高危心脏病人远程实时监护系统的原型研制

    心血管疾病发病往往十分危急，且病情严重、变化迅速，一旦发作就可能给病人带来巨大痛苦、甚至导致晕厥或猝死。尤以冠心病、心肌病、有心律失常病史、心脏性猝死家族史、心脏移植史等病况，具有病发突然、随机、高猝死率特点，通常在急性症状出现后1小时内就可能引起死亡，恶性的室性纤颤甚至在12分钟内引起病人猝死，患有上述严重心脏病的患者即为高危心脏病人^[1]。因此，如何对高危心脏病人，尤其是占绝大多数的院外患者在病发前能做出早期诊断，在发病时能及时指导救助人员第一时间赶到现场实施救助，是降低院外高危心脏病人群因得不到及时抢救而导致死亡的发生率的关键。心电图是诊断心脏病的常规而有效的手段，高危心脏病患者在晕厥或猝死时伴随存在多种高危心电图表现^[2]；利用心电图的连续动态监护、分析，有助于早期发现和及时诊断这类疾病。

    远程心电监护在心脏疾病的预防和救治中具有十分重要的作用，目前已引起国内外学者的高度重视，已先后研制成功了基于PSTN的远程心电监护系统、院内遥测心电监护系统，以及最新的基于嵌入式移动计算设备的远程移动监护系统^[3,4]；满足了对心脏病人进行连续动态的远程心电监护的基本要求。但是，现有的远程心电监护系统或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。

    本文针对高危心脏病患者在医疗监护方面的特殊背景及临床救助要求，研制了一套基于GSM/GPRS无线移动通信系统及GPS全球卫星定位系统的功能原型，以实现对院外高危心脏病患者的心电信号进行实时监测、分析、早期诊断，最大限度防止患者发生猝死，增强患者的安全感和生活舒适感。

2 工作原理

    本文给出的高危心脏病人的远程实时监护系统由远程移动终端和医院监护中心两部分组成，一个医院监护中心可以同时监护多个病人。远程移动终端由患者携带在身上，随时随地监护患者的心电信号，并实时地将心电数据通过GSM/GPRS无线移动网络传送给医院监护中心，以便医生及时诊断。当患者心电出现异常时，医院监护中心将自动报警并提示值班医生；同时，监护中心的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。对具有高危心电图表现和病发征兆的患者，由值班医生做出早期诊断并发出求助指令；救助人员根据指令提供的患者地理位置迅速到达现场实施救助，最大限度防止患者发生猝死。

    本系统的嵌入式移动终端主要功能是实时采集患者的三导联心电信号，一方面经过简单分析在移动终端上显示一些基本信息提供本地预警功能；另一方面采用分批传送方式，将患者的压缩后的心电信息和GPS经纬度信息通过GPRS通信网络上传给医院中心监护系统的数据库中。

    医院监护中心是整个远程实时监护系统的中枢，其主要功能是实现远程各移动监护终端用户ECG信号的远程集中监护、存储、分析和早期诊断、以及回放、打印功能，并对各终端参数、状态的远程监控；结合GIS平台的强大空间位置分析功能实现对移动用户的地理位置跟踪、定位、显示。

3 系统研制

3.1 嵌入式移动终端设计

（1）嵌入式移动终端的硬件设计

    嵌入式移动终端的硬件设计是在ARM 7架构的32位微处理器Philips LPC2200的基础上，以广州至远电子公司的EasyARM2200处理器模块为核心，扩展一些外围模块，实现了患者心电数据采集模块、人机接口模块、GPS模块以及与医院监护中心通信的GPRS模块，系统接口资源得到非常充分的利用。图1是整个设计的硬件系统架构图。

图 1 嵌入式移动终端的硬件系统架构图

（2）嵌入式移动终端的软件设计

    嵌入式移动终端的软件设计采用了当前流行的嵌入式系统开发技术。首先将实时操作系统uCOS-II移植到Philips LPC2200嵌入式微处理上，将终端所要完成的功能细化为几个核心的任务，由uCOS-II实时内核进行统一调度，宏观上实现了多任务的并行执行，系统的可靠性和实时性得到了大幅度提升。

    抢占式操作系统对任务的调度是按优先级的高低进行的，按照系统所要实现的功能，整个软件系统按优先级从高到低的顺序被划分为：ECG采集任务、GPRS通信任务、数据分析和LCD显示任务、GPS任务。系统运行时，首先进行系统的初始化操作，初始化所有数据结构，分配堆栈空间，然后建立任务间通信的消息队列，进行任务建立和分配任务优先级。所有新建任务被置为就绪态，系统程序从优先级高的任务开始执行。

3.2 医院监护中心设计

    监护中心系统是基于Windows NT局域网建成，主要包括GPRS网络服务器、数据库服务器、ECG中心监护工作站和GIS定位管理工作站。

    本文应用C/S体系架构设计思路，采用多任务方式保证对多个远程用户的同时监护。整个ECG中心监护系统和GIS定位管理系统的功能原型采用Microsoft Visual C++6.0工具开发完成，后台数据库采用Microsoft SQL SERVER 2000关系数据库系统。

3.3 系统原型

    最后，研制完成的高危心脏病人的远程实时监护系统的原型包括，如图2 所示的远程嵌入式移动终端原型和图3所示的医院监护中心显示界面。利用该原型，对一受试者（位于上海闸北公园）的3导联ECG信号进行实时采集，由GPS模块接收受试者所在的闸北公园经纬度信息，经过终端的信号分析处理后，由GPRS网络传送至远端（复旦大学）的实验室监护中心（具有实IP地址），进行动态分析和显示，其监护中心显示结果如图4所示，受试者心率正常为87次/分钟，经纬度分别为E 121.4525、N 31.25793，GIS地图指示为上海闸北公园附近。

4 结束语

    本文针对高危心脏病患者在医疗监护方面的特殊背景及临床救助需求，研制了一套用于远程实时监护高危心脏病人的系统原型，该系统基于GSM/GPRS无线移动通信系统及GPS全球卫星定位系统的系统，包括一套基于ARM 7处理器和uCos-II微系统的嵌入式移动单元和一套VC++开发的医院监护中心软件系统。对一受试者的初步实验测试，结果表明该原型系统能实时监护患者的动态心电图，准确定位患者地理位置。

    目前，本系统的研究工作的仅仅处于初始阶段，无论在理论研究方面还是具体设计实现方面，距离最终的临床应用目标前面还有大量的工作需要完成。可以预见，本系统最终的成功实现，将弥补国内外现有远程移动监护系统在实际临床应用上的一些不足，较好的解决日常工作、学习、生活活动条件下院外高危心脏病人这一特殊人群的实时动态监护。

图 2 嵌入式移动终端的功能原型实物照

图 3 医院监护中心的显示界面：（a）ECG中心监护系统显示界面，（b）GIS管理显示界面

参考文献：

[1] 陈新。心脏性猝死的高危患者。中华心律失常学杂志，2000年，4卷(4期)：307-308
[2] 林加峰，张建华，陈晓曙 等。心脏性昏厥或猝死的若干高危心电表现。心电学杂志，2002年，21卷(4期)：195-198
[3] M. Bolanos, H. Nazeran, I. Gonzalez, et al. A PDA-based Electrocardiogram/Blood Telemonitor for Telemedicine. Proceedings of the 26^th Annual International Conference of the IEEE EMBS, San Francisco, CA, USA · September 1-5, 2004.
[4] M. F. A. Rasid, B. Woodward.. Bluetooth Telemedicine Processor for Multichannel Biomedical Signal Transmission via Mobile Cellular Networks. IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Vol. 9, NO. 1, March, 2005.