0 引言
據(jù)世界衛(wèi)生組織的數(shù)據(jù)，心血管病已經(jīng)成為造成全球人口死亡的主要因素。由于心電圖檢查在診斷此病上具有準確可靠、方法簡便、對病人無損害等特點，在臨床上被廣泛應(yīng)用。然而目前普遍采用的基于PC機平臺的心電圖機，雖功能全面，但體積龐大、成本較高。而市場上便攜式心電圖機大多采用低檔單片機實現(xiàn)，無操作系統(tǒng)，處理能力弱，功能簡單，只能進行心電信號的采集、顯示與簡單的數(shù)據(jù)處理，人機界面不友好。隨著大規(guī)模的專用集成電路和計算機芯片的發(fā)展，基于32 bit微處理器的嵌入式系統(tǒng)以低成本、較高的性能和可靠性等諸多優(yōu)勢，應(yīng)用日益廣泛。基于這種現(xiàn)狀，本文提出了一款高性能、多功能的便攜式心電圖機，采用 AU1250處理器與Windows CE操作系統(tǒng)，全面提升了產(chǎn)品的處理能力，并使用具有觸摸功能的大型LCD顯示屏，能同步整體顯示十二導(dǎo)聯(lián)同一心動周期的波形，讓醫(yī)生可以更加準確地作出判斷，從而提高了準確率。該機并能對心電波形數(shù)據(jù)進行測量分析、存儲、回放、編輯、打印等。
1 硬件系統(tǒng)簡介
系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本系統(tǒng)選擇AU1250作為控制核心。AU1250是一款高性能、低功耗(<400 mW@400 MHz)、高集成度的嵌入式處理器。AU1250屬于MIPS架構(gòu)，集成USB(OTG)、SD卡等接口。也是目前市場上為數(shù)不多的支持分辨率為1 280*800大型LCD顯示屏的處理器之一。
基于軟件系統(tǒng)對實時處理以及永久保存大量數(shù)據(jù)的需要，以AU1250為核心的主板配備了128 MB的SDRAM、2 MB的NOR FLASH以及2 GB的NAND FLASH等存儲芯片。并對外提供USB、SD卡(可用于外擴數(shù)據(jù)存儲)、UART、100 Mb／s以太網(wǎng)口等通信接口，實現(xiàn)對采集卡、熱敏打印、數(shù)據(jù)存儲等模塊的調(diào)度。
2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
本軟件系統(tǒng)，主要由兩部分組成：
(1)Windows CE嵌入式實時操作系統(tǒng)；
(2)心電圖應(yīng)用程序。
2．1 Windows CE嵌入式實時操作系統(tǒng)
Windows CE系統(tǒng)是一種緊湊、高效、可伸縮的32位的操作系統(tǒng)，其所具有的多線程、多任務(wù)、完全搶占式的特點是專為各種有很嚴格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計的。其模塊化的設(shè)計使嵌入式系統(tǒng)和應(yīng)用程序開發(fā)者能夠方便地加以定制以適應(yīng)一系列產(chǎn)品。
綜合考慮到軟件的性能要求，以及操作系統(tǒng)對硬件的支持及二次開發(fā)的簡便性等方面，本系統(tǒng)采用了微軟公司的Windows CE。并利用Pl-atform Builder5．0集成開發(fā)環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)品的需要及硬件資源的考慮，裁剪內(nèi)核、添加所需的驅(qū)動，定制一款精簡的符合產(chǎn)品需求的操作系統(tǒng)。
2．2 心電圖應(yīng)用程序設(shè)計
心電圖應(yīng)用程序整體框圖如圖2所示，主要包括以下幾個主要功能：
(1)人機交互
(2)數(shù)據(jù)采集
(3)波形顯示
(4)數(shù)據(jù)處理與測量分析
(5)數(shù)據(jù)存儲
其中數(shù)據(jù)采集、波形顯示和人機交互三個功能要求能夠并發(fā)的同步進行，否則系統(tǒng)會有比較大的延時現(xiàn)象。所以本應(yīng)用程序利用多個線程分別完成不同的任務(wù)。
2．2．1 人機交互
本系統(tǒng)的人機交互包括機器面板的功能鍵以及用戶圖形界面兩部分，作為響應(yīng)用戶的操作，并接收消息控制各個模塊的運行。
(1)功能鍵部分：包括ID鍵，開始／停止記錄鍵，模式切換鍵等。其響應(yīng)處理的實現(xiàn)方式為：事件+注冊表。底層驅(qū)動利用中斷的方式，檢測按鍵的動作，如鍵按下便把對應(yīng)的鍵值寫到注冊表，然后通過SctEvent()方式通知應(yīng)用程序。應(yīng)用程序首先開辟一個線程，利用WaitF- orSingleObject()等待按鍵事件的發(fā)生，然后讀取并判斷注冊表的鍵值，調(diào)用對應(yīng)的功能函數(shù)。考慮到驅(qū)動進程與應(yīng)用程序有可能同時訪問并改寫注冊表，為了保證數(shù)據(jù)訪問的安全性，在讀寫注冊表時，使用Mutex同步機制來確保一次只有一個進程使用該資源。
(2)用戶圖形界面：根據(jù)市場發(fā)展需求，并形成競爭力，產(chǎn)品界面須既美觀時尚，又方便易用。基于此方面的考慮以及軟硬件系統(tǒng)的支持，本系統(tǒng)圖形界面的按鈕均采用加載位圖的方式，把絢麗的圖片應(yīng)用于各個按鈕。字體方面，也使用AddFontResource()函數(shù)動態(tài)加載了微軟雅黑與華康圓體字庫。并綜合醫(yī)生意見，簡化操作流程，使整個操作界面極富人性化。
2．2. 2 數(shù)據(jù)采集
為了保證數(shù)據(jù)的采集不被其他線程中斷，本系統(tǒng)開辟了一個優(yōu)先級較高的線程來采集數(shù)據(jù)。
(1)數(shù)據(jù)接收
由于采集卡的采樣率為1 000次／秒，數(shù)據(jù)量較大，為了提高其與上位機傳輸數(shù)據(jù)的速度以及考慮到接口的可擴展性，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集卡集成了USB控制器FT245芯片，并在軟件系統(tǒng)中加載了FTD2XX．DLL驅(qū)動，實現(xiàn)了以USB協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)、上位機模擬串口接收數(shù)據(jù)的方式。采集線程只需打開串口不斷接收數(shù)據(jù)，爾后再根據(jù)定義的數(shù)據(jù)包協(xié)議分別解出各個通道的數(shù)據(jù)以及導(dǎo)聯(lián)脫落狀態(tài)信息，并送到數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊進行濾波及導(dǎo)聯(lián)脫落處理。
(2)數(shù)據(jù)同步采集的方法
數(shù)據(jù)預(yù)處理完畢后，采用SetEvent()的方式通知顯示線程讀取數(shù)據(jù)顯示。為了保證公共數(shù)據(jù)緩沖區(qū)數(shù)據(jù)的正確性，采用臨界區(qū)Critical Section來實現(xiàn)采集與顯示線程的同步。
2．2．3 波形顯示
本系統(tǒng)采用了醫(yī)療系統(tǒng)中較常見的實時顯示方法，即掃描式，從左到右畫，新進的點覆蓋原來的點，中間有一段緩沖區(qū)刷掉舊點，畫到最右端時，又從最左端畫下一幅圖，不斷重復(fù)。同時為了防止閃爍，采用了雙緩存技術(shù)。
心電圖機一般需顯示的波形有兩種：導(dǎo)聯(lián)波形顯示，如12導(dǎo)聯(lián)同步顯示；節(jié)律波形顯示，如檢查心率不齊時，長時間連續(xù)的顯示單一和多通道導(dǎo)聯(lián)波形。為了方便醫(yī)生在導(dǎo)聯(lián)與節(jié)律兩種模式下切換觀察，本系統(tǒng)創(chuàng)建了兩個后臺繪圖線程。當為導(dǎo)聯(lián)顯示模式時，把所繪導(dǎo)聯(lián)波形的內(nèi)存DC不斷拷貝到屏幕DC上顯示，節(jié)律繪圖線程仍然后臺運行。反之，為節(jié)律顯示模式。
2．2．4 數(shù)據(jù)存儲
(1)病人基本信息及分析結(jié)果存儲：
SQLite是一個輕量級的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫，可以較為方便地運用于嵌入式系統(tǒng)中。相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，SQLite具有更好的實時性、系統(tǒng)開銷小、底層控制能力強的特性。
由于本系統(tǒng)的病人基本信息及分析結(jié)果的存儲，只涉及建立表格、查詢、修改、插入、刪除、排序等操作，因此采用精干高效的SQLite完全能夠滿足本平臺的要求，并利用其支持的SQL命令及提供的API接口，操作十分方便。
(2)病人心電數(shù)據(jù)存儲：
鑒于心電數(shù)據(jù)量比較大，為了快速存儲以及便于管理，采用了文件的存儲方式。首先在SQLite中建立心電數(shù)據(jù)PatiemEcgData表，包括病人 ID、姓名、心電數(shù)據(jù)長度、心電數(shù)據(jù)文件的相對路徑等字段，心電數(shù)據(jù)以文件方式保存的同時，將該文件的相對路徑存到數(shù)據(jù)庫。當進行歷史波形回放時，只需根據(jù)病人ID，搜索心電數(shù)據(jù)文件路徑，讀取文件數(shù)據(jù)進行繪圖顯示即可。
2．2．5 數(shù)據(jù)處理與檢測分析
2．2．5．1 數(shù)據(jù)濾波處理
ECG和絕大多數(shù)的生物數(shù)字信號一樣，都是信噪比很低的微弱信號，往往混有很強的背景噪聲，如工頻干擾、肌電干擾、基線漂移等。噪聲嚴重時可完全淹沒 ECG信號或使基線漂移劇烈。因此必須從硬件設(shè)備消除噪聲影響的同時，也要從軟件上去消除，本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)濾波處理主要根據(jù)各噪聲的頻率特性設(shè)計不同的數(shù)字濾波器予以濾除。
2．2．5．2 數(shù)據(jù)檢測分析
(1)特征提取
進行自動分析前，首先要進行特征提取。特征提取包括兩部分：(1)波形識別，對ECG所包括的P波、T波和QRS波群進行識別。(2)測量出各波形的幅度和間期，以便提供給后面的分析程序。
準確地檢測每一個QRS波是波形識別的首要任務(wù)，如果QRS波檢測出現(xiàn)錯誤，其后進行的T、P波檢測，各種參數(shù)測量及診斷分類均失去了意義。基于嵌入式平臺的特點，QRS波群檢測算法上采用了傳統(tǒng)差分閾值法，可實現(xiàn)實時檢測。
QRS波一旦識別，便可根據(jù)PQPST各波斜率特性，計算并定位各自的分界點。爾后進行各種參數(shù)測量和計算，包括心率、P波時限、P-R(P-Q)間期、QRS時限、Q-T(QTC)間期、平均心電軸、各波振幅等。
(2)自動分析：
圖3所示的是整個ECG分析方法。將特征提取過程產(chǎn)生的測量參數(shù)作為輸入量，進入決策邏輯或統(tǒng)計過程。決策邏輯是基于規(guī)則的專家系統(tǒng)來模仿專家的決策過程以確定和描述病人的病情。這些規(guī)則集是根據(jù)醫(yī)學(xué)專家的知識來開發(fā)的，通過一組IF-THEN語句，最后成為一個或多個分析結(jié)果語句，并打印在分析結(jié)果報告上。
3 總結(jié)
本文簡要介紹了基于wince的心電圖機硬件系統(tǒng)的組成，以及對整個軟件系統(tǒng)的設(shè)計進行了分模塊的闡述與分析。目前已完成第一版本產(chǎn)品樣機的開發(fā)，經(jīng)測試系統(tǒng)運行良好，分析算法也以美國的MIT心電數(shù)據(jù)庫為標準進行測試，其準確性達到符合臨床診斷要求。該產(chǎn)品已準備進入工廠量產(chǎn)階段。