基于無線移動通信和GPS技術(shù)實現(xiàn)高危心臟病人遠程監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計

作者：賴大坤，宋海浪，許之敏，陳良超，方祖祥 來源：嵌入式系統(tǒng)IC網(wǎng)

1 引言

心血管疾病發(fā)病往往十分危急，且病情嚴重、變化迅速，一旦發(fā)作就可能給病人帶來巨大痛苦、甚至導(dǎo)致暈厥或猝死。尤以冠心病、心肌病、有心律失常病史、心臟 性猝死家族史、心臟移植史等病況，具有病發(fā)突然、隨機、高猝死率特點，通常在急性癥狀出現(xiàn)后1小時內(nèi)就可能引起死亡，惡性的室性纖顫甚至在12分鐘內(nèi)引起病人猝死，患有上述嚴重心臟病的患者即為高危心臟病人。 因此，如何對高危心臟病人，尤其是占絕大多數(shù)的院外患者在病發(fā)前能做出早期診斷，在發(fā)病時能及時指導(dǎo)救助人員第一時間趕到現(xiàn)場實施救助，是降低院外高危心 臟病人群因得不到及時搶救而導(dǎo)致死亡的發(fā)生率的關(guān)鍵。心電圖是診斷心臟病的常規(guī)而有效的手段，高危心臟病患者在暈厥或猝死時伴隨存在多種高危心電圖表現(xiàn)；利用心電圖的連續(xù)動態(tài)監(jiān)護、分析，有助于早期發(fā)現(xiàn)和及時診斷這類疾病。

遠程心電監(jiān)護在心臟疾病的預(yù)防和救治中具有十分重要的作用，目前已引起國內(nèi)外學(xué)者的高度重視，已先后研制成功了基于PSTN的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)、院內(nèi)遙測心電監(jiān)護系統(tǒng)，以及最新的基于嵌入式移動計算設(shè)備的遠程移動監(jiān)護系統(tǒng)［3，4］；滿足了對心臟病人進行連續(xù)動態(tài)的遠程心電監(jiān)護的基本要求。但是，現(xiàn)有的遠程心電監(jiān)護系統(tǒng)或遠程移動心電監(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。

本文針對高危心臟病患者在醫(yī)療監(jiān)護方面的特殊背景及臨床救助要求，研制了一套基于GSM/GPRS無線移動通信系統(tǒng)及GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的功能原型，以實現(xiàn)對院外高危心臟病患者的心電信號進行實時監(jiān)測、分析、早期診斷，最大限度防止患者發(fā)生猝死，增強患者的安全感和生活舒適感。

2 工作原理

本文給出的高危心臟病人的遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)由遠程移動終端和醫(yī)院監(jiān)護中心兩部分組成，一個醫(yī)院監(jiān)護中心可以同時監(jiān)護多個病人。遠程移動終端由患者攜帶在身上，隨時隨地監(jiān)護患者的心電信號，并實時地將心電數(shù)據(jù)通過GSM/GPRS無線移動網(wǎng)絡(luò)傳送給醫(yī)院監(jiān)護中心，以便醫(yī)生及時診斷。當(dāng)患者心電出現(xiàn)異常時，醫(yī)院監(jiān)護中心將自動報警并提示值班醫(yī)生；同時，監(jiān)護中心的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。對具有高危心電圖表現(xiàn)和病發(fā)征兆的患者，由值班醫(yī)生做出早期診斷并發(fā)出求助指令；救助人員根據(jù)指令提供的患者地理位置迅速到達現(xiàn)場實施救助，最大限度防止患者發(fā)生猝死。

本系統(tǒng)的嵌入式移動終端主要功能是實時采集患者的三導(dǎo)聯(lián)心電信號，一方面經(jīng)過簡單分析在移動終端上顯示一些基本信息提供本地預(yù)警功能；另一方面采用分批傳送方式，將患者的壓縮后的心電信息和GPS經(jīng)緯度信息通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)上傳給醫(yī)院中心監(jiān)護系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

醫(yī)院監(jiān)護中心是整個遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)的中樞，其主要功能是實現(xiàn)遠程各移動監(jiān)護終端用戶ECG信號的遠程集中監(jiān)護、存儲、分析和早期診斷、以及回放、打印功能，并對各終端參數(shù)、狀態(tài)的遠程監(jiān)控；結(jié)合GIS平臺的強大空間位置分析功能實現(xiàn)對移動用戶的地理位置跟蹤、定位、顯示。

3 系統(tǒng)研制

3.1 嵌入式移動終端設(shè)計

（1）嵌入式移動終端的硬件設(shè)計

嵌入式移動終端的硬件設(shè)計是在ARM 7架構(gòu)的32位微處理器Philips LPC2200的基礎(chǔ)上，以廣州至遠電子公司的EasyARM2200處理器模塊為核心，擴展一些外圍模塊，實現(xiàn)了患者心電數(shù)據(jù)采集模塊、人機接口模塊、GPS模塊以及與醫(yī)院監(jiān)護中心通信的GPRS模塊，系統(tǒng)接口資源得到非常充分的利用。圖1是整個設(shè)計的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖 1 嵌入式移動終端的硬件系統(tǒng)架構(gòu)圖

（2）嵌入式移動終端的軟件設(shè)計

嵌入式移動終端的軟件設(shè)計采用了當(dāng)前流行的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。首先將實時操作系統(tǒng)uCOS-II移植到Philips LPC2200嵌入式微處理上，將終端所要完成的功能細化為幾個核心的任務(wù)，由uCOS-II實時內(nèi)核進行統(tǒng)一調(diào)度，宏觀上實現(xiàn)了多任務(wù)的并行執(zhí)行，系統(tǒng)的可靠性和實時性得到了大幅度提升。

搶占式操作系統(tǒng)對任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先級的高低進行的，按照系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，整個軟件系統(tǒng)按優(yōu)先級從高到低的順序被劃分為：ECG采集任務(wù)、GPRS通信任務(wù)、數(shù)據(jù)分析和LCD顯示任務(wù)、GPS任務(wù)。系統(tǒng)運行時，首先進行系統(tǒng)的初始化操作，初始化所有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分配堆?？臻g，然后建立任務(wù)間通信的消息隊列，進行任務(wù)建立和分配任務(wù)優(yōu)先級。所有新建任務(wù)被置為就緒態(tài)，系統(tǒng)程序從優(yōu)先級高的任務(wù)開始執(zhí)行。

3.2 醫(yī)院監(jiān)護中心設(shè)計

監(jiān)護中心系統(tǒng)是基于Windows NT局域網(wǎng)建成，主要包括GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、ECG中心監(jiān)護工作站和GIS定位管理工作站。

本文應(yīng)用C/S體系架構(gòu)設(shè)計思路，采用多任務(wù)方式保證對多個遠程用戶的同時監(jiān)護。整個ECG中心監(jiān)護系統(tǒng)和GIS定位管理系統(tǒng)的功能原型采用Microsoft Visual C++6.0工具開發(fā)完成，后臺數(shù)據(jù)庫采用Microsoft SQL SERVER 2000關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)原型

最后，研制完成的高危心臟病人的遠程實時監(jiān)護系統(tǒng)的原型包括，如圖2 所示的遠程嵌入式移動終端原型和圖3所示的醫(yī)院監(jiān)護中心顯示界面。利用該原型，對一受試者（位于上海閘北公園）的3導(dǎo)聯(lián)ECG信號進行實時采集，由GPS模塊接收受試者所在的閘北公園經(jīng)緯度信息，經(jīng)過終端的信號分析處理后，由GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至遠端（復(fù)旦大學(xué)）的實驗室監(jiān)護中心（具有實IP地址），進行動態(tài)分析和顯示，其監(jiān)護中心顯示結(jié)果如圖4所示，受試者心率正常為87次/分鐘，經(jīng)緯度分別為E 121.4525、N 31.25793，GIS地圖指示為上海閘北公園附近。

4 結(jié)束語

本文針對高危心臟病患者在醫(yī)療監(jiān)護方面的特殊背景及臨床救助需求，研制了一套用于遠程實時監(jiān)護高危心臟病人的系統(tǒng)原型，該系統(tǒng)基于GSM/GPRS無線移動通信系統(tǒng)及GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)的系統(tǒng)，包括一套基于ARM 7處理器和uCos-II微系統(tǒng)的嵌入式移動單元和一套VC++開發(fā)的醫(yī)院監(jiān)護中心軟件系統(tǒng)。對一受試者的初步實驗測試，結(jié)果表明該原型系統(tǒng)能實時監(jiān)護患者的動態(tài)心電圖，準(zhǔn)確定位患者地理位置。

目前，本系統(tǒng)的研究工作的僅僅處于初始階段，無論在理論研究方面還是具體設(shè)計實現(xiàn)方面，距離最終的臨床應(yīng)用目標(biāo)前面還有大量的工作需要完成?？梢灶A(yù)見，本 系統(tǒng)最終的成功實現(xiàn)，將彌補國內(nèi)外現(xiàn)有遠程移動監(jiān)護系統(tǒng)在實際臨床應(yīng)用上的一些不足，較好的解決日常工作、學(xué)習(xí)、生活活動條件下院外高危心臟病人這一特殊 人群的實時動態(tài)監(jiān)護。

圖 3 醫(yī)院監(jiān)護中心的顯示界面：（a）ECG中心監(jiān)護系統(tǒng)顯示界面，（b）GIS管理顯示界面

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