摘要

　　本文介紹了基于GPRS的遠程醫療系統中數據采集終端的設計方法。該系統主要由四部分組成：體溫采集、心電采集、主控電路和藍牙通信模塊。此外，還有相應的少量數據處理軟件等。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，并設計了數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、數據存儲、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；系統設置了液晶顯示模塊，能提供給用戶實時的心電波形和體溫；數據存儲功能可以存儲用戶的各項生理信息，以供醫護人員診斷做參考；系統終端可通過COM口和USB口與監護中心計算機進行通信。藍牙通信模塊用于采集終端與GPRS模塊之間數據通信。

　　本文還介紹了處理數據的軟件方法。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，設計數字濾波器進一步濾波并介紹了一種心電數據壓縮的方法。

　　1 緒論

　　遠程醫療是指借助信息及電信技術來交換相隔兩地的患者的醫療臨床資料及專家的意見。遠程醫療包括遠程醫療會診、遠程醫學教育、建立多媒體醫療保健咨詢系統等。遠程醫療是運用計算機、通信、醫療技術與設備，通過數據、文字、語音和圖像資料的遠距離傳送，實現專家與病人、專家與醫務人員之間異地“面對面”的會診。遠程醫療不僅僅是醫療或臨床問題，還包括通訊網絡、數據庫等各方面問題，并且需要把它們集成到網絡系統中。

　　1.1 課題的研究目的及意義

　　隨著人們生活水平的提高，對于現代醫療的要求日益提高；許多疾病具有較大的危害性、突發性，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，由于我國人口數量大、密度高，而且老齡化嚴重，如何保障人們得到適當的醫療將是一個亟需解決的問題。移動通信技術的發展使我們看到了移動醫療的曙光，正如移動通信技術的發展一樣，遠程移動醫療及其相關技術的發展也必將進入快速發展時期，技術也將日漸成熟完善。

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

　　遠程移動醫療系統是利用傳感技術和現代通信技術實時、連續監測用戶的各項生理參數，并且可以讓采集到的參數發送到監護中心。系統縮短了醫生與病人之間的距離，醫生還可以參考傳回的數據為患者提供及時的醫療服務。監護系統可以監護的范圍不止局限在醫院等醫療機構，它可監護通信網絡到達的任何地方。特別是隨著社會老齡化的加劇，遠程移動醫療正可解決這一難題。系統實時監測老年人的各項生理參數并發回數據，監護中心的醫護人員根據數據判斷老年人的身體狀況，并且在緊急情況下提供急救服務。遠程移動醫療系統是順應社會發展及人民對醫療的需求而發展起來的。隨著各項技術的發展，遠程醫療系統也將會有突破性的發展。

　　1.2 國內外遠程移動醫療的發展狀況

　　移動醫療是近幾年來遠程醫療領域內一個研究熱點，但在遠程醫療中又是一個相對薄弱的環節，它提供了一種通過對遠地移動對象生理參數的連續監測來研究其生理功能的方法［2］。

　　國內有關遠程醫療方面的研究大多是利用電話線傳輸醫學圖像或利用網絡進行遠程會診。例如：“心臟BP機”也是利用固定電話實現的數據傳輸；中衛萊康科技發展（北京）有限公司的技術部負責人介紹說，遠程心臟監護技術主要由信息采集、數據傳輸和數據處理等幾部分構成。信息采集技術是在傳統醫療器械的基礎上根據移動特性修改的，已相當成熟。而此前一些人比較擔心目前的網絡能否準確傳輸遠程心臟監護中需要的大量、復雜數據，其實這在目前2.5G的網絡環境下也不再是技術難題。放眼3G網絡環境，數據傳輸速率將更加快速，用戶使用會更加方便，而且預期的使用費也會更加便宜，可以實現瞬間完成心電數據等內容的傳輸，從而實現大數據量長時間的實時監護；福州大學已研制成的“CTTM-1000遠程心電中央監護系統”，用戶端的心電監測發送裝置由無線發送和座機兩部分組成，可工作于基本聲禍合和無線發射轉發工作方式，最后通過電話線傳送數據，可對患者心電進行監護和動態分析，存儲異常心電并報警，患者可隨時將已存儲的或實時的心電信號通過公用電話網以數字調制方式傳送到醫院監護中心［5］;此外還有解放軍總后勤部衛生部提出了軍隊衛生系統信息化建設“三大工程”，并分別被列為國家“金衛工程”軍字1、2、3號工程，其中軍字2號工程即為建設全軍醫藥衛生信息網絡和遠程醫療會診系統；1995年上海教育科研網、上海醫大遠程會診項目啟動，并成立了遠程醫療會診研究室。上海醫科大學建立并實驗實現了國內第一家較為完善的基于INTERNET網的遠程醫療系統模型，該系統模型主要采用客戶/服務器框架結構，以支持分布式并發和多媒體處理的SYBASE數據庫作為主要的后臺數據庫服務器，利用目前應用廣泛的桌面視頻會議系統作為遠程專家會診的技術主干，在實驗和推廣過程中取得了比較成功的經驗。2006年1月12日在人民大會堂舉行了“中國遠程心電監測網絡體系”的啟動儀式，解決中國心血管疾病，降低發病率、復發率、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療方面的研究。美國聯航正投入試驗運行的遠程醫療系統，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及時得到全球各地的醫療支持；希臘還有一種安裝于救護車的監護系統，通過GSM網與醫院的監護中心取得聯系，可隨時監測患者生理參數，及時獲得醫生指導，爭取搶救時間，這一系統已在希臘、瑞典、意大利、塞浦路斯投入使用；日本北海道大學的一個遠程醫療小組研究了多種移動通信方式的遠程監護系統，可用于飛機、輪船、救護車等移動條件下的病人監護；喬治亞州教育醫學系統（CSAMS）是目前世界上規模最大、覆蓋面最廣的遠程教育和遠程醫療網絡，可進行有線、無線和衛星通信活動，遠程醫療網是其中的一部分。

　　目前，面向家庭、個人的遠程醫療監護系統成為醫療技術領域的熱點，隨著數字移動通信技術發展和完善，基于GPRS的移動醫療必將成為遠程醫療發展的一個必然趨勢，在人們的日常生活中起者舉足輕重的作用。

　　1.3 本論文研究的內容

　　本論文主要研究了移動醫療系統的數據采集終端部分，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計過程，利用數據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計過程。此外，本終端還設置有RS232口、USB口和藍牙通信模塊，能方便直接和監護中心進行可靠數據通信。

　　2 生物醫學信號特性分析

　　2.1 生物醫學信號的特點

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

　　生物醫學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。腦干聽覺誘發響應信號小于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，生物醫學信號不但是隨機的，而且是非平穩的。正是因為生物醫學信號的這些特點，使得生物醫學信號處理成為當代信號處理技術最可發揮其威力的一個重要領域［7］。

　　生物信號如從電的性質來講，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］。

　　心電信號屬生物醫學信號，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，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，這個也是心電數據壓縮的理論根基。

　　圖1.1 標準心電信號的波形組成

　　2.2 生物醫學信號的檢測方法

　　生物醫學信號檢測是對生物體中包含生命現象、狀態、性質、變量和成份等信息的信號進行檢測和量化的技術。生物醫學信號處理的研究，是根據生物醫學信號的特點，對所采集到的生物醫學信號進行分析、解釋、分類、顯示、存儲和傳輸，其研究目的一是對生物體系結構與功能的研究，二是協助對疾病進行診斷和治療［7］。

　　生物醫學信號檢測技術是生物醫學工程學科研究中的一個先導技術，由于研究者所站的立場、目的以及采用的檢測方法不同，使生物醫學信號的檢測技術的分類呈現多樣化，具體介紹如下：①無創檢測、微創檢測、有創檢測；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、體內檢測；⑤生物電檢測、生物非電量檢測；⑥形態檢測、功能檢測；⑦處于拘束狀態下的生物體檢測、處于自然狀態下的生物體檢測；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、系統級檢測。

　　【更多詳情】