喻 曉,夏 澎

1(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系,佛山 528137)

2(廣州市保倫電子有限公司,廣州 511400)

基于Qt的便攜式心電監(jiān)護(hù)儀GUI應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)①

喻 曉1,夏 澎2

1(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息系,佛山 528137)

2(廣州市保倫電子有限公司,廣州 511400)

便攜式心電監(jiān)護(hù)設(shè)備是現(xiàn)代化醫(yī)院、社區(qū)、家庭不可缺少的醫(yī)療設(shè)備.本文采用圖形界面GUI開發(fā)軟件Qtopia Core設(shè)計(jì)了操作簡單、人機(jī)友好的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面,該人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析、存儲以及傳輸?shù)裙δ?最后通過實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性.

心電監(jiān)護(hù);QRS波檢測;Qtopia Core

心電監(jiān)護(hù)設(shè)備能夠?qū)Σ∪诉M(jìn)行長時(shí)間的、連續(xù)的自動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)護(hù),并且能夠提供多種心電參數(shù)的測量和分析,有利于醫(yī)生及時(shí)了解患者的病情變化,是現(xiàn)代化醫(yī)院、社區(qū)、家庭不可缺少的醫(yī)療設(shè)備[1].隨著科技水平的不斷提高,人們對該設(shè)備的操控性也提出了更高的要求.為方便用戶使用,設(shè)計(jì)具有良好圖形用戶接口(Graphical User Interface,GUI)的儀器設(shè)備將是未來的發(fā)展方向.

現(xiàn)代操作系統(tǒng)一般都提供圖形化的操作界面,這種GUI系統(tǒng)一般由視窗、圖標(biāo)、菜單、對話框及其他一些可視特征組成,它允許終端用戶方面的利用鼠標(biāo)和鍵盤操作電腦.目前,便攜式心電監(jiān)護(hù)儀所使用的操作系統(tǒng)大多是都是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng),根據(jù)嵌入式Linux系統(tǒng)的硬件條件,需要選擇一個(gè)高性能、輕量級的GUI系統(tǒng).目前常見的面向嵌入式 Linux的 GUI系統(tǒng)主要有 Qtopia Core、Micro Windows、Tiny X以及國內(nèi)的MiniGUI等.其中, Qtopia Core是挪威Trolltech公司發(fā)布的一款基于嵌入式Linux的面向單一應(yīng)用的嵌入式產(chǎn)品的Qt開發(fā)平臺,它的前身是Qt/Embedded(常簡稱為Qt/E)[2].Qt是一種C++跨平臺開發(fā)工具,具有一次編程,多平臺運(yùn)行的優(yōu)點(diǎn).

因此,本文采用GUI開發(fā)軟件Qtopia Core設(shè)計(jì)了操作簡單、人機(jī)友好的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)界面,該人機(jī)交互界面可實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示、分析、存儲以及傳輸?shù)裙δ?

1 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對便攜式心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的需求分析,可以將該系統(tǒng)分為五個(gè)功能模塊,其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.分別是主控模塊、參數(shù)設(shè)置定模塊、實(shí)時(shí)任務(wù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和傳輸通信模塊.各功能模塊在各自獨(dú)立完成系統(tǒng)所分配任務(wù)的同時(shí)又可以通過系統(tǒng)的框架協(xié)議進(jìn)行聯(lián)系.

圖1 功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊的設(shè)計(jì)目的是為了使各模塊在系統(tǒng)的框架下協(xié)調(diào)工作和相互通信,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互.

當(dāng)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上電初始化后,顯示監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面.在主控模塊上設(shè)計(jì)了各類功能按鈕,通過點(diǎn)擊各個(gè)功能按鈕,主控模塊對按鈕的動(dòng)作進(jìn)行響應(yīng),并進(jìn)行調(diào)度.通過QT的信號與槽機(jī)制,主控模塊和各個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)通信.通過QT的多線程編程,實(shí)現(xiàn)多個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)同時(shí)進(jìn)行.本文設(shè)計(jì)的心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面如圖2所示.

圖2 Web信息抽取流程

2.2 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊用于設(shè)置監(jiān)護(hù)儀的一些必要參數(shù)和病人的相關(guān)信息.本系統(tǒng)將參數(shù)設(shè)置部分分為四個(gè)類別:病人信息設(shè)置、ECG設(shè)置、網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、存儲設(shè)置.

為錄入及共享住院病人信息,本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了病人信息設(shè)置這一項(xiàng).病人信息設(shè)置包括入院科室、病人病歷號、床號、姓名、性別、年齡、主治醫(yī)生、身高體重、血型以及入院時(shí)間、出生日期,病人類別等信息.病人信息設(shè)置窗口如圖3所示.

圖3 病人信息設(shè)置窗口

ECG設(shè)置包括導(dǎo)聯(lián)設(shè)置和報(bào)警設(shè)置.可以選擇3導(dǎo)聯(lián)或者 5導(dǎo)聯(lián),在設(shè)置中選擇相應(yīng)的導(dǎo)聯(lián).同時(shí)還可以進(jìn)行報(bào)警級別設(shè)置、心率報(bào)警上下限的設(shè)置、波形滾動(dòng)速度的設(shè)置.ECG設(shè)置窗口如圖4所示.

圖4 ECG設(shè)置窗口

為了實(shí)現(xiàn)心電監(jiān)護(hù)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程心電監(jiān)護(hù),就必須要求監(jiān)護(hù)終端和中央監(jiān)護(hù)中心能夠進(jìn)行通信,因此在通信之前,必須進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置.網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置主要包括終端IP的設(shè)置、監(jiān)護(hù)中心的IP設(shè)置、網(wǎng)關(guān)、子網(wǎng)掩碼的設(shè)置.

存儲設(shè)置主要是設(shè)置存儲位置,可以將心電數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)的NAND FLASH里,也可以將其存儲在SD卡里.網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和存儲設(shè)置的界面分別如圖5、圖6所示.

圖5 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置窗口

圖6 存儲設(shè)置窗口

2.3 實(shí)時(shí)任務(wù)模塊

實(shí)時(shí)任務(wù)模塊是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn).當(dāng)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)完成初始化設(shè)置進(jìn)入工作狀態(tài)后,實(shí)時(shí)任務(wù)模塊將實(shí)現(xiàn)對心電信號的采集、波形的顯示以及心電數(shù)據(jù)的分析,如進(jìn)行QRS波群的檢測,提取心電特征信息,將分析結(jié)果在顯示終端上進(jìn)行呈現(xiàn).因此,實(shí)時(shí)任務(wù)模塊主要包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析三個(gè)部分.本系統(tǒng)中分別通過三個(gè)線程來完成數(shù)據(jù)的采集、顯示和分析.

首先通過實(shí)時(shí)采集線程采集心電信號,從 A/D轉(zhuǎn)換器得到三通道的數(shù)據(jù)并存入數(shù)組中.再經(jīng)過平滑濾波,濾除50HZ的工頻干擾,顯示光滑的心電波形.當(dāng)數(shù)組中存儲了5s的數(shù)據(jù)時(shí),通過心電檢測線程檢測QRS波群,提取出心電特征信息,并在系統(tǒng)界面上顯示分析結(jié)果.本系統(tǒng)主要完成心率的提取計(jì)算以及心率失常分析.實(shí)時(shí)任務(wù)模塊的流程圖如圖7所示.

圖7 實(shí)時(shí)任務(wù)模塊流程圖

2.3.1 實(shí)時(shí)任務(wù)模塊流程圖

Qt的應(yīng)用程序提供了一種非常方便的定時(shí)機(jī)制,本系統(tǒng)心電信號采集就是利用該定時(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣.定時(shí)器遵循信號與槽的機(jī)制,當(dāng)定時(shí)器信號到期時(shí),觸發(fā)槽函數(shù)運(yùn)行.本系統(tǒng)在主界面main_widget類中定義了一個(gè)定時(shí)器display_caiji_timer和連接函數(shù),為了使采樣頻率達(dá)到200HZ,定義定時(shí)器的時(shí)間間隔為5ms,即每隔5ms觸發(fā)一次槽函數(shù)display_caiji()代碼如下:

2.3.2 心電信號的顯示

心電信號的顯示包括心電數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示和心電的波形顯示.

1)心電數(shù)據(jù)的數(shù)值顯示

通過心電分析線程檢測出 QRS波群、P波、T波等,提取出心電信號的特征信息,即為心電數(shù)據(jù),其包括心率、P波寬度、T波寬度、QRS波寬度、QT間期、ST間期、PR間期、ST偏移量.系統(tǒng)主要完成心率的提取計(jì)算.

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)Dataxd類來實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的更新顯示.為了達(dá)到實(shí)時(shí)更新顯示心電特征數(shù)據(jù),在顯示界面Data_widget類中,定義了一個(gè)定時(shí)器display_ data_timer和連接函數(shù),且定義定時(shí)器的時(shí)間間隔是5s,即每隔5s觸發(fā)一次槽函數(shù),槽函數(shù)display_data()代碼如下:

每當(dāng)槽函數(shù)display_data()被觸發(fā)時(shí),首先調(diào)用qrs(int data),將采集到的數(shù)據(jù)按照qrs(int data)中的心率計(jì)算公式,計(jì)算得到心率data1,然后調(diào)用Qt里的庫函數(shù)display(int),將心率結(jié)果顯示出來.不斷循環(huán)定時(shí)就能將數(shù)據(jù)正常顯示.

2)心電的波形顯示

心電波形的顯示主要通過繪圖的方式將心電數(shù)據(jù)以波形的方式在系統(tǒng)界面上顯示出來.心電波形的繪圖方案有兩種,即移屏式與掃描式[3],本系統(tǒng)中采用掃描式.

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)wave類來實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)界面上繪制波形的功能,該類是繼承Qt中的窗口組件類QWidget.在繪制波形時(shí),也是采用定時(shí)器定時(shí)機(jī)制.在主界面 main_widget類中定義了一個(gè)定時(shí)器display_curve_timer和連接函數(shù),且定義定時(shí)器的時(shí)間間隔為 10ms,即每隔 10ms觸發(fā)一次槽函數(shù)display_wave()代碼如下:

槽函數(shù)display_wave()是win_wave類的成員函數(shù),在display_wave()中調(diào)用了wave對象的成員函數(shù)draw (int data)來畫波形,而draw(int data)先調(diào)用hmap(int data),采集到數(shù)據(jù)通過hmap(int data)中的公式轉(zhuǎn)換后賦值給data1,然后調(diào)用drawbar()繪制掃描線,調(diào)用change_t()將掃描線的橫坐標(biāo)加1,用語句p.drawLine (x+t-1,y+hmap(data0)-1,x+t,y+Hmap(data1)-1);和change_t()將當(dāng)前點(diǎn)與前一點(diǎn)直線相連,不斷循環(huán)這一過程,就形成了顯示屏上的動(dòng)態(tài)波形.

2.3.3 心電數(shù)據(jù)的分析

心電信號基本上都包括一個(gè)P波、一個(gè)QRS波群和一個(gè)T波,有時(shí)在T波之后還出現(xiàn)一個(gè)小的U波[4],如圖8所示.

圖8 典型的心電波形圖

心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主要是通過心電電極采集心電信號,經(jīng)過放大,濾波,送入心電處理器系統(tǒng)內(nèi),然后實(shí)時(shí)顯示出心電波形.QRS波檢測是提取心電信號的特征信息,供醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行心電分析的首要問題.分析計(jì)算的特征參數(shù)包括:心率(HR)、P波寬度(PWidth)、T波寬度(TWidth)、QRS波寬度(QRSWidth)、QT間期(QTInterval)、 ST 間 期 (STInterval)、 PR 間 期(PRInterval)、ST偏移量.鑒于篇幅,本文主要介紹QRS波群的檢測和HR的提取計(jì)算,其余參數(shù)如T波、P波寬度分析計(jì)算可參考相關(guān)文獻(xiàn)[5].

利用R波檢測算法可以檢測到R波幅值的極大值點(diǎn),利用這些極大值點(diǎn)找出所測量的心電波形的周期,選取一個(gè)周期進(jìn)行判斷,找出一些特征點(diǎn),如QRS的長度,P波、T波的寬度、R_R間期等,根據(jù)所得到的特征值判斷病人的健康狀況.其中,瞬時(shí)心率HR的計(jì)算公式如式(1).

圖9 R波檢測流程圖

根據(jù)上面的公式就可以算出瞬時(shí)心率HR,式中Sample_rate表示心電信號采樣頻率,R_R間期為兩個(gè)相鄰R波之間的間隔時(shí)間.通過QRS波的檢測,就可以得到R_R間期,取相鄰四個(gè) R_R間期的平均值作為R_R間期.計(jì)算得到HR后,就可以判斷心率是正常、過快還是過慢,以提供給醫(yī)生分析參考.

2.3.4 數(shù)據(jù)存儲和傳輸打印模塊

將數(shù)據(jù)采集并處理完畢后,需將其保存以供分析及打印.本文設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)存儲模塊,以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保存心電數(shù)據(jù)的結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)心電數(shù)據(jù)的查詢回放以及數(shù)據(jù)分析.

程序中定義stru_termidatat結(jié)構(gòu)體,用于保存數(shù)據(jù).當(dāng)數(shù)據(jù)經(jīng)過采集處理并完成顯示后,觸發(fā)數(shù)據(jù)保存函數(shù),將最終檢測結(jié)果的數(shù)值保存起來.以上數(shù)據(jù)是存儲在NANDFLASH中,本系統(tǒng)心電數(shù)據(jù)還可以存儲在SD卡中.SD卡具有體積小、容量大、價(jià)格低廉、可攜帶的特點(diǎn),因此,使用 SD卡,可以存儲大量的心電數(shù)據(jù),更有利于醫(yī)生分析病人心電的變化.

按下“存儲”按鈕,系統(tǒng)會按照存儲設(shè)置進(jìn)行存儲.當(dāng)設(shè)置為 SD卡存儲時(shí),插入SD卡,系統(tǒng)會自動(dòng)識別并掛載SD卡,在SD卡里創(chuàng)建并打開數(shù)據(jù)文件,并將心電數(shù)據(jù)存儲在文件里面.心電數(shù)據(jù)存儲的流程圖如圖10所示.

圖10 心電數(shù)據(jù)存儲的流程圖

在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲之后,用戶可根據(jù)情況對其進(jìn)行打印輸出或者通過串口、網(wǎng)線等形式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了傳輸通信模塊,以完成打印功能.

設(shè)計(jì)中,將數(shù)據(jù)的輸出接在異步串行接口UART上,其實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)主控制平臺與打印機(jī)或者外部系統(tǒng)之間的串口通信.系統(tǒng)在串口傳輸程序中,采用了中斷方式,來實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸,達(dá)到實(shí)時(shí)控制的目的.串口程序數(shù)據(jù)發(fā)送過程為:將保存的檢測數(shù)據(jù)結(jié)果調(diào)出,并以數(shù)組的方式放置在SDRAM中,然后再將調(diào)用Uart_Setdata()函數(shù)發(fā)送字符,用以完成數(shù)據(jù)的傳輸工作.串口打印數(shù)據(jù)流程圖如圖11所示.

圖11 串口打印數(shù)據(jù)流程圖

3 實(shí)驗(yàn)測試與結(jié)果分析

為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的準(zhǔn)確性,在實(shí)驗(yàn)階段,采用模擬心電信號發(fā)生器產(chǎn)生各種心電信號,用本系統(tǒng)進(jìn)行采集.圖12為本心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖.

圖12 心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)硬件平臺結(jié)構(gòu)圖

開機(jī)后,進(jìn)入心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)主界面,點(diǎn)擊監(jiān)護(hù)界面上的“啟動(dòng)監(jiān)護(hù)”鍵,并打開模擬心電發(fā)生器,設(shè)置心率為79次/分鐘,幅度為1mv,系統(tǒng)開始采集心電信號并在監(jiān)護(hù)界面上顯示心電波形和心電信號的特征參數(shù),此時(shí)顯示心率為79次/分,并顯示心率正常.如圖13所示.

圖13 心率正常顯示圖

改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率,設(shè)置為40次/分鐘,查看心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)護(hù)界面,此時(shí),心率欄顯示40次/分,并在分析結(jié)果欄顯示心率過慢.如圖14所示.

圖14 心率過慢顯示圖

接著再次改變模擬心電發(fā)生器上的心電心率的頻率,設(shè)置為144次/分鐘,觀察監(jiān)護(hù)界面波形的變化情況,此時(shí)心率顯示142次/分,并顯示心率過快.如圖15所示.

圖15 心率過快顯示圖

按照上面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行10次,得到10組心電率數(shù)據(jù),如表1所示.將監(jiān)護(hù)系統(tǒng)上顯示的心率與模擬心電發(fā)生器的心率進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)檢測得到的心率與產(chǎn)生的心率基本一致.

表1 心率檢測結(jié)果

同時(shí),還對本系統(tǒng)的其他功能進(jìn)行了測試.測試結(jié)果表明本系統(tǒng)能夠正常設(shè)置各種參數(shù),進(jìn)行正常存儲數(shù)據(jù)、報(bào)警、凍結(jié)、解凍當(dāng)前心電界面,并且能夠長時(shí)間穩(wěn)定、準(zhǔn)確的進(jìn)行監(jiān)護(hù).通過以上的實(shí)驗(yàn),證明本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的要求,能夠進(jìn)行正常、可靠的心電波形顯示.

4 結(jié)語

本文中心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試,是通過采集模擬心電發(fā)生器產(chǎn)生的心電信號來進(jìn)行.本系統(tǒng)采用的QRS檢測算法能夠準(zhǔn)確檢測到QRS波群并進(jìn)行心率的提取,基本實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能.從實(shí)驗(yàn)的效果看,該系統(tǒng)工作性能良好,運(yùn)行穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)的結(jié)果證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性,有一定的實(shí)用價(jià)值,而且適應(yīng)性較好,易于推廣應(yīng)用.

1黃澍濤.醫(yī)用監(jiān)護(hù)儀的臨床應(yīng)用與發(fā)展特點(diǎn).中國醫(yī)療設(shè)備,2011,(2):59–61,156.

2劉偉民,韓斌,李征.基于Linux的數(shù)據(jù)采集及在QT界面的顯示.微計(jì)算機(jī)信息,2008,24(8-1):97–99

3劉莉.多參數(shù)監(jiān)護(hù)儀的研制[碩士學(xué)位論文].桂林:桂林電子科技大學(xué),2007.

4姚歡,王建鋼.ECG信號QRS波群檢測算法的進(jìn)展.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2012,12(20):3988–3991

5楊守祥.基于小波變換的心電信號預(yù)處理及特征參數(shù)檢測方法研究[碩士學(xué)位論文].蘭州:蘭州理工大學(xué),2014.

Design of GUI for ECG monitoring System Based on Qtopia Core

YU Xiao1,XIAPeng2

1(Department of Electronic and Information,Foshan Polytechnic,Foshan 528137,China)
2(Guangzhou ITC Electronic Co.Ltd.,Guangzhou 511400,China)

The ECG monitor is an indispensable medical instrument for modern hospitals,communities and families.In this paper,GUI development software Qtopia Core is used to design a simple and human-friendly interface for ECG monitoring system.This interface is realized the functions of data acquisition,processing,display,analysis,storage and transmission of ECG data etc.Finally,the experiments verify the effectiveness of the system.

ECG monitoring;QRS wave detection;Qtopia Core

2016-09-06;收到修改稿時(shí)間:2016-10-19

10.15888/j.cnki.csa.005766