遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

摘要 心血管疾病具有突發(fā)性和高危險(xiǎn)性，為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)病情，需要對(duì)患者進(jìn)行有效監(jiān)護(hù)。文中設(shè)計(jì)了一套遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件，通過(guò)對(duì)MC9S12XS128單片機(jī)底層程序的設(shè)計(jì)，完成了對(duì)心電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和GPRS模塊的AT指令控制，由此實(shí)現(xiàn)心電信號(hào)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。操作簡(jiǎn)單、界面友好的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)部分采用了LabVIEW圖形化編程環(huán)境，對(duì)采集到的心電信號(hào)進(jìn)行分析、處理、顯示以及存儲(chǔ)，操作者可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)者的心電情況，便于及時(shí)做出診斷，及早治療，同時(shí)設(shè)置了自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞 心電監(jiān)護(hù)；無(wú)線傳輸；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

    隨著人們生活和工作節(jié)奏的不斷加快，心血管疾病已逐漸成為威脅人類(lèi)生命安全的主要疾病，發(fā)病率明顯上升，并呈低齡化趨勢(shì)發(fā)展。通過(guò)心電信號(hào)發(fā)現(xiàn)并及時(shí)診治心血管疾病，是降低發(fā)病率和死亡率的有效途徑。
    利用當(dāng)前日趨成熟的電子、通信和計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一套操作簡(jiǎn)單、攜帶方便、價(jià)格適宜的遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用價(jià)值。患者可以隨時(shí)隨地對(duì)自己的心臟狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)護(hù)，減輕了奔波勞累和經(jīng)濟(jì)開(kāi)支、節(jié)省了時(shí)間和社會(huì)醫(yī)療資源；患者在熟悉的環(huán)境中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了心電信號(hào)的準(zhǔn)確性，從而為病情的發(fā)現(xiàn)和診治贏得了時(shí)間；對(duì)于行動(dòng)不便或自理能力較差的用戶(hù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，遇到病情突變時(shí)能夠迅速報(bào)警，為患者提供及時(shí)的救助。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
    選擇以GPRS通信技術(shù)為平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套基于飛思卡爾DSC的遠(yuǎn)程心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要包括心電采集、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)3部分。整體框架如圖1所示。

    心電信號(hào)采集模塊負(fù)責(zé)對(duì)患者的心電信號(hào)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)采集，同時(shí)輔以心電信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)采集到的微弱心電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，然后由微控制器控制遠(yuǎn)程通信模塊，將心電信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送到醫(yī)院中心監(jiān)測(cè)站的遠(yuǎn)程服務(wù)器，醫(yī)護(hù)工作人員操作遠(yuǎn)程服務(wù)器上的心電信號(hào)監(jiān)護(hù)軟件，對(duì)接收到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析，給出診斷意見(jiàn)，為患者的治療提供實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程指導(dǎo)；對(duì)一些突發(fā)病情，可以贏得寶貴的搶救時(shí)間。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與成果
    系統(tǒng)的硬件部分包括心電信號(hào)采集模塊和遠(yuǎn)程通信模塊兩部分。心電信號(hào)采集模塊主要包括電極、心電導(dǎo)聯(lián)系統(tǒng)、前置放大電路及右腿驅(qū)動(dòng)、高低通濾波電路、50 Hz陷波電路、后置放大及電平抬升電路等部分。遠(yuǎn)程通信模塊主要由MC9S12XS128單片機(jī)、GPRS模塊、SIM卡電路、電源電路組成。設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)樣機(jī)，在強(qiáng)烈的噪聲中仍能夠采集到準(zhǔn)確的心電信號(hào)，盡可能地減小了失真，如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
    遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件包括兩部分：監(jiān)護(hù)終端軟件和遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護(hù)軟件。監(jiān)護(hù)終端軟件即為單片機(jī)軟件，主要是完成心電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集控制、A／D轉(zhuǎn)換、發(fā)送等功能；遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護(hù)軟件則是醫(yī)院監(jiān)測(cè)中心的計(jì)算機(jī)軟件，主要完成心電信號(hào)數(shù)據(jù)的接收、顯示、存儲(chǔ)及報(bào)警等功能。
3．1 單片機(jī)程序
    單片機(jī)不僅要完成系統(tǒng)初始化設(shè)置，還要完成單片機(jī)的工作控制、無(wú)線傳輸控制等。為便于程序的調(diào)試、連接和修改，設(shè)計(jì)時(shí)分成3個(gè)模塊：(1)單片機(jī)主程序模塊：初始化心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)終端的各個(gè)模塊，控制各個(gè)模塊的工作狀態(tài)和工作流程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的總體功能。(2)心龜信號(hào)采集模塊：主要完成心電信號(hào)數(shù)據(jù)的采樣工作。(3)心電信號(hào)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊：完成無(wú)線傳輸芯片SIM300模塊的初始
化、傳輸控制等功能。
3．1．1 單片機(jī)主程序模塊
    單片機(jī)主程序模塊的流程圖如圖3所示。

    系統(tǒng)初始化：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)初始化包括鎖相環(huán)的初始化、串口初始化、A／D初始化等。(1)鎖相環(huán)的初始化。(2)串口初始化。單片機(jī)有兩個(gè)SCI模塊，可任選其一。SCI的初始化主要包括波特率設(shè)置、通信格式的設(shè)置、發(fā)送接收數(shù)據(jù)方式的設(shè)置等。(3)GPRS初始化。系統(tǒng)初始化結(jié)束后可以進(jìn)行GPRS初始化，GPRS初始化是通過(guò)SCI串口向SIM300模塊輸入AT指令，然后根據(jù)串口接收的返回值來(lái)完成，具體流程如圖4所示。

    其中當(dāng)“AT＼r＼n”的返回值為“OK”時(shí)，則表示成功啟動(dòng)SIM300模塊，否則表示啟動(dòng)失敗；當(dāng)“AT+CGATT?＼r＼n”的返回值為“1”時(shí)，則說(shuō)明GPRS打開(kāi)成功，否則說(shuō)明打開(kāi)失??；“AT+CIPSTART=<mode>，<IP address>，<port>＼r＼n”中mode表示通信協(xié)議，IPaddress表示遠(yuǎn)程服務(wù)器IP地址，同時(shí)要求該地址為公網(wǎng)IP地址，port表示遠(yuǎn)程服務(wù)器開(kāi)放的端口號(hào)，該指令的返回值為“CONNECT OK”時(shí)，表示登陸Internet成功，即GPRS的初始化即結(jié)束。
3．1．2 心電信號(hào)采集模塊
    心電信號(hào)數(shù)據(jù)的采集流程如圖5所示。其中A／D轉(zhuǎn)換之前應(yīng)按照要求對(duì)轉(zhuǎn)換位數(shù)、掃描方式、采樣時(shí)間、時(shí)鐘頻率及標(biāo)志檢查等方式進(jìn)行設(shè)置，然后通過(guò)控制寄存器發(fā)出轉(zhuǎn)換命令，即可實(shí)現(xiàn)A／D轉(zhuǎn)換。

3．1．3 心電信號(hào)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸模塊
    心電信號(hào)數(shù)據(jù)的傳輸是MC9S12XS128單片機(jī)通過(guò)SCI串口通信控制SIM300 GPRS模塊來(lái)完成。通過(guò)SCI串口向SIM300模塊輸入“AT+CIPATS =<MODE>，<TIME>”，以此來(lái)設(shè)定自動(dòng)發(fā)送的時(shí)間，其中MODE可以設(shè)置為0或者1，0表示不設(shè)定時(shí)器，1表示設(shè)定時(shí)器；定時(shí)的長(zhǎng)度由TIME設(shè)置具體的數(shù)值，單位s。接著輸入指令“AT+CIPSEND”，等待返回“>”后輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，定時(shí)一到自動(dòng)發(fā)送輸入的數(shù)據(jù)。當(dāng)返回值為“SEN D OK”時(shí)，表示發(fā)送結(jié)束。具體的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖6所示。

3．2 遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)
    計(jì)算機(jī)軟件選擇LabVIEW設(shè)計(jì)完成。LabVIEW是由美國(guó)NI公司設(shè)計(jì)的圖形化編程軟件，專(zhuān)門(mén)用于數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達(dá)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、通信、電力、汽車(chē)、電子半導(dǎo)體、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
3．2．1 數(shù)據(jù)顯示模塊
    心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的前面板如圖7所示，數(shù)據(jù)顯示主要包括心電信號(hào)波形顯示、檢測(cè)結(jié)果顯示以及報(bào)警顯示。

    心電信號(hào)波形顯示的是從串口接收到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的心電曲線。醫(yī)院中心監(jiān)測(cè)站的工作人員隨時(shí)觀察、分析患者的心電信號(hào)波形，及時(shí)給出診斷意見(jiàn)。
    檢測(cè)結(jié)果顯示的是心電信號(hào)的峰值、谷值、峰峰值、R—R間期、頻率、心率。設(shè)計(jì)時(shí)選擇函數(shù)選板[Express]→[信號(hào)分析]子選板上幅值和電平測(cè)量、信號(hào)的時(shí)間和瞬態(tài)特性參數(shù)兩個(gè)函數(shù)分別測(cè)量心電信號(hào)的峰值、谷值、峰峰值和R—R間期、頻率。
    報(bào)警顯示部分是對(duì)所采集心電信號(hào)的心率判斷，然后用布爾指示燈顯示報(bào)警狀態(tài)。一般正常人心跳次數(shù)是60～100次／min，<60稱(chēng)為心動(dòng)過(guò)緩。成人每分鐘心率超過(guò)100次，稱(chēng)為心率過(guò)速。本設(shè)計(jì)中的判斷方法就是設(shè)定心率上限為100次／min，下限為60次／min。當(dāng)采集的心率低于60次／min時(shí)，點(diǎn)亮心動(dòng)過(guò)緩的指示燈；當(dāng)采集的心率高于100次／min時(shí)，點(diǎn)亮心動(dòng)過(guò)速的指示燈顯示心率異常報(bào)警狀態(tài)，提示醫(yī)護(hù)工作人員進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚怼?br /> 3．2．2 數(shù)據(jù)保存和回放模塊
    將采集的心電信號(hào)數(shù)據(jù)一方面在前面板上顯示，同時(shí)還要求保存，尤其是心電信號(hào)波形，醫(yī)護(hù)工作人員以后需要觀察和分析時(shí)可以隨時(shí)調(diào)用。LabVIEW本身不具備數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)功能，程序設(shè)計(jì)中采用了LabSQL工具包解決LabVIEW房屋內(nèi)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法。
    如果將波形文件直接存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，就會(huì)因?yàn)槊總€(gè)波形數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度都過(guò)大而增加數(shù)據(jù)庫(kù)的容量，造成系統(tǒng)運(yùn)行緩慢。因此考慮將波形文件以文本方式統(tǒng)一保存在“波形”的文件夾中，在數(shù)據(jù)庫(kù)中只記錄保存的路徑及文件名。在需要重新打開(kāi)波形文件時(shí)，先從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取它的保存路徑及文件名，然后通過(guò)它直接打開(kāi)波形文件。操作時(shí)只需點(diǎn)擊前面板上的“保存”按鈕，調(diào)用相關(guān)子程序就可以把心電信號(hào)波形保存到“波形”文件夾中。
    通過(guò)回放心電信號(hào)波形，醫(yī)生對(duì)病人的病情可以深入了解，全面考慮，做出正確診斷，從而能為患者提供更為準(zhǔn)確、有效的治療方法。操作時(shí)，醫(yī)護(hù)工作人員只要點(diǎn)擊“回放”按扭，在彈出“波形”文件夾中選擇相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)，就可以看到先前保存的波形數(shù)據(jù)。
3．2．3 遠(yuǎn)程服務(wù)器監(jiān)護(hù)軟件的測(cè)試
    利用LabVIEW提供的[信號(hào)處理]→[信號(hào)生成]函數(shù)選板上的信號(hào)函數(shù)作為監(jiān)護(hù)軟件測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)源；運(yùn)行軟件，能夠?qū)⑿盘?hào)波形顯示在前面板上，并對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和判斷，圖8為選擇了一個(gè)周期Sine信號(hào)的做的測(cè)試結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)
    完成了遠(yuǎn)程心電信號(hào)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，但某些內(nèi)容的研究不夠深入全面，還存在許多不足之處。今后將從以下幾個(gè)方面繼續(xù)努力研究：(1)日趨成熟的3G技術(shù)將是未來(lái)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的通訊方式，這樣能夠大幅度地改善傳輸速度和精度。(2)遠(yuǎn)程服務(wù)器的監(jiān)護(hù)軟件設(shè)計(jì)上可以更好地借助LabVIEW提供的各種函數(shù)，結(jié)合心電信號(hào)處理算法，對(duì)采集到的心電信號(hào)數(shù)據(jù)做更深入的分析處理，優(yōu)化監(jiān)護(hù)軟件的功能，使得遠(yuǎn)程無(wú)線心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)更加人性化、智能化。