一种基于嵌入式internet的远程医疗监护系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)

一种基于嵌入式internet的远程医疗监护系统的设计与实现硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

................................................................................................ 44 一点对多点 TCP 服务器实现 .......................................................................... 44 具体通信程序 ..................................................................................................... 46 本章小结 ..................................................................................................................... 47 第六章 系统功能验证 ......................................................................................................... 48 测试平台搭建 ............................................................................................................ 48 测试过程及结果 ........................................................................................................ 48 硕士学位论文 VII 结论 ......................................................................................................................................... 52 参考文献 ................................................................................................................................. 54 致 谢 ....................................................................................................................................... 57 附录 A 攻读学位期间所发表的论文和参与的课题 ..................................................... 58 硕士学位论文 1 第一章 绪论 远程医疗监护 的背景和意义 随着经济和科技的进步，人口的老龄化日益凸显，联合国发表报告指出：当二十一世纪上半叶到来时，全球人口将增加 倍，而老年人口将增加 倍，老年人口占总人口的比例将上升到 20%。 人口老龄化将引起社会对老年人健康以及医疗的关注 [1]。 在老年 人的多发疾病中，恶性肿瘤、脑血管、心血管、呼吸系统疾病是造成死亡的 主要病因。 预防和控制这些慢性病和退化性疾病，直接关系到老年人的健康和生命。 而这些疾病不是一两天就能治愈的，需要长期追踪与治疗，但是医院的病床不能满足需求 并且住院费用庞大，这样老年病人就需要定期回院复诊，这不但浪费了病人往返医院的 时间和金钱，而且导致病人缺乏长期有效地病情监控与护理。 另一方面老年病人更愿意 接受家庭环境下的医疗监护，因为经常的外出就医会加重病人的精神负担，不利于病情的康复 [3]。 同时经济发展的不平衡导致了各地医疗水平的差异，许多 偏远地区的人享受不到大医院的先进医疗监护。 因此，人们提出了远程医疗监护，即使用远程通信与信息技术为监护对象提供检测、监控、治疗、教育和信息服务，这样老年病人或偏远地区的患者可以在家中接受主要生理参数 （ 如心电、血压、体温、呼吸、血氧饱和度等 ） 的检测，以及进行医学咨询并接受治疗和护理指导。 发展 远程医疗监护 具有重要的意义 [210]： （ 1） 缩短医生和患者之间的距离，为患者提供及时救助，减少患者或 医护人员 的路途奔波。 （ 2） 对自理能力较差的老年人和残疾人的日常生活状态实施远程监护，不 仅能提高医护人员的护理水平 和患者的生活质量，还可以评估监护对象的独立生活能力和健康状况。 （ 3） 远程监护可以在患者熟悉的环境中进行，减少了患者的心理压力，提高了诊断的准确性。 （ 4） 对健康人群的远程监护，可以发现疾病的早期症状，从而达到保健和预防疾病的目的。 （ 5） 普及医疗，提高边远和落后地区的医疗水平，这对于幅员广阔的国家尤为重要。 （ 6） 方便及时，如居家医疗护理、康复指导、危险性疾病猝发时的救护指导等，使医学和医疗直接服务到个人。 一种 基于 嵌入式 Inter 的远程医疗监护系统的设计与实现 2 远程医疗监护的 发展 状况 最早应用 远程监护的是美国航天局 20 世纪 70 年代运用远程监护技术对太 空的宇航员进行生理参数监测。 所有宇航员都穿上带有生物传感器的制服，将监测数据从太空船及月球表面送到地面接收站，监测参数包括：心率、体温变化、呼吸、两导联心电图、氧气消耗和二氧化碳分压，地面接收站的医生可以根据这些数据评价宇航员的生理状态，还能在宇航员生病时提供实时监护 [4]。 由于受到信息的传送量和通信条件的制约，此时的远程医疗的发展比较缓慢，仅仅在航天等尖端科技领域内进行，正如许多高新科技从专业领域走向大众一样，远程医疗被越来越多的专家研究，以造福普通人 [8]。 80 年代后期到 90 年代初，伴随着计算机硬件价 格和通讯费用的下降，远程医疗监护逐渐走向了军民两大领域。 从 Medline 所收录的文献数量看， 1988~1997年的 10 年间，远程医疗方面的文献数量呈几何级数增长 [5]。 在远程医疗系统的实施过程中，美国和西欧国家发展速度最快，通信方式多是卫星和综合业务数据网，在远程咨询、远程会诊、医学图像的远距离传输、远程会议和军事医学方面取得了较大进展 [9]。 到了 21 世纪，通信技术的进一步发展， 如 互联网，移动网等，使远程医疗监护技术进一步成熟，家庭监护和社区医院成为其主要形式。 20xx 年， Alfredo I Hermandez 等学者研发了一套基于网络的心电图实时传输系统。 系统前端的信号依靠单片机控制的便携式模块获取，除了与个人计算机通信外，也可根据 PC 发来的信号决定采样率与数模转换的分辨率。 网络传输部分采用主从式网络，使用者拨号与服务器连接后，即可传送生理参数与资料，供医护人员进行诊断和存储 [6]。 在国内，第三军医大学承担了“ 863”家庭数字化医疗监护系统研究项目，研制了一套基于掌上电脑的多生理参数监护网络系统，设计了心电监测、血压监测、活动监测、老年人活动监测等监测模块以及无线发射接收模块，在利用标准的RS232 接口 与掌上电脑连接，由掌上电脑对测量仪器进行控制并接收监测数据，最后利用其内置的调制解调器通过电话线与监测中心建立远程通信 [7]。 20xx 年 6 月 10 日，亚洲第一家“院外心脏远程移动监护中心”落户具有百年历史的山东大学齐鲁医院。 该中心的建成，标志着亚洲第一个基于中国移动GPRS 无线通信网络构建的院外心脏远程监护系统正式投入临床应用 [11]。 远程医疗监护 与 嵌入式 Inter 结合 的趋势 远程医疗的关键在于远程通信的手段，从远程医疗概念的提出发展至今，远程医疗的通信方式有电话网通信、 Inter 通信 、卫星通信、移动网通信等，其中Inter 在成本和技术要求上比较低，通信速率比较高，并且资源共享能力强，使硕士学位论文 3 得其被广泛应用到远程医疗领域。 而嵌入式 Inter 的飞速发展，更加促进了Inter 在远程医疗方面的应用，特别是在需要长期通信的医疗监护领域 [1213]。 嵌入式 Inter 起源于把嵌入式系统与 Inter 相结合的想法。 嵌入式 Inter是：在嵌入式系统应用领域，以 Inter 技术为基础，使嵌入式系统与 Inter相互连接，实现嵌入式系统与 Inter 之间的资源共享 、信息通信和状态控制等功能 [6]。 嵌入式 Inter 应用到远程医疗监护系统中，使得医疗监护设备在实现Inter 通信的基础上，具备了嵌入式系统成本低、体积小、功耗低的特点，这样既降低了患者的医疗费用，有利于监护系统的推广使用，又使得监护系统更加的便携，使用也更加方便 [14]。 本文 内容及结构安排 本文 设计并实现了 一种基于嵌入式 Inter 的远程医疗监护系统 ，其中重点讲述了监测终端的实现。 本文共分为 七 章，每一章的内容安排如下： 第一章 绪论。 首先 介绍了远程医疗监护的背景和意义 ，以及 远程医 疗监护的发展 状况 ；然后 讲述了嵌入式 Inter 在 远程医疗监护 系统 中的应用 ； 最后给出了本文的内容及结构安排。 第二章 系统结构和 嵌入式 Inter 实现方案。 本章首先 说明了基于嵌入式Inter 的远程医疗 监护系统的结构，然后 介绍了嵌入式 Inter 的关键技术 ， 并对现有嵌入式 Inter 接入技术进行分析，最后提出了本系统所采用的嵌入式Inter 实现方案。 第三章 监测终端 的硬件设计。 首先 设计了整个硬件结构，然后 介绍了 监测终端 的硬件核心 ARM7 处理器 AT91SAM7X256， 随后 以 AT91SAM7X256 作为核心，扩展了外围电路， 进行 了具体的电路设计。 第四章 监测终端软件设计。 首先 提出了整个软件的框架，随后对其核心 嵌入式操作 系统 RT_Thread 进行介绍并 将其 移植 到硬件平台 ，然后根据 RT_Thread 的设备管理模块，进行了各设备驱动程序的开发 ，最后对监测终端应用程序进行实现。 第 五 章 监控中心服务器 设计。 首先说明了监控中心服务器的总体结构，接着采用虚拟仪器 LabVIEW 实现了 监控中心 服务器 的 监控 软件 ，包括监控管理程序和 TCP 服务器程序。 第 六 章 系统功能的验证。 通过搭建的测试环境对本文设计 的系统进行验证。 最后是 结论。 总结本文所做的工作，指出了本系统的不足及改进措施。 一种 基于 嵌入式 Inter 的远程医疗监护系统的设计与实现 4 第二章 系统结构和 嵌入式 Inter 实现方案 系统结构 基于嵌入式 Inter技术实现的远程医疗监控系统的结构图如 图 ： I n t e r n e t监 测 终 端家 庭 2监 测 终 端家 庭 1监 测 终 端家 庭 N医 院监 控 中 心服 务 器 图 基于嵌入式 Inter 的 远程医疗监护系统结构 系统由监测终端 和监控中心服务器组成 ，它们之间通过 Inter来实现数据通信。 监测终端位于远程家庭，它采用嵌入式 Inter技术实现，负责采集患者的生理参 数并通过 Inter上传到监控中心服务器，供医生进行诊断，同时接收来自监控中心服务器的诊断结果、治疗意见等信息。 监测终端是本系统设计的重点，因为它直接关系到 Inter通信的实现。 监控中心服务器位于医院，它通过监控软件和数据库对病人病历和生理参数进行管理 ，并 为 监测终端提供咨询 和 指导服务。 嵌入式 Inter 关键技术 要对嵌入式 Inter进行实现，首先有必要了解嵌入式 Inter的关键技术 ，下面对 TCP/IP协议族和以太网技术进行简单介绍。 TCP/IP 协议 族 TCP/IP协议族 是 Inter实现的基础 ， 它是一种网络互连协议，旨在实现各种异构网络或主机的互连互通。 任何网络技术架构下的主机只要安装了 TCP/IP即可实现互连通信。 TCP/IP协议族 通常被认为是一个 四层 协议系统，其协议层结构如硕士学位论文 5 图。 应 用 层传 输 层网 际 层网 络 接 口 层T C P / I P 模 型协 议H T T P 、 F T P 、 S M T P 、T E L N E T 等U D P 、 T C PI P 、 A R P 、 I C M P以 太 网 、 令 牌 环 网 、 F D D I 等 图 TCP/IP协议层结构 下面将介绍 各协议层 的功能及包含的协议： （ 1） 网络接口层 也称为链路层， 对应着 OSI参考模型中的物理层和数据链路层。 它的功能是接收 IP数据报并通过特定的网络进行传输，或从 网络上接收数据帧，抽取出 IP数据报并转交给上一层。 局域网 （ LAN） 技术，如以太网、令牌环网、 FDDI（ 光纤分靠式数据接口 ） 等工作在这一层 [15]。 TCP/IP标准并没有定义具体的网络接口协议，目的是能够适应各种类型的网络，具体的网络接口协议在实际应用的网络如以太网、令牌环网等中定义。 因此在嵌入式 Inter的实现中，需要选择网络接口层所使。