（计算机系统结构专业论文）基于GPRS远程医疗系统的设计与实现.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 远程医疗系统能充分利用国内、国际的医疗资源帮助我国偏远地区病人得到 及时医治，能在紧急医疗救助时帮助患者得到最快的治疗，同时在某些特殊情况 下( 比如s a r s ) 能帮助患者从医院得到远程诊断。所以，在我国这样一个地广 人多但医疗资源相对集中的国情下使用远程医疗系统具有很好的实用价值和应 用前景。 本课题基于生物医疗、计算机科学、通讯技术等多学科的交叉研究，将g p r s 无线数据传输、计算机软硬件技术、虚拟仪器技术密切结合，将基于g p r s 无线 数据传输方式和w i n c e n e t 操作系统引入远程医疗领域。课题采用医疗数据作为 传输目标，主要研究为： ( 1 ) 设计出g p r s 网络接入i n t e m e t 主干网的远程医疗数据传输途径，该 方式较以往的i s d n 、a t m 网络、单一i n t e m e t 网络、闭路电视数据具有高灵活 性，易维护和永远在线等优点； ( 2 ) 在移动平台设计上采用先进的a r m 9 架构的处理器和最新的g p r s 模 块发送医疗数据，更能满足医疗数据量大、要求高速率传输的特点； ( 3 ) 在此平台上成功引入w i n d o w s c e n e t 操作系统，为用户提供良好的人 机接口： ( 4 ) 对嵌入式操作系统w i n c e n e t 的串口驱动改进，解决了w i n c e n e t 和 g p r s 模块串口通讯的冲突问题； ( 5 ) 开发出基于w i n c e n e t 平台进行无线t c p i p 数据传输的应用程序。 虽然远程医疗系统设计在国内研究还处于起步阶段，但是具有巨大的发展空 间。本系统的研究将对疾病的远程诊断、分析、研究和治疗有很好的实用价值， 特别适用于偏远山区医疗、户外突发病情急救和救护车移动救助等场合。 关键词：远程医疗g p r sm c 5 5w i n c e n e t 驱动程序a t 指令集 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e l e m e d i c m ei san e ws u b j e c tt h a tb s e st h ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r a c t t e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yt os u p p l ym e d i c a li n f o r m a t i o nt or e m o t e h o s p i t a l s d o c t o r sa n dt op r o v i d es e r v i c e st or e m o t ep a t i e n t s i ti n c l u d e ss u c hm e d i c a l a c t i v i t i e sa sd i s t a n c ed i a g n o s i s , c o n s u l t a t i o n , t r e a t m e n t , n u r s i n g , d i s t a n c el e a r n i n ga n d m e d i c a li n f o r m a t i o ns e r v i c e w i t ht h ea p p l i c a t i o no ft e l e m e d i c i n e ，w ec a ns h a r e m e d i c a lr e s o u r c e s ，r e d u c eo re l i m i n a t et h ep r o b l e mi nd i a g n o s i sb e c a u s eo fl i m i t a t i o n i nc e r t a i na r e a s i ta l s oe s t a b l i s h e san e wp l a t f o r mf o rm e d i c a ls t a 馈t oc o n d u c t s t u d i e sa n dt oc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e r g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) i sap r o t o c o lt r a n s i t i o n i n gf r o mt h e s e c o n dg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n s y s t e m t ot h et h i r do n e g p r sh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h - s p e e d l o w - c o s t , c o m p a t i b l e 、析t hi ps e r v i c e sa n dc a r r y i n g m o r ei n f o r m a t i o nt h a ni t sp r e d e c e s s o r w i t ht h er a p i dt r a f f i co f m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , t e l e m e d i c i n ef i n d san e ww a yf o rd a t at r a n s m i s s i o na n di n f o r m a t i o ns h a r i n g r e s e a r c h e si nt h i st h e s i se m p l o yc o l l e c t i v e l ym e d i c i n e , e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r s c i e n c ea n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w eh a v er e s e a r c h e das t a b l ep l a t f o r mf o r t r a n s m i t t i n gm e d i c a ld a t a a th j 曲s p e e d t h i ss t u d ye x p l o r e di t sf e a s i b i l i t ya n d e n g i n e e r e dp r o t o t y p ea sb e l o w ： ( 1 ) t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi s b a s e do nm c 5 5 ( o p r sm o d u l e ) a n d $ 3 c 2 4 1 0 ( c o r ec p u ，b a s e d o na r m 9 绷c h i t e c h t u r e ) t h e c o m m u n i c a t i o nc h a n n e lb e t w e e nm c 5 5a n ds 3 c 2 4 1 0i su a r t ； ( 2 ) t h e s o f t w a r ep l a t f o r mi sb a s e d0 1 1e m b e d d e ds y s t e mu s i n gw i n d o w s c e n e t a n dt h ea p p l i c a t o n s nc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb y s e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t ai n f o r m a t i o nt oa n df r o mr e m o t eh o s p i t a l s t h eh a r d w a r eo ft h ed e v i c ec o n t a i n sag p r sm o d u l e , c a p a b l eo fd a t a c o m m u n i c a t i o nu s i n ge t h e m e tn e t w o r ka sw e l la st h es e r i a lp o r t t h ep r o j e c tu t i l i z e s t h e3 2b i ts o c ( s y s t e mo nc h i p ) m u l t i f u n c t i o n a l $ 3 c 2 4 1 0 ( s a m s u n o ) 鹪a n e n h a n c e dc p u ，a n das dc a r df o rt h ed a t as t o r a g e t h es y s t e mh a ss t r o n g a n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y , a sw e l la ss m a l ls i z ea n dl o wc o s t , w h i c hm a k ei ti d e a lt ob e v i 上海大学硕士学位论文 d e v e l o p e di n t op o r t a b l ea p p l i c a t i o n s w eu s e dw i n d o w sc e n e ta so u rr t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) w i t h h e l po f p l a t f o r mb u i l d e r ( v e r s i o n4 2 1 ，w eh a v ed e v e l o p e d t h ed e v i c ed r i v e rf o rm c 5 5 t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sw i t h i nt h ef r a m e w o r ko fe m b e d d e d v i s u a lc + + t h es o f t w a r ec o n t a i n st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 as u i t a b l ek e r n e lt oo u rd e v i c e ； 2 au a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) d e v i c ed r i v e rr e b u i l t f o rm c 5 5t h a tw o r k sm o r ee f f e e f i v e l y ； 3 d a t at r a n s m i t t i o na n dr e m o t ed i a g n o s i sc a p a b i l i t i e sa n dg p r sn e t w o r k e o m p a t i b l i l i t y k e y w o r d s ：t e l e m e d i c i n e ，g p r s ，m c 5 5 ，w i n d o w sc e n e t , d e v i c e d r i v e r , a t t e n t i o ns e t s v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：日期 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交 论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 随着科技的发展，现代通讯、计算机和多媒体等高新技术正逐步改变着人们 的生活习惯与工作方式，并且不断地渗透到社会生活的各个方面。传统的医疗服 务由于受到时空的限制，仅能为本地的人群提供。现代通讯技术和计算机技术的 发展为突破这种限制提供了可能，使得医疗服务能为远程病人提供预防、诊断、 治疗等一系列服务。远程医疗( t e l e m e d i c i n e ) 作为一项具有极大经济效益的社 会系统工程，是现代高新技术在传统医疗领域的应用和创新。随着近年来在互联 网、无线传输以及嵌入式等技术的发展推动下，远程医疗已经成为一项在国内外 得到广泛关注的、跨学科的高新技术。 本章将对远程医疗在国内外的发展过程以及研究现状作一综述，并提出本课 题的内容、目标和意义。 1 1 远程医疗的含义 目前对远程医疗并没有一个统一的定义，欧洲著名远程医疗学者l 乙 i s t e p a n i a n 将远程医疗定义为【1 j ：通过远程通讯方式来远距离监护和共享医学知 识( t e l e m e d i c i n ec a l l b ed e f i n e da st h ed e l i v e r yo fh e a l t hc a r ea n dt h es h a r i n go f m e d i c a lk n o w l e d g eo v e rad i s t a f l c e u s i n gt e l e c o m m u n i c a t i o i lm e o a l s ) 。一个通常被 大家广泛接受的定义为：远程医疗采用现代通讯技术、现代电子技术和计算机技 术等手段，实现各种医学信息的采集、处理、存储、传输和查询功能，从而完成 对远程对象的检测、监护、诊断、教育、信息传递和管理等功能。远程医疗的内 涵很丰富，它包括远程临床教学，远程医疗试验，远程医疗会诊，远程医疗信息 共享，远程医疗数据管理，远程病理监护等内容，涵盖面很广。 从技术角度上讲，远程医疗就是利用电子通讯网络以及电子信号来传递有 关的医学诊断、治疗、护理、咨询以及教育等信息和数据1 2 1 ，它既可以作为边远 地区医疗服务的手段，也可以作为医生之间进行交流的有效工具。患者或者医生 通过电话，数字蜂窝通讯，异步传输模式网络( a r m ) 或因特网( i n t e m e t ) 等 手段连接到遍布世界各地的网上医院服务中心，有偿或者无偿取得所需要的信息 上海大学硕士学位论文 以及服务。与远程医疗相关的信息技术包括文本、图像、声音、视频信息形成， 存储和传递。其涉及众多的技术行业，如通讯载体，i s p ，电视会议，软件开发， 计算机制造等。 1 2 国外、国内远程医疗的发展情况 1 2 1 国外远程医疗的发展 远程医疗始于国外。5 0 年代末，美国学者w i t t s o n 首先将双向电视系统用于 医疗；同年，j u t r a 等人创立了远程放射医学。此后，美国相继有人利用通讯和 电子技术进行医学活动，并出现了t e l e m e d i c i n e 这一词汇，国内的大多学者将其 译为“远程医学”。 ( 1 ) 第一代远程医疗 在早期的远程医学活动中，美国国家宇航局( n a s a ) 充当了重要的角色。 6 0 年代初，人类开始了太空飞行。为了调查失重状态下宇航员的健康以及生理 状况，n a s a 提供了技术以及资金，在亚利桑那州建立了远程医疗服务，为太空 中的宇航员以及亚利桑那州p a p a g o 印第安人居住区提供远程医疗服务。其通讯 手段是卫星和微波技术，传递包括心电图和x 光片在内的医学信息。1 9 6 4 年， 美国国家精神病卫生研究所提供4 8 万美元，支持n e b r a s k a 心理研究所与1 1 2 英 里外一家州立精神病医院之间通过双向闭路微波电视进行远程心里咨询。1 9 6 7 年麻省总医院与波士顿l o g a n 国际机场医学中心通过双向视听系统为机场的工 作人员及乘客提供医疗服务。美国阿拉斯加州是美国偏远地区，地广人稀，许多 地区没有医生，为提高州内医疗服务水平，1 9 7 2 1 9 7 5 年该州利用空中a s t - 1 卫星，使州内其它地区通过卫星地面接收装置，直接获得州立医院的医疗服务， 参与这项工作的斯坦福大学通讯研究所的专家认为，卫星系统可为处于任何地域 的人群提供有效的医疗服务。其他早期的远程医学活动还有1 9 7 4 年n a s a 与休 斯顿s c l 系统的远程医疗会诊试验。除了美国，加拿大于1 9 7 7 年的太空计划中 通过n e w f o u n d l a n d 大学实施了西北远程教育和医疗活动；1 9 8 4 年澳大利 亚开展了西北远程医学计划。 6 0 年代初到8 0 年代中期的远程医疗活动被美国人视为第一代远程医疗。这 2 上海大学硕士学位论文 一阶段的远程医疗发展较缓慢。从客观上分析，当时的信息技术还不够发达，信 息高速公路正处于新生阶段，信息传送量极为有限，远程医疗受到了通信条件的 制约。 ( 2 ) 第二代远程医疗 自8 0 年代后期，随着现代通信技术水平的不断提高，一大批有价值的项目 相继启动，它代表了第二代远程医疗，其声势和影响远远超过了第一代技术。美 国的远程医学虽然起步早，但其司法制度曾一度阻碍了远程医学的全面开展。所 谓远程仅限于某一州内，因为美国要求行医需取得所在州的行医执照，跨州行医 涉及到法律问题。德克萨斯州的跨州行医就曾引起国内的争论。在第二阶段这种 法规、政策有所改善。而在军队，这种情况就不存在。1 9 9 1 年，美军在海湾战 争中成功运用了远程医学技术。1 9 9 2 年，美军医科大学召开了第七届军事医学 大会，会议深入讨论了现代军事医学所面临的问题，特别讨论了远程医学在现代 军事医学中的作用。1 9 9 3 年3 月在索马里维和行动中，美军对全球远程医学活 动进行了尝试，初步确定了前线部队远程医学系统的基本组成，即包括空中卫星、 一台高分辨率数字相机、一台便携电脑及附加软件、可移动的全球卫星接收装置。 整个维和行动中，美军共向后方传送了7 4 份病历、2 4 8 份医学图像，其中多数 资料具有诊断意义，减少了不必要的伤员后送，提高了卫勤保障能力。美军还在 波黑等军事行动中成功实施了远程医疗。多所美军医院参与了远程医疗活动，为 实现建设信息化军队的目标，1 9 9 4 年，美国国防部建立了远程医学试验台( d o d t e l e m e d i c i n et e s tb e d ) ，启动了多种远程医学项目，其目标是实现数字化技术在 医学中的应用，将远程医学纳入军队医学服务系统( m h s s ) ，此外根据工作需要， 还成立了医学管理技术办公室( m t a m o ) 负责具体实施。远程医学在欧洲及欧盟 组织厂3 个生物医学工程实验室、l o 个大公司、2 0 个病理学实验室和1 2 0 个终 端用户参加的大规模远程医疗系统推广实验，推动了远程医学的普及。1 9 9 0 年， 南美国家仅有四个远程医学工程，利用i a t v 给病人服务；1 9 9 4 年就增加到5 0 个i a t v 中心。 澳大利亚、南非、日本、香港等国家和地区也相继开展了各种形式的远程 医学活动。新加坡南洋理工大学研制了一个基于无线局域网的无线移动式远程医 疗系统，该系统能够实时传输医学数据、声音和图像，同时还能实现医生和病人 上海大学硕士学位论文 互动【3 】。香港的远程医疗学者研制出了一种基于w a p 协议的远程监护系统 4 1 。 美国在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间投入1 5 0 亿美元用来进行远程医疗的研究工 作，欧盟也在2 0 0 0 2 0 0 5 年期间投入1 7 5 亿美元( 不包括欧盟各国的单独投 入) 。据2 0 0 0 年的统计数字，欧洲已有5 0 多个国家建立了远程医疗系统。与 此同时，欧美的许多公司也纷纷将远程医疗作为其发展领域，其中包括l i p ， m m ，i n t e l 等大公司，也不乏一批中小公司介入其中。 而在远程心电信号的传输领域，从上个世纪8 0 年代，国外已经开始建立了 电话传输的心电图 y r e c g 监测中心。电话传输心电图监测系统( t r a n s t e l e p h o n i e e l e c t r o c a r d i o g r a p h i cm o n i t o r i n g ，t t m ) ，又称院外心脏病集群监护系统，其原理 是应用心电记录仪将心电信号记录并转换成声频，通过电话将其传递至监测中 心，再经调制解调器转换成心电图信号，并由计算机处理后对病人进行心电监护。 以色列的s h a h a l 医疗服务公司的电话传输心电图监护系统、c a r d g u a r d 公司 的c a r d g u a r d 系列心电监护系统、1 r i e 公司的a e r o t e l 电话传输心电图等系统、 美国的c a r d i o g r a m f a x 、c a r d i o g r a m m i r r o r 、c a r d i o g r a m v i e w 系列心电监护产品、 瑞典的c a l i b e rt d g g e rm o n i t o r 系统等均属于这一系列产品。 随后又出现了将传统程控交换电话改换为数字式电话传输心电图信号的研 究。英国牛津大学的j o h n s o n 教授采用国际网络的方法、远程监护方法，让孕妇 和胎儿在放松的状态下在家中检测血压、血氧、心电图等重要生理指标。德国的 一个研究小组则通过宽带视频通信远程监护家中老人的各种生理参数，以便在必 要的时刻提供救治和帮助。 1 2 2 国内远程医疗的发展 而在国内，从事远程的医疗生理信号大规模传输和管理的机构还比较少，清 华大学在近年研制的家庭心电血压监护网系统是其中为数不多的运营比较完善 的网络。该系统的家庭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。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阈值时自动拨号将当时的心电图通 过调制解调器实对送往医院。该系统在病人不适时具有手动按键报警功能和类似 h o l t e r 的心电图长时间记录发送功能。 4 上海大学硕士学位论文 2 0 0 3 年4 5 月，解放军2 5 3 医院相继收治1 0 例非典及其疑似病例，经过 医护人员的努力，全部治愈出院，实现了零死亡，零院内感染的目标。该院专家 组首先考虑运用远程会诊方式进行军队专家会诊，分别通过p c 3 0 0 0 系统、双向 卫星网系统、i n t e r - n e t 和电话等通讯方式对病人进行了远程会诊。 2 0 0 5 年6 月，亚洲第一家无线电通讯网络构建院外心脏远程监护系统一一 山东大学齐鲁医院心脏远程监护中心正式投入运用。治疗中心是2 4 小时监护的， 只要患者端的微型发射机保持开机状态，心电的异常变化会自动地传输到这个中 心，中心就可以进行一定的处理和预警。 近几年来我国发展了自己的心电信号电话传输系统。但价格较高，不适合我 国国情。为此我们讨论开发了一套便携式、成本低的心电传输系统。它可以使患 者随时将自己的心电信号传输到医院监护中心，实现实时监护，医护人员也可以 进行实时分析，对病人进行远程指导治疗，为及时抢救赢得宝贵时间。亦可用于 医院对心脏病患者出院后的随访诊断。本设计中实现的系统为远离医院的边远地 区或山区农村以及去医院困难的患者提供方便的监护与服务，而且通过g s m 网 络传输廉价方便，加上成本低，有较高的性能价格比。 虽然远程医疗在我国的起步较晚，发展过程存在很多阻碍【”，但是我国地广 人稀、大部分医疗设备和医学专家集中( 我国有8 5 的医疗资源集中在大城市) 的现实情况，远程医疗在我国有巨大的发展空间，并且也引起了国家政府的重点 关注。国家卫生信息发展规划纲要( 2 0 0 3 2 0 1 0 年) 也提出了建设包括远程医 疗、网络医学咨询在内的区域卫生信息化网络的要求。提出比较可行的方案是建 立贯通全国的医疗咨询网络，连接全国各种档次的医院和城市社区居民服务点， 开展远程医疗诊治、保健、预防和家庭病床等医疗服务。 1 3 远程医疗的应用领域 远程医疗的应用范围十分广泛，目前主要应用于以下几个方面f 6 1 川： ( 1 ) 医学信息共享 网络的发展为信息资源的共享和及时交换提供了可能。今天，专家学者们 已经可以随时通过i n t e r n e t 互连网进行学术交流，听取同行的意见，展开关于某 一课题的讨论等等。很多医学热点问题常常可以迅速反映到互连网上，建立专门 上海大学硕士学位论文 的讨论组，如关于克隆问题的讨论组等，人们可以在这些网点上看到有关问题的 最新情况。此外，一些医学机构利用本身的资源，在网络上推出专业性数据库， 以促进医学交流。医学工作者可以通过电话等通讯设施访问这些数据库，获得所 需要的文献、数据等。例如n l m ( t h en a t i o n a ll i b r a r y ，国家医学图书馆，网址 h t t p ：w w w n l m n i h g o v ) 是美国一个著名的关于远程医疗的网点，它专门搜集和索 引m e d l i n e 和h s t a r 数据库中关于远程医疗的文献，提供较权威的数据和资 料。又如由n i h 的国家科研信息中心资助的p h y s i o n e t ( h t p ：w w w p h y s i o n e t o r g ) 提供大量免费的生理参数信号及相关软件，为复杂生理参数信号的研究提供服 务。 ( 2 ) 远程咨询 远程咨询( t e l e c o m u l t a t i o n ) 是交互式的医学图像和信息共享，病人所在地的 医生做出最初诊断，异地专家提供“二次意见”以证实本地诊断或帮助本地医生 做出正确的结论。咨询过程两边的用户都可以看见对方并实时交谈、发送图像或 文件到远程节点，也可以通过白板迸行在线的书写交流，可以离线捕获、压缩传 递到远程节点进行回放。例如美国的w a m i ( w a s h i n g t o n , a l a s l ! 【a , m o n t a n a , i d a h o ) 乡村远程咨询网，四个州的每个乡村诊所装备了两个5 6 k b s 帧中继连接器和一 个p i c t u r et e l 公司基于个人计算机远程视频会议系统，包括一个数字话筒，一个 f a x ，一个数字摄像机，x 线数字化仪和一个监视器。利用这个系统，远程诊所 的医生可以咨询华盛顿大学医学中心或设在西雅图的其他主要医疗中心的医学 专家。 ( 3 ) 远程诊断 远程诊断( t e l e d i a g n o s e ) 医生利用双向式通讯网络，获取异地病人的有关医 学信息，做出针对性诊断，并将结果反馈给病人。远程诊断区别于远程咨询主要 在于它在获取、压缩、处理、传输和显示过程中，图像质量不应有大损失。远程 诊断可以是同步的( 交互式) 或异步的，同步式远程诊断系统有点类似于视频会议 和需要文档共享的远程咨询，但它要求更高的通讯带宽以支持交互式图像传输及 实时高品质的诊断视频。异步远程诊断基于“保存一转交”。结构，图像、视频、 音频及文本被聚集在多媒体电子邮件里传递给专家，当他们方便时再诊断。一旦 诊断完成，结果传回给远程医生。 6 上海大学硕士学位论文 当有外伤时，远程诊断可以用在紧急情况下决定对病人采取什么措施。例如 外伤专家可以根据x 线c t 图像做出紧急通知，决定是否把远方医院急救室的病 人转移到更大的外伤医疗中心。又如心电专家可以通过心电检测波形建议远方心 电监护室的医护人员对病人采取什么样的医疗措施。 目前应用较广泛远程诊断系统有远程病理学系统( t e l e p a t h l o g y ) ，远程放射学 系统( t e l c r a d i o l o g y ) ，远程皮肤科诊断系统( t e l e d e r m a t o l o g y ) ，远程牙科诊断系统 ( t e l e d e n t i s t r y ) ，远程心脏病系统( t e l e c a r d i o l o g y ) ，远程内窥镜系统 ( t e l e - e n d o s c o p e s ) 黼精神病系统( t e l c l o s y c h i a t g y ) 等。 ( 4 ) 远程手术 计算机辅助手术( c o m p u t e ra i d e ds u r g e r y ，简称c a s ) 是目前医学领域中一 个新的研究方向，它是图像处理，信号传递，精密机械和外科手术的结合。外科 医生利用c t m r j ，d s a ，p e t 等获取患者病变区三维重建图像，进行术中显示， 根据手术的进程，控制术中引导系统，利用精密机械手或机器人进行手术操作。 当病人情况危急而时间上又不允许将病人转移至更好的医疗机构时，专家们可以 通过可视系统，监视并指导病人的主治医师进行手术，也可以将手术现场远程传 输至医学院，供学生们参观学习。 ( 5 ) 远程教育 远程教育是通过远程通讯网提供教育材料，根据医学远程教育的要求，需 要支持文档和图像共享的视频会议系统，如上面提到的远程手术现场可以传输至 医学院，供学生们参观学习；或则做成视频节目，是教学不可多得的好材料。有 些场合需要点对点或点对多通讯，取决于是否需要指导( 一对一或一对多) ，在线 讨论、离线继续教育等。 远程医疗的应用领域还涉及医学咨询、护理、研究及管理等多个方面。可 以预测，建立在信息技术基础上的远程医疗，其应用将会逐步覆盖医疗保健的整 个领域。美国未来学家阿尔文托大功多年以前曾经预言：“未来医疗活动中，医 生将面对计算机，根据屏幕显示的从远方传来的病人的各种信息对病人进行诊断 和治疗”，这种局面已经到来。预计全球远程医学将在今后不太长时间里，取得 更大进展。 7 上海大学硕士学位论文 1 4 生理信号 健康是人类永远关心的主题。现代社会，生活节奏的加快，工作和生活压 力的增大以及环境污染等问题，对人的健康提出了严重挑战。在远程医疗的过程 中，我们比较关心的几个生理参数，包括：心电图、心音、颈动脉波、血压、体 温等。而其中，心电图信号就是比较重要的参数。 心血管疾病是当今社会的第一大健康杀手，每年仅在美国就有超过4 0 0 ，0 0 0 人的死亡原因是由心率不齐所导致，而死于心急梗塞的认为为1 0 0 ，0 0 0 。如何 早期发现和有效诊治心脏病是广大患者、医护人员共同关注的问题。心电信号在 临床上对心脏疾病的诊断具有十分重要的价值。随着计算机网络技术和通讯技术 的发展，医院为患者提供远程心脏保健服务成为可能。近年来国内外已广泛开展 远程心电信号通信与监护诊断方面的研究。动态心电记录仪( 俗称h o l t e r ) 是一 种对心脏病患者进行2 4 小时心电图e c g 信号监测与记录的仪器，已广泛应用 于临床诊断碡i 。目前国外厂商推出的h o l t e r ，已采用了单片机、液晶显示及半导 体存储器等技术，有的还带有数据通讯接口，利用h o l t e r 与计算机之间的通讯接 口，将h o l t e r 所记录的心电数据传给计算机，供医生在计算机上进行分析处理。 要获得h o l t e r 数据，必须将h o l t e r 从患者手中交到医院诊断中心，由医院专业 人士读取其中的数据。若需要继续使用，医院再将h o l t e r 还给患者，这样不便于 对心脏病患者的长期家庭监护。而且这些设备价格昂贵，一般的心脏病患者很难 购买这些设备。因此，很有必要研制出一种具有远程传输功能并且价格低廉、操 作容易的“h o l t e r ”产品。 早在1 9 0 6 年，心电图的发明者w i l h e l me i n t h o v e n ，就开始了通过电话网 络进行远程咨询的尝试。但远程心电信号传输的真正开始，则应该是2 0 世纪 5 0 年代。在5 0 年代末，美国学者w i t t s o n 首先将双向电视系统用于医疗，并 成功将心电信号通过电视系统发送。 在直到上个世纪9 0 年代末的4 0 年中，随着现代通信技术水平的不断提 高，一大批有价值的项目相继启动，其声势和影响越来越大。从m e d l i n e 中所 收录的文献数量看，1 9 8 8 1 9 9 7 年的1 0 年间，远程医疗方面包括心电信号的远 程传输方面的文献数量呈几何级数增长1 9 在远程心电信号传输的实施过程中， 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 8 上海大学硕士学位论文 ( i s d n ) 在远程医疗中，心电信号的监测是一个重要的内容，它是通过现有的网络和 通信设施，将远程对象的心电信号或心电参数采集并传输到诊断中心，供医务人 员分析、诊断和进行病理监护。结合其他比如体温、脉搏、血压等生理信号，研 制出投资少，便携和方便使用，符合大众要求的远程医疗系统。针对目前具有自 主产权，能实现实时数据传输的无线远程医疗系统目前在市场上尚未出现，我们 决定开展本课题的研究，具有广阔的发展前景。微电子技术、因特网技术、通信 技术的迅猛发展，为远程医疗提供了技术上的保障，也使得本课题具有技术上的 可行性。 随着互联网技术的飞速进步，越来越多的远程医疗机构和项目喷涌而出，越 来越多的国家致力于远程医疗的研究。全世界正掀起新一轮的远程医疗的浪潮。 1 5 课题的研究意义 2 1 世纪是生命科学的世纪，也是生物医学工程的世纪。我国地幅辽阔，人 口众多，医疗水平发展不平衡，三级医院基本分布在大、中城市，医学专家也以 分布在大城市为主。边远地区的病人，由于当地医疗条件比较落后，危重、疑难 病病人往往要被送到上级医院进行专家会诊。这样路途的颠簸会对病人的病体造 成迸一步伤害，而且会给病人增加医疗费用的开销。这就给远程医疗提供了巨大 的发展空间，远程医疗可以充分利用全国，甚至全世界的医学资料、医学专家的 资源。并且在一些特殊时期( 比如s a r s ) ，远程医疗还可以实现医疗护理的家 庭化，使得病人可以在一个自己舒适的环境下得到医生的诊断和治疗。 i n t e r a c t 是数据通讯的主要网络，但是i n t e r n e t 并不是我国覆盖最广泛的网络。 g p r s 无线传输依托遍布全球的g p r s 网络，具有其他通讯网络( 公共电话网、 无线电视网、卫星) 无法比拟移动性、灵活性、方便性【l o l 。用户终端的医疗设 备使用g p r s 接入i n t e r n e ：t 具有很多优点，比如永远在线，按流量计费等好处。 所以系统的设计使用g p r s 为通讯手段的无线传输方式，利用g p r s 网络将生理 数据以无线方式接入到最近的i n t e r a c t 接入点上，为一些边远地区、移动患者特 别是没有i n t e m e t 接入的地区提供了一套很好的监护、治疗的方法。所以本系统 可以改善我国人民的医疗条件，对优化利用我国的医疗资源、紧急情况的应付都 9 上海大学硕士学位论文 有积极作用。 1 6 本文的主要研究 根据系统的设计目的，本文主要做了以下研究： ( 1 ) 设计了基于a r m 9 为c p u 和m c 5 5 为g p r s 通讯模块的硬件平台。 该硬件平台上集成了与p c 机和前端信号采集端的通讯接口。 ( 2 ) 详细研究了g p r s 网络传输数据的过程，移动终端如何通过g p r s 网络接入i n t e m e t 。 ( 3 ) 在此平台上成功引入w i n d o w sc e n e t 操作系统。 ( 4 ) 为w i n d o w s c e n e t 开发出m c 5 5 的驱动程序。改善了w i n c e 和m c 5 5 之间通讯中出现的冲突问题。 ( 5 ) 开发出基于w i n c e n e t 平台进行无线t c p i p 数据传输的应用系统。 并且在网络医院端使用虚拟仪器技术显示前端采集的数据信号。 1 0 上海大学硕士学位论文 第二章g p r s 网络 在本系统设计时使用g p r s 网络作为数据无线传输的主要通道，最后接入 h i c m e t 的方式连接到远端的网络医院。本章介绍移动医疗设备是如何经过g p r s 网络接入i n t e m e t 主干网的。 2 1 嵌入式i n t e r n e t 接入方式 移动医疗终端为了实现和远端的网络医院服务器进行医疗数据的传输，必须 要将它通过某种方式接入到1 1 1 t e m e t 主干网上。通常情况下，e t 网络上的 终端多为桌面p c 系统，而采用嵌入式h l t 啪e t 技术就可以实现将i n t e m 髓网 络从p c 系统延伸到国民生活中普遍存在的8 位、1 6 位、3 2 位单片机上，从 而能够实现基于i n t e m e t 的远程检测、远程控制、远程维护和远程数据采集等功 能，这将极大地拓宽i n t e m e t 的应用范围。 目前，嵌入式系统【l l l 接入i i l t e m e t 有以下几种主要解决方案1 2 】： ( 1 ) 使用t c p ，p 协议芯片 此方案利用了硬件( 芯片级) 协议栈，由单片机调用指令控制上网，其系 统结构如图2 1 所示。本方案要求嵌入式系统处理器性能优越，最好是1 6 3 2 位的处理器，同时系统资源要比较丰富。处理器通过调用协议栈接口函数可以较 方便地连接上网。在8 位处理器上也可以实现i l l t e m e t 的接入，这些处理器针 对t c p 佃协议做了优化，主要有z i l o g 公司的e z 8 0 系列和s c e n i x 公司的s x 5 2 b d 系列单片机。 终端设备 图2 1 采用协议芯片接入i n t e m c t ( 2 ) 代理方式 此方案利用轻量级网络( 如r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、c a n 总线等) 将设备连接到 一台p c 上，利用这台p c 机作为网关，将专用网络上的信息转换为t c m p 上海大学硕士学位论文 协议数据报来实现设备上网功能。 典型的解决方案有e m w a r e 公司开发的嵌入式微i n t e m e t 网络技术( e m i t ： e m b e d d e dm i c r oi n t e m e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ) 。e m i t 由e m m i c r o 、e m n e t 和 e m g a t e w a y 三部分组成。e m m i e r o 是驻留在设备中的微型网络服务器，是设备 与i n t e m e t 之间的通信服务模块。e m n e t 协议运行在m c u 内部，是为设备和 轻量级网络进行连接的网络协议。同时，e m n e t 使得集成e m m i c r o 的设备能够 和嵌入式微控制器网关e m g a t e w a y 进行有效的通信。嵌入式微控制器网关( 即 e m g a t e w a y ) 是e m i t 分布式网络平台的关键，运行在计算机中，它是设备网 络和i n t e m e t 之间联接的桥梁。设备借助于e m n e t 协议。通过e m g a t e w a y 与 i n t e m e t 连接。e m i t 方案的系统结构如图2 2 所示。 图2 - 2e m i t 技术的结构示意图 利用e m i t 实现设备与i n t e m e t 的通信，并不要求每台设备都直接连接到 i n t e m e t 上。利用轻量级网络扩展将需要上网的设备首先组网，再通过网关接入 i n t e m e t ，这可以利用网关的一个m 地址将多个设备接入i n t e m e t ，具有组网灵 活、高性价比等优点，适合对传输速率要求不是很快的嵌入式设备。 ( 3 ) 嵌入式操作系统 此方案利用了包含完整t c p i p 协议栈的嵌入式操作系统来控制整个系统 的运行。这种方案要求在系统的c p u m c u 上首先移植支持t c p i p 的协议栈的 嵌入式操作系统。由于引入了操作系统，因此本方案比较适合于系统资源丰富的 高速1 6 3 2 位嵌入式系统使用。其系统结构示意图如图2 3 所示。 o s ( 内含协议栈) 以太网芯片 删 1 2 上海大学硕士学位论文 图2 3 采用嵌入式操作系统接入i n t e m e t 以上几种解决方案为现行几种主要嵌入式设备接入i n t e m e t 方式。但都是采 用有线方式接入。这些接入方式限制了嵌入式设备的移动性，在某些特定场合， 如本系统设计的远程医疗、移动的车量、航道中的浮标等设备或较分散或处于移 动状态，并不适宜采用有线方式接入i n t e m e t 。 针对设备以有线方式接入i n t e r n e t 的不足，本文实现了一种基于g p r s 网 络的无线接入i n t e m e t 方案。这种接入方式类似于使用支持t c p i p 芯片的方式， 使用g p r s 模块m c 5 5 作为i n t e m e t 和移动设备之间的m o d e m 。利用g p r s 网 络的覆盖范围广、数据传输速率高等特性，可以方便快捷地将设备接入i n t e m e t ， 特别适宜用于将移动设备接入i n t e m e t 。利用设计中所