基于Linux／QT与GPRS的远程集群式心脏病人实时诊断系统

摘要：根据当今社会医疗监护的发展需求，提出了一种远程集群式心脏病人实时诊断设计方案，以ARM11S3C6410控制芯片为核心控制器，使用Linux／QT完成控制程序人机界面的编写，通过ZigBee无线通信协议完成患者体征数据采集，通过GPS信息采集实现人机接口与信息分析诊断中心的GSM／GPRS／3G通信，实现了实时诊断。
关键词：远程集群；Linux／QT；ZigBee；通信协议；GPRS

0 引言
    在当今社会，人们的生活水平普遍提高，工作强度越来越大，营养的过剩和运动量的减少，导致心脑血管疾病的发病率是越来越高。随着社会老龄化趋势的加剧，解决长期慢性病的监护特别是心脑血管疾病的监护已经是重要的社会问题。随着GPRS远程通信技术和短距离无线网络通信技术的不断发展和成熟，实时远程监控技术也逐步成熟，GPRS网络通信业务是通信公司推出的一项数据传输通信业务，在GPRS网络覆盖区域内，传输距离不受限制，通信费用相对低廉，传输速率较快。ZigBee短距离无线通信技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。但现有的远程心电监护系统和远程移动心电监护系统在实际临床推广中，尤其是对院外高危心脏病人的监护，仍然存在诸如病人活动范围受限、不具备同时多人监护功能、不具备病人地理定位功能等不足，并未开发出成熟、实用的系统。本文解决了嵌入式Linux／QT人机界面、GPRS远程通信、ZigBee无线通信同步实时监护心电、血压、血氧、体温等多生理参数并传送等相关技术难点，分析了其各自基本特点和所要实现的基本功能，并在此基础上提出了基于Linux／QT嵌入式系统和ZigBee网络及GPRS无线通信的心脏病人实时诊断系统的总体解决方案。

1 系统远程移动终端总体设计方案
    本文是把先进的无线通信技术和计算机技术应用于远程监护系统，针对心脑血管疾病患者在医疗监护方面的特殊背景及临床救助要求，研制基于无线通信网络技术及GPS全球卫星定位系统的远程集群诊断急救系统，用户通过各种便携或手持无线通信设备将病人重要的生理信息通过无线通信方式实时、准确、快速地传送到远程医疗中心，使病人在家庭、社区随时可以享受医疗服务并得到医生的专业指导，从而实现远程急救、远程监护、远程会诊，最大限度防止患者发生猝死。这样不仅可以加强对危重病人和心血管等突发性疾病的预防监护和实施急救，还可以实现医院资源共享，提高医疗服务水平，减小病人的负担，提高人民的生活质量和健康水平。同时，针对偏远地区或者农村的病人，交通不便，医疗资源有限，看病难、看病贵的问题。
    远程移动终端硬件系统组成框图如图1所示。

    远程移动终端的硬件采用模块化设计，以ARM11S3C6410控制芯片为核心控制器，完成所有心电数据的处理，包括数据的采集与控制命令的发出，是整个系统的控制核心，采用Linux嵌入式系统为监控系统，能够自动运行，处理数据，同时，控制器还采用Linux／QT完成人机界面的编写，通过ZigBee无线通信协议完成患者体征数据采集，通过GPS信息采集实现人机接口与信息分析诊断中心的GSM／GPRS／3G通信、电源管理等功能。


2 数据的采集、处理与传输
2．1 数据采集模块
    完成患者生理信号的采集、放大和滤波过程；为ARM11S3C6410系统提供能直接读取的信号，采集终端生理信息存储时间为24 h以上；在远程移动终端中集成GPS卫星定位系统，能够实时采集GPS芯片输出的地理位置信息。将已压缩的患者心电等信息和GPS经纬度及高度等信息通过GPRS／3G通信网络上传给信息分析诊断中心的数据库中。当患者心电等出现异常时，信息分析诊断中心的GIS系统根据移动终端上传的GPS信息自动指示病人目前所处的地理位置。为信息分析诊断中心实时提供患者的地理信息，使患者能够得到快捷、准确的救助。
    需要采集患者的体征信息如下：
    (1)心电：包括心电波形、心率。心电波形采样率为300 Hz。
    (2)血氧：包括血氧波形、脉率。血氧波形采样率为50 Hz。
    (3)血压：包括收缩压、舒张压和平均压。
    (4)体温、呼吸。
2．2 数据处理模块
    数据处理模块的硬件设计是以ARM／SoPC芯片为核心；在ARM／SoPC中集成了相应的处理器；在处理器上移植了嵌入式操作系统。后台专家分析诊断急救系统则是运行在操作系统上的应用软件；软件中的专家系统根据采集患者生理信息，对患者的实时状态做出判断，给出相应级别的救治建议。主要功能如下：
    (1)心律失常分析，对大量心率数据进行统计分析；
    (2)血压状态监护的模糊判断；
    (3)体温、血氧生理指标的模糊判断。
    结合以上体征指标的统计分析和模糊判断，智能专家系统推理判断患者的实时状态，提供相应的救治意见。
2．3 数据传输模块
    远程集群实时诊断急救系统由移动终端和信息分析诊断中心两部分组成，一个信息分析诊断中心可以同时监护多个病人，实时的接收、存储、处理远程用户终端通过GSM／GPRs／3G无线移动网络传送的数据，远程移动终端数据传输系统的整体结构如图2所示。

    BSSG基站系统用以实现BSS和SGSN之间路由和其他信息的传送。SGSN的主要作用是记录移动台的当前位置信息，并且在移动台和GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如ISDN，PSPDN和LAN等。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的TCP／IP或X．25网络。


3 终端数据采集与分析
    整个系统在实际工作中传输的数据量非常大，可能会出现数据堵塞的问题，在终端系统的设计中首先进行前期的数据分析与处理，如图3所示，采用每1 min进行一次基于多权值算法求平均值，然后只需对所求值进行传输就可以，减少了传输数据，增强了数据传送的稳定性。

4 系统软件
    系统采用Linux操作系统，Linux内核是一种源码开发的操作系统，采用模块化设计。在此只保留了必须的功能模块，删除了冗余的功能模块，并对内核重新编译，从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。Linux系统内核集成了大量的网络应用程序，支持全部的标准因特网协议和技术所有的互联网技术，因此将其应用于远程集群式心脏病人实时诊断系统的设计，具有代码量小、运行消耗系统资源少、可靠性高，开发周期短等优点，适应实时诊断系统采集控制及传输要求。QT作为一种跨平台的基于C++的GUI系统，能够提供给用户构造图形用户界面的强大功能。本文选用移植性强的QT软件设计图形用户界面，所设计的GUI实用、简洁，实现了人机交互，可通过对程序进行输入、保存、修改和编译，信息和临时信息及时输出显示达到整合系统的目的。本文采用QT应用进程之间通信机制SignalSlot和FIFO机制。Linux系统不断侦查本地GUI信息，任何一个QT消息被触发，系统都会立即执行相应程序，提高整个系统的反应速度和稳定性。系统人机界面Linux／QT执行程序及相关硬件挂载如下：
   
   

5 结语
    系统的设计利用ARM11S3C6410的硬件功能及处理速度，移植了以S3C6410为硬件核心的Linux嵌入式系统，完成了基于Linux／QT的人机界面的程序开发与编写，解决了包括基于S3C6410的GPRS远程通信，数据传送等多项技术难点。试验产品控制效果良好，验证了本系统的先进性、稳定性与实用性，具有推广与应用的价值。