遠程心電監護軟件系統的設計與實現

遠程心電監護軟件系統的設計與實現

1 引言

心血管疾病是現代工業社會中對人類生命威脅最大的疾病,我國城鎮中現有4000多萬冠心病患者。由于心髒疾病發病時具有很大的突然性,失去了寶貴的早期診斷救治時間,導緻疾病進入晚期,甚至當場發生心髒猝死,造成高額醫療費用,給社會和個人家庭帶來沉重的經濟負擔。因此日常的心髒監護就成為保證病人生命安全的重要手段,通過日常監護預先發現異常征兆,及時給予救治。

清華大學深圳研究生院嵌入式系統與技術實驗室開發了一套遠程心電監護系統,實現對心髒病人心電信号(ECG)的遠程監測和護理。該方案融合了信号采集、數據傳輸(GSM/GPRS網絡、藍牙、網絡)、心電信号計算機分析與心電醫療理論、PDA移動計算技術、數據庫等各種技術,能夠很好地滿足醫院和患者對心電信号遠程監護的要求。

患者在家中或者外出都可以佩戴心髒監護儀,随時可以将心電圖數據通過GPRS網絡發送到醫院的監護中心,或者醫生使用PDA在現場采集患者的心電數據進行診斷。監護中心的醫生實時地得到病人的心電圖數據,診斷以後再通過短消息将診斷結果通過GSM網絡發送至病人的移動心髒監護儀。随着新的應用服務提供商( ,ASP)模式的興起,遠程心電監護系統通過構建運行平台和應用軟件系統,以ASP模式運營,可以作為未來數字化醫院、遠程醫療、社會/社區疾病保障的一項服務内容。本文将對我們整套遠程心電監護的軟件系統進行介紹。

2 遠程心電監護系統的總體結構

遠程心電監護系統的整體拓撲結構如圖1。整個系統分為三個部分:移動監護儀前端、醫用PDA、醫院中央服務器。移動監護儀用于患者病人的數據采集與發送,心電信息的簡易處理與顯示;醫生使用的PDA移動監護設備,具有接收患者心電信号數據和接收醫院中央服務器數據的功能,并能對信号做一定的分析與處理;醫院中央服務器負責整個心電信息管理系統,接收患者心電信号數據,調度醫生PDA,心電信号的全面檢測和分析,負責與醫用管理信息系統MIS的鍊接。

遠程心電監護系統的整體拓撲結構圖

用戶端的移動監護儀單機測量得到患者的心髒電生理信号,通過GPRS移動通信網絡将監測數據傳輸到醫院中央心電信息處理系統,或者傳輸到自己專屬醫生的PDA上,或者通過藍牙無線傳輸到現場醫生的PDA上。醫院中央心電信息處理系統接收患者的數據接入請求,調度醫生的工作,為各個醫生分配患者, 将相應患者的心電圖處理數據發送到醫生PDA中。醫院中央心電信息處理系統還負責維護心電病曆數據庫,并鍊接醫院醫用管理信息系統MIS。

相對于醫院中央心電信息處理系統,醫用PDA是一個小型的移動心電信息處理平台,PDA也具有信号數據接收和分析處理的功能。醫生在接到醫院中央心電處理系統的調度信息後,遠程診斷患者的病情,根據情況去患者現場實地就診;或者PDA直接通過GPRS遠程接收自己專屬患者的心電數據,也可通過藍牙無線傳輸技術現場接收患者的心電數據,直接在PDA上做心電圖自動分析檢測和診斷。

3 移動監護儀的軟件

移動監護儀實時采集用戶的ECG(心電信号),當用戶心髒出現異常狀況時會自動報警并通過GPRS方式或者藍牙将用戶ECG數據發送到醫院中央心電信息處理系統或者醫生PDA。移動監護儀的硬件由下列部分組成:ECG信号采集模塊、主控、GSM/GPRS模塊WISMO Q2406、Flash存儲器、LCD顯示屏。

移動監護儀前端軟件流程圖如圖2,總共實現9個軟件模塊的工作:數據采集、ECG信号簡單的數字濾波、ECG信号簡單的檢測和識别、ECG數據壓縮、ECG數據包封裝、Flash文件系統、USB驅動、GPRS或藍牙收發模塊、LCD顯示模塊。

CPU将采樣數據ECG信号放入RAM區中的FIFO中,對信号做一些簡單的檢測識别,主要是:心律失常分析(心率、窦性心動過速、窦性心動過緩、室性期前收縮PVC、房性前收縮APC、漏搏與停搏),為報警提供依據;ST段分析,先定位R波,然後确定ST段的電平和斜率。監護儀的LCD上顯示的内容包括:簡單的ECG分析結果(心率、心律失常分析結果、ST段電壓、QRS波群時間與振幅等),日期時間,系統狀态(報警是否有聲,電池電量,當前是否在記錄及發送等)。單片機PIC主要負責數據采集、噪聲濾波、信号分析;主要負責數據壓縮、數據打包、數據發送。

移動監護儀前端軟件流程圖

由于患者心電學認識能力的限制,并不需要在移動監護儀上做複雜詳細的顯示;再次,由于心電移動監護儀計算能力的限制,也并不允許對心電信息做複雜的分析處理,因此移動監護儀上的ECG信号的數字濾波、檢測識别是初步簡單的處理,在LCD上顯示基本的心電參數。ECG信号複雜全面的分析處理由醫院中央心電信息處理系統或者醫生PDA完成。

CPU将原始ECG濾波後的信号壓縮後,并根據制定的數據包格式進行封裝。最後,封裝後的數據包通過GPRS模塊向醫院的中央處理系統發送,同時存儲到自帶的Flash存儲器中。

GPRS/藍牙收發模塊除了負責發送ECG數據,還接收遠程醫院中央處理系統的反饋信息,患者可以按照醫院的反饋信息進行救護操作。

4 醫用PDA的軟件

醫用PDA有較強大的計算和信息處理能力,為醫生提供一個移動的、方便快捷的心電信息處理平台。我們的PDA平台采用:處理器、操作系統、GPRS/藍牙模塊。圖3為PDA軟件流程圖。

PDA軟件流程圖

移動監護儀實時采集現場患者的ECG并通過GPRS方式或藍牙無線将用戶ECG數據發送同在現場的醫生手中的PDA。醫用PDA接收到數據後,對數據分析處理,醫生就可以根據分析和診斷的結果對患者進行現場救護。

ECG數據經過解包、解壓縮後,對其進行全面的檢測與識别,計算各種重要的生理參數和識别各種波形。PDA采用的信号檢測與波形識别算法與監護中心心電綜合分析系統采用的算法類似,但特别考慮了PDA計算資源的限制。

ECG信号管理模塊根據醫生的具體查詢指令,通過操作系統的GUI在LCD進行ECG信号相應分析結果的顯示,以便醫生作出判斷,采取具體措施。PDA端的ECG信号分析處理直接使用服務器端信号分析處理模塊。ECG信号管理模塊隻提供一些簡單查詢、管理功能,将服務器端的心電信息管理系統進行簡化。

5 監護中心的軟件

5.1 監護中心的軟件總體結構

醫院中央心電信息處理系統是一個綜合、大型、全面的管理平台。圖4為醫院中央心電信息管理系統模塊框圖,整個系統劃分為五大模塊:無線數據收發調度管理模塊、醫生作業調度模塊、心電綜合分析系統模塊、心電信息的标準化處理模塊、心電信息數據庫管理模塊。圖5為監護中心服務器軟件系統的詳細結構框圖。

監護中心服務器軟件系統的詳細結構框圖

GPRS/藍牙數據收發模塊調度接收來自患者的心電數據,查詢醫生PDA忙碌狀态、位置信息,向所調度的醫生發送患者信息和心電分析結果。其中接收患者心電數據由一個調度接收模塊控制,對并發的接收線程進行調度,調度控制信息包括優先級、病人注冊信息。

患者的ECG數據經解封裝、解壓縮後,恢複成原始的ECG數據。原始的ECG數據一方面經過标準化存儲格式處理,進入心電信息數據庫;另一方面進入ECG數據分析處理模塊進行實時分析處理。

醫生調度模塊分析判斷ECG處理結果,根據其嚴重情況,以及查詢得到醫生PDA忙碌狀态、位置信息,數據庫中患者的注冊信息反映的優先級,為患者綜合調度選擇一位醫生,然後調度模塊把患者信息和ECG分析處理結果發送給該醫生的PDA。

ECG綜合分析系統是整體軟件系統的核心,包括:心電圖軟件測量系統、心電圖特征分析系統、心電圖自動診斷系統。心電圖軟件測量系統包括心電信号預處理、波形檢測、心電參數測量及特征提取。心電圖特征分析系統完成如下功能的特征分析:12導聯同步心電圖的數據實時接收顯示和回放、心電向量圖(VCG)分析、時間心向量圖(TVCG)分析、心電頻譜圖(FCG)分析、QT離散度(QTD)分析、心率變異性(HRV)分析等。這些特征和相應指标的綜合分析可為臨床醫師早期冠心病的診斷,複雜的心律失常分析以及對于心源性心髒猝死的預測等提供确切、可靠的客觀依據。

心電信息的标準化處理:按照SCP-ECG ( ECG,計算機心電信息标準化通訊協議)标準,對心電信息在壓縮、傳輸、存儲、共享、管理等方面進行标準化處理。

心電信息數據庫負責維護患者的心電數據,供使用者查詢患者心電數據并進行分析,與其他心電信息處理系統進行通訊,與醫院管理信息系統鍊接,還負責其他一些管理任務:使用者權限管理、注冊患者信息、打印報告單、計費管理、系統設置等。

5.2 心電圖計算機自動測量系統

心電圖測量程序包括:心電信号預處理,進行抗幹擾數字濾波;檢測P波和QRS波;識别P、QRS、T波的分界點;參數測量及特征提取。

(1)心電信号預處理心電信号的采集常常伴随着基線漂移、工頻幹擾、肌電幹擾和其他高頻幹擾等噪聲,因此信号采集器将ECG信号采樣後,必須對數據進行抗幹擾濾波,否則未加以處理的ECG信号将嚴重影響後端的檢測、識别和分析工作的準确性。

(2)QRS波、T波、P波自動檢測心電信号預處理後,進行QRS波、T波、P波的自動檢測。先确定QRS波,然後檢測分析其他波段。我們采用小波分析-模極大值對的方法檢測識别R波,然後在QRS前後特定的時間内搜索P波和T波。 (3)特征參數測量與提取确定P、QRS、T波分界點後,進行各種參數測量和計算。測量參數包括心率、P波時限、P-R(P-Q)間期、QRS時限、Q-T(QTc)間期、平均心電軸、各波振幅等。圖6為要進行測量的常用參數。

要進行測量的常用參數

計算機心電圖檢測程序必須滿足安全性能方面的要求,嚴格達到國際醫學機構和相關組織對心電圖計算機分析程序的性能評價标準。在心電檢測方面,我們主要以美國麻省理工學院的MIT-BIH數據庫作為R波檢測評價标準。

5.3 心電圖特征分析系統的功能模塊

5.3.1 12導聯同步心電圖

12導聯同步心電圖功能模塊提供12導聯心電圖的實時接收顯示、曆史回放顯示;與心電測量系統結合,顯示檢測得到的波形和特征參數。

對于顯示心電圖功能:

(1)按增益大小調節圖形,提供2.5mm/mv,5.0mm/mv,10.0mm/mv選項;能夠按心電波形走速調節圖形,提供選項:1.25cm/s,2.5cm/s,5.0cm/s,10cm/s。

(2)提供手動測量工具,使用者可以使用鼠标測量心電圖在長度

方向上和高度振幅方向上任何兩點之間的尺寸大小。

(3)提供标簽擺放的功能用于對心電圖的判讀,操作醫師可以在心電波形上任意一點放上病變标志标簽,并提供一個心電病變标志列表供選擇。對于顯示的特征參數:包括心率、P波時限、QRS時限、T波時限、P-R(P-Q)間期、P-Q間期、Q-T(Q-Tc)間期、各波平均心電軸、最大ST段,以及P波、Q波、R波、S波、T波振幅。

5.3.2 心電向量圖(VCG)分析

與普通ECG相比,VCG在心肌梗塞、束支及其分支阻滞、應激症候群、冠狀動脈供血不足、對異位心律失常的定位上具有更高的診斷價值。VCG采用Frank導聯系統得到,在沒有Frank導聯的情況下,我們根據Uijen提出的轉換矩陣,由12同步導聯直接推導出VCG。經我們檢驗,導出的 VCG與實際測量得到的VCG差異并不太大,能夠滿足分析的要求,并得到絕大多數醫師的認可。VCG測量的參數指标:

QRS環測量指标:三個面上QRS環的方位、環的大小、長短;QRS環最大向量的振幅及角度、Q向量、R向量、S向量的振幅和角度;QRS環運行速度及運行時間。

其他指标:T環面積、方位、長寬比例;QRS環與T環面積的比例;T和P環最大向量振幅、角度、運轉時間;P環的前向力、後向力、左向力、右向力振幅。

5.3.3 時間心向量圖(TVCG)分析

TVCG将各面心向量環按時間先後排序,連續描記多個心動周期的P環、QRS環、T環。TVCG和心電圖相似。我們主要測量時間向量圖如下指标參數:P環時間、Ta向量、心房除極時間、QRS環時間、ST向量、T環時間、心室除複極時間、心房除複極時間。

5.3.4 心電頻譜圖(FCG)分析

FCG将常規12導聯中的V5導聯和Ⅱ導聯在125s長度上的信号通過快速傅立葉變換(FFT),将心電信号轉化為各個頻率成分功率大小分布。對2個導聯心電信号的頻率、振幅、相位、時間差等進行動态相關的分析,繪制9幅函數圖。FCG分析使原來在時域分析中不便提取的心電信息很靈敏地反映出來,就有可能從正常人和不同病人的心電信息中提取足以鑒别正常和異常以及不同類型病人的特征量。表1為FCG分析的各項函數。

FCG分析的各項函數

5.3.5 QT離散度(QTD)分析

Q-T離散度是12導聯心電圖各導聯間Q-T間期存在的差異(最大Q-T間期與最小Q-T間期之差)。QT離散度主要反映心室肌複極的不均一性,可代表心室肌興奮性恢複時間不一緻的程度,或心室肌不應期差異的程度。QT離散度分析步驟:

(1)設計計算機程序對記錄到的心電圖識别QRS波起點和T波終點;

(2)測量QRS起點到T波終點的時程,得到Q-T間期;

(3)Q-T間期受到心率的影響,還需要根據心率進行校正,得到校正後的Q-Tc間期。采用平方根校正方法:Q-Tc=Q-T/sqrt(R-R);

(4)最終計算12導聯同步心電圖同一心動周期中Q-T間期離散度Q-Td和心率校正後的Q-T間期離散度Q-Tcd。

離散度的分析和測定指标:最大Q-T間期(Q-Tmax)、最小Q-T間期(Q-Tmin)、Q-T間期離散度(Q-Td)、心率校正後的Q- T間期離散度(Q-Tcd)、12導聯中相鄰導聯Q-T間期之差最大的差值(AdQ-Td)、Q-Td率(Q-Tdr)、Q-T間期早期離散度(Q- Tad)、Q-T間期晚期離散度(Q-Ted)等。

5.3.6 心率變異性(HRV)分析

心率變異性分析對逐次心搏間期之間的時間變異數進行分析。HRV信号中蘊含着有關心血管調節的重要信息。我們在軟件中,主要對心動周期變異進行時域分析和非線性分析。

(1)時域分析。繪制心動周期(R-R間期)的直方圖和R-R間期差值的直方圖,R-R間期直方圖以規定的采樣間隔來統計不同的R-R間期的心搏的次數,R-R間期差值直方圖以不同的相鄰窦性心搏R-R間期差值内的心搏次數進行統計。

(2)非線性分析。繪制龐加萊散點标繪圖和龐加萊差值散點标繪圖,定量描述變異程度和非線性參數。

5.4心電信息數據庫系統

圖7為心電信息數據庫系統的功能模塊圖。心電信息數據庫負責維護患者的心電數據,供使用者查詢患者心電數據并進行分析,與其他心電信息處理系統進行通訊,與醫院管理信息系統鍊接,還負責其他一些管理任務:使用者權限管理、注冊患者信息、打印報告單、計費管理、系統設置等。

心電信息數據庫系統的功能模塊圖

各模塊詳細描述:

(1)數據維護:包括備份,恢複,移動,删除心電數據功能。

(2)系統設置:主要是對系統的一些初始化。