基于DCOM的分布式HRV分析系统的开发研究
作者：林岚 徐邦荃 周云波 江小平
单位：华中理工大学 (430074)
关键词：HRV(心率变异)；DCOM(分布式组件对象模型)；COM(组件对象模型)；Internet
中国医疗器械杂志990603 提要 介绍了分布式构件对象模型(DCOM)，使用网络通信协议代替本地进程通信来达到分布式计算的目的.介绍了HRV分析的具体意义，并对所开发的分布式HRV系统进行了介绍.
The Research of Distributed HRV Analysis System Based o n DCOM
Lin Lan Xu Banquan Zhou Yunbo Jiang Xiaopin
, 百拇医药 Huazhong University of Science & Technology
ABSTRACT This article introduces the meaning of Distribute d Component Object Model(DCOM),which used network communication protocol to repl ace the local process communication to reach the aim of Distributed Computing,th en it discusses the significance of HRV analysis,and finally it presents the sys tem we developed.
KEY WORDS HRV DCOM COM Internet
, http://www.100md.com 在过去的二十年中，医学科学与技术的进步极大地提高了健康护理的质量，与此同时，愈来愈多的健康服务需求正在耗尽有限的医学资源。因此，所有的工业化国家都在发展远程医疗服务来满足日益增长的需求。这就对医学计算提出了越来越高的要求。
医学计算的发展经历了三个时代：
① 单机时代：计算主要在单机上完成。
② 客户-服务时代：计算主要在服务器上完成。
③ 分布式时代：计算由分布于网络上的机器协同完成。
进入90年代以后，由于Internet网的发展及软件可重用性的发展，分布式医学计算正逐渐成为医学计算的主流，而基于DCOM(Distributed Componet Object Model)的分布式对象技术则是其中的一个主要研究热点。
, http://www.100md.com
1 DCOM介绍
1.1 COM(构件对象模型)
在COM中，每个对象的功能通过接口提供给外部使用，一个对象可以有多个接口，其中必须包括一个Iunknown接口。接口由一组功能相关的成员函数组成。除接口外，对象还包括私有数据，对象的用户不能直接访问这些数据，只有接口的成员函数可以访问。
1.1.1 对象与Client的边界
由图1可知Client对对象的引用跨越进程边界。从外表上来看，Client通过指针访问接口的成员函数，但对象调用者与对象分属不同的地址空间。接口与实现的分离使用户可以替换，修改一实现方法的源码，而不用改动调用该接口的对象和系统。用户还可以增加新的接口而不用破坏现有软件。用户所见的只是接口，接口以后的内容是看不见的黑箱。
, http://www.100md.com
图1 COM
1.1.2 对象的生命周期。
对象提供给Client的只是二进制代码。对象创建后，可同时为多个Client所用。对象用计数的方法来确定何时撤销创建的对象。当计数为零时说明已没有Client使用该对象，此时可撤销对象。
1.1.3 对象与接口的识别
COM使用Global Unique ID来标记对象及其接口，每个对象/接口都有一个GID，GID有128位长，这可以保证它的全球唯一性。对象的GID和它所在的服务器之间的对应关系则保留在系统的注册文件中。
1.1.4 IUnknown接口
IUnknown是每个对象必备的标准接口，它至少包括AddRef,Release和Query三个成员函数：AddRef和Release分别用于对象计数的加和减；Query接口用于查询是否有指定的接口。
, http://www.100md.com
1.1.5 对象的重用机制
在图2COM中，多个简单的对象可组成一个复杂的对象，它具有更多的功能，这就是所谓的重用。COM中提供了包含(Containment)和聚合(Aggregation)两种重用方式：包含是指将新的对象作为原有对象的Client,成员函数的功能由直接调用其它对象相应函数来实现；聚合则指按一定的方式把多个已实现的对象组合起来，使新的对象的Client调用直接由被组合的对象来完成。
图2 COM间通信
1.2 DCOM
DCOM(分布式构件对象模型)是对原有COM(构件对象模型)的扩展。由于它与当前通用的组件技术COM实现了无缝集成，所以可以很方便的将原有的系统升级为分布式应用而不用关心分布式应用的具体实现细节。它能使对象之间及远程对象之间通信，提供了在不同机器及不同操作系统中对象的透明消息传递。
, http://www.100md.com
如图3所示，我们可以看到，DCOM实质上是在COM的基础上用网络通信协议代替本地进程通讯来达到其分布式计算的目的。
图3 DCOM间通信
1.3 优点
在当前众多的分布式计算模型中，我们选用DCOM来实现HRV分析系统是由于它具有如下优点：
(1) DCOM组件的执行方式是编译型的，与解释型的其它分布式模型相比具有较快的执行速度，十分适用于医学信号处理这种计算量较大的场合。
(2) 与COM的兼容性，使原有的COM组件可以直接升级到DCOM上而不用重新编译。
(3) 与语言种类的无关性，可以使用C++，C，Java,Basic,Pascal等多种语言进行开发，也可被任何一种编程语言所使用和重用。
, 百拇医药
(4) 众多的商用产品，当前市场上存在着数千种DCOM组件，用户可以购置并在应用中使用。这些组件从简单用户接口装置到复杂的数据分析工具，应有尽有。
(5) COM可以处理使对象协同工作所需求的难以理解的细节，开发人员和使用者均不需要担心组件代码位于何处。这意味着开发人员只要编写单用户，单线程的组件，这些组件就会在任何一种网络环境中分布或部署。
2 HRV分析方法
心率变异性(HRV：Heart Rate Variability)分析是近20年发展起来的，HRV的机理是神经体液因素对心血管系统精细调节的结果，反映神经体液因素与窦房结相互作用的平衡关系。自主神经系统按日常生理活动调节心血管功能，使心率昼夜不断发生变化，肾素-血管紧张素及其他体液因素按新陈代谢的需要调节心血管功能，使心率的变化呈现更长周期的规律性。交感神经系统(Sympathetic Nervous System:SNS)使心率缓慢变化，心率有明显改变需20秒或更长时间；副交感神经系统(Parasympathetic Nervous System:PNS)使心率快速变化，心率加快或减慢在1至数个心搏中完成。患病时这种内在调节机制失衡或丧失，导致HRV异常。
, 百拇医药
尽管在心血管和非心血管疾病的临床研究上，心率变异分析都是当前的重要研究对象，但到目前为止，心率变异分析仅在两方面有确切的临床价值：急性心肌梗塞(AMI)后预测患者的危险度，糖尿病时分析HRV对自主神经系统受损程度进行判断。
目前HRV的分析方法主要有以下三类：
(1) 时域分析
时域分析是测量心率变异性最简单的方法，主要包括两类：统计学方法和几何图形法。统计学方法是通过对正常RR间期(Normal-to-Normal)序列的统计指标进行计算来评价心率变异性的临床价值，如RR间期标准差(SDNN)、相邻RR间期标准差(rMSSD)等。
(2) 频域分析
用传统的谱估计法(如快速傅里叶变换法)或现代谱估计法(AR模型)对RR间期序列进行谱估计，并按生理意义把频段划分为以下四段：
, 百拇医药
.超低频段(ULF：0.00～0.0033Hz)：具体生理意义有待研究
.极低频段(VLF：0.0033～0.04Hz)：具体生理意义有待研究
.低频段(LF：0.04～0.15Hz)：反映交感神经调制强度
.高频段(HF：0.15～0.4Hz)：反映迷走神经调制强度
另外，平衡比(LF/HF：低频段与高频段功率之比)较好地反映交感神经/迷走神经调节平衡。
(3) 非线性分析
心脏节律变化除有周期性外还具有非线性变化的特点，即各种生理因素使心率的总变化不是各因素作用的简单迭加。分析心率非线性变化的特点需用非线性分析技术。
, 百拇医药
3 结论
在开发中，我们使用Visual Studio 98进行开发。将QRS波检波，时域，频域，非线性分析，数据管理及打印分别编译成了不同DCOM组件，使其可以运行于分布式环境中，然后我们使用MIT心电数据库对系统进行了检测，得到了较好的结果，可参见图(4)(5)。
图4 全信息浏览
图5 散点图
该系统设计成功后采用MIT-BIH心电数据库进行了测试，检波正确率98%以上，能很好的在网络上完成HRV的时域，频域及非线性的分析，可以完好的运行于单机，Internet,Intranet环境中，十分适用于虚拟医院及远程医疗，是当今远程医疗的发展方向。
, 百拇医药
参考文献
1. R.L.Martino detal.Parallel Computing in Biomedical Research. Science.1994；265：902-908
2. S.N.Laxminarayan et al.Biomedical Information Technology:M edicine and Health Care in the Digital Future.IEEE Transaction on Information Te chnology in Biomedicine.1997；1(1).March
3. Bashshur.R.L.Telemedicine Effects:Costs,Quality and Access .Journal of Medical System 1995;19:81-91
4. Stephen T.C.Wong Distributed Object Technology for Health Care Information Management.IEEE International Conference On Information Technol ogy Applications In Biomedicien.1998.
5. 陆再英.心率变异分法方法学的标准化及结果的正确评价. 中国心脏起搏与心电生理杂志1996；10(4)：222-224
(1999年2月3日收稿), 百拇医药
单位：华中理工大学 (430074)
关键词：HRV(心率变异)；DCOM(分布式组件对象模型)；COM(组件对象模型)；Internet
中国医疗器械杂志990603 提要 介绍了分布式构件对象模型(DCOM)，使用网络通信协议代替本地进程通信来达到分布式计算的目的.介绍了HRV分析的具体意义，并对所开发的分布式HRV系统进行了介绍.
The Research of Distributed HRV Analysis System Based o n DCOM
Lin Lan Xu Banquan Zhou Yunbo Jiang Xiaopin
, 百拇医药 Huazhong University of Science & Technology
ABSTRACT This article introduces the meaning of Distribute d Component Object Model(DCOM),which used network communication protocol to repl ace the local process communication to reach the aim of Distributed Computing,th en it discusses the significance of HRV analysis,and finally it presents the sys tem we developed.
KEY WORDS HRV DCOM COM Internet
, http://www.100md.com 在过去的二十年中，医学科学与技术的进步极大地提高了健康护理的质量，与此同时，愈来愈多的健康服务需求正在耗尽有限的医学资源。因此，所有的工业化国家都在发展远程医疗服务来满足日益增长的需求。这就对医学计算提出了越来越高的要求。
医学计算的发展经历了三个时代：
① 单机时代：计算主要在单机上完成。
② 客户-服务时代：计算主要在服务器上完成。
③ 分布式时代：计算由分布于网络上的机器协同完成。
进入90年代以后，由于Internet网的发展及软件可重用性的发展，分布式医学计算正逐渐成为医学计算的主流，而基于DCOM(Distributed Componet Object Model)的分布式对象技术则是其中的一个主要研究热点。
, http://www.100md.com
1 DCOM介绍
1.1 COM(构件对象模型)
在COM中，每个对象的功能通过接口提供给外部使用，一个对象可以有多个接口，其中必须包括一个Iunknown接口。接口由一组功能相关的成员函数组成。除接口外，对象还包括私有数据，对象的用户不能直接访问这些数据，只有接口的成员函数可以访问。
1.1.1 对象与Client的边界
由图1可知Client对对象的引用跨越进程边界。从外表上来看，Client通过指针访问接口的成员函数，但对象调用者与对象分属不同的地址空间。接口与实现的分离使用户可以替换，修改一实现方法的源码，而不用改动调用该接口的对象和系统。用户还可以增加新的接口而不用破坏现有软件。用户所见的只是接口，接口以后的内容是看不见的黑箱。
, http://www.100md.com
图1 COM
1.1.2 对象的生命周期。
对象提供给Client的只是二进制代码。对象创建后，可同时为多个Client所用。对象用计数的方法来确定何时撤销创建的对象。当计数为零时说明已没有Client使用该对象，此时可撤销对象。
1.1.3 对象与接口的识别
COM使用Global Unique ID来标记对象及其接口，每个对象/接口都有一个GID，GID有128位长，这可以保证它的全球唯一性。对象的GID和它所在的服务器之间的对应关系则保留在系统的注册文件中。
1.1.4 IUnknown接口
IUnknown是每个对象必备的标准接口，它至少包括AddRef,Release和Query三个成员函数：AddRef和Release分别用于对象计数的加和减；Query接口用于查询是否有指定的接口。
, http://www.100md.com
1.1.5 对象的重用机制
在图2COM中，多个简单的对象可组成一个复杂的对象，它具有更多的功能，这就是所谓的重用。COM中提供了包含(Containment)和聚合(Aggregation)两种重用方式：包含是指将新的对象作为原有对象的Client,成员函数的功能由直接调用其它对象相应函数来实现；聚合则指按一定的方式把多个已实现的对象组合起来，使新的对象的Client调用直接由被组合的对象来完成。
图2 COM间通信
1.2 DCOM
DCOM(分布式构件对象模型)是对原有COM(构件对象模型)的扩展。由于它与当前通用的组件技术COM实现了无缝集成，所以可以很方便的将原有的系统升级为分布式应用而不用关心分布式应用的具体实现细节。它能使对象之间及远程对象之间通信，提供了在不同机器及不同操作系统中对象的透明消息传递。
, http://www.100md.com
如图3所示，我们可以看到，DCOM实质上是在COM的基础上用网络通信协议代替本地进程通讯来达到其分布式计算的目的。
图3 DCOM间通信
1.3 优点
在当前众多的分布式计算模型中，我们选用DCOM来实现HRV分析系统是由于它具有如下优点：
(1) DCOM组件的执行方式是编译型的，与解释型的其它分布式模型相比具有较快的执行速度，十分适用于医学信号处理这种计算量较大的场合。
(2) 与COM的兼容性，使原有的COM组件可以直接升级到DCOM上而不用重新编译。
(3) 与语言种类的无关性，可以使用C++，C，Java,Basic,Pascal等多种语言进行开发，也可被任何一种编程语言所使用和重用。
, 百拇医药
(4) 众多的商用产品，当前市场上存在着数千种DCOM组件，用户可以购置并在应用中使用。这些组件从简单用户接口装置到复杂的数据分析工具，应有尽有。
(5) COM可以处理使对象协同工作所需求的难以理解的细节，开发人员和使用者均不需要担心组件代码位于何处。这意味着开发人员只要编写单用户，单线程的组件，这些组件就会在任何一种网络环境中分布或部署。
2 HRV分析方法
心率变异性(HRV：Heart Rate Variability)分析是近20年发展起来的，HRV的机理是神经体液因素对心血管系统精细调节的结果，反映神经体液因素与窦房结相互作用的平衡关系。自主神经系统按日常生理活动调节心血管功能，使心率昼夜不断发生变化，肾素-血管紧张素及其他体液因素按新陈代谢的需要调节心血管功能，使心率的变化呈现更长周期的规律性。交感神经系统(Sympathetic Nervous System:SNS)使心率缓慢变化，心率有明显改变需20秒或更长时间；副交感神经系统(Parasympathetic Nervous System:PNS)使心率快速变化，心率加快或减慢在1至数个心搏中完成。患病时这种内在调节机制失衡或丧失，导致HRV异常。
, 百拇医药
尽管在心血管和非心血管疾病的临床研究上，心率变异分析都是当前的重要研究对象，但到目前为止，心率变异分析仅在两方面有确切的临床价值：急性心肌梗塞(AMI)后预测患者的危险度，糖尿病时分析HRV对自主神经系统受损程度进行判断。
目前HRV的分析方法主要有以下三类：
(1) 时域分析
时域分析是测量心率变异性最简单的方法，主要包括两类：统计学方法和几何图形法。统计学方法是通过对正常RR间期(Normal-to-Normal)序列的统计指标进行计算来评价心率变异性的临床价值，如RR间期标准差(SDNN)、相邻RR间期标准差(rMSSD)等。
(2) 频域分析
用传统的谱估计法(如快速傅里叶变换法)或现代谱估计法(AR模型)对RR间期序列进行谱估计，并按生理意义把频段划分为以下四段：
, 百拇医药
.超低频段(ULF：0.00～0.0033Hz)：具体生理意义有待研究
.极低频段(VLF：0.0033～0.04Hz)：具体生理意义有待研究
.低频段(LF：0.04～0.15Hz)：反映交感神经调制强度
.高频段(HF：0.15～0.4Hz)：反映迷走神经调制强度
另外，平衡比(LF/HF：低频段与高频段功率之比)较好地反映交感神经/迷走神经调节平衡。
(3) 非线性分析
心脏节律变化除有周期性外还具有非线性变化的特点，即各种生理因素使心率的总变化不是各因素作用的简单迭加。分析心率非线性变化的特点需用非线性分析技术。
, 百拇医药
3 结论
在开发中，我们使用Visual Studio 98进行开发。将QRS波检波，时域，频域，非线性分析，数据管理及打印分别编译成了不同DCOM组件，使其可以运行于分布式环境中，然后我们使用MIT心电数据库对系统进行了检测，得到了较好的结果，可参见图(4)(5)。
图4 全信息浏览
图5 散点图
该系统设计成功后采用MIT-BIH心电数据库进行了测试，检波正确率98%以上，能很好的在网络上完成HRV的时域，频域及非线性的分析，可以完好的运行于单机，Internet,Intranet环境中，十分适用于虚拟医院及远程医疗，是当今远程医疗的发展方向。
, 百拇医药
参考文献
1. R.L.Martino detal.Parallel Computing in Biomedical Research. Science.1994；265：902-908
2. S.N.Laxminarayan et al.Biomedical Information Technology:M edicine and Health Care in the Digital Future.IEEE Transaction on Information Te chnology in Biomedicine.1997；1(1).March
3. Bashshur.R.L.Telemedicine Effects:Costs,Quality and Access .Journal of Medical System 1995;19:81-91
4. Stephen T.C.Wong Distributed Object Technology for Health Care Information Management.IEEE International Conference On Information Technol ogy Applications In Biomedicien.1998.
5. 陆再英.心率变异分法方法学的标准化及结果的正确评价. 中国心脏起搏与心电生理杂志1996；10(4)：222-224
(1999年2月3日收稿), 百拇医药