心電數據轉換與遠程傳輸的方法研究

王勝軍，艾育華，鄭峰，候明揚，沈增貴，劉曼芳，耿仁文

南方醫科大學南方醫院，a.設備器材科；b.信息科；c.院辦，廣東 廣州 510515

1 研究背景

隨著人類社會健康觀念更新、疾病譜改變、老齡化社會到來及醫學模式的轉變，以醫院為中心的模式必然會回歸到以預防為主、以社區醫療（含家庭和個人保?。橹行牡哪Ｊ缴蟻韀1]。這對醫療儀器的研究和設計者提出了新的要求和挑戰。

近年來，心臟病的發病率和死亡率不斷上升，已成為威脅人類生命健康的主要疾病。心電圖（ECG）檢查是與心臟病作斗爭的重要手段?；鶎俞t院由于醫療水平所限，難以滿足當地病患對于心臟病診療的需求。而大型醫院的資源有限，無法做到對眾多可疑的心臟病人同時實行有效的監護，且一般病人也無法承擔在院長期監護的高額費用。因此，建立可有效延伸到鄉鎮、社區等基層醫療機構和家庭的遠程心電監護與救治體系，是提高心血管疾病防治水平的有效途徑。

對于社區、鄉鎮與中小市縣醫療機構，無論從國內外成功案例、研究成果以及未來發展趨勢看，毫無疑問將在整個醫療體系中發揮越來越大的作用。這主要體現在四個方面：一是隨著社區、鄉鎮與中小市縣醫護人員和網點的增多，使老百姓易于就近獲得醫療服務；二是隨著社區、鄉鎮與中小市縣醫護人員的醫療水平得到穩步提高，使老百姓信任并自愿選擇就近醫療；三是對術后患者的康復護理治療，社區醫護具有天然優勢，可使老百姓主動接受社區醫護服務；四是隨著我國老齡社會的來臨，越來越多的老年人必然依靠社區醫護服務。這對心電遠程監護提出了新的要求。

許多研究者對遠程心電監護進行了研究[2-6]，其主要內容是采集心電數據、通過GPRS或CDMA發送到心電監護中心，監護中心進行診斷后再將反饋信息發送回采集終端。劉星等人[4]的研究還用到了PDA，心電采集終端把數據以藍牙方式發送到PDA，PDA再通過GPRS數據發送模塊把數據發送出去。這些研究所用到的心電數據格式是自定義的，數據格式的不同使心電終端與其他監護中心、各個監護中心之間的數據交換成為一個問題。

為了解決基層醫療機構與大型醫院之間遠程醫療中ECG數據的傳輸問題，我們的方案是從心電圖機提取病人的ECG數據，轉換為統一的格式，通過醫院的圖片存檔及通信系統（PACS）和遠程醫學服務器，發送到大型醫院的監護中心；監護中心建有數據庫，可以存貯病人的數據，醫生可通過網頁瀏覽、注釋，病人可通過網頁查詢。

2 主流ECG數據標準的對比

目前，主流心電圖機采用的數據格式主要有SCPECG、HL7 aECG和DICOM。DICOM可實現醫學影像信息的處理、保存和傳輸等功能，并且從 3.0 版起支持 ECG、血液動力學和電生理學波形數據的管理，但沒有一個具有普遍性的波形數據管理標準，如還未實現對 ECG 的標準操作程序，因此使系統的擴展復雜化[7]。

SCP-ECG是一種專為傳輸存儲標準ECG數據而制定的協議，其目的是使得不同廠家生產的心電圖機之間以及數字心電圖機和心電數據管理系統之間實現ECG數據交換和傳輸。2002年歐盟正式批準SCP-ECG成為醫療設備通訊的國際標準（EN ISO 11073）的一部分[8]。

SCP-ECG 定義了用于交換的心電數據的內容和格式，用于控制不同工作站和用戶間的數據流的查詢；用于控制消息以及在數字心電圖機和 ECG 管理系統間的低層傳輸協議，可實現數據的大比例壓縮（無損、有損均可），對于心電的處理和傳輸非常成功，但它不具備對其他信息的標準化功能。SCP-ECG標準的創立為心電信息的交流奠定了基礎，由于心電信息種類十分繁雜龐大，SCP-ECG標準到目前為止并不完善，因為它只支持靜態心電信息，不支持信號平均心電即晚電位信息，不支持動態心電信息（HOLTER）和運動心電信息（Exercise ECG）等。

HL7 的主要目的是要發展各型醫療信息系統間的通訊，是臨床、銀行、保險、管理、行政及檢驗等各項電子資料的通訊標準。HL7 通信協議匯集了不同廠商用來設計應用軟件之間界面的標準格式，它允許各個醫療機構不同的系統之間進行重要資料的通信。HL7心電圖注釋標準（HL7 Annotation ECG，HL7 aECG）是HL7工作組響應美國FDA對于ECG波形和注釋信息交流標準的要求，在2004年1月通過的ECG通信標準，也叫FDA XML格式。

HL7 aECG采用XML作為數據存儲格式，提供了包括心電圖波形和注釋信息在內的心電信息表達、存儲標準。XML是可擴展的標記語言，是一套定義語義標記的規則。用戶可以根據需要定義自己的標記。雖然這些標記在意義上具有相當的靈活性，但這些標記必須根據某些通用或特定的原理來創建，HL7 aECG標準正是規定了創建用于存儲ECG數據的XML標記的原理，并且詳細說明了這些標記的意義。HL7 aECG標準通過提供XML schema文件來規定數據文件中元素的組織結構，并在使用說明文檔中詳細介紹了各元素代表的數據內容。

HL7 aECG XML schema文件定義了元素組織結構參見相關文獻[9]。

通過對以上幾種主要醫學標準中 ECG 信號標準的比較分析，綜合考慮其可拓展性和可行性及DICOM標準在醫院PACS系統中的廣泛應用，為了與其對接并最大限度地利用已有資源，選用DICOM標準作為遠程ECG數據傳輸的數據標準。

3 ECGToolkit簡介

ECGToolkit是開源的軟件工具，可以完成ECG數據的轉換、查看、打印，并具有與醫院PACS通信的功能。它是使用C# net 1.1和2.0開發的，支持的ECG數據格式包括SCP-ECG、DICOM和HL7 aECG等。

在上述功能中，都用到項目ECGConversion，它的功能是完成不同ECG數據格式的轉換。在ECGConversion中，有IECGReader抽象類，用于讀取某種ECG，它定義了Read()方法，返回格式為IECGFormat。對于不同的數據格式，重寫了相應的類和方法（圖 1）。如SCPReader、RawECGReader、UnknownECGReader（讀取所支持格式的類），都重寫了Read()方法。

類似地，不同的數據格式也重寫了抽象類IECGFormat，得到了 SCPFormat 、RawECGFormat、 CSVFormat等類（圖2），用來存貯讀取的ECG數據，并將其解析為標準格式。這些Format類要選擇如下接口：ISignal, IDemographic,IDiagnostic, IGlobalMeasurement，分別用來完成ECG波形數據、病人/醫療機構相關信息、診斷信息、ECG測量信息的標準解析。

在進行ECG數據格式轉換時，先將源文件讀入，成為一個Format對象（如SCP-ECG文件讀入為SCPFormat對象），由Convert類將其轉換為目標Format對象，再生成對應的文件。

在項目ECGConversion中，可完成RAW（原始數據）、CSV（Excel數據）和SCP-ECG數據之間的轉換。ECGToolkit中，擴展了3個項目：將HL7 aECG、DICOM和PDF也擴展為可轉換的數據格式。

如 上 所 述，ECGToolkit可 將 RAW、CSV、SCP-ECG、aECG、DICOM和PDF等格式的ECG數據互相轉換。對于不在上述格式范圍內的特定廠家的心電數據，需開發專用的項目，來完成這個功能。

4 將MAC5500心電數據轉換為HL7 aECG格式的方法

MAC5500的數據采用XML文件存貯，其格式不屬于上述6種格式，要將其轉換為DICOM格式，我們開發了專用的項目MAC。

4.1 從MAC5500心電圖機獲取ECG數據

（1）建立心電圖機與PC機之間的串口連接，PC機做好接收數據的準備。

（2）在MAC5500上選擇串口傳輸方法后，選擇要傳輸的病人的文件，然后發送。

（3）PC機即可接收到ECG數據文件。

4.2 ECG數據文件的解析與轉換

為了以DICOM格式發送文件，需對得到的ECG數據文件進行解析和轉換。

MAC5500有 restecg.dtd、restecgfield.dtd、I2.dtd和I2FIELD.dtd等文件，用于規定XML數據文件的格式。DTD文件實際上可以看作一個或多個XML文件的模板，這些XML文件中的元素、元素的屬性、元素的排列方式/順序、元素能夠包含的內容等，都必須符合DTD中的定義。XML文件中的元素，是根據我們應用的實際情況來創建的。ECG數據文件的解析和轉換過程，實際就是在MAC5500 XML文件中找到標記，提取出被標記的內容，生成MACFormat對象（MACFormat類是IFormat抽象類的子類），然后由Convert類將其轉換為DICOM格式（實際上可以與上述6種格式任意互相轉換）。

值得注意的是，MAC5500的波形數據進行了BASE64的編碼，在完成ISignal接口對心電數據進行解析時需對其進行相應的解碼，再將兩個字節的數據按照低字節、高字節的順序合成一個數據。把BASE64編碼的心電字符串string解碼為數組的流程如下：

（1）查找并去除string中的 “ ”“ ”“s” ；

（2）獲取string中“=”之前的部分；

（3）依次取出string中的單個字符，查BASE64編碼表，得到6位二進制數，轉換為布爾數組，并將其反向；

（4）將上述布爾數組拼接在一起；

（5）每次取出8個布爾值，反向，轉換成整數，形成U8數組；

（6）每次取出兩個整數，按低8位，高8位形成一個I16整數，形成I16數組。

經過上述的解析和轉換后，得到的DICOM格式的心電數據可以用來進行遠程傳輸和心電波形再現。

5 結束語

遠程心電傳輸是目前的研究熱點，為了便于不同系統的對接、交流，選擇并且兼容標準的心電數據格式非常重要。本研究綜合了各標準本身的性能及其應用的廣泛程度，選擇了DICOM作為標準。開源軟件ECGToolkit具有開放的架構，適宜作為相關開發的平臺，我們在這個平臺上開發了針對MAC5500心電圖機的MAC項目，完成了心電的提取、轉換和傳輸，達到了預期的效果。

[1]鄧親愷.現代醫學儀器設計原理[M].北京:科學出版社,2004.

[2]焦騰,董秀珍,張坤,等.基于GPRS網絡的遠程心電監護系統[J].電子工程師,2008,34(11):78-80.

[3]李婧,劉知貴,李彬.遠程心電監測系統的研究與設計[J].現代電子技術,2008,31(15):107-110.

[4]劉星,陳希超,汪覺民,等.遠程心電監護系統的設計與開發[J].醫療衛生裝備,2007,28(11):55-56.

[5]王鴻鵬,閆曉偉,楊孝宗.基于CDMA1X的遠程心電監護系統的研究與設計[J].計算機工程與設計,2006,27(18):3324-3327.

[6]王美霞,李章勇.基于GPRS的遠程心電監護系統的研制[J].中國醫學物理學雜志,2006,23(6):434-436.

[7]曹玉珍,劉挺,余輝.應用 HL7 標準實現心電數據交互[J].計算機工程與應用,2009,45(9):74-76.

[8]邱四海,曾永華.心電數據管理系統中標準數據格式的分析[J].生物醫學工程學進展,2010,31(2):63-67.

[9]Brown B D,Badilini F.HL7 aECG implementation suide[EB/OL](2005-09-26)[2012-07-31].Http://www.amps-lie.com/UsefulDocs/aECG_Implementation_Gmde.pdf.

[10]金安,安剛,趙華,等.無線心電監測系統的設計[J].中國醫療設備,2009,24(11):30-31.