心電監(jiān)護儀應用案例之遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)設計

目前世界上 有很多心臟疾病患者由于得不到及時的救助，生命常常受到威脅。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護儀（什么是心電監(jiān)護儀）限制了患者的自由，而且不具備實時監(jiān)護功能，對于那些威脅到患者生命的突發(fā)疾病幫助不大。隨著無線通信技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了便攜式監(jiān)護儀（監(jiān)護儀原理），這類儀器讓實時監(jiān)護成為可能。本文主要介紹了心電監(jiān)護儀應用案例之遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)設計。

利用GPRS無線數(shù)據(jù)通信技術，可以將實時監(jiān)護與Holter相結(jié)合，患者佩戴這種便攜式監(jiān)護儀（心電監(jiān)護儀的維護）可以自由活動，而且還能隨時隨地得到心電監(jiān)護。當有緊急情況發(fā)生時，醫(yī)生可以根據(jù)全面的心電數(shù)據(jù)分析患者心臟狀況，使患者得到即時的救助。

一、遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)概述

遠程心電實時監(jiān)護系統(tǒng)包括四個部分：監(jiān)護儀(病人終端)、PDA(醫(yī)生終端)、監(jiān)護服務器以及心電數(shù)據(jù)服務器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)護儀由患者隨身佩帶，以400Hz或500Hz的采樣頻率對患者心電信號采樣，并把心電數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS網(wǎng)絡發(fā)送給監(jiān)護服務器，數(shù)據(jù)的實時性由監(jiān)護服務器和監(jiān)護儀之間的控制信息控制。

PDA接收來自監(jiān)護服務器的數(shù)據(jù)，并根據(jù)心電分析的結(jié)果通過數(shù)據(jù)服務(GPRS數(shù)據(jù)服務)和短消息(SMS)通知監(jiān)護儀。監(jiān)護服務器負責接收轉(zhuǎn)存病人端全部心電數(shù)據(jù)，實時分析及回放分析;同時向PDA轉(zhuǎn)發(fā)實時心電數(shù)據(jù)，利用控制信息來協(xié)調(diào)實時心電數(shù)據(jù)的收發(fā)。

心電數(shù)據(jù)服務器存儲所有心電數(shù)據(jù)、患者信息以及設備信息，除了在監(jiān)護過程中存儲心電數(shù)據(jù)外，心電數(shù)據(jù)服務器還負責注冊患者和設備信息及管理數(shù)據(jù)庫遠程訪問等任務。

二、 監(jiān)護儀硬件平臺簡介

監(jiān)護儀硬件主要由單片機、電源模塊、心電信號采集放大模塊、擴展NAND Flash、LCD驅(qū)動模塊及GSM/GPRS無線通信模塊組成。

三、軟件系統(tǒng)關鍵技術

監(jiān)護儀軟件系統(tǒng)的核心是管理Flash、GPRS網(wǎng)絡、無線模塊的GSM功能及LCD。

3.1 Flash管理

Flash存儲器用于存儲心電數(shù)據(jù)和控制信息，以保證心電數(shù)據(jù)在斷電時不遺失及日后查看監(jiān)護過程的相關控制信息。

內(nèi)存映射(Memory Map)模型把Flash作為一個整體，各種不同數(shù)據(jù)按照類別預先分配存儲空間。操作Flash數(shù)據(jù)時，首先把內(nèi)部索引(譬如數(shù)據(jù)索引或者消息索引)映射到分區(qū)地址，剔除無效存儲單元，再通過Flash操作函數(shù)讀取或?qū)懭胂鄳臄?shù)據(jù)。

3.1.1 Flash分區(qū)結(jié)構(gòu)

(1)Head Seg：大小為1個塊(Block)，用于存儲分區(qū)版本號、壞塊表及其余分區(qū)的基本信息，包括分區(qū)起始地址(BaseAdd)、分區(qū)跨度(以塊為單位)、分區(qū)最高地址、數(shù)據(jù)區(qū)(Data Seg)中的數(shù)據(jù)范圍、數(shù)據(jù)區(qū)中數(shù)據(jù)的格式(FMT)、消息區(qū)(SMS Seg)所有消息的聯(lián)系人列表等，每個分區(qū)的基本信息占一頁(Page)。

本分區(qū)占Flash存儲器的第一個塊。根據(jù)Flash的技術資料可知，第一塊正常使用時不會出現(xiàn)無效存儲單元，因此許多關鍵數(shù)據(jù)保存于此。

(2)SMS Seg：大小為20個塊，即20個連續(xù)的有效塊。每個塊存儲一條消息的位圖，消息的到達時間、發(fā)送者存儲在該Block的第一頁(該塊中相對地址為0的頁)。消息存滿則從頭開始覆蓋已有消息，利用消息的索引號來尋址。

(3)Data Seg：大小為1000個塊，即1000個連續(xù)的有效塊，用于存儲心電數(shù)據(jù)。如果采樣頻率為400Hz，采樣位數(shù)為8位，數(shù)據(jù)區(qū)可存儲11.37小時的原始心電數(shù)據(jù)，所有的心電數(shù)據(jù)從采樣起始點0開始依次編號即心電數(shù)據(jù)索引，利用該索引尋址。

Flash分區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.1.2 Flash接口函數(shù)

Flash的讀操作，首先從存儲單元中以頁(page)為單位把數(shù)據(jù)讀入Flash內(nèi)部的寄存器中，然后再把數(shù)據(jù)導入處理器的存儲器。讀操作的操作耗時為幾十微秒，與單片機的指令周期大致匹配。讀操作以頁為基本單元，以讀取整頁數(shù)據(jù)效率最高。Flash頁讀取操作一般不會產(chǎn)生錯誤，F(xiàn)lash文件系統(tǒng)會有糾錯操作，最簡單的糾錯碼可以把非連續(xù)的單個位錯誤改正。而對于當前處理器上的內(nèi)存映射模型，糾錯碼的引入將大大降低運行效率，因此不做糾錯處理。

(1)FlashPageRead()：首先鎖存起始操作字節(jié)的行列地址，送入Read指令，隨后的每個讀操作時序把當前字節(jié)讀出，當前地址指針加1并把數(shù)據(jù)存儲到讀操作緩沖區(qū)中，同時調(diào)用函數(shù)時須給出讀出字節(jié)的總數(shù)。

Flash的寫操作，又稱為對Flash的編程，即把數(shù)據(jù)存儲到Flash存儲單元中。存儲單元事先必須已擦除(Erase)過才能寫入數(shù)據(jù)。寫操作耗時為幾百微秒，擦除操作耗時最多為幾毫秒，在數(shù)量級上已大大超過了RAM的寫操作。

利用內(nèi)存映射模型操作Flash的難點在于合理調(diào)度使Flash存儲單個字節(jié)的耗時與處理器的指令周期相匹配。每次寫操作要盡可能多地寫入數(shù)據(jù)，一般每頁(512B)寫入一次。寫操作與擦除操作可能產(chǎn)生壞塊，因此須通知主程序是否產(chǎn)生壞塊。

(2)FlashProgram()：首先鎖存寫入數(shù)據(jù)起始字節(jié)的行列地址，隨后按照函數(shù)調(diào)用時給定的寫入數(shù)據(jù)總數(shù)，每個寫操作時序向Flash寄存器存儲一個字節(jié)的數(shù)據(jù)。當寄存器滿，送入Program操作指令即可把寄存器中的數(shù)據(jù)存儲進入物理存儲單元中。

(3)FlashECGDMap()：根據(jù)分區(qū)內(nèi)頁索引和壞塊列表檢索出實際的操作頁地址。首先把分區(qū)內(nèi)頁地址換算為理想實際地址，即不考慮壞塊，然后檢索壞塊列表及剔除無效地址并給出實際操作地址。

(4)FlashStoreECGData()：在數(shù)據(jù)分區(qū)中存儲心電數(shù)據(jù)，首先檢查Flash是否處于繁忙狀態(tài)，若空閑則立即占用Flash，把采樣數(shù)據(jù)導入Flash寫緩沖。

如果寫緩沖達到存儲操作條件，則調(diào)用FlashECGDMap()獲取實際的操作地址并檢查是否Flash的該操作塊需要擦除。若需要擦除，則調(diào)用FlashErase()函數(shù)，擦除狀況檢查完畢即調(diào)用FlashProgram()保存數(shù)據(jù)。若所有操作完畢，則釋放Flash的控制權。

(5)FlashLoadECGData()：從數(shù)據(jù)分區(qū)中讀取一定字節(jié)數(shù)的心電數(shù)據(jù)。首先需要在Flash空閑狀態(tài)下獲取Flash的控制權，隨后利用 FlashECGDMap()獲取實際操作地址并判斷是否出現(xiàn)跨頁讀操作。如果不需跨頁，則調(diào)用FlashPageRead()，讀出相應數(shù)據(jù)到讀緩沖即可;若跨頁，則分別在兩頁分兩次讀取規(guī)定字節(jié)個數(shù)的連續(xù)心電數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS網(wǎng)絡接口設計

硬件平臺的通信模塊是Wavecom公司的2406B。GPRS又稱無線分組服務，用于在GSM網(wǎng)絡上傳輸數(shù)據(jù)。在進行GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送的同時，短消息和語音服務不會被禁止，但GPRS數(shù)據(jù)服務和GSM服務不能同時進行。2406B模塊的GPRS上行速率可以達到10kbps，通過設置數(shù)據(jù)發(fā)送串口的波特率為9 600bps，可使數(shù)據(jù)進出流量匹配。

3.2.1 2406B模塊初始化

首先設置2406B中兩個串口的波特率、綁定的數(shù)據(jù)類型及模塊時鐘。串口1綁定GPRS數(shù)據(jù)，串口2綁定GSM數(shù)據(jù)。串口1的波特率設置為9 600即可使網(wǎng)絡與接口速率匹配;串口2返回模塊控制字，設置為19 200的波特率即可與處理器運行速度匹配。同時還要為模塊設置當前時間。

AT指令見表1中“AT指令序列1”。其次通過AT指令連接GPRS網(wǎng)絡和服務器。AT指令見表1中“AT指令序列2”。

模塊的OpenAT程序?qū)崿F(xiàn)了TCP/IP協(xié)議，同時把漢字字模加入模塊。指令序列2 中的AT指令按照順序設置成功后即建立TCP/IP連接，模塊即進入數(shù)據(jù)模式。

此時通過串口送入的所有數(shù)據(jù)全部作為網(wǎng)絡數(shù)據(jù)送交網(wǎng)絡，送入即Ctrl-C(0x03)將斷開TCP連接，若要向服務器發(fā)送0x03，須發(fā)送數(shù)據(jù)對，此時保持網(wǎng)絡并向服務器發(fā)送0x03。

3.2.2 網(wǎng)絡模型及接口函數(shù)

數(shù)據(jù)傳輸過程分為注冊階段和數(shù)據(jù)發(fā)送階段。

在注冊階段，監(jiān)護儀向服務器發(fā)送注冊認證數(shù)據(jù)報。內(nèi)容包括設備序列號(Machine ID)、數(shù)據(jù)格式(FMT)、采樣頻率、采樣位數(shù)、采樣環(huán)境工頻頻率、AD轉(zhuǎn)換高低電壓和直流偏置、數(shù)據(jù)壓縮方法以及采樣起始時間。服務器收到注冊數(shù)據(jù)后進行身份驗證，驗證通過則發(fā)送回應消息，即為服務接納的時間和聯(lián)系人列表。監(jiān)護儀收到回應消息即進入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。

數(shù)據(jù)發(fā)送階段，監(jiān)護儀向服務器發(fā)送實時心電數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送策略有兩種：注重“實時性”的發(fā)送策略，定義當前采樣點至其前1分鐘的心電數(shù)據(jù)為“實時心電數(shù)據(jù)”，享有發(fā)送的優(yōu)先權，“補發(fā)數(shù)據(jù)”在“實時心電數(shù)據(jù)”發(fā)送完畢以后發(fā)送;注重“連續(xù)性”的發(fā)送策略，以保持數(shù)據(jù)完整性為目標，“補發(fā)數(shù)據(jù)”享有數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先權，服務器申請的數(shù)據(jù)會被優(yōu)先發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送階段病人及設備的各種異常狀況定義為“報警消息”發(fā)送給服務器。

網(wǎng)絡狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3，由此設計的網(wǎng)絡接口函數(shù)為：(1)TransData()：負責發(fā)送實時數(shù)據(jù)、補發(fā)數(shù)據(jù)和發(fā)送報警消息，其中報警消息具有最高優(yōu)先級，連續(xù)性的發(fā)送策略補發(fā)數(shù)據(jù)優(yōu)先級高于實時數(shù)據(jù)，實時性的發(fā)送策略發(fā)送優(yōu)先級與連續(xù)性策略相反;(2)ECGRegister()：負責建立與服務器之間的ECG連接，函數(shù)定時發(fā)送注冊信息包和完成注冊過程確認。

3.3 GSM功能接口

GSM功能包括：短消息收發(fā)、信號強度獲取、時間獲取、電量獲取、按鍵消息通知、發(fā)聲。這些都依靠無線模塊串口2以AT指令進行配置和查詢。

使用的AT指令有：“AT+CNMI=0，1，1，1，0”，配置短消息格式;“AT+CSMP=17，169，0，8”，文本采用Unicode編碼; “AT+CMGF=1”，短消息發(fā)送采用TXT格式;“AT+CSCA=<短消息服務中心號碼>”，設置短消息服務中心號碼。

“AT+ CMGS=<號碼>r<短消息內(nèi)容>Ctrl-Z”，向<號碼>發(fā)送短消息;“AT+CSQ”，獲取信號強度，格式為“+CSQ：<信號強度>，xx”;“AT+CCLK?”，獲取當前時間，格式為“+CCLK：yy/mm/dd hh：mm：ss”。

“AT+ADC?”，獲取電池電量，以毫伏為單位，格式為“+ADC：xxxx，……”;“AT+CMER=，1”，配置模塊返回按鍵產(chǎn)生的消息，消息結(jié)構(gòu)為“+CKEY：，<0 or 1>”;“AT+WTONE=1，2，4000”，讓蜂鳴器發(fā)出頻率為4000Hz的聲音;“AT+WTONE=0”，停止發(fā)聲。

模塊接收到的短消息以0xAA為通知碼，接著是發(fā)送者號碼，隨后是短消息的Bitmap，可直接用于顯示，短消息不保存在模塊中，并僅在串口2給出通知。

3.4 LCD顯示

硬件平臺使用80×160點陣的單色LCD，軟件維護一個微型字庫，包括幾十個漢字以及所有ASCII符號中的可見字符，供界面顯示使用。無線模塊自帶漢字庫，可以直接顯示收到的SMS。預存的短消息維護在單片機的程序存儲器中，每條預存消息有Unicode和Bitmap兩種格式，Unicode用于發(fā)送，Bitmap用于顯示。

四、 監(jiān)護儀軟件功能

利用中斷將數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送分離。數(shù)據(jù)采集、存儲和解析組成一個事務集;數(shù)據(jù)發(fā)送與短信瀏覽、監(jiān)護狀態(tài)顯示及緊急求救報警等事務組成另一個事務集。兩個事務集并行運行，F(xiàn)lash存儲器及其中的數(shù)據(jù)和消息為關鍵資源。

4.1 心電實時監(jiān)護

心電實時監(jiān)護即心電數(shù)據(jù)采集、存儲、發(fā)送。監(jiān)護程序流程圖如圖4。

4.2 醫(yī)囑短信收發(fā)

監(jiān)護儀可以向服務器、醫(yī)生、親人等發(fā)送預設消息，同時可以接收聯(lián)系人的短消息。圖5(a)為預設短消息發(fā)送界面。

4.3 監(jiān)護狀態(tài)顯示

監(jiān)護過程嵌入心電分析算法可獲得監(jiān)護狀態(tài)參數(shù)，如嵌入了R波檢測算法，可以獲取心率參數(shù)。心電分析算法由算法組負責，此處不加敘述，界面見圖5(b)。

4.4 緊急求救報警

病人感覺不適時可按下緊急求救按鈕，監(jiān)護儀即進入報警模式，可以向服務器、醫(yī)生、親屬以數(shù)據(jù)消息和短消息兩種方式求救，界面見圖5(c)。

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