基于移动平台的医疗监护信息传输及显示的设计与实现

【摘 要】以手机作为移动平台，提出医疗监护信息的无线传输与显示方案，设计、实现信息接收与图像显示软件的开发，并在GPRS和Wi-Fi两类无线网络环境下完成测试。测试结果表明，该软件性能稳定，运行情况良好，能够实现监护图像的接收和显示。

【关键词】移动平台 医疗监护 信息传输与显示 GPRS Wi-Fi

1 引言

医疗监护技术经过半个多世纪的发展，现已成为医疗技术中的一个重要分支。监护系统综合了计算机、通信、自动控制、软件编程和传感器等新技术，是现代高科技的产物[1]。

在欧美发达国家，便携式无线医疗监护系统已被广泛使用。20世纪70年代，美国航天局就运用远程移动监护技术对太空中的宇航员进行生理参数监测。在我国，家庭数字医疗监护保健系统已被列入国家“863”计划。目前我国很多医疗监护系统的显示终端采用的是普通商务PDA或者Symbol和Unitech等国外专用终端产品，由于国内真正实用的案例有限以及国外产品的技术垄断，这些设备无法通过软件更新完成升级[2]。此外，由于国内无线网络存在覆盖范围有限、速度慢、安全性不高等问题，只有能高效接收及解析数据包、高灵敏度开闭硬件模块以及流畅平滑绘制图像的移动终端设备，才能满足我国对这类产品的需求[3]。

本文使用搭载Windows Mobile操作系统的手机作为移动终端，开发基于移动平台的监护信息终端，在两类无线网络连接环境下，实现监护图像的接收和显示，为医疗监护系统配套显示设备的进一步研究打下基础，并提供可靠的开发模型和实验数据。

2 设计方案

2.1 功能设计

开发Windows Mobile操作系统下的医疗监护信息显示软件，以手机作为运行的移动终端，在GPRS或Wi-Fi连通的网络环境下接收由数据源发送、服务器转发的医疗监护信息，通过数据包分解、解析和拼接，在手机上成功显示实时波形图像。设计实现的功能包括：具有完整的“登陆选择显示”图形界面，在登录同时实现GPRS自动尝试连接；主界面将病人信息以列表形式呈现给用户，用户自由选择查看某位病人的详细信息；监护信息界面以实时波形图像显示当前查看的病人监护信息；正确解析数据包，实现分割包头、拼接数据实体等；在不同网络环境中正确寻址服务器IP，进行数据交互。

2.2 同类设备对比

通过对现有数据的大量调查，发现现有监护信息显示技术多为基于传统监护仪设备的应用技术，存在距离限制等很多不便，缺少移动平台的监护信息显示设备。此外，现有监护信息显示终端多为国外专用终端产品，搭载软件由国外公司订制，不利于该技术在国内的发展，而且维护和升级成本较高。本设备与其他同类设备（如MASIMO监护仪）的对比如表1所示：

表1 同类设备功能对比

其他终端 本设备

应用终端 传统监护仪器 普通智能手机移动终端

操作系统 监护仪设备厂商选择 Windows Mobile

传输距离 多数为有线网络范围 最大为GPRS覆盖的所有区域

终端数量 数量受有线网络限制，或远程1对1 无数量限制，所有接入网络的手机均可作为终端

维护和升级 成本较高 成本极低

2.3 系统基本模型

系统采用非典型的C/S架构。启动服务器远程软件后，分别监听数据源和发送端两个端口；任意时刻启动数据源软件，与服务器数据源端口连接建立后开始发送监护信息；移动设备在任意时刻启动软件接入网络，由配置文件寻址服务器IP，与发送端端口建立连接后获取数据，在手机上实时显示波形图像。

该非典型C/S架构没有直接将数据源与手机连接，而是将服务器作为数据源和手机端之间信息交换的中介桥。原因是在实际应用中，数据采集设备可能以任何方式将信息到网络或服务器数据库中，其IP是未知值；手机接入网络的方式和IP也是未知的，将两者直接连接存在难以逾越的障碍。设立中介桥就是为了解决该问题，采集设备和手机端分别向固定IP的固定端口发送/接收数据，服务器只需要在本地固定端口上监听活动并给出反应即可。由于增加了服务器中介桥这一关口，在网络规模较大时，本方案设计的中介桥会出现数据同步冲突的问题，因此本方案暂适用于医院内部或局部社区等小规模应用情形。

2.4 结构设计

解决方案包括CompactSector、NetService和SmartDeviceEMSClient 3个类库。CompactSector主要集成波形图像绘制方法，提供图像显示界面的布置生成类和基本绘制过程。NetService集成网络连接和数据接收的主要方法，提供利用Socket访问服务器建立连接、获取数据包、解析数据包、拼接数据内容、传递数据包有用部分辅助CompactSector实例绘制波形图像等诸多方法。SmartDeviceEMSClient类库是程序的核心部分，运行的逻辑流程和跳转控制都包含在这部分中，包括登录界面、主界面、图像显示界面和GPRS自动连接方法；该类库继承了NetService和CompactSector的诸多函数，并提供完整的程序入口和出口。

SmartDeviceEMSClient、CompactSector和NetService 3个类库下属多个功能类，分别完成相应的功能。其中，SmartDeviceEMSClient作为程序核心的逻辑处理类库，包含frmLogin、frmMain、frmWaveView、ucDeviceList和NetWorkLib五个类，分别实现登录界面及GPRS自启动、主窗体显示及功能界面切换、动态波形图像及辅助信息显示、病人信息列表界面和网络通讯及逻辑处理等功能；NetService类库包括IDataPack、ITcpClient、ITcpFactory和SocketInfo四个类，按照逻辑调度依次序完成通讯信道监听、建立并实现通讯、数据包处理和数据处理等功能；CompactSector包括ParameterArea和WaveformArea两个类，在NetService完成数据信息处理后，对有用的数据进行分析并描点实现动态显示波形图像，同时显示侧边栏的辅助信息。

3 实现与结果

3.1 程序流程

由于手机硬件设定的限制，当启动Wi-Fi之后GPRS连接是被强制关闭的，因此程序设计了两种不同版本，分别适用于两种网络环境。

在无Wi-Fi覆盖情况下，程序进入登录界面选择登录之后会立即进行GPRS连接测试，连接成功即跳转进入病人信息列表，向使用者提供病人信息选择功能，完成选择后切换进入病人监护信息显示界面，可以查看到即时动态波形图像。所有界面的切换全部依赖页面的“TopMost”属性设定来实现。GPRS网络环境下程序运行流程如图1所示：

在Wi-Fi覆盖情况下，基础运行流程与GPRS网络条件下的没有差别，不同之处在于Wi-Fi设备需要手工启动，在确保Wi-Fi连接正确的前提下运行程序即可。如果Wi-Fi连接错误，程序将会切换进入空白病人信息显示列表，由使用者再次手工启动Wi-Fi设备并进行连接。Wi-Fi网络环境下程序运行流程如图2所示：

3.2 数据包捕获

（1）继承定义过的网络通讯相关类，并实例化这些类。

（2）启动一个新的Socket并与服务器建立连接。

（3）连接建立后能够立刻开始捕获数据包，能够开辟一段缓冲区来存放这些数据包，并且保证报文的顺序。

3.3 数据包解包

（1）继承定义过的网络通讯相关类，并实例化这些类。

（2）对每一个捕获的数据包分解出它各层的报文头和数据。

（3）合并缓冲区，每次将缓冲区内的两个报文取出进行合并，根据报文类型查找报文头，将第二个报文的报文头截取，完成合并；然后记录第二个报文头，并转入查找第三个报文头。依次循环往复。

（4）将byte型报文数据转为int数据类型，完成报文解析。

3.4 波形图像绘制

主要包括两部分，绘制侧边栏辅助信息和绘制即时波形图像。

（1）继承定义过的图像绘制相关类，并实例化这些类。

（2）使用DrawString函数，将从数据包中解析出的相关辅助信息绘制成图像显示，同时设定这部分内容显示的位置、颜色和尺寸等数据。

（3）使用DrawLine函数，将转换成int型的报文数据作为坐标变量，依次连接这些描点，同时根据设定的偏移量向右移动描点位置，形成动态波形的效果。

3.5 GPRS数据处理模块

实现功能主要依赖coredll.dll动态链接库，在登录时调用相关函数，基本过程如下：

（1）判断当前连接状态，如果GPRS已连接，直接挂起该进程。

（2）直接调用coredll.dll中的建立连接函数，初始化连接状态后建立连接。

表2对比了GPRS和Wi-Fi两种网络连接方式，通过比较说明不同网络条件下选用各自连接方式的理由。

3.6 测试结果

根据设计和需求分析，程序的测试分为以下四个阶段：

（1）基本模型测试阶段

是将手机端与PC服务器通过USB连线连接，测试在基础网络连接情况下通讯状况是否良好。

（2）同网段模型测试阶段

是当服务器主机与手机端接入同一局域网时，测试程序功能是否实现，运行情况是否良好。

（3）跨网段模型测试阶段

由于通过Wi-Fi方式接入网络是依靠无线路由的热点覆盖实现的，如果需要使用Wi-Fi网络实现功能，特别是当服务器主机与手机端接入不同局域网时，目的地址的内网IP会存在重复、冲突等情况；此时需要首先为各级路由器设定访问端口号与下属主机IP的映射关系，才能保证程序功能的完整实现。该测试模型适用于如医院内部的小范围环境。

（4）GPRS模型测试阶段

该模型完全脱离局域网的束缚，通过GPRS网络连接服务器主机与手机端，测试户外局部社区环境程序功能。该模型适用于GPRS网络覆盖范围内的多数环境，基本符合实际应用情况。

上述四类模型的测试结果均比较理想，测试效果如图3所示。各类模型的测试指标情况如表3所示，测试数据来源均为数据产生模拟器软件（M）。

4 结论

本软件的用户界面友好，可以在GPRS和Wi-Fi两种网络环境下与服务器连接通讯，实时地显示监护波形。经过测试，软件性能稳定，运行情况良好，基本实现研究分析过程中提出的各项功能。其特点如下：

（1）准确：正确解析接收到的每个数据包，避免出现解析失败而导致波形图像无法显示，在测试阶段数据接收的平均准确率是88.75%。

（2）即时：在收到数据包后立刻将其显示为波形图像，在不同网络条件下的延时情况有所不同，目前出现的最大延时是6秒，略高于市面上常见的GPRS网络应用软件[4]。

（3）易用：程序操作方便，界面简洁，采用Windows Mobile默认的界面风格与使用者交互。

（4）易维护：各界面、功能模块的作用明确，方便进行功能扩展或者修改。-（5）易升级：程序与Windows Mobile版本无关，可以将程序升级到不同版本的Windows Mobile操作系统下运行。

本软件存在的问题和不足，如网络寻址方法繁琐、网络连接不够智能等，究其原因，一部分是由于Windows Mobile操作系统本身的设计限制或者手机硬件限制造成的。

随着研究的逐渐深入，本设计实现的基于移动平台的医疗监护信息显示程序的功能将逐渐丰富、完善，应用范围将更加广泛。

参考文献：

[1] 严汉民，黄冈，乔磊. 医疗监护技术的现状和发展趋势[J]. 医疗设备信息， 2005，20（5）： 1-4.

[2] 周炳坤，张跃，赵醍. 基于PDA的无线心电监护系统的设计与实现[J]. 医疗卫生装备， 2007，28（10）： 18-20.

[3] 蒙俊甫. 基于嵌入式的医疗监护PDA无线终端设计[D]. 成都： 成都理工大学， 2010.

[4] 曾松伟，刘敬彪，周巧娣，等. GPRS在远程医疗监护系统中的应用研究[J]. 计算机工程与设计， 2007，28（8）： 1947-1949.

[5] 任义. 基于Windows Mobile的急救车调度导航系统的设计与实现[D]. 长沙： 中南大学， 2007.

[6] 周笑，李明，卜佳俊，等. 移动远程医疗监护系统的设计与实现[J]. 计算机工程， 2010，36（10）： 251-253.