（生物医学工程专业论文）心电数据交换标准的建立及实现方法的研究.pdf

毯e 穗删i o 黟警赵y 主s 船e 醴耋量l e 黼s 重i 拼筘壬重a 珏| 嚣船盎v 辐主v cd 童a g 珏o s 蛞c m e t h o d s ，w h i c hc 孤b ep e 埔o r m e da tal o wc o s ta n da l l a wt h ce a r l yr e c 0 萨i t i o no f 甜y 轴蛾d 汝a s 嚣琢瓣珏重弦嬲，诵彘氇ea 曲粕谨m 嘲o fh e 越瞧 n 弱糯越主。玛 t h er e s e a r c h 锄dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ce l e c n 酬o g r a p h yh 雒b e c np a i d i 藕娌鞠s 主n 露y 鑫l 穗n 蛭。珏t o 。a 蕊s 髑l es 细a 如砖o f g a n 娩a t i o n sm a 硅a g ct o s e tu p s t a l l d a r d s f o r t h e m 删l g e 黼n t 翘d c x c h 她g eo f e c g s u c ha ss c p - e c g 锄d m f e r 耩b w e v e f 班d 蠡暖ms 扫珏d a f di ss 镒ln o ta v a i l a b ka tp r c s 1 x m bu s e so n e na n ds e l f _ d e s c i i b e dm e t l l o dt od e f 重n et h ed a l as 讯l c t t l r e ， 麟p 托s 辩st h e n t e n t 锄de m p h 鸫i z 鹤o n “ss t 川c 缸l 咒，s ot h a t i tc 釉r 印他s 锄tt l l e f e l a t i 帆s h 主po fd a t aw e l l x m li se x p 强s i b l 岛f e a d a b l e p l a 娃b 璐一i 藏d e p 韶d e 鸱鞠d s t m c t l l r a l f 咖啦e n n o r c ，as e to fs t a n d a r d 晒舳o l o g ys y s t e m sh a v eb e 吼c s t 裔b l i s h c d t os u 班 0 姓沤a p p l c a l i o n s 。 f a c e dt l l es i t u a t i o nm a te c 0d a t af r o md 拄f e r e n tc a n sh 鸫v a r i o u sf o 珊a t s ，h o w 幻i 珥窭e 攥e 霸l 娃a 鑫建辩秘d 强l e 剃熊妇b 潲糟e & 粥镒i 瓣e i 珏瓤嚣c g d 钾e 1 0 p 蝴粕t p m c e s s w t h ea “姐嗡s l i s t 。da 酶v c ，“i s o b v i o 嶙t h a t ) 纨i s t h e 纛豳融洳o l 裙y 雕l k v e l o p 礅。融醴e l 随磊i c 激秘e 瑶融，t h c 瑾醛。娃a t i w n lm 蹦a g ct od 鹪i 驴蛆d 协b l i s l l 弛x m i 巾鹞e ds t 锄d a r df o re e x c h a l l g e ，t l l e w o 矗确聃攫g ： _ s t l l d yn 陀l a m es 诅n d 瓤墩a 珏dt e c h n o l o 西嚣o fx m k 黼dx m b b 粘e d a p p l 斌i o 璐弛t h eh e a m i c 釉潜豇e l d 一 b a 辩蠊娃喀辨s e 珏tv 辆se ( gs t 鳓d 鞠趣棚融拦瓣s 如s 自龄瞧e x m o b a s e ds t 锄d a r df o rt l i ee c ge x c h 锄g c 犰s 主秘熊纛i 瑶委煳撼l 躲x m 酗撇d 蚕蛾嘲戤氇e 嚣c g e 磁翘霉e ， d e s 自驴a n dd c v e l o pt h ee c gd i a 舭0 s j ss y s t 咖 一l m ep 糟l 白n i n a r yf e s 黼l c ho nt h ep m b l e m so fd a t as t o 靠n 岛a n n o t 砒i o n 粕d 伽酾l y ，e t c nh 鹳b c 姐胛o v c d t h 甜t h ca p p l i l i o f 也e x m l 庙鲻c d e c gs t a n d a r dm e e t s m 浙江大学硕士学位论文a】强lact t h er c q u i f c l n e n to fe c gd a t ae x p f c s s i 叩锄dd i n i c a lu s eo fe ( 、ga n da l p r o v i d e sa p r 扯t i c a la n de 丘b c l i v ew a yf o rd a t as h 缸ea n di l l t c g r a t i o n 1 【e ”o r d s ：e c gx m k s h a r e ，f 0 珊砒，e x c h a n g e ，s y s t e m i n d c p e d c n t i v 浙江大学硬士学位论文致谢 致谢 值此论文完成之际，首先要感谢我的导师段会龙教授。在两年的研究生学 习阶段，段老师是对我影响最深的一个人。本文课题的选取、研究方向的确定、 科研工作的开展到最后的成文，都得到了段老师的精心指导和细心教诲。他的 宽广胸襟、对科学研究一丝不苟的态度、对学科发展的前瞻性认识以及敏锐智 慧的眼光，使我真正能够以一种积极、严谨、认真的态度，来对待科研学习和 工作。这些宝贵的财富，都将让我受益一生。在此向段老师表示由衷的敬意和 感谢，并送上我最诚挚的祝福。 感谢吕旭东副教授在课题上给予我的指导和帮助。吕旭东酎教授对问题的 分析、处理能力，在医学信息领域的广博知识，以及远大深邃的眼光，都给我 留下了深刻的印象。 感谢邓宁师兄在科研工作中给予我的指导和帮助，以及为本文撰写提出很 多非常好的建议。邓宁师兄对新知识、新技术的快速理解掌握的能力，他的热 诚，以及对待科研工作丝不苟和认真负责的态度，在潜移默化中深深地影响 了我。 感谢实验室的张立东、黄正行、刘鹏飞、周海燕、贾沛沛、罗静、王曦、 周幼静、王冠、吕莹颖、陈星等同学，与你们共同学习、工作使我学到了很多 东西。 感谢维科软件公司的程贵红、唐磊、傅彬、吕广宇、周利锋、马振宇、王 红霞、应永进等对我平时工作的支持。 感谢我的父母家人，他们教会了我做人的正确态度和坚韧不拔的毅力，使 我有信心克服一切困难。 最后，向所有未提及的关心和支持我学业的老师、同学和朋友一同表示感 谢。 郑慧瑛 2 0 0 6 年5 月 于求是园 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 心电图的概念 第一章绪论 心脏的生物电过程与心脏组织的生物化学过程、心脏的机械运动以及有关 控制心脏活动的神经系统有着密切的关系。由各种病理原因引起的心脏疾病， 几乎都与心脏的生物电活动相关。 心脏机械性收缩之前先发生电激动，心肌的电激动通过心脏周围的导电组 织和体液反映到身体表面，使身体不同部位的表面发生电位差别；将测量电极 放置在人体表面的一定部位把各处变动着的电位记录下来，就是临床上常规记 录的心电图删c c t r o c a r d j o g r a m ，e c g ) 。心电图反映了心脏电兴奋在心脏传导系统 中产生和传导的过程。 不同导联所记录到的心电图，在波形上有所不同，但基本上都包括一个p 波、一个q r s 波群和一个t 波，有时在t 波后，还出现一个小的u 波。正常 的心电图波形如图1 1 所示。 图1 1 、正常心电图各个波段 1 1 1 心电图的生理意义 心电图由一系列相同的波组所构成，每个波组代表着一个心动周期。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、o r s 波、t 波。此外，一个正常的心电图还包括p r 间 期( 或p q 间期) 、q t 间期和s t 段。 察看心电图首先要了解每个波的基本形态和所代表的意义。图1 2 是一个 典型的心电波组形成过程。 图l - 2 、典型的心电波组形成过程 ( 1 ) p 波：心脏的激动发源于窦房结，然后传导到达心房。p 波反映了左、 右心房的除极过程，是每一波组中的第一波，也是一组波形中幅度最小的波。 它的前半部分代表右房，后半部分代表左房。 ( 2 ) q r s 波群：反映了左、右两心室的除极过程，典型的q r s 波群由三个 紧密相连的波组成，第一个向下的波称为o 波，继q 波后的一个高尖的直立波 称为r 波，r 波后向下的波称为s 波。 ( 3 ) t 波：是心室复极所产生的，位于s - t 段之后，是一个比较低而占时较 长的波。 ( 4 ) u 波：位于t 波之后，比较低小，其发生机理未完全明确。一般认为是 心肌激动的“激后电位”。 2 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 2 临床常见心电图检查分类 对于不同患者，因为受到患者临床状态和症状的影响，所采用的心电图检 查方法不同，临床常见的方法主要有如下几种： 常规心电图 也叫静态心电图，是指被检者在静息状态下测得的心电图，记录时间通常 为1 0 秒，最常用的是1 2 导联同步心电图。1 2 导联同步心电图是心律失常诊断 最重要的检查方法。若在患者发生心律失常时记录心电图，则心电图对心律失 常的诊断有极高的敏感性。 监测心电图 又称监护心电图，通过心电检测仪器对被检者的心电活动进行长时间、远 距离的监测，主要包括c c u 、i c u 的床边心电图监测( b m 鼠c g ) 、遥控检测心 电图仃e c g ) 、电话传输心电图监测( r r m ) 等。医院使用的心电监护具有 实时分析的功能，使得严重或危及生命的患者处于连续的心电监护和医护人员 的密切观察中。 动态心电图 广义上来说，属于监测心电图的一种，也即通常所说的h o l t c r 心电图。它 用一种便携式的记录器连续检测人体在自然生活状态下2 4 小时甚至更长时间 内的心电信号。为心律失常的定量和定性诊断，解释心电变化与症状的关系， 评定抗心律失常药物对心律失常的疗效，提供有价值的资料。对于短暂性的心 律失常捕捉和一过性的心肌缺血的检出有独到之处。动态心电检测一般选用模 拟胸导联。 负荷实验心电图 通过运动、药物、物理、心脏起搏等方法增加心脏负荷，使心肌耗氧量增 加，以揭示冠状动脉供血不足或潜在的心功能不全。一般又分为：运动负荷试 验( 简称运动试验，如二级梯、双倍二级梯试验、踏车运动试验、活动平板运 动试验等) ，药物负荷试验( 常用双嘧达奠、腺苷、异丙肾上腺素、钾负荷试验 等) ，和非运动、非药物负荷试验( 心房起搏和冷加压、缺氧、饱餐试验等) 等。 在上述四种心电图中，最常用的是第一种，即常规心电图，所以本文主要 是针对常规心电数据进行研究。 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 1 3 心电图的临床意义 心电图可以对心脏的大小、心脏的传导活动、节律、供血情况、外界因素 对心脏活动的影响以及用于治疗心脏的各种药物的疗效等做出判断，是一项无 创、实用、准确、廉价的检查技术，在心血管疾病的诊断中具有不可替代的作 用，是临床医师诊治疾病最为常用的检查项目之一。 1 2 目前状况及存在的问题 随着医院信息化建设的兴起，国内外对于心电图数字化的研究和应用日益 得到发展。国外在一些标准的制定上，实际心电图数字化的研究和应用上发展 得较早。近几年，几乎所有新的心电图机都对心电数据采用了数字记录、数字 分析和数字传输技术，这解决了传统纸质心电图处理和存储方面的一些司题， 给数据的研究和分析带来了很大的方便。目前，国内一些大中型医院也开始使 用电子化的方式来阅读和分析心电图，并通过数据库或是二进制文件对数据进 行存储、管理和检索，一些大医院内部网络可以实现部分信息共享。 但是，由于不同的厂商制定了各自不同的心电数据格式，所以由不同厂商 生产的心电图机所获得的心电数据很难相互传输和共享。针对心电数据格式多 样性造成的问题，国际上一些组织开展了心电数据标准的研究并取得了一定的 成果，主要有s c p e c g ( as t a l l d a r dc 啪m u n i c a t i sp i o t o o o l 蠡叫c o m p 眦e r i z e d e l e c 锄啪n i o 掣a p h y ，数字心电图的标准交换协议) ，m h r ( m e d i c a lw 打e f o m f 0 珊a t e n c o d i l l g r l l l 髂，医学波形编码规则) 等，这在一定范围内解决了数据交 换和共享的问题。但是，由于各个标准应用范围的局限性和本身立足点的差异， 在实际应用中目前还存在着很多问题，主要表现在以下几个方面： - 不同格式的心电数据交流与共享困难，从而阻碍了数据的后续处理与 进一步研究。 _ 一般都按专用的存储格式和方式进行管理，各个心电图应用系统之间 集成困难，甚至在同一医院的不同系统之间共享数据也很困难。 心电数据结构中数据的存储、临床所需心电诊断标注信息的记录以及 数据的安全性等问题。 如何显示和测量心电波形，从而充分利用心电图于l 瞄床诊断是心电数 据应用中的一个很实际的问题。 4 以上问题的存在，导致医院在实际工作中同时还需要以纸张为媒质对数据 进行i 己录，并通过纸张来进行心电数据的传输，没有体现出医疗数字化所带来 的变革，同时也阻碍了电子心电图本身的发展，以及临床医学诊断的进步。因 此，如何制定一个统一的心电数据交换标准已经成为电子心电图发展中一个亟 待解决的问题。 由于结构化、平台无关和可扩展等特点，x m l 在医疗领域的应用与研究越 来越广泛：因此利用x m l 语言来设计心电数据结构将是一个非常高效而方便 的方法，从而可以简单地实现数据的交流与共享。以下将对x m l 的相关技术 作简要地介绍。 1 3 江l 技术特点和优势 x m l ( e x i e s j b i em a f k u pl 粕g l l a g c ，可扩展的标记语言) 1 1 是由w 3 c ( w b r l d 、) l r i d cw 曲c o n n i u m ) 组织于1 9 9 8 年发布的种标准。w 3 c 是一个制 定如h t m l 、订l 和其他w 曲相关技术标准的组织。x m l 具有如下三个重 要特点团： 结构化的语言 x m l 以一种开放的自我描述方式定义了数据结构，在描述数据内容的同时 能突出对结构的描述，从而体现出数据之间的关系。 可扩展性 从本质上来讲，x m l 是一种元语言( m e t ak g u a g e ) ，既可以定义其他语 言的语言；也就是说，这种语言能够根据需要进行扩展，以满足特定情况的需 求。这意味着在创建x m l 文档时，不会局限于一套预先定义的标记，可以为 特定应用程序创建所需要的任何标记。同时，x m l 标准提供了一套与这些细节 相关的规则，来规定诸如如何创建标记、x m l 文档如何结构化等问题。 数据存储和数据显示分离 订l 文档中的数据存储，对于数据的显示没有任何约束，文档中仅仅包含 结构化的数据，而不关心其逻辑结构的定义和显示方式。如果数据使用x m l 规范存储，就可以确保对数据的显示已经没有任何限制。 x m l 采用标记的文本方式记录数据信息，对于计算机和用户来说都具有很 强的可读性。此外，x m l 还具有灵活性、平台无关性等诸多优点，它的出现使 得计算机之间的数据交换变得简单。目前，x m l 在数据和信息管理、数据交换、 w 曲应用、电子商务等诸多领域有着重要用途【3 1 ，如图1 3 所示。 图1 3 、) 。咀的应用 x m l 技术运用于电子心电图领域，具有以下优点： x m l 是一种元语言，它采用层次化结构的、面向对象的方法描述数据 对象的结构，通过) a m l 的标记来定义心电信号的数据对象，非常适 合描述含有复杂内容的心电数据； 咂l 具有平台无关性，适合在不同平台上进行心电数据的交换，在不 同环境下进行系统开发： 在临床医疗中，需要方便的实现数据交换、数据处理以及多种数据视 图，x m l 具有数据和表现样式相分离的特点。舡，文件本身可以只 包含数据信息，而由与数据相对应的样式文件表现其显示格式，通过 两者的结合，生成包含数据和样式的文件，不同的样式文件可以得到 不同的数据视图： _ 咀，对于机器和人来说，都具有很强的可读性，即使没有表现样式， 用户也能够大致明自心电图的相关内容； _ x m l 有一整套体系支撑，提供丰富的技术支持，有利于电子心电图的 实现开发。 ) a 咀。的诸多特点，使其在电子心电图研究发展中逐步起到重要的作用，因 此研究) ( m l 在医学领域中的应用也已经越来越得到人们的关注。 6 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 4 l 技术概述 1 4 1 引言 x m l 使用有意义的标记( t a g ) 对来组成文档，每个标记用来描述元素 ( e 1 锄c n t ) 。标记对由开始标记( 指出元素的开始) 和结束标记( 指出元素的 结束) 组成，在开始和结束标记之间是要表现的元素数据；在开始标记中还可 以描述元素的某些属性( a 吲b u t c ) ；元素间可以形成嵌套，即元素下面可以有 若干个子元素。这就是用元素通过结构化的方式表现数据的方法，既保持了数 据的意义，又包含了数据的内容f 4 】。 x m l 不单是一种技术，而是一组技术，可以把这些技术称为一个“标准体 系”，该体系由一系列的技术规范组成，如文档解析技术有d o m ( d 0 c l l m e n t o b j e c tm o d u l e ) 【5 】和s a x ( s i n l p l ea _ p if o rx m l ) 两种方法【6 j ；文档定义模式包 括文档类型定义( d o c l l m e t1 抑ed e 6 n i t i o n ，d 1 巾) 【7 】和x m l 大纲或者x m l 模式( x m ls c h e m a ) 嗍；另外还有针对x m l 样式表开发的可扩展样式表语言 ( e x t c n s j ：b l es t y l e s h e e tl 舢g u a g e ，x s l ) 州等等，以下将对本文涉及到的一些技 术作个简要的介绍。 1 4 2 文档定义模式 应用x m l 技术的一个目标是为了方便信息交换，对于电子心电图来说， 心电数据信息的交换是一个重要内容，交换的前提是数据信息的标准化，只有 x m l 文档的格式得到交互各方的一致认可，即有一种共同的数据定义标准可以 遵循，数据交换才可能有意义。) 湖l 为电子心电图提供了非常好的交换介质， 但x m l 仅是描述心电信息的“元信息”，要使交换的心电信息能为双方所共同 “理解和处理”，双方还必须有约定一致的心电数据描述结构。目前来说有两种 方式，一种是文档类型定义( m d ) ，另一种是x m l 模式，以下简称s c h 啪a 。 两者规定了在文档中能够使用的元素和属性，以及这些对象与文本内容的可能 组合形式，并可以用来对x m l 文档内容的合法性进行验证。作为对文档验证 的标准，i y i d 和s c h e m a 不仅能被人们理解，对应用程序同样也是易于理解的。 对x m l 文档的验证分为如下几个步骤： 1 、定义一份d 1 d 或s 曲锄a ：为同一类型的所有文档定义了结构标准，比 7 浙江大学硕士学位论文绪论 如有关心电波形信息的文档可遵循同一标准。 2 、应用d t d 或s c h e m a ：一般由文档的作者指定d 1 d 或s c h e m a ，或是某 种应用语言产生后就有符合该语言定义的d 1 m 或是s c h 锄a ，这样接收方或应 用方可以很快地根据说明对文档进行验证。 3 、运行解析器进行验证：解析器在装载文档时扫描结构，遇到任何错误都 会终止装载过程，并做出适当的响应。 虽然，s c h e m a 和d 1 m 都是用于文档验证的两种模式，但二者还是有一定 的区别，其中前者更为精确和灵活1 4 】： - d t d 较为简单，应用较成熟，而s c h e m a 可扩展性和功能较为强大； _ s c h e m a 支持丰富的数据类型，而d 1 【d 不支持元素的数据类型，对于 属性的类型定义也很有限； _ s c h e m a 支持名称空间机制，d 1 m 不支持； _ s c h e m a 可以针对不同情况分别对整个x m l 文档或者是文档局部进行 验证，而d i d 语法自成一体。 _ s c h e m a 的语法完全遵循x m l 规范，可以和d o m 技术结合使用，功 能强大，而瑚巾语法自成一体。 - 目前，哪是w 3 c 所规范的札文档定义标准，s c h c m a 还处于 、3 c 的推荐阶段，未正式成为w 3 c 标准，但s c h 锄a 的优越性使得 它在不久的将来很有可能取代啪，成为验证札文档合法性的标 准。 制定有关心电信息的结构定义( d 1 巾或s c h 哪a ) 的标准，是将x m l 应用 于电子心电图交换的关键。鉴于s c h 锄a 更为精确和灵活的优点，本文将采用 s c h e m a 进行文档的定义和验证。 1 4 3 可扩展样式表语言 x m l 实际上是通过对内容做标记来描述其意义的，从而使显示与内容相分 离。目前，针对x m l 样式表开发的标准被称为可扩展样式表语言( x s l ) 唧。 通过使用x s l ，可以将x m l 文件转换成m m l 、订l 或其他格式的文档。 x s l 能使w 曲浏览器直接根据用户的不同需求改变文档的显示方式。通常， 8 浙江大学硕士学位论文 绪论 有关数据的内容放在个x m l 文件中，例如p a l i e n t d a t a x m l ；而不同的表现形 式放在几个x s l 文件中，例如d i s p l a y l x s l 、d i s p l a y 2 x s l ，不需要与服务器进 行交互通信，在客户端就可以选择不同的方式( 即与不同的x s l 文件相关联) 来进行显示。x s l 的这个功能恰好满足了心电数据的显示要求，即对于同一个 数据，显示多个不同的视图；x s l 提供了一种灵活而方便的方法。 x s l 本身是一项x m l 应用，因为它直接架构在x m l 语法之上。它分为两 个部分：第一部分负责将x m l 的源代码转换为另一种样式，称之为x s 【t ( e x t e n s i b l es t y l e s h e e tl a n g i l a g ct r 趾s f 0 皿a t i o n ) ；第二部分提供大量的格式 化命令，可用来配合印刷或屏幕显示，精确地设定外观样式格式，称之为x s i ，f o ( x s l f o 玎n a t t i n go b j e c t ) 【l l l ，这是一种独立于设备的格式。其中，第一部分的 转换语法可以用来服务于第二部分。 x s i t x s i t ，是一种用来转换x m l 文档结构的语言。如前所述，数据显示与数 据内容相分离，为了便于人们的阅读和理解，需要将x m l 文档中表示的数据 信息显示出来或者打印出来，例如将数据变成一个h 眦l 文件、一个p d f 文 件、甚至是一段声音：同样，为了使数据适合不同的应用程序，必须能够将一 种数据格式转换为另一种数据格式。x s u 就是用来实现这种转换功能的语言， 它通过x s l l 处理器( x s l t p t o c c s s o r ) 进行转换。在x s l t 的应用中，包含了 x p a t l l ( 一种对垤l 文档进行定位的语言) 【1 2 1 等技术。 本文将设计一个基于x m l 的心电数据结构，作为心电数据交换的标准。 而现在已有其它基于x m l 的心电数据结构的存在，因此当对这些数据进行转 换时，就可以利用x s u 来完成：此外，还可以利用x s i t 将心电数据转换为 p d f 文件或是特定格式的m m l 文件，以便于浏览和保存。 x s l f o x s l 广f o 用于描述格式化信息，它是x s l 的重要组成部分。x s o f o 基于 x m l 语法规则，定义了一套描述组织页面的词汇( 即x s l f o 词汇表) ，共包 括5 6 种格式化对象元素，大多数对象是矩形区域，区域中可能包含文本、图像、 空白或其他格式化对象，另外一些对象是这些矩形区域的容器。通过x s 转 换语言可以把x m l 文档转换成使用x s i 广f o 词汇的涯l 文档。但是目前通用 的浏览器( 如m ，t a p c 等) 尚不能直接显示x s l f o 文档，所以通常还需 通过第三方的工具把它转换成p d f 进行显示。 9 浙江大学硕士学位论文 绪论 1 5 讧l 与医学标准 随着信息化和计算机技术在医疗信息管理方面应用的深入发展，医学信息 交换协议标准化及其发展趋势日益成为医学信息工作者研究和应用的重点。 h l 7 ( i i e a l t i il 删e ls c v ) 是8 0 年代末发展起来的基于国际标准化组织i s o 所 公布的网络开放系统互连模型0 s i 第七层( 应用层) 的医学信息交换协议，也 是目前国际上被广泛采用的医疗电子信息交换标准。它的目标是为医疗信息系 统提供统一的信息接口标准。自1 9 9 0 年h l 72 ，1 版正式颁布以来，它在医疗卫 生机构，特别是医院的影响力日益广泛，目前在美国采用此标准的机构已经涉 及政府相关部门、医疗服务机构、保险公司、医疗仪器、设备制造商和医院信 息系统集成商。2 0 0 1 年1 2 月，h l 7 组织发布了完全基于x m l 编码的h l 7 版 本3 ，为最终达成临床上跨平台的应用，以及让各医疗信息系统间的信息交换 变得更加简单畅通奠定了坚实的基础【1 3 】。 最近，美国食品药品管理机构( h ) a ) ，连同许多其他组织如h l 7 ，发起了 一个旨在连接基于x m l 的e c g 表达的广泛的讨论。2 0 0 3 年1 2 月，基于h l 7 v 3 消息标准的h i ax m l 格式最终完成，而且a e c g ( a t a t e de c g ，标注心电 图) 格式现在已经是h l 7 标准家族的一部分i “。相关的订ls c h e m a 派生于 h l 7 的r m 瑚模型 1 6 研究的目标和任务 要实现不同格式心电数据的交换与共享，最根本的问题是如何实现心电数 据交换标准的统一。鉴于旺的杰出优点，本文将设计一种基于) 蹦l 的心电 数据结构，作为心电数据交换的标准，从而实现数据整合的目的。具体的任务 如下： 一研究、分析x m l 相关标准和技术以及医疗领域的) 蹦l 应用技术。 在研究当前各主要心电数据标准的基础上，设计基于x m l 的心电数 据结构，建立心电数据交换标准。 设计并建立基于x m l 的心电数据转换平台，实现不同格式心电数据 的转换。 设计并开发心电图综合浏览系统，实现心电图的电子化阅读与测量。 浙江大学硕士学位论文 心电数据交换标准的设计与建立 第二章心电数据交换标准的设计与建立 2 1 引言 心电图是临床上诊断心血管疾病的一种无创、廉价的重要方法。在如今分 布式医疗环境下，e c g 数据一般用不同的格式和软件平台来获取、存储和分析， 因此用于e c g 数据的管理和交换的各种选择依然存在，主要有s c p e c g ， m h 佩等。但是，随着医疗信息化的发展，一方面对于心电图的研究和诊断， 不同来源的心电数据需要实现共享：另一方面，心电数据正日益被整合于其他 数据，应用于健康检查，那么如何实现数据之间的交流与整合，从而实现数据 的共享成为一个亟需解决的问题。虽然现在国际上有不少关于心电数据管理和 交换的标准，但是它们都有各自不同的立足点和特定的应用范围，都无法作为 心电数据交换唯一的标准，所以需要设计一种新的心电数据格式，作为心电数 据交换的标准。x m l 因为其可扩展性、可读性、平台无关性、数据与显示相分 离的特点，而成为合适之选。本章将设计并建立一种基于x m l 的心电数据交 换标准。 2 2 现有的e c g 管理和交换标准 2 2 1s c p - e c g 概述 s c p - e c g( a 乳m d a r dc 锄删l n i c a t i o 璐 p r o t o c o lf o r c l p u t e 血e d e l c c 的r d i o g m p h y ，数字心电图的标准交换协议) 定义了用于交换的心电数据 的内容和格式，用于控制在不同工作站和用户间的数据流的查询和控制消息， 以及在数字心电图机和b c g 管理系统间的低层传输协议。s c p e c g 草案版本 1 0 由欧洲标准委员会( c l 稍) 下专门负责医学信息标准化工作的t c 2 5 1 技术 委员会于1 9 9 3 年发布。后来，a a m i ( 美国高级医疗仪器协会) 的s c p - e c g 工作组对该文件进行了多次的讨论和修改、整理，并于1 9 9 9 年形成修订版1 3 f t m 。 总的来说，s c p - e c g 包含了数据结构部分和通信部分【w 。数据结构部分定 义了数据组织和存放的格式，提出一种高效的数据压缩方法，并给出了数据压 缩的精度要求。通信部分包含两方面：查询通信和低层传输协议。 浙江大学硕士学位论文 心电数据交换标准的设计与建立 s c p - e c g 数据结构 e c g 数据：包括e c g 波形数据、病人的e c g 采集信息、以及心电图机对 该数据的测量和解读信息等。在s c p e ( 、g 协议中，数据存储采用了结构化的方 式。一个e c g 数据就是一个记录，由记录头( r e o o r dh d c r ) 和若干个字段 ( s c c t i 叩) 组成，要传输的e c g 信息就被分别存放在这些字段中。图2 - 1 是一 个s c p e c g 记录结构的图示。记录头由c r c ( 循环冗余校验) 和记录长度两 部分组成。 匿2 - 1 、s c p 砌记录结构 0 记录中各字段的指针( 相对于记录的第一个字节的偏移量) 1 头信息病人信息和e c g 采集信息 2 e ( 、g 数据编码中使用的哈夫曼表 3e c 0 导联定义 4 q l 峪波组的位置 5 编码后的参考拍数据 6 如果参考拍被减除，则为减去参考拍后的“剩余记录”；否则，为 编码后的节律数据( 原始数据) 7 每个参考拍或每个q r s 在所有导联的综合测量结果，以及起搏器 脉冲信号的相关信息。 8 e c g 的最新文本诊断解析记录 9 保留字段，厂家对分析设备的专有诊断申明和通读解析 1 0 每个导联的测量结果，保留了厂家自定义区域。 1 1 根据通用说明码编码的最近的解析记录和通读数据 表二1 、文各字段的定义 s c p 定义的各字段的数据内容表2 1 所示。在s c p e ( 、g 记录中，必须包括 字段0 ( 指针字段) 和字段1 ( 病人信息) ，而字段2 1 1 和厂家自定义字段是可 浙江大学硕士学位论文心电数据交换标准的设计与建立 选的。对于一个记录所包含的字段来说，除了字段o 必须紧跟在记录头后以外， 其余字段的排列顺序是任意的。 每个字段都由d 头和数据两部分组成，其结构如图2 2 所示。 i 手段l d 头i 字j 黜握港盼 ”絮二 卜t 宇段i d 号 长度 勰 黼 保鹭位 图2 - 2 、字段结构 s c p e c g 的缺点 虽然s c p - e c g 协议已经被许多e c g 设备制造商所支持，尤其在欧洲应用 较为广泛，但是它也开始暴露出一些不足，主要包括以下几个方面【1 7 ： e ( 、g 数据的传输和存储是个二进制文件，可读性差； 只适用于1 2 导联e c g ； - 不支持一个记录中的多重时间相关e c g 的存储； 一只支持有限的标注。 2 2 2m 肫r m f e r 概述 m f e r ( m c d i c a lw a v e 妇m f o r m 砒e n c o d i n gr u l 髂，医学波形格式编码规则) 是一种可以对所有医学波形信息进行编码的通用标准。它是由日本i s c ( i m a g e s a v e 柚d c 栅y ) 委员会提出，日本几家大型医疗器械公司和医疗行业专家、政 府机关、生产企业以及用户参与相关设计而完成的。；1 弧第一版在2 0 0 1 年4 月发布，最终版于2 0 0 5 年9 月完成，同年年底上交i s q r r c2 1 5 秘书处，并将 于2 0 0 6 年4 月进行讨论和复审以成为国际标准【1 8 】。 m 玎r 数据结构 m f e r 是综合了各种医学波形的异同点，而定义出来的适用于所有医学波 形的编码规则。它包括了诊断信息、波形信息、病人信息和描述信息四个部分， 图2 3 是m f e r 全部信息模型。但是，因为m f i 汰专注于医学波形信息的编码， 所以对于波形信息以外的信息涉及很少，而是通过支持其它标准如h l 7 、 浙江大学硕士学位论文心电数据交换标准的设计与建立 d i c o m 等来配合完成。 幽2 3 、瑚f e r 信息模型 m h r 的波形数据结构如图2 4 所示【1 ”，它包含一个或多个结构( f r a m e ) ； 每个结构是由若干个数据块( b 1 0 c k ) 、通道( c h 柚n e l ) 和序列( s e 口u c n c c ) 组 成的数据编码单元。数据块( b h k ) 是对一个通道来说最小的波形数据片断； 通道( c h 锄e 1 ) 代表不同的波形组：序列( s e q u c n c c ) 是包含该结构里所有通 道的一个数据块。 ：。 赞赞 “薏 墨 jij j 一 二一 t i 一 j 一 tb 、- 肖 图2 - 4 、波形数据结构 一个数据结构( f r 啦e ) 中可以包含一个或多个序列( s e q u c n c c ) ，依此数 据编码可以分为交替模式( 舢t a 他t e m o d e ) 和多元模式( m u l t i p l “m o d e ) 两种， 如图2 5 所示。 图2 - 5 、数据编码模式 1 4 浙江大学硕士学位论文 心电数据交换标准的设计与建立 m f i 佩数据存储采用的是数据流的结构，即具体信息一个连着一个记录； 而对于每一个具体信息都采用1 1 结构【1 9 】。所谓哪，即“标签( t a g ) + 长度 ( k g i l l ) + 数据( v 矾u e ) ”，如图2 6 所示。其中标签t 指的是数据v 的属性； 长度l 指的是数据v 的长度，不包括t 和l 的长度；数据v 代表的是具体数 值。 l 翌! ! ! 丛旦l! 竺! ! 竺! ! ! ! ! !塑坐! 里i 图2 6 、m 旺激基本结构 由上可知m f e r 数据的编码格式如图2 7 所示。每一个m f e r 数据由若干 个结构( f 姗e ) 组成；每一个结构又都包括头信息( h e a d e r ) 和波形数据 ( w a v e f o 衄d a t a ) 两部分，头信息描述采样条件、对齐方式、通道信息和压缩 滤波等信息，波形数据就是记录各个采样点的值；而具体到每一个信息，则统 一采用了1 r i 结构。 三 i 蓄l 呈l善l 萱 图2 - 7 、m 瞰编码结构 m 飓r 标准的缺点 m f e r 只有短短几年的发展历史，目前主要是日本和韩国的一些医疗器械 公司和院校在开发和提供支持该编码格式的医疗系统。m f e r 标准的重点是针 对医学波形信息，所以对于病人信息、诊断信息等涉及较少般需要配合其 它标准的文件来完成。另外，因为m f i 激数据是流结构的，这种结构简单易 理解，但是在实际解析时，遇到有多项信息且相关的情况，如各个导联的测量 结果等，缺乏一定的总体信息记录和校验。 浙江大学硕士学位论文 心电数据交换标准的设计与建立 2 2 - 3h l 7 & d i c o m 1 9 8 7 年，h l 7 建立，旨在发展面向计算机系统的卫生保健机构之间的临床、 财政和管理信息之间的电子交换标准。这个标准目前从事不同系统如发送或接 收病人入院脏册、质询、排序、结果、临床观察、付费和主要文件更新信息等 之间的接口问题的处理。作为用于临床和管理数据的电子交换的标准，一个h ” 消息能够表示e c g 的波形、测量结果、波形的计算机分析和统计数据等。 - 消息格式的可读性差； h l 7 版本不向上兼容。 d i c o m 是a c r ( a m e f i c a nc o l l e g c o f r a d i o l o g y ，美国放射学会) 和n e m a ( n a t i 叩a le l c c t r i c a lm 锄u f a c l i l l 弓嚣a - s s o c i a t i o ，国家电子制造商协会) 为主制定 的用于数字化医学影像传送、显示与存储的标准。鉴于目前比较普遍的需求( 来 自e c g 委员会) ，为了生物信号的采集与医学图像过程的连接的目的，d i c 0 m 补充3 0 已经将波形的存储列于其中，包括e ( 、电生理学和血液动力学等的 曲线数据【2 1 】。但是执行这种格式需要理解d i c o m 的基本原理，而这不是单单 读一个补充3 o 就够的，所以在实际运用中存在一定困难m 。 2 2 4 现有e c g 相关标准的比较 现有的e c g 相关标准因为各自的立足点和出发点不同，它们的内容侧重点 各异，具体规则也各具特点，以下将对前面提到的几种标准s c p e ( 、m f e r 、 玎l 7 和d i c o m 作简单地总结比较： 一适用范围不同：s c p e ( 、g 只适用于1 2 导联e c g ；m h 汛适用于所有 的医学波形；d l c o m 主要适用于医学图像，也支持心电波形。 一可读性：s c p e c g 与m h 弧数据的存储是二进制文件，可读性差；h l 7 和c o m 的可读性稍好，但是需要理解相关的数据模型和消息机制。 文本信息：m h 浪主要是针对波形的规则，对于病人信息等文本信息 很少涉及，一般需要配合其他标准的文件如h l 7 等。s c p e c g 支持文 本信息的记录。 标注：s c p e ( 、g 支持有限的标注；f e r 则不支持。 记录结构：s c p e ( 是结构化记录，而且每个子结构都由头和数 1 6 浙江大学硕士学位论文 心电数据交换标准的设计与建立 据两部分组成，有数据校验；m h r 则是流式记录的，没有数据校验。 2 3 基于讧l 的心电数据结构的设计 2 3 1 引言 h ) a x m l 是美国食品和药品管理机构f d a 提出的关于如e c g 、e e g 、温 度、血氧饱和度等时序列数据交换的一个建议性表达结构，其目的是为了便于 生物信号数据的测量与诊断阎。该结构基于h l 7v 3 消息标准，采用了r m i m 模型。 最新的进展包括i _ m e d 【”】，这是一个基于x m l 的带有领域独立接口的临床 数据格式，它用于几个类型医学信息之间的交换。它的主要目标是为临床交换 提供唯一的平台。i m e d 消息可以包括e c g 记录，而这些记录则是通过一些基 本的特征值如q r s 间隔( 例如心室去极化所必需的时间间隔) 和基于文本的说 明等来描述的。这个解决方案的一个主要缺陷是它只定义了e c g 数据的部分重 要内容。 f i ) a ) ( 1 l 采用x m l 来表达心电数据，可以利用x m l 的技术优势解决心 电数据整合和交换上遇到的一些问题，因而是今后心电数据表达的发展趋势。 f 鼬濂e r d 啦l i d y i d i o o o l s t 鸣恤t ，2 0 0 2 - 1 2 一o ，s t 旧躅a t e f m e i e t 斑叫c s a 加。七北e d 日。gt y p e - 曲鼬r 呲i 锄c l a g e 砒云。o 咕 s m l “，s i dr 。t b o d 7 1 3 由2 6 9 f “c d - 曲1 6 o c d 盱妇钿7 0 2 一厶 t ，h t i m 聃日。口a d h i c s e f f t i i a - b i 1 f l n 1 * j 2 1 0 l o n 2 s l s 2 o l n c l i - t m ，)d 心t j ， h i g h 住l u 孽- 2 i 0 1 0 1 1 2 s 2 0 2 0 0 0 - i 蹿l i 坩- f a l 睫b曲m e l ) u i ，曲m e b ，e f f e c l v e t l 嘴， - m f o r 8 t c 删单讲帅b w a l u 0 【i p i l e l i 吐眦一h t t p ，帅p h 捧i e t o r 吖 t 驰口懈l 嚣ec l a 8 日d