远程心电监护软件系统的设计与实现
摘 要:介绍了远程心电监护软件系统的总体架构,以及各个模块的设计与实现。在远程心电监护中,医院和医生可以随时随地得到患者的心电信号并进行计算机辅助诊断,实现对患者健康状况的监控。远程心电监护软件系统分为移动监护仪前端软件、医用PDA软件、医院中央服务器监控软件三个部分。前端软件负责数据采集,检测分析,GPRS/蓝牙数据发送;中央服务器监控软件实时接收患者的数据接入,计算机自动分析,调度医生的工作;PDA软件是作为于医生的移动心电信息处理平台。
关键词:心电图远程监护GPRSPDA软件系统心电综合分析系统
1 引言
心血管疾病是现代工业社会中对人类生命威胁最大的疾病,我国城镇中现有4000多万冠心病患者。由于心脏疾病发病时具有很大的突然性,失去了宝贵的早期诊断救治时间,导致疾病进入晚期,甚至当场发生心脏猝死,造成高额医疗费用,给社会和个人家庭带来沉重的经济负担。因此日常的心脏监护就成为保证病人生命安全的重要手段,通过日常监护预先发现异常征兆,及时给予救治。
清华大学深圳研究生院嵌入式系统与技术实验室开发了一套远程心电监护系统,实现对心脏病人心电信号(ECG)的远程监测和护理。该方案融合了信号采集、数据传输(GSM/GPRS网络、蓝牙、Internet网络)、心电信号计算机分析与心电医疗理论、PDA移动计算技术、数据库等各种技术,能够很好地满足医院和患者对心电信号远程监护的要求。患者在家中或者外出都可以佩戴心脏监护仪,随时可以将心电图数据通过GPRS网络发送到医院的监护中心,或者医生使用PDA在现场采集患者的心电数据进行诊断。监护中心的医生实时地得到病人的心电图数据,诊断以后再通过短消息将诊断结果通过GSM网络发送至病人的移动心脏监护仪。随着新的应用服务提供商(Application Services Provider,ASP)模式的兴起,远程心电监护系统通过构建运行平台和应用软件系统,以ASP模式运营,可以作为未来数字化医院、远程医疗、社会/社区疾病保障的一项服务内容。本文将对我们整套远程心电监护的软件系统进行介绍。
2 远程心电监护系统的总体结构
远程心电监护系统的整体拓扑结构如图1。整个系统分为三个部分:移动监护仪前端、医用PDA、医院中央服务器。移动监护仪用于患者病人的数据采集与发送,心电信息的简易处理与显示;医生使用的PDA移动监护设备,具有接收患者心电信号数据和接收医院中央服务器数据的功能,并能对信号做一定的分析与处理;医院中央服务器负责整个心电信息管理系统,接收患者心电信号数据,调度医生PDA,心电信号的全面检测和分析,负责与医用管理信息系统MIS的链接。
用户端的移动监护仪单机测量得到患者的心脏电生理信号,通过GPRS移动通信网络将监测数据传输到医院中央心电信息处理系统,或者传输到自己专属医生的PDA上,或者通过蓝牙无线传输到现场医生的PDA上。医院中央心电信息处理系统接收患者的数据接入请求,调度医生的工作,为各个医生分配患者,将相应患者的心电图处理数据发送到医生PDA中。医院中央心电信息处理系统还负责维护心电病历数据库,并链接医院医用管理信息系统MIS。
相对于医院中央心电信息处理系统,医用PDA是一个小型的移动心电信息处理平台,PDA也具有信号数据接收和分析处理的功能。医生在接到医院中央心电处理系统的调度信息后,远程诊断患者的病情,根据情况去患者现场实地就诊;或者PDA直接通过GPRS远程接收自己专属患者的心电数据,也可通过蓝牙无线传输技术现场接收患者的心电数据,直接在PDA上做心电图自动分析检测和诊断。
3 移动监护仪的软件
移动监护仪实时采集用户的ECG(心电信号),当用户心脏出现异常状况时会自动报警并通过GPRS方式或者蓝牙将用户ECG数据发送到医院中央心电信息处理系统或者医生PDA。移动监护仪的硬件由下列部分组成:ECG信号采集模块、主控CPUPIC、GSM/GPRS模块WISMO Q2406、Flash存储器、LCD显示屏。
移动监护仪前端软件流程图如图2,总共实现9个软件模块的工作:数据采集、ECG信号简单的数字滤波、ECG信号简单的检测和识别、ECG数据压缩、ECG数据包封装、Flash文件系统、USB驱动、GPRS或蓝牙收发模块、LCD显示模块。
CPU将采样数据ECG信号放入RAM区中的FIFO中,对信号做一些简单的检测识别,主要是:心律失常分析(心率、窦性心动过速、窦性心动过缓、室性期前收缩PVC、房性前收缩APC、漏搏与停搏),为报警提供依据;ST段分析,先定位R波,然后确定ST段的电平和斜率。监护仪的LCD上显示的内容包括:简单的ECG分析结果(心率、心律失常分析结果、ST段电压、QRS波群时间与振幅等),日期时间,系统状态(报警是否有声,电池电量,当前是否在记录及发送等)。单片机PIC主要负责数据采集、噪声滤波、信号分析;WISMOQ2406主要负责数据压缩、数据打包、数据发送。
由于患者心电学认识能力的限制,并不需要在移动监护仪上做复杂详细的显示;再次,由于心电移动监护仪计算能力的限制,也并不允许对心电信息做复杂的分析处理,因此移动监护仪上的ECG信号的数字滤波、检测识别是初步简单的处理,在LCD上显示基本的心电参数。ECG信号复杂全面的分析处理由医院中央心电信息处理系统或者医生PDA完成。
CPU将原始ECG滤波后的信号压缩后,并根据制定的数据包格式进行封装。最后,封装后的数据包通过GPRS模块向医院的中央处理系统发送,同时存储到自带的Flash存储器中。
GPRS/蓝牙收发模块除了负责发送ECG数据,还接收远程医院中央处理系统的反馈信息,患者可以按照医院的反馈信息进行救护操作。
4 医用PDA的软件
医用PDA有较强大的计算和信息处理能力,为医生提供一个移动的、方便快捷的心电信息处理平台。我们的PDA平台采用:Xscale处理器、PocketPC操作系统、GPRS/蓝牙模块。图3为PDA软件流程图。
移动监护仪实时采集现场患者的ECG并通过GPRS方式或蓝牙无线将用户ECG数据发送同在现场的医生手中的PDA。医用PDA接收到数据后,对数据分析处理,医生就可以根据分析和诊断的结果对患者进行现场救护。
ECG数据经过解包、解压缩后,对其进行全面的检测与识别,计算各种重要的生理参数和识别各种波形。PDA采用的信号检测与波形识别算法与监护中心心电综合分析系统采用的算法类似,但特别考虑了PDA计算资源的限制。
ECG信号管理模块根据医生的具体查询指令,通过操作系统的GUI在LCD进行ECG信号相应分析结果的显示,以便医生作出判断,采取具体措施。PDA端的ECG信号分析处理直接使用服务器端信号分析处理模块。ECG信号管理模块只提供一些简单查询、管理功能,将服务器端的心电信息管理系统进行简化。
5 监护中心的软件
5.1 监护中心的软件总体结构
医院中央心电信息处理系统是一个综合、大型、全面的管理平台。图4为医院中央心电信息管理系统模块框图,整个系统划分为五大模块:无线数据收发调度管理模块、医生作业调度模块、心电综合分析系统模块、心电信息的标准化处理模块、心电信息数据库管理模块。图5为监护中心服务器软件系统的详细结构框图。
GPRS/蓝牙数据收发模块调度接收来自患者的心电数据,查询医生PDA忙碌状态、位置信息,向所调度的医生发送患者信息和心电分析结果。其中接收患者心电数据由一个调度接收模块控制,对并发的接收线程进行调度,调度控制信息包括优先级、病人注册信息。
患者的ECG数据经解封装、解压缩后,恢复成原始的ECG数据。原始的ECG数据一方面经过标准化存储格式处理,进入心电信息数据库;另一方面进入ECG数据分析处理模块进行实时分析处理。
医生调度模块分析判断ECG处理结果,根据其严重情况,以及查询得到医生PDA忙碌状态、位置信息,数据库中患者的注册信息反映的优先级,为患者综合调度选择一位医生,然后调度模块把患者信息和ECG分析处理结果发送给该医生的PDA。
ECG综合分析系统是整体软件系统的核心,包括:心电图软件测量系统、心电图特征分析系统、心电图自动诊断系统。心电图软件测量系统包括心电信号预处理、波形检测、心电参数测量及特征提取。心电图特征分析系统完成如下功能的特征分析:12导联同步心电图的数据实时接收显示和回放、心电向量图(VCG)分析、时间心向量图(TVCG)分析、心电频谱图(FCG)分析、QT离散度(QTD)分析、心率变异性(HRV)分析等。这些特征和相应指标的综合分析可为临床医师早期冠心病的诊断,复杂的心律失常分析以及对于心源性心脏猝死的预测等提供确切、可靠的客观依据。
心电信息的标准化处理:按照SCP-ECG (Standard Communication Protocolfor Computer Assisted ECG,计算机心电信息标准化通讯协议)标准,对心电信息在压缩、传输、存储、共享、管理等方面进行标准化处理。
心电信息数据库负责维护患者的心电数据,供使用者查询患者心电数据并进行分析,与其他心电信息处理系统进行通讯,与医院管理信息系统链接,还负责其他一些管理任务:使用者权限管理、注册患者信息、打印报告单、计费管理、系统设置等。
5.2 心电图计算机自动测量系统
心电图测量程序包括:心电信号预处理,进行抗干扰数字滤波;检测P波和QRS波;识别P、QRS、T波的分界点;参数测量及特征提取。
(1)心电信号预处理心电信号的采集常常伴随着基线漂移、工频干扰、肌电干扰和其他高频干扰等噪声,因此信号采集器将ECG信号采样后,必须对数据进行抗干扰滤波,否则未加以处理的ECG信号将严重影响后端的检测、识别和分析工作的准确性。
(2)QRS波、T波、P波自动检测心电信号预处理后,进行QRS波、T波、P波的自动检测。先确定QRS波,然后检测分析其他波段。我们采用小波分析-模极大值对的方法检测识别R波,然后在QRS前后特定的时间内搜索P波和T波。
(3)特征参数测量与提取确定P、QRS、T波分界点后,进行各种参数测量和计算。测量参数包括心率、P波时限、P-R(P-Q)间期、QRS时限、Q-T(QTc)间期、平均心电轴、各波振幅等。图6为要进行测量的常用参数。
计算机心电图检测程序必须满足安全性能方面的要求,严格达到国际医学机构和相关组织对心电图计算机分析程序的性能评价标准。在心电检测方面,我们主要以美国麻省理工学院的MIT-BIH数据库作为R波检测评价标准。
5.3 心电图特征分析系统的功能模块
5.3.1 12导联同步心电图
12导联同步心电图功能模块提供12导联心电图的实时接收显示、历史回放显示;与心电测量系统结合,显示检测得到的波形和特征参数。
对于显示心电图功能:
(1)按增益大小调节图形,提供2.5mm/mv,5.0mm/mv,10.0mm/mv选项;能够按心电波形走速调节图形,提供选项:1.25cm/s,2.5cm/s,5.0cm/s,10cm/s。
(2)提供手动测量工具,使用者可以使用鼠标测量心电图在长度方向上和高度振幅方向上任何两点之间的尺寸大小。
(3)提供标签摆放的功能用于对心电图的判读,操作医师可以在心电波形上任意一点放上病变标志标签,并提供一个心电病变标志列表供选择。对于显示的特征参数:包括心率、P波时限、QRS时限、T波时限、P-R(P-Q)间期、P-Q间期、Q-T(Q-Tc)间期、各波平均心电轴、最大ST段,以及P波、Q波、R波、S波、T波振幅。
5.3.2 心电向量图(VCG)分析
与普通ECG相比,VCG在心肌梗塞、束支及其分支阻滞、应激症候群、冠状动脉供血不足、对异位心律失常的定位上具有更高的诊断价值。VCG采用Frank导联系统得到,在没有Frank导联的情况下,我们根据Uijen提出的转换矩阵,由12同步导联直接推导出VCG。经我们检验,导出的VCG与实际测量得到的VCG差异并不太大,能够满足分析的要求,并得到绝大多数医师的认可。VCG测量的参数指标:
QRS环测量指标:三个面上QRS环的方位、环的大小、长短;QRS环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环运行速度及运行时间。
其他指标:T环面积、方位、长宽比例;QRS环与T环面积的比例;T和P环最大向量振幅、角度、运转时间;P环的前向力、后向力、左向力、右向力振幅。
5.3.3 时间心向量图(TVCG)分析
TVCG将各面心向量环按时间先后排序,连续描记多个心动周期的P环、QRS环、T环。TVCG和心电图相似。我们主要测量时间向量图如下指标参数:P环时间、Ta向量、心房除极时间、QRS环时间、ST向量、T环时间、心室除复极时间、心房除复极时间。
5.3.4 心电频谱图(FCG)分析
FCG将常规12导联中的V5导联和Ⅱ导联在125s长度上的信号通过快速傅立叶变换(FFT),将心电信号转化为各个频率成分功率大小分布。对2个导联心电信号的频率、振幅、相位、时间差等进行动态相关的分析,绘制9幅函数图。FCG分析使原来在时域分析中不便提取的心电信息很灵敏地反映出来,就有可能从正常人和不同病人的心电信息中提取足以鉴别正常和异常以及不同类型病人的特征量。表1为FCG分析的各项函数。
5.3.5 QT离散度(QTD)分析
Q-T离散度是12导联心电图各导联间Q-T间期存在的差异(最大Q-T间期与最小Q-T间期之差)。QT离散度主要反映心室肌复极的不均一性,可代表心室肌兴奋性恢复时间不一致的程度,或心室肌不应期差异的程度。QT离散度分析步骤:
(1)设计计算机程序对记录到的心电图识别QRS波起点和T波终点;
(2)测量QRS起点到T波终点的时程,得到Q-T间期;
(3)Q-T间期受到心率的影响,还需要根据心率进行校正,得到校正后的Q-Tc间期。采用平方根校正方法:Q-Tc=Q-T/sqrt(R-R);
(4)最终计算12导联同步心电图同一心动周期中Q-T间期离散度Q-Td和心率校正后的Q-T间期离散度Q-Tcd。
离散度的分析和测定指标:最大Q-T间期(Q-Tmax)、最小Q-T间期(Q-Tmin)、Q-T间期离散度(Q-Td)、心率校正后的Q-T间期离散度(Q-Tcd)、12导联中相邻导联Q-T间期之差最大的差值(AdQ-Td)、Q-Td率(Q-Tdr)、Q-T间期早期离散度(Q-Tad)、Q-T间期晚期离散度(Q-Ted)等。
5.3.6 心率变异性(HRV)分析
心率变异性分析对逐次心搏间期之间的时间变异数进行分析。HRV信号中蕴含着有关心血管调节的重要信息。我们在软件中,主要对心动周期变异进行时域分析和非线性分析。
(1)时域分析。绘制心动周期(R-R间期)的直方图和R-R间期差值的直方图,R-R间期直方图以规定的采样间隔来统计不同的R-R间期的心搏的次数,R-R间期差值直方图以不同的相邻窦性心搏R-R间期差值内的心搏次数进行统计。
(2)非线性分析。绘制庞加莱散点标绘图和庞加莱差值散点标绘图,定量描述变异程度和非线性参数。
5.4心电信息数据库系统
图7为心电信息数据库系统的功能模块图。心电信息数据库负责维护患者的心电数据,供使用者查询患者心电数据并进行分析,与其他心电信息处理系统进行通讯,与医院管理信息系统链接,还负责其他一些管理任务:使用者权限管理、注册患者信息、打印报告单、计费管理、系统设置等。
各模块详细描述:
(1)数据维护:包括备份,恢复,移动,删除心电数据功能。
(2)系统设置:主要是对系统的一些初始化。
医生信息设置:医生姓名、联系方式、地址、Email。
信号处理设置:信号采样频率、导联系统。
信号分析设置:设置有关信号分析的参数。
报表设置:报表样式选择。
接口设置:系统语言,中文和英文。
日期设置:设置正确的日期。
(3)权限管理:为保障系统的安全,系统设置了操作员代码和口令。对工作人员的操作权限进行了程度不同的限制,维护一个使用者权限表。设置不同的权限可以对数据库的操作进行限制。
(4)计费管理:管理用户的诊断费用和系统注册使用的交费情况,包括用户的交费日期、交费金额,用户的ECG数据接入次数和接入时间。
(5)报告单打印:按系统设置中选择的报告单样式打印。兼容不同医院的心电诊断报告单。打印的内容:包括打印选择的心电图、全部心电图、各种心电信号特征分析图、自动诊断报告、基本资料、心电监测历史和收费信息等。
6 关键技术
6.1 R波检测
对R波的检测是心电图计算机自动化分析的一个重点和难点,心电图所有的分析都建立在R波正确识别的基础上。ECG信号复杂多变,特征和推理都具有多变性和不确定性,又非常容易受到各种干扰。前端移动监护仪中,由于计算资源的限制,我们并没有采用复杂的算法,而采用了简单整系数滤波器滤除50Hz工频干扰,采用相对简单但识别效果较好的自适应差分阈值检测方法检测R波。首先对心电信号x(n)求微分得到dx(n),在开始的2s内求微分最大值Mdx(0),从而确定初始阈值Tdx(0)=0.7Mdx(0)。确定自适应差分阈值Tdx(n)=0.4Mdx(n)+0.35Mdx(n-1),公式表明阈值由当前的最大值与过去的阈值按一定的权重比例组成,权系数可根据临床效果修改。在大于阈值(即dx(n)-Tdx(n)>0)的门限内确定微分最大值Mdx(n),其右第一个微分过零点对应的就是R波。
在服务端,我们采用小波分析的方法检测R波。小波变换具有很好的时频局部性,将信号分解到不同频带上,在S=23的尺度上,高频噪声有很大衰减,而基漂、高P波、高T波等容易造成误判的低频成分在S=23尺度上较小,检测该尺度上的小波变换大大提高QRS波检测率。根据小波变换的理论,信号的奇异点对应于小波变换的一个正模极大值和一个负模极大值的极值对,信号奇异点的位置对应于极值对的零交叉点。因此,通过判断小波变换的模极值对就可以确定R波的位置。对于较长时间的ECG信号,我们以窗口的形式分段检测R波,主要是因为:随着时间的推移,患者(特别是严重心脏病患者)生理状况的变化,ECG信号有可能发生变化,从而使各种检测域值发生变化,如:模加大值检测域值、RR间期的加权平均值等。我们设定窗口的长度N=4096个数据点。在R波识别过程中,根据当前RR间期的加权平均值判断当前正负极值对的零交叉点是否就是R波点:
设rr为点P与上一个已经检测到R波位置的距离,RR为已经检测出的R波间期加权平均值。分3种情况判断P点是否R波:
(1)rr<0.4RR。如果当前P点的信号幅值大于上一个R的幅值,说明上一个R波是多余的,P点为R波;否则,P点是多余的。
(2)0.4RR≤rr<1.8RR。确定当前P点为R波。
(3)rr≥1.8RR。说明在上一个R波点与P点之间距离过大,有漏检的R波。这时降低模极大值的检测域值为原来的1/2,在上一个R波点与P点之间重新进行检测。
检测到新的R波后,对RR进行更新:如果0.5*RR
在长时间的R波检测中,考虑模极大值的检测域值变化和RR加权平均间期,能够尽可能减少R波的漏检。
6.2 接收调度
当服务器接收并发的不同患者ECG数据GPRS接入时,要考虑数据的并发调度问题。在接入ECG数据前,要先对患者进行身份验证,检查是否为注册患者,以及查询病人级别,检查数据类型(医生PDA数据、患者ECG数据、其他数据等)等操作。对于ECG数据接入,为每个患者开辟一个接收线程,相应开辟一个ECG数据包的解封装、解压缩处理线程。数据接入调度需要考虑的因素有:患者的优先级、服务器的状态、GPRS等数据通信链路的状态等。
采用多线程以及创建线程池来调度接收各个并发的GPRS数据接入,提高数据接收性能。服务器启动时,随之启动一个接收监听进程。当无数据接入请求时,它处于等待状态;一旦有患者接入请求到达,监听进程立即从线程池中取出一个线程用于该用户的数据接收。各个线程按调度算法进入一个优先级队列,但对于高优先级的线程,整个调度器实现抢占式的调度,优先处理高优先级的线程。
7 总结
本文介绍了远程心电监护软件系统总体框架,各个子系统及各个具体功能模块的工作流程、分析指标和设计方法,并重点介绍了位于监护中心服务器端的心电综合分析系统的功能设计与实现方法。最后介绍了软件系统中R波检测、多用户数据接收调度等关键技术。与MIT-BIH数据库比较,我们采用的R波检测算法识别正确率达到了99.65%。
目前,通过临床试验和实际试运行,我们的远程心电监护系统运行状况良好,性能达到设计要求,受到各个患者和医院的欢迎。移动监护仪能够正确及时地报警和传输心电数据,误报率低;监控中心服务器的软件系统能够满足对大型患者群体的日常网络监控,心电分析各项指标令人满意;医用移动计算平台PDA由于便携性也特别地受到医师们的欢迎。
随着医疗体制改革的深入,社区医疗、家庭护理模式正逐步兴起,基于GPRS远程数据传输、心电信号计算机自动化分析、移动计算与通信、数据库管理等先进技术的远程心电监护系统将满足人们提高生命质量和生活质量的要求。