝牙通信模块,有两种网络接入方式,用户可根据具体网络环境选择。
第一种:在心电数据采集终端增加3G通信模块直接接入移动互联网,将心电数据上传心电数据中心。
第二种:采用蓝牙传输技术,在采集终端集成蓝牙模块。心电采集终端首先将心电数据上传给便携式智能设备,比如:智能手机、平板电脑、笔记本电脑等,便携式智能设备可以将数据暂存,然后通过公共Wi-Fi接入点或家庭宽带上传到心电数据中心服务器。
3.2心电数据透明传输
HL7卫生信息交换标准(Health Level 7)是标准化的卫生信息传输协议,是医疗领域不同应用之间电子传输的协议。采用HL7标准卫生信息系统和医用仪器设备之间可以做到无缝连接以及医疗信息的无障碍交换。
基于HL7心电数据透明传输过程包括心电信号采集和处理、心电信号数据化存储、HL7标准的心电数据消息构建和解析、消息封装和解封,如图3所示。
4心电监护服务
本系统心电监护服务主要包括:医生远程监护和患者自我监护,主要功能模块包括:数据服务器、应用服务器、 心电数据分析引擎、医生工作站和家庭终端(包括智能终端)。
医生通过工作站访问患者心电数据,掌握患者长期的病程演化,给出用药建议,并且可以通过设置预警信号及时发现患者的突发情况,及时对患者进行干预和治疗。但是,毕竟医生不可能做到与每个患者一对一的24小时服务,因此患者可利用家庭终端或智能终端及时掌握自己的情况。一旦发现异常或身体不适,可通过本系统发出求救信号,或通过其它途径尽快地得到救治。
5系统应用与部署
物联网环境下的远程心电监护系统实现网络心电监护,无须建立任何专门网络,无须支付任何专门网络硬件组建成本,有移动通信网络就能覆盖。其系统模型如图4所示。
本方案应用的重点在于城乡医疗协作。在我国,大量的社区卫生服务站和乡村诊所缺乏有资质的心电诊断、治疗的医生。因此,利用本系统,一些偏远地区的患者也能接受到大型医院的心电医生的诊断和救助。
6结语
本文研究了在物联网环境下如何构建远程心电监护系统。在物联网三层架构上,首先由心电数据采集终端感知对象心电数据,然后通过3G通信模块或智能终端上传数据至数据交换中心,利用心电监护服务终端提供干预和诊断。此外,本文还探讨了远程心电监护系统应用方案, 可为城乡医疗协作提供参考。
摘要：提出在物联网环境下构建远程心电监护系统,采用物联网3层架构,分为对象感知、透明传输和应用服务3个层次。系统划分为心电数据采集与上传以及心电监护服务两个主要功能模块。探讨远程心电监护系统应用方案,该方案可为构建城乡医疗协作体系、开展心血管疾病防治提供参考。
关键词：心电监护,物联网,心血管疾病防治
参考文献
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远程心电监护系统 篇2
4.1心电图采集端
4.1.1具有与多品牌心电图机通信能力计算机通过串口、USB接口等多种接口与心电图机连接，把心电图机采集的原始波形文件上传至采集计算机中转后，传输至服务器进行数据解析与存储。心电图原始波形文件支持国际通用的SP-ECG、FDA-XML、IEEE-1097、DICOMWAVEFORM、XML等格式。目前，我院有数字接口的多个品牌的心电图机已经与新建的心电网络实现了联网。
4.1.2采集端软件具有错误鉴别功能根据我科既往的使用经验，在心电图采集过程中容易出现某些人为错误。在新建的网络系统中，我们通过软件对有可能出错的环节进行监控，以杜绝错误的发生。例如：在心电图采集时，某些品牌的心电图机需先点击采集按钮才能进行心电图采集，但由于某种原因，操作者可能检查当前患者时未点击采集按钮，而心电图机仍保留前一位患者的心电图数据，检查后误将前一位患者的图形资料作为当前患者的图形资料上传至服务器。解决的方法是，利用系统配置文件记录上一位患者心电图文件的MD5码，当前患者的文件上传后生成新的MD5码并与上一患者的资料进行比对，如果一致，则说明是同一数据，系统将阻止资料上传至服务器并提示操作者重新采集。又如：系统还能自动识别左右手反接并提示操作者纠正，对导联脱落及干扰过大的图形进行自动提示。上述纠错功能的加入，在很大程度上杜绝了人为错误的发生。
4.2分析工作站
4.2.1准确解析心电图文件该系统具有多种常见的滤波频率，可实现多种纸速及电压。它配有易用的测量辅助工具，可测量任意波群。
4.2.2具有权限分级管理功能由高级用户账号分配各级用户的权限。例如：查阅病历的范围（本科室病历还是全院所有病历）、能否书写病历、能否审核/打印报告、打印报告的份数等。
4.2.3历史报告自动提示及同屏对比功能当前编辑的患者如有既往检查记录，系统将给予提示并可与当前图形同屏显示，以方便医生进行前后图形的对比分析。
4.2.4新病历到达即时提醒功能当采集点的病历发送至服务器时，心电医生工作站自动弹出提示窗口并发出提示音，提示有新病历到达。
4.2.5心电图浏览窗口支持心电图多格式显示心电图的多格式显示包括18导联同屏、15导联同屏、12导联同屏、6导联同屏、3导联同屏等。该系统支持每组波形中任意波形局部的.放大对比，支持12导波形叠加对比、复合波叠加对比。
4.2.6智能化报告该功能利用软件对心电图波形自动分析识别后的参数进行综合分析，能够自动识别异常参数，并据此生成相应的文字描述及诊断。自动诊断功能由我科医生自行开发，通过XML文档的格式与厂家软件进行通信，目前自动诊断符合率约80%.系统自动生成的心电图描述及诊断无需二次修改，大大节省了医生书写报告的时间。
目前该功能仍在不断调试和完善中，其准确率将随着厂家软件对波群分析精确度的提高而不断提高。
4.2.7危急值提醒功能建立心电危急值诊断库，经系统初步诊断后，如出现符合危急值诊断的报告，则该条记录使用红色字体显示，提醒医生优先处理该报告。当医生确认后，将患者资料通过住院系统危急值确认接口发至住院系统，以使主管医生及时获悉报告并制定相应的诊疗措施。
4.2.8特殊病例随访功能该功能可实现对特殊病例资料的收集与管理，可对特殊病例进行标识并添加随访内容，例如：对心梗患者添加冠状动脉造影结果、为电解质紊乱的心电图病例添加相应的电解质实验室检查结果等。由于我科建立和实行了行之有效的随访制度，现已收集了大量有意义的特殊病例，为后续教学、科研工作的开展积累了宝贵的素材和基础资料。
4.2.9建立软件日志功能对所有用户账户的报告书写、修改以及软件设置更改等操作进行记录。高级用户账号可使用查阅轨迹功能，对软件日志进行监控。
4.2.10完善电子签名制度我院即将应用第三方软件，对具有法律依据的电子签名进行完善并将其整合于心电网络信息管理平台中。
4.2.11规范报告修改制度对于已经确认的报告，如该报告未被打印，且在一定时间范围内（一般是几个小时，根据医院规定，由高级用户账号设置），则允许审核医生修改；如该报告已经打印，则按照我科的报告修正流程进行处理。如超过规定的时间，则需要科室主任权限进行修改；如超过24h,则科室所有用户账号均不能修改报告。
4.3Web浏览功能
Web浏览功能应用浏览与实时分析技术，使临床医生得以通过住院系统对该病区患者的心电图进行查阅。该功能的设计基于Web技术，临床科室可通过Web浏览器快速调阅、查看心电图报告与波形而无需安装任何控件；同时Web浏览系统还支持在线波形分析、处理、测量与报告功能。
4.4开发接口与医院信息管理系统建立通信
这是我院首个与医院信息管理系统作深度整合的软件，特别是其与多系统接口的实现，为我科日常工作节省了大量的人力物力。
4.4.1与HIS的接口通过接口获取HIS中患者的相关检查资料，即传入患者的住院号或门诊号后，系统返回患者的姓名、性别、年龄、临床诊断结果、开单地点及开单医生等相关信息。
4.4.2与PACS的接口允许通过接口获取患者的影像学及B超、多普勒等临床资料，为医生的诊断提供参考。
4.4.3与LIS的接口允许获取患者的检验结果
4.4.4与健康体检系统的接口通过该接口，当医生确认报告后，回写体检状态为“已执行”,并允许体检系统调取心电系统中该体检者的检查结果及心电图图形。该接口解决了此前我科需要对体检者信息进行人工确认并手动录入结果的问题，在很大程度上提升了工作效率，减少了人工操作可能带来的错漏。
4.4.5与住院系统的接口该接口除了允许住院系统调用心电图图文报告外，还可在医嘱中读取心电图检查的流程状态，包括“未检查”“已检查”“已打印”.这一功能方便了临床医师跟踪心电图检查及报告状态，也为护士核对医嘱和收费提供了便利。
4.4.6与药物临床试验质量管理规范系统的接口该接口实现了药物临床试验质量管理规范（goodclinicalpractice,GCP）系统对心电网络信息管理平台资料的获取，方便GCP项目管理医师及时了解受试者的检查情况。
4.5自助叫号系统
我科是我院实现自助叫号的首个科室。自助叫号系统以一台平板计算机连接诊疗卡读卡器，通过科室叫号系统计算机进行智能化排队，再借助电视机进行叫号显示，同时配备普通话和粤语叫号声音。患者来我科就诊时，通过该系统的诊疗卡读卡器进行刷卡后，系统将自动核对患者的收费状态，如患者已经缴费，则自动进入叫号配对序列，否则给予相应的提示。该功能可确保患者等候检查的次序无误，且使用便捷，节约了患者的就诊时间。
4.6自助打印系统
自助打印系统的开发不仅降低了科室的工作强度，有利于科室工作流程优化，而且提高了检验质量和服务水平，能有效避免人为差错[8].该系统由一台计算机、一台打印机及配套软件组成。患者在检查完成后，等候20min（具体时间可由高级用户账号进行设置）后可自行通过该系统刷卡，自助打印报告。自助打印软件规定每位患者仅能打印一次报告，有效打印时间为最近30d.
4.7远程会诊系统
目前借助该功能，可实现在我院几个分院与分门诊之间的远程会诊。对于疑难病例，医生可发送会诊请求至总院或其他分院，再由相应的医生进行处理。我科同时建立了心电图会诊中心，可将心电图投影放大，进行全科会诊，再把会诊意见录入系统。该功能在我科运作良好，不仅能使疑难病例在高年资或高水平医师的会诊下得到正确的诊断意见，同时，会诊模式也在我科的教学实践与临床带教中得到了较好的应用。
4.8与其他心电系统的整合
我科的动态心电图、动态血压、平板运动试验分别采用了不同厂家的软件系统，为了使其与新的心电平台进行整合，我科联系了相关厂家，由厂家提供生成PDF电子文档格式报告的方法，再通过心电网络平台将报告上传至服务器，使住院系统得以调取相应检查的报告。
4.9无线网络与外网功能
院内无线Wifi网络的应用是未来医院信息网络发展的趋势，其克服了有线网络的种种限制，为移动医疗设备的应用带来了无限可能。为了适应这一发展趋势，我科心电网络平台所有设备的联网模式均采用有线/无线双模式，同时配备了平板计算机以适用于无线网络环境。此外，为了满足今后外院病例至我院会诊的需要，新的心电网络平台可外接Internet进行院外数据传输，数据汇总至我科诊断中心进行会诊。由于近期我院将进行全院无线网络建设，因此现阶段仅在急诊科应用无线采集设备；由于其移动方便，有利于患者急查心电图，因此备受临床医生的推崇。
4.10其他功能
新的心电网络平台还具有质控功能，即上级医师在审核报告的过程中，可对下级医师出具的报告进行质控，并按照我科制定的质控标准在系统中予以评分；该评分将自动录入系统，作为每月医师绩效评价的参考。由于我科的心电项目均可在新的系统中统一归档，因此，我科按照标准制定了绩效评价方案，由系统根据规则进行计算，每月由高级用户账号查看绩效评分并导出数据，作为奖金分配的依据。
4.11智能辅助诊断功能（由笔者自行开发）
由于厂家软件自带的诊断辅助功能较弱，仅能实现诊断结论的自动化书写，而无法自动完成异常心电图特征描述的书写，且反复使用后发现其诊断的准确性也不高。规范的心电图报告需同时具有异常心电图特征的描述语句及对应的诊断，二者构成了心电生理科室医师日常的大部分工作。医师为此不仅需要花费大量时间用于书写心电检查报告，而且在出具报告的过程中也很容易出现错误（最常见的是“复制+粘贴”所造成的错误）。为了提高工作效率，笔者将自行研发的心电图自动诊断软件作为心电网络信息管理平台的第三方软件，通过与厂家制定的软件接口进行数据交互，由厂家软件输出当前心电图的所有测量参数及特征数据（输出格式为XML文件）；而笔者的软件在后台自动获取上述数据后，利用相关算法进行分析，最后向厂家软件输出当前心电图的特征描述语句及诊断语句（所有语句均经过排版及格式过滤）。通过对软件算法的不断改进，目前该软件已能达到一定的诊断准确率，较少出现诊断与描述不对应、常见图形漏诊等情况，日渐成为心电医师的好帮手。在今后的使用过程中，笔者将对该软件不断进行完善与升级，以进一步提高其诊断准确率。
我科的心电网络信息管理平台建设和运行已有一段时间，期间经过流程的不断修改完善以及对软件的深度定制，目前在我院运行良好。此前许多需要人工完成的工作现在均由软件自动完成，节省了大量的人力物力，并保证了结果的准确性。由于数据传输的便捷性，床旁心电图报告的时限也大大缩短。近些年，心电网络信息管理平台得到快速的发展，功能日益完善，对医院的医、教、研工作的开展均具有重要的推动作用。远程会诊功能是未来心电网络信息管理平台发展所必须具备的功能，对于提高科内年轻医师或基层医师的诊断水平有重要的意义。我院新建的心电网络信息管理与远程会诊平台较既往的心电信息网络系统有了很大的进步，我们也将在使用过程中不断完善它，使之更好地服务于临床。
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远程心电监护系统 篇3
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
远程心电监护系统 篇4
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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远程心电监护系统的测试用例设计 篇5
关键词：远程心电监护系统,黑盒测试技术,心电图,测试用例的复用性
1 远程心电监护系统概述
远程心电监护系统分为家庭端、医疗中心端及两者间的通信连接构成。家庭端部分包括用户端心电图监测设备、连接因特网的工作站、远程心电监护客户端软件。医疗中心端部分包括位于不同地理位置的医疗中心终端、远程心电监护医疗中心端软件。两者间的通信连接包括从心电图监测设备采样连接、以及工作站选择不同接入网连接Internet网络。系统能够在平台内实现心电信号的实时图像传输。
2 远程心电监护系统测试用例设计
测试用例设计要体现软件工程的思想和原则，针对远程心电监护系统的特定功能或组合功能设计测试方案并编写成文档。测试的目的就是暴露应用软件中隐藏的缺陷，所以在设计选取测试用例和数据时要考虑那些易于发现缺陷的测试用例和数据。结合监护系统复杂的运行环境，在所有可能的输入条件和输出条件中确定测试数据，来检查应用软件是否都能产生正确的输出。
常见的黑盒测试技术有等价类划分法、边界值分析法、错误推测法、功能分解法、状态图转换法等。使用这些方法来设计远程心电监护系统测试用例不仅实用快捷，而且避免了盲目性，突出了重点，提高了效率，缩短了测试周期。
2.1 等价类划分法及其应用
等价类划分法是在分析需求规格说明的基础上把远程心电监护系统某功能的输入域合理划分成若干部分，各部分形成的子集合就是等价类，测试某等价类中的代表值就等于对该等价类的其他值的测试。
等价类划分有：有效等价类和无效等价类。
有效等价类是指对于需求规格说明而言是正确、合理的输入构成的集合，可验证远程心电监护系统是否正确实现该功能。
无效等价类是指那些不合理、无意义的输入构成的集合，可测试远程心电监护系统是否能经受意外考验，是否稳定可靠。
例如：远程心电监护系统测试中有测试需求“在软件中七通道ECG波形是否正确显示”对此项测试需求，在设计测试用例时主要使用等价类划分法，其划分步骤如下：
第一步：划分等价类，并且为每个等价类编号。
第二步：为有效等价类设计测试用例，使一个测试用例尽可能覆盖多个有效等价类。对表中编号为(1)(2)(3)的3个有效等价类用3个测试用例覆盖。
第三步：为无效等价类设计一个测试用例。
因此，利用等价类划分，可设计出如表2至表3所示的至少4个用例。采用等价类划分法可以在远程心电监护系统功能测试中大大减少工作量、提高测试效率。
2.2 边界值分析法及其应用
测试用例的选择既要有一般情况，也应有极限情况以及最大和最小的边界值情况。边界值分析法是一种补充等价类划分的测试技术，方法是通过选择等价类的边缘值作为测试用例，让每个等价类的边界都得到测试。远程心电监护系统在面临某些边界输入情况时，会出现一些意想不到的问题。例如：远程心电监护系统测试中有测试需求“病人心电数据显示是否正确”采用边界值分析法可设计出如表4所示的至少4个用例。
2.3 错误推测法及其应用
凭经验或直觉推测可能的错误，列出程序中可能有的错误和容易发生错误的特殊情况，是针对性很强的测试用例设计方法。例如：远程心电监护系统测试中有测试需求“系统是否正常工作在windows环境下，影响其余应用程序工作进程”，利用错误推测法可设计出如表5所示3个测试用例。
2.4 几种方法组合及其应用
等价类划分方法和边界值分析方法，着重考虑输入条件，但未考虑输入条件之间的联系,相互组合等。因果图法描述了对于多种条件的组合，比如针对测试需求“在软件中七通道ECG波形是否正确显示”，同时还需要考虑到是否需要“冻结某通道显示”。对远程心电监护系统的测试用例设计时，需要把这些黑盒测试方法结合应用。灵活使用等价类法、错误推测法、边界值法等相互补充来设计用例，才能有效提高测试效率和测试覆盖率，提高软件的质量。
3 软件测试用例的复用
以最少的人力和资源投入，在最短的时间内完成测试，发现软件系统的缺陷，保证软件的优良品质，是软件公司探索和追求的目标。在远程心电监护系统测试用例的设计中，充分考虑了对于今后同类被测系统的测试用例复用性上。在用例的写作过程，把测试用例有效的组织起来，使得每一个测试用例都能独立运行，比如针对输入、输出接口类的测试用例放在一起等方式。使得今后使用最少的测试用例，实现最大的测试覆盖，可复用度好。在测试用例的设计、选择的基础上，构造出基于复用的测试用例，同时采用测试用例库管理的方法来实现测试用例的复用，可以提高软件测试的工作效率。
4 结束语
在测试用例设计过程，首先要使用测试用例设计的各种方法结合应用，有效提高测试覆盖率;同时要构造出基于复用的测试用例，不断的应用新软件系统开发去构建测试用例库，这样就能在新项目中做到用最少的人力和资源、最少的测试用例，覆盖到所有的测试覆盖。
参考文献
[1]郑人杰.计算机软件测试技术.北京:清华大学出版社,1992.
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远程家庭心电监护终端 篇6
国外的远程家庭医疗更加注重远程“看医生”，个人/患者在家中就可与医生进行实时语音、图像信息交流, 可实现在线检测人体生理信号并给出诊断。这种系统是以视频会议系统为核心，但目前还难以在我国普及，原因一是该系统的价格太贵，一般家庭承受不起;原因二是受到通信信道带宽的限制，国外一般使用综合业务数字网 (ISDN) ，而我国现在普及到家庭的是普通电话系统 (P O T S) , 尽管通过这也可实现双向视频传输，但在图像分辨率、每秒传输图像桢数等方面，难以达到远程医疗的要求。作为远程医疗的重要内容之一的远程监护，其传输的只是人体生理信号，其所需的通信速度通过普通电话线就可以满足。因此，考虑到我国互联网用户呈逐年增长趋势，发展远程监护更加符合我国国情。
系统结构与功能
系统采用B/S (Browser/Server，浏览器/服务器) 模式设计，使用该模式的最大好处是减少开发工作量、运行维护比较简便。将B/S模式引入嵌入式网络设计，改变了过去需要同时开发上位机和下位机软硬件的做法，现在只需要在下位机 (服务器端) 的嵌入式设备中集成一个微型服务器，利用H T M L (超文本标记语言) 设计网页模块，就可在上位机 (浏览器端) 使用I E等浏览器接收和解析此模板，从而为用户提供一个视觉效果好、操作方便的工作界面。
首先基于ARM9处理器S3C2410A和嵌入式L i n u x操作系统, 设计出支持嵌入式Web Server的开发平台, 再通过移植嵌入式Web Server—boa, 配合数据采集和处理等模块, 构造一套适用于家庭的便携式远程医疗监护终端。在监护终端, 利用生物电引导电极采用标准三导联方式将人体心电信号拾取出, 经导联线传输到信号调理模块, 经该模块的滤波、放大后得到初级的生物电信号, 再经由S 3 C 2 4 1 0自带的ADC引脚送入Web服务器模块, 心电信号在此模块中经过各种运算分析后得到反映心脏特征的信号, L C D上实时的显示心电波形和病人的个人信息, 同时将心电信号存储于片外F l a s h R O M中, 终端通过以太网口接入以太网, 以实现与监控中心的远程交互。系统框图如图1所示。
硬件电路设计
信号调理电路模块
心电信号的检测是属于强噪声背景下的微弱信号检测，信号具有微弱、低频、高阻抗、不稳定和随机等特点。此信号的主要频率范围为0.0 5～1 0 0 H z, 幅值范围为0.5～5 m V。微弱的心电信号还受到多种干扰，其特征被淹没在复杂的信号之中。又由于生物电引导电极在拾取人体电信号时与人体接触会产生极化电压。因此，为了满足检测要求，信号调理电路必须要较好的抑制各种干扰、不失真的放大心电信号。本设计中，信号调理电路模块主要包括前端电路、信号放大电路和陷波电路。电路框图如图2。
前端电路
前端电路作为信号调理电路的第一级，其功能主要是为了抑制环境中的干扰噪声、提高前置放大器的共模抑制能力。缓冲放大器一般采用电压跟随器实现，其缓冲隔离作用减小了生物信号源对放大器的过高要求, 提高了电路的输入阻抗, 减少心电信号衰减和匹配失真。使用屏蔽层驱动电路可以较好的去除导联线屏蔽层分布电容的不等量衰减造成对放大器总C M R R (共模抑制比) 的影响。由于人体本身可通过各种渠道从环境中拾取工频5 0 H z交流电压, 在心电测量中形成交流共模干扰, 这种干扰常在几伏以上, 采用右腿驱动电路后能够使5 0 H z共模干扰电压降到1%以下。电路图如图3。
信号放大电路
信号放大电路采用两级放大，如图4，差动放大U805为前置级，同相放大U809构成第二级。根据心电信号检测的特点，通常要求放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比、低噪声、低漂移、非线性度小、合适的频带和动态范围的性能。前置放大器的输入电阻一般要求>2兆欧，输入电阻越大，因电极接触电阻不同而引起的波形失真越小，共模抑制比就越高。由于极化电压的存在, 为防止前置放大器工作于饱和或截止区，前置级的增益不能太高, 实验表明放大10倍左右效果较好。因此选用仪表放大器MAX4196，该芯片可采用单电源供电，其功耗最低达到8µA，共模抑制比为115dB，输入偏移电压为50µV，-3dB带宽可达250kHz，输入阻抗为1000MΩ，增益固定为10 (V/V) 。
前置放大器部分总的共模抑制比为：
其中C M R RR=，Ad：放大器闭环差模增益，Ac：共模增益，CMRRD：运放本身的值;C M R RR：外电路电阻匹配精度限定的CMRR，δ：电阻精度。因此在电路中，要精确匹配外电路电阻R812=R813，以使共模输出变得更小。
主放大器采用M A X 4 1 9 7 (特性与MAX4196一样) ，其增益固定为100 (V/V) 。信号调理电路的总放大倍数为1000倍。在图4中，电容C805具有去除极化电压功能，并与电阻R820构成高通滤波电路，用于抑制直流漂移和放大器通带外的低频噪声。
陷波电路
工频干扰是心电信号的主要干扰，虽然前端电路和前置放大器已对共模干扰具有较强的抑制作用，但有部分工频于扰是以差模信号进入电路的，且频率处于心电信号频带之内，加上电极和输入回路不稳定等因数，前级电路输出的心电信号仍然存在较强的工频干扰，因此必须将其滤除。本设计采用的是无限增益多路反馈型二阶陷波器，电路如图5。
嵌入式W e b服务器模块
考虑本系统定位于家庭使用，且系统需要连续长时间工作，又由于系统需要良好的人机交互环境、存储大量数据以及支持网络通信，所以要求处理器具有功耗低、成本低、丰富的接口和支持操作系统。本设计选用A R M 9处理器S3C2410A, S 3 C 2 4 1 0 A主要面向手持设备以及高性价比、低功耗的应用上。其C P U内核采用的是A R M公司的1 6/32位ARM920T RISC处理器。ARM920T实现了MMU、A M B A总线和H a r v a r d高速缓存体系结构，该结构具有独立的1 6 K B指令Cache和16KB数据Cache。S3C2410A集成的片上功能主要包括：1.8V/2.0V内核供电，3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电;外部存储器控制器;LCD控制器提供1通道LCD专用DMA;8通道10位ADC接口，转换速率最大为500KSPS (Kilo Sample Per Second，千采样点每秒) ;117位通用I/O口和24通道外部中断源;电源控制模式包括正常、慢速、空闲和掉电4种模式;支持NAND Flash的启动装载。
对心电信号采样精度的考虑主要出于对ST段异常分析处理的要求, S T段电平变化约为0.0 5 m V, 因此采样精度至少为0.025mV。当采用10位A/D转换器工作在正极性、满刻度电压为2.5V时, 可分辨的最小输入电压为2.5mV, 而信号调理电路放大倍数为1000倍, 则输入端的最小分辨率约为0.0025mV, 故S3C2410A具有的10位A/D的精度完全满足系统需求。
为了使用户能够直观的观察心电和便于控制设备，设计采用东华公司的T F T彩屏YL-LCD35套件用于人机交互界面。为满足移植操作系统以及存储心电信号、网页等数据的要求，系统外扩了6 4 M的N A N D Flash (使用一片K9F1208UOB) 和64M的SDRAM (使用两片HY57V561620) 。为满足终端联网的需求，选用CS8900A用于设计网络适配器，CS8900A是一个真正的单芯片、全双工的以太网解决方案产品，更方便的是在Linux内核中提供有CS8900A适配器的驱动程序。
电源部分
为增加安全性、降低功耗、节省成本，设计采用9V碱性电池供电，通过电源转换芯片AS1117-3.3将9V转换为3.3V可供给放大器芯片和S3C2410使用。
软件设计
软件设计主要包括Linux的移植, 嵌入式Web Server-Boa的移植, CGI (通用网关接口) 程序的设计, 功能程序的设计。
Linux的移植
本设计采用linux-2.4.18内核。正确进行Linux移植的前提是具备一个与L i n u x配套、易于使用的BootLoader，它能够正确完成硬件系统的初始化和Linux的引导。本系统中采用vivi，它是由韩国MIZI公司提供的一款针对S3C2410芯片的BootLoader。
Linux内核的目录/arch中包含了所有与硬件体系结构相关的内核移植代码，目录/arch中的每个子目录代表了一种Linux支持的处理器。移植Linux到S3C2410平台主要是修改/arch/arm目录及其子目录下相关的makefile文件和配置文件。例如：修改内核根目录下的Makefile文件，指明要移植的硬件平台为A R M:A R C H:=a r m, 指明使用的交叉编译器C R O S S_C O M P I L E=/opt/host/armv41/bin/armv41-unknownlinux-;修改arm/arm目录下的config.in文件，配置S3C2410的相关信息;为初始化处理器，还需在arch/arm/boot/compressed目录下添加head-s3c2410.s文件。内核修改完成后，用命令m a k e m e n u c o n f i g配置Linux，再用make zImage命令编译内核，编译通过后则在目录arch/arm/boot下生成z I m a g e内核文件，还需利用工具软件M K C R A M F S制作cramfs文件系统。最后，在minicom终端的vivi命令行下利用load命令将内核和文件系统下载到目标系统，至此移植完成。
Boa的移植和C G I程序设计
由于嵌入式设备资源有限，并且不需要同时响应多用户请求，因此一般使用一些专门的W e b服务器用于嵌入式应用设计。B o a是单任务web服务器，源代码开放，性能高，支持CGI，能为CGI程序fork出一个进程来执行，其设计目标是速度和安全，可执行代码只有约6 0 K B。移植B o a的过程如下：从sourceforge.net上下载boa-0.94.13，在其解压目录下生成并修改makefile文件，然后运行make得到可执行程序，利用命令armv4lunknown-linux-strip将调试信息剥去，然后修改Boa的配置文件boa.conf，使其能支持CGI程序的运行。最后将生成的可执行程序Boa挂载到目标系统，若能成功访问静态HTML网页和运行测试用的C G I程序，则表明配置成功。
通用网关接口C G I可将W e b服务器连接到外部应用程序，它主要完成两件事情：一是收集从W e b浏览器发送给W e b服务器的信息，并将这些信息提供给外部程序利用;二是对提出请求的Web浏览器发送程序的输出。C G I具有平台独立性、语言独立性和层次感等优点。利用CGI程序则可以实时执行并输出动态信息，且其占用资源少。CGI程序的执行过程为：浏览器将表单数据以POST方法提交给Web服务器，服务器根据收到的数据设置环境变量，并新开一子进程来执行CGI程序，CGI程序从环境变量中读取所需要的数据，通过调用用户自定义的外部功能函数完成数据处理后，再读取相应的HTML模板文件，根据注释标记将对应的数据填充到H T M L文件中，生成新的H T M L页面经W e b服务器返回给浏览器。
为快速开发符合应用要求的C G I程序，在设计时添加了CGIC库和gd库。CGIC是一个功能强大的支持CGI开发的开放源码的标准C库。Thomas Boutell编写的gd库是标准的C语言库，具有基本的绘图等功能。为实现在网页上动态显示心电波形，将每次采集的数据经过功能程序处理后存储的同时送给C G I程序，利用gd库提供的函数来创建图像。通过在网页模块上设定刷新时间 (使用H T M L语言的M E T A标记) ，从而实现在网页上心电波形的动态显示。
主程序设计
主程序首先完成对系统的初始化，然后阻塞监听网络接口是否有连接请求，一旦客户端发出连接请求，则在服务器端产生中断;读取网络数据，然后对网络数据进行解析，这一步主要是解析H T T P协议，需要判断连接请求是否符合服务器规定的请求格式，判断是连接请求的请求方法，判断请求的文件是否存在服务器上，判断认证信息是否正确等等;在处理A/D采集的数据这一过程中，首先要将采集后的心电信号进行滤波处理，主要是抑制心电信号中的5 0 H z工频干扰，再完成滤波后，将数据送到本地的LCD上显示，同时将当前的数据以网页数据的格式发送到网口。
结语
本系统的设计定位于家庭医疗监护，通过在用于生理特征信息监测的嵌入式系统中集成Web服务器实现Internet的接入，从而实现用于远程家庭医疗的监护系统。其意义在于：设计出一套价格低且易于推广的远程家庭医疗监护系统，改变目前我国家庭医疗监护落后的状况;有效提高中老年人群心血管等慢性疾病的监护水平, 有利于提高中老年人群突发疾病患者的整体救治率;为医疗机构提供大量有价值的我国中老年人群疾病的原始数据进行科研工作。
摘要：设计了一种新型的低成本的家用远程医疗监护终端, 该终端采用B/S模式设计, 基于ARM9处理器S3C2410和嵌入式Linux操作系统, 通过移植嵌入式Web服务器---boa, 再配合信号采集处理等模块, 可实现对生理信号的实时采集、处理、存储和显示以及远程监护。
关键词：远程医疗,S3C2410,Linux
参考文献
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远程心电监护系统 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:
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。
参考文献
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远程心电监护系统 篇8
心脑血管疾病是全球头号杀手,具有隐蔽、突发、致死率高等特点,病发后的及时抢救是挽回心脑血管疾病患者生命的关键。因此,实时的心电监护系统在心血管疾病的预防和救治中将起到至关重要的作用[1]。传统的心电监护仪移动性差、扩展性差,复杂的设备和繁琐的连线给医生和病人带来了极大的不便[2]。根据上述背景,需要一款心电监护系统,能够在各种场合完成心电信号采集,并且可以由专业医护人员进行专业的诊断,根据上述需求,本文设计了基于Andriod平台的远程心电监护系统。
2系统结构
心电监护系统如图1所示,系统由心电信号采集和传输模块、Andriod手机和服务器组成。
心电信号采集和传输模块包括放大电路、滤波电路、模数转换器、蓝牙通讯芯片和控制芯片,主要负责采集心电信号并将采集的信号通过蓝牙传输给Andriod手机端。Andriod手机负责数据处理和无线收发数据。服务器分析和诊断心电信号。该系统具有小体积、低成本、低功耗、高性能等特点。
3系统实现
3.1心电信号采集和传输模块设计
心电信号是一种幅值在40μV-5m V,频率在0.01Hz-250Hz的微弱生理信号[3]。信号通过心电电极从人体采集到该模块后,需要经过前置放大、滤波,抑制零漂,减少共模信号的干扰,再经过进一步的信号放大和滤波,ADS1191芯片可以完成上述功能。
控制单元选用CC2540,该芯片整合了8051微控制器和蓝牙通讯功能。蓝牙功耗低,以无线连接为基础,与其它工作在相同频段的系统相比,蓝牙跳频更快,数据包更短,从而使蓝牙比其他通讯方式更加稳定[4]。控制单元CC2540接收到ADS1191传来的心电数据之后,以蓝牙通讯方式发送给Andriod智能终端。
3.2 Andriod手机APP设计
手机端APP实现数据处理显示和无线收发功能,通过蓝牙接收来自采集端的心电数据,然后将数据以波形的形式显示出来,同时将数据通过手机访问网络的功能上传至服务器。本文设计系统使用的手机基于Andriod5.1,开发环境选用Andriod Studio,APP界面如图2所示。
4结束语
经测试,本文设计的系统可以完成心电信号的实时采集,可以准确显示信号波形并且将数据上传至服务器进行简单的自动诊断或是令专业医护人员进行更进一步诊断。采集终端的蓝牙通讯灵活方便,只需要加上一台带有Andriod操作系统的智能终端,就可以完成心电信号的采集,并可以上传数据至服务器,可以广泛应用于社区医疗监护系统、医院医生的远程诊断和养老机构中。
参考文献
[1]郑凯,赵宏伟,张孝临.基于Zig Bee网络的心电监护系统的研究[J].仪器仪表学报,2008,29(09):1908-1911.
[2]王青,吴小培.基于Zig Bee无线网络的心电监测系统的设计与实现[J].工业控制计算机,2011,24(04):18-20.
[3]李淑园.可穿戴式智能心电设备的研究[D].北京工业大学,2015.