第5章 远程医学仪器设计.ppt

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1、第5章 远程医学仪器设计,5.1 概述,5.1 概述,第一代：是在家庭中设置的个人报警系统、危重呼叫电话等，从而能即时通报社区医生上门服务。该系统需要病人或亲属直接参与，如按动呼叫按钮等。第二代：是一种完全融人患者日常生活的系统，不需患者或家属操作干预。典型的代表：智能背心，24小时自动监测辨识异常生命参数。第三代：是建立一种基于智能家庭(smart home)的虚拟社区医疗环境、全方位地向客户(通道多媒体数字交互网络)提供各种医疗监护、保健和护理服务；立足于提高患者的生活质量。远程社区家庭卫生保健和监护的医学仪器的设计必须满足两个条件：具备标淮通信接口且采用统一的通信规程、协议；采集的医学数

2、字信导格式应该以统一的格式存储、传输。,5.2 医学仪器通信接口设计,通信接口：指两个需要通信的设备或电路之间的分界面和连接点，是采用硬件和软件方法，实现安全、可靠、高效的信息交换的技术。 协议：是通信双方关于通信如何进行达成的一致，是定义对等通信实体之间交换的帧、分组和报文的格式及意义的一组规则。,医学仪器一般是基于通用计算机(如PC)和单片机设计的。PC机具有完备的外部接口，直接调用通信控件和接口控制控件即可实现。单片机的通信功能较弱，常用单片机大多只具有串行口。,5.2 医学仪器通信接口设计,长距离传输：可利用电话(程控)通信网、移动通信网，以及万维网(www)。 程控电话网是一种以电话

3、线为基础的有线通信网； 移动通信网是无线和有线结合的一种通信方式，移动站到基站是无线方式，而基站到电信局一般是有线方式； 万维网是一种融合了可能的各种通信方式(有线、无线、光纤等)的通达全球的通信网， 短距离传翰：可采用串行通信、无线局域网(802.11)、HomeRF、蓝牙(Bluetooth)、红外通信(IrDA)技术。,通信模式：以短距无线方式连接到另一距离不远的单元； 或长距无线方式直接连至另一远方单元； 或以短距无线方式连接到一个中间单元，再由中间单元连接到远方单元。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,1. 基于PC机串口的通信设计,(1)PC机的串行口：P

4、C机的串行口是RS-232接口，符合贴RS-232接口规范，有9针和25针两种。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,(3)基于Windows的PC机串口通信设计,当应用MSComm(Microsoft Communications Control)控件时，下列属性必须适当设置：CommPort：串行口设置。该属性决定使用的是哪个串行口，可为116之间的任意值。Handshaking：设定是否启用握手协议，如Y，则连接RTS、CTS、DTR、DSR、DCD等控制信号线；N，则不窃连接控制信号线。InBuffer

5、Size；设定接收缓冲区的大小，以字节为单位。OutBufferSize：设定发送缓冲区的大小，以字节为单位。 InputLen：设定每次读出接收缓冲区中数据的个数，为零，则读出其中所有数据。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,InputMode：设定接收数据的格式是二进制方式还是文本方式。RThreshold：设定在OnComm事件发生之前，接收缓冲区可以接收的字符数(即每次可接收的字符数)。SThreshold ：设定在OnComm事件发生之前，发送缓冲区可以接收的字符数(即每次发送的字符数)。Setting ：设定串行口的波特率、奇偶校验、数据位数和停止位数。O

6、utput和Input：Input用来接收和保存从接收缓冲区获得的数据；Output用来向发送缓冲区发出数据。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,(4)电平转换,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,2. 基于单片机串口的通信设计,(1)8051单片机的串行口：是一个全双工串行通信接口。 它可以作UART用，也可以作同步移位寄存器用。 可以实现8051单片机系统之间点对点的单机通信，805l与系统机(如IBMPC机等)的单机或多机通信。 帧格式：有8位、10位或11位并能设置各种波特率。 8051通过引脚RXD和引脚TXD与外界进行通信。8051

7、串行口有两个物理上独立的接收、发送缓冲器SBUF，它们占用同一地址99H，可同时发送、接收数据。发送缓冲器只能写入，不能读出；接收缓冲器只能读出，不能写入。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,串行发送与接收的速率与移位时钟同步。 8051用定时器T1作为串行通信的波特率发生器。 T1溢出率经2分频(或不分频，可设定)后又经16分频作为串行发送或接收的移位脉冲。移位脉冲的速率即是波特率。串行口接收器是双缓冲结构。 串行口的发送和接收都是以特殊功能寄存器SBUF的名义进行读或写的。当向SBUF发“写”命令时(执行“MOV SBUF，A”指令)，即是向发送缓冲器SBUF装载

8、并开始由TXD引脚向外发送一帧数据。发送完便使发送中断标志位TI1。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,(2)串行口控制字及控制寄存器：8051串行口是可编程接口，对它初始化编程只用两个控制字分别写入特殊功能寄存器SCON(98H)和电源控制寄存器PCON(87H)中即可。1)SCON(98H)：805l串行通信的方式选择、接收和发送控制以及串行口的状态标志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。SCON为8位寄存器：ASM0和SM1(SCON.7、SCON.6)串行口工作方式选择位。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,BSM2(5)多机通信

9、控制位，主要用于方式2和方式3。若置SM2l，则允许多机通信；若SM20，即不属于多机通信。CREN(4)允许接收控制位。由软件置1或清0，只有当REN1时才允许接收相当于串行接收的开关；若REN0，则禁止接收。DTB8(3)发送数据的第9位(D8)装入TB8中。在方式2或方式3中，根据发送数据的需要由软件置位或复位。在许多通信协议中可用作奇偶校验位。E. RB8(2)接收数据的第9位，在方式2或方式3中，接收到的第9位数据放在RM8位。它或是约定的奇偶校验位，或是约定的地址数据标识位。F. TI(1)发送中断标志。在一帧数据发送完时被置位。GRI(0)接收中断标志。在接收到一帧有效数据后由硬

10、件置位。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,2)PCON(87H)：电源控制寄存器PCON中，只有SMOD位与串行口工作有关。当SMOD=1时，方式l、2、3的波特率加倍；复位时，SMOD0。,(3)8051串行口的工作方式1)串行口方式0：方式0为同步移位寄存器输入输出方式，常用于扩展IO口。串行数据通过RXD输入或输出，而TXD用于输出移位时钟，作为外接部件的同步信号。在这种方式下，收发的数据为8位，低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位，波特率是固定的，为fOSC 12。,写入发送SBUF,RXD输出,TXD输出移位时钟,TI=1,REN=1,RI=0,TXD输

11、出移位时钟,RI=1,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.1 串行通信接口设计,2)串行口方式1：真正用于串行发送或接收，为10位通用异步接口。TXD与RXD分别用于发送与接收数据。收发一帧数据的格式为1位起始位、8位数据位(低位在前)、1位停止位。方式1发送时，方式1接收时，3)串行口方式2和方式3：串行口工作在方式2和方式3均为每帧11位异步通信格式。由TXD和RXD发送与接收。每帧11位，即1位起始位，8位数据位(低位在前)，1位可编程的第9数据位和l位停止位。发送前，先根据通信协议由软件设置了阳(如作奇偶校验位或地址9据标志位)然后将要发送的数据写入SBUF，即可启动发送过程。接收时

12、，使SCON中的REN1允许接收。,写入发送SBUF,TXD输出,定时信号,TI=1,TXD=1停止位,REN=1,RXD输入,RI=1,RXD跳变,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.2 无线局域网通信接口设计,无线局域网(WLAN)是指以无线方式(无线电、红外)实现传输的局域网。,无线局域网的技术主要有 IEEE802.11HomeRF蓝牙 204GHz频段。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.3 蓝牙技术与通信接口设计,IEEE802.11 只规定了开放式系统互联参考模型（OSI/RM）的物理层和MAC层，其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免CSMA/CA协议，而在物理层， 8

13、02.11定义了三种不同的物理介质：红外线、跳频扩谱方式(FHSS:)以及直扩方式(DSSS)。802.11支持111Mbps较高的数据速率，但是它只支持数据通信，为进行无线数据通信，数据设备先要安装有无线网卡。 802.11比较适于办公室中的企业无线网络。 另一种无线局域网技术HomeRF，是专门为家庭用户设计的HomeRF利用跳频扩谱方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持语音通信，又能通过载波监听多重访问 /冲突避免协议提供数据通信服务。同时，HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。 HomeRF可应用于家庭中

14、的移动数据和语音设备与主机之间的通信。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.3 蓝牙技术与通信接口设计,与上面两种技术不同，蓝牙技术具有一整套全新的协议，可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快，因而更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态，但是有可能引起干扰等问题，从长远看，随着产品与市场的不断发展，它们将走向融合，而其中最有竞争力的就是蓝牙技术。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.7 医学影像通信的标准接口,医学影像通信的标准接口协议是DICOM3.0(digital imaging an

15、d communications in medicine)。DICOM3.0标准由14个部分构成，它基于一组实体关系模型，简称EH模型。采用面向对象的方法制定。协议内容简述如下：()介绍与总论 。(2)兼容性。(3)日标信息的定义。(4)服务组的说明。(5)数据结构和语义。(6)数据字典。,5.2 医学仪器通信接口设计,5.2.7 医学影像通信的标准接口,(7)信息交换。(8)网络通信支持下的数据交换 。(9)点村点传输下的信息交换。(10)介质间内部交换的格式和储存介质类型。(11)介质存储的应用层面。(12)介质格式和用于内部交换的物理介质。(13)点对点传输下的打印管理。(14)显示的灰

16、度标准。DICOM解决了数据交换标准化过程中两个关键层面，即数据传输协议与数据格式。,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.1 医学影像信号的标准数据格式,DICOM数据文件一般以.dcm为后缀，DICOM文件头DICOM数据集合数据元素。DICOM数据集合是按照数据结构和 语 义来编写的。,l. 最基本的结构单元一数据元素,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.1 医学影像信号的标准数据格式,(1)标签是一个4字节无符号整数。DICOM所有的数据元素都可以用标签来惟一表示。标签又人为地分两个部分：组号(高价2字节)和元素号(低位2字节)。(2)VR指明了该数据元素中的数据的类型。例如

17、， “DA”*则表示该数据元素中存储的数据为日期型数据；为“FL”，则表示该数据元素中存储的数据为浮点型数据。DICOM中规定了显式和隐式两种传输格式。其中在显式传输时，VR必须存在。在隐式传输时，VR必须省略。(3)数据长度指明该数据元素的数据域个数据的长度(字节数)。(4)数据域中包含了该数据元素的数值。DICOM中所有数据都是以数据元素的形式出现的(除文件头)。,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.1 医学影像信号的标准数据格式,2. DICOM文件头DICOM文件头包含了标识数据集合的相关信息，是必须的。两部分：文件前言和DICOM前缀。它是一个长度为4的字符串“DICM”，可以

18、据此判断一个文件是不是DICOM文件。 3. DICOM数据集合DICOM数据集合是由DICOM数据元素按照指定的顺序依次排列组成的.对于DICOM文件，一般采用显式传输方式，数据元素按照标签从小到大的顺序排列。 4. DICOM SUP.30,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.2 医学生理信号的标准数据格式,1. 医学生理信号格式的要求(1)检验一个数据格式对某一特殊应用是否适应的方法之一，就是看该数据格式支持什么数据类型。(2) 在某些情况下，需要用到浮点数的存储。(3) 人工分析结果大多数以注解的形式保存，这些注解可以是字符形式，也可以是诊断报告的形式，或者是特殊定义的编码；可能

19、是针对某一特定时间段中的数据，也可能是针对所有数据的概括描述(如：诊断报告)。(4) 同样，在某些情况下，图形注解也是必须的。,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.2 医学生理信号的标准数据格式,(5) 数据格式应该支持在同一文件中存征数种不同的采样率。根据需要对数据压缩或不压缩。(6) 支持流媒体(Mream nMdia)方式。数据格式的通用性要好。,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.2 医学生理信号的标准数据格式,(1)CEN/ENV1064(SCP-ECG)标推(2)ASTM1467标准：(3)EDF标准(4)CEN-TC251标准(5)IEEEl073标准及其VITAL-

20、HOME计划,2. 几种重要的生理数据格式标准,5.3 医学数字信号的标准化设计,5.3.2 医学生理信号的标准数据格式,EDF格式应用较广泛。 设计者必须在数据格式支持的类型和复杂度两方面寻找平衡。 需要开发新的标准。,3. 标准的选择,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.1 社区医疗监护网系统设计,(1)分机部分,(2)主机监测站部分,(3)通信方式,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,1. 心电、心率监测心电信号(ECG)取自可穿戴式传感器，心率则从心电信号中提取。,中断引脚上出现下降沿

21、，单片机产生中断,记录此时的定时器值,比较前后两个中断时的定时器值，即可算出该信号的周期,经过适当的平均、平滑再求例数。即可得到心率数据。,该脉冲信号被接至单片机的外部中断引脚，QRS波出现,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,2. GPS信息的接收与串行口通信设计有关GPS：GPS (global position system) 是一种利用卫星进行定位的技术。使用GPS定位，观测简便、成本低，定位精度高。三大部分组成：GPS卫星星座(空间部分)、地面支撑系统(地面控制部分)、用户接收机。GPS换收机(模块)的输出接口都已经标准化，其通信协议与标准的串行通信兼

22、容，TTL信号电平，数据长度为8位，无奇偶位，1位停止位。接收、发送的信息为ASCII码，符合美国国家海洋电子协会(National Marine Electronics Association),5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,单片机接收GPS信息的方法：当串行口工作在方式1时，其波特率将由定时器1的溢出速率决定。因此欲接收GPS信息，必须对串行口和定时器1正确地初始化。将定时器l设置为模式2自动重装模式，定时器工作模式寄存器TMOD(89H)的高4位应为0010。,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,发送和接收完毕处理有两

23、种方法：中断和扫描。中断方式：发送或接收完毕后，将进入中断程序，判断是发送完成还是接收完成，在中断程序中进行下一步操作。扫描方式：必须不断地扫描测试TI、RI，值为1时就进行相应的处理。,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,3. 通过GSM通信网络传输数据,(1)通过GSM数传功能实现生理数据传输的方法：通信的任务内GSM数传模块来完成。,串行口,GSM发送模块,串行口,GSM接收模块,单片机,采用的GSM数传模块的特点。,GSM数传模块通过30针插座与外部连接。 RS232串行通信接口：采用串行异步通信的方式，能自动识别波特率。 在数据传输模式下，GSM数传模

24、块的初始化、功能控制以及数据的通信都是通过RS-232串行异步通信接口进行，因此，与外部的硬件接口相对简单。 但该模块使用的通信协议则相对复杂，所用的命令串包括三部分：开始字符，命令指令和结束字符。,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,(2)单片机系统利用GSM数传模块传输数据的方法： TXD、RXD分别直接连接至GSM模块的RXD、TXD端；发送端另行两个按键连接至P0.0和P0.1，分别控制通信的开始和结束。,单片机串行口的波特率可以任意设置，将单片机串行口设为方式1，波特率为4800bps，1位停止位，无奇偶校验。,数据的传输还可以用短信息的方式进行。,5.4 远程医学仪器设计实例,5.4.2 移动条件下的生理监测设计,4. 信号传输格式设计,