1、 I 摘要 心脏类疾病具有突发性和高危险性，为了及时发现病情，需要对心脏类疾病患者进行有效监护。目前国内的心电监护倾向于在医院进行实时监护，这种监护手段价格昂贵，普通患者难以负担，同时也限制了病人的活动范围。心电监护仪作为一种新型的远程医疗监护设备，实时性强，方便灵活，为心脏病人的诊断和治疗提供了一个有效的手段。 本文的目的是设计一套基于 Linux 的嵌入式心电监护仪。它可以推广到家庭或社区医疗中，并能在任何时间、任何范围内对患者的多项生理参数 (包括心电、呼吸、脉博、体动等 )进行实时监测，从而对心脏病患者或者有潜 在心血管疾病的亚健康人群起到预防和保健作用。 本文设计的基于 GPRS的嵌
2、入式心电监护仪，综合嵌入式系统技术和 GPRS无线传输通信技术的优势，利用串口编程、多线程技术、 Socket技术实现心电数据的采集、显示、远程传输，然后经交叉编译后移植到所设计的嵌入式硬件平台上，成功实现对患者的实时监测。该监护仪采用嵌入式系统技术 ,不仅能对病人现场实时监护 ,而且能进行数据分析计算 ,具有成本低 ,体积小 ,重量轻 ,功耗低 ,性能稳定 ,网络功能强大等优点 ;通过 GPRS通信 ,它还能上传数据到监护中心以实现远程监护 ,具有速度快、成本低 、可扩展性好的优点。该监护仪为医疗仪器的构建和网络化提供了新的解决方案 ,具有一定的应用价值。在心电监护系统中引入嵌入式 Linu
3、x操作系统，将操作系统作为嵌入式系统软硬件协同开发的核心，合理管理和调度资源，为智能化应用提供软件应用平台，针对通用 Linux在实时性能方面的不足，提出以中断线程化、改进实时调度模块等技术为基础的实时性改造方案；以 GPRS（通用分组无线业务）网络作为数据通信手段，使监护仪既能作为现场心电图像信号分析、判断，提供完整的信息，又能及时将数据发送到任意指定的中央服务器，给专家会诊提供有效的 依据。 关键词 :心电监护 ,嵌入式系统 ,GPRS无线传输通信技术 II 目录 摘要 . I 第 1 章 绪论 . 1 1 1 课题背景及研究意义 . 1 1 2 国内外研究现状和发展趋势 . 2 1 3
4、论文主要工作 . 3 第 2 章 心电监护仪的总体设计方案 . 4 2.1 系统总体架构 . 4 2.2 嵌入式系统的搭建 . 5 2.2.1 嵌入式模块的选择 . 5 2.2.2 嵌入式软件的构建 . 6 2.3 网络通信方式的选择 . 7 第 3 章 客户端硬件和软件的设计与实现 . 8 3.1 客户端功能和体系结构 . 8 3.2.1 实时心电采集模块 . 9 3.2.2 嵌入式模块 . 10 3.2.3 无线传输模块 . 12 3.3 客户端软件设计与实现 . 13 3.3.1 实时任务模块 . 14 3.3.2 显示模块 . 15 3.3.3 网络通讯模块 . 15 3.4 小结 .
5、 18 第 4 章 服务器端中央监护系统软件设计与实现 . 19 4.1 中央监护系统软件功能 . 19 4.2 中央监护系统软件实现 . 19 4.2.1 远程接收模块 . 19 III 4.2.2 波形回放分析模块 . 20 4.2.3 波形存储和信息管理模块 . 20 4.3 小结 . 20 第五章 总结与展望 . 21 5.1 全文总 结 . 21 5.2 应用前景分析 . 21 5.3 展望 . 22 参考文献 . 231 第 1 章 绪论 远程监护 (Telemonitor)是一种通过对人体生理参数进行远程监测来研究 远 端监护对象健康状况的方法。它是实现远程医疗的基础，近年来远程
6、监护技术 在世界范围内已成为一个非常重要的研究领域 1。 1 1 课题背景 及研究意义 伴随着人们生活水平的提高，营养过剩和运动减少，生活和工作节奏的加快，社会老龄化的加剧，心脏病等心血管疾病的发病率明显上升。目前心脏病的死亡率远远高于其他疾病，是威胁人类生命安全的主要疾病，心脏病己成为威胁人类生命安全的“第一杀手”。由于心脏病具有病情隐蔽、发展缓慢、发病危险性高等特点，因此它对心脏病患者、特别是中老年心脏病患者的危害性极大，因此心脏系 统疾病的防治和诊断己成为当今医学界面临的首要问题。 另外，一些特殊的心脏病患者，在正常工作生活时发病，而到医院检查时症状消失，导致在医院无法检测到异常心电图，
7、无法对病情做出诊断，耽误了治疗的最佳时机，所以心电监护是有重要意义的。随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病的监护目前已经是重要的社会问题。怎样才能使病人在家庭中得到更好医疗保健，同时又减少病人家属及社会的负担，是现在摆在有关研究人员及医生面前的一个重要课题。 心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其它生物电信号相比心 电信号更易于检测并具有较直观的规律性。在医学发达的今天，心电信号的监测与处理仍是生物医学领域重要的研究对象之一，是医学上诊断心脏系统疾病十分重要的检测依据。因此及时通过心电信号来发现并预防心脏病的发生是减少心脏病人发病和死亡率的一个有效途径。心电学自上世纪初到
8、现在已经发展了一百多年。在这期间心电图检测技术本身不断发展完善，各种心电检测方法不断问世，到目前可以说心电检测已趋于成熟。以往的检测手段基本上都需要到医院在庞大的心电图仪器上进行检测，而心脏病人不可能每次发病时都具备到医院检测的条件，还有一点就是一些患 者在发病时感到不适，而到医院检查时症2 状消失，进行心电图检查时得不到明显异常的心电信号，这将影响对患者的诊断和治疗。因此导致了许多心脏病人病情不能得到及时诊断和治疗，延误了病情甚至导致死亡等严重后果 2。因此，开发一套携带方便、低成本的远程心电监护系统具有深远的理论研究意义和实践应用价值。 其具体意义如下： (1)使患者或医护人员减少了路途奔
9、波，节省了时间和社会的医疗资源； (2)把患者的监护在家中完成，即为患者节省了开支，又为医院节省了床位； (3)使患者在熟悉的环境中进行 检测，减少了患者的心理压力，提高诊断的准确性； (4)对于自理能力较差的老年人和行动不便的病人的实施远程监护，可以随时了解监护对象的健康状况在患者病情突变恶化时报警，为患者提供及时的救助。 1 2 国内外研究现状 和发展趋势 心电监护技术的发展经历 3了从最初的 Holter、 TTM心电监护、遥测心电监护、基于计算机网络的远程心电监护、基于移动通信的远程心电监护五个阶段。 随着医疗技术、无线技术和微电子技术的发展，对于心电信号等的生物遥感技术有了长足的进步
10、和提高。随着微电子技术和通讯技术的发展 ，无线心电监护仪发展呈现出多样化。 国外先进国家己经取得心电监护临床应用的实际效果，并且还在以更高的速度进行实质性的改进和提高。美国和欧洲各国都己经设立了专项基金，用来资助心电远程监护系统的发展。国外无线心电监护仪突出家用为主，以小型化、智能化为特色，一方面加强了 PDA(Personal Digital Assistant，个人数字助理 )和PC(Personal Computer，个人电脑 )在家庭环境中的数据处理功能；另一方面专注于智能生物传感器的应用，使电极从植入式到可佩带式，更加灵活方便；数据传输方式多 种多样，几乎涵盖了现今流行的各种无线方式
11、。 国内不少研究单位和企业也非常重视心电监护系统的研究，并已研制出了心电 Holter、心电 BP机和心电实时监护系统等设备。国内无线心电监护仪以中央集中监护系统和家用两方面并重，但更侧重于家用系统；均采用表面粘贴式电极；3 通讯方式由 RF无线射频（公共频段 433MHz）逐渐向蓝牙和 GPRS（通用分组无线业务）发展；采用多种多样的嵌入式芯片，从低端的 8位单片机（例如 8051系列）到利用专用 DSP芯片的数据处理功能，到高端的 ARM系列芯片，适应不同的成本要求 4。 随着嵌入式 技术与无线通讯技术的迅猛发展，各国对心电监护的不断研究，心电信息高速公路的发展和开通，未来的心电监护将会有
12、如下特点 5： 1.随时随地。不论是在工作或是休息，室内或是室外，只要需要，都可以监测心电信息，获取的心电信息将会更加全面。 2.方便。对被监测者来说，监护仪会像如今的手机一样使用方便，轻轻的按一个按扭，自身的心电信息就己经传送到医生处。 3.更加智能化。很多时候，并不需要医生的指导，监护仪会告诉您自身心脏的一些情况，以及是否需要医生的进一步诊断；在情况紧急的时候，还会提供相应的急救措施。 1 3 论 文主要工作 综合上述分析，本文基于传统的客户端 /服务器模式建立了一套面向社区或家庭的远程心电监护系统，并采用无线传输平台将客户端和服务器相连接。客户端心电监护仪对病人进行现场实时监测，包括对病
13、人心电信号的采集、显示、分析和保存，无线传输平台将生理信号实时传输到服务器端中央监护中心，进而完成心电数据的接收、集中监护、信息管理等，并通过专业医生诊断把诊断结果实时反馈给病人，从而使病人在院外也可得到专业、及时的诊断和治疗。 4 第 2 章 心电监护仪的总体设计方案 2.1 系统总体架构 系统采用 C/S 模式，由心电监护仪 (客户端 )和中央监护中心 (服务器端 )组成，如图 2.1 所示。 心 电 监 护 仪采 集模 块嵌 入式模 块嵌 入 式 心 电 监 护 系 统 N分 析 结 果G P R S 无 线 网 络分 析 结 果G P R S 无 线 网 络G P R SG P R S
14、无 线 传 输 平 台从 数 据库 读 取心 电 数据服 务 器 端 中 央 监 护 中 心图 2.1 远程心电监护的总体架构 客户端心电监护由监测患者和心电监护仪组成，心电监护仪由采集模块和嵌入式模块组成。采集模块通过内部的传感器完成病人生理信号的采集，嵌入式模块控制完成心电信号的显示、分析和远程传输 ;无线传输平台利用 GPRS 无线传输技术将心电数据传送到服务器端监护中心 ;中央监护中心可以同时监测多个病人的心电数据，并对接收到的心电数据加以分析和管理，一旦有异常情况，可将诊断报告和分析结果通过 GPRS 远程提示被测者。 5 2.2 嵌入式 系统的搭建 嵌入式系统由嵌入式硬件平台、嵌入
15、式操作系统和嵌入式应用软件三部分组成。其结构图如图 2.2 所示。要构建一个嵌入式系统，就要根据系统实际的需求，选择所需的硬件和软件。 嵌 入 式 应 用 软 件嵌 入 式 操 作 系 统嵌 入 式处 理 器硬 件 接 口外 围 设 备嵌 入 式 硬 件 平 台图 2.2 嵌入式系统结构图 2.2.1 嵌入式模块的选择 嵌入式操作系统专门负责存储器分配、中断处理、任务调度等功能，通常包括系统内核、底层驱动程序、设备驱动接口、图形用户界面 (GuD)等。目前常用 的嵌入式操作系统有 6windowseE、 EmbeddedWinXp、 EmbeddedLinux、 Vxwbrks等。 Windo
16、wsCE 适用范围广 ;EmbeddedWINdowsXP 和 Embedded Linux 主要用在工业控制和手机中 ;而 VxWOrks 主要用于工业控制领域。 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器，嵌入式处理器是将通用处理器中许多由 独立板卡完成的任务集成到嵌入式芯片内部。和通用处理器相比，它具有体积小、 可裁剪、成本低、可靠性高 7等优点，更加适用于为特定用户专门设计的系统中。目前嵌入式处理器以 ARM、 PowerPC、 MC68000、 MIPS 等体系结构使用得最为广泛，其中 ARM 系列嵌入式处理器具有低电压、低 功耗和高集成度等优点，并具有开放性和可扩性，已成为嵌入式系统首选的处理
17、器架构 8。 外围设备通常指具备存储、通信、显示等辅助功能的其它设备，按设备功能 6 划分包括存储设备、通信设备和显示设备 10三类。存储设备包括易失型存储器(SRAM、 DRAM)和非易失型存储器 (ROM、 EpROM、 EEPRoM、 FLASH)两种。其中 FLASH存储器可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜，在嵌入式存储设备中的应用最为广泛。通信设备常用的接口有 RS232 接口、 USB(通用串行总线接口 )、以太网接口等。显示 设备包括 LED 显示器、液晶显示器 (LCD)、 CRT 显示器和触摸屏等。 系统总体方案设计根据以上分析，综合考虑在嵌入式操作系统、嵌入式处
18、理器、外围设备这 3 方面的特性之后，本系统选用广州友善之臂科技有限公司提供的 mini244o 嵌入式模块取代传统的单片机作为中央控制模块。 mini2440 采用核心板一开发板结构，并且开发底板的电路原理图、 PCB 板图公开，在它的结构上进行研制开发心电系统，只需根据系统需求对开发底板进行裁剪。另外， mini244o可支持 WinCE 操作系统，实时性高，系统开发速度较快，满足系统 各方面需求 11。 2.2.2 嵌入式软件的构建 嵌入式系统在硬件选型完成之后，可以根据功能和应用的要求，开始软件的 功能和结构设计。嵌入式软件的开发与传统的软件开发有许多共同点，它继承了 许多传统软件的开
19、发习惯，但由于嵌入式软件运行于特定的应用环境，注定了嵌 入式应用软件的开发具有其自身的特点。 嵌入式软件一种典型的开发模式是宿主机一目标机 (Host 一 Target)模式12，如图 2.3 所示。 宿 主 机目 标 机图 2.3 宿主机 目标机模式 宿主机大多为通用的 PC 机，其操作系统大多为 WindowS 系 列或 Linux，用 于完成应用软件的编码和操作系统的裁剪。而目标机是指待开发的硬件平台，通 常目标机上的软硬件是可以裁剪和配置的。这种开发模式首先要在宿主机上建立 一个交叉开发环境，完成目标机相应的软件功能，然后通过串口或网络口将交叉 编译好的代码传输并装载到目标机上，并在编
20、译环境或者操作系统的支持下进行 7 调试和分析，最后目标机在特定环境下脱离宿主机能够单独运行。 2.3 网络通信方式的选择 目前，常见的无线广域通信网络主要有 GPRS、 CDMA 等网络制式类型 13。 GPRS 网络制式 GPRS 是 GeneralPaeketRadioServiee 的英文简称，中文是通用无线分组业 务，是一种基于 GSM 的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线 IP 连接。 通俗地讲， GPRS 是一项高速数据处理的技术，方法是以分组的形式发送数据，每个用户只在有业务数据传送时，才动态地申请和占用无线资源。 GPRS 特别适用于间断的、突发性的和频繁少量的数据传
21、输，也适用于偶尔的大数据量传输。虽然 GPRS 是作为现有 GSM 网络向第三代移动通信过渡的技术，但它在很多方面具有一定的优势和潜力。 CDMA 网络制 式 CDMA 是码分多址 (eodeoivisionMultipleAeeess)的英文缩写，是在扩频技术上发展起来的崭新成熟的无线通信技术。 CDMA 允许所有的使用者同时使用全部频带，并且把其他使用者发出的信号视为杂信号，完全不必考虑信号碰撞的问题。 CDMA 在通话质量、掉话率、抗辐射等方面具有明显优势。 由于 GPRS 网具有以下优势脚 14:接入范围广，可充分利用覆盖全国的电信 网络 ;高速传输，数据传输最高可达到 171kbPs;实时在线，病人一旦联网，将始终处于在线状态，这将使用户端数据传 输变得十分方便 ;登陆快捷，只需一个激活的过程，一般只需 15 一 35 的时间马上就能接入 GPRS 网 ;按量计费，病人可以一直在线，按照用户接收和发送数据包的流量来收取费用。综合考虑各方面因素，本文无线传输采用 GPRS 网络制式进行传输。
