心电数据转换与远程传输的方法研究

王胜军，艾育华，郑峰，候明扬，沈增贵，刘曼芳，耿仁文

南方医科大学南方医院，a.设备器材科；b.信息科；c.院办，广东 广州 510515

1 研究背景

随着人类社会健康观念更新、疾病谱改变、老龄化社会到来及医学模式的转变，以医院为中心的模式必然会回归到以预防为主、以社区医疗（含家庭和个人保健）为中心的模式上来[1]。这对医疗仪器的研究和设计者提出了新的要求和挑战。

近年来，心脏病的发病率和死亡率不断上升，已成为威胁人类生命健康的主要疾病。心电图（ECG）检查是与心脏病作斗争的重要手段。基层医院由于医疗水平所限，难以满足当地病患对于心脏病诊疗的需求。而大型医院的资源有限，无法做到对众多可疑的心脏病人同时实行有效的监护，且一般病人也无法承担在院长期监护的高额费用。因此，建立可有效延伸到乡镇、社区等基层医疗机构和家庭的远程心电监护与救治体系，是提高心血管疾病防治水平的有效途径。

对于社区、乡镇与中小市县医疗机构，无论从国内外成功案例、研究成果以及未来发展趋势看，毫无疑问将在整个医疗体系中发挥越来越大的作用。这主要体现在四个方面：一是随着社区、乡镇与中小市县医护人员和网点的增多，使老百姓易于就近获得医疗服务；二是随着社区、乡镇与中小市县医护人员的医疗水平得到稳步提高，使老百姓信任并自愿选择就近医疗；三是对术后患者的康复护理治疗，社区医护具有天然优势，可使老百姓主动接受社区医护服务；四是随着我国老龄社会的来临，越来越多的老年人必然依靠社区医护服务。这对心电远程监护提出了新的要求。

许多研究者对远程心电监护进行了研究[2-6]，其主要内容是采集心电数据、通过GPRS或CDMA发送到心电监护中心，监护中心进行诊断后再将反馈信息发送回采集终端。刘星等人[4]的研究还用到了PDA，心电采集终端把数据以蓝牙方式发送到PDA，PDA再通过GPRS数据发送模块把数据发送出去。这些研究所用到的心电数据格式是自定义的，数据格式的不同使心电终端与其他监护中心、各个监护中心之间的数据交换成为一个问题。

为了解决基层医疗机构与大型医院之间远程医疗中ECG数据的传输问题，我们的方案是从心电图机提取病人的ECG数据，转换为统一的格式，通过医院的图片存档及通信系统（PACS）和远程医学服务器，发送到大型医院的监护中心；监护中心建有数据库，可以存贮病人的数据，医生可通过网页浏览、注释，病人可通过网页查询。

2 主流ECG数据标准的对比

目前，主流心电图机采用的数据格式主要有SCPECG、HL7 aECG和DICOM。DICOM可实现医学影像信息的处理、保存和传输等功能，并且从 3.0 版起支持 ECG、血液动力学和电生理学波形数据的管理，但没有一个具有普遍性的波形数据管理标准，如还未实现对 ECG 的标准操作程序，因此使系统的扩展复杂化[7]。

SCP-ECG是一种专为传输存储标准ECG数据而制定的协议，其目的是使得不同厂家生产的心电图机之间以及数字心电图机和心电数据管理系统之间实现ECG数据交换和传输。2002年欧盟正式批准SCP-ECG成为医疗设备通讯的国际标准（EN ISO 11073）的一部分[8]。

SCP-ECG 定义了用于交换的心电数据的内容和格式，用于控制不同工作站和用户间的数据流的查询；用于控制消息以及在数字心电图机和 ECG 管理系统间的低层传输协议，可实现数据的大比例压缩（无损、有损均可），对于心电的处理和传输非常成功，但它不具备对其他信息的标准化功能。SCP-ECG标准的创立为心电信息的交流奠定了基础，由于心电信息种类十分繁杂庞大，SCP-ECG标准到目前为止并不完善，因为它只支持静态心电信息，不支持信号平均心电即晚电位信息，不支持动态心电信息（HOLTER）和运动心电信息（Exercise ECG）等。

HL7 的主要目的是要发展各型医疗信息系统间的通讯，是临床、银行、保险、管理、行政及检验等各项电子资料的通讯标准。HL7 通信协议汇集了不同厂商用来设计应用软件之间界面的标准格式，它允许各个医疗机构不同的系统之间进行重要资料的通信。HL7心电图注释标准（HL7 Annotation ECG，HL7 aECG）是HL7工作组响应美国FDA对于ECG波形和注释信息交流标准的要求，在2004年1月通过的ECG通信标准，也叫FDA XML格式。

HL7 aECG采用XML作为数据存储格式，提供了包括心电图波形和注释信息在内的心电信息表达、存储标准。XML是可扩展的标记语言，是一套定义语义标记的规则。用户可以根据需要定义自己的标记。虽然这些标记在意义上具有相当的灵活性，但这些标记必须根据某些通用或特定的原理来创建，HL7 aECG标准正是规定了创建用于存储ECG数据的XML标记的原理，并且详细说明了这些标记的意义。HL7 aECG标准通过提供XML schema文件来规定数据文件中元素的组织结构，并在使用说明文档中详细介绍了各元素代表的数据内容。

HL7 aECG XML schema文件定义了元素组织结构参见相关文献[9]。

通过对以上几种主要医学标准中 ECG 信号标准的比较分析，综合考虑其可拓展性和可行性及DICOM标准在医院PACS系统中的广泛应用，为了与其对接并最大限度地利用已有资源，选用DICOM标准作为远程ECG数据传输的数据标准。

3 ECGToolkit简介

ECGToolkit是开源的软件工具，可以完成ECG数据的转换、查看、打印，并具有与医院PACS通信的功能。它是使用C# net 1.1和2.0开发的，支持的ECG数据格式包括SCP-ECG、DICOM和HL7 aECG等。

在上述功能中，都用到项目ECGConversion，它的功能是完成不同ECG数据格式的转换。在ECGConversion中，有IECGReader抽象类，用于读取某种ECG，它定义了Read()方法，返回格式为IECGFormat。对于不同的数据格式，重写了相应的类和方法（图 1）。如SCPReader、RawECGReader、UnknownECGReader（读取所支持格式的类），都重写了Read()方法。

类似地，不同的数据格式也重写了抽象类IECGFormat，得到了 SCPFormat 、RawECGFormat、 CSVFormat等类（图2），用来存贮读取的ECG数据，并将其解析为标准格式。这些Format类要选择如下接口：ISignal, IDemographic,IDiagnostic, IGlobalMeasurement，分别用来完成ECG波形数据、病人/医疗机构相关信息、诊断信息、ECG测量信息的标准解析。

在进行ECG数据格式转换时，先将源文件读入，成为一个Format对象（如SCP-ECG文件读入为SCPFormat对象），由Convert类将其转换为目标Format对象，再生成对应的文件。

在项目ECGConversion中，可完成RAW（原始数据）、CSV（Excel数据）和SCP-ECG数据之间的转换。ECGToolkit中，扩展了3个项目：将HL7 aECG、DICOM和PDF也扩展为可转换的数据格式。

如 上 所 述，ECGToolkit可 将 RAW、CSV、SCP-ECG、aECG、DICOM和PDF等格式的ECG数据互相转换。对于不在上述格式范围内的特定厂家的心电数据，需开发专用的项目，来完成这个功能。

4 将MAC5500心电数据转换为HL7 aECG格式的方法

MAC5500的数据采用XML文件存贮，其格式不属于上述6种格式，要将其转换为DICOM格式，我们开发了专用的项目MAC。

4.1 从MAC5500心电图机获取ECG数据

（1）建立心电图机与PC机之间的串口连接，PC机做好接收数据的准备。

（2）在MAC5500上选择串口传输方法后，选择要传输的病人的文件，然后发送。

（3）PC机即可接收到ECG数据文件。

4.2 ECG数据文件的解析与转换

为了以DICOM格式发送文件，需对得到的ECG数据文件进行解析和转换。

MAC5500有 restecg.dtd、restecgfield.dtd、I2.dtd和I2FIELD.dtd等文件，用于规定XML数据文件的格式。DTD文件实际上可以看作一个或多个XML文件的模板，这些XML文件中的元素、元素的属性、元素的排列方式/顺序、元素能够包含的内容等，都必须符合DTD中的定义。XML文件中的元素，是根据我们应用的实际情况来创建的。ECG数据文件的解析和转换过程，实际就是在MAC5500 XML文件中找到标记，提取出被标记的内容，生成MACFormat对象（MACFormat类是IFormat抽象类的子类），然后由Convert类将其转换为DICOM格式（实际上可以与上述6种格式任意互相转换）。

值得注意的是，MAC5500的波形数据进行了BASE64的编码，在完成ISignal接口对心电数据进行解析时需对其进行相应的解码，再将两个字节的数据按照低字节、高字节的顺序合成一个数据。把BASE64编码的心电字符串string解码为数组的流程如下：

（1）查找并去除string中的 “ ”“ ”“s” ；

（2）获取string中“=”之前的部分；

（3）依次取出string中的单个字符，查BASE64编码表，得到6位二进制数，转换为布尔数组，并将其反向；

（4）将上述布尔数组拼接在一起；

（5）每次取出8个布尔值，反向，转换成整数，形成U8数组；

（6）每次取出两个整数，按低8位，高8位形成一个I16整数，形成I16数组。

经过上述的解析和转换后，得到的DICOM格式的心电数据可以用来进行远程传输和心电波形再现。

5 结束语

远程心电传输是目前的研究热点，为了便于不同系统的对接、交流，选择并且兼容标准的心电数据格式非常重要。本研究综合了各标准本身的性能及其应用的广泛程度，选择了DICOM作为标准。开源软件ECGToolkit具有开放的架构，适宜作为相关开发的平台，我们在这个平台上开发了针对MAC5500心电图机的MAC项目，完成了心电的提取、转换和传输，达到了预期的效果。

[1]邓亲恺.现代医学仪器设计原理[M].北京:科学出版社,2004.

[2]焦腾,董秀珍,张坤,等.基于GPRS网络的远程心电监护系统[J].电子工程师,2008,34(11):78-80.

[3]李婧,刘知贵,李彬.远程心电监测系统的研究与设计[J].现代电子技术,2008,31(15):107-110.

[4]刘星,陈希超,汪觉民,等.远程心电监护系统的设计与开发[J].医疗卫生装备,2007,28(11):55-56.

[5]王鸿鹏,闫晓伟,杨孝宗.基于CDMA1X的远程心电监护系统的研究与设计[J].计算机工程与设计,2006,27(18):3324-3327.

[6]王美霞,李章勇.基于GPRS的远程心电监护系统的研制[J].中国医学物理学杂志,2006,23(6):434-436.

[7]曹玉珍,刘挺,余辉.应用 HL7 标准实现心电数据交互[J].计算机工程与应用,2009,45(9):74-76.

[8]邱四海,曾永华.心电数据管理系统中标准数据格式的分析[J].生物医学工程学进展,2010,31(2):63-67.

[9]Brown B D,Badilini F.HL7 aECG implementation suide[EB/OL](2005-09-26)[2012-07-31].Http://www.amps-lie.com/UsefulDocs/aECG_Implementation_Gmde.pdf.

[10]金安,安刚,赵华,等.无线心电监测系统的设计[J].中国医疗设备,2009,24(11):30-31.