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便携式心电图和血压远程控制系统
具有成本效益的家庭护理远程医疗应用程序系统的
设计和开发
在未来的世纪，我们将面临严重的人口老龄化问题，老年人在人口中的比例将会越来越大。
随着年龄增长，人的身体素质逐渐下降，因此，越来越多的老年人需要在家照顾，这将是家庭和社会的一个重大负担。对于这个问题，一个解决方案是开发和扩大家庭健康护理的区域。使家庭护理成功的因素之一，是使用现代通信技术实现居家病人和医疗专家之间的信息交换。
原则上，基于无线通讯的家庭健康护理技术是成熟的，但是有两个主要的问题需要解决。一是如何集成现有的技术形成一个具有成本效益的医疗系统，包括家用医疗设备的发展。另一个问题是建立一个合适的家庭健康护理，包括运营模式方面，当前的医疗保健系统基础设施（如保险等）。
本文讨论了具有成本效益的便携式家庭单位心电图（ECG）和血压（BP）监测器。
根据我们以往对基于PC机的心电图/血压远程监护系统工作的反馈意见，本文所描述的系统有助于克服过去的问题，包括家庭安装、操作、维护和降低成本。现在介绍在设计和研发系统中所涉及的战略和方法，以及结论。
过去的发展状况和问题
在家庭医疗保健系统和设备的发展已经有了很大的进步。这些进步可以分为四类:
1.家庭活动监控，检测并记录家庭患者的日常活动，然后使用数据分析评估病人的健康状况。
2.生命体征监测，监测身体的生理指标，如心电图，血压（BP）和心率。这些系统通常是结合警报系统为家庭病人的护理提供紧急服务。
3.家用便携式医疗设备，如血压测量仪，血糖监测仪，氧量计。家庭患者可以独立的使用这些设备进行自我身体状况检测。虽然这些设备已经可以被使用，但是没有病人与卫生保健提供者的信息交互，所以这些设备所扮演的角色的作用是非常有限的。
4.家庭护理机器人，它可以作为护士或发挥护士的功能，但尚不够成熟，而不能被广泛使用。
在我们以前的研究中，一个家用监护系统由一个心电图和血压远程监护仪组成。这个系统包括一个基于PC机的监控器，通过计算机工作站监控中心医院。在本系统的初步应用过程中，一些不足之处在安装和利用时被发现。
第一个问题是由于基于pc机的家庭单位的性质，家庭单位会面临繁琐的安装过程。安装家庭单位，一个工程师不得不去用户的家里，在打开家用电脑的情况下，安装一个专门设计的接口。然后，必须将心电图检测器和调制解调器连接到电脑，且必须安装软件操作监护仪和数据传输系统。第二个问题是基于pc机的家庭单位的使用成本，所有这一切由家庭用户自己去配备几乎是不可能实现的。目前在中国，只有少部分的家庭拥有个人电脑，很难期望一个家庭去买一个电脑只是用于家庭医疗保健。第三个问题是大多数家庭的病人和他们的家人不熟悉计算机操作。
虽然设计了友好的家用机接口，但对于这些用户而言，与其他家电产品相比仍难以管理。下面章节描述的便携式家用单位心电图/血压监测仪，可以帮助克服这些问题。
设计和开发家用单元的发展战略
有两种方法可以减少家庭监控设备的成本。一种方法是减少做这个项目的直接成本。另一种是用户之间共同承担成本。如果设备是可移植的，那么用户可以租而不是购买它。因此，每个用户支付的费用就会减少，总成本将在用户之间共同承担。个体家庭没有必要购买个人电脑，个体家庭更容易承担设备的费用。因此，设计和开发便携式家庭心电图和血压监测器是降低整个系统成本的一个因素。此外，便携设备消除了之前所需的详细的安装系统的步骤，因而能最大限度地降低服务成本。
为缩短系统开发时间，我们的设计和开发策略是使用现成的组件。为了利用基于PC机的心电分析算法和之前的数据采集和通信软件开发系统，IBM486兼容的主板采用PC机控制以及便携式心电图和血压监控的自处理功能。它很容易使用硬盘进行数据存储。
需要显示面板，以确保监控的正确操作。这面板显示心电图、血压数据，操作状态信息和反馈医生的意见。使用108毫米x58毫米液晶显示面板，能够显示心电波形，以确保适当的电极连接。
便携式监测仪的结构
家庭心电图和血压远程监控的总体结构系统如图1所示。心电图/血压监控位于用户的家里，主监控中心在医院。主用户和治疗医生之间的信息交换是通过公共电话网络。家庭单元由三部分组成：由用户掌控的心电图检测器和发射机，血压监控以及桌面显示器，如图2所示。心电图检测器和血压检测仪是商业产品。三个主要的无线设备的存在使得心电图检测器用于这个系统，能够在半径30米内传送心电图信号，这个传送范围是典型的中国公寓的大小。血压检测仪是日本制造的，它存储最新的30个测量值，包括时间、收缩压、舒张压、心率。便携式家庭监测器通过一根天线接收由用户操纵的心电图检测器传送的心电信号。有三个输入和输出端口控制：输入电源线、电话网络通讯线和血压数据输入线。有三个膜按钮用来控制监测仪的操作。液晶显示面板显示当前每个按钮的功能。
图1 家用心电图和血压远程监护系统的总体结构。
图2 家用单元的部分：（a）心电检测器和发射器：（b）血压表；（c）便携式监测仪桌面。
便携式心电图和血压家庭检测仪的结构见图3。电脑的主板进行中央处理和控制的任务。监控的数据流向如图4所示。当监视器接收心电信号，第一步进行数字化处理。然后，数字化心电图数据利用心律失常分析算法寻找心电图异常数据，并显示和处理。在线心律失常分析算法能够识别七种异常情况情况。一组为个人用户报警的阈值是预先确定的。每当异常心电图数据分析结果是超过当前报警阈值时，启动数据传输流程。这个传输过程包括对数据进行特殊格式的打包，初始化调制解调器和通过电话网络传输数据至医院的监控中心。对于血压检测仪而言，用户必须使用血压检测仪输入线发送数据。在收到血压检测仪的数据后，监测数据打包成指定的格式和传输数据包到医院监控中心。用户可以通过薄膜开关改变监控器的工作状态。
图3 家用心电图和血压监测仪的结构
如图5所示，显示面板分为两个区域：左边是操作状态和反馈医院医生的诊断意见，右边是操作按钮，他们有不同的功能取决于系统的状态。
系统操作模式
家庭监控器有五种工作模式：
模式1：初始化模式。在这种模式下，监督指导用户首先把电极插上，然后按下波形按钮来检查是否正确连接和接触电极。如果波形清晰，系统将变成自学习状态和心律失常分析算法状态，将学习用户的心电图的特点并为该用户设置分析参数。这个学习过程结束后，系统会自动切换到在线监测状态。
图4 便携式心电图和血压监测仪的数据流向
图5 便携监护仪的显示面板的一个例子
模式2：心电图在线监测模式。在这种模式下，接收到的心电信号已经被分析过且当一个心电图异常超过报警阈值会自动进行数据传输。传输过来的心电图数据被标识为带有黑色的自动识别的异常数据，且将显示在医院监控中心，如图6所示（a）。从家庭监控器检查心电图数据后，医生可以终止数据传输和发送他/她的建议至家庭用户。建议将被显示在监视器的显示面板上。
模式3：手动心电图数据传输模式。在医生的要求或用户感到不舒服的情况，在这种模式下允许用户发送心电图数据。家里病人可以使用这个模式来传送他/她的心电图数据至医院监控中心，并获得相关建议和检查。只需按“拨号”按钮，如图5所示，手动传输模式被激活。在这种模式下，当前的心电图数据将被打包成特定的格式并传输到医院监控中心。在这个中心，心电图波形显示类似于模式2，用蓝色标记手动传输和用户的感受，如图6所示（b）。终止和反馈建议过程与模式2是一样的。
模式4：霍尔特模式。这种模式使用心电图霍尔特函数；也就是说，长期记录原始心电图（可以到几天），然后将整个数据包传输到医院进行全面的分析。硬盘作为数据存储设备，能够存储大型心电图数据集。无损数据压缩算法被用于通过电话线进行数据传输，以减少传输时间和相关费用。用户可以设计时间和传输方案。当霍尔特心电图数据传输到医院监控中心，也有一个开放的窗口与数据接收过程相联，如图6所示（c）。
图6 医院监控中心接收信号的显示窗口，与家庭监测仪相对应的三种操作模式：（a）模式2，（B）模式3，和（c）模式4。
模式5：血压检测模式。在这种模式下，系统会指导用户使用血压检测表测量他/她的血压，然后读取监控器中的数据进行打包和传送。血压数据将被显示在医院的监控屏幕的一个特殊窗口里。
监控中心的扩展功能
如图7所示是医院的监控中心的一个典型显示。前面板显示接收到的心电波形。底部右边的窗口是血压数据显示面板。左下角是数据回顾和分析报告的区域。根据临床应用反馈，开发新功能并添加到医院监控中心。有了这样一个家庭监控系统，日常家庭健康护理成为可能。一方面，这个系统为我们提供了一个数据集后可以进行长期分析和观察治疗的效果。因此，比较和统计分析接收到的数据集为预防疾病能够提供更多的信息。利用这些信息，一个简单的心电图波形比较窗口统计分析ST段和心率变异性在我们最近的工作中得到了发展。ST段分析算法是基于三个参数：面积、坡度和水平。采用“R X”的方法对这些参数进行计算。心率变异性分析算法由时域RR区间统计和非线性RR间隔分布图组成。
图7 医院监控中心的典型显示屏
另一方面，越来越多的数据需要被转移到磁带进行长期存储。从一个数据集寻找一块指定区域就变成了一个新问题。因此，进一步的利用和统计分析所存储的信息，使得数据的管理越来越重要。由于这种需求，特定的数据管理系统被开发出来。克服使用磁带进行数据存储的低速问题，开发两个数据库来管理操作数据档案和信息检索过程。一个数据库是用来接收由监控中心产生的数据文件。另一个数据库将数据文件存储在磁带上。这两个数据库的结构如图8和图9所示。在这些数据库管理系统的帮助下，存储在磁带上的文件被组织归档。检索过程，很容易找到携带请求的信息的磁带并移动指针直接指定文件的位置转移到硬盘。减少医务人员在监控中心的工作量，还开发了一个在线报警系统。警报包括光线和声音指示器，当收到来自家庭用户的数据，就会有一个在线心电图异常警报。我们的团队通过一个在线小波心电图心律失常分析算法成功建立了一个在线异常警报。这个在线算法能够识别五个类型的心律失常：心搏停止，脉搏短绌，心动过缓，心动过速，过早的心室收缩。
图8数据库中的数据文件的结构
图9 磁带中的数据库文件的结构
实现和结果
清华大学附属医院的初步测试实现了系统的原型。便携式家用监测仪非常容易实现。所有的设计功能得到了实现。新功能被添加到医院监控中心，运营商能够快速有效地响应接收到的数据和家庭用户的需求。提高性能的一个例子是使用简单的心电图波形比较窗口更容易比较先前记录的心电图与当前情况，如图10所示。医生可以选择一部分先前记录的心电图并把它放到比较窗口与当前心电图进行比较。图11给出了一个例子是关于数据归档和检索管理功能。通过使用这个数据库管理系统，更容易访问存储在磁带的数据，它花费更少的时间来加载文件。
图10 通过使用心电图波形比较窗比较当前心电图与前一个心电图
结论
这里描述的便携式家庭心电图和血压检测仪，只花一半的成本便能够实现基于PC机的家庭单位的所有功能。利用单位的可移植性，谁能承担其成本，医院便把设备租借给这个家庭用户。
多用功能不仅使个人用户能负担得起系统的费用，还消除了基于PC机的设置所需的发杂安装过程，从而进一步降低了使用成本。总的来说，我们的便携式系统比以前的PC机版更具成本效益。
图11数据归档和检索管理界面
便携式家庭监测仪设计了液晶显示器用于显示心电波形。用户必须按波形函数膜按钮才会有心电图波形显示在屏幕上。这个展览将持续20秒，然后自动关闭。从技术上讲，可以连续显示心电波形。然而，我们这样设计的原因是考虑用户使用结束后将不会使用这些不必要的波形。用户通常不会看屏幕上所有的时间和很可能不了解心电图知识。波形的显示仅供用户检查电极的连接和正确的操作。当进行家庭访问时，它还可以为医生提供了一种检测心电图的方式。
监控中心新开发的功能已经增强了医院的远程控制系统的功能。这些新特性不仅使系统使用更方便，也能在诊断和治疗时起着重要的作用。
这个系统仅在验证功能时被测试。还需要在各种情况下进一步的试验和测试，我们仍然在作进一步的改进。
致谢
中国清华大学国家自然科学基金和中国国家教育委员会支持这项工作。白静在吉林大学获得物理学学士学位，长春，1982年，中华人民共和国。然后她从德雷塞尔大学获得硕士和博士学位，费城，1983年和1985年。从1985年到1987年她是一名研究助理，是德雷塞尔大学的生物医学工程和科学研究所的助理教授。
在1988年和1991年，她成为副教授和教授，分别在清华大学电子工程系，北京，中国。1988年她被任命为清华大学生物医学工程项目副主任，1994年成为清华大学生命科学与工程学院副院长。她的研究活动包括心血管系统的数学建模与仿真、优化的心脏辅助装置、医学超声、远程医学、家庭医疗保健网络和家庭监控设备以及医学信息学。她已经出版了三本书，超过60篇的期刊论文和超过70个会议论文集的论文。她在1991年成为IEEE的一名高级成员。她也是中国科学技术协会委员，中国生物医学学术委员会副主任，中国社会生物电子学的秘书，北京生物医学工程学会委员会委员，IEEE生物医学信息技术编辑委员会成员。
张永宏在华中科技大学生物医学工程获得了学士和硕士学位，武汉，中国，分别在19
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