摘 要： 通過對(duì)構(gòu)件技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了一種基于HIS的神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)" title="監(jiān)護(hù)系統(tǒng)">監(jiān)護(hù)系統(tǒng)模型,。闡述了監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集,、傳輸與讀取技術(shù)。通過對(duì)視頻編碼壓縮技術(shù)的對(duì)比,，選擇了適合本系統(tǒng)的壓縮編碼技術(shù),，并探討了本系統(tǒng)中對(duì)視頻數(shù)據(jù)流的去噪聲技術(shù)。通過該系統(tǒng)的商業(yè)運(yùn)行,，驗(yàn)證了系統(tǒng)開發(fā)思路的正確性,。
關(guān)鍵詞： 構(gòu)件 拓樸結(jié)構(gòu)? 視頻采集? 噪聲
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神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)" title="神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)">神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)是對(duì)重病人的生理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù)和集中管理的一套軟,、硬件系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)的應(yīng)用,，可以實(shí)時(shí)查看重病人的生命體能參數(shù),，對(duì)重危病人及時(shí)采取急救處理，并能大大降低醫(yī)院護(hù)士的工作強(qiáng)度,，提高醫(yī)院對(duì)重病人病情監(jiān)控的快速反應(yīng)能力,，因此該系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣泛。目前該系統(tǒng)已經(jīng)在多家醫(yī)院的重病人病房投入使用,，運(yùn)行效果良好,。
神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)作為一個(gè)科技項(xiàng)目與商業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目，在臨床應(yīng)用上將會(huì)很廣泛,。本文介紹的系統(tǒng)最終要在多家醫(yī)院使用,，而由于各醫(yī)院對(duì)系統(tǒng)的要求各不相同，為了增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性與可擴(kuò)展性,，在系統(tǒng)的開發(fā)過程中,，通過采用基于構(gòu)件的開發(fā)方法，增強(qiáng)了系統(tǒng)的擴(kuò)展性與造就性,，提高了系統(tǒng)的理論研究?jī)r(jià)值與商業(yè)應(yīng)用價(jià)值,。
1 構(gòu)件技術(shù)
構(gòu)件技術(shù)推廣了對(duì)象封裝的內(nèi)涵，它側(cè)重于復(fù)雜系統(tǒng)中組成部分的協(xié)調(diào)關(guān)系,，強(qiáng)調(diào)實(shí)體在環(huán)境中的存在形式。構(gòu)件技術(shù)有四個(gè)基本屬性：
(1)構(gòu)件是可獨(dú)立配置的單元,，因此構(gòu)件必須自包容,。
(2)構(gòu)件強(qiáng)調(diào)與環(huán)境和其他構(gòu)件的分離，因此構(gòu)件的實(shí)現(xiàn)是嚴(yán)格封裝的,，外界沒有機(jī)會(huì)或沒有必要知道構(gòu)件內(nèi)部的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié),。
(3)構(gòu)件可以在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中被復(fù)合使用，因此構(gòu)件需要提供清楚的接口規(guī)范,，可以與環(huán)境交互,。
(4)構(gòu)件不應(yīng)當(dāng)是持續(xù)的，即構(gòu)件沒有個(gè)體特有的屬性,，可以理解為構(gòu)件不應(yīng)當(dāng)與自身副本區(qū)別,，在任何環(huán)境中，最多僅有特定構(gòu)件的一份副本,?？梢钥闯觯瑯?gòu)件沿襲了對(duì)象的封裝特性,，但同時(shí)并不局限在一個(gè)對(duì)象,，其內(nèi)部可以封裝一個(gè)或多個(gè)類,、原型對(duì)象甚至過程，結(jié)構(gòu)是靈活的,。構(gòu)件突出了自包容和被包容的特性,，這就是在軟件生產(chǎn)線上作為零件的必要特征。
從抽象程度來看,，面向?qū)ο蠹夹g(shù)已達(dá)到了類級(jí)重用(代碼重用),，它以類為封裝的單位。這樣的重用粒度還太小,，不足以解決異構(gòu)互操作和效率更高的重用,。構(gòu)件將抽象的程度提到一個(gè)更高的層次，它是對(duì)一組類的組合進(jìn)行封裝,，并代表完成一個(gè)或多個(gè)功能的特定服務(wù),，也為用戶提供了多個(gè)接口。整個(gè)構(gòu)件隱藏了具體的實(shí)現(xiàn),，只用接口提供服務(wù),。這樣，在不同層次上,，構(gòu)件均可以將底層的多個(gè)邏輯組合成高層次上的粒度更大的新構(gòu)件,，甚至直接封裝到一個(gè)系統(tǒng)，使模塊的重用從代碼級(jí),、對(duì)象級(jí),、架構(gòu)級(jí)到系統(tǒng)級(jí)都可能實(shí)現(xiàn)，從而使軟件像硬件一樣,，能任人裝配定制而成的夢(mèng)想得以實(shí)現(xiàn),。采用基于構(gòu)件的系統(tǒng)模型，大大縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期,，提高了代碼的重用性和擴(kuò)展性,。
2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)由用于分布式監(jiān)護(hù)的床旁機(jī)和用于集中管理的中央機(jī)組成。中央機(jī)和床旁機(jī)通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接,，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸,。中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)軟件部分包括中央機(jī)的監(jiān)控軟件和床旁機(jī)的功能軟件。中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)除了硬件上的物理連接,，還需要軟件上的協(xié)調(diào),。中央機(jī)的監(jiān)控軟件和床旁機(jī)的功能軟件各自有一個(gè)通訊模塊負(fù)責(zé)軟件上的連接，以保證數(shù)據(jù)的雙向傳輸,。利用RS485串口" title="串口">串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊具有操作簡(jiǎn)單,、使用靈活方便、數(shù)據(jù)傳遞可靠等優(yōu)點(diǎn),，因此本系統(tǒng)利用RS485串口負(fù)責(zé)中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)通訊,。
RS485標(biāo)準(zhǔn)作為一種多點(diǎn),、差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎庖?guī)范已成為業(yè)界應(yīng)用最為廣泛的標(biāo)準(zhǔn)通信接口之一。這種通信接口允許在簡(jiǎn)單的一對(duì)雙絞線上進(jìn)行多點(diǎn),、雙向通信,，每一個(gè)終端只需通過接口掛在總線上便可以實(shí)現(xiàn)真正的多點(diǎn)總線結(jié)構(gòu);它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率,、電纜長(zhǎng)度及可靠性是其他標(biāo)準(zhǔn)無法比擬的,；同時(shí)，RS485標(biāo)準(zhǔn)只對(duì)接口的電氣特性做出規(guī)定,，而不涉及接插件,、電纜或協(xié)議，在此基礎(chǔ)上用戶可以建立自己的高層通信協(xié)議,。因此本系統(tǒng)的中央機(jī)和床旁機(jī)之間通過用RS485數(shù)據(jù)線連接其各自配置的串行通訊端口,，來實(shí)現(xiàn)硬件上的物理連接。用RS485總線作為數(shù)據(jù)傳輸鏈路實(shí)現(xiàn)半雙工異步通信,。
中央機(jī)由一臺(tái)安裝了MOXA公司的串口擴(kuò)展卡的計(jì)算機(jī)構(gòu)成,，使用擴(kuò)展卡可以擴(kuò)展計(jì)算機(jī)上的串口資源以滿足中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中一機(jī)對(duì)多機(jī)（中央機(jī)對(duì)床旁機(jī)）的數(shù)據(jù)傳輸需要。床旁機(jī)采用工控機(jī),，由相關(guān)的數(shù)據(jù)采集卡板和工控主板組成,。數(shù)據(jù)采集卡負(fù)責(zé)各種生理參數(shù)的采集，并由主板上的微處理器統(tǒng)一控制和管理,。 床旁機(jī)和中央機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸也由主板上的微處理器控制,。
由于該系統(tǒng)比較復(fù)雜，而且可靠性要求很高,，因此在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)中,，采用基于構(gòu)件的智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了如圖1所示的神經(jīng)中央監(jiān)控系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，有效地提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。
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3 床旁機(jī)設(shè)計(jì)
床旁機(jī)采用工控單板計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),，通訊構(gòu)件通過調(diào)用MOXA公司提供的串口程序開發(fā)函數(shù)庫中提供的庫函數(shù)完成,，整個(gè)床旁機(jī)的嵌入式程序采用WINCE C語言設(shè)計(jì)完成。床旁機(jī)的中央處理構(gòu)件利用中斷接收中央機(jī)發(fā)送的控制命令并將命令轉(zhuǎn)發(fā)到各數(shù)據(jù)采集構(gòu)件,；中央處理構(gòu)件將數(shù)據(jù)采集構(gòu)件發(fā)送過來的數(shù)據(jù)組織成預(yù)定的數(shù)據(jù)后,，通過串口發(fā)送給中央機(jī)。系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)串口進(jìn)行初始化（指定串口通訊參數(shù)并設(shè)置中斷服務(wù)程序）,，然后等待中斷的發(fā)生,。控制命令的接收和處理由中斷服務(wù)構(gòu)件完成,。中央監(jiān)護(hù)軟件采用VC++語言開發(fā),。對(duì)串口的操作通過調(diào)用API函數(shù)實(shí)現(xiàn),。床旁機(jī)的工作原理圖如圖2所示。
在該系統(tǒng)中,，涉及的數(shù)據(jù)很多,。在所有要采集與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中，視頻數(shù)據(jù)的傳輸較為復(fù)雜,，目前主要采用MPEG-4和H.264壓縮編碼技術(shù)進(jìn)行處理,，H.264編碼以低于28.8Kbps的碼率對(duì)視頻進(jìn)行壓縮和解壓縮，可以完成對(duì)圖像序列和流動(dòng)視頻的實(shí)時(shí)采集,、壓縮,、解壓、回放,，而且采用獨(dú)特的自適應(yīng)P幀及B幀壓縮技術(shù),，進(jìn)一步加強(qiáng)了壓縮算法的壓縮比，配合IP組播功能,，大大降低了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸所占用的網(wǎng)絡(luò)帶寬,。當(dāng)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)同時(shí)工作、出現(xiàn)大比特流的數(shù)據(jù)同時(shí)傳輸時(shí),，平均占用帶寬不到250Kbps,，大大節(jié)約了用戶的網(wǎng)絡(luò)資源投入。本系統(tǒng)的視頻流" title="視頻流">視頻流采用H.264編碼,，采用AVI形式保存視頻數(shù)據(jù)文件,，系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)文件全部以二進(jìn)制形式保存，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，又有效地降低了系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集量,。系統(tǒng)視頻處理核心代碼如下：
AVIFileInit(); //初始化系統(tǒng)的AVIFILE庫
AVIFILE? af ; //文件指針
HRESULT hr;
Hr=AVIFileOpen(&af,LPCTSTR(filename),OF_CREATE,NULL); //生成視頻數(shù)據(jù)文件
AVISTREAMINFO sthd;??? ?//視頻數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)
AVISTREAM? as;??????????????? //視頻數(shù)據(jù)流接口
SetRect(&sthd.reFrame,0,0,biout.biWidth,biout.biHeight); //創(chuàng)建視頻數(shù)據(jù)流接口
系統(tǒng)獲得的視頻流，通過數(shù)據(jù)線傳輸給中央機(jī),，中央機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析,。其中，系統(tǒng)采集的視頻流的傳輸過程由一個(gè)輔線程完成,。該輔線程采用RTP協(xié)議,，結(jié)合異步傳輸和多緩沖的方式對(duì)視頻數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，很好地解決了本地播放和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)間差,。
由于醫(yī)院的環(huán)境比較復(fù)雜,，采集到的視頻圖像存在很大的噪聲。為了不影響系統(tǒng)的監(jiān)管性能,，在這個(gè)系統(tǒng)中開發(fā)了一個(gè)“去噪增強(qiáng)算法構(gòu)件”,，通過這個(gè)構(gòu)件對(duì)采集到的圖像進(jìn)行“去噪增強(qiáng)”，具體實(shí)現(xiàn)為如下兩個(gè)步驟：
?。?）對(duì)監(jiān)控圖像采用YUV系統(tǒng)的Y分量進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波,。由于監(jiān)控圖像采用RGB表示系統(tǒng),，所以首先需要將圖像的RGB表示系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為YUV表示系統(tǒng)，以獲取圖像的灰度值Y分量,，然后對(duì)圖像像素的灰度值即Y分量進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波,。
（2）對(duì)經(jīng)過數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波的Y分量進(jìn)行中值濾波,。因?yàn)閳D像像素的Y分量進(jìn)行數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)濾波后,，已經(jīng)消除了一部分噪聲，并把圖像的細(xì)節(jié)聚合在一起了,。這時(shí)再使用中值濾波法就可以消除圖像中剩余的噪聲,，使得圖像平滑，并且不會(huì)嚴(yán)重地丟失圖像細(xì)節(jié),。為了保持圖像的細(xì)節(jié),，選用3×3的二維滑動(dòng)窗口進(jìn)行中值濾波時(shí)。
對(duì)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控圖像進(jìn)行圖像去噪增強(qiáng)算法處理后,，不僅監(jiān)控圖像質(zhì)量更加清晰平滑,，而且監(jiān)控圖像壓縮合成的編碼流數(shù)據(jù)量，比未經(jīng)處理的編碼流數(shù)據(jù)量有明顯降低,。
4 中央機(jī)的設(shè)計(jì)
中央機(jī)的開發(fā)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,，其功能比較多，開發(fā)過程相對(duì)比較復(fù)雜,。根據(jù)系統(tǒng)要采集的參數(shù)和實(shí)現(xiàn)的功能,，本系統(tǒng)首先采用UML建模，逐步細(xì)化系統(tǒng)的功能,，將系統(tǒng)功能模塊化,、構(gòu)件化，然后得到系統(tǒng)完整的功能圖和軟件組成框架,，并針對(duì)系統(tǒng)開發(fā)一個(gè)構(gòu)件庫管理系統(tǒng),。在監(jiān)護(hù)系統(tǒng)開發(fā)過程中，預(yù)留了與醫(yī)院現(xiàn)有的醫(yī)院信息系統(tǒng)HIS（Hospital Information System）的接口,，因此系統(tǒng)具有較好的實(shí)用性,，醫(yī)生、護(hù)士在使用該系統(tǒng)時(shí),，如果要查閱病人的相關(guān)資料，就可以通過預(yù)設(shè)的功能模塊直接查閱,，而不需要再去查找病人的病歷等信息,，這為病人的急救與診治節(jié)省了寶貴的時(shí)間，大大提高了病人的診治效率,。系統(tǒng)主要功能模塊如圖3所示,。
在設(shè)計(jì)好系統(tǒng)的拓樸結(jié)構(gòu)后,，根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計(jì)了一批通用構(gòu)件和一個(gè)構(gòu)件庫管理系統(tǒng)，提供給項(xiàng)目小組中成員開發(fā)時(shí)使用,。這樣既提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率,，又保證了系統(tǒng)中各功能模塊與數(shù)據(jù)控制接口的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。更重要的是使系統(tǒng)在開發(fā)過程中,，能隨著需求的變更而方便快捷地升級(jí)系統(tǒng),。在開發(fā)該系統(tǒng)的構(gòu)件時(shí)力求做到：功能單一、通用,，接口簡(jiǎn)單,、清晰，高度獨(dú)立,。該構(gòu)件庫管理系統(tǒng)主要完成以下幾個(gè)功能：構(gòu)件查找,、構(gòu)件擴(kuò)充、構(gòu)件集成,、構(gòu)件刪除,、構(gòu)件修改。下面分別介紹系統(tǒng)的主要功能模塊,。
(1)“病人管理構(gòu)件”先錄入病人的基本信息,，選擇監(jiān)測(cè)參數(shù)，設(shè)置生理參數(shù),。由于系統(tǒng)預(yù)留了與HIS接口,，該系統(tǒng)與HIS對(duì)接后，對(duì)病人的基本信息可以通過輸入病人的住院號(hào),，直接從HIS系統(tǒng)中調(diào)入病人的相關(guān)信息,，并且可以將病人的體征監(jiān)控參數(shù)存入HIS系統(tǒng)。
(2)生理監(jiān)測(cè)參數(shù)設(shè)置后,，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)構(gòu)件開始工作,，此處監(jiān)測(cè)采用多路監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。監(jiān)測(cè)界面由數(shù)字顯示區(qū),、視頻顯示區(qū),、參數(shù)設(shè)置區(qū)組成。數(shù)字顯示區(qū)和視頻圖像顯示區(qū)均為浮動(dòng)窗口,，位置可以調(diào)整和移動(dòng),，且不影響波形顯示。通過對(duì)系統(tǒng)濾波參數(shù)的設(shè)置,，可以設(shè)定系統(tǒng)狀態(tài)為監(jiān)視或記錄,。在監(jiān)控屏幕上可同時(shí)顯示來自4個(gè)、9個(gè)直至16個(gè)床旁機(jī)的全部參數(shù)，并可對(duì)每個(gè)床旁機(jī)的視頻流進(jìn)行凍結(jié),、放大,、縮小等操作。對(duì)采集到的異常數(shù)據(jù),，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)報(bào)警,，并顯示具體的異常信息與病人的床位號(hào)。系統(tǒng)工作原理框圖如圖4所示,。
(3)“回放功能構(gòu)件”提供病歷回放功能,。在回放過程中，可以重新設(shè)定濾波參數(shù)和顯示靈敏度,，可根據(jù)事件和時(shí)間快速定位到讀寫位置,，對(duì)歷史數(shù)據(jù)可以剪輯、回放,、趨勢(shì)分析,，可測(cè)量波幅和頻率，可根據(jù)需要打印報(bào)告,；能夠立刻再現(xiàn)所有存儲(chǔ)的視頻流與參數(shù),，并通過系統(tǒng)圖像處理功能對(duì)畫面進(jìn)行處理以便識(shí)別；也可通過網(wǎng)絡(luò)將圖像傳送到遠(yuǎn)程用戶,。
(4)“睡眠呼吸暫停綜合癥分析構(gòu)件”為一個(gè)獨(dú)立的功能模塊,，除具有“回放功能構(gòu)件”的全部功能外，還具有睡眠,、呼吸暫停綜合癥的分析功能,，根據(jù)呼吸暫停和低通器的定義，可以自動(dòng)分型和計(jì)數(shù),，并計(jì)算睡眠紊亂指數(shù),。
(5)“睡眠分期構(gòu)件”可根據(jù)記錄的生理參數(shù)進(jìn)行全自動(dòng)或手動(dòng)睡眠分期，全自動(dòng)分期結(jié)果可繪制出睡眠結(jié)構(gòu)圖,，可從睡眠結(jié)構(gòu)圖上一點(diǎn)定位到數(shù)據(jù)文件的指定位置,。
(6)“腦功能分析構(gòu)件”主要具有兩個(gè)功能：①選擇一導(dǎo)或多導(dǎo)腦電數(shù)據(jù)，再選定每導(dǎo)要分析的頻段,，分析它的三維頻譜,、主頻、幅值和能量邊緣頻率,。②將腦電數(shù)據(jù)根據(jù)參數(shù)不同,，分段進(jìn)行計(jì)算，對(duì)每段的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行連線,。
(7)“綜合功能構(gòu)件”主要由三部分組成：①監(jiān)測(cè)過程中床旁機(jī)參數(shù)修改模塊,。通過這個(gè)模塊可以在監(jiān)護(hù)過程中隨時(shí)調(diào)整床旁機(jī)的參數(shù),，以便及時(shí)修正病人家屬的誤操作。②監(jiān)測(cè)參數(shù)顯示設(shè)置模塊,。③系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置模塊。
在中央機(jī)的主要功能構(gòu)件之外,，本系統(tǒng)還開發(fā)了：設(shè)備控制管理構(gòu)件,、歷史數(shù)據(jù)管理構(gòu)件、歷史資料分析構(gòu)件和數(shù)據(jù)資料備份構(gòu)件,。這些構(gòu)件主要是提供給醫(yī)生進(jìn)行資料分析與科研之用,。
在系統(tǒng)開發(fā)過程中主要的創(chuàng)新技術(shù)有以下兩方面:(1)采用獨(dú)特流技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對(duì)無限制多個(gè)監(jiān)控位點(diǎn)實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控,，并可實(shí)時(shí)查看各監(jiān)控點(diǎn)的各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),。(2)采用標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)技術(shù)，支持IP單播,、組播功能,，可以組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的監(jiān)控系統(tǒng)，還可以組成一個(gè)中心對(duì)各監(jiān)控點(diǎn)的系統(tǒng),；在網(wǎng)絡(luò)上可以設(shè)置多個(gè)監(jiān)控工作站,，滿足多個(gè)用戶的需要，也可以用WEB方式組成多級(jí)監(jiān)控系統(tǒng),。
采用構(gòu)件化設(shè)計(jì),，能夠平滑實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的升級(jí)，以及與其他醫(yī)療系統(tǒng)的接口,，如HIS,、CIS等系統(tǒng)的接口。神經(jīng)中央監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的成功開發(fā)與投入商業(yè)運(yùn)行,，很好地驗(yàn)證了基于構(gòu)件的軟件開發(fā)方法的正確性與可行性,。
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