多功能监护仪软件设计

摘 要

　　近年来，随着医疗的改革，家庭保健和社区医院等医疗模式逐渐在医疗领域中兴起。这些医疗模式通过远程医疗技术，有效的缓解了人们看病贵、看病难等问题。基于远程医疗监护的便携式小型多参数生理监护仪得到了广泛应用，这类监护仪更多采用高性能嵌入式操作系统作为平台以提供功能丰富的人机界面和具备较强的网络通信能力。Linux 操作系统以其开源、免费、开发方便等特点，在监护仪中得到了广泛的应用。

　　本课题研究了基于 Linux 的多功能监护仪软件设计方法，该监护仪不仅可以在本地进行实时监护，还可以通过网络进行远程监护。本文从监护仪软件系统需求角度展开，分析了监护仪本控软件的需求和远程服务器软件的需求，并提出相应的方案，主要内容包括以下部分：

　　（1）嵌入式 Linux 操作系统的移植。根据监护仪的硬件和软件需求，对 Linux操作系统的 bootloader、内核和根文件系统进行移植。

　　（2）FPGA 接口总线驱动设计。利用 Linux 系统虚拟内核机制，实现物理设备到用户虚拟地址空间的映射，为应用程序提供操作接口。

　　（3）监护仪的软件设计与实现。根据监护仪的软件需求，分别设计了心电监测功能、血氧监测功能、血压测量功能、体温测量功能以及用于手术后药物控制的输液控制功能。此外，监护仪软件还设计了异常报警、本地存储和远程监护功能。

　　（4）远程服务器的软件设计与实现。远程服务器需要对多个监护仪进行实时监控，因此远程服务器的软件设计需要实现并发响应模式，并且能够对监护仪进行远程操作。

　　本课题设计的基于 Linux 的多功能监护仪的本控软件实现了心电测量功能、血压测量功能、血氧测量功能以及输液控制功能。此外，本课题还设计了远程服务器软件作为监护仪的程控软件，该程控软件实现了对多个监护仪进行集中监护和远程监护功能。

　　关键词：多功能监护仪，远程监护，输液控制，心电，血压

ABSTRACT

　　Recently, with the reform of health care, home health care and community hospitals and other medical model gradually rise in the medical field. Through remote medical technology, the medical model effectively alleviate the problem expensive and difficult to see a doctor. Portable multiparameter physiological monitor based on remote medical monitoring have been developed. This kind of monitor mostly use high performance embedded operating system as a platform to provide rich man-machine interface and network communication function.Linux operating system has been widely used in the monitor by the characteristics of open source, free and easy development.

　　This thesis studies the multi functional monitor software design method based on Linux. The monitor can not only perform real-time monitoring in the local, but also be used for remote monitoring through the network. According to software system demand of the monitor, the thesis introduces the monitor software and the remote server software requirements, and put forward corresponding solution. The main contents of the thesis are as follows:

　　(1) The transplantation of Embedded Linux Operating System. According to the monitor hardware and software requirements, the Linux operating system, bootloader kernel and root file system transplant.

　　(2) The design of FPGA interface bus driver. By using the virtual kernel mechanism of Linux system, the mapping of the physical device to the user's virtual address space is realized, and the operation interface is provided for the application program.

　　(3) The software design and implementation of monitor. According to the demand of the monitor software, the thesis designs the ECG monitoring function, Oxygen monitoring function, blood pressure measurement, temperature measurement function and for post-operative drug infusion control function. In addition, the software is designed to monitor abnormal alarm, local storage and remote monitoring function.

　　(4) The software design and implementation of remote server. The remote server needs to carry on the real-time monitor to monitor, so the software design of the remote server need to implement concurrent response mode, and the ability to monitor remote operation.

　　The software of multi functions monitor based on Linux in the thesis has realized the ECG measurement function, blood pressure measurement, blood oxygen saturation measurement function and infusion control function. In addition, the thesis has also designs a remote server software as programmable software of monitor. The software has realized the centralized monitoring and remote monitoring function on multiple monitors.

　　Keywords: multi function monitor, remote monitoring, device driver, ECG, blood pressure.

　　监护仪能够对人体重要的生理参数有选择性地进行经常性或连续性地检测，并且具有存储、显示、分析和控制功能[1]。如果检测到的生理参数不在正常范围之内，监护仪就会发出报警提醒。多功能监护仪，除了普通监护仪所具有的人体生理参数监测之外，还包括处理用药和监视手术前后病人的状况[2]。和诊断仪器相比，多功能监护仪能够在较长的时间内对病人进行实时监测并检测出病人的生理参数的变化趋势。一旦出现临危情况，医生便可以用这些变化趋势作为应急处理和进行治疗的依据，从而减少病发症，最终达到减缓病情的目的。由于监护仪能够进行实时监测并且迅速准确地掌握病人的情况，一旦病人出现异常，医生便可以在第一时间进行抢救，从而大大地降低死亡率[3]。

　　监护仪能够监测人体生理参数，反映人们的健康状况，同时它还具有操作简单、易于查看和记录、适用的范围和场所广泛等特点。正是监护仪的这些优点使它越来越受到大众的青睐，成为一种需求量很大的医疗设备[4]。但是目前，监护仪大多定位较高，主要用于高级监护和重症监护。在这些应用场合下，监护仪的各项指标要求较高，如参数测量的精度以及测量时间要求。因此，大部分的监护仪制作成本较高，使用费用较为昂贵，而且普及率不高[5]。与重症和高级监护仪不同，本课题所设计的多功能监护仪面向对象为普通大众，主要是用于普通监护和社区监护。与重症和高级监护仪相比，所设计的多功能监护仪对各项生理参数的测量要求有所降低，但是能够满足基本的监护要求。所以，本次设计的监护仪在制作成本和使用费用上都有较大优势。

　　根据监测的生理参数种类，监护仪可分为单一监护功能监护仪和多参数监护仪[6]。单一功能监护仪能够监测某一种生理参数，如血压、心电，而多参数监护仪能够同时监测多种生理参数，包括血压、心电、血氧、体温、呼吸和脉搏等。本文所研制的多功能监护仪，能够同时监测能心电、血氧、血压、体温、脉搏五种生理参数。而单一功能的监护仪仅仅能够监护某一种生理参数，比如血压监护仪只能测量血压，心电监护仪只能进行心电测量。人作为一个整体，身体出现异常状况会对多项生理参数产生影响。所以，往往需要多个生理参数综合在一起才能够较为准确地进行判断。鉴于单一功能监护仪的这个缺陷，本文所研制的多功能监护仪能够同时监测多种生理参数，满足人们多参数监护的需求。

　　与常规的监护仪相比，本文所设计多功能监护仪除了多生理参数的监护功能之外，还有一个独有的输液控制功能。输液控制设计是本次多功能监护仪设计的一个很大的创新点。目前单独的输液控制器已经出现，能够实现输液滴数或输液流速的准确控制。但是，它只是作为一个单独的功能来实现，没有和生理参数的监测功能相结合。在很多情况下，要同时实现输液控制和参数监护，往往需要两台仪器一起工作才能够实现。这样实现不仅较为不便，而且输液和监护功能不能同时协同进行。多功能监护仪将输液和监护功能结合在一起，统一控制，组成一个完整的系统。与生理参数测量不同，输液控制在可靠性和安全性等方面有更为苛刻的要求。

　　在通信方面，本文所设计的多功能监护仪有USB主口和网口两种常用通信接口。一方面，本机存储的病人生理参数监测数据可以通过USB或者网口进行查看；另一方面，通过网口可以实现多台监护仪的统一控制和集中管理。比如说，控制中心可以通过网口监控多个病人的状况，这样就不需要人工查看每个病人监控信息。通过网络控制，能够有效减轻医护人员的工作量，提高医院的工作效率[7]。

　　所以，针对国内监护仪的发展现状，设计一款多参数监护和输液功能结合在一起的多功能监护仪，可以提高我国监护仪的普及率，满足基层医疗单位监护需求。因此，本课题的研究和设计是具有很大的实用价值和现实意义。

　　论文首先对多功能监护仪软件系统需求做出分析，主要包括多功能监护仪的嵌入式系统的需求和软件的需求、远程服务器的软件的需求。嵌入式系统需求主要从多功能监护仪对技术支持、系统成本、网络功能、开发周期以及系统定制能力等方面的要求来展开，最终选择嵌入式 Linux 作为多功能监护仪的软件开发平台；多功能监护仪的软件需求主要包括界面显示、操作控制以及测量结果处理等方面；远程服务器的软件需求界面显示、数值分析、控制多功能监护仪等方面。

　　针对以上的需求，本文主要对多功能监护仪的系统软件和本控软件设计、远程服务器的程控软件设计。系统软件设计主要由 FPGA 接口总线驱动的设计和Linux 操作系统的移植（bootloader、内核以及根文件系统）构成，为监护仪软件提供操作平台；多功能监护仪的软件设计主要由数据采集模块、数据分析模块、网络通信模块、人机交互界面模块、辅助功能模块构成，根据模块划分分别对软件的各个部分进行设计；远程服务器的软件设计由主控模块、网络监听模块、客户交互模块组成。

　　本论文分为七章，具体章节安排如下：

　　第一章：绪论。本章节主要介绍课题的研究背景和多功能监护仪在国内外的发展现状以及论文的研究内容和篇章结构。

　　第二章：多功能监护仪软件总体方案设计。分析了多功能监护仪和远程服务器的软件需求，并且最后确定总体方案：包括多功能监护仪的系统软件的定制和监护软件设计、远程服务器的软件设计。

　　第三章：操作系统移植与驱动设计。本章针对多功能监护仪，系统的阐述了嵌入式 Linux 系统的构建与实现，并详细介绍了 Linux 系统下的驱动设计与实现。

　　第四章：多功能监护仪的本控软件设计与实现。本章将多功能监护仪的本控软件划分为五个模块，分别对各个模块的功能与实现进行详细介绍。。

　　第五章：远程服务器的程控软件设计与实现。本章将远程服务器程控软件划分为主控模块、网络监听模块、客户交互模块，分别对这三个模块的功能与实现进行详细介绍，其中基于波峰定位的心电波形检测算法是本章的重点与难点。

　　第六章：软件功能验证。本章主要对多功能监护仪和远程服务器的软件功能进行验证，并将测得结果与信号模拟器的标准输出值进行比较，从而判断本文设计多功能监护仪和远程服务器的软件是否达到要求。

　　第七章：结论与展望。本章对多功能监护仪软件系统作简要结，并对设计中存在的不足提出修改意见。

　　多功能监护仪软件功能验证：

心电测试实物图

心电 I 导联波形

输液测试实物图

程控软件心电 I 导联波形分析图

程控软件心电 II 导联波形分析图

程控软件心电 III 导联波形分析图

目 录

　　第一章 绪 论
　　　　1.1 研究背景与意义
　　　　1.2 国内外研究现状及发展趋势
　　　　1.3 课题任务与本文主要工作
　　第二章 多功能监护仪软件总体方案设计
　　　　2.1 软件功能需求分析
　　　　2.2 系统工作原理
　　　　2.3 软件总体方案设计
　　　　　　2.3.1 监护仪的本控软件总体方案设计
　　　　　　2.3.2 远程服务器的程控软件总体方案设计
　　　　　　2.3.3 监护仪的驱动程序设计
　　　　2.4 软件设计平台
　　　　　　2.4.1 操作系统的选择
　　　　　　2.4.2 监护仪的用户界面开发环境的选择
　　　　2.5 本章小结
　　第三章 操作系统移植与驱动设计
　　　　3.1 嵌入式 LINUX 系统开发环境搭建
　　　　3.2 嵌入式 LINUX 系统移植
　　　　3.2.1BOOTLOADER 移植
　　　　　　3.2.2 LINUX 内核移植
　　　　　　3.2.3 根文件系统制作
　　　　3.3 驱动设计
　　　　　　3.3.1 驱动执行过程
　　　　　　3.3.2 驱动函数设计实现
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 多功能监护仪的本控软件设计与实现
　　　　4.1 多功能监护仪本控软件概述
　　　　4.2.人机交互模块设计
　　　　　　4.2.1 主界面的设计
　　　　　　4.2.2 系统设置界面设计
　　　　　　4.2.3 PCA 设置界面设计
　　　　4.3.数据采集模块设计
　　　　　　4.3.1 心电数据采集设计
　　　　　　4.3.2 血压数据采集设计
　　　　　　4.3.3 输液控制设计
　　　　　　4.3.4 血氧数据采集设计
　　　　4.4.数据分析模块设计
　　　　　　4.4.1 心电数据分析设计
　　　　　　4.4.2 血压数据分析设计
　　　　　　4.4.3 血氧数据分析设计
　　　　4.5 网络通信模块设计
　　　　　　4.5.1 服务器连接通信设计
　　　　　　4.5.2 服务器命令解析设计
　　　　4.6 辅助功能模块设计
　　　　　　4.6.1 异常报警设计
　　　　　　4.6.2 数据波形存储设计
　　　　4.7 本章小结
　　第五章 远程服务器的监护软件设计与实现
　　　　5.1 概述
　　　　5.2 主控模块设计
　　　　5.3 网络监听模块设计
　　　　5.4 客户交互模块设计
　　　　　　5.4.1 客户 UI 界面模块设计
　　　　　　5.4.2 网络通信模块设计
　　　　　　5.4.3 心电数据分析模块设计
　　　　　　5.4.4 波形存储与回放模块设计
　　　　5.5 本章小结
　　第六章 软件功能验证
　　　　6.1 监护仪软件功能验证
　　　　　　6.1.1 血压测试
　　　　　　6.1.2 心电测试
　　　　　　6.1.3 输液控制测试
　　　　6.2 远程服务器监护软件测试
　　第七章 结论与展望
　　致 谢
　　参考文献
　　附 录
　　攻硕期间取得的研究成果

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