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(zhǔn)確可靠、方法簡便,、對病人無損害等特點(diǎn),，在臨床上被廣泛應(yīng)用。然而目前普遍采用的基于PC機(jī)平臺的心電圖機(jī),，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(jī)大多采用低檔單片機(jī)實(shí)現(xiàn),，無操作系統(tǒng),，處理能力弱，功能簡單,，只能進(jìn)行心電信號的采集,、顯示與簡單的數(shù)據(jù)處理，人機(jī)界面不友好,。隨著大規(guī)模的專用集成電路和計(jì)算機(jī)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(jī)，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(zhǔn)確地作出判斷,，從而提高了準(zhǔn)確率。該機(jī)并能對心電波形數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)時(shí)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(kuò)數(shù)據(jù)存儲)、UART,、100 Mb／s以太網(wǎng)口等通信接口，實(shí)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(jì)

　　本軟件系統(tǒng),，主要由兩部分組成：

　　(1)Windows CE嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),；

　　(2)心電圖應(yīng)用程序。

　　2．1 Windows CE嵌入式實(shí)時(shí)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(diǎn)是專為各種有很嚴(yán)格資源限制的硬件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。其模塊化的設(shè)計(jì)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(jì)

　　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(gè)主要功能：

　　(1)人機(jī)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(jī)交互三個(gè)功能要求能夠并發(fā)的同步進(jìn)行，否則系統(tǒng)會有比較大的延時(shí)現(xiàn)象,。所以本應(yīng)用程序利用多個(gè)線程分別完成不同的任務(wù),。

　　2．2．1 人機(jī)交互

　　本系統(tǒng)的人機(jī)交互包括機(jī)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(gè)模塊的運(yùn)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(shí)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(gè)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),?？紤]到驅(qū)動進(jìn)程與應(yīng)用程序有可能同時(shí)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(shí),，使用Mutex同步機(jī)制來確保一次只有一個(gè)進(jìn)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(shí)尚，又方便易用,?；诖朔矫娴目紤]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(gè)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(gè)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(gè)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(jī)傳輸數(shù)據(jù)的速度以及考慮到接口的可擴(kuò)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(shí)現(xiàn)了以USB協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)、上位機(jī)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(gè)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(jìn)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(shí)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(shí)時(shí)顯示方法,，即掃描式，從左到右畫,，新進(jìn)的點(diǎn)覆蓋原來的點(diǎn),，中間有一段緩沖區(qū)刷掉舊點(diǎn)，畫到最右端時(shí),，又從最左端畫下一幅圖,，不斷重復(fù)。同時(shí)為了防止閃爍,，采用了雙緩存技術(shù)。

　　心電圖機(jī)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(shí),，長時(shí)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(gè)后臺繪圖線程,。當(dāng)為導(dǎo)聯(lián)顯示模式時(shí),，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(yùn)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(gè)輕量級的嵌入式關(guān)系數(shù)據(jù)庫,，可以較為方便地運(yùn)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(shí)時(shí)性,、系統(tǒng)開銷小、底層控制能力強(qiáng)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(shí),，將該文件的相對路徑存到數(shù)據(jù)庫,。當(dāng)進(jìn)行歷史波形回放時(shí)，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(jìn)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(qiáng)的背景噪聲，如工頻干擾,、肌電干擾,、基線漂移等。噪聲嚴(yán)重時(shí)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(shí),，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(jì)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(jìn)行自動分析前,，首先要進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)確地檢測每一個(gè)QRS波是波形識別的首要任務(wù)，如果QRS波檢測出現(xiàn)錯(cuò)誤,，其后進(jìn)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,?；谇度胧狡脚_的特點(diǎn),，QRS波群檢測算法上采用了傳統(tǒng)差分閾值法，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測,。

　　QRS波一旦識別,，便可根據(jù)PQPST各波斜率特性，計(jì)算并定位各自的分界點(diǎn),。爾后進(jìn)行各種參數(shù)測量和計(jì)算,，包括心率,、P波時(shí)限,、P-R(P-Q)間期、QRS時(shí)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(gè)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(jìn)入決策邏輯或統(tǒng)計(jì)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(gè)或多個(gè)分析結(jié)果語句,，并打印在分析結(jié)果報(bào)告上。

3 總結(jié)

　　本文簡要介紹了基于wince的心電圖機(jī)硬件系統(tǒng)的組成,，以及對整個(gè)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)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(jī)的開發(fā),，經(jīng)測試系統(tǒng)運(yùn)行良好,，分析算法也以美國的MIT心電數(shù)據(jù)庫為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試，其準(zhǔn)確性達(dá)到符合臨床診斷要求,。該產(chǎn)品已準(zhǔn)備進(jìn)入工廠量產(chǎn)階段。