基于Linux／QT與GPRS的遠程集群式心臟病人實時診斷系統(tǒng)

摘要：根據(jù)當(dāng)今社會醫(yī)療監(jiān)護的發(fā)展需求，提出了一種遠程集群式心臟病人實時診斷設(shè)計方案，以ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，使用Linux／QT完成控制程序人機界面的編寫，通過ZigBee無線通信協(xié)議完成患者體征數(shù)據(jù)采集，通過GPS信息采集實現(xiàn)人機接口與信息分析診斷中心的GSM／GPRS／3G通信，實現(xiàn)了實時診斷。
關(guān)鍵詞：遠程集群；Linux／QT；ZigBee；通信協(xié)議；GPRS

0 引言
    在當(dāng)今社會，人們的生活水平普遍提高，工作強度越來越大，營養(yǎng)的過剩和運動量的減少，導(dǎo)致心腦血管疾病的發(fā)病率是越來越高。隨著社會老齡化趨勢的加劇，解決長期慢性病的監(jiān)護特別是心腦血管疾病的監(jiān)護已經(jīng)是重要的社會問題。隨著GPRS遠程通信技術(shù)和短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，實時遠程監(jiān)控技術(shù)也逐步成熟，GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費用相對低廉，傳輸速率較快。ZigBee短距離無線通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。但現(xiàn)有的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)和遠程移動心電監(jiān)護系統(tǒng)在實際臨床推廣中，尤其是對院外高危心臟病人的監(jiān)護，仍然存在諸如病人活動范圍受限、不具備同時多人監(jiān)護功能、不具備病人地理定位功能等不足，并未開發(fā)出成熟、實用的系統(tǒng)。本文解決了嵌入式Linux／QT人機界面、GPRS遠程通信、ZigBee無線通信同步實時監(jiān)護心電、血壓、血氧、體溫等多生理參數(shù)并傳送等相關(guān)技術(shù)難點，分析了其各自基本特點和所要實現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux／QT嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS無線通信的心臟病人實時診斷系統(tǒng)的總體解決方案。

1 系統(tǒng)遠程移動終端總體設(shè)計方案
    本文是把先進的無線通信技術(shù)和計算機技術(shù)應(yīng)用于遠程監(jiān)護系統(tǒng)，針對心腦血管疾病患者在醫(yī)療監(jiān)護方面的特殊背景及臨床救助要求，研制基于無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的遠程集群診斷急救系統(tǒng)，用戶通過各種便攜或手持無線通信設(shè)備將病人重要的生理信息通過無線通信方式實時、準確、快速地傳送到遠程醫(yī)療中心，使病人在家庭、社區(qū)隨時可以享受醫(yī)療服務(wù)并得到醫(yī)生的專業(yè)指導(dǎo)，從而實現(xiàn)遠程急救、遠程監(jiān)護、遠程會診，最大限度防止患者發(fā)生猝死。這樣不僅可以加強對危重病人和心血管等突發(fā)性疾病的預(yù)防監(jiān)護和實施急救，還可以實現(xiàn)醫(yī)院資源共享，提高醫(yī)療服務(wù)水平，減小病人的負擔(dān)，提高人民的生活質(zhì)量和健康水平。同時，針對偏遠地區(qū)或者農(nóng)村的病人，交通不便，醫(yī)療資源有限，看病難、看病貴的問題。
    遠程移動終端硬件系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

    遠程移動終端的硬件采用模塊化設(shè)計，以ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有心電數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個系統(tǒng)的控制核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動運行，處理數(shù)據(jù)，同時，控制器還采用Linux／QT完成人機界面的編寫，通過ZigBee無線通信協(xié)議完成患者體征數(shù)據(jù)采集，通過GPS信息采集實現(xiàn)人機接口與信息分析診斷中心的GSM／GPRS／3G通信、電源管理等功能。
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2 數(shù)據(jù)的采集、處理與傳輸
2．1 數(shù)據(jù)采集模塊
    完成患者生理信號的采集、放大和濾波過程；為ARM11S3C6410系統(tǒng)提供能直接讀取的信號，采集終端生理信息存儲時間為24 h以上；在遠程移動終端中集成GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r采集GPS芯片輸出的地理位置信息。將已壓縮的患者心電等信息和GPS經(jīng)緯度及高度等信息通過GPRS／3G通信網(wǎng)絡(luò)上傳給信息分析診斷中心的數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)患者心電等出現(xiàn)異常時，信息分析診斷中心的GIS系統(tǒng)根據(jù)移動終端上傳的GPS信息自動指示病人目前所處的地理位置。為信息分析診斷中心實時提供患者的地理信息，使患者能夠得到快捷、準確的救助。
    需要采集患者的體征信息如下：
    (1)心電：包括心電波形、心率。心電波形采樣率為300 Hz。
    (2)血氧：包括血氧波形、脈率。血氧波形采樣率為50 Hz。
    (3)血壓：包括收縮壓、舒張壓和平均壓。
    (4)體溫、呼吸。
2．2 數(shù)據(jù)處理模塊
    數(shù)據(jù)處理模塊的硬件設(shè)計是以ARM／SoPC芯片為核心；在ARM／SoPC中集成了相應(yīng)的處理器；在處理器上移植了嵌入式操作系統(tǒng)。后臺專家分析診斷急救系統(tǒng)則是運行在操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件；軟件中的專家系統(tǒng)根據(jù)采集患者生理信息，對患者的實時狀態(tài)做出判斷，給出相應(yīng)級別的救治建議。主要功能如下：
    (1)心律失常分析，對大量心率數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析；
    (2)血壓狀態(tài)監(jiān)護的模糊判斷；
    (3)體溫、血氧生理指標(biāo)的模糊判斷。
    結(jié)合以上體征指標(biāo)的統(tǒng)計分析和模糊判斷，智能專家系統(tǒng)推理判斷患者的實時狀態(tài)，提供相應(yīng)的救治意見。
2．3 數(shù)據(jù)傳輸模塊
    遠程集群實時診斷急救系統(tǒng)由移動終端和信息分析診斷中心兩部分組成，一個信息分析診斷中心可以同時監(jiān)護多個病人，實時的接收、存儲、處理遠程用戶終端通過GSM／GPRs／3G無線移動網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)，遠程移動終端數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    BSSG基站系統(tǒng)用以實現(xiàn)BSS和SGSN之間路由和其他信息的傳送。SGSN的主要作用是記錄移動臺的當(dāng)前位置信息，并且在移動臺和GGSN之間完成移動分組數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GGSN主要是起網(wǎng)關(guān)作用，它可以和多種不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)連接，如ISDN，PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM網(wǎng)中的GPRS分組數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，從而可以把這些分組數(shù)據(jù)包傳送到遠端的TCP／IP或X．25網(wǎng)絡(luò)。
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3 終端數(shù)據(jù)采集與分析
    整個系統(tǒng)在實際工作中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)堵塞的問題，在終端系統(tǒng)的設(shè)計中首先進行前期的數(shù)據(jù)分析與處理，如圖3所示，采用每1 min進行一次基于多權(quán)值算法求平均值，然后只需對所求值進行傳輸就可以，減少了傳輸數(shù)據(jù)，增強了數(shù)據(jù)傳送的穩(wěn)定性。

4 系統(tǒng)軟件
    系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開發(fā)的操作系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計。在此只保留了必須的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運行所需的硬件資源顯著減少。Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準因特網(wǎng)協(xié)議和技術(shù)所有的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應(yīng)用于遠程集群式心臟病人實時診斷系統(tǒng)的設(shè)計，具有代碼量小、運行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高，開發(fā)周期短等優(yōu)點，適應(yīng)實時診斷系統(tǒng)采集控制及傳輸要求。QT作為一種跨平臺的基于C++的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強大功能。本文選用移植性強的QT軟件設(shè)計圖形用戶界面，所設(shè)計的GUI實用、簡潔，實現(xiàn)了人機交互，可通過對程序進行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時信息及時輸出顯示達到整合系統(tǒng)的目的。本文采用QT應(yīng)用進程之間通信機制SignalSlot和FIFO機制。Linux系統(tǒng)不斷偵查本地GUI信息，任何一個QT消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會立即執(zhí)行相應(yīng)程序，提高整個系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性。系統(tǒng)人機界面Linux／QT執(zhí)行程序及相關(guān)硬件掛載如下：
   
   

5 結(jié)語
    系統(tǒng)的設(shè)計利用ARM11S3C6410的硬件功能及處理速度，移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，完成了基于Linux／QT的人機界面的程序開發(fā)與編寫，解決了包括基于S3C6410的GPRS遠程通信，數(shù)據(jù)傳送等多項技術(shù)難點。試驗產(chǎn)品控制效果良好，驗證了本系統(tǒng)的先進性、穩(wěn)定性與實用性，具有推廣與應(yīng)用的價值。