南方医科大学2008级硕士学位论文 基于嵌入式技术的移动医疗系统终端设计与研究 Design and Development of Terminal Based Technology for on Embedded M--health System 课题来源: 自选 专 业 名 称 生物医学工程 苏秋玲 李伟鹏教授 学位申请人 指 导 教 师 答辩委员会主席 答辩委员会成员 冯国灿教授 杨 丰教授 彬教授 李 黄以华副教授 詹长安副教授 论文评阅人 ’ 吕庆文教授 黄庆华副教授 、. 201 1年6月1日 广州 \-IlYUl l l l9 l l9 l 7lU l 3l l l2 l l zl 硕士学位论文 基于嵌入式技术的移动医疗 系统终端设计与研究 硕士研究生:苏秋玲 指导教师:李伟鹏 摘要 远程医疗提高了边远地区诊断与医疗水平,缩减了医疗费用,提升了医学 资源共享水平,实现了远程会诊、远程治疗、远程手术、远程咨询、远程监护 和检测,为现代医学的应用提供了一个广阔的发展空间。随着医疗仪器微型化、 网络化和智能化的发展需求,远程医疗成就了诸多项目研究方向。 移动医疗作为穿戴式医疗仪器的发展趋势,是近年来远程医疗研究的热点, 也是远程医疗中相对薄弱的环节,为紧急救护、远程会诊及实时监护提供了又 一种手段。移动医疗与传统的远程医疗相比,并不只是简单的网络模式区别, 它的应用将使医院的业务流程发生根本性改变,从加强医疗卫生、提高医疗质 量、改善医疗服务等方面考虑是十分必要和可行的。移动市场包括各种各样的 移动通信和便携式计算设备,每个产品必须平衡性能和功耗成本。而嵌入式微 处理器具有低功耗、片上资源丰富、应用广泛和性价比高等特点使其成为移动 设备低功耗解决方案一种确确实实存在的标准。对于现今医疗仪器越来越高速 数据采集、分析和处理能力,越来越全面的护理与治疗能力及足够低的功耗等 要求,传统8/16位单片机作为核心控制具有一定的局限性。采用嵌入式与移动通 信技术结合的移动医疗解决方案作为继HIS(医院信息系统)与CIS(临床信息 系统)之后医疗信息化产业的又一个建设高潮。而移动通信技术及嵌入式技术 的突破性进展也刺激了移动医疗示范性项目的开展。 为此,本文进行了移动医疗和嵌入式技术在医疗仪器的应用研究现状的调 中文摘要 查,再探查基于嵌入式技术的移动医疗系统实现的可能性,最后以嵌入式技术 为核心,研究设计移动医疗系统的整体架构,并重点研究可移动终端上生理信 号获取、平台的构建及信号压缩和无线传输等功能的实现。系统硬件方面以 ARM9￥3C2410处理器为核心,DAQ数据采集卡结合Labview设计信号发生器, 通过开发板上构建的嵌入式系统Linux系统加载AD转换驱动由AIN0进行数据 采集,最后经GPRS网络实现数据无线传输;软件方面,由vi、,i Bootloader引导 程序、Linux2.6.24内核和各设备驱动程序及带QT支持的文件系统构成 ARM.Linux+QT的基本嵌入式运行环境,再进行数据压缩编码,并基于C/S(客 户端/服务器端)结构QT编程实现应用软件程序。 设计的基于嵌入式技术的移动医疗系统终端具有微型化、智能化、网络化 等特点,其上实现了心电信号实时采集、数据压缩存储,通过GPRS网络实现心 电数据无线传输,将其发送到医生和监控中心,能加快医生的诊断速度与准确 率;在客户端病人可通过移动通信如短信或者电话的形式与医生进行交流,提 高病患的治疗自主性;监控中心的服务器端接收病人生理参数信息;医生也可 及时的通过短信或者电话的形式给予医嘱、分派急救等处理。移动医疗的嵌入 式解决方案将提高医疗质量.大大改善医院业务流程、医疗服务水平,降低整体 医疗成本.具有广阔的市场前景。 关键词l移动医疗嵌入式技术Labview数据采集ARM-Linux+QT QT编程 Ⅱ 硕士学位论文 Design and Development of Terminal Based on Embedded Technology for System Name:Su Qiu—ling Supervisor:Li M-health Wei.peng ABSTRACT Telemedicine improved the diagnosis and treatment in remote medical costs,enhanced medical resources areas,reduced diagnosis;:” sharing,realized long—distance tele-treatment,tele?surgery,tele-consultation,tele-monitoring,tele-detection, provides a broad space for the development of modem intelligence demands medicine.With of medical the miniaturization,networking and devices, ’ telemedicine prompt many aspects ofprojects research. As the tendency of wearable medicine,M?health is the research telemedicine in recent focus馥2一 means for to years,also weak link of it,and provides yet another emergency aid,long—distance diagnosis traditional telemedicine,M-health is application and real-time monitoring.Compare difference from the not just network model,its makes as great changes of business processes in hospital.So it is necessary and feasible to strengthening services. health care,improving medical quality,and improving medical Today more and more medical equipment requires high—speed data acquisition, analysis power and processing capabilities,more comprehensive care and treatment present and consumption low eilough,the traditional 8/16 bit microcontroller a some limitations.Mobile market contains wide range of mobile communications i and ABSTRACT portable devices,each product must balance performance and its power consumption. The embedded microprocessor with characteristics of low power consumption,rich resources on chip,埘dely used and high performance/cost value,which make it become standard solution of mobile devices. to According all above,we conduct an investigation about the application of of M-health of a embedded technology in medical equipment,then system realization with probe the possibility embedded technology,and fmally design overall M—health system and research implementation of software the terminal,signal acquisition,processing,analysis and hardware,the platform SO on construction of in detail.As for its control core, M-health system use ARM9 S3C24 1 0 processor to as DAQ data acquisition card combine、析tll Labview design signal generator,through use AIN0 driven by the AD conversion for data acquisiton,and anally wireless network for ECG data bootloader,linux kernel environment,then do application based on the GPRS transmission;while嬲for sol,rare,Bse vivi and device drivers consist of ARM-Linux+QT on embedded program data compression base that environment,Qt C/S architecture last. Designed terminal for M-health system based on embedded technology on is with winl characteristics of miniaturization,intelligent real-time ECG and networking and SO combine acquisition,data compression,wireless through on transmission of data to doctors up diagnosis、航m and control center GPRS networks,which can usc will Can speed or accuracy;patients the client end SMS phone to communicate with doctors which improve autonomy level for the treatment of patients;the monitoring center as the Sel'ver end to receive information or about the patients’physiological parameters;doctors may via SMS first aid treatment phone to give medical advice,distribution of timely.Embedded solution for M-health will improve healthcare n 硕士学位论文 quality-greatly improve hospital business processes and medical services,also lower overall medical costs-which will have broad market prospects. KEYWORDS:M—health;Embedded technology;Labview data acquisition; ARM-Linux+QT;QT programming 硕士学位论文 目 录 摘 要………………………………………………………………………….I 第一章 概述……………………………………………………………….1 1.1课题研究背景………………………………………………………………1 1.2课题研究内容………………………………:………………………………2 1.3课题研究的意义……………………………j………………………………3 第二章移动医疗现状及研究启示………………………………………4 2.1移动医疗国内外研究现状…………………………………………………4 2.2移动医疗嵌入式解决方案可行性…………………………………………7 2.3研究启示…………………………………………………………………….8 第三章系统整体架构设计………………………………………………1 0 3.1嵌入式ARM平台…………………………………………………………10 3.2 GPRS模块………………………………………………………………………………………。11 l 3.3监护中心………………………………………………………………………………………….1 3.4移动医疗终端应用信息流程………………………………………………12 第四章系统移动终端软件平台构建………………………………………13 4.1建立交叉编译环境…………………………………………………………14 4.2引导加载程序移植…………………………………………………………14 4.2.1 VⅣI实现LINUX启动…………………………………………………………15 4.2.2 V1VI的配置移植…………………………………………………………………17 目 录 4.2.3 VⅣI下载到开发板………………………………………………………………19 4.3 LINUX内核移植……………………………………………………………19 4.4文件系统构建………………………………………………………………。23 4.4.1文件系统结构……………………………………………………………………23 4.4.2 YAFFS文件系统创建……. 4.5驱动程序……………………………………………………………………30 4.5.1 LINUX设备驱动原理…………………………………………………………….30 L1NUX设备驱动开发流程………………………………………………………3 l 4.5.2 4.5.3系统所需设备驱动开发…………………………………………………………33 第五章系统信号获取……………………………………………………。42 5.1实现方案……………………………………………………………………。42 5.2具体实现…………………………………………………………………….43 5.2.1数据文件处理……………………………………………………………………44 5.2.2前面板设计………………………………………………………………………44 5.2.3框图程序…………………………………………………………………………45 第六章数据压缩……………………………………………………………..50 6.1压缩方法研究……………………………………………………………….50 6.2系统采用的压缩方法………………………………………………………5 1 第七章数据无线传输……………………………………………………………53 7.1 7.2 GPRS模块工作原理………………………………………………………53 GPRS网络连接建立………………………………………………………。53 第八章系统应用程序开发…………………………………………………….55 8.1嵌入式图形界面……………………………………………………………。55 8.2 QT/EMBEDDED支持…………………………………………………………………………。55 8.2.1 QT依赖库文件编译获取…………………………………………………………56 2 硕士学位论文 8.2.2 QT2编译配置…………………………………………………………………….56 QT随机启动支持………………………………………………………...………57 8.2.3 8.3应用程序实现…………………………………………………………………58 8.3.1信号采集、显示和存储…………………………………………………………60 8.3.2数据压缩………………………………………………………………………….60 8.3.3数据无线传输……………………………………………………………………60 8.3.4应用程序移植……………………………………………………………………62 8.3.5运行测试…………………………………………………………………………62 第九章总结与展望……………………………………………………….64 9.1总结…………………………………………………………………………64 9.2展望…………………………………………………………………………6乳 参考文献…………………………………………….……………………….66 攻读学位期间成果………………………………………………………….72 附录…………………………………………………………………………………………73 致谢…………………………………………………………………………………………80 学位论文原创性声明………………………………………………………….8 l 统计合格证明……………………………………………………..…………82 3 硕士学位论文 第一章概述 1.1课题研究背景 随着时代的发展,人口老龄化进程加快,各种慢性疾病在中青年人群中肆 虐和衍生,人们健康意识和保健要求日益增强,这一切推动了医疗模式从以症 状治疗为中心的模式向以预防为主、早诊断、早治疗的模式转变【l】,医疗仪器 开始了从复杂的、应用于医院的大型医疗设备,到既适用于医院又适用于家庭 和个人的小型穿戴式甚至是植入式的装置【2l的改变。得益于此穿戴式医疗仪器 发展起来,它具有生理信号检测和处理、信号特征提取和数据传输等功能,可 以实现对人体的无创监测、诊断和治疗;具有可移动操作、使用简便、支持长 时间连续工作、智能显示诊断结果、异常生理状况报警和无线数据传输等特点 【31 o 移动医疗(M.Health)具备穿戴式医疗研究的各项特性,是穿戴式医疗的发 展方向【4】,是基于生物医疗、计算机科学、通讯技术等多学科将移动计算、医 学传感以及通信技术等密切结合的一种新兴医疗保健模式【5】。 目前我国医疗机构的整体医疗装备水平还很低,在全国基层医疗卫生机构 的医疗器械和设备中,约15%左右是20世纪70年代前后的产品,60%是20世 纪80年代中期以前的产品,它们更新换代将会保证未来10年甚至更长一段时 间中国医疗器械市场的快速增长【6】。随着改革开放的深入,国家支持力度的不 断加大以及全球一体化进程的加快,我国医疗器械行业得到了突飞猛进的发 展,医疗器械行业总产值自20世纪90年代以来一直保持平均12%.1 5%的快速 增长。2005年,我国已成为仅次于美国和日本的世界第三大医疗器械市场,据 2006年《中国医疗器械行业发展报告》预计未来5.7年内,中国将超过日本, 成为全球第二大医疗设备市场【4】。2009年新医改明确指出,国家将逐年加大公 第一章概述 共卫生体系和城市社区、农村基层医疗卫生建设。据Gartner预计,2010年中国 在医疗IT方面的投资大约为3l亿美元,未来五年还会以15%的速度逐年增长, 而在医疗IT投资中,移动性的需求大概为5%。就是说,移动医疗拥有至少 10.5亿元的市场【71。可以预见,作为一个很有意义且极有市场前景的研究,移 动医疗将给2l世纪的医疗造成巨大的冲击。 无线通讯技术及网络技术的发展,使得穿戴式医疗仪器向移动医疗的发展 成为可能。同时,微处理器技术的快速发展为穿戴式医疗实时性控制、系统优 化、使用寿命寿命、以及系统安全与可靠性提高等研究方向提供了支持。与传 统8/16位单片机为控制核心相比,嵌入式微处理器具有低功耗、片上资源丰富、 应用广泛和性价比高等特点,能更好地满足现今医疗仪器高性能、低功耗等要 求,其操作系统平台的支持能为穿戴式医疗向移动医疗发展提供最好的保障。 无线网络技术及嵌入式技术的突破性进展刺激了移动医疗示范性项目的开展, 采用嵌入式技术与无线网络技术结合的移动医疗解决方案将成为继HIS(医院信 息系统)与CIS(临床信息系统)之后医疗信息化产业的又一个建设高潮。 1.2课题研究内容 本课题主要进行移动医疗和嵌入式技术在医疗仪器的应用研究现状的调 查,再探查基于嵌入式技术的移动医疗系统实现的可行性,最后以嵌入式技术 为核心,研究设计移动医疗系统的整体架构,并重点研究终端平台的构建及信 号发生、采集、压缩、无线传输等功能的实现。 综合性能及成本考虑,系统终端构建ARM.Linux软件平台,使用三星 ARM9￥3C2410为微处理器,Linux内核选用2.6.24版本;在终端构建的嵌入式 linux平台上添加QT库支持,编程实现现场的生理数据实时采集、无线传输的 应用程序;在Linux内核及文件系统分别添加PPP协议支持和所需拨号上网脚 本程序,利用已普遍应用的通用分组无线业务(GPRS)实现数据的无线传输; 2 硕士学位论文 系统采用Labview编程设计模拟心电信号发生器获取ECG信号进行测试;为提 高数据传输质量,研究了ECG压缩算法,并将其运用于此系统中。 1.3课题研究的意义 远程医疗是目前医学工程领域中的研究热点,能够解决我国地广人多、医 疗水平发展不均衡的问题。发展远程医疗必然产生对移动医疗设备的需求。因 此,研究开发可方便穿戴、实用化的移动医疗设备具有重要意义。 结合嵌入式技术的移动医疗打造的这个医疗环境使使用者在不妨碍日常工 作和生活的情况下随时随地地监测生理状况,从而实现疾病的早发现、早诊断 和早治疗,不仅能提高医护效率,还让患者享受到更满意的健康服务。 瓣二 3 第二章移动医疗现状及研究启示 第二章移动医疗现状及研究启示 目前医疗护理的新型科技分为三种:生物科技(基因改变)、纳米科技(植入 芯片)和信息通信(移动医疗)【8】。其中移动医疗因为其市场条件的需要,正迅速发 展并逐渐产业化。在高达10亿人遭受一些慢性疾病困扰的今天,许多人或为经 济的原因或为提高生活质量关注参与了移动医疗的研究,这推动了移动医疗的 快速发展。同时,越来越多的医院开始了“随时随地"移动医疗的探索,北电 网络(Nortel)、微软、IBM、MOTOROLA等世界500强中的IT巨头更是聚集于 此地【9】。 2.1移动医疗国内外研究现状 目前,移动医疗在医院的应用方向主要有:(1)无线查房服务;(2)无线 婴儿防盗系统;(3)无线上网服务;(4)移动门诊输液系统;(5)无线定位服 务;(6)无线语音服务;(7)无线视频服务。依据移动医疗系统功能要求,其 涉及的主要技术有:(1)无线网络技术;(2)智能控制技术;(3)医疗技术。 各国也投入了诸多精力围绕这些方面技术展开移动医疗的研究。 国外在20世纪60年代开始进行移动医疗方面的研究。美国航天局20世 纪70年代运用远程监护技术实现了太空中的宇航员的生理参数监视【lol,后来美 方又研究了一种供战时使用的人体状态监护仪(PSM,Personnel Status Monitor), 这种微型仪器由士兵佩带,用于监护携带者的呼吸、体温、心率和其它生理参 数。这两种监护都是对运动中的个体进行监护。较早的移动医疗的研究取得较 大成效的有mobile telemedicine testbed项目【ll】,这个由美国马里兰州大学医学中 心与TRW公司合作的移动医疗项目起始于1996年,构建了对中风病人实现实 时监视的移动救护车系统。项目第一阶段就实现了移动中的救护车与医生办公 室的计算机之间双向音频与视频通讯。这一系统也在希腊、瑞典、意大利、塞 4 硕士学位论文 浦路斯等地投入使用。 希腊对移动医疗的研究早在98年就已开始,主要研究各种急救状况方面的 应用f12.131。希腊帕特雷大学G J.Mandellos与里恩大学医院N.Lazarou等人根据 其国情合作为救护车上运送、设计及评估设计了一种新型移动医疗系统,这个 系统是欧盟INNACT-RWG R&D研发计划行动3.1调整产生的。采用的技术包括 GIS、GPS、IEEE 802.11及GSM手机。整个移动医疗系统的操作由里恩大学医 院的损伤传送中心控制,为每个急救单元配备GPS设备,通过GPRS技术实现 急救车位置信号的传输再由中心实施控制管理。为使救护车避免交通阻塞还设 置了与十字路口的调节机制。研究中还通过市场调查对各厂商生产的各类生命 体征设备进行的评估,从而为除颤器配备了嵌入式健康状况征兆放大器。但是 由于实验条件及此设备使用条件的限制最后并没有取得满意的结果。 巴西Pama矗天主教大学M.V M.Figuered01等人研究了为家庭保健与病人 监控的移动医疗系统【141。整个系统采用C/S架构,服务器端位于医院内部用于 数据存储分析等,客户端为监控器用于采集数据。客户端采用RS.232标准接口 与移动电话连接实现生理参数数据采集,再由移动电话网络连接Intemet传送数 据。系统中,生理数据信号转换为数据包通过TCP/p及UDP协议传送至服务 器端医疗数据库中,再以XML文件格式输出或打印出来。为改变监控器基于 RS.232接口及厂商采用私有通信协议连通性不好的问题,系统还为各种协议设 计了专业化的驱动。C/S两端均采用JAVA技术实现应用层。 加拿大魁北克大学的Onmeya Issa等人研究了3G无线通信技术在医疗方面 的应用【15】,提出了创新的系统架构及一系列模型来实现医学参数的准确传送, 并在紧急制动操作测验中获得了极高的满意度。同时,他们计划在未来将下一 代网络架构如3GPP IMS集成进现有系统架构中。 韩国也是较早进行移动医疗研究的国家,充分利用国家移动通信方面的先 进性优势取得较大成果。其中,Strokenet是使用实时音频视讯实现为中风病人 第二章移动医疗现状及研究启示 断的移动医疗项卧1每171。祥明大学及延世大学Dong.Keun Kim等人设计 便携式移动医疗系统,采用局域网(医院内部)或者移动电话网络(医 )实现视频及音频的同时传输。系统初始化后,发送单元选择与吞吐量 编码机制来分配传输视频及音频传输比特率,采用PDA型电话或智能电 话作为接收单元,护理专家再根据接收到的视频及音频数据提出相关诊断建议, 实现了较好的中风病人咨询诊断效果。