心電監(jiān)護(hù)儀應(yīng)用案例之遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前世界上 有很多心臟疾病患者由于得不到及時(shí)的救助，生命常常受到威脅。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)儀（什么是心電監(jiān)護(hù)儀）限制了患者的自由，而且不具備實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能，對(duì)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(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)有了便攜式監(jiān)護(hù)儀（監(jiān)護(hù)儀原理），這類儀器讓實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)成為可能。本文主要介紹了心電監(jiān)護(hù)儀應(yīng)用案例之遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

利用GPRS無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，可以將實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)與Holter相結(jié)合，患者佩戴這種便攜式監(jiān)護(hù)儀（心電監(jiān)護(hù)儀的維護(hù)）可以自由活動(dòng)，而且還能隨時(shí)隨地得到心電監(jiān)護(hù)。當(dāng)有緊急情況發(fā)生時(shí)，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(shí)的救助。

一、遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)概述

遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)包括四個(gè)部分：監(jiān)護(hù)儀(病人終端)、PDA(醫(yī)生終端)、監(jiān)護(hù)服務(wù)器以及心電數(shù)據(jù)服務(wù)器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

監(jiān)護(hù)儀由患者隨身佩帶，以400Hz或500Hz的采樣頻率對(duì)患者心電信號(hào)采樣，并把心電數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)護(hù)服務(wù)器，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性由監(jiān)護(hù)服務(wù)器和監(jiān)護(hù)儀之間的控制信息控制。

PDA接收來自監(jiān)護(hù)服務(wù)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(wù)(GPRS數(shù)據(jù)服務(wù))和短消息(SMS)通知監(jiān)護(hù)儀。監(jiān)護(hù)服務(wù)器負(fù)責(zé)接收轉(zhuǎn)存病人端全部心電數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)分析及回放分析;同時(shí)向PDA轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)，利用控制信息來協(xié)調(diào)實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)的收發(fā)。

心電數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)所有心電數(shù)據(jù)、患者信息以及設(shè)備信息，除了在監(jiān)護(hù)過程中存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)外，心電數(shù)據(jù)服務(wù)器還負(fù)責(zé)注冊(cè)患者和設(shè)備信息及管理數(shù)據(jù)庫遠(yuǎn)程訪問等任務(wù)。

二、 監(jiān)護(hù)儀硬件平臺(tái)簡介

監(jiān)護(hù)儀硬件主要由單片機(jī)、電源模塊、心電信號(hào)采集放大模塊、擴(kuò)展NAND Flash、LCD驅(qū)動(dòng)模塊及GSM/GPRS無線通信模塊組成。

三、軟件系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

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

3.1 Flash管理

Flash存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)心電數(shù)據(jù)和控制信息，以保證心電數(shù)據(jù)在斷電時(shí)不遺失及日后查看監(jiān)護(hù)過程的相關(guān)控制信息。

內(nèi)存映射(Memory Map)模型把Flash作為一個(gè)整體，各種不同數(shù)據(jù)按照類別預(yù)先分配存儲(chǔ)空間。操作Flash數(shù)據(jù)時(shí)，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(chǔ)單元，再通過Flash操作函數(shù)讀取或?qū)懭胂鄳?yīng)的數(shù)據(jù)。

3.1.1 Flash分區(qū)結(jié)構(gòu)

(1)Head Seg：大小為1個(gè)塊(Block)，用于存儲(chǔ)分區(qū)版本號(hào)、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(gè)分區(qū)的基本信息占一頁(Page)。

本分區(qū)占Flash存儲(chǔ)器的第一個(gè)塊。根據(jù)Flash的技術(shù)資料可知，第一塊正常使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)無效存儲(chǔ)單元，因此許多關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存于此。

(2)SMS Seg：大小為20個(gè)塊，即20個(gè)連續(xù)的有效塊。每個(gè)塊存儲(chǔ)一條消息的位圖，消息的到達(dá)時(shí)間、發(fā)送者存儲(chǔ)在該Block的第一頁(該塊中相對(duì)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(hào)來尋址。

(3)Data Seg：大小為1000個(gè)塊，即1000個(gè)連續(xù)的有效塊，用于存儲(chǔ)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(chǔ)11.37小時(shí)的原始心電數(shù)據(jù)，所有的心電數(shù)據(jù)從采樣起始點(diǎn)0開始依次編號(hào)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(chǔ)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(dǎo)入處理器的存儲(chǔ)器。讀操作的操作耗時(shí)為幾十微秒，與單片機(jī)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(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，F(xiàn)lash文件系統(tǒng)會(huì)有糾錯(cuò)操作，最簡單的糾錯(cuò)碼可以把非連續(xù)的單個(gè)位錯(cuò)誤改正。而對(duì)于當(dāng)前處理器上的內(nèi)存映射模型，糾錯(cuò)碼的引入將大大降低運(yùn)行效率，因此不做糾錯(cuò)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(gè)讀操作時(shí)序把當(dāng)前字節(jié)讀出，當(dāng)前地址指針加1并把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到讀操作緩沖區(qū)中，同時(shí)調(diào)用函數(shù)時(shí)須給出讀出字節(jié)的總數(shù)。

Flash的寫操作，又稱為對(duì)Flash的編程，即把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Flash存儲(chǔ)單元中。存儲(chǔ)單元事先必須已擦除(Erase)過才能寫入數(shù)據(jù)。寫操作耗時(shí)為幾百微秒，擦除操作耗時(shí)最多為幾毫秒，在數(shù)量級(jí)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(diǎn)在于合理調(diào)度使Flash存儲(chǔ)單個(gè)字節(jié)的耗時(shí)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(shí)給定的寫入數(shù)據(jù)總數(shù)，每個(gè)寫操作時(shí)序向Flash寄存器存儲(chǔ)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。當(dāng)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(chǔ)進(jìn)入物理存儲(chǔ)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(shí)際的操作頁地址。首先把分區(qū)內(nèi)頁地址換算為理想實(shí)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(shí)際操作地址。

(4)FlashStoreECGData()：在數(shù)據(jù)分區(qū)中存儲(chǔ)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(dǎo)入Flash寫緩沖。

如果寫緩沖達(dá)到存儲(chǔ)操作條件，則調(diào)用FlashECGDMap()獲取實(shí)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(quán)。