基于SPCE061A處理器醫(yī)療模型人訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計
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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(qiáng)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(jìn)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(hù)”、“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(hù)人員。然而隨著法制的健全，病人及其家屬自我保護(hù)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(hù)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(jìn)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(hù)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(jī)軟件、下位機(jī)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(jī)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(jī)采用了凌陽16位單片機(jī)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(jī)和下位
機(jī)之間用USB連接實現(xiàn)了高速、穩(wěn)定的通信。
上位機(jī)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(jìn)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(jī)硬件設(shè)計和上位軟件設(shè)計兩部分。軟件又分為計算機(jī)軟件控制界面和虛擬監(jiān)護(hù)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(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、中斷處理能力強(qiáng)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(jī)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(jī)通信。利用PDIUSBD12芯片實現(xiàn)控制箱與PC機(jī)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(jìn)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(hù)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(hù)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(jī)。本系統(tǒng)采取了系統(tǒng)擴(kuò)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(jī)。
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(jìn)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(bǔ)償，溫度補(bǔ)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(jī)內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器相容的電平，使傳感器與單片機(jī)接口匹配。系統(tǒng)軟件對傳感器的零位輸出和壓力量程進(jìn)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(jī)。
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(jī)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)箱，允許外設(shè)熱插拔而不必關(guān)閉主機(jī)電源。
(2)速度快。USB接口的最高傳輸率可達(dá)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(dá)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)、掃描儀、外部大容量存儲器Zip驅(qū)動器和數(shù)碼相機(jī)等。現(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。
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