（电气工程专业论文）心电远程监护系统的数据库系统设计与数据压缩算法研究.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 心血管疾病是威胁人类生命的最主要疾病之一，随着我国人口老龄化程度的增 加，心脏病成为我国越来越突出的问题。心电远程监护( e c gt e l e r a o n i t o r ) 系统的 发展，使得心脏病人可以得到及时有效的治疗。远程监护是一种通过对人体生理参 数进行远程监测来分析远端监护对象健康状况的方法。它是实现远程医疗的基础， 近年来远程监护技术在世界范围内己成为一个非常重要的研究领域。心电数据库作 为一种宝贵的医学资源，对医学研究、临床诊断、疾病过程和预后判断具有重要价 值 本文的研究工作主要围绕用户信息和心电数据的管理及心电数据的压缩算法研 究方面，主要工作如下： 1 ) 在分析、研究国内外各种有关远程监护系统原理及其数据库技术的基础上， 选用开源数据库系统m y s q l 建立了心电远程监护的数据库管理系统。数据库的设 计遵循软件开发工程的标准，对数据库的形成过程进行了详细的阐述。本文所做的 数据库系统是在本实验室开发的心电远程监护系统的基础上完成的，对用户信息和 采集数据实现了有效的管理。 2 ) 由于系统采集的心电信号数据量非常大，所以必须有一个高效的压缩算法来 对数据进行压缩，以节省数据传输带宽及数据存储。同时，系统的实时性也是非常 重要的，压缩算法应尽量满足快速的特性。本文在研究了传统的统计编码饵硼陆觚 编码等) 及字典式编码( l z 系列) 基础上，进行改进实现了一种较快速高效的变长字典 式编码，提高了压缩比；同时又对心电数据的特点进行分析，通过借鉴j p e g 压缩 编码中的预测器思想，改进形成了一种更高效的预测器编码，针对高采样率的心电 信号进行压缩，得到了更高的压缩比。 3 ) 在数据传输协议方面，本文也作了相应的改动，以适应数据库的要求。数据 传输使用数据压缩算法，可以很好地节省网络带宽，同时由于两种压缩算法都是采 用变长编码算法，如果不知道压缩原理，就不可能解码得出正确的信息，这从另一 个方面也起到了信息加密的作用。 4 ) 本文在软件方面，用v c 分别实现了心电数据库管理系统和压缩编码算法。 关键词：，f i , 电远程监护，心电、数据库、压缩算法 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a e t c a r d i o v a s e u l s td i s e a s ei so n eo fd i s e a s ew h i e l ai st h l a t e n i n gh u m a nb e i n g s l i f e g o i n gw i t ht h ei n c r e a s eo f a g i n gi nc h i m , h e a r td i s e a s eb l 篙, o m e $ aw o r t h yp r o b l e mt o b ep a y e dm o l ea t t e n t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c gt e l e m o n i t o rs y s t e m t h e c a r d i o v a s c u l a rd i s e a s ep a t i e n t sc a nb ep o s s i b l et oo b t a i nt h ep r o m p te f f e c t i v et r e a l m e n t t h et e l e m o n i t o ri so n ek i n do f m e t h o dw h i c hc a r r i e s0 1 1 t h el o n g - d i s t a n c em o n i t o rt ot h e h u m a nb o d yp h y s i o l o g yp a r l l m c t e rt oa n a l y z et h ef a r - e n dg u 删l i a n s l a i po b j c c ts t a t eo f h e a l t h i ti st h ef o u n d a t i o no f l o n g - d i s t a n c em e d i c a ls o l v i c el 瑚t l i z a t i o n i nr e c e n ty e a s , t h e t e l e m o n i t o rt e c h n o l o g yh a sb e c o n l l eae x t l m n e l yi m p o r t a n tr e s e a r e l aa r c 8i nt h cw o r l d w i d e s c a l e a sak i n do fp l l 戈i o u sm e d i c i n e 地文m r 嘲，t h ee c gd l 缸a b a , g eh a st h ei m p o r t a n t v a l u et ot h em e d i c a lr e s e a r c h , t h ec l i n i c a ld i a g n o s i s , d i s e a s ep r o c e s sa n dt h ep r o g n o s i s j u d g m e n t t h er e s e a r e l aw o r ko ft h i sp a p e rm a i n l ye n c o m p a s st h eu s 盯i n f o r m a t i o na n de c g d a t am a n a g e m e n ta n dt h ec o m p r e s sa l g o r i t h mo fe c gd a t a , t h em a i n l yw o r ki sa s f o l l o w s ： 1 ) o nt h ef o u n d a t i o no fa n a l y s i sa n ds t u d i e st ok i n d so fd o m e s t i ca n df o r e i g n t e l e m o n i t o rs y s t e mi n i n e i p l ea n dd a l a b a f l et e e l m o n o g y , t h ep a p e rs e l e c t e dm y s q l ，o p a i s o l l l c ed 砒a b a s es y s t e m t oe s t a b l i s ht h em a n a g e m e n ts y s t e mo f t h ee c gt e l e m o n i t o r n e d a t a b a s ee s t a b l i s h m e n tf o l l o w st h e n w a d e v e l o p m e n t 嘶幽gs t a n d a r d ，h a s c a r r i e do nt h ed e t a i l e de l a b o r a t i o nt ot h ed a t a b a s ed e s i g np r o c e s s t h ed a t a b a s es y s t e mi s c o m p l e t e db a s e do nt h ee c gt e l e m o n i t o rs y s t e mw h i e l ad e v e l o l 烈lb yt h i sl a b o r a t o r y , a n d h a sr e a l i z e dae f f e c t i v em a n a g e m e n tt ot h eu s e fi n f o r m a t i o na n dt h ec o l l e c t e dd a t a 2 ) b e c a m eo f t h el a r g eq u a n t i t yo f t h ec o l l e c t e de c g d a t ab yt h es y s t e m , t h e r en 羽s ah i g l 】峥e f f e c t i v ec o m p r e s s i o na l g o r i t h mt oc o m p r e s st h ed a t at o8 l i v e sd a t ai r a n s m i s s i o n b a n dw i d t ha n dt h ed a t as t o r a g e m e a n w h i l e ，t h er e a l - t i m ec h a r a c t e r i s t i ci si m p o r t a n ts o t h a tt h ea l g o r i t h m 翻a o u l db ef a s t 勰f a r 够p o s s i b l e n l i sp a p e rb 勰s t u d i e dt h et r a d i t i o n s t a t i s t i c a lc o , l i n g ( t h eh u f f m a ne o c l i n ga n ds oo n ) a n dt h ed i c t i o n a r yc o d i n g ( l zs e r i e s c o d i n g ) i nt h ef o u n d a t i o na n dm a d et h ei m p r o v e m e n tt oe a r l yo u tam o l ee f f e e t i v e v a r i a b l e - l e n g t hd i c t i o n a r yc o d i n gt oi m p r o v et h ec o m p r e s s i o nr a t i o a t t e ra n a l y s i so f t h e s p e x i a l t yo fc o l l e c t e de c gc l a r a , t h i sp a p e rc a r r i e do u ta n o t h e re f f e e t i v ep r e d i c t o rc o d i n g w h i e l ap r o f i t e df r o mt h ej p e ( 3c o m p r e s s i o n d i m gp r e d i c t o rm e t h o d 1 1 1 i sm e t h o d o b t a i n e dah i g h e rc o m p r e s s i o nr a t i oa i m e da tt h eh i 曲s a m p l i n gr a t ee c gd a t a 重庆大学硕士学位论文英文摘要 3 、i nt h ed a t ai r a n s m i s s i o n p r o t o c o la s p e c t , t h i sp a p e rh a sa l s om a d et h e c o r r e s p o n d i n gm o d i f i c a t i o nt oa d a p tt h ed a t a b a s er e q u e s t t h ed a t at r a n s m i s s i o nh a su s e d t h ed a t ac o m p r e s s i o na l g o r i t h mt os a v et h en e t w o r kb a n dw i d t hw e l l s i m u l t a n e o u s l y , b e c a u s et h et w ok i n do fc o m p r e s s i o na l g o r i t h m sb o t hu s ev a r i a b l e - l e n g t hc c 峨i ti s i m p o s s i b l et od e c o d ec o r r e c t l yw h e nn o tk n o wt h ec o m p r e s s i o np r i n c i p l e i ta l s op l a y e d t h er o l eo f e n c r y p t i o n 4 1i nt h es o f t w a r ea s p e c t , t h i sp a p e rh a ss e p a r a t e l yr e a l i z e dt h ee c gd a t a b a s e m a n a g e m e n ts y s t e ma n dt h ec o m p r e s s i o nc o d i n ga l g o r i t h mw i t hv c k e yw o r d s ：e c gt e l e m o n i t o r , h e a r te l e c t r i c i t y , d a t a b a s e ，c o m p r e s s i o na l g o r i t h m 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：佩纽 签字日期： 缈1 年，月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ” 学位论文作者签名：千目互 导师签名： 签字e 1 期：吵叼年f 月r 日 签字日期：力刁年f 片乃自 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着生活水平的提高，人们对自身健康的重视程序在曰益增加。为了满足人们 的需求，各种新的医疗手段不断出现，近年来随着科技发展和医疗技术的进步，远 程医疗正在迅速发展，并已成为一个研究热点。远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 是计算机 技术、通信技术与医学检测技术相结合的产物。现代科技特别是通讯、计算机等高 新技术的迅速发展，为远程医疗技术的发展提供了先进的技术支持，使人们能够享 受到更好、更方便的医疗服务。随着社会的信息化，人们的生活方式正在产生巨大 的变革，医疗保健的观念和方式也随之发生了很大的变化，远程医疗也越来越受到 人们重视，目前在国际上得到重视和广泛的关注【l 羽。 远程监护( t e l e m o n i t o r ) 是一种通过对人体生理参数进行远程监测来研究远端 监护对象健康状况的方法。它是实现远程医疗的基础，近年来远程监护技术在世界 范围内已成为一个非常重要的研究领域。 目前心脏病的死亡率远远高于其它疾病，是威胁人类生命安全的主要疾病，心 脏病已成为威胁人类生命安全的“第一杀手”。由于心脏病具有病情隐蔽、发展缓慢、 发病危险性高等特点，因此它对心脏病患者、特别是中老年心脏病患者的危害性极 大，因此心脏病系统疾病的防治和诊断已成为当今医学界面临的首要问题。 另外，一些特殊的心脏病患者，在正常工作生活时发病，而到医院检查时症状 消失，导致在医院无法检测到异常心电图，无法对病情做出诊断，耽误了治疗的最 佳时机，所以心电监护是有重要意义的随着社会老龄化的加剧，解决长期慢性病 的监护目前已经是重要的社会问题。怎样才能使病人在家庭中得到更好的医疗保健， 同时又减少病人家属及社会的负担，是现在摆在有关研究人员及医生面前的一个重 要课题。 心电信号是人类最早研究并应用于临床医学的生物电信号之一，与其它生物电 信号相比心电信号更易于检测并具有较直观的规律性 3 1 。在医学发达的今天，心电 信号的监测与处理仍是生物医学领域重要的研究对象之一，是医学上诊断心脏系统 疾病十分重要的检测依据因此及时通过心电信号来发现并预防心脏病的发生是减 少心脏病人发病和死亡率的一个有效途径。心电学自上世纪初到现在已经发展了一 百多年。在这期间心电图检测技术本身不断发展完善，各种心电检测方法不断问世， 到目前可以说心电检测已趋于成熟。以往的检测手段基本上都需要到医院在庞大的 心电图仪器上进行检测，而心脏病人不可能每次发病时都具备到医院检测的条件； 还有一点就是一些患者在发病时感到不适，而到医院检查时症状消失，进行心电图 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 检查时得不到明显异常的心电信号，这将影响对患者的诊断和治疗。因此导致了许 多心脏病人病情不能得到及时诊断和治疗，延误了病情甚至导致死亡等严重后果。 1 2 远程医疗国内外相关研究现状 远程医疗，就是指利用远程通信技术、计算机多媒体技术及信息技术来传输医 学信息以实现远程监护和远程会诊的- - f - 应用学科。对本课题的研究在国外开展的 比较早，开展远程医疗较早的是欧美各国。1 9 8 8 年美国首先提出远程医学系统的概 念，即从广义上讲，远程医学应包括现代信息技术，特别是双向视听通信技术、计 算机及遥感技术，向远方病人传送医学服务或医生之间的信息交流。欧共体在1 9 8 6 年设置的研究基金a i m 主要用于资助有关远程医疗的项目。已经实旌的有法国的流 行病统计网、葡萄牙采用个人电脑开发的医院间脑电图传输系统、西班牙的远程血 压监测系统和危急报警系统等。远程医疗经过几十年的发展，已经成为一个专门学 科，引起了各国医疗机构和公司的重视。欧洲已经有5 0 多个国家建立了远程医疗系 统，许多公司如 珥，m m ，i n t e l 等大公司也纷纷投身于远程医疗领域h 5 1 。 远程医疗的发展经历了以下阶段： 第一代远程医疗系统是介于上个世纪6 0 年代初到8 0 年代之间，由于受到信 息的传送量和通信条件的制约，远程医疗的发展比较缓慢，仅仅在航天等尖端科技 领域内进行着。但正如很多高新技术最终将走向民用一样，有关专家开始尝试将这 一高新科技医疗手段造福于普通人。总的说来，这一时期远程医疗的发展比较缓慢。 第二代远程医疗系统是8 0 年代后期到9 0 年代初期，伴随着计算机硬件价格 和通讯费用的急速下降，远程医疗逐渐揭开了她那神秘的外纱，走向了军民两大领 域。从m e d l i n e 所收录的文献数量看，1 9 8 8 年1 9 9 7 年的l o 年间，远程医疗方 面的文献数量里几何级数增长。在远程医疗系统的实施过程中，美国和西欧国家发 展速度最快，联系方式多是通过卫星和综合业务数据网( i s d n ) ，在远程咨询、远 程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医学方面取得了较大进展； 第三代远程医疗系统和机器人技术密不可分，虚拟现实技术、m e m s 技术、通 讯技术的发展为远程医疗增色不少，微创手术工作站的建立使得远程手术得以实现。 这一阶段，现代远程信息技术和智能化医疗手段相结合，使得远程医疗几乎是“完 美无缺”了。据报道，日本东京大学和冈山大学医学部远程控制的血管缝合机器人， 提高老鼠实验实现了直径为l 毫米血管的远程操作缝合手术，这种远程手术的精准 度在当时来说应该算是很高了； 第四代远程医疗系统是第三代的延伸，家庭监护和社区医院是其主要形式，社 区医院其实不是一所医院，是一个由局域网和互联网组成的虚拟世界，而各大基于 有线电话网络的远程医疗医院或者中心医院才是真正的医院，它们提供技术支持和 2 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 服务。未来的远程医疗还面临着将医疗健康以更迅速、简洁的方式普及化的问题。 这其中，远程家庭医疗是一个比较好的途径。 从传输媒介方面来看，当前的远程医疗主要有： 基于有线电话网络的远程医疗主要是通过固定有线电话线路，传输如心电、 血压等及常规生理电信号，由远端的医生根据收到的生理信号对患者的情况做出判 断并反馈给患者。 基于无线网络的远程医疗。这里的无线网络包括微波、卫星通讯、移动通信网 络等。在这个阶段的初期移动通信网络还没有建成，主要是利用微波和卫星通讯。 由于成本比较高所以推广难度大，主要应用在航海、航天、极地探险等特殊条件下 的医疗疑难问题。 随着移动通讯技术的发展，基于移动通讯网络的远程医疗发展迅速，已成为一 种极具发展潜力的远程医疗系统。移动通信网络可以提供良好快速的通讯服务，能 提供更大的带宽以保证能大容量快速地传输数据。移动通信网络使远程医疗更具有 高度的使用灵活性，使得人们能在任何地方享受远程医疗带来的方便。 1 3 心电远程监护的研究现状 远程监护和远程医疗是一对孪生兄弟，它们命运相关，相互影响。远程监护是 远程医疗的基础，它的发展过程与远程医疗相似。心电监护是远程监护的一个重要 分支，是目前世界各国研究的一个重要方向凹。 心电监护已引起国内外很多研究单位和公司的重视，并已研制出了很多种心电 监护设备。如：心电h o l t e r 、心电b p 机和心电实时监护系统等。 ( 1 ) 心电h o l t e r 。h o l t e r 系统即磁带记录式心电监测系统，是美国人h o l t e r 于 1 9 6 1 年发明的。h o l t e r 系统由两部分组成：心电磁带记录器心电磁带回放仪。 h o l t e r 系统利用磁带记录器将心电数据记录在磁带上，病人把磁带记录器带在身上 后，可以回家正常地生活工作，期间可记录下2 4 小时的心电图，然后再送回医院， 由专用计算机控制的回放仪进行回放仪进行回放分析和诊断。 h o l t e r 型监护设备具有连续记录、记录时间长的优点心电h o l t e r 只能记录心 电信号，没有任何分析功能，更不具备远程传输能力，使用者在使用后必须每天回 到医院，由专用设备读取和分析。 ( 2 ) 心电b p 机系统【l 川。b p 机系统的远程终端一般包括一个类似b p 机大小的 心电i 虱监护记录单元和通信单元。监护记录单元的功能是对佩带者的心电图进行监 护。当发现心电异常或佩带者感到不适时按下按钮可记录一定时间长度的心电图， 然后使用者可以将此心电上传给p c 机，由p c 机上网传送到医院。也可以将监护记 录单元放在通信单元上，将记录的心电图通过接口转换经电话线送往医院的监护中 重庆大学硕士学位论文1 绪论 心。随着f l a s h 存储器容量的增大，价格的下降，存储时间已经可以达到2 4 小时。 这种方式的缺点是显而易见的：实时性太差，信息量有限。 ( 3 ) 心电实时监护系统。它又分为电话心电遥测系统和无线心电遥测系统。电 话心电遥测是通过声耦合把心电信号传送到医院，它较心脏b p 系统在实时性上有 所改进，但仍然会限制病人的活动，且难以做到长时期的监护。 无线心电遥测系统的用户终端单元由一个便携式心电检测仪和一台智能心电实 时监护仪器构成。无线心电遥测可以让病人在一定范围内自由活动，其心电信号能 实时的反映在遥测分析系统中。检测仪以无线电方式发送的心电图由智能心电监护 仪接收并对接收的心电图进行实时处理。当异常心电图超过报警值时自动拨号将当 时的心电图通过调制解调器实时送往医院。心电实时监护系统较好地解决了心电信 号实时监测问题，但它通常不具备移动性，其应用范围和推广都受到很大限制。 移动通信技术从第一代的模拟移动通信发展到第二代的数字移动通信g s m ，到 目前比较流行的2 5 g 的g p r s ，正在向第三代移动通信发展。移动通信在覆盖范围、 传输速度以及通信质量等方面有了日新月异的进展。现在的移动通信技术能为用户 提供更大的活动范围、更为灵活的通讯方式。这些技术特点使得移动通信技术逐渐 成为远程心电监护中最主要的通信载体之一。基于移动通信技术的远程心电监护越 来越受到人们的重视，目前已成为当今远程心电监护系统的研究热点 1 4 1 。 近几年来，随着以互联网为代表的信息技术的广泛应用，使得通过互联网络对 分散在不同地点的运行设备进行监控成为可能；随着数据库技术的日见成熟，使得 对监控数据的存储、分析，并从而得到更多信息成为现实。因此利用互连网络对分 散在不同的点的设备实施集中监控和管理，利用数据库技术将监控数据进行有效的 存储、分析和利用，越来越受到人们的关注。 1 4 本文研究的目的和内容 本文的主要研究内容主要有如下两方面： ( 1 ) 心电数据库的建立。本监护系统是基于c s 模式的远程监护系统，在本实 验室工作下，该系统已经完成了硬件部分的采集与通信模块，软件部分的心电数据 的采集和发送、数据的平滑滤波、心电图显示以及简单的分析等功能本文在此基 础上对该系统建立了一个比较完善的数据库系统，使系统对心电数据的管理更加规 范、合理、方便。在数据库服务器的选择方面，本文选用了m y s q l 数据库，基于 该数据库的免费自由使用及运行速度等都是令人满意的；数据库的设计过程完全符 合规范的软件开发流程。 ( 2 ) 心电数据无损压缩算法的研究。由于系统采集的心电信号数据量非常大， 所以需要有一个高效的压缩算法来对数据进行压缩，以节省数据传输带宽及数据存 4 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 储，同时，系统的实时性也是非常重要的，所以需要压缩算法有快速的特性。本文 在研究了传统的统计编码饵词l 啪编码等) 及短语式编码a l z 系列) 基础上，进行改 进实现了一种较快速高效的变长字典式编码，提高了压缩比：在借鉴了i p e g 压缩 编码中的预钡4 器方法后，改进形成了一种更高效的预测器编码，针对高采样率的心 电信号进行压缩，得到了更高的压缩比 重庆大学硕士学位论文 2 远程医疗的核心技术问题 2 远程监护系统的核心技术问题 2 1 心电生理学基础 心脏的主要功能是泵血以维持周身血液循环。泵血的过程牵涉两种类型的生理 活动，其一是心肌兴奋( e x c i t a t i o n ) ，然后是心肌的收缩( c o n t r a c t i o n ) ，前者引发后者， 成为兴奋收缩偶联( e x c i t a t i o nc o n t r a c t i o nc o u p l i n g ) 。心肌的兴奋是电学活动，包括细 胞膜的除极复极的周期性规律，形成心电周期。心股骨的收缩是机械活动，包括 肌纤维的收缩舒张周期性规律，形成心动周期，可以说心脏的周期性节律是由心 肌电活动的生理功能所主宰的。正常的心脏电生理功能使心脏保持正常的心率，心 律失常本质上是由心电活动的异常活动引起的。研究心脏电活动的生理病理规律 的科学，称为心电生理学嘲 在生物体内各组织和器官活动时，无不伴随有电的变化，这些电的产生与作用 统称为生物电现象，这是生物细胞活动和兴奋的重要标志。因此，心肌细胞在其活 动中，始终伴随着一系列的电活动变化。在一个心动周期中，要使心肌收缩，必须 使其兴奋，而产生兴奋刺激的来源是窦房结，它是心脏的主导起搏点，一束心肌像 一根电缆，由于局部已经被激动的细胞，其电位发生了变化，又由于心肌细胞间在 电学上是相互连接的，因而刺激了临近的细胞，于是激动沿着被兴奋的心肌从一个 心肌细胞向另一个心肌细胞传导。这样，就使兴奋不断地向周围扩散。在静息状态 下，细胞膜外散布着正电荷，极性为正。当某一部位受到刺激而兴奋时，正电荷迅 速进入细胞，细胞膜内外的电荷发生逆转，膜外变为负电荷，这种极化逆转过程， 称为除极过程。因此，在心肌的兴奋过程向各方面作顺序扩散过程中，假定心脏中 兴奋部位的全部负电荷集中起来合成一个负电中心。这样一对电量相等，极性相反 的电荷构成一对电偶。它的电力作用可用负电中心指向正电中心的电量表示。 人体内包含有多种电解质及体液，具有一定的导电性，是一个容积导体。心肌 活动( 除极与复极) 时，由心电偶产生的电场必然使电流自正极向负极流动，电流也 将贯穿地布满在整个体液中，此种导电方式称为“容积导电”。 心脏不断地进行着有节奏的收缩和舒张活动，心脏在机械收缩之前，心肌首先 产生电激动，心肌激动所产生的微小电流可经过身体组织传导到体表，使体表不同 部位产生不同的电位，使身体各部位在每一心动周期中也都发生有规律的电变化活 动。在体表放置两个电极，分别用导线联接到心电图机的两端，它就会按照心脏激 动的时间顺序，将体表两点章的电位差记录下来，形成一条连续的曲线，这就是心 电图。 6 重庆大学硕士学位论文2 远程医疗的核心技术问题 2 1 1 正常心电波形及意义 正常心电图上的每个心动周期中出现的波形曲线改变是有规律的，国际上规定 把这些波形分别称为p 波、q r s 、t 波，有时在t 波后，还出现一个小的u 波。 心电图由一系列波群组成，一个模式心电图组包括下述各波，如图2 1 所示： l i - - - - - j - - - - - - - - - - - - - - - - 一 ；- r 问期f 1 再一q t 问期； 图2 1 心电图解 f j 9 2 1 t h es c h e m a t i co f c a r d i o g r a m p 波：心房除极波，反映左右两心房的电激动过程。p 波可为尖顶、圆顶、平顶、 或有小的切凹。正常p 波宽0 0 4 0 1 1 秒。 p - r 间期：为房室传导的时间，即自p 波开始至q r s 综合波( 或q 波) 开始的 时间，一般为o 1 2 o 2 0 秒。 p - r 段：自p 波结束至q r s 综合波开始的经过时间，即自心房除极完毕至心室 开始除极经过的时间，或称p - q 段，一般在电平线上，正常为0 0 4 0 1 0 秒。 q r s 综合波：左、右心室除极的全过程形成q r s 综合波。典型的q r s 波群包 含三个紧密相连的波，p 波后第一个向下的波称为q 波，其后第一个向上的波称为 r 波，r 波后向下的波称为s 波。不同导联记录的心电图上这三个波不一定都出现， 波形和幅度变化也比较大。q r s 波时间为自心室开始激动至心室完全激动所经过的 时间，一般为0 0 6 o 0 8 秒，不超过0 1 0 秒 s - t 结合点( j 点) ：q r s 综合波与s - t 段的交接点，该点正常在基线上 s - t 段：为心室除极完全后，心室早期复极过程的电位变化，是从s 波至t 波 开始前后的一段电平衡现象，一般在基线上，向上偏移( 抬高) 不超过l m m ( v i , v 3 导联可抬高3 3 r a m ) ，向下偏移( 压低) 不超过0 5 r a m ，占时约0 0 1 5 秒。 t 波：t 波为心室的晚期复极波。其波向与q r s 综合波的主波方向一致，在 v l 导联中可不一致。宽度一般为o 1 o 2 5 秒。 q - t 间期：为q 波开始至t 波终止的时间，代表心室由开始激动状态至完全恢 复静止状态所需时间，与心跳的快慢有关。我国国人的平均q - t 间期为o 3 6 秒。 u 波：心动周期中最后一个小波，意义尚不十分清楚，其方向一般与t 波一致， 7 重庆大学硕士学位论文 2 远程医疗的核心技术问题 高不超过0 5 m m ，多见于i 、导联及胸导联中，有时低看不出来。 心电信号是心脏活动过程中心脏的肌肉和神经电活动的综合，属于直接信号， 又称主动信号，信号源来自心脏。由于生命自身的机理以及信号源的不可触摸性， 心电信号像其它生命系统产生的信号一样，具有以下特点：一是随机性比较强，即 信号无法用确定的函数式来描述；二是噪声背景强，预测的有用信号往往淹没在许 多无用信号中，三是信号的频率低，心电信号基本上是周期信号，同样具有非平稳 的性质。心电信号随时处于微小变动中，而不是固定不变的，即使从群体中同一对 象取得的心电信号，在不同时刻也不是一样的。 心电信号是心电电压振幅随时间变化的信号，属于微弱信号，仅为m v 级，它 的幅度范围是1 0 u v - 4 m v ，典型值l m v 。心电信号的频率比较低，主要频率范围是 o 0 1 h z - 1 0 0 h z 4 0 ，大部分能量集中在0 0 5 h z - - 4 0 h z 。从图2 2 e c g 信号的功率谱分 析来看，心电各波段频谱有一定差异，其中q r s 波频率较高，约3 h z , - 4 0 h z ，而其 峰值约在1 0 - 2 0 h z 之间，p 、t 波约为0 7 h z - 1 0 h z 。 动 率 谱 图2 2e ( 信号的功率谱 f i 9 2 2 t h ep o w e rs p e c m n no fe c g s i g n a l 2 1 2 噪声来源及其幅频特性 在采集心电信号过程中，由于受仪器、人体等方面的影响，易受到各种噪声的 干扰，通常有以下七种来源啊： 1 ) 工频干扰 工频干扰主要包括5 0 h z ( 6 0 h z ) 基波以及那些可以模拟正弦曲线或正弦曲线叠 加的谐波成份，是由电力系统及人体分布电容引起的，表现为心电图记录上的可见 正弦波或正弦波的叠加。其特征值包括幅值和频率，在给定的测量环境中将固定不 变。 典型参数： 幅值：e c g 峰峰值的0 5 0 范围内变化 s 重庆大学硕士学位论文 2 远程医疗的核心技术问题 频率：5 0 h z ( 6 0 i - i z ) 基波及其谐波 2 ) 基线漂移 由呼吸引起，表现为基线随呼吸产生周期性漂移，从而导致心电波形的幅度随 着呼气和吸气而分别上升和下移。可看成是一个以呼吸的频率加入e c g 信号的正 弦分量，呼吸时e c g 信号的幅值大概有1 5 的变化。 典型参数： 幅值：e c g 峰峰值的1 5 频率：在0 1 5 加3 i - i z 范围内变化幅度为e c g 峰峰值的1 5 3 ) 运动伪迹 运动伪迹是由于电极动作时电极一皮肤阻抗变化而引起的基线跃变( 但不是阶 跃) ，通常运动伪迹的起因可以假设成物体的震动或运动。由于运动伪迹引起的基线 扰动的形状可以假设成近似的周期正弦波信号，其峰值与持续时间是不定的 典型参数： 幅值：e ( g 峰峰值的5 0 0 持续时间：1 0 0 m p 5 0 0 m s 4 ) 肌电干扰( e l e c t r o m y o g r a m , e m g ) 肌肉收缩时产生，一般为m v 级，表现为心电图上不规则的细小波纹，使心电 波形模糊或产生失真肌电干扰可看成零均值带限高斯噪声的瞬时幅值，它的分布 可以由脉冲的变化和持续时间来估计。 典型参数： 幅值：e c g 峰峰值的1 0 频率：直流到1 0 0 0 0 k 持续时间：5 0 m s 5 ) 电极接触噪声 电极接触噪声是瞬时的，也可能是永久的，它是由电极接触不良或脱落带来的 不稳定干扰，导致心电图记录时有时无，表现为基线的快速阶跃变化，然后呈指数 形式下降，这种跃变可能只发生一次，也可能快速的连续发生几次。 典型参数： 幅值：记录器最大输出 频率：6 0 h z 持续时间：l s 6 ) 信号处理过程中所用电子设备产生的仪器噪声 7 ) 电外科( 手术) 噪声 以上各种噪声严重时会对采集的心电信号造成很大的影响，从而影响最后的心 9 重庆大学硕士学位论文2 远程医疗的核心技术问题 电诊断与分析，因此分析之前必须对其进行预处理，也就是通常所说的滤波。 2 2 远程心电监护系统的软件设计 2 2 1 基于c s 结构的系统 2 0 世纪8 0 年代，随着人们对友好的人机界面的追求以及微机技术、网络技术 的快速发展和成熟。目前比较流行的计算机软件体系结构有两种，那就是c s ( c l i c n t 客户机s e r g e r 服务器) 结构和b s ( b r o w s e r 浏览器s e r v c r 服务器) 结构。 本监护系统应用的是c s 结构。c s 结构是一种协同式分布处理体系结构，c s 结构要求将整个系统的处理任务根据具体情况分布在客户端( c l i e n t ) 和服务器 ( s e r v e r ) ，使客户端和服务器能相互配合，密切合作，以最大限度地发挥客户端和服 务器的工作潜力。客户端向服务器发出请求，服务器响应客户端的请求并为客户端 提供服务。如图2 3 所示，是c s 模式的示意图： 客户端服务器端数据库 图2 3 基本c s 结构 f i 9 2 3t h eb a s i cc sm o d e l c 幅模式具有以下一些优点： 第一，具有成熟的设计开发方法和工具经过多年积累，基于c s 模式的系统 设计开发方法已被用户所熟悉和掌握。并且，众多的数据库和软件生产厂商提供了 各种可视化和编程语言来支持它的开发。 第二，交互性强是c s 模式固有的一个优点。在c s 模式中，客户端有一套完 整的应用软件，所以它在出错提示、操作提示等方面都有强大的功能； 第三，c s 模式提供了更安全的存取模式由于c s 模式是成对的点对点的结 构模式，其应用平台采用的是适用于局域网或广域网的、安全性比较好的网络协议， 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 远程医疗的核心技术问题 因而安全性也可以得到较好的保证。 第四，c s 模式的网络通讯量较少，所以速度较快，有利于处理大量的数据。 本系统是针对心电的远程监护而开发的，系统的结构功能图如图2 4 ： 图2 4 系统功能结构图 f i 9 2 4f u n 甜o n sa n d 鲥n l d 嘛o f t h es y s t e m 监护系统示意图如图2 5 ： 厢习 u 8 翕 8 垒 8 鑫 监护系统 服务器端 图2 5 监护系统示意图 f i 醇5t h es k e t c hm a po f t h et e | e m o n i t o rs y s t e m 数据库 重庆大学硕士学位论文2 远程医疗的核心技术问题 y y 发送完毕 y y ( a ) c o ) 图2 6 客户端，服务器端工作流程图 f i 9 2 6 t h ed i a g r a mo f c l i d i t s e r v e r 监护系统工作流程： 客户端工作流程( 如图2 6 a ) - 1 ) 检查监护仪正常，登录远程监护服务器； 2 ) 登录成功，开始发送数据； 3 ) 发送数据完毕，同时接收服务器端实时诊断信息； 4 ) 退出客户端 服务器端工作流程( 如图2 6 b ) ： 重庆大学硕士学位论文 2 远程医疗的核心技术问题 1 ) 得到客户端请求登录的信息，与数据库服务器交互，如果为有效用户，则返 回该用户信息，否则返回登录失败信息； 2 ) 在监护系统界面上显示该有效用户信息，并准备接收心电数据； 3 ) 接收到一定的数据并经过压缩处理后，存入数据库中； 4 ) 用户下线，断开连接并停止显示该用户的心电图。 2 2 2 面向对象技术在监护系统中的应用 面向对象( o b j t - o r i e n t e d ) 技术是目前流行的软件设计开发技术，包括面向对象 分析和面向对象程序设计两个方面的内容。面向对象技术以其独特的抽象性、封装 性、继承性和多态性为软件开发带来了一场变革，与以前的结构化技术相比，它具 有高效率的软件开发，高可靠的软件运行，方便的调试、维护和扩充等优点。 面向对象程序设计的特征可以概括为以下几个方面： 第一，抽象性。抽象是人们认识客观世界的复杂性的一种基本方法。抽象是事 物或现象的简单描述，突出事物或现象之间的共性，而暂时不考虑它们之间的差别。 抽象分为两个方面：一是过程抽象，二是数据抽象。抽象性按照人类的通常思维来 描述问题，可以把大问题分解成若干小问题来解决。每个小问题都可以是一个独立 的模块，这种思维的方式非常有等于复杂问题的解决。 第二，封装性。对象是属性数据和对属性数据进行操作的集合体。而“封装” 把这些数据和操作屏蔽起来，使用户不必知道对象行为的实现细节，只需要根据对 象提供的外部特性接口访问对象即可。封装性保证了模块具有较好的独立性，对应 用软件的修改仅限于“类”的内部，使得软件的维护修改较为容易，并且将这些改 动所带来的影响减少到最低限度，大大提高了软件开发的效率和软件的可靠性。 第三。继承性。继承性是一种表示对象之间相似性的机制，它使得某类对象可 以有另一类对象的特征和行为。不需要对原有的“类”进行任何修改，或是只需要 添加一些新的成员，便可以得到新的类。这样，可以把已有的模块作为软件的可重 用资源，大大提高了软件的开发效率。 第四，多态性。不同对象接收到相同的消息时，会产生不同的动作。所以，当 实际情况发生变化时，比如一个对象接收一个消息后的动作要发生变化时，我们只 需要改变这个动作实现即可，其它各个地方都不需要做出任何的改变。因而这种软 件具有良好的稳定性，以不变应万变的灵活性，可以大大减少维护的费用 采用面向对象的软件设计具有以下几个方面的好处： 第一，容易解决大型问题，可以把大型项目逐步分解为小的功能模块； 第二，软件维护容易，在不破坏应用程序的前提下，用新的模块代替旧模块变 得更加简单： 第三，可重用很多标准的类、组件，减少开发新程序的时间，大大提高软件开 重庆大学硕士学位论文2 远程医疗的核心技术问题 发效率； 第四，当需求改变时可以很容易地重新定位对象； 第五，有利于软件开发工作的分工和集成，提高开发效率。 由于面向对象的软件开发技术具有优越的性能，很快在科研的各个领域中得到 广泛的应用。运用面向对象的软件开发技术可以较为容易