基于GPRS的远程医疗系统终端的设计与实现

　　摘要

　　本文介绍了基于GPRS的远程医疗系统中数据采集终端的设计方法。该系统主要由四部分组成：体温采集、心电采集、主控电路和蓝牙通信模块。此外，还有相应的少量数据处理软件等。体温采集部分采用NTC型热敏电阻作为传感器，并在硬件和软件方面进行非线性补偿；心电采集部分采用了金属板电极作为传感器，并对采集到的心电信号做放大和滤波等处理，并设计了数字滤波器对心电信号进一步滤波，从而得到了高可靠性的心电波形；主控电路主要包括实时时钟、数据存储、液晶显示、低电量报警和通信接口等。主控电路的单片机采用了MSP430系列中的MSP430C1351；系统设置了液晶显示模块，能提供给用户实时的心电波形和体温；数据存储功能可以存储用户的各项生理信息，以供医护人员诊断做参考；系统终端可通过COM口和USB口与监护中心计算机进行通信。蓝牙通信模块用于采集终端与GPRS模块之间数据通信。

　　本文还介绍了处理数据的软件方法。在体温信号的处理中，介绍了线性插值法进行线性补偿；在心电信号的处理中，设计数字滤波器进一步滤波并介绍了一种心电数据压缩的方法。

　　1 绪论

　　远程医疗是指借助信息及电信技术来交换相隔两地的患者的医疗临床资料及专家的意见。远程医疗包括远程医疗会诊、远程医学教育、建立多媒体医疗保健咨询系统等。远程医疗是运用计算机、通信、医疗技术与设备，通过数据、文字、语音和图像资料的远距离传送，实现专家与病人、专家与医务人员之间异地“面对面”的会诊。远程医疗不仅仅是医疗或临床问题，还包括通讯网络、数据库等各方面问题，并且需要把它们集成到网络系统中。

　　1.1 课题的研究目的及意义

　　随着人们生活水平的提高，对于现代医疗的要求日益提高；许多疾病具有较大的危害性、突发性，而且病症具有很强的随机性，要求抢救的时效性非常高；同时，由于我国人口数量大、密度高，而且老龄化严重，如何保障人们得到适当的医疗将是一个亟需解决的问题。移动通信技术的发展使我们看到了移动医疗的曙光，正如移动通信技术的发展一样，远程移动医疗及其相关技术的发展也必将进入快速发展时期，技术也将日渐成熟完善。

　　虽然有线传输在远距离传送时不必增加功率，成本较低，可方便地利用现有的电话通讯线路传送信号及指导测量，但是如果远程医疗采用有线传输技术会限制被测对象活动，给用户带来极大的不便。而且，随着现在生活节奏的加快以及生活方式的改变，采用有线传输技术的方案已不能满足人们的需要。利用现有的无线网络，正好可以解决这一难题。它可以随时随地把被监测对象的各项信息发送给监护中心，监护中心可以根据信息作出相应的处理。基于无线网络的远程移动医疗将会成为未来远程医疗的主要形式。基于GPRS的远程移动医疗，可以对户外检测对象进行实时监护，并把实时数据发送到监护中心，同时医疗信息平台还可以提供各种医疗服务。因此，具有无线移动通信功能的监护和急救系统在临床医疗中将会发挥了越来越重要的作用。

　　远程移动医疗系统是利用传感技术和现代通信技术实时、连续监测用户的各项生理参数，并且可以让采集到的参数发送到监护中心。系统缩短了医生与病人之间的距离，医生还可以参考传回的数据为患者提供及时的医疗服务。监护系统可以监护的范围不止局限在医院等医疗机构，它可监护通信网络到达的任何地方。特别是随着社会老龄化的加剧，远程移动医疗正可解决这一难题。系统实时监测老年人的各项生理参数并发回数据，监护中心的医护人员根据数据判断老年人的身体状况，并且在紧急情况下提供急救服务。远程移动医疗系统是顺应社会发展及人民对医疗的需求而发展起来的。随着各项技术的发展，远程医疗系统也将会有突破性的发展。

　　1.2 国内外远程移动医疗的发展状况

　　移动医疗是近几年来远程医疗领域内一个研究热点，但在远程医疗中又是一个相对薄弱的环节，它提供了一种通过对远地移动对象生理参数的连续监测来研究其生理功能的方法［2］。

　　国内有关远程医疗方面的研究大多是利用电话线传输医学图像或利用网络进行远程会诊。例如：“心脏BP机”也是利用固定电话实现的数据传输；中卫莱康科技发展（北京）有限公司的技术部负责人介绍说，远程心脏监护技术主要由信息采集、数据传输和数据处理等几部分构成。信息采集技术是在传统医疗器械的基础上根据移动特性修改的，已相当成熟。而此前一些人比较担心目前的网络能否准确传输远程心脏监护中需要的大量、复杂数据，其实这在目前2.5G的网络环境下也不再是技术难题。放眼3G网络环境，数据传输速率将更加快速，用户使用会更加方便，而且预期的使用费也会更加便宜，可以实现瞬间完成心电数据等内容的传输，从而实现大数据量长时间的实时监护；福州大学已研制成的“CTTM-1000远程心电中央监护系统”，用户端的心电监测发送装置由无线发送和座机两部分组成，可工作于基本声祸合和无线发射转发工作方式，最后通过电话线传送数据，可对患者心电进行监护和动态分析，存储异常心电并报警，患者可随时将已存储的或实时的心电信号通过公用电话网以数字调制方式传送到医院监护中心［5］;此外还有解放军总后勤部卫生部提出了军队卫生系统信息化建设“三大工程”，并分别被列为国家“金卫工程”军字1、2、3号工程，其中军字2号工程即为建设全军医药卫生信息网络和远程医疗会诊系统；1995年上海教育科研网、上海医大远程会诊项目启动，并成立了远程医疗会诊研究室。上海医科大学建立并实验实现了国内第一家较为完善的基于INTERNET网的远程医疗系统模型，该系统模型主要采用客户/服务器框架结构，以支持分布式并发和多媒体处理的SYBASE数据库作为主要的后台数据库服务器，利用目前应用广泛的桌面视频会议系统作为远程专家会诊的技术主干，在实验和推广过程中取得了比较成功的经验。2006年1月12日在人民大会堂举行了“中国远程心电监测网络体系”的启动仪式，解决中国心血管疾病，降低发病率、复发率、致残率和致死率，提高全民保健意识［6］。

　　国外在60年代开始进行移动医疗方面的研究。美国联航正投入试验运行的远程医疗系统，提供了全方位的生命信号检测，包括心脏、血压、呼吸等。在飞行过程中，可通过移动通讯系统及时得到全球各地的医疗支持；希腊还有一种安装于救护车的监护系统，通过GSM网与医院的监护中心取得联系，可随时监测患者生理参数，及时获得医生指导，争取抢救时间，这一系统已在希腊、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用；日本北海道大学的一个远程医疗小组研究了多种移动通信方式的远程监护系统，可用于飞机、轮船、救护车等移动条件下的病人监护；乔治亚州教育医学系统（CSAMS）是目前世界上规模最大、覆盖面最广的远程教育和远程医疗网络，可进行有线、无线和卫星通信活动，远程医疗网是其中的一部分。

　　目前，面向家庭、个人的远程医疗监护系统成为医疗技术领域的热点，随着数字移动通信技术发展和完善，基于GPRS的移动医疗必将成为远程医疗发展的一个必然趋势，在人们的日常生活中起者举足轻重的作用。

　　1.3 本论文研究的内容

　　本论文主要研究了移动医疗系统的数据采集终端部分，该终端由五部分组成：心电采集、体温采集、主控电路、液晶显示和串行通信。该终端由用户随身携带，随时监测用户的生理信号，并可通过液晶实时显示。本文详细论述了信号采集的软硬件设计过程，利用数据处理软件处理生理信号的方法过程以及主控电路及外围电路的设计过程。此外，本终端还设置有RS232口、USB口和蓝牙通信模块，能方便直接和监护中心进行可靠数据通信。

　　2 生物医学信号特性分析

　　2.1 生物医学信号的特点

　　生物医学信号属于强噪声背景下的低频微弱信号，它是由复杂的生命体发出的不稳定的自然信号，从信号本身特征、检测方式到处理技术，都不同于一般的信号［7］。

　　生物医学信号由于受到人体诸多因素的影响，因而有着一般信号所没有的特点。①信号弱，例如从母体腹部取到的胎儿心电信号10~50uV。脑干听觉诱发响应信号小于1uV。②噪声强，由于人体自身信号弱，加之人体又是一个复杂的整体，因此信号易受噪声的干扰。如胎儿心电混有很强噪声，它一方面来自肌电、工频等干扰，另一方面，在胎儿心电中不可避免地含有母亲心电，母亲心电相对我们要提取的胎儿心电则变成了噪声。③频率范围一般较低，除心音信号频谱成份稍高外，其他电生理信号频谱一般较低。④随机性强，生物医学信号不但是随机的，而且是非平稳的。正是因为生物医学信号的这些特点，使得生物医学信号处理成为当代信号处理技术最可发挥其威力的一个重要领域［7］。

　　生物信号如从电的性质来讲，可以分成电信号和非电信号，如心、 肌电、脑电等属于电信号；其它如体温、血压、呼吸、血流量、脉博、心音等属于非电信号［7］。

　　心电信号属生物医学信号，具有如下特点：信号具有近场检测的特点，离开人体表微小的距离，就基本上检测不到信号；心电信号通常比较微弱，幅值范围一般为0.5～5mV；属低频信号，主要频率范围为0.05～100Hz；干扰特别强，干扰既来自生物体内，如肌电干扰、呼吸干扰等；也来自生物体外，如工频干扰、信号拾取时因不良接地等引入的其他外来串扰等；干扰信号与心电信号本身频带重叠（如工频干扰等）。

　　一个标准的心电信号是由几个重要的心电波形组成的，如QRS波群、P波、T波等，如图1.1所示。正常情况下，在每个心搏中基本上都存在这些波形，一段时间的心电信号具有一个准周期的特点，信号之间存在很大的冗余度，这个也是心电数据压缩的理论根基。

　　

　　图1.1 标准心电信号的波形组成

　　2.2 生物医学信号的检测方法

　　生物医学信号检测是对生物体中包含生命现象、状态、性质、变量和成份等信息的信号进行检测和量化的技术。生物医学信号处理的研究，是根据生物医学信号的特点，对所采集到的生物医学信号进行分析、解释、分类、显示、存储和传输，其研究目的一是对生物体系结构与功能的研究，二是协助对疾病进行诊断和治疗［7］。

　　生物医学信号检测技术是生物医学工程学科研究中的一个先导技术，由于研究者所站的立场、目的以及采用的检测方法不同，使生物医学信号的检测技术的分类呈现多样化，具体介绍如下：①无创检测、微创检测、有创检测；②在体检测、离体检测；③直接检测、间接检测；④非接触检测、体表检测、体内检测；⑤生物电检测、生物非电量检测；⑥形态检测、功能检测；⑦处于拘束状态下的生物体检测、处于自然状态下的生物体检测；⑧透射法检测、反射法检测；⑨一维信号检测、多维信号检测；⑩遥感法检测、多维信号检测；⑩一次量检测、二次量分析检测；⑩分子级检测、细胞级检测、系统级检测。

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