计算机在生物医学中的远程监护应用

2.3　远程监护及其应用

2.3.1　远程监护概念

远程监护是随着信息化的产生而发展起来的，所以在定义上就和信息相联系起来。远程监护可以定义为：通过通信网络将远端的生理和医学信号传送到监护中心进行分析，并给出诊断意见的一种技术手段。图2.4为一个远程监护系统结构，包括监护中心、远端监测设备和连接两者的通信网络。

图2.4　远程监护系统结构

临床上，病人监护一般有两个含义：

①对危重病人必须时刻进行监测，发现危情，立即报警，通知医生及时进行抢救。这主要用于重症、冠心病监护病房（CCU）、新生儿监护（NICU）和手术室（OR）等，对重要脏器功能损害严重的病人、手术中或手术后处于危险期的患者进行监护。

②某些病症现象出现时间短，需要做较长时间测量才能记录到异常现象，如用于捕捉心律异常的CCU心律失常监护仪和Holter系统等。这些监护方式中，除Holter系统外，一般均为医院内监护系统，因此，监护的病人非常有限，远远不能满足日益增加的院外患者的监护需要。

远程监护利用现代通信技术将病人监护范围从医院内扩展到通信网络可以到达的任何地方，实现病人与诊所、诊所与医院或医院间医疗信息的传送。远程监护提供了一种通过对被监护者生理参数进行连续监测来研究远地对象生理功能的方法，它缩短了医生和病人之间的距离，医生可以根据这些远地传来的生理信息为患者提供及时的医疗服务。

2.3.2　远程监护的意义

人们很早就开始采用远程监护技术进行远程医疗尝试。1935年，罗马Guidio Guida教授建立了国际无线电医疗中心（CIRM），通过无线电、电报、传真等通信技术接收海上航行中病人的病理信息，提供及时医疗帮助。20世纪70年代，美国宇航局率先将远程监护技术用于对太空飞行中的宇航员进行生理参数监测，并将这种监护技术应用于为边远地区患者提供医疗服务。

随着电子、计算机和通信等技术的发展，远程监护技术的监护指标和监护内容在不断地发展。远程监护技术的监护对象几乎覆盖了所有人群，从灾难中的受伤人员、孕产妇、新生儿、老年人、残疾人、慢性病人、急症患者等病人到健康人，都有可能成为监护对象。远程监护技术的监护参数既可以是患者的重要生理参数，也可能是日常生活状态。其应用领域从极限状态下的人体生理状态研究、急救，发展到提高边远地区的医疗水平和面向千家万户的家庭保健。应用远程监护技术的目的和意义在于：

①缩短医生和患者之间的距离，为患者提供及时的救助，减少患者或医务人员的路途奔波。对患者重要生理参数实施远程监护，不仅可以辅助治疗，还能在患者病情突然恶化时即时报警。

②对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不仅能提高医护人员的护理水平和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。

③监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性。

④对健康人群的远程监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。

2.3.3　远程监护技术的主要应用领域

1）早期研究工作始于空间计划

为了保障宇航员的健康和研究的需要，NASA从20世纪70年代开始广泛采用生物遥测技术监测太空飞行中宇航员的重要生理参数。在阿波罗登月计划中，所有宇航员都穿上带有生物传感器的制服，能够将其检测数据从太空船及月球表面送往地面接收站，检测参数包括：心率、体温变化、呼吸、两导联心电图、氧消耗和二氧化碳分压。地面接收站的医生可以根据这些数据评估宇航员在飞船发射、着陆月球、太空船外活动及月球探险等特殊情况下的生理状态，还能在宇航员生病时提供实时监护并指导治疗。

随着人类对太空探索的不断深入，太空飞行的距离在不断增加，使得宇航员远离地球的时间更长，因此，通过监护重要生理参数来辅助治疗，为宇航员提供及时的医疗保健是一个重要研究课题。在目前的国际空间站计划中，医学支持系统是整个计划的一个重要组成部分，它不仅提供日常的医疗保健和急救处理，还定期召开宇航员和地面人员医疗讨论会，重要生理参数的监测数据和其他的生物医疗数据不断传送到地面站，用于医疗和生物医学研究。同时，医学支持系统提供了一个对通信和信息领域中新技术进行评测的平台，如虚拟环境、智能传感器和辅助医生的决策支持系统。

航空航天中的远程医疗系统一般由病人（宇航员）、医疗顾问（包括飞船内医生和飞船外医疗专家）、获取和处理医学数据的远程医疗仪器和两者的通信连接系统构成，如图2.5所示。远程医疗仪器在硬件上由嵌入式计算机、彩色液晶显示器、CCD摄像头、通用光源和电源组成，用于采集宇航员的视频、音频信息和医学数据。医学数据包括：心电图、心率、血氧饱和度和血压；视频图像包括：眼、皮肤、耳鼻喉等医学图像和常规视频图像；电子听诊器用于采集听诊音。远程医疗仪器具有采集数据的数字化输出功能，并与飞行器通信系统兼容，可实现医学信息远程传送、远程监护及远程会诊。

图2.5　航空航天中的远程医疗系统

2）远程监护技术用于边远地区和急救

远程监护技术在航天航空中的研究成果很快就应用于陆地上的健康保健、灾难紧急救助和提高边远地区医疗水平方面上来，如20世纪60年代的STARPAHC计划、90年代的SAVIOUR计划和20世纪80年代末至今的SPacebridge计划。

英国的SAVIOUR计划中的一个重要部分是对重要生理参数的远程监护，如ECG远程监护是将本地的ECG信号通过窄带ISDN送到中心医院，结合视频会议和远程放射学，为偏远农村提供及时医疗指导，将危重病人马上送往中心医院抢救，其他病人留在当地处理，减少了转院病人的数量并为治疗赢得了时间。

在1989年Armenia地震和Ufa天然气爆炸发生后，SPacebridge计划采用双向卫星通信，为灾难中的受伤者提供了紧急医疗救助。在地震发生后的3个月里，Armenia医生和美国医学专家每天进行4小时会诊。在Ufa天然气爆炸后的救助中，通信连接由卫星通信扩展到普通电话以降低费用。随着通信技术的发展，SPacebridge采用多媒体计算机和因特网，运用存储转发方式实现交互会议系统。

日本北海道大学的一个远程医疗研究小组研究了多种移动通信方式的远程监护系统，可以用于飞机、轮船、救护车等移动条件下的病人监护。系统采用了如图2.4所示的结构，只是监护对象为上述移动设施中的病人，而不一定是飞船中的宇航员。监护参数包括三通道心电图、血压数据、视频和音频信号。通信方式包括无线电通信和卫星通信两种方式。研究认为，在飞机、轮船和空间站这种封闭环境中，无线电遥测会受到电磁干扰，而间接光传输方式是解决电磁干扰的有效方法。

目前美国军方正在研究一种供战时使用的人体状态监护仪（Personnel Status Monitor，PSM），这种微型仪器由士兵携带，用于监护佩带者的呼吸、体温、心率和其他的生理参数，其作用在于估计受伤者是否活着并确定受伤者所在地，以便在战场上为受伤战士提供及时医疗救助。PSM的通信方式是采用突发的发射方式，并将运用传感技术监护血压和其他的血参数、心电图等重要生理参数。

3）患者健康监护

重要生命参数的远程监护是患者日常监护的一个重要内容。检测的生理信息包括：心电图、心率、血压、脉搏、呼吸、血气（氧分压和二氧化碳分压）、血氧饱和度、体温、血糖等。这类生理参数检测设备和遥测监护系统使用范围最为广泛，一般要求无创或微创检测，能帮助医生掌握监护对象的病情并提供及时的医疗指导。

（1）心电图远程监测

心律失常监护是重要生命参数远程监护的主要应用之一。随着人民生活条件的改善，心脏病的发病率不断增加，据统计，仅美国每年就超过40万人死于心律不齐，其中10万人死于心肌梗塞。由于心脏病发病时具有突发和危险性的特点，因此，仅通过医院内常规心电图检查、发病入院后的重症监护和冠心病监护是远不能满足心脏病人的监护要求的，必需发展面向家庭、面向人民日常生活的远程监测技术。

常用的心电图远程监护系统为电话传输心电图类设备，系统一般由病人端心电图监测设备、远程医疗监护中心和两者间的通信连接构成。病人端心电图监测设备有以下3种：

①智能化心电图发射机 它只有一个心电电极器，能实现心电图连续长时间检测，并在异常心电图超过阈值时自动发射心电图。由于遥测距离有限，因此，一般限于一幢大楼内使用。

②心电图短时记录仪 当检测到异常心电或患者按下记录按钮时，它能记录几十秒的心电图，然后通过电话网送往医疗中心。一般采用电话声耦合方式通信，适应于外出工作人员使用。

③智能化心电监护设备 它采用无线电遥测方式实现心电图长时间实时监护。当检测的异常心电图超过报警阈值或病人不适时均能自动将当时的心电图实时送往医疗中心报警。此外还具有心电图长时间记录及自动传送功能，这种仪器智能化水平较高，非常适合心脏病患者在家中使用。

心电图远程监护系统一般采用普通电话、ISDN、计算机网络以及GSM实现病人端与监护中心间的数据通信。监护中心可根据监护人数和监护方式采用一台或几台PC机构成的局域网或高性能工作站，接收来自患者的心电图，并具有数据归档、信号处理和病案管理等功能。远程监护中心可以设在诊所、社区医院、急救中心，并要求能与专科医院互联实现远程会诊。

（2）血液透析远程监护

肾脏病人需要得到长期密切监护，透析剂量会直接影响透析病人的死亡率。一般病人每周做3～4次透析，每次需要几个小时。当病人没有按照预期时间去做透析或透析时间不够时，极有可能产生并发症而导致死亡。美国Georgetown大学医学中心建立了一个肾透析病人的远程管理网络，通过对异地病人做肾透析时的状况进行监护，减少并发症的发生。

透析网络包括3个站点，分别为病人、透析中心和医生，各个站点相距大约16　km。透析中心的图像和数据通过T1线送到医生办公室或家中，病人的相关医学信息、X线数字图像和实验数据保存在病人电子文件夹中。每个站点配备了高质量的电视会议系统，可以捕捉静止图像和视频图像、记录电子听诊音、获取本地或远地数据（试验数据及透析机参数）并修改医学记录。

在病人每次透析或发生紧急情况时，医生可以在办公室或家中通过电视会议系统与病人见面，通过远端的听诊器听诊心脏、肺部和瘘管，获取瘘管静止图像，并在远地监测透析参数（包括自动血压、静脉压和动脉压、跨膜压、血流速度、传导率和体温、透析速度和钠补充量），检查病人的测试结果、心电图和X线报告，并将数据存储到病人多媒体文件夹中。这个血液透析系统从最初的40名监护对象扩大到1500名病人，一年多的运行结果表明，病人对这种远程监控和交互方式感到满意，医生可以通过每次透析监测和长时间监护分析，防止一些透析过程中的紧急情况发生。这种血液透析远程监护的发展方向是面向边远地区的病人，以至于家庭。

（3）远程监护的其他应用

重要生理参数的远程监护给本地和远方医生提供了连续的生理数据，由于检测一般在患者熟悉的环境中进行，因此，在一定程度上避免了由于紧张造成的生理状态改变，使测量结果更符合患者的真实情况。英国牛津大学的一个研究小组，对400个睡眠状态下的婴儿进行远程监护，监护参数包括心电图、脉搏氧含量、胸部和腹部的应变，用于研究孕妇的营养水平与胎儿发育和婴儿健康之间的关系。对孕妇和婴儿的远程监护由孕妇和社区护士在家中完成，通过电话网将数据送往监护中心。

由于心理或生理上的压力，有相当一部分人在医院测量的数据与在他熟悉的环境中测量的数据有本质上的差别。研究表明，20%被认为患有高血压病并认为有可能导致心脏病的人在真正放松下来时没有高血压；最近的研究证明，临床上被诊断为患有高血压并有可能诱发心脏病的孕妇在家中做24小时血压监护时，仅有1/3的监护结果与临床诊断一致。英国牛津大学的Johnson教授采用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，有助于对孕妇、胎儿和新生儿病情确诊和疾病的早期预报。

对残疾人和老年人家庭远程监护，提高他们的日常生活独立性和生活质量，是家庭远程监护的另一个重要内容。英国的一个研究小组研究在家中不同地方放置各种传感器，通过电话远程监护残疾人和老年人在家中的穿衣、吃饭、洗澡等日常生活活动来判断其生活情况。据统计，65岁以上的老人中，约1/3每年至少摔倒一次，而摔倒受伤占老人受伤害的80%以上。为此，英国的一个研究小组研制了一套智能化设备，除了检测老年人在家的日常活动外，还可检测老年人摔倒情况，并判断摔倒是否严重，对严重者进行报警，这套设备对独自在家的老人和残疾人特别有帮助。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生活情况，并且采用面对面的方式提供各种医疗服务，包括当老人出现危险时提供急救、在老人感到孤独时提供关怀、在需要时提供专家帮助等。

随着传感技术和远程监护的发展，健康者也会成为家庭监护的对象。通过对健康者的生理参数进行监护，有助于疾病的早期发现和及时治疗。日本东京医科齿科大学研究通过监护泡澡时一家三口的心电图来指示使用者的健康状态，发现心脏病的早期症状。MIT一个研究小组正在研究一种微型重要生命参数检测设备，可以像戒指一样带在手指上，目前可以测量脉率和动脉氧含量。

家庭是人们生活的重要场所，远程监护技术应用于家庭，形成家庭护理和家庭健康保健，它是远程医疗领域中的一个重要生长点，具有广阔的应用前景。

2.3.4　家庭远程监护

1）家庭医疗保健工程

随着社会的进步和科技的发展，人类的健康观念、健康方式和途径都发生着深刻的变化，推动着医疗领域的变革。家庭医疗保健工程（Home Health Care Engineering，HHCE）是一门新兴的边缘技术学科，它最早出现于20世纪70年代，在20世纪90年代得到了迅速的发展，并已成为当今世界医疗领域的研究热点。HHCE的主要内容是：将千家万户和医疗联系起来，实现医疗进入家庭，在配备先进适宜的医疗设备的条件下，在病人家中实施监护、诊断、治疗、康复和保健。由于HHCE的出现符合21世纪社会老龄化、医疗费用日益高涨以及人们对生活健康质量高要求的趋势，同时可以实现医疗资源共享，并能提高边远地区的医疗水平，因此具有特别旺盛的生命力。

2）家庭远程监护应用实例

（1）家用前端监测设备——家庭监护仪

家庭监护仪是家庭心电/血压监护网系统的家用前端监测设备，分布于各个用户家中，用于监测和传送心电图和血压数据。图2.6为家庭用户使用示意图，心电图采用单通道综合监护导联。

图2.6　家庭用户使用家庭监护仪示意图

为了适于家庭用户，该仪器采用了如下设计策略：

①为了在不干扰使用者日常活动的情况下对使用者的心电进行实时监护，采用家庭范围内的近距离遥测方式获取心电信号。

②为了保证用户与医生的及时联系，家庭用户可以采用自动与手动两种方式。在自动方式下，心电信号经心律失常分析软件实时判别后，若有超过设定报警阈值的异常心电信号，则系统将自动与医院的监护中心联网，并将当前的实时心电数据发送给医院；在手动方式下，使用者可以在需要时将监护的心电数据以手动方式发送给医院。

③血压测量数据采用自动方式送往医院监控台。

④长时间心电图和血压数据记录功能。

⑤为了方便使用者，采用汉字菜单界面，并有运行状态提示、自动拨号上网和获取医嘱的功能。

⑥为充分利用现有技术，采用PC机来作为家用端的硬、软件设计平台。

为了保证上述功能的有效性，家用监护仪的设计应包括：家庭监护仪器硬件系统、软件控制流程、心电监护软件、通信模块和系统界面等几个部分。(www.chuimin.cn)

①家庭监护仪硬件系统 家庭监护仪以PC机为平台，包括心电图发射和接收机、血压计、数据接口板、PC机和调制解调器，其构成如图2.7所示。

图2.7　家庭监护仪硬件结构

心电遥测发射接收装置设有16种不同的发射接收频率，可防止多用户之间的频率干扰。遥测距离大于20 m，可满足目前家居使用。血压计采用日本National公司的腕式血压计，测量的血压数据包括收缩压、舒张压、心率以及测量时间。该血压计具有记忆功能，可随身携带，随时测量血压并保存结果。数据接口板完成心电数据A/D转换和血压数据的读取。A/D转换的输入分辨率为二进制8位，转换时间约100 μs，输入电压范围为0～5　V。调制解调器可购买市售的外置或内置Modem与PC机相连，波特率≥2　400，要求与Hayes兼容。

②家庭监护仪软件控制流程 家庭监护仪软件工作在DOS操作系统下，包括心电模块和血压模块两部分：

a.心电模块 心电遥测接收机将接收到的心电信号经A/D插板转变为数字信号后进入PC机，心电数据被存入相应的显示、分析、网络通信和存储等缓冲区，然后由相应的模块根据缓冲区内容及当前软件工作状态来完成心电波形的实时显示、心电实时分析、心电实时传输和心电数据存储。心电监测前端软件数据流如图2.8所示。数据流图中，有一个状态控制开关，用于控制心电数据的流向，可同时完成上述4个功能或单独完成其中之一，而状态控制开关的控制是由用户参与的交互过程来决定的。

图2.8　心电监护软件数据流图

由于家庭监护软件强调与用户的交互过程，程序提供的各种功能都可能被用户异步调用，且各个功能逻辑关系是平等的。程序流程围绕着不同消息进行相应的消息处理。消息分为内部消息和外部消息两种，用户通过鼠标和键盘控制菜单选择相应功能可被视为外部消息，而各种心电处理缓冲区被视为内部消息。程序流程启动相应的心电处理过程。程序控制流如图2.9所示。

b.血压模块 相对于心电图信号连续实时监护，血压监护为散点动态测量，因此，其数据流图较ECG流简单。BP测量结果经数据接口板进入PC机，并经选择开关进入相应处理函数，其数据流图如图2.10所示。

③家庭监护仪心电监护模块 家庭监护仪心电监护模块要实现心电图实时分析和心电异常报警功能。如图2.11所示为心电监护模块数据流程图。信号预处理采用了简单整系数数字滤波器滤除50 Hz工频和其他高频干扰，R波检测采用常规的差分阈值检测方法。

自动检测的心律异常包括以下6类：窦性心动过速、窦性心动过缓、室性期前收缩PVC、房性期前收缩APC、心室扑动VT、漏搏和停搏ARYSTO。设置了4类异常心电报警级别：计算心率超过心率报警上下限属于最低的1类报警；每分钟室性早搏PVC或房性早搏APC数目超过阈值属于2类报警；出现RonT波或心室扑动VT波形属于3类报警；出现停搏ARYSTO波属于最高级别的4类报警。报警级别可根据患者病情由医生设置。

图2.9　心电监护软件控制流图

图2.10　血压监护软件数据流图

图2.11　心电监护模块流程图

在心电连续监护中，由于监护对象活动幅度过大，电极会脱落或接触不良或偶然走出遥测范围的现场等，都会使心电波形中混入许多噪声，这些噪声容易被错误地诊断为心动过速、室性早搏或心室扑动等，引发心律异常报警并向医院监控台发送心电数据。这种情况经常出现，并且会占用网上有限带宽，影响其他用户上网。针对这种情况，有关专家提出了一种基于差分的R波静息期噪声检测方法。具体方法是检测到一个R波后，检测R波静息期内的差分值，如果过零点次数和幅度超过一定限度，则认为检测到噪声。

家庭监护仪心电监护软件具有以下功能：

a.自动报警 当心电实时监护模块检测到异常心电图并超过预先设定的报警限时，将自动启动调制解调器拨往医院监控台，接通后自动将心电图实时送往医院监控台报警。

b.手动紧急报警 当家中患者感到不适时，可按键选择手动报警功能，此时，家庭监护仪将自动连通医院，将家中患者的心电图实时送往医院监控台报警。

c.长时间心电图记录功能 家中患者可按键选择长时间心电图记录功能，家庭端PC机将记录患者长达24h的心电图，并自动送往医院监控台进行诊断分析。

④家庭监护仪血压监护模块 同一受试者在不同时间测到的血压读数不尽相同，有时差异还相当大，这就是血压读数的变异性。究其变异源，可分为生理学变异（即受试者内在的血压自然变异或外界环境因素影响所致的血压变异）和测试变异（即由测量血压时误差所造成的血压读数变异）。所谓血压的波动性即指前者，即血压本身在不同时间内的上下波动。认识到血压的波动性，对于高血压的诊断及治疗有重要的临床意义。家庭血压测量对于临界高血压的诊断，可以大大地减少因误诊为高血压而接受不必要治疗的人数。

血压监护模块具有以下功能：

a.血压的动态测量 系统给用户提供一个带存储功能的便携腕式血压计，可以由用户带到各种场所，随时测量、存储，存储容量达30组数据。用户经过一天的工作回到家中，可通过信号线将血压计与计算机相连，将存储的血压测量结果传送给计算机存储。

b.血压数据传送 使用者需要在两种情形下测量血压并将血压数据传送到医院：用户希望将自己一段时间内的测量数据传送到医院监控台供医生参考并留底；用户在使用心电监护功能时，系统报警并将心电信号传送到医院后，医生希望用户再测量一下血压以供进一步的诊断。

用户可根据日血压动态趋势图了解自己的血压波动情况。

⑤家庭监护仪通信模块 家庭监护仪的通信模块是以Modem加拨号线的方式构成通信网。要求在有限的带宽内，实时传输心电、血压数据及其他各种类型的数据和命令，能够接收医院监控台返回的信息，并返回给上层软件，完成双向通信。

图2.12　通信模块

（a）硬件连接；（b）软件连接

由于通信是通过串行口外接Modem的方式完成的，因此，通信模块包括串行口相应处理子模块和Modem控制子模块，如图2.12所示。在图2.12（a）硬件连接中，输出数据是通过串行口至Modem，再通过电话线至医院监控台，输入数据则由医院监控台经电话线至Modem，再由串行口进入PC。在图2.12（b）软件连接中，Modem层负责Modem操作，SIO（串行输入输出）层用于控制串行口。串行口输出数据包括上层输出数据以及Modem控制命令；串行口输入数据必须经过Modem层解释。若是Modem返回的状态信息，则由Modem调整相应的状态及工作方式；若是数据，则传送给上层软件。

（2）医院监护中心

医院监护中心是整个系统的核心，其主要功能是接收、处理和存储来自多个家庭用户的生理参数信号，实时显示当前与监护中心连接的多个用户的心电波形和血压数据供医生参考；同时还具有心律失常自动分析、心电波形浏览及病类统计功能以及数据分类存储管等理功能。

鉴于系统信息管理和多用户同时共享与实时监护的需要，医院监护中心系统由总监控台和病人档案库构成，其硬件连接如图2.13所示。家庭用户发送的医学数据由程控电话网经Modem和串行接口到达总监控台。因此，基于工作站的总监控台是医院监护中心的核心部分，其功能模块包括实时监护系统、心电图分析、医疗数据和系统信息管理系统，负责接收和管理用户发送的心电和血压数据并做相应处理，实现医护人员的实时监护与数据回顾及处理。其中医学信息管理系统包括心电图/血压数据的回顾显示、医学数据存储与备份、用户登录管理和系统错误记录等，是医护人员进行病情分析、统计以及信息管理的有效工具。PC机用作病人基本病历数据库，供医生随时查询所有用户的病例、病史和其他资料，作为诊断的参考和依据。

图2.13　医院监护中心硬件连接

图2.14为医院监护中心系统结构。医院监护中心设计包括：家庭监护仪器心电/血压实时监护系统、系统界面、心电图自动分析软件、医学数据管理、基本病历库管理和系统信息管理等部分。

①实时监护系统 医院总监控台以工作站及其通信网络为工作平台，其主要功能是接收、处理并保存来自多个家庭用户的心电和血压信号，实时地将当前与监控中心连接的多个用户的心电波形和血压数据显示出来供医生参考。

为了实现对多个家庭用户多参数的监护功能，医院监护中心在硬件上以具有多用户多进程功能的Sun SPARC Station计算工作站为中心，通过调制解调器与程控电话网相连。软件上以UNIX操作系统为软件开发和工作平台。

实时监护系统在软件设计中主要解决以下问题：接收客户请求并建立连接，根据客户的不同需求进行相应服务，自动启动或触发相关的模块。

图2.14　医院监护中心系统结构

图2.15为医院总监控台实时监护系统数据流图。图中客户、主服务器、从服务器等均为进程。主服务器采用创建子进程方式启动从服务器，而进程间采用消息发送和信号量来实现通信。实时监护系统软件设计具有以下特点：

图2.15　医院总监控台实时监护系统数据流图

a.实时监护系统进程间的通信完全是异步方式，每次通信完全由家中患者决定。因此，在软件设计上采用“客户—服务器”模型来解决这个问题。按照该模型，每次通信均由随机启动的客户进程发起；服务器进程从开机起就处于等待状态，随时准备对客户进程做出响应，从而满足了总监控台进程间异步通信要求。

b.“客户—服务器”模型中，服务器采用并发方式和主/从式结构以满足多个家中患者数据传送的实时性要求。医院总监护台要能同时接收来自多个家中患者的传送数据要求。因此，系统要求医院总监护台对家中患者在任何时间、任何一次传送数据请求做出响应，并要求根据数据类型的不同完成相应的服务。清华大学的有关专家将服务器设计成并发响应方式，并将服务器设计成主/从式结构。主服务器是一个守护进程，随系统启动而运行，当无请求时，它处于等待状态；一旦客户请求到达，主服务器立即为之产生一个从服务器，然后回到等待状态，由从服务器响应请求。当下一个请求到达时，主服务器再为之产生一个新的从服务器。

c.主服务器的功能是完成与家中患者的正确连接，可通过套接字（Socket）接口来实现，并根据传输数据类型（BP/ECG）的不同启动相应的从服务器（BP从服务器/ECG从服务器）服务。ECG从服务器的功能是接收、存储来自家中患者的ECG数据，以窗口的形式实时刷新显示。BP从服务器的功能是接收、存储来自家中患者的血压数据，并以窗口的形式显示。接收的心电和血压数据存储在心电/血压数据库中。

②总监控台界面设计 总监控台窗口的界面设计以符合OPENLOOK标准为原则。由于使用对象是医院的医护人员，因此，界面设计采用中文菜单、鼠标操作。总监控台屏幕分为心电、血压监护等窗口和波形回顾窗口3个部分。

a.心电监护窗口 心电监护窗口位于屏幕的上部，它可以同时接收显示来自8个家庭端患者的心电图。根据家庭端监护报警状态的不同，总监控台以心电波形显示颜色加以区分。当家庭端为自动报警状态时，总监控台心电波形的显示采用黑色；当家庭端为手动报警状态时，总监控台心电波形采用蓝色显示；当家庭端为长时间记录后的传送状态时，总监控台将报告Holter功能。这样，医院医生可以根据心电波形显示状态的不同，知道家中患者是否有自觉症状，从而帮助医生做出准确的判断，另外，在每个心电显示窗口旁有两个按钮，医生可以根据患者的心电图选择不同按钮，及时通知家中患者其心电图是否正常。

b.血压监护窗口 血压监护窗口位于屏幕的右下角，可以显示来自多个家中患者的血压测量结果，包括收缩压、舒张压、平均压和心率。

c.波形回顾窗口 波形回顾窗口位于屏幕的左下角，包括心电回顾窗口和血压动态趋势图窗口，通过鼠标选择可以在两者间切换。在心电回顾窗口中可以选择浏览家中患者的心电历史数据和心电图分析报告。血压动态趋势图窗口可以显示家中患者血压测量数据，并画出24小时的血压动态变化趋势，帮助医生进一步分析患者是哪种高血压，或者观察病人的用药疗效，以选择用药、调整剂量与给药次数、确定患者血压应当控制的波动范围。

③心电图自动分析 监护中心站具有多种心电自动分析功能，主要包括心律失常分析、ST-T段分析和心率变异等分析的3个模块。

a.心律失常分析是整个心电图分析的基础，ST-T段分析和心率变异分析中用到的大部分参数都来自心律失常分析提取的特征参数。如图2.16所示为心电图分析软件流程。

心律失常分析算法先采用差分阈值法监测R波，然后使用分支逻辑法和模糊算法两种方法，程序流程分别如图2.17和图2.18所示。在算法中设计了噪声检测模块来识别实际应用中的多种噪声，从而提高了R波检出率。心律失常分析主要对停搏、漏搏、心动过速、心动过缓、室性早搏、房早6种病类进行了较详细的讨论。

b.ST段分析的关键在于特征点的定位。本系统中采用R+X法，并根据心率自适应调整特征点的位置，提取ST电平、斜率等参数，为心肌缺血的诊断提供定量的参考指标。

c.心率变异性（Heart Rate Variability，HRV）的分析方法很多，本系统主要采用时域统计法和RR间期散点图（Lorenz图）分析法。时域方法是应用数理统计指标对HRV做时域测量。散点图不仅意义直观、方法简单，而且比其他方法能包容更多的信息（包括线性和非线性部分），提供了一张能了解病人HRV全貌特征的图形，在临床上正为越来越多的医生所接受。

图2.16　心电图分析软件流程

图2.17　差分阈值分支逻辑法程序流程

图2.18　模糊算法程序流程

④医学数据管理 医学数据管理包括医学数据结构、医疗数据回顾和医学数据存储管理。

a.医学数据结构 为了方便实现对多个用户及其大量心电、血压数据的存储和管理，本系统设计了树形文件系统及信息记录结构，如图2.19所示。其中记录文件保存了所有病人开始使用本系统的时间及其医疗数据保存目录等。每个病人医疗数据（心电图和血压数据）都保存在该病人的目录中，并建立了一个数据文件索引表以方便文件查找。

b.医疗数据回顾 总监控台医疗数据管理的主要功能是将监护中心接收的当前数据和历史数据以图形方式显示，供医护人员分析与诊断使用。医疗数据回顾可以分为心电和血压数据回顾两大类，图2.20为医疗数据回顾软件功能图。

图2.19　监护中心医疗数据存储结构

图2.20　医疗数据回顾软件功能图

c.医学数据存储管理 医院总监控台的存储介质包括硬盘、软盘和磁带，由于监护中心每天会接收大量的用户心电图数据，考虑到实时心电图数据的存储与心电分析及回顾程序对数据文件调用的速度要求，本系统将硬盘作为临时存储介质，用于保存近期接收的医学数据；将磁带用作海量存储器，用于历史数据的长期保存，必要时可由医务人员选择复制到硬盘。