摘要

　　本文介紹了基于GPRS的遠程醫(yī)療系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計方法。該系統(tǒng)主要由四部分組成：體溫采集、心電采集、主控電路和藍牙通信模塊。此外，還有相應(yīng)的少量數(shù)據(jù)處理軟件等。體溫采集部分采用NTC型熱敏電阻作為傳感器，并在硬件和軟件方面進行非線性補償；心電采集部分采用了金屬板電極作為傳感器，并對采集到的心電信號做放大和濾波等處理，并設(shè)計了數(shù)字濾波器對心電信號進一步濾波，從而得到了高可靠性的心電波形；主控電路主要包括實時時鐘、數(shù)據(jù)存儲、液晶顯示、低電量報警和通信接口等。主控電路的單片機采用了MSP430系列中的MSP430C1351；系統(tǒng)設(shè)置了液晶顯示模塊，能提供給用戶實時的心電波形和體溫；數(shù)據(jù)存儲功能可以存儲用戶的各項生理信息，以供醫(yī)護人員診斷做參考；系統(tǒng)終端可通過COM口和USB口與監(jiān)護中心計算機進行通信。藍牙通信模塊用于采集終端與GPRS模塊之間數(shù)據(jù)通信。

　　本文還介紹了處理數(shù)據(jù)的軟件方法。在體溫信號的處理中，介紹了線性插值法進行線性補償；在心電信號的處理中，設(shè)計數(shù)字濾波器進一步濾波并介紹了一種心電數(shù)據(jù)壓縮的方法。

　　1 緒論

　　遠程醫(yī)療是指借助信息及電信技術(shù)來交換相隔兩地的患者的醫(yī)療臨床資料及專家的意見。遠程醫(yī)療包括遠程醫(yī)療會診、遠程醫(yī)學(xué)教育、建立多媒體醫(yī)療保健咨詢系統(tǒng)等。遠程醫(yī)療是運用計算機、通信、醫(yī)療技術(shù)與設(shè)備，通過數(shù)據(jù)、文字、語音和圖像資料的遠距離傳送，實現(xiàn)專家與病人、專家與醫(yī)務(wù)人員之間異地“面對面”的會診。遠程醫(yī)療不僅僅是醫(yī)療或臨床問題，還包括通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等各方面問題，并且需要把它們集成到網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。

　　1.1 課題的研究目的及意義

　　隨著人們生活水平的提高，對于現(xiàn)代醫(yī)療的要求日益提高；許多疾病具有較大的危害性、突發(fā)性，而且病癥具有很強的隨機性，要求搶救的時效性非常高；同時，由于我國人口數(shù)量大、密度高，而且老齡化嚴重，如何保障人們得到適當?shù)尼t(yī)療將是一個亟需解決的問題。移動通信技術(shù)的發(fā)展使我們看到了移動醫(yī)療的曙光，正如移動通信技術(shù)的發(fā)展一樣，遠程移動醫(yī)療及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也必將進入快速發(fā)展時期，技術(shù)也將日漸成熟完善。

　　雖然有線傳輸在遠距離傳送時不必增加功率，成本較低，可方便地利用現(xiàn)有的電話通訊線路傳送信號及指導(dǎo)測量，但是如果遠程醫(yī)療采用有線傳輸技術(shù)會限制被測對象活動，給用戶帶來極大的不便。而且，隨著現(xiàn)在生活節(jié)奏的加快以及生活方式的改變，采用有線傳輸技術(shù)的方案已不能滿足人們的需要。利用現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)，正好可以解決這一難題。它可以隨時隨地把被監(jiān)測對象的各項信息發(fā)送給監(jiān)護中心，監(jiān)護中心可以根據(jù)信息作出相應(yīng)的處理。基于無線網(wǎng)絡(luò)的遠程移動醫(yī)療將會成為未來遠程醫(yī)療的主要形式?；贕PRS的遠程移動醫(yī)療，可以對戶外檢測對象進行實時監(jiān)護，并把實時數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護中心，同時醫(yī)療信息平臺還可以提供各種醫(yī)療服務(wù)。因此，具有無線移動通信功能的監(jiān)護和急救系統(tǒng)在臨床醫(yī)療中將會發(fā)揮了越來越重要的作用。

　　遠程移動醫(yī)療系統(tǒng)是利用傳感技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)實時、連續(xù)監(jiān)測用戶的各項生理參數(shù)，并且可以讓采集到的參數(shù)發(fā)送到監(jiān)護中心。系統(tǒng)縮短了醫(yī)生與病人之間的距離，醫(yī)生還可以參考傳回的數(shù)據(jù)為患者提供及時的醫(yī)療服務(wù)。監(jiān)護系統(tǒng)可以監(jiān)護的范圍不止局限在醫(yī)院等醫(yī)療機構(gòu)，它可監(jiān)護通信網(wǎng)絡(luò)到達的任何地方。特別是隨著社會老齡化的加劇，遠程移動醫(yī)療正可解決這一難題。系統(tǒng)實時監(jiān)測老年人的各項生理參數(shù)并發(fā)回數(shù)據(jù)，監(jiān)護中心的醫(yī)護人員根據(jù)數(shù)據(jù)判斷老年人的身體狀況，并且在緊急情況下提供急救服務(wù)。遠程移動醫(yī)療系統(tǒng)是順應(yīng)社會發(fā)展及人民對醫(yī)療的需求而發(fā)展起來的。隨著各項技術(shù)的發(fā)展，遠程醫(yī)療系統(tǒng)也將會有突破性的發(fā)展。

　　1.2 國內(nèi)外遠程移動醫(yī)療的發(fā)展狀況

　　移動醫(yī)療是近幾年來遠程醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)一個研究熱點，但在遠程醫(yī)療中又是一個相對薄弱的環(huán)節(jié)，它提供了一種通過對遠地移動對象生理參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測來研究其生理功能的方法［2］。

　　國內(nèi)有關(guān)遠程醫(yī)療方面的研究大多是利用電話線傳輸醫(yī)學(xué)圖像或利用網(wǎng)絡(luò)進行遠程會診。例如：“心臟BP機”也是利用固定電話實現(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸；中衛(wèi)萊康科技發(fā)展（北京）有限公司的技術(shù)部負責人介紹說，遠程心臟監(jiān)護技術(shù)主要由信息采集、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理等幾部分構(gòu)成。信息采集技術(shù)是在傳統(tǒng)醫(yī)療器械的基礎(chǔ)上根據(jù)移動特性修改的，已相當成熟。而此前一些人比較擔心目前的網(wǎng)絡(luò)能否準確傳輸遠程心臟監(jiān)護中需要的大量、復(fù)雜數(shù)據(jù)，其實這在目前2.5G的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下也不再是技術(shù)難題。放眼3G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，數(shù)據(jù)傳輸速率將更加快速，用戶使用會更加方便，而且預(yù)期的使用費也會更加便宜，可以實現(xiàn)瞬間完成心電數(shù)據(jù)等內(nèi)容的傳輸，從而實現(xiàn)大數(shù)據(jù)量長時間的實時監(jiān)護；福州大學(xué)已研制成的“CTTM-1000遠程心電中央監(jiān)護系統(tǒng)”，用戶端的心電監(jiān)測發(fā)送裝置由無線發(fā)送和座機兩部分組成，可工作于基本聲禍合和無線發(fā)射轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，最后通過電話線傳送數(shù)據(jù)，可對患者心電進行監(jiān)護和動態(tài)分析，存儲異常心電并報警，患者可隨時將已存儲的或?qū)崟r的心電信號通過公用電話網(wǎng)以數(shù)字調(diào)制方式傳送到醫(yī)院監(jiān)護中心［5］;此外還有解放軍總后勤部衛(wèi)生部提出了軍隊衛(wèi)生系統(tǒng)信息化建設(shè)“三大工程”，并分別被列為國家“金衛(wèi)工程”軍字1、2、3號工程，其中軍字2號工程即為建設(shè)全軍醫(yī)藥衛(wèi)生信息網(wǎng)絡(luò)和遠程醫(yī)療會診系統(tǒng)；1995年上海教育科研網(wǎng)、上海醫(yī)大遠程會診項目啟動，并成立了遠程醫(yī)療會診研究室。上海醫(yī)科大學(xué)建立并實驗實現(xiàn)了國內(nèi)第一家較為完善的基于INTERNET網(wǎng)的遠程醫(yī)療系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)模型主要采用客戶/服務(wù)器框架結(jié)構(gòu)，以支持分布式并發(fā)和多媒體處理的SYBASE數(shù)據(jù)庫作為主要的后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，利用目前應(yīng)用廣泛的桌面視頻會議系統(tǒng)作為遠程專家會診的技術(shù)主干，在實驗和推廣過程中取得了比較成功的經(jīng)驗。2006年1月12日在人民大會堂舉行了“中國遠程心電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系”的啟動儀式，解決中國心血管疾病，降低發(fā)病率、復(fù)發(fā)率、致殘率和致死率，提高全民保健意識［6］。

　　國外在60年代開始進行移動醫(yī)療方面的研究。美國聯(lián)航正投入試驗運行的遠程醫(yī)療系統(tǒng)，提供了全方位的生命信號檢測，包括心臟、血壓、呼吸等。在飛行過程中，可通過移動通訊系統(tǒng)及時得到全球各地的醫(yī)療支持；希臘還有一種安裝于救護車的監(jiān)護系統(tǒng)，通過GSM網(wǎng)與醫(yī)院的監(jiān)護中心取得聯(lián)系，可隨時監(jiān)測患者生理參數(shù)，及時獲得醫(yī)生指導(dǎo)，爭取搶救時間，這一系統(tǒng)已在希臘、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用；日本北海道大學(xué)的一個遠程醫(yī)療小組研究了多種移動通信方式的遠程監(jiān)護系統(tǒng)，可用于飛機、輪船、救護車等移動條件下的病人監(jiān)護；喬治亞州教育醫(yī)學(xué)系統(tǒng)（CSAMS）是目前世界上規(guī)模最大、覆蓋面最廣的遠程教育和遠程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，可進行有線、無線和衛(wèi)星通信活動，遠程醫(yī)療網(wǎng)是其中的一部分。

　　目前，面向家庭、個人的遠程醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)成為醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的熱點，隨著數(shù)字移動通信技術(shù)發(fā)展和完善，基于GPRS的移動醫(yī)療必將成為遠程醫(yī)療發(fā)展的一個必然趨勢，在人們的日常生活中起者舉足輕重的作用。

　　1.3 本論文研究的內(nèi)容

　　本論文主要研究了移動醫(yī)療系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端部分，該終端由五部分組成：心電采集、體溫采集、主控電路、液晶顯示和串行通信。該終端由用戶隨身攜帶，隨時監(jiān)測用戶的生理信號，并可通過液晶實時顯示。本文詳細論述了信號采集的軟硬件設(shè)計過程，利用數(shù)據(jù)處理軟件處理生理信號的方法過程以及主控電路及外圍電路的設(shè)計過程。此外，本終端還設(shè)置有RS232口、USB口和藍牙通信模塊，能方便直接和監(jiān)護中心進行可靠數(shù)據(jù)通信。

　　2 生物醫(yī)學(xué)信號特性分析

　　2.1 生物醫(yī)學(xué)信號的特點

　　生物醫(yī)學(xué)信號屬于強噪聲背景下的低頻微弱信號，它是由復(fù)雜的生命體發(fā)出的不穩(wěn)定的自然信號，從信號本身特征、檢測方式到處理技術(shù)，都不同于一般的信號［7］。

　　生物醫(yī)學(xué)信號由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號所沒有的特點。①信號弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號10~50uV。腦干聽覺誘發(fā)響應(yīng)信號小于1uV。②噪聲強，由于人體自身信號弱，加之人體又是一個復(fù)雜的整體，因此信號易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強噪聲，它一方面來自肌電、工頻等干擾，另一方面，在胎兒心電中不可避免地含有母親心電，母親心電相對我們要提取的胎兒心電則變成了噪聲。③頻率范圍一般較低，除心音信號頻譜成份稍高外，其他電生理信號頻譜一般較低。④隨機性強，生物醫(yī)學(xué)信號不但是隨機的，而且是非平穩(wěn)的。正是因為生物醫(yī)學(xué)信號的這些特點，使得生物醫(yī)學(xué)信號處理成為當代信號處理技術(shù)最可發(fā)揮其威力的一個重要領(lǐng)域［7］。

　　生物信號如從電的性質(zhì)來講，可以分成電信號和非電信號，如心、 肌電、腦電等屬于電信號；其它如體溫、血壓、呼吸、血流量、脈博、心音等屬于非電信號［7］。

　　心電信號屬生物醫(yī)學(xué)信號，具有如下特點：信號具有近場檢測的特點，離開人體表微小的距離，就基本上檢測不到信號；心電信號通常比較微弱，幅值范圍一般為0.5～5mV；屬低頻信號，主要頻率范圍為0.05～100Hz；干擾特別強，干擾既來自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來自生物體外，如工頻干擾、信號拾取時因不良接地等引入的其他外來串擾等；干擾信號與心電信號本身頻帶重疊（如工頻干擾等）。

　　一個標準的心電信號是由幾個重要的心電波形組成的，如QRS波群、P波、T波等，如圖1.1所示。正常情況下，在每個心搏中基本上都存在這些波形，一段時間的心電信號具有一個準周期的特點，信號之間存在很大的冗余度，這個也是心電數(shù)據(jù)壓縮的理論根基。

　　圖1.1 標準心電信號的波形組成

　　2.2 生物醫(yī)學(xué)信號的檢測方法

　　生物醫(yī)學(xué)信號檢測是對生物體中包含生命現(xiàn)象、狀態(tài)、性質(zhì)、變量和成份等信息的信號進行檢測和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)信號處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號的特點，對所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號進行分析、解釋、分類、顯示、存儲和傳輸，其研究目的一是對生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對疾病進行診斷和治療［7］。

　　生物醫(yī)學(xué)信號檢測技術(shù)是生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科研究中的一個先導(dǎo)技術(shù)，由于研究者所站的立場、目的以及采用的檢測方法不同，使生物醫(yī)學(xué)信號的檢測技術(shù)的分類呈現(xiàn)多樣化，具體介紹如下：①無創(chuàng)檢測、微創(chuàng)檢測、有創(chuàng)檢測；②在體檢測、離體檢測；③直接檢測、間接檢測；④非接觸檢測、體表檢測、體內(nèi)檢測；⑤生物電檢測、生物非電量檢測；⑥形態(tài)檢測、功能檢測；⑦處于拘束狀態(tài)下的生物體檢測、處于自然狀態(tài)下的生物體檢測；⑧透射法檢測、反射法檢測；⑨一維信號檢測、多維信號檢測；⑩遙感法檢測、多維信號檢測；⑩一次量檢測、二次量分析檢測；⑩分子級檢測、細胞級檢測、系統(tǒng)級檢測。

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