基于SPCE061A處理器醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計

0 引言
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是為滿足廣大醫(yī)學(xué)生的需要而設(shè)計的。我國現(xiàn)代醫(yī)療模擬技術(shù)的發(fā)展處于剛剛起步階段，大部分仿真系統(tǒng)產(chǎn)品都源于國外，雖然對于模擬人仿真已經(jīng)出現(xiàn)一些產(chǎn)品，但那些產(chǎn)品只是就模擬人的某一部分，某一個功能實現(xiàn)的仿真，沒有一個完整的系統(tǒng)綜合其所有功能。
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是一款模擬胎兒分娩及母嬰急救的智能化模型人，是與現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的綜合示教模擬系統(tǒng)。此產(chǎn)品既滿足了婦產(chǎn)科的教學(xué)需要又滿足了臨床醫(yī)學(xué)教育中的急救技術(shù)教學(xué)的要求。
    婦產(chǎn)科學(xué)是一門實踐性與應(yīng)用性很強的臨床醫(yī)學(xué)學(xué)科，臨床實踐教學(xué)在婦產(chǎn)科教學(xué)中占有舉足輕重的地位。隨著社會的進步和對醫(yī)學(xué)人才培養(yǎng)要求的提高，傳統(tǒng)的臨床教學(xué)模式已經(jīng)不能滿足新形勢下婦產(chǎn)科的教學(xué)需要。
    在臨床醫(yī)學(xué)教育中，急救技術(shù)是教學(xué)的重點和難點，特別是“人工心肺復(fù)蘇”、“心臟除顫監(jiān)護”、“創(chuàng)傷急救”等，還是國家執(zhí)業(yè)醫(yī)師考試中實踐技能考核的重點。對危重病人的搶救必須爭分奪秒，臨床急救工作需要經(jīng)過嚴(yán)格訓(xùn)練、技術(shù)嫻熟的醫(yī)護人員。然而隨著法制的健全，病人及其家屬自我保護意識的提高，單靠在搶救病人時練就過硬的急救技術(shù)，是十分困難的事情，稍有不慎極易引起醫(yī)療糾紛，如醫(yī)護人員急救技術(shù)不熟練或不正確，可能發(fā)生醫(yī)療事故，甚至導(dǎo)致病人死亡。由于供急救訓(xùn)練的臨床資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，而進口的急救模型人價格昂貴，一般院校很少購買。因此，低年資醫(yī)護人員及醫(yī)學(xué)生很難熟練掌握急救的實際操作技能。

1 醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)簡介
    醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)是由上位機軟件、下位機硬件和模型人三部分組成。它能實現(xiàn)自主設(shè)置病例及完整的治療過程，不但可以練習(xí)臨床技能的訓(xùn)練，更提高了臨床思維能力和獨立救治能力。該系統(tǒng)的上位機軟件設(shè)計采用了VC．NET和openGL相結(jié)合，設(shè)計界面美觀，操作方便。下位機采用了凌陽16位單片機SPCE061A語音芯片，由于該處理器價格低、功耗小、具有語音功能，滿足了本產(chǎn)品的設(shè)計需求。上位機和下位
機之間用USB連接實現(xiàn)了高速、穩(wěn)定的通信。
    上位機軟件系統(tǒng)內(nèi)容包括從基礎(chǔ)生命支持(BLS)、高級生命支持(ACLS)到持續(xù)生命支持(PLS)的全部急救知識點，通過信息采集箱的轉(zhuǎn)接系統(tǒng)，可針對模型人上所作的操作進行評估考核。軟件可以自創(chuàng)各種臨床模擬病例，適合不同層次醫(yī)學(xué)的培訓(xùn)、繼續(xù)教育與考核的綜合系統(tǒng)。將該系統(tǒng)分為下位機硬件設(shè)計和上位軟件設(shè)計兩部分。軟件又分為計算機軟件控制界面和虛擬監(jiān)護儀。系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計
    從功能方面，硬件系統(tǒng)分為模型人信息采集模塊、系統(tǒng)通信模塊、電源模塊和胎兒分娩控制模塊四個部分，如圖2所示。

    該系統(tǒng)采用16位嵌入式控制芯片作為主控制器，該處理器具有體積小、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、中斷處理能力強等特點，內(nèi)嵌32 KB閃存FLASH，處理速度高，能夠方便地完成普通單片機的功能。該芯片內(nèi)集成有ADC，DAC，定時器／計數(shù)器，RAM，F(xiàn)LASH等器件，加上適當(dāng)?shù)耐鈬酒c配套的集成開發(fā)環(huán)境，可以方便地完成8路單通道數(shù)據(jù)采集，采樣頻率可調(diào)：1 kHz，5 kHz，10 kHz，20 kHz，50 kHz。模擬仿真輸出速率可調(diào)：4μs，6μs，8μs，lOμs，具有輸出中斷功能；可通過UART串行端口與PC機通信。利用PDIUSBD12芯片實現(xiàn)控制箱與PC機USB通信。
2．1 模型人信息采集模塊
    模型人信息采集模塊分兩部分，第一部分是位置感應(yīng)器信息采集，第二部分是對心肺復(fù)蘇術(shù)的人工呼吸和胸部按壓術(shù)的信息進行采集。
位置感應(yīng)器信息采集主要包括對模擬心電監(jiān)護儀信息、氣管插管術(shù)信息、模擬靜脈給藥信息、模擬胎兒監(jiān)護儀信息采集、模擬血壓儀的信息和模擬脈搏氧飽和度信息采集。主控制器實時掃描感應(yīng)器終端，拾取感應(yīng)器信息，經(jīng)處理后通過通信系統(tǒng)傳給上位機。本系統(tǒng)采取了系統(tǒng)擴展I／O口或主控制器I／O并行的與位置傳感器終端相連采取位置感應(yīng)器信息。信息被采取后通過主控器的處理傳給PC機。
    心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集，因為模型人的心肺模擬采用氣囊方式，所以心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集采用了氣體壓力傳感器的方式進行。心肺復(fù)蘇術(shù)信息采集采用了MPX2010型雙通道壓力傳感器，它能提供一個精確的直接與外加壓力成正比的線性電壓輸出，此類傳感器將應(yīng)變計和薄膜電阻網(wǎng)絡(luò)集成在同一硅片上，用激光修正技術(shù)實現(xiàn)精確的量程校正、零位偏差校正和溫度補償，溫度補償范圍為O～85℃，測量方式有表壓(G，GP)和差壓(D，DP)型。本系統(tǒng)利用運算放大器將壓力傳感器輸出的微小電壓信號放大至與單片機內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器相容的電平，使傳感器與單片機接口匹配。系統(tǒng)軟件對傳感器的零位輸出和壓力量程進行計算和校準(zhǔn)，并將傳感器輸出壓力數(shù)據(jù)處理后上傳給PC機。
2．2 通信模塊的設(shè)計
    系統(tǒng)設(shè)計了兩種通信方式與上位機相連(RS 232串行異步通訊和USB通訊)，來滿足用戶的多種要求。
2．2．1 RS 232串行異步通訊
    UART是廣泛使用的串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。系統(tǒng)主控制器提供了一個全雙工標(biāo)準(zhǔn)接口的UART通訊電路模塊，用于完成主控制器與外設(shè)之間的串行通訊。進行串行通訊時要滿足一定的條件，比如電腦的串口是RS232電平，而單片機的串口是TTL電平的，兩者之間必須有一個電平轉(zhuǎn)換電路，系統(tǒng)采用了專用芯片MAX3232進行轉(zhuǎn)換。典型的串口電路設(shè)計如圖3所示。

2．2．2 USB通訊
    USB(Universal Serial Bus)通用串行總線是近年來應(yīng)用在PC領(lǐng)域的新型接口技術(shù)，是一些PC大廠商如Microsoft Intel等為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的主板插槽和端口之間的矛盾而制定的一種串行通信的標(biāo)準(zhǔn)。
    USB的主要優(yōu)點如下：
    (1)使用方便。連接外設(shè)不必再打開機箱，允許外設(shè)熱插拔而不必關(guān)閉主機電源。
    (2)速度快。USB接口的最高傳輸率可達12 Mb／s；提供低速方式，速率為1．5 Mb／s；扣除用于總線狀態(tài)控制和錯誤檢測等數(shù)據(jù)傳輸，最大理論速度也能達到1.2 Mb／s和9．6 Mb／s。
    (3)連接靈活。一個USB口理論上可以連接127個USB設(shè)備，連接的方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用集線器HUB把多個設(shè)備連接在一起，再同PC機的USB口相接。
    (4)獨立供電USB接口提供了內(nèi)置電源。
    本系統(tǒng)設(shè)計采用了USB芯片PDIUSBD12與上位機進行通信，PDIUSBD12是一個性能優(yōu)化的USB器件，通常用于基于微控制器的系統(tǒng)并與微控制器通過高速通用并行接口進行通信，也支持本地DMA傳輸。該器件采用模塊化的方法實現(xiàn)一個USB接口，允許在眾多可用的微控制器中選擇最合適的作為系統(tǒng)微控制器，允許使用現(xiàn)存的體系結(jié)構(gòu)并使固件投資減到最小。這種靈活性減少了開發(fā)時間、風(fēng)險和成本，是開發(fā)低價、高效USB外圍設(shè)備解決方案的一種最快途徑。PDIUSBD12完全符合USB 1．1規(guī)范，也能適應(yīng)大多數(shù)設(shè)備類規(guī)范的設(shè)計，如成像類、大容量存儲類、通信類、打印類和人工輸入設(shè)備等，因此PDIUSBDl2非常適合做很多外圍設(shè)備。如打印機、掃描儀、外部大容量存儲器Zip驅(qū)動器和數(shù)碼相機等?，F(xiàn)在用SCSI實現(xiàn)的很多設(shè)備，如果用USB來實現(xiàn)可以直接降低成本。PDIUSBDl2掛起時的低功耗以及LazyClock輸出符合ACPI，OnNOW和USB電源管理設(shè)備的要求。低功耗工作允許實現(xiàn)總線供電的外圍設(shè)備。PDIUSBD12還集成了像SoftConnect，GoodLink可編程時鐘輸出、低頻晶振和終端電阻等特性。所有這些特性都能在系統(tǒng)實現(xiàn)時節(jié)省成本，同時在外圍設(shè)備上很容易實現(xiàn)更高級的USB功能。PDIUSBD12芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2．3 電源模塊的設(shè)計
    系統(tǒng)電源設(shè)計是本系統(tǒng)設(shè)計中一項極其重要的工作，它對整個系統(tǒng)是否正常運行起著至關(guān)重要的作用。系統(tǒng)要求的功率比較大，所以本系統(tǒng)采用了12 V，5 A的適配器來供電。根據(jù)功耗和芯片工作電壓的不同，系統(tǒng)設(shè)計了兩路不相關(guān)的電源組。一路供給主控制器模塊，另一路供給胎兒分娩控制模塊。
    供給主控制器模塊電源組采用了DC／DC模塊降壓到5 V，然后由11173．3電源芯片降到3．3 V。其中，5V供給壓力傳感器和音頻系統(tǒng)，3．3 V供給主控制器芯片、USB和串口芯片等。采用DC／DC電源模塊具有很好的隔離性和保護性，可增加電源供電的穩(wěn)定性。
    供給胎兒分娩控制模塊電源組采用了12 V適配器電源和7805降壓的5 V電源，此模塊要求電源的功率大，但對電源的穩(wěn)定性要求不是很高。這樣設(shè)計符合整個硬件系統(tǒng)的要求。在兩組電源中控制信號采用光耦進行傳遞，光耦優(yōu)點是完全切斷兩個模塊電源之間的關(guān)系，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。
2．4 胎兒分娩控制模塊
    本模塊是計算機和“病人”聯(lián)系最密切的體現(xiàn)。系統(tǒng)既有對模型人的信息采集，又有對模型人的控制。本模塊分為胎兒心音模擬、胎兒出生裝置控制和信息采集以及孕婦宮縮的模擬。
    胎兒心音模擬采用了專用音頻模塊，采用了電平觸發(fā)方式進行控制。采用專用的音頻模塊主要特點是音頻模塊的功耗低，控制簡單。用專用音頻芯片也減少了主控芯片的CPU占用率，使主控芯片處理速度更快更穩(wěn)定。
    胎兒出生裝置采用了直流電機作為嬰兒出生的推動力，采用了凹槽式光耦和行程開關(guān)來確定胎兒位置。本系統(tǒng)根據(jù)胎兒出生裝置設(shè)計采用了L298作為電機控制驅(qū)動芯片，用I／0口采集胎兒的位置信息。
    孕婦宮縮的模擬采用了微型氣泵、氣體電磁閥和壓力傳感器構(gòu)成。氣泵和氣體電磁閥由大功率NMOS管控制。宮縮的強度由壓力傳感器反饋信息來控制。
2．5 系統(tǒng)抗干擾和系統(tǒng)安全設(shè)計
    各種形式的干擾一般都是以脈沖的形式進主控制器系統(tǒng)的，干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條：空間干擾(場干擾)，通過電磁波輻射竄人系統(tǒng)；過程通道干擾，通過與主機相連的前向通道、后向通道及其他與主機相互連接的通道進入；供電系統(tǒng)干擾，通過供電線路竄人。對于上述三種干擾必須采用行之有效的措施和具體電路加以消除，確保單片機系統(tǒng)正常運行和工作。
    本系統(tǒng)采用了雙路電源供電、對控制信號進行了光電隔離、芯片電源和地之間加有去耦電容和主控芯片，電源采用DC／DC電源模塊等來增強系統(tǒng)抗干擾能力。此外系統(tǒng)對大功率原件設(shè)計了監(jiān)控報警電路，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2．6 CPR信息數(shù)據(jù)處理
    學(xué)員對模型人胸部按壓壓力的測量是模型人系統(tǒng)所要完成的一項主要功能之一，這里采用的是心肺氣囊加傳感器的方法來測量學(xué)員對模型人胸部按壓壓力。學(xué)員按壓模型人胸部氣囊時會造成心肺氣囊內(nèi)壓強的變化，從而使得壓力傳感器的輸出電壓波形也發(fā)生相應(yīng)的變化。如何從傳感器的輸出電壓來得到學(xué)員按壓的壓力值，并與標(biāo)準(zhǔn)值比對是要解決的首要問題。
    由于受心肺氣囊形狀、傳感器靈敏度等許多因素的影響，采集到的電壓不可避免出現(xiàn)許多干擾。在實際的應(yīng)用過程中，采用通過硬件濾波和軟件濾波相結(jié)合的方法來消除噪聲。硬件濾波可以通過低通濾波器來實現(xiàn)，軟件濾波采用中值濾波的方法。
    經(jīng)過大量的實驗表明，在相同的實驗條件下，壓強的大小對傳感器的輸出波形是有影響的。不同的壓強下傳感器的初始電壓V0是不同的，而整個按壓過程本身也是一個變力的過程，所以胸部按壓力度隨時間t而變化的，跟電壓V(t)以及初始電壓V0均有關(guān)系，即：
     
    當(dāng)初始電壓V0固定時，假設(shè)胸部按壓力度與電壓之間的關(guān)系是線性的，則按壓值可以用以下公式表示：

   
    由式(7)可知，k值實際上可以通過試驗數(shù)據(jù)求得一個固定值。再由式(2)得，要計算按壓值F(t)的最大值，實際上就是求傳感器輸出電壓V的最大值Vmax。然而式(2)是在假設(shè)V0固定的前提下成立的，事實上，即使在相同的實驗條件下，不同的V0下得到的Vmax是不同的，計算出來的最大按壓Fmax也是不同的。為了使不同氣囊壓強下仍然得到相同的最大胸部按壓力度Fmax，可以調(diào)整k值，使得k值和初始電壓V0滿足某種關(guān)系，即：
    
則計算最大胸部按壓力度可以用下列關(guān)系表示：
   
    而函數(shù)g可以通過統(tǒng)計的方法從大量實驗得出的k值和V中求得，可考慮采用數(shù)據(jù)擬合的方法來進行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    設(shè)計將采用Visual Studio 2005的MFC為工具進行軟件設(shè)計。Visual Studio 2005是微軟公司新一代數(shù)據(jù)開發(fā)平臺，有更和諧的解決方案，可以高效地產(chǎn)生最嚴(yán)格的應(yīng)用程序。
    上位機界面由控制界面和虛擬監(jiān)護儀界面分雙屏顯示。在控制界面里根據(jù)功能的不同又分為生命體征狀態(tài)設(shè)置和保存模塊、生命體征數(shù)據(jù)管理模塊、模擬病程的模塊、記錄和治療模塊、病史模塊、心肺復(fù)蘇模塊和網(wǎng)絡(luò)功能模塊。虛擬監(jiān)護儀界面主要由心電圖波形顯示、血壓波形顯示、呼吸波形顯示、呼吸CO2的含量波形顯示構(gòu)成。界面中還包含急救措施時使用的起搏器，除顫器等設(shè)置按鈕等。
    控制界面主要實現(xiàn)的功能：
    (1)生命體征狀態(tài)設(shè)置和保存模塊。生命體征的狀態(tài)主要包括心肺狀態(tài)和體溫，怎樣設(shè)置生命體征的狀態(tài)和保存是上位機模塊一切功能的基礎(chǔ)。
    (2)生命體征數(shù)據(jù)管理模塊。這里主要包括生命體征的查找、刪除、查看詳細(xì)數(shù)據(jù)、編輯、運行和排序等功能。
    (3)模擬病程的模塊。模擬病程就是模擬真人生病的過程，是一個變化的過程，通過虛擬監(jiān)護儀表現(xiàn)出來。
    (4)記錄和治療模塊。記錄模塊是記錄了模擬人的生命體征變化以及治療的過程。治療模塊是根據(jù)模型人的生命體征做出相應(yīng)的治療的過程。
    (5)病史模塊。病史模塊是對病人以前病史和現(xiàn)在的病情的記錄，病史對醫(yī)生診斷治療是一個很重要的環(huán)節(jié)，根據(jù)病史不同治療方法也會不同。
    (6)心肺復(fù)蘇模塊。心肺復(fù)蘇是急救最重要的一項，本模塊可以訓(xùn)練CPR按壓和通氣的頻率。也可以考核學(xué)生對CPR的掌握。
    (7)網(wǎng)絡(luò)功能模塊?？梢詫崿F(xiàn)主機對從機監(jiān)控及主機和從機對話功能。
    (8)虛擬監(jiān)護儀模塊。虛擬監(jiān)護儀模塊是最重要的一個模塊，這個模塊包括人體生命體征的顯示和生命體征曲線的合成。人體生命體征的顯示中包括心電圖、血壓圖、呼吸圖、呼吸CO2圖、體溫等，以及這些波形圖的顯示的調(diào)節(jié)。生命體征的曲線的合成主要包括心電圖曲線、血壓圖曲線、呼吸圖曲線、呼吸CO2圖曲線的合成。這些圖形有規(guī)則的周期波形，有不規(guī)則的周期波形，還有沒有周期型的波形。

4 結(jié)語
    該系統(tǒng)具有齊全的功能模塊，可以使更多的醫(yī)學(xué)生在安全、受保護的模擬環(huán)境里進行訓(xùn)練和科研，不僅增強了學(xué)生的實踐能力，而且保護了病人的合法權(quán)益。該系統(tǒng)是計算機交互式系統(tǒng)，其功能強大，擴展性強，且為今后功能的擴展預(yù)留了很大空間。