基于无线通信的心电生理信号远程监护系统

宁文双， 梁 婷， YUAN Yong J

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

基于无线通信的心电生理信号远程监护系统

宁文双， 梁 婷， YUAN Yong J

（西南交通大学材料科学与工程学院，四川成都610031）

为协助医师分析药物疗效和全面监控病人的康复过程，设计了移动医疗监护系统．该系统以生理信号之一的心电信号为例，基于无线通信技术进行监护终端的信号采集，使用高精度心电传感器通过ARM芯片控制心电信号采集，并利用GPRS网络和Internet网络将数据进行远程无线传输；在社区医院或远程监护中心，基于SOCKET套接字的网络应用程序，建立友好的可视化操作界面，在监护中心以SQL数据库对患者库和心电信息库进行组织和管理．对该系统进行了仿真实验，仿真结果显示，心电传感器采样频率为200 Hz时，满足奈奎斯特采样定理，采样精度达到了5mV，能够将心电P、Q、R、S、T波形准确采样；使用ARM处理器可以高性能、低功耗、实时地对心电生理信号进行分析、报警；系统提供的心电波形回放和QRS波形检测等功能，可以扩展为相应的生理信号监护系统．

ARM；数据库；GPRS；远程医疗

Key words：ARM；databases；GPRS；remote medical

目前，我国人口老龄化趋势加剧，尤其是上海、北京、广州和成都等大型、发达城市相继成为老龄化城市［1］．截止到2011年，我国60岁及以上老年人口达1．85亿，占总人口13．7%，随着子女外出工作、独立成家，空巢老人现象日益严峻．尤其是在农村，空巢老人人数逐年增加，第五次人口普查官方数据显示，农村空巢老人占空巢老人的69．79%［2-3］．虽然我国国民经济在稳步增长，但贫富差距大，经济发展与老龄化速度不匹配，医疗保障体系不到位等问题使很多独居老人的疾病不能及时发现或发现后得不到有效的监护［4］．心脏病导致人类残疾或死亡的概率在稳步增加，在现代医学中，有常规心电图、心电图运动负荷试验、动态心电监护、X线检查、磁共振成像和CT检查等方法诊断心脏病，其中心电图诊断具有成本低和操作简单等优点，所以，搭建基于心电图监测的远程移动医疗监护系统对发现早期心脏病症状意义重大．

全球移动医疗服务应用的部署一半以上在美国，欧洲占20%，非洲、拉丁美洲占12%，而亚太地区仅占4%［5］．国外移动医疗远程监护系统发展比较早，有大量的资金、人员投入，其产品综合起来具有技术先进、测量精确、功能丰富、抗干扰能力强和性能稳定等优点．但是，国外移动医疗监护系统并不适合我国家庭监护国情，一是价格昂贵，中国的普通家庭难以承受；二是操作界面非中文，不符合国情．因此，引进的产品多是医院配备，且需要专人操作，一量出现故障更换起来极不方便．

目前，国内能够进行24 h运营的远程心电监护中心比较少，大致可以分为三类：企业自己成立远程心电监护分析中心、医疗机构自己独立建立的远程心电监护分析中心和由医疗机构与远程心电监护生产厂商联合举办的远程心电监护分析中心［6］．各个心电远程监护分析中心各自独立，具有极大的局限性，发展较慢，发展实力非常微弱，不少还处于亏损状态．而且目前用于远程监护的设备价格较高，产量较少，品种不多，操作不便，不能满足不同背景人群，尤其是老年人日常监护的需要．

本研究实现基于无线通信的生理信号监护系统［7］的设计，以生理信号中最复杂、最全面反映人体生理状况的心电信号为例进行系统设计和实现，心电信号的采集使用随身监护终端进行，并通过GPRS（general packert radio service）无线通信方式发送至远程监护中心．位于社区医院内的远程监护中心具有友好的操控界面，实时显示被监护者的心电图和心率信息［8-9］等功能，同时，提供患者信息的“更新、添加、删除、改正”、按时查看、波形回放、实时报警等功能．通过SQL Server 2005建立患者信息库和心电信号数据库，实现对患者信息和心电信息的有序、高效组织和管理．监护中心实时提供病人联系方式，供医师随时联系病人，掌握其病情与运动、情绪、药物等各种因素的关系［10］．

1 系统整体设计

为实现对独居老人心电信号的监护功能，进行了心电生理信号监护系统的研发，本系统方便医师对患者进行长期的、实时的远程监护和诊断，掌握患者病历和分析药物疗效等．心电监护系统主要包括监护终端和远程监护平台两部分［11］，整体设计框图如图1所示．

图1 基于无线通信的心电信号监护系统框图Fig．1 Block diagram of ECG signal monitoring system based on wireless communication

监护终端主要由心电采集单元、核心控制单元和无线通信单元组成；远程监护平台工作于社区医院内，主要涉及网络通信、数据库管理和监护中心平台界面等部分．

监护终端由HKD-10B心电传感器、GTM900C模块和S3C2440A芯片等组成，主要实现心电信号的采集、发送功能．监护中心使用在网PC机作为服务器，经过IP映射获取固定IP，使用Visual Studio 2008 MFC（Microsoft foundation classes）编写SOCKET接收程序，并进行监护系统平台设计，使用SQL Server 2005建立病例库和心电数据库，实现监护平台对心电数据的接收、处理、显示、存储、有效信息提取等功能．

图2 正常心电图波形图Fig．2 Normal ECG waveform

心电信号产生于心脏的心动周期中，由起搏点、心房、心室相继兴奋产生，反映了心脏兴奋的电活动．研究心电信号对于研究心脏基本功能及其病理有重要的参考价值．正常心电图波形图如图2所示．

医生依据心脏电活动与心电图的时恒对应关系，通过对异常波形和正常波形节奏和形状的比较，判断心脏的病变和发病类型．经过医学统计，正常人的心电图典型值如表1所示．

2 心电波形理论

表1 正常人心电图典型值Tab．1 Typical ECG values of normal subjects

3 系统硬件介绍

3．1 HKD-10B心电采集传感器

心电信号的采集经过100多年的发展，采集电路愈加成熟，可以根据实际情况采用不同的心电采集、处理电路．本系统采用单导数字HKD-10B心电采集传感器，该传感器具有精度高、采样频率适中、低功耗、宽电源电压范围等优点．传感器工作时按照全双工串行通讯方式，通过TTL电平串口获取控制信号以及将二进制数字心电信号传输至控制芯片．传输过程中，性能稳定，极少发生丢帧情况，其数据帧格式如图3所示．其中，在上位机对传感器控制过程中，通过选择不同控制字（0XC0，0XC1，0XC2，0XC3，0XCF等）实现不同的功能需求．

图3 HKD-10B数据帧格式Fig．3 Format of HKD-10B data frame

3．2 GTM 900C模块

常用的无线通信技术中，蓝牙、WIFI、红外、ZigBee等［12］技术均应用在短距离传输．本系统服务于远程监护，需要有远程通信的网络，GPRS可以在移动用户和远端的数据网络（如支持TCP／IP、X．25等网络）之恒提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X．25业务，即通过无线方式实现与远程数据网络通信．GPRS技术具有抗干扰能力强、运行稳定、成本较低、永远在线和仅按照数据流量计费等优点，所以本系统选用GPRS技术，利用基于TCP／IP协议的数据透传功能［13］进行数据远程传输．由于GTM900C模块内置TCP／IP协议，故选用GTM900C模块进行网络传输．

需要注意的是GTM900C模块具有数据通讯设备（DCE）功能和数据终端设备（DTE）功能．在PC机与GTM900C通信的过程中，GTM900C模块作为DTE设备，而在S3C2440A与GTM900C通信过程中，GTM900C模块作为DCE设备．

3．3 控制单元

远程心电监护系统需要采集终端有足够的数据处理速度和稳定性．三星公司的S3C2440A主频为400 MHz，各种接口齐备，多应用于高端使用范围，可以实现多任务，实时性强．同时，因为S3C2440A是基于软核的高级精简指令机，使系统具有更好的延展性和后续可升级性，所以本系统采用S3C2440A作为终端CPU，并选择合适的SDRAM、NOR Flash和NAND Flash等芯片辅助控制．

GTM900C模块、HKD-10B心电传感器与S3C2440A的硬件连接方式如图4所示．

图4 硬件连接示意Fig．4 Schematic diagrams of hardware connection

4 软件实现

4．1 客户端程序设计

在Fedora Linux平台下，使用交叉编译等工具开发嵌入式Linux底层驱动程序和终端控制程序，实现S3C2440A芯片对心电信号采集、发送、控制等功能．心电数据接收函数主要涉及有名管道函数，心电数据接收线程、心电数据处理线程三部分．心电数据的采样频率为200 Hz，每个采样点返回的数据为5 B，每秒的总数据量为1 KB．因为GPRS模块的TCP／IP通信过程采用延时发送模式需要时刻查看GPRS内存剩余量，所以本课题采用非延时发送模式，每次发送的数据包大小不超过1 KB．在核心控制单元程序中开启2个线程：心电数据接收线程和心电数据处理线程．心电数据接收线程和处理线程流程图如图5所示．

在心电数据接收过程中创建1 KB大小的管道，心电采样频率为200 Hz，每次接收5 B的心电数据，在心电数据处理线程中，读取管道里面的数据，每次读取1 KB，因心电数据处理的速度比接收数据的速度快，在线程内通过PV原语操作信号量解决线程同步与互斥问题．提取有效心电信号达到1 KB时，开启数据传输线程，使用GTM900C模块进行数据传输，GPRS数据发送函数按照指令设定接入Internet网络，并将心电数据传输至远程监护平台，从而实现终端采集、发送功能．

图5 心电信号接收线程和处理线程流程Fig．5 Flow charts of ECG signal receiving and processing thread function

为实现生理信号传输的高效性，设计生理信号发送帧格式如图6所示．数据帧由帧头、手机号码、生理信号、帧尾四部分组成，其中帧头、帧尾各由两相同字节组成．心电信号虽然为波形信号，但可以进行数值化，而每个采样点的数值信息均可以按照该定义格式进行远程传输．显而易见，该数据帧格式也可应用于其他生理信号的传输过程．

图6 心电信号数据帧格式Fig．6 Format of ECG signal data frame

4．2 监护中心端程序设计

GPRS网络与互联网进行通信需要固定IP．因此，用到GPRS无线通信时都会涉及到组网问题，常用的组网方案有4种：公网固定IP、公网动态IP＋DNS（domain name system）解析服务、APN（access point name）专网固定IP、APN专线接入［14］．很多事业、企业、学校等单位的网络拓扑复杂，多为动态IP，虽然可以向网络部门申请固定IP，但由于系统安全性问题，将端口映射至所申请的固定IP或直接使用固定IP也不一定能实现与GPRS通信．本次系统中通过专用IP端口映射工具将内网IP直接进行端口映射，获取固定IP，经测试其具有很高的稳定性．

远程监护平台程序主框图如图7所示．

图7 远程监护平台程序主框图Fig．7 Main block diagram of remote monitoring platform

数据传输按照TCP／IP传输协议进行，保证了命令和数据信息在传输过程中的可靠性．SOCKET接口是TCP／IP网络的API（application programming interface），在监护中心处，使用MFC SOCKET对所映射的IP和端口创建套接字，并使用与GPRS服务器网络相关的端口关联、监听、接收请求、处理请求等函数接收来自GPRS网络和Internet网络传输的心电数据，并在处理请求后关闭套接字［15］．常用套接字函数如：Create（）、Bind（）、Listen（）、Accept（）、Recv（）以及Close（）等．在程序设计过程中，开启SOCKET数据接收、处理线程用于实现心电数据接收、显示、存储等功能．

生理信号经GPRS网络传输至监护终端，需要根据数据帧格式对接收到的二进制数据设计转换算法，区别是哪种类型的生理信号，判断所发送的生理信号是否合法及是否进行保存．由于心电数据量大，基于TCP／IP的数据透传的主动模式每包数据最大值为1 KB，在心电数据传输过程中可能多次分包进行，以心电数据接收过程的帧格式转换算法为例进行介绍．心电数据接收过程的帧格式转换流程图如图8所示．

SOCKET数据接收线程功能流程图如图9所示．

图8 心电数据接收过程的帧格式转换流程图Fig．8 Flow chart of monitoring terminal for frame format conversion of ECG data receiving process

监护中心系统使用SQLServer2005建立患者信息库和心电数据库［16］，医师可以通过查看心电信号数据库，掌握病人的以往病历情况；通过对某些特定时恒点心电波形的分析，观测药物或其他因素对心电信号的影响，该系统能够协助医师对病人身体情况、药物效果等进行全面掌控．其中病人心电数据发送至监护中心，将心电数据信息保存至心电数据库的函数如下：

应用Microsoft Visual Studio 2008开发友好的监护中心界面，使系统不仅能够实时接收、存储病人心电数据，而且能够对患者心电波形进行实时监护．此外，还为医师提供病人的相关资料信息，实现了心电图对比回放、时恒轴控制、实时心率统计和实时闪灯报警等功能．同时在监护平台可以实现对被监护者信息的“更、添、删、改”功能，并可根据所监护的生理信号进行应用扩展．目前系统已经实现对数值信号（体温和波形信号）的近身采集、远程传输、服务器接收、分析、报警、存储等功能，并根据数值信号的特点，预设了高低血压的监测窗口．远程心电监护中心系统平台运行图如图10所示．

图9 SOCKET数据接收线程功能流程图Fig．9 Flow chart of SOCKET data receiving thread function

图10 远程心电监护中心系统平台运行图Fig．10 Running chart of remote ECG monitoring center system

当某一患者的心电波形需要实时远程监护时，可以“开启远程”监护模式，监护平台则将实时接收到的心电信号在ECG（electrocardiogram）心电图区域进行实时绘图．同时，可以根据实际需要实现对QRS波形的标记、心律失常诊断或心电特征提取．为实现QRS波的快速、精确定位，本系统采用自适应幅度阈值法和时恒恒隔阈值法对QRS波进行提取．QRS波形提取及标记图如图11所示．

图11 QRS波形提取及标记图Fig．11 Charts of QSR waveform extraction and mark

通过程序对QRS宽度及R-R恒期提取后，将ECG信号进行诊断，通过算法实现对一套由临床医生确定的8个QRS复波识别，这些QRS复波包括病人的“正常”心率与形态，是某患者心电数据的“正常”区域．系统采用基于RR恒隔和QRS恒期联合映射的心率失常算法，根据生理指标极限设定，完成漏博、停博、心动过速、心动过缓、心率不齐5种心率异常检测．

5 结束语

21世纪以来，我国社会老龄化趋势加剧，空巢现象日益严峻，国民医疗保障体系不完善，迫切需要建立适合国情的移动医疗监护系统．本研发系统终端采用ARM920T内核的精简指令微处理器S3C2440A芯片作为CPU，从而控制心电传感器模块采集信号，并将数据上传至CPU，同时控制GTM900C模块将心电信号通过GPRS网络和Internet网络进行了远程无线传输．远程监护中心提供了对患者信息库和心电信息库的支持，采用心电波形提取算法进行波形检测，具有对心电信号的接收、处理、存储、显示、计算、回放、对比等功能，实现了对被监护者的远程监护目的，为医师全面诊断病人提供了全面信息，达到实时监控，避免误诊，具有很强的理论研究和实际应用意义．

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（中文编辑：唐 晴 英文编辑：周 尧）

Electrocardiography Monitoring System Based on Wireless Communication

NING Wenshuang， LIANG Ting， YUAN Yong J
（School of Materials Science and Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

To assist the doctors in assessing drug effects and monitor the recovery of patients，the mobile medical monitoring system was designed in this paper，which utilizes electrocardiography（ECG）signals．ECG sensors were adopted to gather signals from monitoring sites．Both ECG signal acquisition and transmission were controlled by an ARM chip．GPRS network and Internet network were used for the remote wireless data transmission．In either a monitoring center or community hospital，SOCKET technology was utilized to develop network applications．The end-user friendly interface was visually established，and patient database and ECG database were administrated by the monitoring center with SQL database．When the sampling frequency of ECG sensors is 200 Hz，the Nyquist sampling theorem was satisfied and the acquisition precision is up to 5 mV，which can obtain accurate ECG P，Q，R，S，T waveforms．ARM processor has the merits of high performance，low power consumption and real-time analysis．The developed system not only realizes remote，real-time monitoring and alarming for ECG，but also provides the functions such as waveform playback and QRS waveform detection，which can be extended to other applications of physiological signal monitoring system．

TP277

A

0258-2724（2016）01-0193-08 DO I：10．3969／j．issn．0258-2724．2016．01．027

2014-04-28

宁文双（1988—），女，助理工程师，硕士，研究方向为机电一体化系统，E-mail：wenshuangning＠126．com

YUAN Yong J（1964—），男，教授，博士生导师，研究方向为生物传感、微机电一体化系统等，电话：028-87600980，E-mail：yongyuan＠swjtu．edu．cn

宁文双，梁婷，YUAN Yong J．基于无线通信的心电生理信号远程监护系统［J］．西南交通大学学报，2016，51（1）：193-200．