基于GPRS的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀軟件系統(tǒng)

當(dāng)今社會(huì)，心臟疾病已嚴(yán)重影響了人們的生命安全，許多突發(fā)患者因得不到及時(shí)救治而使生命受到威脅。傳統(tǒng)的心電監(jiān)護(hù)設(shè)備限制了患者的自由，動(dòng)態(tài)心電記錄儀（Holter）雖能便攜地記錄患者日常活動(dòng)時(shí)的心電數(shù)據(jù)，但是沒(méi)有實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能，對(duì)于危及生命的突發(fā)心臟病變幫助不大。

無(wú)線通信技術(shù)的日漸成熟使便攜式心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)成為可能。利用GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，可將實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)功能與Holter結(jié)合起來(lái)?；颊呖梢耘浯鞅O(jiān)護(hù)儀自由活動(dòng)，同時(shí)可隨時(shí)隨地得到心電監(jiān)護(hù)。緊急情況發(fā)生時(shí)，患者掌握著可靠的求生路徑；而醫(yī)生可根據(jù)全面的心電數(shù)據(jù)分析患者心臟狀況，使患者的心臟疾病及時(shí)得到預(yù)防和救治。

400Hz或500Hz采樣的心電數(shù)據(jù)是一種帶寬較大的數(shù)據(jù)源，同時(shí)心電監(jiān)護(hù)也有實(shí)時(shí)性要求。本文主要闡述在特定硬件平臺(tái)和整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)下的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(kù)遠(yuǎn)程訪問(wèn)等任務(wù)。

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(wú)線通信模塊組成。

(1)單片機(jī)：PIC18系列單片機(jī)，低功耗，通過(guò)PLL倍頻指令頻率可達(dá)10MHz，自帶ADC采樣頻率最高可達(dá)幾十kHz。

(2)電源模塊：為各模塊提供4V和3.3V兩種直流電壓源。

(3)心電信號(hào)采集放大模塊：微弱心電信號(hào)采集并放大800倍，同時(shí)可檢測(cè)導(dǎo)聯(lián)脫落。

(4)擴(kuò)展NAND Flash：32M NAND Flash，最多可存儲(chǔ)長(zhǎng)達(dá)23小時(shí)的原始心電數(shù)據(jù)。

(5)LCD驅(qū)動(dòng)模塊：驅(qū)動(dòng)80×160點(diǎn)陣的LCD。

(6)GSM/GPRS無(wú)線通信模塊：內(nèi)嵌TCP（UDP）/IP協(xié)議棧，利用Socket建立網(wǎng)絡(luò)連接，在應(yīng)用GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)的同時(shí)，仍可以提供GSM語(yǔ)音、短信（SMS）服務(wù)。

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

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(guò)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(lèi)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(wú)效存儲(chǔ)單元，再通過(guò)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(yè)（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(wú)效存儲(chǔ)單元，因此許多關(guān)鍵數(shù)據(jù)保存于此。

(2)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(kāi)始依次編號(hào)即心電數(shù)據(jù)索引，利用該索引尋址。

(3)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(yè)（該塊中相對(duì)地址為0的頁(yè)）。消息存滿則從頭開(kāi)始覆蓋已有消息，利用消息的索引號(hào)來(lái)尋址。

Flash分區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

3.1.2Flash接口函數(shù)

Flash的讀操作，首先從存儲(chǔ)單元中以頁(yè)（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(yè)為基本單元，以讀取整頁(yè)數(shù)據(jù)效率最高。Flash頁(yè)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(jiǎn)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(xiě)操作，又稱(chēng)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(guò)才能寫(xiě)入數(shù)據(jù)。寫(xiě)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(guò)了RAM的寫(xiě)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(xiě)操作要盡可能多地寫(xiě)入數(shù)據(jù)，一般每頁(yè)（512B）寫(xiě)入一次。寫(xiě)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(xiě)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(xiě)入數(shù)據(jù)總數(shù)，每個(gè)寫(xiě)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(yè)索引和壞塊列表檢索出實(shí)際的操作頁(yè)地址。首先把分區(qū)內(nèi)頁(yè)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(wú)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(xiě)緩沖。如果寫(xiě)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)。

(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(quán)，隨后利用FlashECGDMap()獲取實(shí)際操作地址并判斷是否出現(xiàn)跨頁(yè)讀操作。如果不需跨頁(yè)，則調(diào)用FlashPageRead()，讀出相應(yīng)數(shù)據(jù)到讀緩沖即可；若跨頁(yè)，則分別在兩頁(yè)分兩次讀取規(guī)定字節(jié)個(gè)數(shù)的連續(xù)心電數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)的通信模塊是Wavecom公司的2406B。GPRS又稱(chēng)無(wú)線分組服務(wù)，用于在GSM網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)。在進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送的同時(shí)，短消息和語(yǔ)音服務(wù)不會(huì)被禁止，但GPRS數(shù)據(jù)服務(wù)和GSM服務(wù)不能同時(shí)進(jìn)行。2406B模塊的GPRS上行速率可以達(dá)到10kbps，通過(guò)設(shè)置數(shù)據(jù)發(fā)送串口的波特率為9 600bps，可使數(shù)據(jù)進(jìn)出流量匹配。

3.2.1 2406B模塊初始化

首先設(shè)置2406B中兩個(gè)串口的波特率、綁定的數(shù)據(jù)類(lèi)型及模塊時(shí)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(shè)置為9 600即可使網(wǎng)絡(luò)與接口速率匹配；串口2返回模塊控制字，設(shè)置為19 200的波特率即可與處理器運(yùn)行速度匹配。同時(shí)還要為模塊設(shè)置當(dāng)前時(shí)間。AT指令見(jiàn)表1中“AT指令序列1”。

其次通過(guò)AT指令連接GPRS網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器。AT指令見(jiàn)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(shí)把漢字字模加入模塊。指令序列2 中的AT指令按照順序設(shè)置成功后即建立TCP/IP連接，模塊即進(jìn)入數(shù)據(jù)模式。此時(shí)通過(guò)串口送入的所有數(shù)據(jù)全部作為網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)送交網(wǎng)絡(luò)，送入即Ctrl-C（0x03）將斷開(kāi)TCP連接，若要向服務(wù)器發(fā)送0x03，須發(fā)送數(shù)據(jù)對(duì)，此時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)并向服務(wù)器發(fā)送0x03。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)模型及接口函數(shù)

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

在注冊(cè)階段，監(jiān)護(hù)儀向服務(wù)器發(fā)送注冊(cè)認(rèn)證數(shù)據(jù)報(bào)。內(nèi)容包括設(shè)備序列號(hào)(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(shí)間。服務(wù)器收到注冊(cè)數(shù)據(jù)后進(jìn)行身份驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)則發(fā)送回應(yīng)消息，即為服務(wù)接納的時(shí)間和聯(lián)系人列表。監(jiān)護(hù)儀收到回應(yīng)消息即進(jìn)入數(shù)據(jù)發(fā)送階段。

數(shù)據(jù)發(fā)送階段，監(jiān)護(hù)儀向服務(wù)器發(fā)送實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送策略有兩種：注重“實(shí)時(shí)性”的發(fā)送策略，定義當(dāng)前采樣點(diǎn)至其前1分鐘的心電數(shù)據(jù)為“實(shí)時(shí)心電數(shù)據(jù)”，享有發(fā)送的優(yōu)先權(quán)，“補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)”在“實(shí)時(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)完整性為目標(biāo)，“補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)”享有數(shù)據(jù)發(fā)送優(yōu)先權(quán)，服務(wù)器申請(qǐng)的數(shù)據(jù)會(huì)被優(yōu)先發(fā)送。數(shù)據(jù)發(fā)送階段病人及設(shè)備的各種異常狀況定義為“報(bào)警消息”發(fā)送給服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3，由此設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)接口函數(shù)為：(1)TransData()：負(fù)責(zé)發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)和發(fā)送報(bào)警消息，其中報(bào)警消息具有最高優(yōu)先級(jí)，連續(xù)性的發(fā)送策略補(bǔ)發(fā)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)高于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性的發(fā)送策略發(fā)送優(yōu)先級(jí)與連續(xù)性策略相反；(2)ECGRegister()：負(fù)責(zé)建立與服務(wù)器之間的ECG連接，函數(shù)定時(shí)發(fā)送注冊(cè)信息包和完成注冊(cè)過(guò)程確認(rèn)。

3.3 GSM功能接口

GSM功能包括：短消息收發(fā)、信號(hào)強(qiáng)度獲取、時(shí)間獲取、電量獲取、按鍵消息通知、發(fā)聲。這些都依靠無(wú)線模塊串口2以AT指令進(jìn)行配置和查詢(xún)。

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(wù)中心號(hào)碼>”，設(shè)置短消息服務(wù)中心號(hào)碼；“AT+CMGS=號(hào)碼>r短消息內(nèi)容>Ctrl-Z”，向號(hào)碼>發(fā)送短消息；“AT+CSQ”，獲取信號(hào)強(qiáng)度，格式為“+CSQ：信號(hào)強(qiáng)度>，xx”；“AT+CCLK?”，獲取當(dāng)前時(shí)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(hào)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(tái)使用80×160點(diǎn)陣的單色LCD，軟件維護(hù)一個(gè)微型字庫(kù)，包括幾十個(gè)漢字以及所有ASCII符號(hào)中的可見(jiàn)字符，供界面顯示使用。無(wú)線模塊自帶漢字庫(kù)，可以直接顯示收到的SMS。預(yù)存的短消息維護(hù)在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中，每條預(yù)存消息有Unicode和Bitmap兩種格式，Unicode用于發(fā)送，Bitmap用于顯示。

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(chǔ)和解析組成一個(gè)事務(wù)集；數(shù)據(jù)發(fā)送與短信瀏覽、監(jiān)護(hù)狀態(tài)顯示及緊急求救報(bào)警等事務(wù)組成另一個(gè)事務(wù)集。兩個(gè)事務(wù)集并行運(yùn)行，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器及其中的數(shù)據(jù)和消息為關(guān)鍵資源。

4.1 心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)

心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)即心電數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、發(fā)送。監(jiān)護(hù)程序流程圖如圖4。

4.2 醫(yī)囑短信收發(fā)

監(jiān)護(hù)儀可以向服務(wù)器、醫(yī)生、親人等發(fā)送預(yù)設(shè)消息，同時(shí)可以接收聯(lián)系人的短消息。圖5(a)為預(yù)設(shè)短消息發(fā)送界面。

4.3 監(jiān)護(hù)狀態(tài)顯示

監(jiān)護(hù)過(guò)程嵌入心電分析算法可獲得監(jiān)護(hù)狀態(tài)參數(shù)，如嵌入了R波檢測(cè)算法，可以獲取心率參數(shù)。心電分析算法由算法組負(fù)責(zé)，此處不加敘述，界面見(jiàn)圖5(b)。

4.4 緊急求救報(bào)警

病人感覺(jué)不適時(shí)可按下緊急求救按鈕，監(jiān)護(hù)儀即進(jìn)入報(bào)警模式，可以向服務(wù)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(jiàn)圖5(c)。

監(jiān)護(hù)系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)內(nèi)部測(cè)試，即將進(jìn)入臨床測(cè)試階段。隨著測(cè)試的深入，將對(duì)系統(tǒng)容錯(cuò)性及實(shí)用性提出更高要求，因此終端軟件系統(tǒng)還要不斷地維護(hù)和改進(jìn)以適應(yīng)不同需求。

[1] 姚湘平，張躍.基于GPRS的遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)終端[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006，32(4)：77-79.

[2] 代少升，張躍.便攜式遠(yuǎn)程心電實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)儀的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2006，27(9)：1-2.

[3] Q2406 and Q2426 Product Specification.Wavecom Corporation，2003.

[4] CEN/TC 251.Health informatics-Standard communication protocol-Computer-assisted electrocardiography EN 1064：2005[S].European Committee for Standardization，2005.