摘要

　　本文介紹了基于GPRS的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)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(lán)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(jìn)行非線性補(bǔ)償；心電采集部分采用了金屬板電極作為傳感器，并對(duì)采集到的心電信號(hào)做放大和濾波等處理，并設(shè)計(jì)了數(shù)字濾波器對(duì)心電信號(hào)進(jìn)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(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、液晶顯示、低電量報(bào)警和通信接口等。主控電路的單片機(jī)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(shí)時(shí)的心電波形和體溫；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能可以存儲(chǔ)用戶的各項(xiàng)生理信息，以供醫(yī)護(hù)人員診斷做參考；系統(tǒng)終端可通過(guò)COM口和USB口與監(jiān)護(hù)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。藍(lán)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(hào)的處理中，介紹了線性插值法進(jìn)行線性補(bǔ)償；在心電信號(hào)的處理中，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器進(jìn)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(yuǎn)程醫(yī)療是指借助信息及電信技術(shù)來(lái)交換相隔兩地的患者的醫(yī)療臨床資料及專(zhuān)家的意見(jiàn)。遠(yuǎn)程醫(yī)療包括遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診、遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)教育、建立多媒體醫(yī)療保健咨詢系統(tǒng)等。遠(yuǎn)程醫(yī)療是運(yùn)用計(jì)算機(jī)、通信、醫(yī)療技術(shù)與設(shè)備，通過(guò)數(shù)據(jù)、文字、語(yǔ)音和圖像資料的遠(yuǎn)距離傳送，實(shí)現(xiàn)專(zhuān)家與病人、專(zhuān)家與醫(yī)務(wù)人員之間異地“面對(duì)面”的會(huì)診。遠(yuǎn)程醫(yī)療不僅僅是醫(yī)療或臨床問(wèn)題，還包括通訊網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)等各方面問(wèn)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(duì)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(qiáng)的隨機(jī)性，要求搶救的時(shí)效性非常高；同時(shí)，由于我國(guó)人口數(shù)量大、密度高，而且老齡化嚴(yán)重，如何保障人們得到適當(dāng)?shù)尼t(yī)療將是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題。移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展使我們看到了移動(dòng)醫(yī)療的曙光，正如移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展一樣，遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也必將進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，技術(shù)也將日漸成熟完善。

　　雖然有線傳輸在遠(yuǎn)距離傳送時(shí)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(hào)及指導(dǎo)測(cè)量，但是如果遠(yuǎn)程醫(yī)療采用有線傳輸技術(shù)會(huì)限制被測(cè)對(duì)象活動(dòng)，給用戶帶來(lái)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)，正好可以解決這一難題。它可以隨時(shí)隨地把被監(jiān)測(cè)對(duì)象的各項(xiàng)信息發(fā)送給監(jiān)護(hù)中心，監(jiān)護(hù)中心可以根據(jù)信息作出相應(yīng)的處理。基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療將會(huì)成為未來(lái)遠(yuǎn)程醫(yī)療的主要形式。基于GPRS的遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療，可以對(duì)戶外檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)，并把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)中心，同時(shí)醫(yī)療信息平臺(tái)還可以提供各種醫(yī)療服務(wù)。因此，具有無(wú)線移動(dòng)通信功能的監(jiān)護(hù)和急救系統(tǒng)在臨床醫(yī)療中將會(huì)發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

　　遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)是利用傳感技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)用戶的各項(xiàng)生理參數(shù)，并且可以讓采集到的參數(shù)發(fā)送到監(jiān)護(hù)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(shí)的醫(yī)療服務(wù)。監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以監(jiān)護(hù)的范圍不止局限在醫(yī)院等醫(yī)療機(jī)構(gòu)，它可監(jiān)護(hù)通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)的任何地方。特別是隨著社會(huì)老齡化的加劇，遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療正可解決這一難題。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)老年人的各項(xiàng)生理參數(shù)并發(fā)回?cái)?shù)據(jù)，監(jiān)護(hù)中心的醫(yī)護(hù)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(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療系統(tǒng)是順應(yīng)社會(huì)發(fā)展及人民對(duì)醫(yī)療的需求而發(fā)展起來(lái)的。隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)也將會(huì)有突破性的發(fā)展。

　　1.2 國(guó)內(nèi)外遠(yuǎn)程移動(dòng)醫(yī)療的發(fā)展?fàn)顩r

　　移動(dòng)醫(yī)療是近幾年來(lái)遠(yuǎn)程醫(yī)療領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)研究熱點(diǎn)，但在遠(yuǎn)程醫(yī)療中又是一個(gè)相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，它提供了一種通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)地移動(dòng)對(duì)象生理參數(shù)的連續(xù)監(jiān)測(cè)來(lái)研究其生理功能的方法［2］。

　　國(guó)內(nèi)有關(guān)遠(yuǎn)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(jìn)行遠(yuǎn)程會(huì)診。例如：“心臟BP機(jī)”也是利用固定電話實(shí)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(fù)責(zé)人介紹說(shuō)，遠(yuǎn)程心臟監(jiān)護(hù)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(dòng)特性修改的，已相當(dāng)成熟。而此前一些人比較擔(dān)心目前的網(wǎng)絡(luò)能否準(zhǔn)確傳輸遠(yuǎn)程心臟監(jiān)護(hù)中需要的大量、復(fù)雜數(shù)據(jù)，其實(shí)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(huì)更加方便，而且預(yù)期的使用費(fèi)也會(huì)更加便宜，可以實(shí)現(xiàn)瞬間完成心電數(shù)據(jù)等內(nèi)容的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)；福州大學(xué)已研制成的“CTTM-1000遠(yuǎn)程心電中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)”，用戶端的心電監(jiān)測(cè)發(fā)送裝置由無(wú)線發(fā)送和座機(jī)兩部分組成，可工作于基本聲禍合和無(wú)線發(fā)射轉(zhuǎn)發(fā)工作方式，最后通過(guò)電話線傳送數(shù)據(jù)，可對(duì)患者心電進(jìn)行監(jiān)護(hù)和動(dòng)態(tài)分析，存儲(chǔ)異常心電并報(bào)警，患者可隨時(shí)將已存儲(chǔ)的或?qū)崟r(shí)的心電信號(hào)通過(guò)公用電話網(wǎng)以數(shù)字調(diào)制方式傳送到醫(yī)院監(jiān)護(hù)中心［5］;此外還有解放軍總后勤部衛(wèi)生部提出了軍隊(duì)衛(wèi)生系統(tǒng)信息化建設(shè)“三大工程”，并分別被列為國(guó)家“金衛(wèi)工程”軍字1、2、3號(hào)工程，其中軍字2號(hào)工程即為建設(shè)全軍醫(yī)藥衛(wèi)生信息網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診系統(tǒng)；1995年上海教育科研網(wǎng)、上海醫(yī)大遠(yuǎn)程會(huì)診項(xiàng)目啟動(dòng)，并成立了遠(yuǎn)程醫(yī)療會(huì)診研究室。上海醫(yī)科大學(xué)建立并實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)第一家較為完善的基于INTERNET網(wǎng)的遠(yuǎn)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(kù)作為主要的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，利用目前應(yīng)用廣泛的桌面視頻會(huì)議系統(tǒng)作為遠(yuǎn)程專(zhuān)家會(huì)診的技術(shù)主干，在實(shí)驗(yàn)和推廣過(guò)程中取得了比較成功的經(jīng)驗(yàn)。2006年1月12日在人民大會(huì)堂舉行了“中國(guó)遠(yuǎn)程心電監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)體系”的啟動(dòng)儀式，解決中國(guó)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(shí)［6］。

　　國(guó)外在60年代開(kāi)始進(jìn)行移動(dòng)醫(yī)療方面的研究。美國(guó)聯(lián)航正投入試驗(yàn)運(yùn)行的遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)，提供了全方位的生命信號(hào)檢測(cè)，包括心臟、血壓、呼吸等。在飛行過(guò)程中，可通過(guò)移動(dòng)通訊系統(tǒng)及時(shí)得到全球各地的醫(yī)療支持；希臘還有一種安裝于救護(hù)車(chē)的監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)GSM網(wǎng)與醫(yī)院的監(jiān)護(hù)中心取得聯(lián)系，可隨時(shí)監(jiān)測(cè)患者生理參數(shù)，及時(shí)獲得醫(yī)生指導(dǎo)，爭(zhēng)取搶救時(shí)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(gè)遠(yuǎn)程醫(yī)療小組研究了多種移動(dòng)通信方式的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，可用于飛機(jī)、輪船、救護(hù)車(chē)等移動(dòng)條件下的病人監(jiān)護(hù)；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(yuǎn)程教育和遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)絡(luò)，可進(jìn)行有線、無(wú)線和衛(wèi)星通信活動(dòng)，遠(yuǎn)程醫(yī)療網(wǎng)是其中的一部分。

　　目前，面向家庭、個(gè)人的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)成為醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)，隨著數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展和完善，基于GPRS的移動(dòng)醫(yī)療必將成為遠(yuǎn)程醫(yī)療發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)，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(dòng)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(shí)監(jiān)測(cè)用戶的生理信號(hào)，并可通過(guò)液晶實(shí)時(shí)顯示。本文詳細(xì)論述了信號(hào)采集的軟硬件設(shè)計(jì)過(guò)程，利用數(shù)據(jù)處理軟件處理生理信號(hào)的方法過(guò)程以及主控電路及外圍電路的設(shè)計(jì)過(guò)程。此外，本終端還設(shè)置有RS232口、USB口和藍(lán)牙通信模塊，能方便直接和監(jiān)護(hù)中心進(jìn)行可靠數(shù)據(jù)通信。

　　2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)特性分析

　　2.1 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)

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

　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)由于受到人體諸多因素的影響，因而有著一般信號(hào)所沒(méi)有的特點(diǎn)。①信號(hào)弱，例如從母體腹部取到的胎兒心電信號(hào)10~50uV。腦干聽(tīng)覺(jué)誘發(fā)響應(yīng)信號(hào)小于1uV。②噪聲強(qiáng)，由于人體自身信號(hào)弱，加之人體又是一個(gè)復(fù)雜的整體，因此信號(hào)易受噪聲的干擾。如胎兒心電混有很強(qiáng)噪聲，它一方面來(lái)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(duì)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(hào)頻譜成份稍高外，其他電生理信號(hào)頻譜一般較低。④隨機(jī)性強(qiáng)，生物醫(yī)學(xué)信號(hào)不但是隨機(jī)的，而且是非平穩(wěn)的。正是因?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信號(hào)的這些特點(diǎn)，使得生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理成為當(dāng)代信號(hào)處理技術(shù)最可發(fā)揮其威力的一個(gè)重要領(lǐng)域［7］。

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

　　心電信號(hào)屬生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，具有如下特點(diǎn)：信號(hào)具有近場(chǎng)檢測(cè)的特點(diǎn)，離開(kāi)人體表微小的距離，就基本上檢測(cè)不到信號(hào)；心電信號(hào)通常比較微弱，幅值范圍一般為0.5～5mV；屬低頻信號(hào)，主要頻率范圍為0.05～100Hz；干擾特別強(qiáng)，干擾既來(lái)自生物體內(nèi)，如肌電干擾、呼吸干擾等；也來(lái)自生物體外，如工頻干擾、信號(hào)拾取時(shí)因不良接地等引入的其他外來(lái)串?dāng)_等；干擾信號(hào)與心電信號(hào)本身頻帶重疊（如工頻干擾等）。

　　一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的心電信號(hào)是由幾個(gè)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(gè)心搏中基本上都存在這些波形，一段時(shí)間的心電信號(hào)具有一個(gè)準(zhǔn)周期的特點(diǎn)，信號(hào)之間存在很大的冗余度，這個(gè)也是心電數(shù)據(jù)壓縮的理論根基。

　　圖1.1 標(biāo)準(zhǔn)心電信號(hào)的波形組成

　　2.2 生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的檢測(cè)方法

　　生物醫(yī)學(xué)信號(hào)檢測(cè)是對(duì)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(hào)進(jìn)行檢測(cè)和量化的技術(shù)。生物醫(yī)學(xué)信號(hào)處理的研究，是根據(jù)生物醫(yī)學(xué)信號(hào)的特點(diǎn)，對(duì)所采集到的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)進(jìn)行分析、解釋、分類(lèi)、顯示、存儲(chǔ)和傳輸，其研究目的一是對(duì)生物體系結(jié)構(gòu)與功能的研究，二是協(xié)助對(duì)疾病進(jìn)行診斷和治療［7］。

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

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