基于Windows CE的人體生理參數監測系統設計

田志宏，胡 亮，邱峰志

(天津科技大學電子信息與自動化學院，天津 300222)

當前，人口老齡化已成為當今世界的一個突出的社會問題．世界衛生組織指出，在全世界 190多個國家和地區中，有 60多個已進入老年型社會．老年人健康的最大威脅——心血管疾病引起的死亡人數，占全球死亡人數的三分之一[1]．各種心血管疾病在發病前都會有相應的征兆，而通過觀測病人的生理參數數據是能夠發現這些征兆的，因此設計一種可以監測主要生理參數并兼有報警功能的醫療儀器，將為預防和治療各種突發性疾病提供一種新的手段[2]．目前，生理參數監測設備大多用于醫院監護室、養老院等，可對病人或老年人的重要生理參數作實時、連續和長時間的監護[3]，有些監護設備還帶有一定的本地報警功能．但其在遠程無線報警功能方面卻略顯匱乏，不支持手機短信報警功能[4]．

本監護系統在擁有準確的監測功能的同時又有手機 GPRS報警功能，可在日常家庭中使用，滿足老年人對此類儀器的需求．

1 硬件結構

人體生理參數監測系統硬件結構如圖1所示．系統選用 CSN808作為生理參數采集模塊．CNS808是用來監測心電波、心率、血壓、血氧飽和度、呼吸和體溫的參數采集模塊，并可按照RS232協議，通過串口向主控模塊發送生理參數數據包[5]．選用 GTM900模塊作為生理參數的遠程無線報警模塊，其支持標準及增強的 AT命令，與主控模塊通過串口相連．主控模塊主要負責對 CSN808模塊發送的數據包做相應的處理，并對 CSN808模塊和 GTM900模塊進行控制．選用Atmel公司的AT91SAM9263作為ARM主控模塊的核心CPU，其支持Windows CE操作系統和大容量的NAND flash．系統以LCD和觸摸屏作為人機交互裝置，并可以通過以太網接口芯片連接到Internet．

圖1 人體生理參數監測系統硬件結構圖Fig.1 Hardware structure of physiological parameter monitoring system

2 軟件設計

一個Windows CE系統從軟件角度通常可分為3個層次：引導加載程序、系統映像文件以及用戶應用程序[6]．本文重點介紹人體生理參數監測軟件，即用戶應用程序的開發．

CSN808模塊的正常應答方式是以50 Hz的頻率連續發送包含 25字節數據的數據包．其中，數據包的前兩個字節是數據頭，第20和第25字節為兩個校驗和值，其余字節是各種生理參數的數據字節．主控模塊接到串口數據后，首先對接收到的數據包進行校驗，然后對通過校驗的數據包進行分析，最后把各種生理參數數值顯示到 LCD模塊上，并繪制多導聯心電圖(ECG)．在監測到病人出現異常時，系統自動對生理參數數據包進行保存，同時主控模塊驅動GPRS/GSM 模塊向外發送求救短消息和撥打求救電話．圖 2為人體生理參數監測系統監測軟件的主程序流程圖．

采用了EVC4.0作為上位機軟件的開發工具．它具有支持MFC類庫和ATL、COM組件，支持C/C++和匯編混合編程，所編寫的軟件運行時占用內存少、運行速度快等特點．

圖2 監測軟件主程序流程圖Fig.2 Main program flow chart of monitoring software

2.1 基于API的串口通信功能

2.1.1 串口資源的打開和關閉

串口在Windows CE系統下屬于流接口設備，它是串行設備接口的常規 I/O驅動程序調用和與通信相關的具體函數的結合．串行設備被視為用于打開、關閉、讀寫串口的常規、可安裝的流設備[7]．在所有的流設備驅動程序中，均可使用 CreateFile()函數來打開串行端口設備．打開串口并正確設置 DCB結構體中的參數以及異步讀寫的超時時限之后，串口即可正常工作．

關閉串口則可以調用 CloseHandle()函數來釋放串口資源．

2.1.2 多線程讀取串口數據

Windows CE系統不支持重疊 I/O，在主線程中進行大量讀寫串口操作將會使整個系統陷入緩慢的串口等待[8]．所以，系統采用多線程技術來進行讀寫串口操作．在 Windows CE系統中，各個線程間共享絕大部分資源，其中就包括從串口接收到的數據．

按照模塊化的編程思想，監測軟件采用了3級結構來實現串口數據的讀取：

(1)讀線程負責監視串口事件，如果有串口事件，則通知回調函數接收串口數據．

(2)回調函數接收串口數據，并以消息形式通知主窗口的數據分析與繪圖函數處理其收到的數據．

(3)數據分析與繪圖函數負責處理串口數據、顯示生理參數與繪制ECG等功能．

數據分析函數在接到數據后，首先定位數據包的數據頭．然后，以數據頭為定位標志，找到這組數據的兩個校驗和值．如果這組數據通過校驗，則將其存入一個包含25個元素的結構體m_recv中，直接對結構體中的數據進行操作．

要理順關系。一年來我們感到，各種關系理順了，工作會事半功倍。要依靠集團紀委的正確領導、職能部門的有力指導，要積極利用地方紀委監委專業資源和力量，更要得到監督單位的充分理解配合，派駐優勢才能得到最大發揮。

2.2 生理參數的數據分析

2.2.1 數據的實時顯示

普通對話框只能在實例化一個對象之前給其中的變量賦值．而 CDialogBar類對象則不同，它是由CControlBar類派生而來，在主窗口實例化一個CDialogBar類對象之后，它的句柄在程序運行期間將一直有效，那么就可以對其中的變量進行實時的賦值更新．系統使用一個 DialogBar來顯示各種生理參數的數值，然后用函數 SetDlgItemText()來實時更新DialogBar的數據．

對于狀態欄，它的句柄在程序運行期間也一直有效．所以，可以用其成員函數SetPaneText()來實時更新各種探頭的工作狀態．

2.2.2 ECG繪制

為了避免數據在類與類之間的傳遞，串口數據的接收與處理等相關操作代碼都被添加到 MainFrame類中．由EVC的文檔/視圖結構可知，View類窗體始終覆蓋在 Mainframe類窗體之上，所以必須使用View類的DC進行繪圖．MFC提供GetActiveView()函數，其返回值是當前活動窗口的指針，經過轉化之后，便可以使用函數GetDC()來獲取View類的DC．

按照醫學標準，一個心率為 60次/min的完整心電圖波形的寬度在屏幕上為 25,mm或者 50,mm．按照 CSN808模塊的通訊協議，CSN808模塊每秒向主控模塊發送200個心電波形數據點．而LCD模塊的分辨率是 800像素×480像素，顯示區域的寬度為170,mm．可以計算出主控模塊板應從串口 1中讀取數據包的頻率為

50×(800/50/4)/(170/25)≈25

2.3 生理參數的數據保存

以病人的呼吸和心跳兩項參數作為數據保存與否的標志．如果這兩項參數中，有一項的數值超出了其安全域值，系統將以對話框的形式進行本地報警，并即刻開始保存CSN808模塊傳來的數據包，直至報警參數均回到安全域值范圍之內．

與串口資源一樣，文件也屬于流接口設備，其創建與打開使用 CreateFile()函數．在打開文件后，只需要將結構體m_recv中的數據追加保存到文件末尾就可實現對數據包連續、規則地保存．

2.4 監測系統的多種報警模式

系統采用 GTM900作為遠程無線報警模塊．在監測系統的報警設計對話框中，有用于設置報警電話號碼的文本編輯框．在初次使用系統時，系統會以對話框的形式提醒醫護人員設置報警電話號碼．在正確設置報警號碼后，系統以文件形式將報警號碼存儲起來并作為默認報警電話號碼，直至報警號碼被修改．圖 3為報警設置對話框，前兩組選項用來設定心跳和呼吸頻率的報警閾值，最后一個文本編輯框為預置的報警號碼．

圖3 監測系統的報警設置對話框Fig.3 Alarm Setting dialog box of monitoring system

當監測到作為報警標志的生理參數出現異常時，主控模塊就會驅動 GTM900模塊向預置的報警號碼發出包含報警原因及報警生理參數數值的求救短信息．圖4為監測軟件的報警模塊程序流程圖．

圖4 監測軟件報警模塊流程圖Fig.4 Alarm module flow chart of monitoring software

2.5 生理參數的數據重現

生理參數數據包的儲存為重現病人發病時各種生理參數提供了基礎．數據重現策略是：在打開生理參數數據文件后，每次順序讀取 25個字節的數據，并賦值給 m_recv結構體．然后，調用數據分析與繪圖函數處理 m_recv結構體中的數據，并在屏幕上刷新數據和繪制曲線．為模擬 CSN808模塊的應答方式，系統采用時間控件，按照 50,Hz的頻率重復執行上述過程，直至文件指針移動至生理參數數據文件的結尾．

3 實 驗

3.1 調試與監測效果

讓被監測者同時佩戴醫用監護設備和本監測系統，然后不斷的對比兩系統的數據以及各導聯心電圖．并以此作為依據近一步微調人體生理參數監測系統，直至兩套系統得出相同的數據、曲線．圖 5是監測系統在微調完成之后的效果圖．

圖5 部分監測界面Fig.5 Monitoring interface example

圖5(a)為I導聯心電圖，主界面右側區域為用以顯示病人各種生理參數數值的對話框；主界面上方為系統設置區域；主界面下方為顯示各種探頭佩戴狀況的狀態欄．圖5(b)是AVR導聯圖曲線．圖5(c)是呼吸波曲線，為方便醫護人員對呼吸波曲線的觀察，已將對話框隱藏．

3.2 報警實驗

按照CSN808模塊的通訊協議，編輯一組心跳數值為 0的測試數據來測試本地報警模式及遠程無線報警模式，以驗證系統的實時性和準確性．本地報警對話框的文本信息指明了報警原因以及報警參數的數值．

在本地報警對話框出現的 12 s之后，求救短信息發送到了預置報警號碼的手機上，短信內容與報警對話框給出的文本內容相同．5 min后停止測試，在此期間系統運行正常．在 Nand Flash中存儲有大小為 22.3 kB的文本文件Rec00，它保存了測試期間的生理參數數據包．選擇數據復現功能后，數據開始重現，各項參數均正確無誤．

4 結 語

本文設計了一種基于 Windows CE的人體生理參數監測系統．系統實現了多種人體生理參數的實時采集、顯示，并可選擇性地進行對包括 ECG曲線在內的 9種生理參數曲線的繪制．同時，系統在必要的時候能夠自動進行人體生理參數數據的保存．在此基礎上，還實現了包括本地報警和遠程無線報警的兩種報警方式．上位機軟件以 EVC4.0作為開發平臺，并采用了模塊化的編程思想，所編寫的程序，可移植性好、功能完善、易于維護．目前，系統已經運用到了智能輪椅車上，并取得了較好的效果．

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